Fáze a klasifikace hmoty

Skupenství hmoty

Hmota je definována jako cokoli, co zaujímá prostor a má hmotnost, a nachází se všude kolem nás. Pevné látky a kapaliny jsou hmotou zcela zjevně: vidíme, že zabírají prostor, a jejich váha nám napovídá, že mají hmotnost. Plyny jsou rovněž hmotou; kdyby plyny nezabíraly prostor, balónek by po naplnění plynem zůstal splasklý, namísto aby se nafoukl.

Pevné skupenství

U kovů, jako je zlato nebo plutonium, je tato mřížka typicky krystalická, což umožňuje vlastnosti, jako jsou tuhost, hustota a elektrická vodivost. Energetické hladiny jsou dostatečně nízké na to, aby atomové vazby zůstaly neporušené a řád dlouhého dosahu byl zachován.

Kapalné skupenství

Struktura mřížky se hroutí do uspořádání krátkého dosahu: částice se neustále přeskupují, přičemž zůstávají v kontaktu. Kapaliny tečou, účinně přenášejí tlak a vykazují povrchové napětí. Tento stav vzniká, když tepelná energie překoná tuhost pevné mřížky, nikoli však soudržnost mezi částicemi.

Plynné skupenství

Meziatomové síly jsou ve srovnání s kinetickou energií zanedbatelné. Plyny se rozpínají, aby vyplnily dostupný prostor, jsou vysoce stlačitelné a mají nízkou hustotu. Tento stav nastává, když tepelná energie plně překoná kohezní síly, což částicím umožňuje chovat se nezávisle.

Skupenství plazmatu

Na rozdíl od běžných plynů je plazma elektricky vodivá, vysílá intenzivní záření a silně reaguje na elektromagnetická pole. Kolektivní chování dominuje nad individuálním pohybem částic. V tomto stavu přestává existovat konvenční chemická struktura — hmota je řízena primárně elektromagnetickými a jadernými interakcemi.

Plazma představuje nejenergetičtější klasický stav hmoty, běžně se vyskytující v hvězdách, blescích a vysokoenergetických astrofyzikálních či laboratorních jevech.

Hmotnost a váha

Zkoumaná hmota může existovat jako komplexní soubor rozmanitých látek. Takové exempláře mohou mít podobu chemických sloučenin, homogenních roztoků nebo heterogenních agregátů, přičemž se často jeví jako sbírka různorodých vzorků. Ať už pozorujeme jedinou látku nebo mnohostrannou směs, vlastnosti studovaného objektu jsou určeny jak jeho chemickým složením, tak fyzikálním stavem jeho jednotlivých částí.

Některé látky vykazují charakteristiky spojené s více stavy hmoty současně. Tento jev je často pozorován u granulovaných materiálů, kde se sypký vzorek skládá z miriád diskrétních částic. Písek lze například „lít“ způsobem připomínajícím kapalinu, přesto se skládá z jednotlivých zrn, která zůstávají rozhodně pevná. Dále může hmota vykazovat vlastnosti různých stavů, pokud existuje jako směs. Pozoruhodný příklad nalezneme v mracích; ačkoliv se zdá, že se chovají jako plyn, jsou ve skutečnosti aerosoly — směsi tvořené vzduchem v plynném stavu a drobnými částicemi vody, které mohou být buď kapalnými kapičkami, nebo pevnými ledovými krystaly.

Hmotnost tělesa představuje míru množství hmoty v něm obsažené. Jedna ze základních metod zjišťování hmotnosti objektu zahrnuje určení velikosti síly potřebné k udělení specifického zrychlení; například k urychlení automobilu je zapotřebí mnohem větší síly než k urychlení jízdního kola, a to kvůli mnohem vyšší hmotnosti vozu. V běžné praxi se však hmotnost častěji určuje pomocí vah, nástroje používaného k porovnání neznámé hmotnosti objektu se standardizovanou referenční hmotností.

Zatímco váha je fundamentálně spojena s hmotností, je nezbytné tyto dva pojmy rozlišovat. Váha (tíha) označuje gravitační sílu působící na těleso, což je veličina, která existuje v přímé úměře k hmotnosti daného tělesa. V důsledku toho, zatímco váha objektu kolísá v souladu s lokální intenzitou gravitace, jeho hmotnost zůstává neměnnou vlastností. Vezměme si například astronautku: její hmotnost zůstává nezměněna jejím příletem na měsíční povrch, přesto je její váha redukována na pouhou šestinu pozemské hodnoty, neboť gravitační přitažlivost Měsíce je pouze zlomkem té pozemské. Ačkoliv může zakoušet pocit „beztíže“, jsou-li vnější síly zanedbatelné, ve fyzikálním smyslu není nikdy „bezhmotná“, neboť množství hmoty, z níž se skládá, zůstává konstantní.

Zákon zachování hmoty

Shrnuje mnohá vědecká pozorování o hmotě: uvádí, že nedochází k žádné detekovatelné změně celkového množství přítomné hmoty, když se hmota přeměňuje z jednoho typu na druhý (chemická změna) nebo se mění mezi pevným, kapalným či plynným skupenstvím (fyzikální změna). Vaření piva a provoz baterií poskytují příklady zachování hmoty.

Do izolované nádoby vložíme několik základních ingrediencí; pro náš účel nechť výsledný obsah zahrnuje pšenici, vodu, cukr, vejce, sůl a olivový olej. Tato nádoba je poté vystavena vibračnímu mixéru, aby bylo dosaženo jednotného složení. Následně je nádoba umístěna do pece a pečena při teplotě 200 °C (400 °F) po dobu třiceti až třiceti pěti minut.

Nádoba samotná je navržena s diskrétní sekundární sekcí, obsahující mechanismus zpětného ventilu a komoru konstruovanou z tepelně odolné gumy. Před zahájením procesu pečení je nádoba zvážena a celková hrubá hmotnost je pečlivě zaznamenána.

Experiment zachování hmoty

Tento experiment ilustruje, že původní, nemodifikovaná hmota a následná „směs“ produktu po upečení zůstávají v hmotnosti stejné. V důsledku toho je prokázána i rovnost jejich hmotnosti, neboť měření byla prováděna na stejném místě a za identických podmínek prostředí.

Ačkoliv tento zákon zachování platí pro každou přeměnu hmoty, přesvědčivé demonstrace jsou v běžné zkušenosti pozoruhodně vzácné. Tento nedostatek pramení ze skutečnosti, že mimo přísné podmínky udržované v laboratoři se málokdy podaří shromáždit veškerý materiál, který během konkrétní přeměny vzniká. Zvažte například biologické procesy požívání a trávení: ačkoliv veškerá hmota z původní potravy je přísně zachována, značná část je začleněna do vlastní struktury těla, zatímco zbytek je vyloučen jako různé druhy odpadu. V důsledku toho zůstává empirické ověření tohoto zákona přímým měřením v takto složitých systémech značnou výzvou.

Dále, jak jste si mohli všimnout, zkonstruovali jsme určité sofistikované přístroje — zejména komoru s funkcí dynamického objemu a další vylepšení popsaná v našem experimentálním popisu —, abychom naše pozorování učinili transparentními. Tyto inovace slouží k prokázání, že realita fyzikálních systémů je mnohostranná záležitost, často závislá na složitosti světa jako celku, který funguje jako otevřený systém.

Je také třeba uznat prvořadý význam důsledného vědeckého přístupu: v každé fázi vědeckého života je nezbytné brát v úvahu jak teoretické, idealizované izolované prostředí, tak otevřené systémy reálného světa.

Atomy a molekuly

Atom představuje nejdrobnější částici prvku, která si uchovává přirozené vlastnosti dané látky a je schopna vstupovat do chemických sloučenin. Uvažujme pro ilustraci prvek zlato. Představme si proces půlení zlatého valounu a následné opakované dělení vzniklých částí, dokud nezbude fragment zlata tak nepatrný, že se vzpírá dalšímu dělení, a to bez ohledu na jemnost použitého nástroje. Tato konečná, neredukovatelná část tvoří atom — termín odvozený z řeckého atomos, což znamená „nedělitelný“. Tento atom by již nebyl zlatem, kdyby byl dále dělen.

Původní postulát, že hmota se skládá z atomů, je připisován řeckým filosofům Leukippovi a Démokritovi, kteří formulovali své nauky v pátém století před naším letopočtem. Nicméně teprve na úsvitu devatenáctého století John Dalton (1766–1844), britský učitel chovající hlubokou oddanost vědeckému bádání, podložil tuto hypotézu přísným kvantitativním měřením.

Od oné epochy opakované experimentování potvrdilo četné aspekty této hypotézy, která následně postoupila na pozici základní teorie v rámci oboru chemie. Některé další principy Daltonovy atomové teorie zůstávají v užívání dodnes, byť podléhají drobným úpravám; vyčerpávající výklad těchto zásad je podán v následném pojednání o atomech a molekulách.

Makroskopická fotografie: valoun zlata (Au).

Mikroskopický snímek struktury zlata v pevném skupenství.

Atom disponuje natolik infinitezimální velikostí, že jeho rozměry zůstávají pro lidskou mysl nadmíru obtížně uchopitelné. Mezi nejdrobnější objekty rozpoznatelné pouhým okem patří jediné vlákno pavoučí sítě; taková vlákna měří v průměru přibližně cm (0,0001 cm). Ačkoliv je průřez jediným vláknem bez pomoci mikroskopu téměř nemožné postřehnout, v porovnání s atomárním měřítkem zůstává kolosálním. Jediný atom uhlíku v řečené síti má průměr přibližně cm (0,000000015 cm); v důsledku toho by bylo zapotřebí asi 7 000 atomů uhlíku k překlenutí průměru jediného vlákna. Abychom žákovi poskytli jasnější představu: kdyby byl atom uhlíku zvětšen na velikost malé mince, průřez pavoučím vláknem by pak přesáhl rozměry fotbalového hřiště, což by vyžadovalo přibližně 150 milionů takových „mincí“ k pokrytí jeho povrchu.

Zralá tobolka bavlníku

Strukturální úroveň

Buněčná úroveň organizace tkáně bavlníku

Molekulární struktura vláknitých organických tkání květu bavlníku

Schéma ojedinělé organické molekuly v tkáni bavlníku

Atom je tak lehký, že si jeho hmotnost lze rovněž jen stěží představit. Miliarda atomů olova (1 000 000 000 atomů) váží přibližně gramů, což je hmotnost příliš nepatrná na to, aby ji bylo možné zvážit i na těch nejcitlivějších vahách světa. Bylo by zapotřebí více než 300 000 000 000 000 atomů olova (300 bilionů, neboli ), aby jejich zvážení bylo proveditelné, a i tehdy by vážily pouhých 0,0000001 gramu.

V přírodě je vzácné nalézt uskupení jednotlivých atomů. Pouze několik vybraných prvků, jako jsou vzácné plyny helium, neon a argon, sestává z jednotlivých atomů, které se pohybují nezávisle na sobě. Ostatní prvky, jako jsou plyny vodík, dusík, kyslík a chlor, jsou složeny z diskrétních jednotek, které tvoří dvojice atomů.

Nalézt soubory jednotlivých atomů je neobvyklé. Pouze několik málo prvků, jako jsou plyny helium, neon a argon, sestává ze souboru jednotlivých atomů, které se pohybují nezávisle jeden na druhém. Jiné prvky, jako jsou plyny vodík, dusík, kyslík a chlor, se skládají z jednotek tvořených dvojicemi atomů.

Jedna z forem prvku fosforu se skládá z jednotek tvořených čtyřmi atomy fosforu. Prvek síra existuje v různých formách, z nichž jedna sestává z jednotek tvořených osmi atomy síry. Tyto jednotky se nazývají molekuly. Molekula se skládá ze dvou nebo více atomů spojených silnými silami zvanými chemické vazby.

Atomy v molekule se pohybují jako jeden celek, podobně jako plechovky limonády v balení po šesti nebo svazek klíčů spojených na jediném kroužku. Molekula se může skládat ze dvou nebo více identických atomů, jako je tomu u molekul nalezených v prvcích vodíku, kyslíku a síry; nebo se může skládat ze dvou nebo více různých atomů, jako v případě molekul vody.

Každá molekula vody je jednotkou, která obsahuje dva atomy vodíku a jeden atom kyslíku. Každá molekula glukózy je jednotkou obsahující šest atomů uhlíku, dvanáct atomů vodíku a šest atomů kyslíku. Podobně jako atomy jsou i molekuly neuvěřitelně malé a lehké. Kdyby se obyčejná sklenice vody zvětšila na velikost Země, byly by molekuly vody uvnitř ní velké asi jako golfové míčky.

Vodík

Kyslík

Fosfor

Síra

Voda

Oxid uhličitý

Glukóza

Klasifikace hmoty

Pro zjednodušení výkladu v samém počátku zde předložíme prostou, leč dobře srozumitelnou definici třídění hmoty a způsob jejího rozlišování.

Jde zajisté pouze o zjednodušený úvod do metod lučebního třídění, nicméně jest dlužno někde započíti, a toto jest k tomu místo nejvhodnější!

Hmotu lze děliti do několika zřetelných kategorií, z nichž dvěma jsou směsi a látky čisté. Čistá látka vyznačuje se stálým složením; v důsledku toho vykazují veškeré vzorky čisté látky přesně tutéž skladbu i vlastnosti.

Příkladně libovolný vzorek sacharosy (cukru řepného) pozůstává z 42,1 % uhlíku, 6,5 % vodíku a 51,4 % kyslíku dle hmotnosti. Každý exemplář sacharosy rovněž vykazuje tytéž fyzikální vlastnosti — jako bod tání, barvu a sladkou chuť — bez ohledu na zdroj, z něhož byl získán.

Čisté látky dají se dále rozčleniti do dvou zřetelných tříd: na prvky a sloučeniny.

Oné čisté látky, jež nelze rozložiti na látky prostší cestou lučební změny, nazýváme prvky. Známé příklady mezi více než stem dosud poznaných prvků zahrnují železo, stříbro, zlato, hliník, síru, kyslík a měď.

Z těchto prvků se přibližně devadesát vyskytuje přirozeně na Zemi, zatímco na dvě desítky jich bylo uměle vytvořeno v laboratořích.

Čisté látky, jež lze rozložiti chemickými změnami, slují sloučeninami. Tento rozklad může vésti buď k prvkům, nebo k jiným sloučeninám, případně k obojímu. Oxid rtuťnatý, oranžová to krystalická látka pevná, může býti teplem rozložen na prvky rtuť a kyslík.

Při zahřívání za nepřístupu vzduchu rozkládá se sloučenina sacharosa na prvek uhlík a sloučeninu vodu. (Počáteční stadium tohoto pochodu, kdy cukr hnědne, jest známo jako karamelisace — právě ta dodává charakteristickou sladkou a ořechovou chuť jablkům v karamelu, karamelisované cibuli i karamelu samotnému).

Chlorid stříbrný jest bílá látka pevná, již lze rozložiti na její prvky, stříbro a chlor, absorpcí světla. Tato vlastnost jest základem pro užití této sloučeniny ve fotografických filmech a ve sklech fotochromatických (takových, jejichž čočky temní, jsou-li vystaveny světlu).

Oxid rtuťnatý (HgO)

Sloučenina se rozkládá na stříbřité kapky kapalné rtuti a neviditelný plynný kyslík.

Vlastnosti prvků vázaných liší se od oněch, jež vykazují prvky ve stavu volném čili nesloučeném. Příkladně bílý krystalický cukr (sacharosa) jest sloučeninou povstalou lučebním spojením prvku uhlíku, jenž v jedné ze svých volných forem jest černou látkou pevnou, a dvou prvků — vodíku a kyslíku —, jež jsou ve stavu volném bezbarvými plyny. Volný sodík, prvek jevící se jako měkká, lesklá, kovová látka pevná, a volný chlor, jenž jest žlutozeleným plynem, se slučují v chlorid sodný (sůl kuchyňskou), sloučeninu, jež jest bílou krystalickou látkou pevnou.

Směs pozůstává ze dvou neb více druhů hmoty, jež mohou býti zastoupeny v proměnlivém množství a mohou býti odděleny změnami fysikálními, jako jest mianovité odpařování (o čemž se čtenáři dostane obšírnějšího poučení později). Směs, jejíž složení se v různých místech liší, nazýváme směsí různorodou (heterogenní). Italská zálivka jest typickým příkladem směsi různorodé.

Složení její jest proměnlivé, neboť ji lze připraviti z různého množství oleje, octa a bylin. Není stejnorodou v každém bodě — jedna kapka může pozůstávati převážně z octa, zatímco jiná kapka může obsahovati větsinou olej neb byliny, jelikož olej a ocet se oddělují a byliny se usazují. Jinými příklady směsí různorodých jsou čokoládové pečivo (v němž lze spatřiti oddělené kousky čokolády, ořechů a těsta) a žula (v níž lze pozorovati křemen, slídu, živec a jiné nerosty).

Směs stejnorodá, zvaná též roztokem, vykazuje jednotné složení a jeví se zrakem v celém svém objemu stejnou. Příkladem roztoku jest nápoj pro sportovce, pozůstávající z vody, cukru, barviv, aromat a elektrolytů, jež jsou spolu stejnoměrně promíseny.

Každá kapka nápoje pro sportovce chutná stejně, poněvadž každá obsahuje totéž množství vody, cukru i ostatních složek. Dlužno však podotknouti, že složení takového nápoje může býti proměnlivé — lze jej připraviti s poněkud větším či menším množstvím cukru, aromatu či jiných součástí, a přesto zůstane nápojem pro sportovce. Jinými příklady směsí stejnorodých jsou vzduch, javorový sirup, benzín a roztok soli ve vodě.

Ačkoli známe jen něco přes 100 prvků, desítky milionů lučebních sloučenin vznikají z různých kombinací těchto prvků. Každá sloučenina má své určité složení a vyznačuje se přesnými chemickými a fysikálními vlastnostmi, jimiž ji můžeme odlišiti od všech ostatních sloučenin. A ovšem existuje nesčetně způsobů, jak prvky a sloučeniny slučovati v rozmanité směsi. Přehled toho, jak rozlišovati mezi hlavními druhy třídění hmoty, jest uveden v tomto schématu:

Jedenáct prvků tvoří přibližně devadesát devět setin zemské kůry a atmosféry. Z tohoto úhrnného množství připadá na kyslík bezmála polovina, kdežto křemík zastupuje přibližně čtvrtinu. Většina prvků na Zemi jest nalézána v lučebním sloučení s jinými; nicméně asi jedna čtvrtina prvků se vyskytuje též ve stavu volném.

Rozklad vody, experiment vs. realita

Voda se skládá z prvků vodíku a kyslíku v poměru 2 ku 1. Vodu lze rozložit na plynný vodík a kyslík dodáním energie. Jedním ze způsobů, jak toho dosáhnout, je pomocí baterie nebo napájecího zdroje.

Rozklad vody zahrnuje přeskupení atomů v molekulách vody na jiné molekuly, z nichž každá se skládá ze dvou atomů vodíku, respektive dvou atomů kyslíku. Dvě molekuly vody tvoří jednu molekulu kyslíku a dvě molekuly vodíku.

Znázornění toho, co se děje, , bude podrobněji prozkoumáno v pozdějších kapitolách.

Rozklad vody / Výroba vodíku

Dva vzniklé plyny mají výrazně odlišné vlastnosti. Kyslík není hořlavý, ale je nezbytný pro spalování paliva, zatímco vodík je vysoce hořlavý a představuje silný zdroj energie. Jak by se tyto znalosti daly využít v našem světě? Jedna z aplikací zahrnuje výzkum úspornější dopravy. Vozidla s palivovými články (FCV) jezdí na vodík namísto benzínu.

Jsou účinnější než vozidla se spalovacími motory, neznečišťují životní prostředí a snižují emise skleníkových plynů, díky čemuž jsme méně závislí na fosilních palivech. Vozidla FCV však zatím nejsou ekonomicky životaschopná a současná výroba vodíku závisí na zemním plynu. Pokud se nám podaří vyvinout proces pro ekonomický rozklad vody nebo výrobu vodíku jiným ekologicky šetrným způsobem, mohou být vozidla FCV cestou budoucnosti.

Koncept výroby energie chemickou reakcí vodíku a kyslíku