Back to chapter

5.6:

תאוריית הקינטיקה המולקולרית: השערות בסיס

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Basic Postulates of Kinetic Molecular Theory: Particle Size, Energy, and Collision

Languages

Share

בעוד חוקי הגזים מסכמים את היחסים בין תכונות שונות של גזים אידיאליים, התאוריה הקינטית מסבירה מדוע הגזים מתנהגים על פי חוקים אלה. התאוריה מבוססת על כמה הנחות או השערות. ההנחה הראשונה היא שחלקיקי גז הם זניחים בגודלם.גז הוא ברובו חלל ריק המורכב מחלקיקים קטנים שהמרחק המפריד ביניהם גדול הרבה יותר מהממדים שלהם. נפח החלקיקים הכולל הוא זניח ביחס לכלל הנפח שהגז מכיל. בניגוד לנוזלים ומוצקים, שאינם ניתנים לדחיסה בשל קרבת החלקיקים, גזים ניתנים לדחיסה רבה.חלקיקי גז נמצאים במצב תמידי של תנועה בקווים ישרים בכיוונים אקראיים. נתיבם ישתנה אך ורק אם יתנגשו עם חלקיקים אחרים או בקירות המכל שלהם. לפי ההנחה השנייה, חלקיקי גז יוצרים התנגשויות אלסטיות מושלמות.הם מתנגשים ונדחפים זה מזה מבלי שיידבקו. ניתן להשוות זאת להתנגשויות בין כדורי ביליארד במהלך משחק. כשחלקיקי גז מתנגשים, הם מחליפים ביניהם אנרגיה מבלי שום איבוד של אנרגיה מהמערכת.במילים אחרות, אנרגיית המערכת הכוללת נותרת קבועה. חלקיקי גזנ מצאים בתנועה מתמדת, לכן יש להם אנרגיה קינטית. מכאן נובעת ההנחה השלישית לפיה האנרגיה הקינטית הממוצעת של גז נמצאת ביחס ישר לטמפרטורה המוחלטת שלו בקלווין.כלומר, האנרגיה הקינטית עולה עם הטמפרטורה, וכתוצאה מכך, החלקיקים נעים מהר יותר. בטמפרטורות גבוהות יותר, החלקיקים נעים מהר יותר. לעומת זאת, ככל שיורדת הטמפרטורה, כך פוחתת גם האנרגיה הקינטית של החלקיקים, והם נעים לאט יותר.בטמפרטורה קבועה, לכל הגזים, ללא קשר למסה המולקולרית שלהם, יש את אותו ממוצע אנרגיה קינטית. אנרגיה קינטית שווה למסה כפול המהירות בריבוע. מכאן שכדי שלגזים שונים תהיה אותה אנרגיה קינטית בממוצע, חלקיקי הגז שלהם בהכרח נעים במהירויות ממוצעות שונות.מכאן שלגזים כבדים יותר מהירויות ממוצעות נמוכות יותר, ואילו לגזים קלים יותר מהירויות ממוצעות גבוהות יותר. לדוגמה, להליום ולניאון באותה הטמפרטורה יש אותה אנרגיה קינטית ממוצעת. לעומת זאת, בגלל ההבדלים במסה שלהם, אטומי הניאון איטיים הרבה יותר מאטומי ההליום.

5.6:

תאוריית הקינטיקה המולקולרית: השערות בסיס

The ideal-gas equation, which is empirical, describes the behavior of gases by establishing relationships between their macroscopic properties. For example, Charles’ law states that volume and temperature are directly related. Gases, therefore, expand when heated at constant pressure. Although gas laws explain how the macroscopic properties change relative to one another, it does not explain the rationale behind it.

The kinetic molecular theory is a microscopic model that helps understand what happens to gas particles at the molecular or atomic level when conditions such as pressure or temperature change. In 1857 Rudolf Clausius published a complete and satisfactory form of the theory, which effectively explains the different gas laws through the postulates that were developed based on hundreds of experimental observations of the behavior of gases.

The salient features of this theory are:

  1. Gases are composed of particles (atoms or molecules) that are in continuous motion, traveling in straight lines and changing direction only when they collide with other molecules or with the walls of a container.
    Examine a sample of argon gas at standard temperature and pressure. It shows that only 0.01% of the volume is taken up by atoms with an average distance of 3.3 nm (atomic radius of argon is 0.097 nm) between two argon atoms. The distance is far greater than its own dimension.
  2. The molecules composing the gas are negligibly small compared to the distances between them. Therefore, the combined volume of all gas particles is negligible relative to the total volume of the container. The particles are considered to be “points” that have mass but negligible volume.
  3. The pressure exerted by a gas in a container results from collisions between the gas molecules and the container walls.
  4. Gas molecules exert no attractive or repulsive forces on each other or the container walls; therefore, their collisions are elastic (do not involve a loss of energy).
    During elastic collisions, energy is transferred between the colliding particles. The average kinetic energy of the particles, therefore, stays constant and does not change with time.
  5. The average kinetic energy of the gas molecules is proportional to the kelvin temperature of the gas.
    All gases, regardless of their molecular mass, have the same average kinetic energy at the same temperature.

This text is adapted from Openstax, Chemistry 2e, Chapter 9.5 The Kinetic-Molecular Theory.