Mentre le leggi dei gas riassumono le relazioni fra le diverse proprietà dei gas ideali, la teoria molecolare cinetica spiega perché i gas seguono queste leggi. La teoria si basa su alcuni presupposti o postulati. La prima ipotesi è che le particelle di gas siano di dimensioni trascurabili.

Un gas è per lo più uno spazio vuoto composto da piccole particelle che sono separate a distanze ben maggiori delle loro stesse dimensioni. Il loro volume combinato è trascurabile rispetto al volume totale in cui è contenuto il gas. Contrariamente ai solidi e ai liquidi, che sono incomprimibili a causa della loro stretta distanza tra le particelle, i gas sono altamente comprimibili.

Le particelle di gas sono in uno stato di movimento costante lungo linee rette in direzioni casuali. I loro percorsi cambiano solo quando entrano in collisione con altre particelle o con le pareti del loro contenitore. La seconda ipotesi è che le particelle di gas abbiano collisioni perfettamente elastiche.

Queste si scontrano e rimbalzano l'una dall'altra senza attaccarsi. Questo può essere paragonato alla collisione tra le palle da biliardo durante una partita. Quando le particelle di gas entrano in collisione, scambiano energia fra loro, ma non vi è alcuna perdita netta di energia.

In altre parole, l'energia totale del sistema rimane costante. Le particelle di gas sono in continuo movimento;quindi, possiedono energia cinetica. Pertanto, la terza ipotesi afferma che l'energia cinetica media di un gas è proporzionale alla sua temperatura assoluta in Kelvin.

Questo significa che l'energia cinetica aumenta con la temperatura e, di conseguenza, le particelle si muovono più velocemente. A temperature più elevate, la loro velocità aumenta. Al contrario, al diminuire della temperatura, diminuisce anche l'energia cinetica delle particelle, che si muovono più lentamente.

A una data temperatura, tutti i gas, a prescindere dalla loro massa molecolare, hanno la stessa energia cinetica media. L'energia cinetica è uguale alla massa moltiplicata per la velocità al quadrato. Pertanto, affinché gas diversi abbiano la stessa energia cinetica media, le loro particelle di gas devono viaggiare a velocità medie diverse.

Pertanto, i gas più pesanti hanno velocità medie inferiori, mentre i gas più leggeri hanno velocità medie più elevate. Per esempio, l'elio e il neon, alla stessa temperatura, hanno la stessa energia cinetica media. Tuttavia, a causa della differenza nelle loro masse, gli atomi di neon si muovono molto più lentamente degli atomi di elio.

L'equazione del gas ideale, che è empirica, descrive il comportamento dei gas stabilendo relazioni tra le loro proprietà macroscopiche. Ad esempio, la legge di Charles afferma che il volume e la temperatura sono direttamente correlati. I gas, quindi, si espandono quando riscaldati a pressione costante. Sebbene le leggi sul gas spieghino come le proprietà macroscopiche cambiano l'una rispetto all'altra, non spiega la logica alla base.

La teoria molecolare cinetica è un modello microscopico che aiuta a capire cosa succede alle particelle di gas a livello molecolare o atomico quando condizioni come la pressione o la temperatura cambiano. Nel 1857 Rudolf Clausius pubblicò una forma completa e soddisfacente della teoria, che spiega efficacemente le diverse leggi sul gas attraverso i postulati che furono sviluppati sulla base di centinaia di osservazioni sperimentali del comportamento dei gas.

Le caratteristiche salienti di questa teoria sono:

I gas sono composti da particelle (atomi o molecole) che sono in continuo movimento, viaggiando in linee rette e cambiando direzione solo quando si scontrano con altre molecole o con le pareti di un contenitore.
Esaminare un campione di gas argon a temperatura e pressione standard. Mostra che solo lo 0,01% del volume è adozione da atomi con una distanza media di 3,3 nm (il raggio atomico dell'argon è di 0,097 nm) tra due atomi di argon. La distanza è di gran lunga maggiore della sua dimensione.
Le molecole che compongono il gas sono trascurabilmente piccole rispetto alle distanze tra di loro. Pertanto, il volume combinato di tutte le particelle di gas è trascurabile rispetto al volume totale del contenitore. Le particelle sono considerate "punti" che hanno massa ma volume trascurabile.
La pressione esercitata da un gas in un contenitore deriva da collisioni tra le molecole di gas e le pareti del contenitore.
Le molecole di gas non esercitano forze attraenti o repulsive l'una sull'altra o sulle pareti del contenitore; pertanto, le loro collisioni sono elastiche (non comportano una perdita di energia).
Durante le collisioni elastiche, l'energia viene trasferita tra le particelle in collisione. L'energia cinetica media delle particelle, quindi, rimane costante e non cambia con il tempo.
L'energia cinetica media delle molecole di gas è proporzionale alla temperatura kelvin del gas.
Tutti i gas, indipendentemente dalla loro massa molecolare, hanno la stessa energia cinetica media alla stessa temperatura.

Questo testo è adattato da Openstax, Chemistry 2e, Chapter 9.5 The Kinetic-Molecular Theory.

5.6 : Teoria cinetica molecolare: postulati di base

Gas

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