Статья "Менделеев и молекулярно-кинетическая теория газов"

Менделеев и молекулярно-кинетическая теория газов

Во второй половине XIXв. Л. Больцман, Дж. Максвелл и другие ученые объясняли большую часть особенностей газов на основе несложной теории поведения газовых молекул, которую теперь принято называть молекулярно-кинетической и которая основывается на таких основных положениях.

1.                      Любой газ состоит из молекул, которые находятся одна от одной на расстоянии, которое значительно больше их собственных размеров. То есть можно условно рассматривать молекулы как самые маленькие твердые шарики.

2.                      Молекулы газа постоянно находятся в состоянии хаотического движения, которое прерывается только столкновением молекул между собой и со стенками посуды.

3.                      Взаимодействие молекул между собой и со стенками посуды обнаруживается только в виде толчка во время столкновения. Эти общие удары являются упругими, то есть не сопровождаются затратами энергии на трение.

Д.И. Менделеев так охарактеризовал кинетическую теорию газов: «Давление, упругость, диффузии газов, внутреннее трение, законы Бойля-Мариота и Гей-Люссака не только объясняются (дедуцируются) кинетической теорией газов, но и передаются с полным совершенством. Например, сила внутреннего трения разных газов с точностью была предусмотрена Дж. Максвеллом на основании дополнения теории вероятности к столкновению газовых частиц. Поэтому кинетическую теорию газов можно считать блестящим достоянием.

В «Основах химии» Д.И. Менделеев демонстрирует важность закона Авогадро-Жерара для понимания явлений природы, который утверждает, что в разных объемах пары и газов содержится одинаковое количество частиц». Этот закон положен в основу современных физических, механических и химических представлений о газах. Дмитрий Иванович рассматривает этот закон с двух сторон. С физической закон выглядит так: в одинаковых объем ах газов (и пары), при одинаковой температуре и давлении содержится одинаковое число частиц, которые ни механически, ни физически не делимы – к началу химических изменений. Из химической стороны – количество веществ, которые вступают в химическое взаимодействие, занимают в газовом состоянии разные объемы.

Д.И. Менделеев пытался доказать, что вовремя реакции между разными объемами газов в промежуточных стадиях происходит  взаимодействие равных объемов.

Исследуя газы и пар, ученый рассматривает их свойство протекать через микроскопические отверстия и распространяться в пространстве, т.е. диффундировать. Диффузия относится к основному свойству газов, определяет это таким законом: искомая масса газов относится между собой, как квадрат времени, необходимый для вытекания из тонких отверстий равных объемов газов.

 В «Основах химии» Д.И. Менделеев детально описывает пример явления диффузии. Исходя из того, что скорость движения частиц зависит от их массы, т.е. частички легких газов двигаются быстрее, чем частички тяжелых.

 Менделеев предлагает использовать явление диффузии газов, чтоб доказать молекулярное строение веществ. Выполнив несложные математические вычисления закона диффузии и последствий из него, можно получить еще один способ определения молекулярной формулы вещества. В своих работах ученый утверждает, что изучение диффузии газов закладывает основы для лучшего понимания и усвоения диффузии растворов и твердых тел.

На основании закона про диффузию газов Т. Грэм вывел закон про эффузию газов, т.е. протекание газа сквозь очень узкое отверстие. Ученый раскрыл сущность процессов диффузии веществ, понятие про диализ, осмос, коллоиды. В «Основах химии» Д.И. Менделеев часто приводит наблюдения и выводы Т. Грэма с целью объяснения поведения газов в растворах и коллоидах. Не удивительно, что в старших классах западных стран изучают закон Грэма, у нас даже в высших школах его нет в курсе химии со второй половины XX ст.

В 1872 г. Д.И. Менделеев начал работать над упругостью газов. Этого требовало стремительное развитие знаний о принципе действий тепловых двигателей, действие пороховых газов и т.д. В основу исследований упругости газов был положен закон Бойля-Мариотта, сущность которого состоит в том, что упругость газов обратно пропорциональна его объему или плотности и возрастает пропорционально давлению.

За цель своих исследований Д.И. Менделеев взял поиск чисел, которые демонстрируют зависимость изменений плотности при данном объеме или объемах при постоянной массе разных газов от давлений, под которыми они находятся. Он утверждал, что упругость изменяется не только с изменением объема, а и природы газа и его температуры. Если считать законы Бойля-Мариотта и Гей-Люссака справедливыми, то зависимость для конкретного газа будет иметь вид:

КРV = М (С+Т),

где Р – давление или упругость пара; Т – температура; V – объем; М – масса; К – коэффициент, который является постоянной величиной для данного газа и зависит от его природы; С – температура абсолютного нуля, одинаковая для всех постоянных газов.

Д.И. Менделеев, взяв во внимание закон Авагадро-Жерара, в котором плотность газов пропорциональна их частичкам, вывел формулу: 

  АРV = RМ (С + Т),

где А – частичная масса газа (относительная молекулярная масса).

Эта формула показывает особенности идеального газа. Уравнение тождественно формуле механической теории теплоты Клайперона, которая объединяет законы Бойля-Мариотта и Гей-Люссака.

Таким образом, в науке стало известно уравнение идеального газа, или объединенный газовый закон Клайперона-Менделеева. Благодаря этому уравнению можно определить молекулярную массу газа в любых условиях. Это уравнение сыграло важную роль в развитии физической химии не только газов, а и растворов.

В своей работе об упругости газов Д.И. Менделеев большое внимание уделял отклонениям от уравнения идеального газа, чтоб точнее вывести законы зависимости упругости от температуры, природы газа, объема.

Упругость газов, выведение уравнения идеального газа, экспериментальное подтверждение закона Авагадро-Жерара и изучение алгебраической формы, а также другие работы Д.И. Менделеева наглядно демонстрируют его выдающуюся роль в развитии молекулярно-кинетической теории газов.