5.6:
Kinetik Moleküler Teori: Temel Varsayımlar
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Gaz yasaları ideal gazların farklı özellikleri arasındaki ilişkileri özetlerken kinetik moleküler teori, gazların neden yasaları takip ettiğini açıklar. Teori birkaç varsayıma veya kabule dayanmaktadır. İlk varsayım, gaz parçacıklarının boyut olarak ihmal edilebilir olmasıdır.Bir gaz, çoğunlukla kendi boyutlarından çok daha büyük mesafelerde ayrılan küçük parçacıklardan oluşan boş bir alandır. Gazın içinde bulunduğu toplam hacme göre birleşik hacimleri ihmal edilebilir düzeydedir. Parçacıklar arası boşlukları birbirine yakın olması nedeniyle sıkıştırılamayan katı ve sıvıların aksine, gazlar yüksek oranda sıkıştırılabilir.Gaz parçacıkları, rastgele yönlerde düz çizgiler boyunca sabit bir hareket halindedir. Yolları yalnızca diğer parçacıklarla veya kaplarının duvarlarıyla çarpıştıklarında değişir. İkinci varsayım, gaz parçacıklarının tamamen esnek çarpışmalar yapmasıdır.Birbirlerine yapışmadan çarpışırlar ve birbirleri üzerinden sekerler. Bu, bir bilardo oyunu sırasında bilardo topları arasındaki çarpışmalara benzetilebilir. Gaz parçacıkları çarpıştığında birbirleriyle enerji alışverişinde bulunurlar, ancak net enerji kaybı olmaz.Diğer bir deyişle, sistemin toplam enerjisi sabit kalır. Gaz parçacıkları sürekli hareket eder, yani kinetik enerjiye sahiptirler. Bu nedenle, üçüncü varsayım, bir gazın ortalama kinetik enerjisinin kelvin cinsinden mutlak sıcaklığıyla orantılı olduğunu ifade eder.Bu, kinetik enerjinin sıcaklıkla arttığı ve dolayısıyla parçacıkların daha hızlı hareket ettiği anlamına gelir. Daha yüksek sıcaklıklarda hızları artar. Tersine, sıcaklık düştükçe parçacıkların kinetik enerjisi azalır ve daha yavaş hareket ederler.Belirli bir sıcaklıkta, moleküler kütlelerine bakılmaksızın tüm gazlar aynı ortalama kinetik enerjiye sahiptir. Kinetik enerji, kütle çarpı hızın karesine eşittir. Bu nedenle, farklı gazların aynı ortalama kinetik enerjiye sahip olması için, gaz parçacıklarının farklı ortalama hızlarda hareket etmesi gerekir.Bu nedenle, daha ağır gazlar daha düşük ortalama hızlara sahipken, daha hafif gazlar daha yüksek ortalama hızlara sahiptir. Örneğin, helyum ve neon aynı sıcaklıktayken aynı ortalama kinetik enerjiye sahiptir. Bununla birlikte, kütlelerindeki farklılık nedeniyle neon atomları helyum atomlarından çok daha yavaş hareket eder.
5.6:
Kinetik Moleküler Teori: Temel Varsayımlar
Ampirik olan ideal gaz denklemi, gazların makroskopik özellikleri arasında ilişkiler kurarak davranışlarını tanımlar. Örneğin, Charles yasası hacim ve sıcaklığın doğrudan ilişkili olduğunu belirtir. Bu nedenle gazlar, sabit basınçta ısıtıldığında genişler. Gaz yasaları makroskopik özelliklerin birbirine göre nasıl değiştiğini açıklasa da, bunun altında yatan mantığı açıklamazlar.
Kinetik moleküler teori, basınç veya sıcaklık değişimi gibi koşullar altında moleküler veya atomik seviyedeki gaz parçacıklarına ne olduğunu anlamaya yardımcı olan mikroskobik bir modeldir. 1857'de Rudolf Clausius, gazların davranışının yüzlerce deneysel gözlemine dayanarak geliştirilen varsayımlarla farklı gaz yasalarını etkili bir şekilde açıklayan teorinin eksiksiz ve tatmin edici bir formunu yayınlamıştır.
Bu teorinin göze çarpan özellikleri şunlardır:
- Gazlar, sürekli hareket halinde olan, düz çizgiler halinde hareket eden ve sadece diğer moleküllerle veya bir kabın duvarlarıyla çarpıştıklarında yön değiştiren parçacıklardan (atomlar veya moleküller) oluşur.
Standart sıcaklık ve basınçta bir argon gazı örneğini inceleyin. Hacmin sadece %0,01'inin, iki argon atomu arasında ortalama 3,3 nm'lik bir mesafeye (argonun atom yarıçapı 0,097 nm’dir) sahip atomlar tarafından kaplandığını göreceksiniz.Bu mesafe argonun kendi boyutundan çok daha büyüktür. - Gazı oluşturan moleküller, aralarındaki mesafelere kıyasla ihmal edilebilir derecede küçüktür. Bu nedenle, tüm gaz parçacıklarının birleşik hacmi, kabın toplam hacmine göre önemsizdir. Parçacıklar, kütlesi olan fakat ihmal edilebilir hacme sahip “noktalar” olarak kabul edilirler. The particles are considered to be "points" that have mass but negligible volume.
- Bir gazın bir kaba uyguladığı basınç, gaz molekülleri ve kap duvarları arasındaki çarpışmalardan kaynaklanır.
- Gaz molekülleri birbirlerine veya konteyner duvarlarına çekici veya itici kuvvetler uygulamazlar; bu nedenle çarpışmaları elastiktir (enerji kaybını içermez).
Elastik çarpışmalar sırasında, çarpışan parçacıklar arasında enerji aktarılır. Bu nedenle parçacıkların ortalama kinetik enerjisi sabit kalır ve zamanla değişmez. - Gaz moleküllerinin ortalama kinetik enerjisi, gazın kelvin sıcaklığı ile orantılıdır.
Tüm gazlar, moleküler kütlelerinden bağımsız olarak, aynı sıcaklıkta aynı ortalama kinetik enerjiye sahiptir.
Bu metin bu kaynaktan uyurlanmıştır: Openstax, Chemistry 2e, Chapter 9.5 The Kinetic-Molecular Theory.