5.6: Молекулярно-кинетическая теория: основные постулаты

Эмпирическое уравнение идеального газа описывает поведение газов, устанавливая связи между их макроскопическими свойствами. Например, в законе Чарльза говорится, что объем и температура напрямую связаны. Таким образом, газы расширяются при нагревании при постоянном давлении. Хотя газовые законы объясняют, как макроскопические свойства меняются относительно друг друга, они не дают обоснованния этому.

Молекулярно-кинетическая теория — это микроскопическая модель, которая помогает понять, что происходит с частицами газа на молекулярном или атомном уровне при таких условиях, как изменение давления или температуры. В 1857 году Рудольф Клаузиус опубликовал полную и удовлетворительную форму теории, которая эффективно объясняет различные газовые законы постулатами, которые были разработаны на основе сотен экспериментальных наблюдений за поведением газов.

Основные особенности этой теории:

1. Газы состоят из частиц (атомов или молекул), которые находятся в непрерывном движении и двигаются по прямым и изменяющимся траекториям только при столкновении с другими молекулами или со стенками контейнера.
   Проверьте образец аргона-газа при стандартной температуре и давлении. Показано, что только 0.01% объема представлен атомами со средним расстоянием 3.3 нм (атомный радиус аргона составляет 0.097 нм) между двумя атомами аргона. Расстояние намного больше, чем его собственный размер.
2. Молекулы, составляющие газ, пренебрежимо малы по сравнению с расстояниями между ними. Таким образом, суммарный объем всех частиц газа пренебрежимо мал относительно общего объема контейнера. Частицы считаются “точками”, которые имеют массу , но пренебрежимо малый объём.
3. Давление, оказываемое газом в контейнере, возникает в результате столкновений между молекулами газа и стенками контейнера.
4. Молекулы газа не оказывают притягивающих или отталкивающих сил друг на друга или стенки контейнера, поэтому их столкновения эластичны (не влекут за собой потери энергии).
   При упругих столкновениях энергия передается между ударяющимися частицами. Таким образом, средняя кинетическая энергия частиц остается постоянной и не меняется со временем.
5. Средняя кинетическая энергия молекул газа пропорциональна температуре газа в Кельвинах.
   Все газы, независимо от их молекулярной массы, имеют одинаковую среднюю кинетическую энергию при одинаковой температуре.

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., Раздел 9.5 Молекулярно-кинетическая теория.

В то время как газовые законы характеризуют взаимосвязи между различными свойствами идеальных газов, молекулярно-кинетическая теория объясняет, почему газы подчиняются этим законам. Теория основана на нескольких предположениях или постулатах. Первое предположение заключается в том, что частицы газа незначительны по размеру.

Газ это в основном пустое пространство, заполненное мелкими частицами, разнесенными на расстояния, намного превышающие их собственные размеры. Их общий объем ничтожно мал по сравнению с общим объемом, в котором содержится газ. В отличие от твердых тел и жидкостей, которые невозможно сжать из-за малого расстояния между частицами, газы обладают высокой сжимаемостью.

Частицы газа находятся в постоянном движении по прямым линиям в случайных направлениях. Их пути меняются только тогда, когда они сталкиваются с другими частицами или со стенками емкости, в которой находятся. Второе предположение состоит в том, что частицы газа совершают идеально упругие столкновения.

Они сталкиваются и отскакивают друг от друга, не слипаясь. Это можно сравнить со столкновениями бильярдных шаров. Когда частицы газа сталкиваются, они обмениваются энергией друг с другом, но при этом не происходит чистой потери энергии.

Иными словами, полная энергия системы остается постоянной. Частицы газа постоянно движутся;следовательно, они обладают кинетической энергией. Таким образом, третье предположение гласит, что средняя кинетическая энергия газа пропорциональна его абсолютной температуре в Кельвинах.

Это означает, что кинетическая энергия увеличивается с температурой, и, следовательно, частицы движутся быстрее. При более высоких температурах их скорость увеличивается. И наоборот, с понижением температуры уменьшается кинетическая энергия частиц, и они движутся медленнее.

При заданной температуре все газы, независимо от их молекулярной массы, имеют одинаковую среднюю кинетическую энергию. Кинетическая энергия равна квадрату массы, умноженной на скорость. Таким образом, чтобы разные газы имели одинаковую среднюю кинетическую энергию, их частицы должны перемещаться с разными средними скоростями.

Следовательно, более тяжелые газы имеют более низкие средние скорости, в то время как более легкие газы имеют более высокие средние скорости. Например, гелий и неон при одинаковой температуре имеют одинаковую среднюю кинетическую энергию. Однако из-за разницы масс атомы неона движутся намного медленнее, чем атомы гелия.