النظرية الحركية الجزيئية: التاريخ والمسلمات والأمثلة - كيمياء - 2025

و النظرية الحركية الجزيئية واحد هو أن يسعى ل شرح الملاحظات التجريبية من الغازات المنبعثة من منظور المجهري. أي أنه يحاول ربط طبيعة وسلوك الجسيمات الغازية بالخصائص الفيزيائية للغاز كسائل ؛ شرح العيانية من المجهرية.

لطالما كانت الغازات محل اهتمام العلماء بسبب خصائصها. يشغلون الحجم الكامل للحاوية التي يوجدون فيها ، ويمكنهم ضغطها تمامًا دون أن يتعارض محتواها مع أقل مقاومة ؛ وإذا ارتفعت درجة الحرارة ، تبدأ الحاوية في التمدد ، وربما تتشقق.

الجسيمات الغازية في ظروف بعيدة عن التسييل أو قريب منه. المصدر: أوليفر كلينين والمستخدم: شريانان

يتم تلخيص العديد من هذه الخصائص والسلوكيات في قوانين الغاز المثالي. ومع ذلك ، فهم يعتبرون الغاز ككل وليس كمجموعة من ملايين الجسيمات المنتشرة في الفضاء ؛ علاوة على ذلك ، لا يوفر ، بناءً على بيانات الضغط والحجم ودرجة الحرارة ، مزيدًا من المعلومات حول كيفية تحرك هذه الجسيمات.

ومن ثم ، فإن نظرية الحركية الجزيئية (TCM) تقترح تصورها على أنها مجالات متحركة (الصورة العلوية). تتصادم هذه الكرات مع بعضها البعض والجدران بشكل تعسفي ، وتحافظ على مسار خطي. ومع ذلك ، عندما تنخفض درجة الحرارة ويزداد الضغط ، يصبح مسار الكرات منحنيًا.

يجب أن يتصرف الغاز ، وفقًا للطب الصيني التقليدي ، مثل الكرات الموجودة في الإطار الأول من الصورة. ولكن من خلال التبريد وزيادة الضغط عليهم ، فإن سلوكهم بعيد عن المثالية. وهي بعد ذلك غازات حقيقية ، قريبة من التسييل وبالتالي تدخل في المرحلة السائلة.

في ظل هذه الظروف ، تصبح التفاعلات بين الكرات أكثر أهمية ، لدرجة أن سرعاتها تتباطأ مؤقتًا. كلما اقتربوا من التميع ، كلما أصبحت مساراتهم منحنية أكثر (داخليًا على اليمين) ، وتصادماتهم أقل نشاطًا.

التاريخ

دانيال برنولي

فكرة هذه الكرات ، التي يُطلق عليها اسم الذرات ، كان قد أخذها في الاعتبار الفيلسوف الروماني لوكريتيوس ؛ ليس للغازات ، ولكن للأجسام الصلبة الثابتة. من ناحية أخرى ، في عام 1738 طبق دانيال برنولي الرؤية الذرية للغازات والسوائل من خلال تخيلها على أنها مجالات مضطربة تتحرك في جميع الاتجاهات.

لكن عمله انتهك قوانين الفيزياء في ذلك الوقت. لا يستطيع الجسم التحرك إلى الأبد ، لذلك كان من المستحيل التفكير في أن مجموعة من الذرات والجزيئات ستصطدم مع بعضها البعض دون أن تفقد طاقتها ؛ أي أن وجود تصادمات مرنة لم يكن ممكنًا.

رودولف كلوزيوس

بعد قرن من الزمان ، عزز مؤلفون آخرون الطب الصيني التقليدي بنموذج تتحرك فيه الجسيمات الغازية في اتجاه واحد فقط. ومع ذلك ، قام رودولف كلاوزيوس بتجميع نتائجه ووضع نموذجًا أكثر اكتمالًا للطب الصيني التقليدي سعى من خلاله إلى شرح قوانين الغاز المثالية التي أظهرها بويل وتشارلز ودالتون وأفوجادرو.

جيمس كليرك ماكسويل ولودفيج بولتزمان

في عام 1859 ، اقترح جيمس كلارك ماكسويل أن الجسيمات الغازية تعرض نطاقًا من السرعات عند درجة حرارة معينة ، ويمكن اعتبار مجموعة من هذه السرعات عن طريق متوسط ​​السرعة الجزيئية.

ثم في عام 1871 ربط Ludwig Boltzmann الأفكار الموجودة بالانتروبيا ، وكيف يميل الغاز الديناميكي الحراري دائمًا إلى احتلال أكبر مساحة ممكنة بطريقة متجانسة وعفوية.

مسلمات النظرية الحركية الجزيئية

للنظر في الغاز من جزيئاته ، من الضروري وجود نموذج يتم فيه استيفاء بعض الافتراضات أو الافتراضات ؛ يفترض أنه منطقيا يجب أن يكون قادرا على التنبؤ وشرح (بأمانة قدر الإمكان) الملاحظات العيانية والتجريبية. ومع ذلك ، تم ذكر افتراضات الطب الصيني التقليدي ووصفها.

حجم الجسيمات الغازية ضئيل

في وعاء مليء بالجزيئات الغازية ، تتفرق هذه الجزيئات وتبتعد عن بعضها البعض في جميع الزوايا. إذا أمكن تجميعها جميعًا للحظة في نقطة معينة في الحاوية ، بدون تسييل ، فسيتم ملاحظة أنها لا تشغل سوى جزء ضئيل من حجم الحاوية.

هذا يعني أن الحاوية ، حتى لو كانت تحتوي على ملايين الجسيمات الغازية ، هي في الواقع فارغة أكثر من كونها ممتلئة (نسبة الفراغ الحجم أقل بكثير من 1) ؛ لذلك ، إذا سمحت حواجزه بذلك ، فيمكن ضغطه والغاز بداخله بشكل مفاجئ ؛ لأنه في النهاية تكون الجسيمات صغيرة جدًا ، وكذلك حجمها.

علاقة الفراغ الحجمي للغاز في الحاوية. المصدر: غابرييل بوليفار.

توضح الصورة أعلاه بدقة ما سبق ، باستخدام غاز مزرق اللون.

قوى الجذب بين الجسيمات صفر

تتصادم الجسيمات الغازية الموجودة داخل الحاوية مع بعضها البعض دون وقت كافٍ لاكتساب تفاعلاتها قوة ؛ حتى أقل عندما يكون ما يحيط بها بشكل أساسي هو الفراغ الجزيئي. والنتيجة المباشرة لذلك هي أن مساراتهم الخطية تسمح لهم باحتواء حجم الحاوية بالكامل.

إذا لم يكن الأمر كذلك ، فإن الحاوية ذات الشكل "الغريب" و "المتاهة" ستحتوي على مناطق رطبة نتيجة لتكثف الغاز ؛ بدلاً من ذلك ، تنتقل الجسيمات عبر الحاوية بأكملها بحرية كاملة ، دون أن توقفها قوة تفاعلاتها.

مسارات الجزيئات الغازية عندما تكون التفاعلات لاغية أو غير مهمة (أ ، خطية) ، وعندما تكون مهمة (منحنيات ب). المصدر: غابرييل بوليفار.

توضح المسارات الخطية للصورة العلوية (أ) هذا الافتراض ؛ بينما إذا كانت المسارات منحنية (ب) ، فهذا يدل على وجود تفاعلات لا يمكن تجاهلها بين الجسيمات.

الجسيمات الغازية دائمًا في حالة حركة

من الافتراضين الأولين ، تتقارب أيضًا حقيقة أن جزيئات الغاز لا تتوقف أبدًا عن الحركة. بمجرد عدم وضوحها في الحاوية ، فإنها تصطدم ببعضها البعض وبجدرانها ، بقوة وسرعة تتناسب طرديًا مع درجة الحرارة المطلقة ؛ هذه القوة هي الضغط.

إذا توقفت الجزيئات الغازية عن الحركة للحظة ، فإن "ألسنة الدخان" ستُشاهد داخل الحاوية ، تخرج من العدم ، مع ما يكفي من الوقت لترتيب نفسها في فراغ وإعطاء أشكال عشوائية.

تكون التصادمات بين الجزيئات وجدران الحاوية مرنة

إذا كانت التصادمات المرنة داخل الحاوية هي السائدة فقط بين الجسيمات الغازية وجدران الحاوية ، فلن يحدث تكثف الغاز أبدًا (طالما أن الظروف المادية لا تتغير) ؛ أو ما يشبه القول بأنهم لا يرتاحون أبدًا ويتصادمون دائمًا.

هذا لأنه في الاصطدامات المرنة لا يوجد خسارة صافية للطاقة الحركية ؛ يصطدم جسيم بالجدار ويرتد بنفس السرعة. إذا تباطأ جسيم عند الاصطدام ، يتسارع الآخر ، دون إنتاج حرارة أو صوت يبدد الطاقة الحركية لأي منهما.

الطاقة الحركية لا تبقى ثابتة

تكون حركة الجسيمات عشوائية وفوضوية ، بحيث لا تتمتع جميعها بنفس السرعة ؛ تمامًا كما يحدث ، على سبيل المثال ، على طريق سريع أو وسط زحام. بعضها أكثر نشاطًا ويسافر بشكل أسرع ، بينما البعض الآخر بطيء ، في انتظار الاصطدام لتسريعها.

لوصف سرعتها ، من الضروري بعد ذلك حساب المتوسط ​​؛ وبذلك ، يتم الحصول على متوسط ​​الطاقة الحركية للجزيئات أو الجزيئات الغازية. نظرًا لأن الطاقة الحركية لجميع الجسيمات تتغير باستمرار ، فإن المتوسط ​​يسمح بتحكم أفضل في البيانات ويمكن العمل به بمزيد من الموثوقية.

متوسط ​​الطاقة الحركية يساوي درجة حرارة معينة لجميع الغازات

يتغير متوسط ​​الطاقة الحركية الجزيئية (EC _mp) في حاوية مع درجة الحرارة. كلما ارتفعت درجة الحرارة ، زادت الطاقة. نظرًا لأنه متوسط ​​، فقد تكون هناك جزيئات أو غازات لديها طاقة أكثر أو أقل فيما يتعلق بهذه القيمة ؛ بعضها أسرع وبعضها أبطأ على التوالي.

ويمكن أن تظهر رياضيا أن EC _النائب يعتمد حصرا على درجة الحرارة. هذا يعني أنه بغض النظر عن ماهية الغاز ، أو كتلته أو تركيبته الجزيئية ، فإن EC _mp سيكون هو نفسه عند درجة حرارة T وسيختلف فقط إذا زاد أو نقصان. من بين جميع الافتراضات ، ربما يكون هذا هو الأكثر صلة.

وماذا عن متوسط ​​السرعة الجزيئية؟ على عكس EC _mp ، تؤثر الكتلة الجزيئية على السرعة. كلما كان جزيء أو جزيء الغاز أثقل ، من الطبيعي أن نتوقع أن يتحرك ببطء أكثر.

أمثلة

فيما يلي أمثلة موجزة عن كيفية تمكن الطب الصيني التقليدي من شرح قوانين الغاز المثالية. على الرغم من عدم معالجتها ، يمكن أيضًا تفسير الظواهر الأخرى ، مثل انتشار وانصباب الغازات ، باستخدام الطب الصيني التقليدي.

قانون بويل

إذا تم ضغط حجم الحاوية عند درجة حرارة ثابتة ، تقل المسافة التي يجب أن تقطعها الجزيئات الغازية لتتصادم مع الجدران ؛ وهو ما يعادل زيادة في تكرار مثل هذه الاصطدامات ، مما يؤدي إلى زيادة الضغط. نظرًا لأن درجة الحرارة تظل ثابتة ، فإن EC _mp ثابت أيضًا.

تشارلز لو

إذا قمت بزيادة T ، _فستزيد EC _mp. سوف تتحرك الجزيئات الغازية بشكل أسرع وتتصادم مع جدران الحاوية مرات أكثر ؛ يزيد الضغط.

إذا كانت الجدران مرنة وقادرة على التوسع ، فإن مساحتها ستصبح أكبر وسيهبط الضغط حتى يصبح ثابتًا ؛ ونتيجة لذلك ، سيزداد الحجم أيضًا.

قانون دالتون

إذا تمت إضافة عدة لترات من الغازات المختلفة إلى حاوية واسعة ، قادمة من حاويات أصغر ، فإن ضغطها الداخلي الإجمالي سيكون مساويًا لمجموع الضغوط الجزئية التي يمارسها كل نوع من الغاز على حدة.

لماذا ا؟ لأن جميع الغازات تبدأ في الاصطدام مع بعضها البعض وتنتشر بشكل متجانس ؛ التفاعلات بينهما صفرية ، ويسود الفراغ في الحاوية (افتراضات TCM) ، لذلك يبدو الأمر كما لو كان كل غاز بمفرده ، يمارس ضغطه بشكل فردي دون تدخل الغازات الأخرى.

المراجع

1. ويتن ، ديفيس ، بيك وستانلي. (2008). كيمياء. (الطبعة الثامنة). تعلم سنجيج ، ص 426-431.
2. فرنانديز بابلو. (2019). النظرية الحركية الجزيئية. فيكس. تم الاسترجاع من: vix.com
3. جونز ، أندرو زيمرمان. (7 فبراير 2019). النظرية الجزيئية الحركية للغازات. تم الاسترجاع من: thinkco.com
4. قاعة نانسي. (5 مايو 2015). النظرية الحركية للغازات. مركز جلين للأبحاث. تم الاسترجاع من: grc.nasa.gov
5. ^ Blaber M. & Lower S. (9 أكتوبر 2018). أساسيات النظرية الجزيئية الحركية. الكيمياء LibreTexts. تم الاسترجاع من: chem.libretexts.org
6. النظرية الجزيئية الحركية. تم الاسترجاع من: chemed.chem.purdue.edu
7. ويكيبيديا. (2019). النظرية الحركية للغازات. تم الاسترجاع من: en.wikipedia.org
8. توببر. (سادس). النظرية الجزيئية الحركية للغازات. تم الاسترجاع من: toppr.com