ניסויים בתיאוריה מולקולרית קינטית

תוֹכֶן

• הנחות של התיאוריה הקינטית.
• מאפייני גזים שהוסברו באמצעות התיאוריה הקינטית.
• חוק הגז המושלם.
• סטיות מהתנהגות הגז המושלמת.

התיאוריה המולקולרית הקינטית, הידועה גם בשם התיאוריה הקינטית של הגזים היא מודל רב עוצמה המבקש להסביר את המאפיינים הניתנים למדידה של גז מבחינת התנועות בקנה מידה קטן של חלקיקי הגז. התיאוריה הקינטית מסבירה את תכונות הגזים מבחינת תנועת החלקיקים שלה. התיאוריה הקינטית מבוססת על מספר הנחות ובשל כך היא מודל משוער.

הנחות של התיאוריה הקינטית.

גזים במודל הקינטי נחשבים ל"מושלמים ". גזים מושלמים מורכבים ממולקולות שזזות לגמרי באקראי ואינן מפסיקות לזוז. כל ההתנגשויות בחלקיקי הגז אלסטיות לחלוטין, כלומר אין אנרגיה שאבדה. (אם לא כך היו מולקולות הגז בסופו של דבר אזל מאנרגיה ומצטברות על רצפת המיכל שלהן.) ההנחה הבאה היא שגודל המולקולות זניח, כלומר למעשה יש להן קוטר אפס. זה כמעט נכון לגבי גזים מונו אטומיים קטנים מאוד כמו הליום, ניאון או ארגון. ההנחה הסופית היא שמולקולות הגז אינן מקיימות אינטראקציה אלא כאשר הן מתנגשות. התיאוריה הקינטית אינה מחשיבה שום כוחות אלקטרוסטטיים בין מולקולות.

מאפייני גזים שהוסברו באמצעות התיאוריה הקינטית.

לגז שלוש תכונות מהותיות, לחץ, טמפרטורה ונפח. שלושת המאפיינים הללו קשורים זה לזה וניתן להסביר אותם באמצעות תיאוריה קינטית. הלחץ נגרם כתוצאה מחלקיקים הפוגעים בדופן מיכל הגז. מיכל לא קשיח כמו בלון יתרחב עד שלחץ הגז בתוך הבלון שווה לזה שבצד החיצוני של הבלון. כאשר גז הוא לחץ נמוך מספר ההתנגשויות פחות מאשר בלחץ גבוה. העלאת הטמפרטורה של גז בנפח קבוע מעלה גם את הלחץ שלו מכיוון שהחום גורם לחלקיקים לנוע במהירות רבה יותר. באופן דומה הרחבת הנפח בו יכול גז לנוע מורידה את הלחץ והטמפרטורה שלו.

חוק הגז המושלם.

רוברט בויל היה בין הראשונים שגילה קשרים בין תכונות הגזים. החוק של בוילס קובע כי בטמפרטורה קבועה הלחץ של גז הוא ביחס הפוך לנפח שלו. חוק צ'ארלס, לאחר שג'אק צ'רלס שוקל טמפרטורה, מגלה שלגבי לחץ קבוע נפח הגז עומד ביחס ישיר לטמפרטורה שלו.משוואות אלה שולבו כדי ליצור משוואת הגז המושלמת של המדינה עבור שומה אחת של גז, pV = RT, כאשר p הוא לחץ, V הוא נפח, T הוא טמפרטורה ו- R הוא קבוע הגז האוניברסאלי.

סטיות מהתנהגות הגז המושלמת.

חוק הגז המושלם עובד היטב בלחצים נמוכים. בלחצים גבוהים או בטמפרטורות נמוכות מולקולות גז קרבות מספיק קרובות בכדי ליצור אינטראקציה; האינטראקציות הללו הן שגורמות גזים להתעבות לנוזלים ובלעדיהם כל החומר יהיה גזי. אינטראקציות אינטראקומיות אלה נקראות כוחות ואן דר וואלס. כתוצאה מכך, ניתן לשנות את משוואת הגז המושלמת כך שתכלול רכיב לתאר כוחות בין-מולקולריים. המשוואה המסובכת יותר הזו נקראת משוואת המדינה של ואן דר וואלס.