Skip to main content

Mikro- ja megamaailma füüsika

Public materials
Contents

Contents

Mikro- ja megamaailma füüsika

1

Aine ehituse alused

1.2

Molekulid. Tahkis

Aine kolm olekut – tahke, vedel ja gaasiline - on tuttavad meile kõigile. Kuumutamisel muutuvad tahked ained vedelaks, edasisel kuumutamisel lähevad keema ja aurustuvad. Üldiselt see nii ongi, aga isegi igapäevaste loodusnähtuste jälgimisel võib märgata teatud kõrvalekaldumist sellest lihtsast reeglist. Vesi, lihtne, aga väga eriline aine, käitub selles mõttes väga viisakalt. Tavapärastel temperatuuridel esineb vesi tõesti kolmes olekus. Temperatuuri tõusu järjekorras: jää, vesi ja veeaur. Jääd ja vedelat vett teame kõik hästi, auruga on veidi keerulisem. Kuna veeaur on nähtamatu, st vaatlemisel õhuga täiesti sarnane, siis me kipume aurustumisega kaasnevat udu (väikeseid veepiisku) tihti veeauruks nimetama. See pole küll terminoloogiliselt ega sisuliselt õige, aga „kus udu, seal auru”, nii et teatud seos on siin olemas. Üks kõrvalekalle lihtsast kolme oleku mudelist on see, et vesi aurustub ka ilma keemiseta. Kui veeklaas lauale jätta, on see olenevalt tingimustest mõne päeva või mõne nädalaga tühi. Vähe sellest, jää võib ka ilma vedelaks muutumata „ära aurata”. Kui märg pesu talvekülmaga nöörile riputada, siis kuivab see tuule käes ära vaatamata sellele, et algul kõvaks külmub. Seda nähtust nimetatakse sublimeerumiseks. Jääkristallide sublimeerumine ei ole küll nii igapäevane nähtus kui vedela vee aurustumine, aga hea tahtmise juures täiesti märgatav ja mõõdetav. Paistab, et isegi lihtsate ainete korral tekib küsimusi. Kes on näinud vedelat süsihappegaasi või gaasilist süsinikku? Miks on ainete sulamis- ja keemistemperatuurid nii erinevad?

Aine oleku ja ülemineku ühest olekust teise määravad suures osas molekulaarjõud. Nagu me teame, hoiavad aatomeid molekulides keemilised sidemed. Aatomitevaheliste sidemete pikkused ja nendevahelised nurgad molekulis panevad olulises osas paika aine keemilised ja füüsikalised omadused. Keemilised sidemed, mida põhjustab laetud osakeste vaheline elektromagnetiline vastastikmõju, on üsna tugevad. Lisaks toimib aatomite ja molekulide vahel veel teisi, palju nõrgemaid jõude.

1.2.3

Faasid

Aine kogust (üht tükki ainet), mis on kogu tervikuna samade füüsikaliste omadustega, nimetatakse faasiks. Vaatleme näiteks klaasitäit vett jääkuubikutega. Kuigi jää ja vesi on keemiliselt sama aine, on nende füüsikalised omadused ilmselt erinevad. Jää ja vesi on omakorda klaasis. Jääkuubikutega vees on: A) jääkuubikud, tahke faas; B) vesi, vedel faas, C) klaas, teine tahke faas, D) kui see kõik asub õhus, tuleb juurde veel gaasiline faas. Kõikide faaside vahel on piirpinnad, kus õhukeses kihis toimuvad pinnanähtused. Selge, et vee ja jää pinnakihis toimub sulamine, vee ja õhu piirpinnal aurustumine. Samas võib jää ja vee piirpinnal toimuda hoopis tahkumine, kui temperatuur on piisavalt madal. Vee ja õhu piirpinnal võib toimuda lisaks aurustumisele ka kondenseerumine ja gaaside lahustumine. Ka klaasi ja vee või klaasi ja õhu piirpinnal toimuvad teatud nähtused. Näiteks lahustuvad mõned klaasi komponendid vähesel määral vees. Kui vesi ei ole päris puhas, adsorbeeruvad lahustunud ained klaasile.

Kõigis neis näidetes on faasidevaheline piirpind ühtlasi erinevas olekus ainete piirpinnaks. Kuid esineb ka seda, et erinevad faasid moodustuvad samast ainest samas olekus. Kõige tuntum mitme tahke faasiga aine on süsinik, seda eelkõige tänu oma kahe loodusliku teisendi, grafiidi ja teemandi täiesti erinevatele füüsikalistele omadustele [bookx=1587](ptk Faasidiagramm)[/bookx]. Veelgi lisavad süsinikule kuulsust kunstlikult loodud teisendid (uued faasid), fullereen, grafeen jt.

Tahkete faaside eripära on kuju. Tahked kehad avaldavad vastupanu deformatsioonile, vedelikud ja gaasid seda ei tee. Samas on vedelatel ja tahketel faasidel ka ühiseid omadusi, näiteks kindel ruumala, mida ei ole jälle gaasidel. Seepärast kannavad tahked ja vedelad faasid ühist nimetust, kondensaine. Gaaside ja vedelike ühine omadus, kindla kuju puudumine, tingib nende voolavuse. Seepärast on nende ühine nimetus voolis. Esineb ained ja ainete segusid, kus selline lihtne sildistamine ei tööta kuigi hästi. Näiteks väga viskoossed vedelikud ja puisteained kipuvad tihti käituma kuidagi vahepealselt.

Aatomid, keemilised sidemed ja molekulide struktuur määravad ainete omadusi. Samas on paljud nähtused ja protsessid, mis ainetega toimuvad (olekute muutused, lahustumine, osmoos, pindpinevus), juhitud molekulaarjõududest. Molekulaarnähtuse hulgas on erilisel kohal see, mis toimub faaside piirpinnal, aine või faasi pinnakihis. Tuntuimad pinnanähtused on märgamine ja kapillaarsus, mis seostuvad vee ja teiste vedelike pinnakihi erilise omaduse, pindpinevusega [bookx=1598](ptk Pindpinevus)[/bookx].

Mainime veel, et sõnal „faas“ on muidki tähendusi. Võnkumiste ja lainete, ka elektromagnetlainete, kirjeldamisel, astronoomias, meditsiinis, bioloogias ja materjalide töötlemisel on „faasil“ hoopis teised tähendused.