MOLEKULÁRNÍ KINETICKÁ TEORIE: HISTORIE, POSTULÁTY A PŘÍKLADY - CHEMIE - 2025

Molekulární kinetická teorie je ten, který se snaží, aby vysvětlit experimentální pozorování plynů z mikroskopického hlediska. To znamená, že se pokouší spojit povahu a chování plynných částic s fyzikálními charakteristikami plynu jako tekutiny; vysvětlit makroskopický z mikroskopického.

Plyny byly pro vědce vždy zajímavé kvůli jejich vlastnostem. Zabírají celý objem nádoby, ve které jsou umístěny, a mohou být kompletně stlačeny, aniž by jejich obsah odporoval nejmenšímu odporu; a pokud se teplota zvýší, nádoba začne expandovat a může dokonce prasknout.

Plynné částice v podmínkách daleko od zkapalnění nebo v jeho blízkosti. Zdroj: Olivier Cleynen a uživatel: Sharayanan

Mnoho z těchto vlastností a chování je shrnuto v zákonech o ideálním plynu. Považují však plyn za celek a ne za sbírku milionů částic rozptýlených v prostoru; dále neposkytuje na základě údajů o tlaku, objemu a teplotě další informace týkající se pohybu těchto částic.

Teorie molekulární kinetiky (TCM) tedy navrhuje jejich vizualizaci jako mobilní koule (horní obrázek). Tyto koule se střetnou s sebou a se stěnami libovolně a udržují lineární trajektorii. Když se však teplota sníží a tlak se zvýší, trajektorie koulí se zakřiví.

Plyn podle TCM se musí chovat jako koule v prvním snímku obrazu. Chlazením a zvyšováním tlaku na ně však není jejich chování zdaleka ideální. Jedná se tedy o skutečné plyny, které se blíží zkapalnění, a tedy přecházejí do kapalné fáze.

Za těchto podmínek se vzájemné ovlivňování mezi sférami stává důležitějším do té míry, že se jejich rychlosti dočasně zpomalí. Čím blíž k zkapalnění, tím více křivek se jejich trajektorie stávají (vsazené vpravo) a jejich srážky jsou méně energetické.

Dějiny

Daniel Bernoulli

Myšlenka těchto sfér, lépe nazývaná atomy, už byla zvažována římským filozofem Lucretiusem; ne pro plyny, ale pro pevné, statické objekty. Na druhé straně Daniel Bernoulli v roce 1738 aplikoval atomové vidění na plyny a kapaliny tím, že si je představoval jako neuspořádané koule pohybující se všemi směry.

Jeho práce však v té době porušovala zákony fyziky; tělo se nemohlo věčně pohybovat, takže nebylo možné myslet si, že by se skupina atomů a molekul srazila, aniž by ztratila energii; to znamená, že elastické kolize nebyly možné.

Rudolf clausius

O století později další autoři posílili TCM o model, kdy se plynné částice pohybovaly pouze jedním směrem. Rudolf Clausius však sestavil své výsledky a sestavil úplnější model TCM, kterým se snažil vysvětlit ideální zákony o plynech, které demonstrovali Boyle, Charles, Dalton a Avogadro.

James Clerk Maxwell a Ludwig Boltzmann

V 1859, James Clerk Maxwell navrhl, že plynné částice projevují rozsah rychlostí při dané teplotě, a že soubor těchto může být zvažován pomocí průměrné molekulární rychlosti.

Poté v roce 1871 Ludwig Boltzmann spojil existující myšlenky s entropií a to, jak plyn termodynamicky vždy inklinuje zabírat co nejvíce prostoru homogenním a spontánním způsobem.

Postuláty molekulární kinetické teorie

Pro zvážení plynu z jeho částic je nezbytný model, ve kterém jsou splněny určité postuláty nebo předpoklady; postuluje, že logicky musí být schopen předvídat a vysvětlit (pokud možno věrně) makroskopická a experimentální pozorování. To znamená, že jsou zmiňovány a popsány postuláty TCM.

Objem plynných částic je zanedbatelný

V nádobě naplněné plynnými částicemi se tyto rozptýlí a ve všech rozích se od sebe vzdálí. Pokud by na okamžik mohli být všichni spojeni v určitém bodě v nádobě, bez zkapalnění, bylo by pozorováno, že zabírají pouze zanedbatelnou část objemu nádoby.

To znamená, že nádoba, i když obsahuje miliony plynných částic, je ve skutečnosti prázdnější než plná (poměr objem-dutina mnohem menší než 1); proto, pokud to jeho bariéry umožňují, mohou být tento plyn a plyn uvnitř něj náhle stlačeny; protože nakonec jsou částice velmi malé, stejně jako jejich objem.

Objemově prázdný vztah plynu v nádobě. Zdroj: Gabriel Bolívar.

Obrázek nahoře přesně ilustruje výše uvedené, za použití modře zbarveného plynu.

Atraktivní síly mezi částicemi jsou nulové

Plynné částice uvnitř kontejneru se navzájem srazí bez dostatečného času, aby jejich interakce získaly sílu; ještě méně, když je obklopuje hlavně molekulární vakuum. Okamžitým důsledkem toho je, že jejich lineární dráhy jim umožňují úplně obsáhnout objem nádoby.

Pokud by tomu tak nebylo, kontejner s „bizarním“ a „labyrintovým“ tvarem by měl v důsledku kondenzace plynu vlhké oblasti; místo toho částice cestují celým kontejnerem s úplnou volností, aniž by je jejich interakce zastavila.

Trajektorie plynných částic, když jsou interakce nulové nebo nevýznamné (A., lineární), a když jsou důležité (B., křivky). Zdroj: Gabriel Bolívar.

Lineární trajektorie horního obrazu (A.) ukazují tento postulát; zatímco pokud jsou trajektorie zakřivené (B.), ukazuje, že existují interakce, které nelze ignorovat mezi částicemi.

Plynné částice jsou vždy v pohybu

Z prvních dvou postulátů se sbližuje také skutečnost, že částice plynu se nikdy nepřestanou pohybovat. Jakmile jsou v nádobě rozmazané, srazí se navzájem a se svými stěnami, silou a rychlostí přímo úměrnou absolutní teplotě; tato síla je, tlak.

Pokud by se plynné částice na okamžik přestaly pohybovat, uvnitř nádoby by se objevily „jazyky kouře“, které by se vynořily z ničeho, s dostatkem času, aby se uspořádaly ve vakuu a poskytly náhodné tvary.

Srážky mezi částicemi a stěnami nádoby jsou elastické

Pokud v nádobě převládají pouze elastické srážky mezi plynnými částicemi a stěnami nádoby, nikdy nedojde ke kondenzaci plynu (pokud se nezmění fyzické podmínky); nebo co je stejné jako říkat, že nikdy neodpočívají a vždy se srazí.

Je tomu tak proto, že při elastických kolizích nedochází k žádné čisté ztrátě kinetické energie; částice se srazí se stěnou a skáče stejnou rychlostí. Pokud se částice při srážce zpomalí, druhá zrychluje, aniž by produkovala teplo nebo zvuk, který rozptyluje kinetickou energii jedné z nich.

Kinetická energie nezůstává konstantní

Pohyb částic je náhodný a chaotický, takže ne všechny mají stejnou rychlost; stejně jako například na dálnici nebo v davu. Některé jsou energičtější a rychleji cestují, zatímco jiné jsou pomalé a čekají na kolizi, aby je urychlily.

K popisu jeho rychlosti je pak nutné vypočítat průměr; a tím se získá průměrná kinetická energie plynných částic nebo molekul. Protože se kinetická energie všech částic neustále mění, průměrování umožňuje lepší kontrolu dat a lze s nimi pracovat s větší spolehlivostí.

Průměrná kinetická energie se rovná dané teplotě pro všechny plyny

Průměrná molekulární kinetická energie (EC _mp) v nádobě se mění s teplotou. Čím vyšší je teplota, tím vyšší bude energie. Protože se jedná o průměr, mohou existovat částice nebo plyny, které mají více nebo méně energie vzhledem k této hodnotě; některé rychlejší a jiné pomalejší.

Matematicky lze ukázat, že EC _mp závisí výhradně na teplotě. To znamená, že bez ohledu na to, jaký je plyn, jeho hmotnost nebo molekulární struktura, jeho EC _mp bude při teplotě T stejné a bude se měnit pouze tehdy, pokud se zvyšuje nebo snižuje. Ze všech postulátů je to asi nejdůležitější.

A co průměrná molekulová rychlost? Na rozdíl od EC _mp, molekulová hmotnost ovlivňuje rychlost. Čím těžší je částice plynu nebo molekula, je přirozené očekávat, že se bude pohybovat pomaleji.

Příklady

Zde je několik příkladů toho, jak se TCM podařilo vysvětlit zákony o ideálním plynu. I když to není řešeno, lze pomocí TCM vysvětlit i jiné jevy, jako je difúze a výtok plynů.

Boyleův zákon

Pokud je objem zásobníku stlačen při konstantní teplotě, zmenšuje se vzdálenost, kterou musí plynné částice cestovat, aby se srazily se stěnami; což se rovná zvýšení frekvence takových kolizí, což má za následek větší tlak. Protože teplota zůstává konstantní, EC _mp je také konstantní.

Charles Law

Pokud zvýšíte T, zvýší se EC _mp. Plynné částice se budou pohybovat rychleji a vícekrát se srazí se stěnami nádoby; tlak se zvyšuje.

Pokud jsou stěny ohebné, schopné se roztažit, jejich plocha se zvětšuje a tlak bude klesat, dokud nebude konstantní; a v důsledku toho se také zvýší hlasitost.

Daltonův zákon

Pokud by se do prostorné nádoby pocházející z menších nádob přidalo několik litrů různých plynů, jejich celkový vnitřní tlak by se rovnal součtu parciálních tlaků vyvíjených každým druhem plynu samostatně.

Proč? Protože všechny plyny začínají kolidovat a homogenně se rozptylovat; interakce mezi nimi jsou nulové a vakuum převládá v nádobě (TCM postuluje), takže je to, jako by každý plyn byl sám, vyvíjel svůj tlak jednotlivě bez rušení ostatních plynů.

Reference

1. Whitten, Davis, Peck a Stanley. (2008). Chemie. (8. ed.). CENGAGE Learning, P 426-431.
2. Fernandez Pablo. (2019). Molekulární kinetická teorie. Vix. Obnoveno z: vix.com
3. Jones, Andrew Zimmerman. (7. února 2019). Kinetická molekulární teorie plynů. Obnoveno z: thinkco.com
4. Hall Nancy. (5. května 2015). Kinetická teorie plynů. Glenn Research Center. Obnoveno z: grc.nasa.gov
5. Blaber M. & Lower S. (9. října 2018). Základy kinetické molekulární teorie. Chemie LibreTexts. Obnoveno z: chem.libretexts.org
6. Kinetická molekulární teorie. Obnoveno z: chemed.chem.purdue.edu
7. Wikipedia. (2019). Kinetická teorie plynů. Obnoveno z: en.wikipedia.org
8. Toppr. (sf). Kinetická molekulární teorie plynů. Obnoveno z: toppr.com