5.6: النظرية الجزيئية الحركية: المسلّمات الأساسية

إن معادلة الغاز المثالي، والتي هي تجريبية، تصف سلوك الغازات من خلال إقامة علاقات بين خصائصها الظاهرة للعين المجردة. على سبيل المثال، ينص قانون تشارلز’ على أن الحجم ودرجة الحرارة مرتبطان بشكل مباشر. لذلك، تتوسع الغازات عند تسخينها عند ضغط ثابت. ورغم أن قوانين الغاز تفسر كيف تتغير الخصائص الظاهرة للعين المجردة بالنسبة إلى بعضها البعض، فإنها لا تفسر الأساس المنطقي وراء تغير ذلك.

النظرية الجزيئية الحركية هي نموذج مجهري يساعد في فهم ما يحدث لجسيمات الغاز على المستوى الجزيئي أو الذري عند تغير ظروف مثل الضغط أو درجة الحرارة. في عام 1857 نشر رودولف كلاوسيوس شكلاً كاملاً ومُرضياً للنظرية، بحيث قام بالتفسير بشكل فعال قوانين الغاز المختلفة من خلال المسلّمات التي تم تطويرها على أساس مئات من الملاحظات التجريبية لسلوك الغازات.

وتتمثل السمات البارزة لهذه النظرية فيما يلي:

1. تتكون الغازات من جسيمات (ذرات أو جزيئات) في حركة مستمرة، تنتقل في خطوط مستقيمة وتغير اتجاهها فقط عندما تتصادم بجزيئات أخرى أو بجدران وعاء حاوي.
   افحص عينة من غاز الأرجون في درجة الحرارة والضغط القياسية. سيتوضح أن 0.01% فقط من الحجم يتم احتلاله بواسطة الذرات التي يبلغ متوسط المسافة بينها 3.3 نانومتر (نصف القطر الذري للأرغون هو 0.097 نانومتر) بين ذرتي الأرجون. المسافة أكبر بكثير من أبعادها الخاصة بها.
2. الجزيئات المكوّنة للغاز ضئيلة للغاية مقارنة بالمسافات بينها. لذلك، فإن الحجم المجمع لجميع جسيمات الغاز لا يذكر بالنسبة إلى الحجم الإجمالي للوعاء الحاوي. وتُعتبر الجسيمات “نقاطاً” ذات كتلة  لا تُذكَر ولكنها بحجم مهمَل.
3. ينتج الضغط الذي يمارسه غاز في وعاء حاوي عن التصادمات بين جزيئات الغاز وجدران الوعاء الحاوي.
4. لا تفرض جزيئات الغاز قوى جذّابة أو منفّرة لبعضها البعض أو على جدران الأوعية الحاوية؛ وبالتالي، فإن تصادمات هذه الجزيئات مرنة (لا تنطوي على فقدان للطاقة).
   أثناء التصادمات المرنة، تنتقل الطاقة بين جسيمات الاصطدام. وبالتالي، يظل متوسط الطاقة الحركية للجسيمات ثابتاً ولا يتغير مع الوقت.
5. يتناسب متوسط الطاقة الحركية لجزيئات الغاز مع درجة حرارة كلفن للغاز.
   كل الغازات، بغض النظر عن كتلتها الجزيئية، لها نفس متوسط الطاقة الحركية في نفس درجة الحرارة.

تم اقتباس هذا النص من Openstax, Chemistry 2e, Chapter 9.5 The Kinetic-Molecular Theory.

بينما تلخص قوانين الغاز العلاقات بين الخصائص المختلفة للغازات المثالية،توضح النظرية الجزيئية الحركية لماذا الغازات تتبع القوانين. تستند النظرية على عدد قليل من الافتراضات أو المسلمات. الافتراض الأول هو أن جزيئات الغاز حجمها ضئيل.

الغاز هو في الغالب مساحة فارغة،تتكون من جزيئات صغيرة،تفصل بينها مسافات أكبر بكثير من أبعادها الخاصة. حجمها المشترك لا يكاد يذكر بالنسبة للحجم الكلي الذي يحتوي على الغاز. على عكس المواد الصلبة والسوائل غير القابلة للضغط بسبب التقارب بين جسيماتها،فإنّالغازات شديدة الانضغاط.

تكون جزيئات الغاز في حالة ثابتة من الحركة على طول خطوط مستقيمة في اتجاهات عشوائية. مساراتهم تتغير فقط عندما تصطدم بجزيئات أخرى أو بجدران الإناء الخاص به. الافتراض الثاني هو أن جزيئات الغاز لديها تصادمات مرنة تماما.

يتصادمون ويهتزون من بعضهم البعض دون الالتصاق. يمكن مقارنة هذا بالتصادمات بكرات البلياردو خلال لعبة البلياردو. عندما تصطدم جزيئات الغاز،فإنها تتبادل الطاقة مع بعضها البعض،ولكن لا توجد خسارة صافية للطاقة.

بمعنى آخر،تبقى الطاقة الإجمالية للنظام ثابتة. جزيئات الغاز تتحرك باستمرار. لذلك،لديها طاقة حركية.

وهكذا،ينص الافتراض الثالث على أن متوسط الطاقة الحركية للغاز يتناسب مع درجة حرارته المطلقة بوحدة كلفن. هذا يعني أن الطاقة الحركية تزداد،مع زيادة درجة الحرارة،وبالتالي،تتحرك الجسيمات بشكل أسرع. وفي درجات حرارة أعلى،تزداد سرعتها.

على العكس،مع انخفاض درجة الحرارة،وكذلك الطاقة الحركية للجسيمات،تتحرك ببطء أكثر. عند درجة حرارة معينة،كل الغازات،بغض النظر عن كتلتها الجزيئية،لها نفس متوسط الطاقة الحركية. الطاقة الحركية تساوي الكتلة مضروبة في تربيع السرعة.

وبالتالي،من أجل حصول الغازات مختلفة علي نفس متوسط الطاقة الحركية،فإنّجزيئات الغاز الخاصة بهم يجب أن تسافر بسرعات متوسطة مختلفة. لذلك،الغازات الأثقل لها سرعات متوسطة أقل،بينما الغازات الأخف لها سرعات متوسطة أعلى. على سبيل المثال،الهيليوم والنيون عند نفس درجة الحرارة،لها نفس متوسط الطاقة الحركية.

ومع ذلك،بسبب الاختلاف في كتلها،تتحرك ذرات النيون أبطأ بكثير من ذرات الهليوم.