5.7: Kinetyczna teoria molekularna i prawa gazu wyjaśniają właściwości cząsteczek gazu

Sprawdzianem kinetycznej teorii molekularnej (KMT) i jej postulatów jest jej zdolność do wyjaśnienia i opisania zachowania gazu. Różne prawa gazowe (prawa Boyle’a, Charlesa, Gay-Lussaca, Avogadro i Daltona) można wyprowadzić z założeń KMT, które doprowadziły chemików do przekonania, że założenia teorii dokładnie reprezentują właściwości cząsteczek gazu.

Kinetyczna teoria molekularna wyjaśnia zachowanie gazów

Przypominając, że ciśnienie gazu jest wywierane przez szybko poruszające się cząsteczki gazu i zależy bezpośrednio od liczby cząsteczek uderzających w jednostkę powierzchni ściany w jednostce czasu, KMT koncepcyjnie wyjaśnia zachowanie gazu w następujący sposób:

• Prawo Gay-Lussaca: Jeśli temperatura wzrasta, wzrasta średnia prędkość i energia kinetyczna cząsteczek gazu. Jeśli objętość jest utrzymywana na stałym poziomie, zwiększona prędkość cząsteczek gazu powoduje częstsze i silniejsze zderzenia ze ściankami pojemnika, zwiększając w ten sposób ciśnienie. Jest to również określane jako prawo Amontonsa.
• Prawo Charlesa: Jeśli temperatura gazu wzrasta, stałe ciśnienie może być utrzymywane tylko wtedy, gdy objętość zajmowana przez gaz wzrasta. Spowoduje to większe średnie odległości pokonywane przez cząsteczki, aby dotrzeć do ścianek pojemnika, a także zwiększoną powierzchnię ścianek. Warunki te zmniejszą zarówno częstotliwość zderzeń cząsteczka-ściana, jak i liczbę zderzeń na jednostkę powierzchni, których połączone efekty równoważą efekt zwiększonych sił zderzeń spowodowanych większą energią kinetyczną w wyższej temperaturze.
• Prawo Boyle’a: Jeśli objętość gazu jest zmniejszana, powierzchnia ścianki pojemnika zmniejsza się, a częstotliwość zderzeń cząsteczka-ściana wzrasta, co zwiększa ciśnienie wywierane przez gaz.
• Prawo Avogadro: Przy stałym ciśnieniu i temperaturze częstotliwość i siła zderzeń molekuła ze ścianą są stałe. W takich warunkach zwiększenie liczby cząsteczek gazowych będzie wymagało proporcjonalnego zwiększenia objętości pojemnika, aby uzyskać zmniejszenie liczby zderzeń na jednostkę powierzchni, aby skompensować zwiększoną częstotliwość zderzeń.
• Prawo Daltona: Ze względu na duże odległości między nimi, cząsteczki jednego gazu w mieszaninie bombardują ścianki pojemnika z tą samą częstotliwością, niezależnie od tego, czy inne gazy są obecne, czy nie, a całkowite ciśnienie mieszaniny gazów jest równe sumie (częściowych) ciśnień poszczególnych gazów.

Ten tekst jest adaptacją z Openstax, Chemia 2e, Sekcja 9.5: Teoria kinetyczno-molekularna.