TEORI KINETIK MOLEKULER: SEJARAH, POSTULAT DAN CONTOH - KIMIA - 2025

The teori kinetik molekul adalah salah satu yang berusaha untuk menjelaskan pengamatan eksperimental gas dari perspektif mikroskopis. Artinya, ia mencoba mengaitkan sifat dan perilaku partikel gas dengan karakteristik fisik gas sebagai fluida; menjelaskan secara makroskopik dari mikroskopis.

Gas selalu menjadi minat para ilmuwan karena sifatnya. Mereka menempati seluruh volume wadah tempat mereka berada, dapat dikompresi sepenuhnya tanpa kandungannya menentang sedikit pun resistensi; dan jika suhu meningkat, wadah mulai mengembang, dan bahkan bisa retak.

Partikel gas dalam kondisi jauh dari atau mendekati likuifaksi. Sumber: Olivier Cleynen dan Pengguna: Sharayanan

Banyak dari sifat dan perilaku ini dirangkum dalam hukum gas ideal. Namun, mereka menganggap gas secara keseluruhan dan bukan sebagai kumpulan jutaan partikel yang tersebar di ruang angkasa; Selain itu, tidak memberikan, berdasarkan data tekanan, volume dan suhu, informasi lebih lanjut tentang bagaimana partikel-partikel ini bergerak.

Dengan demikian, teori kinetik molekuler (TCM), mengusulkan untuk memvisualisasikannya sebagai bola bergerak (gambar atas). Bola-bola ini bertabrakan satu sama lain dan dindingnya sewenang-wenang, dan mempertahankan lintasan linier. Namun, saat suhu menurun dan tekanan meningkat, lintasan bola menjadi melengkung.

Gas, menurut TCM, harus berperilaku seperti bola di bingkai pertama gambar. Tapi, dengan mendinginkan dan meningkatkan tekanan pada mereka, perilaku mereka jauh dari ideal. Mereka kemudian adalah gas nyata, hampir mengalami pencairan dan dengan demikian masuk ke fase cair.

Di bawah kondisi ini, interaksi antara bola menjadi lebih penting, sampai kecepatannya melambat untuk sementara. Semakin dekat mereka dengan likuifaksi, semakin melengkung lintasannya (sisipan di sebelah kanan), dan tabrakannya kurang energik.

Sejarah

Daniel Bernoulli

Ide tentang bola-bola ini, lebih baik disebut atom, telah dipertimbangkan oleh filsuf Romawi Lucretius; bukan untuk gas, tapi untuk benda padat dan statis. Di sisi lain, pada tahun 1738 Daniel Bernoulli menerapkan penglihatan atom pada gas dan cairan dengan membayangkannya sebagai bola tidak teratur yang bergerak ke segala arah.

Karyanya, bagaimanapun, melanggar hukum fisika pada saat itu; sebuah benda tidak dapat bergerak selamanya, jadi tidak mungkin untuk berpikir bahwa sekumpulan atom dan molekul akan bertabrakan satu sama lain tanpa kehilangan energinya; Artinya, tumbukan elastis tidak mungkin terjadi.

Rudolf clausius

Seabad kemudian, penulis lain memperkuat TCM dengan model di mana partikel gas hanya bergerak ke satu arah. Rudolf Clausius, bagaimanapun, mengumpulkan hasilnya dan mengumpulkan model TCM yang lebih lengkap untuk menjelaskan hukum gas ideal yang ditunjukkan oleh Boyle, Charles, Dalton, dan Avogadro.

James Clerk Maxwell dan Ludwig Boltzmann

Pada tahun 1859, James Clerk Maxwell mengusulkan bahwa partikel gas menunjukkan kisaran kecepatan pada suhu tertentu, dan satu set ini dapat dianggap melalui kecepatan molekul rata-rata.

Kemudian pada tahun 1871 Ludwig Boltzmann menghubungkan gagasan yang ada dengan entropi, dan bagaimana gas secara termodinamika selalu cenderung menempati ruang sebanyak mungkin dengan cara yang homogen dan spontan.

Postulat teori kinetik molekuler

Untuk mempertimbangkan gas dari partikelnya, diperlukan suatu model dimana dalil atau asumsi tertentu terpenuhi; dalil-dalil yang secara logis harus dapat memprediksi dan menjelaskan (seiman mungkin) pengamatan makroskopis dan eksperimental. Yang mengatakan, postulat TCM disebutkan dan dijelaskan.

Volume partikel gas dapat diabaikan

Dalam wadah yang diisi dengan partikel gas, partikel ini menyebar dan menjauh satu sama lain di semua sudut. Jika untuk sesaat mereka semua bisa disatukan pada titik tertentu dalam wadah, tanpa pencairan, akan diamati bahwa mereka hanya menempati porsi volume wadah yang dapat diabaikan.

Ini berarti bahwa wadah, meskipun berisi jutaan partikel gas, sebenarnya lebih kosong daripada penuh (rasio volume-kosong kurang dari 1); oleh karena itu, jika penghalang memungkinkan, ia dan gas di dalamnya dapat dimampatkan secara tiba-tiba; karena pada akhirnya partikel-partikelnya sangat kecil, begitu pula volumenya.

Hubungan volume-kosong gas dalam sebuah wadah. Sumber: Gabriel Bolívar.

Gambar di atas mengilustrasikan secara akurat di atas, menggunakan gas berwarna kebiruan.

Gaya tarik antar partikel adalah nol

Partikel gas di dalam wadah bertabrakan satu sama lain tanpa cukup waktu untuk interaksi mereka untuk mendapatkan kekuatan; apalagi jika yang terutama mengelilinginya adalah vakum molekuler. Konsekuensi langsung dari hal ini adalah jalur liniernya memungkinkan mereka untuk sepenuhnya mencakup volume penampung.

Jika tidak demikian, wadah dengan bentuk "aneh" dan "labirin" akan memiliki daerah basah akibat kondensasi gas; sebaliknya, partikel-partikel bergerak melalui seluruh wadah dengan kebebasan penuh, tanpa kekuatan interaksi mereka menghentikannya.

Lintasan partikel gas saat interaksinya nol atau tidak signifikan (A., linier), dan saat interaksi penting (B., kurva). Sumber: Gabriel Bolívar.

Lintasan linier dari gambar atas (A.) menunjukkan postulat ini; Sedangkan jika lintasan berbentuk kurva (B.), hal ini menunjukkan bahwa terdapat interaksi yang tidak dapat diabaikan antar partikel.

Partikel gas selalu bergerak

Dari dua dalil pertama, fakta bahwa partikel gas tidak pernah berhenti bergerak juga menyatu. Setelah dikaburkan dalam wadah, mereka bertabrakan satu sama lain dan dengan dinding yang sama, dengan kekuatan dan kecepatan yang berbanding lurus dengan suhu absolut; gaya ini adalah, tekanan.

Jika partikel gas berhenti bergerak untuk sekejap, "lidah asap" akan terlihat di dalam wadah, muncul entah dari mana, dengan cukup waktu untuk mengatur dirinya sendiri dalam ruang hampa dan memberikan bentuk acak.

Tabrakan antara partikel dan dinding wadah bersifat elastis

Jika hanya tumbukan elastis antara partikel gas dan dinding wadah yang mendominasi di dalam wadah, kondensasi gas tidak akan pernah terjadi (selama kondisi fisik tidak berubah); atau apa yang sama dengan mengatakan bahwa mereka tidak pernah istirahat dan selalu bertabrakan.

Hal ini karena pada tumbukan elastis tidak ada kehilangan energi kinetik bersih; sebuah partikel bertabrakan dengan dinding dan memantul dengan kecepatan yang sama. Jika sebuah partikel saat bertabrakan melambat, partikel lainnya berakselerasi, tanpa menghasilkan panas atau suara yang menghilangkan energi kinetik salah satu dari mereka.

Energi kinetik tidak tetap konstan

Pergerakan partikel itu acak dan kacau, sehingga tidak semua memiliki kecepatan yang sama; seperti yang terjadi, misalnya, di jalan raya atau di keramaian. Beberapa lebih energik dan bergerak lebih cepat, sementara yang lain lambat, menunggu tabrakan untuk mempercepat mereka.

Untuk menggambarkan kecepatannya, maka perlu dihitung rata-rata; dan dengan ini, energi kinetik rata-rata partikel atau molekul gas diperoleh secara bergantian. Karena energi kinetik semua partikel terus berubah, rata-rata memungkinkan kontrol data yang lebih baik dan dapat bekerja dengan keandalan yang lebih baik.

Energi kinetik rata-rata sama dengan suhu yang diberikan untuk semua gas

Energi kinetik molekul rata-rata (EC _mp ) dalam wadah berubah seiring suhu. Semakin tinggi suhunya, semakin tinggi energinya. Karena nilai ini rata-rata, mungkin ada partikel atau gas yang memiliki energi lebih tinggi atau lebih rendah dari nilai ini; beberapa lebih cepat dan beberapa lebih lambat.

Dapat ditunjukkan secara matematis bahwa EC _mp bergantung secara eksklusif pada suhu. Ini berarti bahwa tidak peduli apa gasnya, massa atau struktur molekulnya, EC _mp-nya akan sama pada suhu T dan hanya akan berubah jika naik atau turun. Dari semua dalil, ini mungkin yang paling relevan.

Dan bagaimana dengan kecepatan molekul rata-rata? Berbeda dengan EC _mp , massa molekul mempengaruhi kecepatan. Semakin berat partikel atau molekul gas, wajar untuk mengharapkannya bergerak lebih lambat.

Contoh

Berikut adalah contoh singkat bagaimana TCM berhasil menjelaskan hukum gas ideal. Meski tidak diatasi, fenomena lain, seperti difusi dan efusi gas, juga bisa dijelaskan dengan TCM.

Hukum Boyle

Jika volume wadah dikompresi pada suhu konstan, jarak yang harus ditempuh partikel gas untuk bertabrakan dengan dinding berkurang; yang sama dengan peningkatan frekuensi tabrakan tersebut, menghasilkan tekanan yang lebih besar. Karena suhu tetap konstan, EC _mp juga konstan.

Hukum Charles

Jika Anda meningkatkan T, EC _{mp akan} meningkat. Partikel gas akan bergerak lebih cepat dan lebih sering bertabrakan dengan dinding wadah; tekanan meningkat.

Jika dindingnya fleksibel, mampu melebar, luasnya akan menjadi lebih besar dan tekanan akan turun hingga konstan; dan akibatnya, volume juga akan meningkat.

Hukum Dalton

Jika beberapa liter gas yang berbeda ditambahkan ke wadah yang luas, yang berasal dari wadah yang lebih kecil, tekanan internal totalnya akan sama dengan jumlah tekanan parsial yang diberikan oleh masing-masing jenis gas secara terpisah.

Mengapa? Karena semua gas mulai bertabrakan satu sama lain dan menyebar secara homogen; interaksi di antara mereka adalah nol, dan ruang hampa mendominasi dalam wadah (dalil TCM), sehingga seolah-olah setiap gas sendirian, memberikan tekanannya sendiri-sendiri tanpa gangguan gas lainnya.

Referensi

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Kimia. (Edisi ke-8). CENGAGE Learning, P 426-431.
2. Fernandez Pablo. (2019). Teori Kinetik Molekuler. Vix. Diperoleh dari: vix.com
3. Jones, Andrew Zimmerman. (7 Februari 2019). Teori Molekuler Kinetik Gas. Diperoleh dari: thinkco.com
4. Hall Nancy. (5 Mei 2015). Teori kinetik gas. Pusat Penelitian Glenn. Diperoleh dari: grc.nasa.gov
5. Blaber M. & Lower S. (9 Oktober 2018). Dasar-dasar Teori Molekuler Kinetik. Kimia LibreTexts. Diperoleh dari: chem.libretexts.org
6. Teori Molekuler Kinetik. Diperoleh dari: chemed.chem.purdue.edu
7. Wikipedia. (2019). Teori kinetik gas. Dipulihkan dari: en.wikipedia.org
8. Toppr. (sf). Teori molekuler kinetik gas. Diperoleh dari: toppr.com