TEORI KINETIK MOLEKUL: SEJARAH, POSTULAT DAN CONTOH - KIMIA - 2026

The teori kinetik molekul adalah salah satu yang bertujuan untuk menjelaskan pemerhatian eksperimen gas dari perspektif mikroskopik. Ia bermaksud untuk mengaitkan sifat dan tingkah laku zarah gas dengan ciri fizikal gas sebagai cecair; terangkan makroskopik dari mikroskopik.

Gas selalu menarik minat para saintis kerana sifatnya. Mereka menempati seluruh isi wadah di mana mereka berada, dapat dimampatkan sepenuhnya tanpa kandungannya menentang rintangan paling sedikit; dan jika suhu meningkat, bekas mula mengembang, dan bahkan boleh retak.

Zarah-zarah gas dalam keadaan jauh atau hampir dengan pencairan. Sumber: Olivier Cleynen dan Pengguna: Sharayanan

Sebilangan besar sifat dan tingkah laku ini diringkaskan dalam undang-undang gas yang ideal. Walau bagaimanapun, mereka menganggap gas secara keseluruhan dan bukan sebagai koleksi berjuta-juta zarah yang tersebar di angkasa; selanjutnya, tidak memberikan, berdasarkan data tekanan, isi padu dan suhu, maklumat lebih lanjut mengenai bagaimana zarah-zarah ini bergerak.

Oleh itu, teori kinetik molekul (TCM), mengusulkan untuk memvisualisasikannya sebagai bola bergerak (gambar atas). Sfera ini bertembung antara satu sama lain dan dinding dengan sewenang-wenangnya, dan mengekalkan lintasan linier. Tetapi, apabila suhu menurun dan tekanan meningkat, lintasan sfera menjadi melengkung.

Gas, menurut TCM, mesti berkelakuan seperti sfera pada bingkai pertama gambar. Tetapi, dengan menyejukkan dan meningkatkan tekanan pada mereka, tingkah laku mereka jauh dari ideal. Mereka kemudiannya adalah gas nyata, hampir menjalani pencairan dan seterusnya memasuki fasa cecair.

Dalam keadaan ini, interaksi antara sfera menjadi lebih penting, sehingga kelajuannya menjadi perlahan. Semakin dekat mereka ke pencairan, semakin lengkung lintasan mereka menjadi (sisipan di sebelah kanan), dan perlanggaran mereka kurang bertenaga.

Sejarah

Daniel Bernoulli

Idea sfera ini, yang lebih dikenali sebagai atom, telah dipertimbangkan oleh ahli falsafah Rom, Lucretius; bukan untuk gas, tetapi untuk objek statik padat. Sebaliknya, pada tahun 1738 Daniel Bernoulli menerapkan penglihatan atom pada gas dan cecair dengan membayangkannya sebagai sfera yang tidak bergerak bergerak ke semua arah.

Bagaimanapun, karyanya melanggar undang-undang fizik pada masa itu; tubuh tidak dapat bergerak selama-lamanya, jadi mustahil untuk berfikir bahawa sekumpulan atom dan molekul akan bertembung satu sama lain tanpa kehilangan tenaga mereka; iaitu kewujudan pelanggaran elastik tidak mungkin.

Rudolf clausius

Satu abad kemudian, penulis lain memperkuat TCM dengan model di mana zarah-zarah gas bergerak hanya dalam satu arah. Rudolf Clausius, bagaimanapun, mengumpulkan hasilnya dan mengumpulkan model TCM yang lebih lengkap dengan mana ia berusaha menjelaskan undang-undang gas ideal yang ditunjukkan oleh Boyle, Charles, Dalton, dan Avogadro.

James Clerk Maxwell dan Ludwig Boltzmann

Pada tahun 1859, James Clerk Maxwell menyatakan bahawa zarah-zarah gas menunjukkan rangkaian kecepatan pada suhu tertentu, dan sekumpulan ini dapat dipertimbangkan dengan kecepatan molekul rata-rata.

Kemudian pada tahun 1871 Ludwig Boltzmann menghubungkan idea-idea yang ada dengan entropi, dan bagaimana gas secara termodinamik selalu cenderung menempati ruang sebanyak mungkin dengan cara yang homogen dan spontan.

Postulat teori kinetik molekul

Untuk mempertimbangkan gas dari zarahnya, model diperlukan di mana postulat atau andaian tertentu dipenuhi; berpendapat bahawa secara logik mesti dapat meramalkan dan menjelaskan (setepat mungkin) pemerhatian makroskopik dan eksperimen. Yang mengatakan, postulat TCM disebut dan dijelaskan.

Isipadu zarah-zarah gas boleh diabaikan

Di dalam bekas berisi zarah-zarah gas, bahan-bahan ini tersebar dan menjauh antara satu sama lain di semua penjuru. Sekiranya sesaat semuanya dapat disatukan pada titik tertentu di dalam wadah, tanpa pencairan, akan diperhatikan bahawa mereka hanya menempati bahagian isi wadah yang tidak dapat diabaikan.

Ini bermaksud bahawa bekas itu, walaupun mengandungi berjuta-juta zarah gas, sebenarnya lebih kosong daripada penuh (nisbah isipadu-kosong lebih kurang daripada 1); oleh itu, jika halangannya membenarkannya, gas dan gas di dalamnya dapat dimampatkan secara tiba-tiba; kerana pada akhirnya zarah-zarahnya sangat kecil, begitu juga isipadu mereka.

Hubungan kekosongan gas di dalam bekas. Sumber: Gabriel Bolívar.

Gambar di atas menggambarkan perkara di atas dengan tepat, menggunakan gas berwarna kebiruan.

Daya tarikan antara zarah adalah sifar

Zarah-zarah gas di dalam bekas bertembung antara satu sama lain tanpa cukup masa untuk interaksi mereka mendapat kekuatan; lebih kurang lagi apabila yang mengelilingi mereka adalah vakum molekul. Akibat langsung dari hal ini adalah bahawa jalur liniernya memungkinkan mereka merangkumi isipadu bekas sepenuhnya.

Sekiranya ini tidak berlaku, bekas dengan bentuk "pelik" dan "labirinin" akan mempunyai kawasan lembab akibat pemeluwapan gas; sebaliknya, zarah-zarah bergerak melalui seluruh bekas dengan kebebasan penuh, tanpa daya interaksi mereka menghentikannya.

Lintasan zarah-zarah gas apabila interaksinya tidak sah atau tidak signifikan (A., linear), dan ketika ia penting (B., lengkung). Sumber: Gabriel Bolívar.

Lintasan lurus dari gambar atas (A.) menunjukkan postulat ini; sementara jika lintasan melengkung (B.), ini menunjukkan bahawa ada interaksi yang tidak dapat diabaikan antara zarah.

Zarah-zarah gas sentiasa bergerak

Dari dua postulat pertama, fakta bahawa zarah-zarah gas tidak pernah berhenti bergerak juga menyatu. Setelah kabur di dalam bekas, mereka bertembung antara satu sama lain dan dengan dinding yang sama, dengan daya dan kelajuan yang berkadar langsung dengan suhu mutlak; daya ini adalah, tekanan.

Sekiranya zarah-zarah gas berhenti bergerak sekejap, "lidah asap" akan dapat dilihat di dalam bekas, muncul entah dari mana, dengan cukup waktu untuk mengatur diri mereka dalam keadaan hampa dan memberikan bentuk yang rawak.

Perlanggaran antara zarah dan dinding bekas adalah elastik

Sekiranya hanya pelanggaran elastik antara zarah gas dan dinding bekas mendominasi di dalam bekas, pemeluwapan gas tidak akan berlaku (selagi keadaan fizikal tidak berubah); atau apa yang sama dengan mengatakan bahawa mereka tidak pernah berehat dan selalu bertembung.

Ini kerana dalam perlanggaran elastik tidak ada kehilangan tenaga kinetik yang bersih; zarah bertembung dengan dinding dan melantun dengan kelajuan yang sama. Sekiranya zarah ketika bertabrakan melambatkan, yang lain mempercepat, tanpa menghasilkan haba atau suara yang menghilangkan tenaga kinetik salah satu daripadanya.

Tenaga kinetik tidak tetap berterusan

Pergerakan zarah adalah rawak dan huru-hara, sehingga tidak semua mempunyai kelajuan yang sama; seperti yang berlaku, misalnya, di lebuh raya atau orang ramai. Ada yang lebih bertenaga dan bergerak lebih pantas, sementara yang lain lambat, menunggu perlanggaran untuk mempercepatnya.

Untuk menggambarkan kelajuannya, maka perlu mengira purata; dan dengan ini, tenaga kinetik purata zarah atau molekul gas diperoleh secara bergantian. Oleh kerana tenaga kinetik semua zarah sentiasa berubah, rata-rata membolehkan kawalan data yang lebih baik dan dapat dikendalikan dengan kebolehpercayaan yang lebih besar.

Tenaga kinetik purata sama dengan suhu tertentu untuk semua gas

Tenaga kinetik molekul purata (EC _mp ) dalam bekas berubah dengan suhu. Semakin tinggi suhu, semakin tinggi tenaga. Oleh kerana ia adalah purata, mungkin ada zarah atau gas yang mempunyai lebih kurang tenaga sehubungan dengan nilai ini; masing-masing lebih cepat dan lebih perlahan.

Secara matematik dapat ditunjukkan bahawa EC _mp bergantung sepenuhnya pada suhu. Ini bermaksud bahawa tidak kira apa gasnya, jisim atau struktur molekulnya, EC _mpnya akan sama pada suhu T dan hanya akan berubah jika meningkat atau menurun. Dari semua postulat, ini mungkin yang paling relevan.

Dan bagaimana dengan kelajuan molekul purata? Tidak seperti _mp EC , jisim molekul mempengaruhi kelajuan. Semakin berat zarah atau molekul gas, adalah wajar jika mengharapkannya bergerak lebih perlahan.

Contoh

Berikut adalah contoh ringkas bagaimana TCM berjaya menjelaskan undang-undang gas yang ideal. Walaupun tidak ditangani, fenomena lain, seperti penyebaran dan efusi gas, juga dapat dijelaskan dengan TCM.

Undang-undang Boyle

Sekiranya isipadu bekas dimampatkan pada suhu tetap, jarak yang mesti dilalui oleh zarah-zarah gas untuk bertembung dengan dinding berkurang; yang sama dengan peningkatan frekuensi perlanggaran tersebut, menghasilkan tekanan yang lebih besar. Oleh kerana suhu tetap, EC _mp juga tetap.

Undang-undang Charles

Sekiranya anda meningkatkan T, EC _{mp akan} meningkat. Zarah-zarah gas akan bergerak lebih cepat dan bertembung dengan dinding bekas lebih banyak kali; tekanan meningkat.

Sekiranya dindingnya fleksibel, dapat mengembang, kawasannya akan menjadi lebih besar dan tekanan akan turun sehingga menjadi tetap; dan hasilnya, kelantangan juga akan meningkat.

Undang-undang Dalton

Sekiranya beberapa liter gas yang berbeza ditambahkan ke bekas yang luas, berasal dari bekas yang lebih kecil, jumlah tekanan dalamannya akan sama dengan jumlah tekanan separa yang diberikan oleh setiap jenis gas secara berasingan.

Kenapa? Kerana semua gas mula bertembung antara satu sama lain dan tersebar secara homogen; interaksi di antara mereka adalah sifar, dan vakum mendominasi di dalam wadah (TCM postulat), jadi seolah-olah setiap gas bersendirian, memberikan tekanannya secara individu tanpa gangguan gas lain.

Rujukan

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Kimia. (Edisi ke-8.) Pembelajaran CENGAGE, Hlm 426-431.
2. Fernandez Pablo. (2019). Teori Kinetik Molekul. Vix. Dipulihkan dari: vix.com
3. Jones, Andrew Zimmerman. (7 Februari 2019). Teori Molekul Kinetik Gas. Dipulihkan dari: thinkco.com
4. Dewan Nancy. (5 Mei 2015). Teori kinetik gas. Pusat Penyelidikan Glenn. Dipulihkan dari: grc.nasa.gov
5. Blaber M. & Lower S. (9 Oktober 2018). Asas Teori Molekul Kinetik. LibreTexts Kimia. Dipulihkan dari: chem.libretexts.org
6. Teori Molekul Kinetik. Dipulihkan dari: chemed.chem.purdue.edu
7. Wikipedia. (2019). Teori kinetik gas. Dipulihkan dari: en.wikipedia.org
8. Toppr. (sf). Teori molekul kinetik gas. Dipulihkan dari: toppr.com