ทฤษฎีจลน์โมเลกุล: ประวัติศาสตร์สมมุติฐานและตัวอย่าง - เคมี - 2026

ทฤษฎีจลน์โมเลกุลเป็นหนึ่งที่พยายาม ที่จะ อธิบายการสังเกตการทดลองของก๊าซจากมุมมองของกล้องจุลทรรศน์ นั่นคือมันพยายามที่จะเชื่อมโยงลักษณะและพฤติกรรมของอนุภาคก๊าซกับลักษณะทางกายภาพของก๊าซเป็นของไหล อธิบายเกี่ยวกับกล้องจุลทรรศน์จากกล้องจุลทรรศน์

ก๊าซเป็นที่สนใจของนักวิทยาศาสตร์มาโดยตลอดเนื่องจากคุณสมบัติของมัน พวกเขาครอบครองปริมาตรทั้งหมดของคอนเทนเนอร์ที่พวกเขาอยู่ซึ่งสามารถบีบอัดได้อย่างสมบูรณ์โดยที่เนื้อหาของพวกเขาไม่ได้ให้ความต้านทานน้อยที่สุด และถ้าอุณหภูมิเพิ่มขึ้นภาชนะจะเริ่มขยายตัวและอาจแตกได้

อนุภาคก๊าซในสภาวะที่ห่างไกลจากหรือใกล้เคียงกับการทำให้เป็นของเหลว ที่มา: Olivier Cleynen และผู้ใช้: Sharayanan

คุณสมบัติและพฤติกรรมหลายประการเหล่านี้สรุปไว้ในกฎของก๊าซในอุดมคติ อย่างไรก็ตามพวกมันถือว่าก๊าซโดยรวมไม่ใช่กลุ่มของอนุภาคนับล้านที่กระจัดกระจายอยู่ในอวกาศ นอกจากนี้ยังไม่ได้ให้ข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของอนุภาคเหล่านี้โดยอิงจากข้อมูลความดันปริมาตรและอุณหภูมิ

ดังนั้นทฤษฎีจลน์โมเลกุล (TCM) จึงเสนอให้เห็นภาพเป็นทรงกลมเคลื่อนที่ (ภาพบน) ทรงกลมเหล่านี้ชนกันและผนังโดยพลการและรักษาวิถีเชิงเส้น อย่างไรก็ตามเมื่ออุณหภูมิลดลงและความดันเพิ่มขึ้นวิถีของทรงกลมจะโค้ง

ก๊าซตาม TCM ต้องทำงานเหมือนทรงกลมในเฟรมแรกของภาพ แต่ด้วยการทำให้เย็นลงและเพิ่มแรงกดดันต่อพวกเขาพฤติกรรมของพวกเขายังห่างไกลจากอุดมคติ จากนั้นพวกมันก็เป็นก๊าซจริงซึ่งอยู่ใกล้กับการทำให้เป็นของเหลวจึงเข้าสู่ช่วงของเหลว

ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ปฏิสัมพันธ์ระหว่างทรงกลมมีความสำคัญมากขึ้นจนถึงจุดที่ความเร็วของพวกมันช้าลงชั่วขณะ ยิ่งพวกมันเข้าใกล้การทำให้เป็นของเหลวมากเท่าไหร่วิถีการเคลื่อนที่ของพวกมันก็จะยิ่งโค้งมากขึ้นเท่านั้น (ใส่ไว้ทางขวา) และการชนของพวกมันจะไม่กระปรี้กระเปร่า

ประวัติศาสตร์

Daniel Bernoulli

ความคิดเกี่ยวกับทรงกลมเหล่านี้เรียกว่าอะตอมดีกว่าได้รับการพิจารณาโดยนักปรัชญาชาวโรมันลูเรเทียส ไม่ใช่สำหรับก๊าซ แต่สำหรับวัตถุที่เป็นของแข็งและคงที่ ในทางกลับกันในปี 1738 Daniel Bernoulli ใช้การมองเห็นอะตอมกับก๊าซและของเหลวโดยจินตนาการว่าพวกมันเป็นทรงกลมที่ไม่เป็นระเบียบซึ่งเคลื่อนที่ไปในทุกทิศทาง

อย่างไรก็ตามงานของเขาละเมิดกฎของฟิสิกส์ในเวลานั้น ร่างกายไม่สามารถเคลื่อนไหวได้ชั่วนิรันดร์ดังนั้นจึงเป็นไปไม่ได้ที่จะคิดว่าอะตอมและโมเลกุลชุดหนึ่งจะชนกันโดยไม่สูญเสียพลังงานไป นั่นคือการมีอยู่ของการชนกันของยางยืดเป็นไปไม่ได้

รูดอล์ฟคลาวเซียส

หนึ่งศตวรรษต่อมาผู้เขียนคนอื่น ๆ ได้เสริม TCM ด้วยแบบจำลองที่อนุภาคของก๊าซเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวเท่านั้น Rudolf Clausius ได้รวบรวมผลลัพธ์ของเขาและประกอบแบบจำลอง TCM ที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้นซึ่งเขาพยายามอธิบายกฎหมายก๊าซในอุดมคติที่ Boyle, Charles, Dalton และ Avogadro แสดงให้เห็น

James Clerk Maxwell และ Ludwig Boltzmann

ในปี 1859 James Clerk Maxwell ได้เสนอว่าอนุภาคของก๊าซมีช่วงความเร็วที่อุณหภูมิหนึ่ง ๆ และชุดของสิ่งเหล่านี้สามารถพิจารณาได้โดยใช้ความเร็วโมเลกุลเฉลี่ย

จากนั้นในปีพ. ศ. 2414 ลุดวิกโบลต์ซมันน์ได้เชื่อมโยงแนวคิดที่มีอยู่กับเอนโทรปีและวิธีการที่แก๊สทางอุณหพลศาสตร์มีแนวโน้มที่จะครอบครองพื้นที่ให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ในลักษณะที่เป็นเนื้อเดียวกันและเกิดขึ้นเอง

สมมุติฐานของทฤษฎีจลน์โมเลกุล

ในการพิจารณาก๊าซจากอนุภาคของมันจึงจำเป็นต้องมีแบบจำลองซึ่งจะต้องปฏิบัติตามสมมติฐานหรือสมมติฐานบางประการ สมมุติฐานว่าต้องสามารถคาดการณ์และอธิบายการสังเกตการณ์เชิงมหภาคและการทดลองได้อย่างมีเหตุผล (ตามความเป็นจริงมากที่สุด) ที่กล่าวว่ามีการกล่าวถึงและอธิบายหลักการ TCM

ปริมาตรของอนุภาคก๊าซมีค่าเล็กน้อย

ในภาชนะที่เต็มไปด้วยอนุภาคก๊าซสิ่งเหล่านี้จะกระจายตัวและเคลื่อนตัวออกจากกันในทุกมุม ถ้าสักครู่พวกเขาทั้งหมดสามารถนำมารวมกันที่จุดใดจุดหนึ่งในภาชนะโดยไม่มีการทำให้เป็นของเหลวจะสังเกตได้ว่าพวกมันมีเพียงส่วนน้อยของปริมาตรของภาชนะเท่านั้น

หมายความว่าภาชนะแม้ว่าจะมีอนุภาคก๊าซหลายล้านอนุภาค แต่ก็ว่างเปล่ามากกว่าเต็ม (อัตราส่วนปริมาตร - โมฆะน้อยกว่า 1) ดังนั้นหากอุปสรรคของมันเอื้ออำนวยมันและก๊าซที่อยู่ภายในก็สามารถถูกบีบอัดได้ทันที เนื่องจากในที่สุดอนุภาคก็มีขนาดเล็กมากเช่นเดียวกับปริมาตร

ความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตร - โมฆะของก๊าซในภาชนะ ที่มา: Gabriel Bolívar

ภาพด้านบนแสดงให้เห็นอย่างถูกต้องโดยใช้ก๊าซสีฟ้า

แรงดึงดูดระหว่างอนุภาคเป็นศูนย์

อนุภาคของก๊าซภายในภาชนะจะชนกันโดยไม่มีเวลาเพียงพอสำหรับการโต้ตอบเพื่อเพิ่มความแข็งแรง แม้แต่น้อยเมื่อสิ่งที่อยู่รอบตัวพวกเขาเป็นหลักคือสุญญากาศระดับโมเลกุล ผลที่ตามมาทันทีคือเส้นทางเชิงเส้นของพวกมันช่วยให้พวกมันครอบคลุมปริมาตรของภาชนะได้อย่างสมบูรณ์

หากไม่เป็นเช่นนั้นภาชนะที่มีรูปร่าง "แปลกประหลาด" และ "เขาวงกต" จะมีบริเวณที่ชื้นอันเป็นผลมาจากการกลั่นตัวเป็นหยดน้ำของก๊าซ แทนอนุภาคจะเดินทางผ่านภาชนะทั้งหมดด้วยอิสระเต็มที่โดยที่ปฏิกิริยาของมันจะหยุดยั้งไม่ได้

วิถีของอนุภาคก๊าซเมื่อปฏิสัมพันธ์เป็นโมฆะหรือไม่มีนัยสำคัญ (ก. เชิงเส้น) และเมื่อมีความสำคัญ (ข. เส้นโค้ง) ที่มา: Gabriel Bolívar

วิถีเชิงเส้นของภาพบน (A. ) แสดงให้เห็นถึงสมมุติฐานนี้ ในขณะที่ถ้าวิถีโค้ง (B. ) แสดงว่ามีปฏิสัมพันธ์ที่ไม่สามารถละเลยระหว่างอนุภาคได้

อนุภาคของก๊าซเคลื่อนที่อยู่เสมอ

จากสองสมมติฐานแรกความจริงที่ว่าอนุภาคของก๊าซไม่เคยหยุดเคลื่อนที่ก็มาบรรจบกันเช่นกัน เมื่อเบลอในภาชนะแล้วพวกมันจะชนกันและกับผนังด้วยแรงและความเร็วแปรผันโดยตรงกับอุณหภูมิสัมบูรณ์ แรงนี้คือแรงกดดัน

หากอนุภาคของก๊าซหยุดเคลื่อนที่ในชั่วขณะหนึ่งจะพบเห็น“ ลิ้นควัน” อยู่ภายในภาชนะซึ่งโผล่ออกมาจากที่ใดโดยมีเวลามากพอที่จะจัดเรียงตัวเองในสุญญากาศและให้รูปร่างแบบสุ่ม

การชนกันระหว่างอนุภาคและผนังของภาชนะจะยืดหยุ่นได้

หากมีเพียงการชนแบบยืดหยุ่นระหว่างอนุภาคของก๊าซและผนังของภาชนะบรรจุที่มีอิทธิพลเหนือภายในภาชนะการควบแน่นของก๊าซจะไม่เกิดขึ้น (ตราบใดที่สภาพทางกายภาพไม่เปลี่ยนแปลง) หรือสิ่งที่เหมือนกับการบอกว่าพวกเขาไม่เคยหยุดพักและมักจะชนกัน

เนื่องจากในการชนแบบยืดหยุ่นไม่มีการสูญเสียพลังงานจลน์สุทธิ อนุภาคชนกับผนังและกระเด้งด้วยความเร็วเท่ากัน หากอนุภาคเมื่อชนกันช้าลงอีกอนุภาคหนึ่งจะเร่งความเร็วโดยไม่ผลิตความร้อนหรือเสียงที่กระจายพลังงานจลน์ของอนุภาคอย่างใดอย่างหนึ่ง

พลังงานจลน์ไม่คงที่

การเคลื่อนที่ของอนุภาคเป็นไปอย่างสุ่มและไม่เป็นระเบียบดังนั้นจึงไม่ได้มีความเร็วเท่ากันทั้งหมด เช่นเดียวกับที่เกิดขึ้นเช่นบนทางหลวงหรือในฝูงชน บางคนมีพลังมากกว่าและเดินทางได้เร็วกว่าในขณะที่คนอื่น ๆ ช้ารอให้การปะทะกันเร็วขึ้น

ในการอธิบายความเร็วจึงจำเป็นต้องคำนวณค่าเฉลี่ย และด้วยสิ่งนี้พลังงานจลน์เฉลี่ยของอนุภาคหรือโมเลกุลของก๊าซจะได้รับในทางกลับกัน เนื่องจากพลังงานจลน์ของอนุภาคทั้งหมดมีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลาการหาค่าเฉลี่ยจะช่วยให้สามารถควบคุมข้อมูลได้ดีขึ้นและสามารถทำงานได้ด้วยความน่าเชื่อถือมากขึ้น

พลังงานจลน์เฉลี่ยเท่ากับอุณหภูมิที่กำหนดสำหรับก๊าซทั้งหมด

พลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุล (EC _mp ) ในภาชนะเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ อุณหภูมิยิ่งสูงพลังงานก็จะยิ่งสูงขึ้น เนื่องจากเป็นค่าเฉลี่ยอาจมีอนุภาคหรือก๊าซที่มีพลังงานมากหรือน้อยเมื่อเทียบกับค่านี้ เร็วขึ้นบ้างช้าบ้างตามลำดับ

สามารถแสดงทางคณิตศาสตร์ได้ว่า EC _mpขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเท่านั้น ซึ่งหมายความว่าไม่ว่าก๊าซจะเป็นอย่างไรมวลหรือโครงสร้างโมเลกุลของมัน EC _mpจะเท่ากันที่อุณหภูมิ T และจะแตกต่างกันไปก็ต่อเมื่อมันเพิ่มขึ้นหรือลดลง จากสมมุติฐานทั้งหมดนี่อาจเกี่ยวข้องมากที่สุด

แล้วความเร็วเฉลี่ยของโมเลกุลล่ะ? ซึ่งแตกต่างจาก EC _mpมวลโมเลกุลมีผลต่อความเร็ว อนุภาคหรือโมเลกุลของก๊าซที่หนักกว่าเป็นเรื่องธรรมดาที่จะคาดหวังให้มันเคลื่อนที่ช้าลง

ตัวอย่าง

นี่คือตัวอย่างสั้น ๆ เกี่ยวกับวิธีที่ TCM จัดการเพื่ออธิบายกฎหมายก๊าซอุดมคติ แม้ว่าจะไม่ได้กล่าวถึง แต่ปรากฏการณ์อื่น ๆ เช่นการแพร่กระจายและการไหลของก๊าซก็สามารถอธิบายได้ด้วย TCM

กฎหมายของบอยล์

ถ้าปริมาตรของภาชนะถูกบีบอัดที่อุณหภูมิคงที่ระยะทางที่อนุภาคของก๊าซจะต้องเดินทางไปชนกับผนังจะลดลง ซึ่งเท่ากับการเพิ่มความถี่ของการชนดังกล่าวส่งผลให้เกิดแรงกดดันมากขึ้น เนื่องจากอุณหภูมิคงที่ EC _mpก็คงที่เช่นกัน

กฎหมายชาร์ลส์

หากคุณเพิ่ม T EC _{mp จะ}เพิ่มขึ้น อนุภาคของก๊าซจะเคลื่อนที่เร็วขึ้นและชนกับผนังของภาชนะมากขึ้นหลายครั้ง ความดันเพิ่มขึ้น

ถ้าผนังมีความยืดหยุ่นสามารถขยายได้พื้นที่ของมันจะใหญ่ขึ้นและความดันจะลดลงจนคงที่ และเป็นผลให้ระดับเสียงเพิ่มขึ้นด้วย

กฎหมายของดาลตัน

หากเติมก๊าซที่แตกต่างกันหลายลิตรลงในภาชนะที่กว้างขวางซึ่งมาจากภาชนะขนาดเล็กความดันภายในทั้งหมดจะเท่ากับผลรวมของความกดดันบางส่วนที่กระทำโดยก๊าซแต่ละประเภทแยกกัน

ทำไม? เนื่องจากก๊าซทั้งหมดเริ่มชนกันและกระจายเป็นเนื้อเดียวกัน ปฏิสัมพันธ์ระหว่างพวกเขาเป็นศูนย์และสุญญากาศมีอิทธิพลเหนือภาชนะ (TCM สมมุติ) ดังนั้นจึงเหมือนกับว่าก๊าซแต่ละตัวอยู่ตามลำพังโดยออกแรงดันทีละตัวโดยไม่มีการรบกวนของก๊าซอื่น

อ้างอิง

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley (2008) เคมี. (ฉบับที่ 8) CENGAGE Learning, P 426-431
2. เฟอร์นันเดซปาโบล (2019). ทฤษฎีจลน์โมเลกุล. Vix. กู้คืนจาก: vix.com
3. โจนส์แอนดรูว์ซิมเมอร์แมน (7 กุมภาพันธ์ 2562). ทฤษฎีโมเลกุลจลน์ของก๊าซ. ดึงมาจาก: thoughtco.com
4. Hall Nancy (5 พฤษภาคม 2558). ทฤษฎีจลน์ของก๊าซ ศูนย์วิจัย Glenn ดึงมาจาก: grc.nasa.gov
5. Blaber M. & Lower S. (9 ตุลาคม 2018). พื้นฐานของทฤษฎีโมเลกุลจลน์ เคมี LibreTexts สืบค้นจาก: chem.libretexts.org
6. ทฤษฎีโมเลกุลจลน์ กู้คืนจาก: chemed.chem.purdue.edu
7. วิกิพีเดีย (2019). ทฤษฎีจลน์ของก๊าซ สืบค้นจาก: en.wikipedia.org
8. Toppr. (เอสเอฟ) ทฤษฎีโมเลกุลของก๊าซจลน์ สืบค้นจาก: toppr.com