MOLEKÜLER KINETIK TEORI: TARIH, VARSAYIMLAR VE ÖRNEKLER - KIMYA - 2025

Moleküler kinetik teori arar biri için mikroskopik bakış açısından gazların deneysel gözlemleri açıklayabilir. Yani, gaz halindeki partiküllerin doğasını ve davranışını bir akışkan olarak gazın fiziksel özellikleriyle ilişkilendirmeye çalışır; Makroskopik olanı mikroskobik açıdan açıklar.

Gazlar, özelliklerinden dolayı her zaman bilim adamlarının ilgisini çekmiştir. İçeriği en düşük dirence karşı gelmeden tamamen sıkıştırılabilen, içinde bulundukları kabın tüm hacmini kaplarlar; ve sıcaklık artarsa, kap genişlemeye başlar ve hatta çatlayabilir.

Sıvılaşma uzak veya yakın koşullardaki gaz partikülleri. Kaynak: Olivier Cleynen ve Kullanıcı: Sharayanan

Bu özelliklerin ve davranışların çoğu ideal gaz kanunlarında özetlenmiştir. Ancak gazı, uzaya dağılmış milyonlarca parçacığın bir toplamı olarak değil, bir bütün olarak görüyorlar; ayrıca basınç, hacim ve sıcaklık verilerine dayalı olarak, bu parçacıkların nasıl hareket ettiğine ilişkin daha fazla bilgi sağlamaz.

Böylece, moleküler kinetik teori (MCT), onları hareketli küreler (üstteki resim) olarak görselleştirmeyi önerir. Bu küreler birbirleriyle ve duvarlarla keyfi olarak çarpışır ve doğrusal bir yörünge sağlar. Bununla birlikte, sıcaklık düştüğünde ve basınç arttığında, kürelerin yörüngesi eğimli hale gelir.

TCM'ye göre bir gaz, görüntünün ilk karesindeki küreler gibi davranmalıdır. Ancak, üzerlerindeki baskıyı soğutarak ve artırarak, davranışları ideal olmaktan uzaktır. Daha sonra sıvılaşmaya yakın gerçek gazlardır ve bu nedenle sıvı faza geçerler.

Bu koşullar altında, küreler arasındaki etkileşimler, hızlarının anlık olarak yavaşlayacağı noktaya kadar daha önemli hale gelir. Sıvılaşmaya ne kadar yakın olurlarsa, yörüngeleri o kadar kıvrımlı hale gelir (sağda girilir) ve çarpışmaları daha az enerjik olur.

Tarih

Daniel Bernoulli

Daha çok atom olarak adlandırılan bu küreler fikri, Romalı filozof Lucretius tarafından çoktan ele alınmıştı; gazlar için değil, katı, statik nesneler için. Öte yandan, 1738'de Daniel Bernoulli, atomik vizyonu her yöne hareket eden düzensiz küreler olarak hayal ederek gazlara ve sıvılara uyguladı.

Bununla birlikte, çalışmaları o dönemde fizik kanunlarını ihlal ediyordu; bir vücut ebediyen hareket edemezdi, bu yüzden bir dizi atom ve molekülün enerjilerini kaybetmeden birbirleriyle çarpışacağını düşünmek imkansızdı; yani elastik çarpışmaların varlığı mümkün değildi.

Rudolf clausius

Bir asır sonra, diğer yazarlar TCM'yi, gaz parçacıklarının yalnızca bir yönde hareket ettiği bir modelle güçlendirdiler. Ancak Rudolf Clausius sonuçlarını derledi ve Boyle, Charles, Dalton ve Avogadro tarafından gösterilen ideal gaz yasalarını açıklamaya çalıştığı daha eksiksiz bir TCM modelini oluşturdu.

James Clerk Maxwell ve Ludwig Boltzmann

1859'da James Clerk Maxwell, gaz halindeki parçacıkların belirli bir sıcaklıkta bir dizi hız sergilediğini ve bunların bir kümesinin ortalama bir moleküler hız aracılığıyla düşünülebileceğini öne sürdü.

Daha sonra 1871'de Ludwig Boltzmann, var olan fikirleri entropi ile ilişkilendirdi ve gazın termodinamik olarak nasıl homojen ve kendiliğinden olabildiğince çok yer kaplamaya meyilli olduğunu.

Moleküler kinetik teorinin postülatları

Gazı parçacıklarından ele almak için, belirli varsayımların veya varsayımların yerine getirildiği bir model gereklidir; Makroskopik ve deneysel gözlemleri mantıksal olarak (mümkün olduğu kadar sadık bir şekilde) tahmin edebilmeli ve açıklayabilmelidir. Bununla birlikte, TCM varsayımlarından bahsedilir ve açıklanır.

Gaz halindeki parçacıkların hacmi ihmal edilebilir düzeydedir

Gazlı parçacıklarla dolu bir kapta bunlar dağılarak her köşede birbirinden uzaklaşır. Bir an için bunların tümü, sıvılaştırma olmaksızın, konteynerin belirli bir noktasında bir araya getirilebilirlerse, konteynerin hacminin sadece ihmal edilebilir bir bölümünü kapladıkları gözlemlenecektir.

Bu, konteynerin, milyonlarca gaz halinde partikül içerse bile, aslında dolu olduğundan daha boş olduğu anlamına gelir (hacim-boşluk oranı 1'den çok daha az); bu nedenle, engelleri buna izin verirse, kendisi ve içindeki gaz aniden sıkıştırılabilir; çünkü sonunda partiküller, hacimleri gibi çok küçüktür.

Bir kaptaki bir gazın hacim-boşluk ilişkisi. Kaynak: Gabriel Bolívar.

Yukarıdaki görüntü, mavimsi renkli bir gaz kullanarak yukarıdakileri doğru bir şekilde göstermektedir.

Parçacıklar arasındaki çekici kuvvetler sıfırdır

Kap içindeki gaz halindeki parçacıklar, etkileşimlerinin güç kazanması için yeterli zaman olmaksızın birbirleriyle çarpışırlar; esas olarak onları çevreleyen moleküler vakum olduğunda daha da az. Bunun hemen bir sonucu, doğrusal yollarının, konteynerin hacmini tamamen kuşatmalarına izin vermesidir.

Durum böyle olmasaydı, "tuhaf" ve "labirent benzeri" bir şekle sahip bir kap, gaz yoğunlaşmasının bir sonucu olarak nemli bölgelere sahip olurdu; bunun yerine, parçacıklar, etkileşimlerinin gücü onları durdurmadan, tüm kabın içinde tam bir özgürlük içinde hareket ederler.

Etkileşimler boş veya önemsiz olduğunda (A., doğrusal) ve önemli olduklarında (B., eğriler) gaz halindeki parçacıkların yörüngeleri. Kaynak: Gabriel Bolívar.

Üstteki görüntünün (A.) doğrusal yörüngeleri bu postülatı göstermektedir; yörüngeler eğri ise (B.), parçacıklar arasında göz ardı edilemeyecek etkileşimlerin olduğunu gösterir.

Gazlı parçacıklar her zaman hareket halindedir

İlk iki varsayımdan, gaz parçacıklarının hareket etmeyi asla bırakmaması gerçeği de yakınsamaktadır. Kapta bulanıklaştıktan sonra, birbirleriyle ve duvarlarıyla, mutlak sıcaklıkla doğru orantılı bir kuvvet ve hızla çarpışırlar; bu kuvvet, basınçtır.

Gaz halindeki parçacıklar bir an için hareket etmeyi durdurursa, kabın içinde, kendilerini bir vakumda düzenlemek ve rastgele şekiller vermek için yeterli zamanla, hiçbir yerden çıkan "duman dilleri" görülecektir.

Parçacıklar ve kabın duvarları arasındaki çarpışmalar elastiktir

Konteynerin içinde sadece gaz partikülleri ile konteynerin duvarları arasındaki elastik çarpışmalar hakimse, gazın yoğunlaşması asla meydana gelmeyecektir (fiziksel koşullar değişmediği sürece); ya da asla dinlenmediklerini ve her zaman çarpıştıklarını söylemekle aynı şey.

Bunun nedeni, elastik çarpışmalarda net kinetik enerji kaybı olmamasıdır; bir parçacık duvarla çarpışır ve aynı hızda zıplar. Çarpışma sırasında bir parçacık yavaşlarsa, diğeri, herhangi birinin kinetik enerjisini dağıtan ısı veya ses üretmeden hızlanır.

Kinetik enerji sabit kalmaz

Parçacıkların hareketi rastgele ve kaotiktir, dolayısıyla hepsi aynı hıza sahip değildir; aynen olduğu gibi, örneğin bir otoyolda veya kalabalıkta. Bazıları daha enerjiktir ve daha hızlı seyahat ederken, diğerleri yavaştır ve çarpışmanın onları hızlandırmasını bekler.

Hızını tanımlamak için, bir ortalama hesaplamak gerekir; ve bununla, sırayla gaz halindeki parçacıkların veya moleküllerin ortalama kinetik enerjisi elde edilir. Tüm parçacıkların kinetik enerjisi sürekli olarak değiştiğinden, ortalama, verilerin daha iyi kontrolüne izin verir ve daha fazla güvenilirlikle çalışılabilir.

Ortalama kinetik enerji, tüm gazlar için belirli bir sıcaklığa eşittir

Bir kaptaki ortalama moleküler kinetik enerji (EC _mp ) sıcaklıkla değişir. Sıcaklık ne kadar yüksek olursa, enerji o kadar yüksek olur. Ortalama olduğu için, bu değere göre az ya da çok enerjiye sahip parçacıklar ya da gazlar olabilir; sırasıyla bazıları daha hızlı ve bazıları daha yavaş.

EC _mp'nin yalnızca sıcaklığa bağlı olduğu matematiksel olarak gösterilebilir . Bu, gazın kütlesi veya moleküler yapısı ne olursa olsun, EC _mp'sinin T sıcaklığında aynı olacağı ve yalnızca artarsa ​​veya azalırsa değişeceği anlamına gelir. Tüm varsayımlar arasında bu belki de en alakalı olanıdır.

Ve ortalama moleküler hız ne olacak? EC _mp'nin aksine, moleküler kütle hızı etkiler. Gaz parçacığı veya molekülü ne kadar ağır olursa, daha yavaş hareket etmesini beklemek doğaldır.

Örnekler

İşte TCM'nin ideal gaz yasalarını nasıl açıklamayı başardığına dair kısa örnekler. Ele alınmamasına rağmen, gazların difüzyonu ve efüzyonu gibi diğer fenomenler de TCM ile açıklanabilir.

Boyle Kanunu

Kabın hacmi sabit sıcaklıkta sıkıştırılırsa, gaz halindeki parçacıkların çeperlerle çarpışmak için gitmeleri gereken mesafe azalır; bu, bu tür çarpışmaların sıklığındaki artışa eşittir ve daha fazla basınçla sonuçlanır. Sıcaklık sabit kaldığından, EC _mp de sabittir.

Charles Kanunu

T'yi artırırsanız, EC _mp artacaktır. Gaz halindeki parçacıklar daha hızlı hareket edecek ve kabın duvarlarıyla daha çok çarpışacaktır; basınç artar.

Duvarlar esnekse, genişleyebiliyorsa, alanları büyür ve sabit hale gelene kadar basınç düşer; ve sonuç olarak, hacim de artacaktır.

Dalton Yasası

Daha küçük kaplardan gelen geniş bir kaba birkaç litre farklı gaz eklenirse, toplam iç basıncı her bir gaz türü tarafından ayrı ayrı uygulanan kısmi basınçların toplamına eşit olacaktır.

Neden? Çünkü tüm gazlar birbiriyle çarpışmaya ve homojen olarak dağılmaya başlar; aralarındaki etkileşimler sıfırdır ve vakum kapta baskındır (TCM varsayımları), bu nedenle sanki her bir gaz tek başınaymış gibi, diğer gazların müdahalesi olmadan kendi basıncını uygular.

Referanslar

1. Whitten, Davis, Peck ve Stanley. (2008). Kimya. (8. baskı). CENGAGE Learning, S 426-431.
2. Fernandez Pablo. (2019). Moleküler Kinetik Teori. Vix. Kurtarıldı: vix.com
3. Jones, Andrew Zimmerman. (7 Şubat 2019). Gazların Kinetik Moleküler Teorisi. Kurtarıldı: thinkco.com
4. Hall Nancy. (5 Mayıs 2015). Gazların kinetik teorisi. Glenn Araştırma Merkezi. Grc.nasa.gov adresinden kurtarıldı
5. Blaber M. & Lower S. (9 Ekim 2018). Kinetik Moleküler Teorinin Temelleri. Kimya LibreTexts. Chem.libretexts.org adresinden kurtarıldı
6. Kinetik Moleküler Teori. Kurtarıldı: chemed.chem.purdue.edu
7. Vikipedi. (2019). Gazların kinetik teorisi. En.wikipedia.org adresinden kurtarıldı
8. Toppr. (Sf). Gazların kinetik moleküler teorisi. Toppr.com'dan kurtarıldı