5.7: Молекулярно-кинетическая теория и газовые законы

Доказательство молекулярно-кинетической теории (KMT) и ее постулатов – это ее способность объяснить и описать поведение газа. Различные газовые законы (законы Бойля, Чарльза, Гей-Люссака, Авогадро и Дальтона) могут быть основаны на предположениях КМТ, которые привели к тому, что химики считают, что предположения теории точно отражают свойства молекул газа.

Молекулярно-кинетическая теория объясняет поведение газов

Напоминая о том, что давление газа воздействует на быстро движущиеся молекулы газа и напрямую зависит от количества молекул, которые ударяются по единице стенки за единицу времени, KMT концептуально объясняет поведение газа следующим образом:

• Закон Гея-Люссака: Если температура повышается, то средняя скорость и кинетическая энергия молекул газа увеличиваются. Если объем удерживается постоянным, то увеличение скорости молекул газа приводит к более частым и более сильным столкновениям со стенками контейнера, тем самым увеличивая давление. Это также называется законом Амонтона.
• Закон Чарльза: Если температура газа повышается, то постоянное давление может поддерживаться только в том случае, если объем газа увеличивается. Это приведет к увеличению среднего расстояния, пройденного молекулами для достижения стенок контейнера, а также к увеличению площади поверхности стены. Эти условия снижают как частоту столкновений молекул со стенками, так и количество столкновений на единицу площади, и объединенные эффекты уравновешивает влияние возросших сил столкновения из-за большей кинетической энергии при более высокой температуре.
• Закон Бойля: Если объем газа уменьшается, площадь стенки контейнера уменьшается, а частота столкновений молекулы-стены увеличивается, и оба эффекта увеличивают давление газа.
• Закон Авогадро: При постоянном давлении и температуре частота и сила столкновений молекул и стенок постоянны. В таких условиях увеличение количества молекул газа потребует пропорционального увеличения объема контейнера, чтобы уменьшить количество столкновений на единицу площади для компенсации повышенной частоты столкновений.
• Закон Дальтона: Из-за больших расстояний между ними, молекулы одного газа в смеси бомбардируют стенки контейнера с такой же частотой, независимо, присутствуют ли другие газы или нет, а общее давление газовой смеси равняется сумме (частичных) давлений отдельных газов.

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

Наблюдения за различными свойствами газа, выраженными в различных газовых законах, выведенных Бойлем, Шарлем, Гей-Люссаком и Авогадро, следуют из кинетической молекулярной теории, являющейся их основой. Давление, оказываемое газом, возникает в результате ударов постоянно движущихся частиц о стенки емкости. Уменьшение объема емкости, при сохранении постоянного числа молей и температуры, сближает частицы газа, уменьшая расстояние между ними.

В этом меньшем объеме увеличивается плотность газа и частота столкновений частота столкновений молекул со стенками. Следовательно, давление, оказываемое газом, увеличивается. Обратное соотношение между давлением и объемом определяется законом Бойля.

Добавление большего количества молей газа в емкость при постоянной температуре увеличивает плотность газа и, следовательно, частоту столкновений. Чтобы поддерживать начальное давление, объем должен увеличиваться. Эта прямая зависимость между объемом и молями, задается законом Авогадро.

Теперь представьте, что количество молей остается постоянным, а температура повышается. Поскольку средняя кинетическая энергия частиц газа увеличивается пропорционально температуре, частицы сталкиваются чаще и сильнее. Если объем поддерживается постоянным при увеличении температуры, плотность газа и частота столкновений увеличиваются, и, следовательно, давление также увеличивается.

Прямая связь между давлением и температурой определяется законом Гей-Люссака. Если, с другой стороны, давление должно оставаться постоянным вместе с постоянным числом молей, тогда повышение температуры должно сопровождаться увеличением объема, чтобы распределить столкновения по большей площади поверхности. Эта прямая зависимость между объемом и температурой изложена в законе Чарльза.

Наконец, согласно кинетической молекулярной теории, частицы газа не притягиваются и не отталкиваются друг от друга. В смеси разных газов компоненты действуют независимо, и на их индивидуальное давление не влияет присутствие другого газа. Таким образом, полное давление смеси является суммой отдельных парциальных давлений.

Это закон Дальтона.