Aine ehituse alused (0)

Aine ehituse alused
I Aatomid ( atomos – jagamatu kr.k.)
Aatomi sisestruktuur ei ole soojusõpetuses ja molekulaarfüüsikas sisuliselt oluline. Aatomi ehitust uurib aatomi- ja tuumafüüsika.
Aatom koosneb tuumast ja tema ümber tiirlevatest elektronidest. Tuum omakorda koosneb prootonitest ja neutronitest, mida ühtselt nimetatakse nukleonideks.
Praegu tuntakse ca 118 (arv on vaieldav) erineva keemilise elemendi aatomit. 2009a nimet 112. element (vesinikust 277 korda raskem) ilmselt Koperniku nime järgi.
Neist 92 esinevad iseseisvalt looduses, ülejäänud on nn tehiselemendid, mida inimene saab luua laboris ja mille püsivus on väga lühiajaline.
Ühe keemilise elemendi aatomid on kõik absoluutselt identsed!
Perioodilisustabel
Aatomid on kantud perioodilisustabelisse prootonite arvu kasvamise järjekorras. Neutraalses aatomis on prootonite arv võrdne tuuma ümber tiirlevate elektronide arvuga. Neutroneid võib tuumades olla väga erineval hulgal.
Tervikuna on aatomid neutraalsed, sest neis on positiivse laenguga prootonite arv võrdne negatiivse laenguga elektronide arvuga. Neutronid on ilma laenguta. Neutronid annavad aatomitele massi.
Hüpotees aine atomaarsest ehitusest pärineb 5 saj eKr ( Demokritos ). Enne seda valitses seisukoht, et ainet võib jagada kuitahes väikesteks osadeks . Paraku unustati ka atomistlik teooria peaaegu kaheks aastatuhandeks.
Uus nn Daltoni atomistlik teooria avaldati 19 saj alguses. Selle teooria põhijooni peetakse tõeseks ka tänapäeval.
Otsene tõestus aatomite olemasolu kohta saadi 20 saj lõpul elektronmikroskoopide (võimaldab vaadelda objekte, mille d ~ 10-8 m) vahendusel.
Antiikajal tunti 10 elementi (Au, Ag, Fe, Cu, Pb, Sn, Hg, Sb, C, S).
1250 avastati As, 1669 P, 18 saj tuli juurde 17 elementi.
19 ja 20 saj olid elementide avastamiste sajandid ning 1869 avastati elementide perioodilisuse seadus ( Mendelejev ja Meyer): keemiliste elementide omadused on perioodilises sõltuvuses elementide aatommassidest. Selle seaduse avastamine võimaldas teha teaduslikke ennustusi ja järeldusi. Nt osade elementide uurimine pole otseselt võimalik, kuna nende aatomid on ebapüsivad või on kasutada ainult üliväikesed kogused , seega aitab seadus määrata kaudselt nt sulamistemperatuuri jm.
Perioodilisustabelis on 8 rühma ja 7 perioodi. Rühmas on sarnaste omadustega elemendid ja enamikel rühmadel on ka erinimetused.
11 elementi on tavaolekus gaasilised , 2 vedelad ja ülejäänud tahked .
Kui aatom mingis protsessis kaotab või haarab juurde elektrone, muutub ta ioon iks.
Kuna aatomi siseehitus pole soojusõpetuses oluline, kujutatakse neid elastsete kuulikestena, millel on mass ja suurus. Tegelikkuses on aatomid väga keerukate kujudega .
Aatomite maailmas mõõdetakse pikkusi ja läbimõõte ongströmites (rootsi füüsiku Anders Ongströmi ( 1814 -74) järgi). 1 Å = 10-10 m
Nt N aatom 1,1 Å
Cs aatom 5,4 Å
Aatomi läbimõõdu määrab ära tema sisemine ehitus, mitte koostisosakeste arv.
Aatomite masse mõõdetakse aatommassiühikutes, mis on ligikaudu võrdne prootoni/neutroni massiga. 1 u = 1,67∙10-27 kg
Elektronid on ca 2000 korda kergemad.
Aatomi ruumalast enamus on tühi. Kui seda tühja ruumi poleks, oleks nt Maa vaid täpike. Kui jagada punkt 1000000 osaks, peaksime saama aatomisarnase märgi.
II Molekulid (molecula – massike lad.k.)
Aatomitevaheliste tõmbejõudude tõttu ühinevad aatomid molekulideks. Ühinemise järel aatomitevahelised jõud saavad molekulisisesteks jõududeks, mis tagavad molekuli püsivuse.
Iga erineva keemilise elemendi aatom suudab endaga siduda vaid kindla arvu mingi teise elemendi aatomeid. Nt hapnik hoiab enda küljes vaid kaht vesinikku
Molekuli mõiste keemias: aine väikseim osake, millel on selle aine keemilised omadused. Üksikul aatomil ei ole aine keemilisi omadusi!
Molekuli mõiste füüsikas: aine koostisosake, mis on pidevas liikumises.
Ühe ja sama aine kõik molekulid on absoluutselt eristamatud. Vee molekulid on ühesugused nii Marsil, taimedes, keemialaboris saadud vees, meie kehas jm.
Üldiselt asuvad molekulid mikro - ja makromaailma vahel. Makromolekulidel võivad esineda juba teatud defektid . See annab neist moodustatud objektidele isikupära. Mikromaailmas kaob individuaalsus täielikult.
Kui aatomid on võrdlemisi ühe suurusega, siis molekulide mõõtmed võivad suures plaanis erineda. Nt vee molekul on u 3,3 Å, aga elusorganismi makromolekulid võivad olla ligi 100000 Å.
Samuti on erinevate ainete molekulid vägagi erineva massiga.
Kaudselt on ka inimene oma tunnetusorganitega võimeline eristama molekule vaatamata nende üliväikestele mõõtmetele: nt peegeldavad kihid peeglitel, õlikile vee peal, lõhnaaine piisad õhus.
Molekulid mõjutavad üksteist väga tugevate jõududega. Neid võib kohata, kui kaks siledat klaasplaati on üksteise vastas ja vesi satub nende vahele. Siis on plaate väga raske üksteisest eraldada just molekulide vaheliste tõmbejõudude tõttu.
III Aineosakeste soojusliikumine
Kõik osakesed maailmas on pidevas lakkamatus liikumises. Seda liikumist nimetatakse soojusliikumiseks.
S. on suunalt ja kiiruselt juhuslik ehk kaootiline . Osakese liikumise trajektooriks on murdjoon. Vaatamata suurele hulgale omavahelistele põrgetele molekulid ei kulu ega deformeeru.
S. esineb kõikjal: gaasides kulgemisena, vedelikes võnkumise ja ülehüpetena ning tahketes ainetes võnkumisena.
Mida kõrgem on aine temperatuur, seda suurem on s-e kiirus.
See liikumine lõppeks vaid siis, kui saavutataks absoluutne nulltemperatuur 0 K (kelvin) ehk -273,15˚C.
Üldiselt liiguvad väiksemad osakesed kiiremini.
Molekulide soojusliikumise kiirus mõõdeti esmakordselt 1920 (Otto Stern ). Molekulide jaotus kiiruste järgi vastab nn Maxwelli jaotusele.
IV Browni liikumine
Browni liikumine on aineosakeste (nn Browni osakeste) liikumine gaasis ja vedelikus , mida põhjustavad gaasi/vedeliku molekulide põrked vastu aineosakesi. Browni osakesed on suuremad kui molekulid (d ~ 10-6 m), pms tahked ainekübemed, nt suitsu ja tahma osakesed, eosed, tolm, ka vedeliku peened piisad.
Soojusliikumine koos Browni liikumisega põhjustavad ainete difusioon i ehk ainete iseeneslikku segunemist. Nt lõhnade levik, ainete tungimine läbi poorsete materjalide.