LÝ THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ: LỊCH SỬ, ĐỊNH ĐỀ VÀ VÍ DỤ - HÓA HỌC - 2024

Các lý thuyết động học phân tử là một trong đó tìm cách để giải thích những quan sát thực nghiệm các khí từ góc độ vi mô. Nghĩa là, nó cố gắng liên kết bản chất và hành vi của các phần tử khí với các đặc tính vật lý của chất khí như một chất lỏng; giải thích vĩ mô từ vi mô.

Các chất khí luôn được các nhà khoa học quan tâm vì những đặc tính của chúng. Chúng chiếm toàn bộ thể tích của vật chứa mà chúng nằm trong đó, có thể được nén hoàn toàn mà nội dung của chúng chống lại sức cản ít nhất; và nếu nhiệt độ tăng, vật chứa bắt đầu nở ra, và thậm chí có thể bị nứt.

Các hạt ở thể khí ở điều kiện xa hoặc gần hóa lỏng. Nguồn: Olivier Cleynen và Người dùng: Sharayanan

Nhiều tính chất và hành vi này được tóm tắt trong các định luật khí lý tưởng. Tuy nhiên, họ coi khí như một tổng thể chứ không phải là một tập hợp của hàng triệu hạt phân tán trong không gian; hơn nữa, dựa trên dữ liệu áp suất, thể tích và nhiệt độ, nó không cung cấp thêm thông tin liên quan đến cách các hạt này chuyển động.

Do đó, lý thuyết động học phân tử (TCM), đề xuất hình dung chúng như những quả cầu di động (hình trên). Những quả cầu này va chạm với nhau và các bức tường một cách tùy ý, và duy trì một quỹ đạo tuyến tính. Tuy nhiên, khi nhiệt độ giảm và áp suất tăng, quỹ đạo của các quả cầu trở nên cong.

Theo TCM, một chất khí phải hoạt động giống như những quả cầu trong khung hình đầu tiên của hình ảnh. Nhưng, bằng cách làm nguội và tăng áp lực lên họ, hành vi của họ không còn lý tưởng. Sau đó chúng là khí thực, gần như đang hóa lỏng và do đó chuyển sang pha lỏng.

Trong những điều kiện này, tương tác giữa các quả cầu trở nên quan trọng hơn, đến mức vận tốc của chúng chậm lại trong giây lát. Chúng càng gần hóa lỏng, quỹ đạo của chúng càng cong (hình bên phải), và va chạm của chúng ít năng lượng hơn.

Lịch sử

Daniel Bernoulli

Ý tưởng về những khối cầu này, hay được gọi là nguyên tử, đã được xem xét bởi nhà triết học La Mã Lucretius; không phải đối với chất khí, mà đối với các vật thể rắn, tĩnh. Mặt khác, vào năm 1738, Daniel Bernoulli đã áp dụng tầm nhìn nguyên tử cho chất khí và chất lỏng bằng cách tưởng tượng chúng như những quả cầu lộn xộn chuyển động theo mọi hướng.

Công việc của ông, tuy nhiên, đã vi phạm các định luật vật lý vào thời điểm đó; một cơ thể không thể chuyển động vĩnh viễn, vì vậy không thể nghĩ rằng một tập hợp các nguyên tử và phân tử sẽ va chạm với nhau mà không bị mất năng lượng; nghĩa là, sự tồn tại của va chạm đàn hồi là không thể.

Rudolf clausius

Một thế kỷ sau, các tác giả khác đã củng cố TCM bằng một mô hình trong đó các hạt khí chỉ di chuyển theo một hướng. Tuy nhiên, Rudolf Clausius đã tổng hợp các kết quả của mình và tập hợp một mô hình TCM hoàn chỉnh hơn mà ông tìm cách giải thích các định luật khí lý tưởng được chứng minh bởi Boyle, Charles, Dalton và Avogadro.

James Clerk Maxwell và Ludwig Boltzmann

Năm 1859, James Clerk Maxwell tuyên bố rằng các hạt thể khí thể hiện một loạt các tốc độ ở một nhiệt độ nhất định, và một tập hợp các tốc độ này có thể được xem xét bằng tốc độ phân tử trung bình.

Sau đó, vào năm 1871, Ludwig Boltzmann đã kết nối các ý tưởng hiện có với entropy, và cách nhiệt động lực học khí luôn có xu hướng chiếm càng nhiều không gian càng tốt theo cách đồng nhất và tự phát.

Các định đề của thuyết động học phân tử

Để xem xét khí từ các hạt của nó, cần phải có một mô hình trong đó một số định đề hoặc giả thiết được thực hiện; định đề rằng về mặt logic phải có khả năng dự đoán và giải thích (càng trung thực càng tốt) các quan sát vĩ mô và thực nghiệm. Điều đó nói rằng, các định đề TCM được đề cập và mô tả.

Thể tích của các hạt ở thể khí không đáng kể

Trong một thùng chứa đầy các hạt khí, những hạt này phân tán và di chuyển ra xa nhau theo mọi góc. Nếu trong một lúc nào đó, tất cả chúng có thể tập hợp lại với nhau tại một điểm cụ thể trong thùng chứa mà không bị hóa lỏng, thì quan sát thấy rằng chúng chỉ chiếm một phần không đáng kể thể tích của thùng chứa.

Nó có nghĩa là thùng chứa, ngay cả khi nó chứa hàng triệu hạt khí, thực sự rỗng hơn là đầy (tỷ lệ thể tích-rỗng nhỏ hơn 1); do đó, nếu các rào cản của nó cho phép, nó và khí bên trong nó có thể bị nén đột ngột; vì cuối cùng các hạt rất nhỏ, cũng như thể tích của chúng.

Mối quan hệ thể tích - khoảng trống của khí trong bình chứa. Nguồn: Gabriel Bolívar.

Hình ảnh trên minh họa chính xác điều trên, sử dụng khí có màu hơi xanh.

Lực hút giữa các hạt bằng không

Các hạt thể khí bên trong vật chứa va chạm với nhau mà không có đủ thời gian để tương tác của chúng đạt được sức mạnh; thậm chí ít hơn khi những gì chủ yếu bao quanh chúng là chân không phân tử. Một hệ quả tức thì của điều này là các đường dẫn tuyến tính của chúng cho phép chúng bao phủ hoàn toàn thể tích của thùng chứa.

Nếu không đúng như vậy, một vật chứa có hình dạng "kỳ dị" và "hình mê cung" sẽ có những vùng ẩm ướt do ngưng tụ khí; thay vào đó, các hạt di chuyển trong toàn bộ vật chứa với hoàn toàn tự do, mà không có lực tương tác của chúng ngăn cản chúng.

Quỹ đạo của các hạt ở thể khí khi tương tác là rỗng hoặc không đáng kể (A., tuyến tính) và khi chúng là quan trọng (B., đường cong). Nguồn: Gabriel Bolívar.

Các quỹ đạo thẳng của hình trên (A.) chứng minh định đề này; trong khi nếu quỹ đạo cong (B.), nó cho thấy rằng có những tương tác không thể bỏ qua giữa các hạt.

Các hạt khí luôn chuyển động

Từ hai định đề đầu tiên, thực tế là các hạt khí không ngừng chuyển động cũng hội tụ. Khi bị mờ trong thùng chứa, chúng va chạm với nhau và với các bức tường của nó, với một lực và tốc độ tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối; lực này là, áp suất.

Nếu các hạt khí ngừng chuyển động trong giây lát, "lưỡi khói" sẽ được chứng kiến ​​bên trong bình chứa, xuất hiện từ hư không, có đủ thời gian để tự sắp xếp trong chân không và tạo ra các hình dạng ngẫu nhiên.

Va chạm giữa các hạt và thành bình có tính đàn hồi

Nếu chỉ có va chạm đàn hồi giữa các phần tử khí và thành bình chiếm ưu thế bên trong bình chứa thì sẽ không bao giờ xảy ra hiện tượng ngưng tụ khí (miễn là điều kiện vật lý không thay đổi); hoặc điều tương tự như nói rằng họ không bao giờ nghỉ ngơi và luôn luôn va chạm.

Điều này là do trong va chạm đàn hồi không có sự mất mát động năng; một hạt va chạm vào tường và bật ra với cùng tốc độ. Nếu một hạt khi va chạm chậm lại thì hạt kia sẽ tăng tốc, không tạo ra nhiệt hoặc âm thanh làm tiêu hao động năng của một trong hai hạt.

Động năng không đổi

Chuyển động của các hạt là ngẫu nhiên và hỗn loạn, do đó không phải tất cả đều có cùng tốc độ; chẳng hạn như xảy ra trên đường cao tốc hoặc trong đám đông. Một số có nhiều năng lượng hơn và di chuyển nhanh hơn, trong khi những người khác chạy chậm, chờ va chạm để tăng tốc.

Để mô tả tốc độ của nó, sau đó cần phải tính trung bình; và với điều này, lần lượt thu được động năng trung bình của các hạt hoặc phân tử ở thể khí. Khi động năng của tất cả các hạt liên tục thay đổi, việc lấy trung bình cho phép kiểm soát dữ liệu tốt hơn và có thể làm việc với độ tin cậy cao hơn.

Động năng trung bình ở một nhiệt độ nhất định đối với mọi chất khí

Động năng phân tử trung bình (EC _mp ) trong một bình chứa thay đổi theo nhiệt độ. Nhiệt độ càng cao, năng lượng sẽ càng cao. Bởi vì nó là giá trị trung bình, có thể có các hạt hoặc khí có năng lượng nhiều hơn hoặc ít hơn đối với giá trị này; một số nhanh hơn và một số chậm hơn, tương ứng.

Có thể chỉ ra về mặt toán học rằng EC _mp phụ thuộc hoàn toàn vào nhiệt độ. Điều này có nghĩa là bất kể chất khí là gì, khối lượng hay cấu trúc phân tử của nó, _mp EC của nó sẽ giống nhau ở nhiệt độ T và chỉ thay đổi nếu nó tăng hoặc giảm. Trong tất cả các định đề, điều này có lẽ là phù hợp nhất.

Và tốc độ phân tử trung bình thì sao? Không giống như _mp EC , khối lượng phân tử có ảnh hưởng đến tốc độ. Hạt hoặc phân tử khí càng nặng, thì điều tự nhiên là chúng sẽ chuyển động chậm hơn.

Ví dụ

Dưới đây là những ví dụ ngắn gọn về cách TCM đã giải thích các định luật khí lý tưởng. Mặc dù không được giải quyết, các hiện tượng khác, chẳng hạn như sự khuếch tán và tràn khí, cũng có thể được giải thích với bệnh TCM.

Định luật Boyle

Nếu thể tích của vật chứa bị nén ở nhiệt độ không đổi thì khoảng cách mà các hạt ở thể khí phải đi đến va chạm với thành bình giảm; bằng với sự gia tăng tần số của các vụ va chạm như vậy, dẫn đến áp suất lớn hơn. Khi nhiệt độ không đổi, EC _mp cũng không đổi.

Luật Charles

Nếu bạn tăng T, EC _{mp sẽ} tăng. Các hạt ở thể khí sẽ di chuyển nhanh hơn và va chạm vào thành bình chứa nhiều lần hơn; áp suất tăng lên.

Nếu các bức tường mềm dẻo, có thể giãn nở, diện tích của chúng sẽ trở nên lớn hơn và áp suất sẽ giảm xuống cho đến khi nó trở nên không đổi; và kết quả là âm lượng cũng sẽ tăng lên.

Định luật Dalton

Nếu một vài lít khí khác nhau được thêm vào một bình chứa rộng rãi, đến từ các bình chứa nhỏ hơn, thì tổng áp suất bên trong của nó sẽ bằng tổng áp suất riêng phần của từng loại khí riêng biệt.

Tại sao? Bởi vì tất cả các chất khí bắt đầu va chạm với nhau và phân tán đồng nhất; tương tác giữa chúng bằng không và chân không chiếm ưu thế trong bình chứa (định đề TCM), vì vậy, nó giống như thể mỗi khí là một mình, tạo ra áp suất riêng lẻ mà không có sự can thiệp của các khí khác.

Người giới thiệu

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Hóa học. (Xuất bản lần thứ 8). Học tập CENGAGE, trang 426-431.
2. Fernandez Pablo. (2019). Lý thuyết Động học Phân tử. Vix. Phục hồi từ: vix.com
3. Jones, Andrew Zimmerman. (Ngày 7 tháng 2 năm 2019). Lý thuyết phân tử động học của khí. Phục hồi từ: thinkco.com
4. Hội trường Nancy. (Ngày 5 tháng 5 năm 2015). Thuyết động học của chất khí. Trung tâm nghiên cứu Glenn. Đã khôi phục từ: grc.nasa.gov
5. Blaber M. & Lower S. (ngày 9 tháng 10 năm 2018). Khái niệm cơ bản của lý thuyết phân tử động học. Hóa học LibreTexts. Được khôi phục từ: chem.libretexts.org
6. Lý thuyết phân tử động học. Đã khôi phục từ: chemed.chem.purdue.edu
7. Wikipedia. (2019). Thuyết động học của chất khí. Khôi phục từ: en.wikipedia.org
8. Toppr. (sf). Thuyết động học phân tử chất khí. Được khôi phục từ: toppr.com