5.7: النظرية الجزيئية الحركية وقوانين الغاز

إن اختبار النظرية الجزيئية الحركية (KMT) والمسلمات الخاصة بها هو قدرتها على شرح ووصف سلوك الغاز. من الممكن أن تستمد قوانين الغاز المختلفة (قوانين بويل’، وتشارلز’، ولاس جاي لوساك’، وأفاوجادرو’، ودالتون’) من افتراضات قانون KMT، الذي دفع الكيميائيين إلى الاعتقاد بأن الافتراضات التي تستند إليها هذه النظرية تمثل بدقة خصائص جزيئات الغاز.

تشرح النظرية الجزيئية الحركية (KMT) سلوك الغازات

مع الإشارة إلى أن ضغط الغاز يتم بواسطة جزيئات الغاز سريعة الحركة ويعتمد بشكل مباشر على عدد الجزيئات التي تصل إلى منطقة وحدة من الجدار لكل وحدة من الوقت، يشرح الكيومينتانغ مفاهيميا سلوك الغاز كما يلي:

• قانون جاي لوساك’s: إذا ارتفعت درجة الحرارة فإن متوسط السرعة والطاقة الحركية لجزيئات الغاز تزداد. إذا كان الحجم ثابتاً، فإن زيادة سرعة جزيئات الغاز تؤدي إلى حدوث تصادمات أكثر تكراراً وقوة مع جدران الحاوية، وبالتالي زيادة الضغط. ويطلق على هذا أيضاً أمونتونز&rsquo قانون.
• قانون تشارلز&rsquo: إذا ارتفعت درجة حرارة الغاز، فإنه بالإمكان الحفاظ على  ضغط ثابت فقط عندما يزداد الحجم الذي يشغله الغاز. سيؤدي ذلك إلى مسافات متوسطة أكبر تقطعها الجزيئات للوصول إلى جدران الوعاء الحاوي، بالإضافة إلى زيادة مساحة سطح الجدار. وسوف تقلل هذه الظروف من تردد تصادمات الجزيء والجدار وعدد التصادمات لكل منطقة وحدة، والتي تعمل آثارها مجتمعة على موازنة تأثير قوى التصادم المتزايدة بسبب الطاقة الحركية الأكبر في درجة الحرارة الأعلى.
• قانون بويل’: إذا انخفض حجم الغاز، فإن منطقة جدار الوعاء الحاوي تنخفض، ويزداد تردد التصادم بين الجزيء والجدار، وكل من الأمرين يزيد من الضغط الذي يمارسه الغاز.
• قانون أفوجادرو’: في ظل ضغوط ودرجة حرارة ثابتة، فإن تكرار وقوة التصادمات بين الجزيء والجدار الثابت. وفي ظل هذه الظروف، تتطلب زيادة عدد الجزيئات الغازية زيادة نسبية في حجم الوعاء الحاوي من أجل تقليل عدد التصادمات في منطقة الوحدة الواحدة للتعويض عن زيادة تكرار التصادمات.
• قانون دالتون’: بسبب المسافات الكبيرة بينهما، فإن جزيئات غاز واحد في خليط ما تقوم بقصف جدران الوعاء الحاوي بنفس التردد، سواء كانت غازات أخرى موجودة أم لا، والضغط الإجمالي لمزيج من الغاز يساوي مجموع الضغوط (الجزئية) للغازات الفردية.

هذا النص مقتبس من Openstax, Chemistry 2e, Section 9.5: The Kinetic-Molecular Theory.

ملاحظة خصائص الغاز المختلفة،كما عبرت عنه قوانين الغاز المختلفة المستمدة من بويل،تشارلز،و جاي-لوساك وأفوجادرو،تتبع من الناحية المفاهيمية النظرية الجزيئية الحركية. ينتج الضغط الذي يمارسه الغاز من تأثير الجسيمات المتحركة باستمرار على جدران الإناء الخاصة به. تقليل حجم الإناء،مع الحفاظ على عدد المولات ودرجة الحرارة ثابتة،تقرب جزيئات الغاز من بعضها البعض،مما يقلل التباعد بين الجسيمات.

في هذا الحجم الأصغر،كثافة الغاز وتواتر الاصطدام تواتر اصطدام الجزيءبالجدار-تزداد. لذلك،يزداد الضغط الذي يمارسه الغاز. العلاقة عكسية بين الضغط والحجم بموجب قانون بويل.

إضافة المزيد من مولات الغاز إلى الإناء عند درجة حرارة ثابتة تزيد من كثافة الغاز،وبالتالي،تردد الاصطدام. للحفاظ على الضغط الأولي،يجب أن يتوسع الحجم. هذه العلاقة المباشرة بين الحجم والمولات يتم تقديمها بموجب قانون أفوجادرو.

الآن،لنضع في اعتبارنا عدد المولات تبقي ثابتة ودرجة الحرارة ترتفع. لأن متوسط الطاقة الحركية لجزيئات الغاز تتناسب مع درجة الحرارة،تتصادم الجسيمات بشكل متكرر وقوي. إذا كان الحجم ثابتًا في هذه الأثناء بينما تزداد درجة حرارة،فإنّكثافة الغاز و تردد الاصطدام سيزدادا،وبالتالي سيزداد الضغط أيضًا.

العلاقة المباشرة بين الضغط ودرجة الحرارة يتم تقديمها بموجب قانون جاي-لوساك. من ناحية أخرى،إذا كان الضغط يجب أن يبقى ثابتًا إلى جانب عدد ثابت من المولات،فإنّاي ارتفاع في درجة الحرارة يجب ان يصاحبه زيادة في الحجم لتوزيع الإصطدامات على مساحة أكبر. هذه العلاقة المباشرة بين الحجم ودرجة الحرارة معطاة بواسطة قانون تشارلز.

أخيرًا،وفقًا للنظرية الجزيئية الحركية،جزيئات الغاز لا تجتذب أو تتنافر مع بعضها البعض. في خليط من الغازات المختلفة،تعمل المكونات بشكل مستقل و تظل ضغوطهم الفردية لا تتأثر بوجود غاز آخر. الضغط الكلي للخليط هو،بالتالي،مجموع الضغوط الفردية الجزئية.

هذا هو قانون دالتون.