आणविक गतिज सिद्धांत: इतिहास, पोस्टुलेट और उदाहरण - रसायन विज्ञान - 2025

आणविक गतिज सिद्धांत एक का प्रयास करता है करने के लिए एक सूक्ष्म दृष्टिकोण से गैसों की प्रयोगात्मक टिप्पणियों की व्याख्या। यही है, यह गैस के भौतिक लक्षणों के साथ गैसीय कणों की प्रकृति और व्यवहार को एक तरल पदार्थ के रूप में जोड़ने की कोशिश करता है; माइक्रोस्कोप से मैक्रोस्कोपिक की व्याख्या करें।

गैसें हमेशा से ही अपने गुणों के कारण वैज्ञानिकों की रुचि रही हैं। वे कंटेनर के पूरे वॉल्यूम पर कब्जा कर लेते हैं जिसमें वे स्थित हैं, कम से कम प्रतिरोध का विरोध किए बिना उनकी सामग्री के बिना पूरी तरह से संकुचित होने में सक्षम; और यदि तापमान बढ़ता है, तो कंटेनर का विस्तार होना शुरू हो जाता है, और दरार भी पड़ सकती है।

गैसीय कणों से द्रवीकरण के करीब या उससे दूर की स्थितियों में। स्रोत: ओलिवियर क्लेनीन और उपयोगकर्ता: शारायणन

इन गुणों और व्यवहारों में से कई को आदर्श गैस कानूनों में संक्षेपित किया गया है। हालांकि, वे गैस को संपूर्ण मानते हैं न कि अंतरिक्ष में बिखरे लाखों कणों के संग्रह के रूप में; इसके अलावा, यह प्रदान नहीं करता है, दबाव, मात्रा और तापमान डेटा के आधार पर, ये कण कैसे चलते हैं, इसके बारे में और जानकारी।

यह इस प्रकार है कि आणविक गतिज सिद्धांत (टीसीएम), उन्हें मोबाइल क्षेत्रों (ऊपरी छवि) के रूप में कल्पना करने का प्रस्ताव करता है। ये गोले एक-दूसरे से और दीवारों के साथ मनमाने ढंग से टकराते हैं, और एक रैखिक प्रक्षेपवक्र को बनाए रखते हैं। हालांकि, जब तापमान घटता है और दबाव बढ़ता है, तो गोले का प्रक्षेपवक्र घुमावदार हो जाता है।

टीसीएम के अनुसार, गैस को छवि के पहले फ्रेम में गोले की तरह व्यवहार करना चाहिए। लेकिन, ठंडा करने और उन पर दबाव बढ़ाने से, उनका व्यवहार आदर्श से बहुत दूर है। वे फिर वास्तविक गैसें हैं, द्रवीकरण के करीब हैं और इस प्रकार तरल चरण में जाते हैं।

इन स्थितियों के तहत, गोले के बीच की बातचीत अधिक महत्वपूर्ण हो जाती है, इस बात के लिए कि उनका वेग क्षण भर धीमा हो जाता है। वे द्रवीकरण के जितने करीब होंगे, उतने ही सुडौल उनके प्रक्षेपवक्र बनेंगे (दाईं ओर इनसेट), और उनके टकराव कम ऊर्जावान हैं।

इतिहास

डैनियल बर्नोली

इन क्षेत्रों के विचार, जिन्हें बेहतर परमाणु कहा जाता है, पहले से ही रोमन दार्शनिक ल्यूक्रेटियस द्वारा विचार किया गया था; गैसों के लिए नहीं, बल्कि ठोस, स्थिर वस्तुओं के लिए। दूसरी ओर, 1738 में डैनियल बर्नौली ने सभी दिशाओं में घूमते हुए अव्यवस्थित क्षेत्रों के रूप में कल्पना करके गैसों और तरल पदार्थों पर परमाणु दृष्टि लागू की।

हालाँकि, उनके काम ने उस समय भौतिकी के नियमों का उल्लंघन किया था; एक शरीर अनंत काल तक नहीं चल सकता था, इसलिए यह सोचना असंभव था कि परमाणुओं और अणुओं का एक सेट आपकी ऊर्जा को खोए बिना एक दूसरे के साथ टकराएगा; अर्थात्, लोचदार टकराव का अस्तित्व संभव नहीं था।

रुडोल्फ क्लॉजियस

एक सदी बाद, अन्य लेखकों ने एक मॉडल के साथ टीसीएम को प्रबलित किया जहां गैसीय कण केवल एक दिशा में चले गए। रुडोल्फ क्लॉउसियस ने, हालांकि, अपने परिणामों को संकलित किया और टीसीएम के एक अधिक पूर्ण मॉडल को इकट्ठा किया, जिसके साथ उन्होंने बॉयल, चार्ल्स, डाल्टन और एवोगाद्रो द्वारा प्रदर्शित आदर्श गैस कानूनों की व्याख्या करने की मांग की।

जेम्स क्लर्क मैक्सवेल और लुडविग बोल्ट्जमैन

1859 में, जेम्स क्लर्क मैक्सवेल ने कहा कि गैसीय कण किसी दिए गए तापमान पर गति की एक सीमा को प्रदर्शित करते हैं, और यह कि इनमें से एक सेट को औसत आणविक गति के माध्यम से माना जा सकता है।

फिर 1871 में लुडविग बोल्ट्जमैन ने एंट्रॉपी के साथ मौजूदा विचारों को जोड़ा, और कैसे गैस थर्मोडायनामिक हमेशा एक सजातीय और सहज तरीके से जितना संभव हो सके उतनी जगह पर कब्जा कर लेता है।

आणविक गतिज सिद्धांत के अनुवर्ती

अपने कणों से गैस पर विचार करने के लिए, एक मॉडल आवश्यक है जिसमें कुछ निश्चित रूपरेखा या धारणाएं पूरी होती हैं; यह बताता है कि तार्किक रूप से मैक्रोस्कोपिक और प्रायोगिक अवलोकनों की भविष्यवाणी और व्याख्या करने में सक्षम होना चाहिए। उस ने कहा, टीसीएम पोस्टुलेट्स का उल्लेख और वर्णन किया गया है।

गैसीय कणों की मात्रा नगण्य है

गैसीय कणों से भरे कंटेनर में, ये फैलाव और सभी कोनों में एक दूसरे से दूर चले जाते हैं। यदि एक पल के लिए, वे सभी एक साथ कंटेनर में एक विशिष्ट बिंदु पर लाए जा सकते हैं, तो द्रवीकरण के बिना, यह देखा जाएगा कि वे केवल कंटेनर की मात्रा के एक नगण्य हिस्से पर कब्जा कर लेते हैं।

इसका मतलब है कि कंटेनर, भले ही इसमें लाखों गैसीय कण हों, वास्तव में पूर्ण से अधिक खाली हैं (मात्रा-शून्य अनुपात 1 से कम); इसलिए, यदि इसके अवरोध इसकी अनुमति देते हैं, तो यह और इसके भीतर की गैस को अचानक संकुचित किया जा सकता है; चूंकि अंत में कण बहुत छोटे हैं, जैसा कि उनकी मात्रा है।

एक कंटेनर में एक गैस का आयतन-शून्य संबंध। स्रोत: गेब्रियल बोलिवर

ऊपर की छवि एक नीले रंग की गैस का उपयोग करते हुए, सही ढंग से ऊपर दर्शाती है।

कणों के बीच आकर्षक बल शून्य हैं

कंटेनर के अंदर गैसीय कण ताकत हासिल करने के लिए उनकी बातचीत के लिए पर्याप्त समय के बिना एक-दूसरे से टकराते हैं; इससे भी कम जब मुख्य रूप से उन्हें चारों ओर से घेर लिया जाता है तो आणविक निर्वात होता है। इसका एक तात्कालिक परिणाम यह है कि उनके रेखीय पथ उन्हें कंटेनर की मात्रा को पूरी तरह से घेरने की अनुमति देते हैं।

यदि यह मामला नहीं था, तो गैस कंडेनसेशन के परिणामस्वरूप "विचित्र" और "भूलभुलैया" आकार वाले एक कंटेनर में आर्द्र क्षेत्र होंगे; इसके बजाय, कण पूरे कंटेनर के माध्यम से पूरी स्वतंत्रता के साथ यात्रा करते हैं, बिना उनकी बातचीत के बल के उन्हें रोकते हैं।

गैसीय कणों के प्रक्षेपवक्र जब अंतःक्रिया शून्य या महत्वहीन (ए, रैखिक) होते हैं, और जब वे महत्वपूर्ण होते हैं (बी, वक्र)। स्रोत: गेब्रियल बोलिवर

ऊपरी छवि के रैखिक प्रक्षेपवक्र (ए) इस आसन को प्रदर्शित करते हैं; जबकि यदि प्रक्षेपवक्र घुमावदार (बी) हैं, तो यह दर्शाता है कि ऐसे इंटरैक्शन हैं जिन्हें कणों के बीच अनदेखा नहीं किया जा सकता है।

गैसीय कण हमेशा गति में होते हैं

पहले दो से, तथ्य यह है कि गैस के कण कभी भी बढ़ना बंद नहीं करते हैं, यह भी रूपांतरित होता है। एक बार कंटेनर में धुंधला हो जाने पर, वे एक-दूसरे और इसकी दीवारों के साथ टकराते हैं, एक बल और गति के साथ सीधे पूर्ण तापमान के आनुपातिक होते हैं; यह बल है, दबाव।

यदि गैसीय कण एक पल के लिए गति करना बंद कर देते हैं, तो "धुएं की जीभ" कंटेनर के अंदर देखी जाएगी, जो कहीं से भी निकलती है, एक वैक्यूम में खुद को व्यवस्थित करने और यादृच्छिक आकार देने के लिए पर्याप्त समय के साथ।

कंटेनर के कणों और दीवारों के बीच टकराव लोचदार है

यदि केवल गैसीय कणों और कंटेनर की दीवारों के बीच लोचदार टकराव कंटेनर के अंदर प्रबल होते हैं, तो गैस का संघनन कभी नहीं होगा (जब तक कि भौतिक स्थिति नहीं बदलती); या यह कहने के लिए समान है कि वे कभी आराम नहीं करते हैं और हमेशा टकरा रहे हैं।

यह इसलिए है क्योंकि लोचदार टकराव में गतिज ऊर्जा का शुद्ध नुकसान नहीं होता है; एक कण दीवार से टकराता है और उसी गति से उछलता है। यदि एक कण जब टकराता है, तो धीमा हो जाता है, दूसरे में तेजी आती है, बिना गर्मी या ध्वनि पैदा किए जो दोनों में से किसी की गतिज ऊर्जा को नष्ट कर देता है।

गतिज ऊर्जा स्थिर नहीं रहती है

कणों की गति यादृच्छिक और अराजक होती है, ताकि सभी की गति समान न हो; जैसा कि होता है, उदाहरण के लिए, राजमार्ग पर या भीड़ में। कुछ अधिक ऊर्जावान होते हैं और तेजी से यात्रा करते हैं, जबकि अन्य धीमी गति से होते हैं, उन्हें गति देने के लिए टकराव की प्रतीक्षा करते हैं।

इसकी गति का वर्णन करने के लिए, फिर एक औसत की गणना करना आवश्यक है; और इसके साथ, गैसीय कणों या अणुओं की औसत गतिज ऊर्जा बदले में प्राप्त की जाती है। जैसा कि सभी कणों की गतिज ऊर्जा लगातार बदल रही है, औसत डेटा के बेहतर नियंत्रण की अनुमति देता है और अधिक विश्वसनीयता के साथ काम किया जा सकता है।

औसत गतिज ऊर्जा सभी गैसों के लिए दिए गए तापमान के बराबर है

तापमान के साथ एक कंटेनर में औसत आणविक गतिज ऊर्जा (ईसी _एमपी)। जितना अधिक तापमान होगा, उतनी ही अधिक ऊर्जा होगी। क्योंकि यह एक औसत है, ऐसे कण या गैस हो सकते हैं जिनमें इस मान के संबंध में कम या ज्यादा ऊर्जा हो; कुछ तेज़ और कुछ धीमे, क्रमशः।

यह गणितीय रूप से दिखाया जा सकता है कि ईसी _एमपी विशेष रूप से तापमान पर निर्भर करता है। इसका मतलब यह है कि गैस कोई भी हो, उसका द्रव्यमान या आणविक संरचना, उसका EC _MP तापमान T पर समान होगा और केवल तभी बढ़ेगा जब वह बढ़ेगा या घटेगा। सभी पदों में से, यह शायद सबसे अधिक प्रासंगिक है।

और औसत आणविक गति के बारे में क्या? ईसी _{एमपी के} विपरीत, आणविक द्रव्यमान गति को प्रभावित करता है। गैस के कण या अणु जितना भारी होगा, उससे अधिक धीरे-धीरे चलने की उम्मीद करना स्वाभाविक है।

उदाहरण

यहां उदाहरण हैं कि टीसीएम आदर्श गैस कानूनों की व्याख्या करने में कैसे कामयाब रहा। हालांकि संबोधित नहीं किया गया है, अन्य घटनाएं, जैसे कि प्रसार और गैसों का प्रवाह, टीसीएम के साथ भी समझाया जा सकता है।

बाॅय्ल का नियम

यदि कंटेनर का आयतन स्थिर तापमान पर संकुचित होता है, तो गैसीय कणों को दीवारों से टकराने के लिए यात्रा करने की दूरी कम हो जाती है; जो इस तरह के टकराव की आवृत्ति में वृद्धि के बराबर है, जिसके परिणामस्वरूप अधिक दबाव होता है। चूंकि तापमान स्थिर रहता है, ईसी _एमपी भी स्थिर रहता है।

चार्ल्स लॉ

यदि आप टी बढ़ाते हैं, तो ईसी _एमपी बढ़ेगा। गैसीय कण तेजी से आगे बढ़ेंगे और कंटेनर की दीवारों के साथ अधिक बार टकराएंगे; दबाव बढ़ जाता है।

यदि दीवारें लचीली हैं, विस्तार करने में सक्षम हैं, तो उनका क्षेत्र बड़ा हो जाएगा और दबाव स्थिर हो जाएगा जब तक कि यह स्थिर न हो जाए; और परिणामस्वरूप, वॉल्यूम भी बढ़ेगा।

डाल्टन का नियम

यदि छोटे कंटेनर से आने वाले एक विशाल कंटेनर में कई लीटर विभिन्न गैसों को जोड़ा गया था, तो इसका कुल आंतरिक दबाव प्रत्येक प्रकार की गैस द्वारा अलग से लगाए गए आंशिक दबावों के योग के बराबर होगा।

क्यों? क्योंकि सभी गैसें एक दूसरे से टकराने लगती हैं और सजातीय रूप से फैलने लगती हैं; उनके बीच की बातचीत शून्य है, और कंटेनर (टीसीएम पोस्टक्यूलेट्स) में वैक्यूम प्रबल होता है, इसलिए यह ऐसा है जैसे प्रत्येक गैस अकेले थे, अन्य गैसों के हस्तक्षेप के बिना व्यक्तिगत रूप से इसके दबाव को बढ़ाते हैं।

संदर्भ

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