Aine olekud ja klassifikatsioon

Aine olekud

Ainet defineeritakse kui mistahes asja, mis täidab ruumi ja omab massi, ning see ümbritseb meid kõikjal. Tahkised ja vedelikud on ilmselgelt aine: me näeme, et need võtavad enda alla ruumi, ning nende kaal viitab massi olemasolule. Ka gaasid on aine; kui gaasid ruumi ei täidaks, jääks õhupall gaasiga täitmisel kokkuvajunuks, mitte ei paisuks.

Tahke olek

Metallide, nagu kulla või plutooniumi puhul on see võre tavaliselt kristalne, võimaldades selliseid omadusi nagu jäikus, tihedus ja elektrijuhtivus. Energiatasemed on piisavalt madalad, et aatomitevahelised sidemed jääksid terveks ja säiliks kaugjärjestus.

Vedel olek

Võrestruktuur laguneb lähijärjestuseks: osakesed ümberpaigutuvad pidevalt, jäädes samas kontakti. Vedelikud voolavad, edastavad tõhusalt rõhku ja neil esineb pindpinevus. See olek tekib siis, kui soojusenergia ületab tahke võre jäikuse, kuid mitte osakestevahelist kohesiooni.

Gaasiline olek

Aatomitevahelised jõud on kineetilise energiaga võrreldes tühised. Gaasid paisuvad, et täita kogu vaba ruum, on hästi kokkusurutavad ja madala tihedusega. See olek esineb siis, kui soojusenergia ületab täielikult kohesioonijõud, võimaldades osakestel käituda iseseisvalt.

Plasmaolek

Erinevalt tavalistest gaasidest on plasma elektrit juhtiv, kiirgab intensiivset kiirgust ja reageerib tugevalt elektromagnetväljadele. Kollektiivne käitumine domineerib üksikute osakeste liikumise üle. Selles olekus lakkab tavapärane keemiline struktuur eksisteerimast — ainet valitsevad peamiselt elektromagnetilised ja tuumaenergia mastaabis toimuvad interaktsioonid.

Plasma esindab kõrgeima energiaga klassikalist aineolekut, mida leidub tavaliselt tähtedes, välgus ning kõrge energiaga astrofüüsikalistes või laboratoorsetes nähtustes.

Mass ja kaal

Uuritav aine võib eksisteerida erinevate ainete keerulise kogumina. Sellised näidised võivad esineda keemiliste ühendite, homogeensete lahuste või heterogeensete agregaatidena, ilmudes sageli mitmekesiste proovide kogumina. Olenemata sellest, kas vaadeldakse üksikut ainet või mitmetahulist segu, määravad uuritava objekti omadused nii selle keemiline koostis kui ka koostisosade füüsikaline olek.

Teatud ained ilmutavad mitmele aineolekule omaseid tunnuseid samaaegselt. Seda nähtust täheldatakse sageli teraliste materjalide puhul, kus puistematerjali proov koosneb lugematutest eraldiseisvatest osakestest. Liiva saab näiteks „valada“ vedelikule sarnaneval viisil, ometi koosneb see üksikutest teradest, mis jäävad kindlalt tahkeks. Lisaks võib aine ilmutada eri olekute omadusi seguna esinedes. Märkimisväärne näide on pilved; kuigi need näivad käituvat gaasina, on need tegelikult aerosoolid — segud, mis koosnevad gaasilises olekus õhust ja pisikestest veeosakestest, mis võivad olla kas vedelad piisad või tahked jääkristallid.

Keha mass kujutab endast selles sisalduva ainehulga mõõtu. Üks põhimeetodeid objekti massi kindlakstegemiseks hõlmab konkreetse kiirenduse saavutamiseks vajaliku jõu suuruse määramist; näiteks on sõiduauto kiirendamiseks vaja märgatavalt suuremat jõudu kui jalgratta puhul, kuna auto mass on tunduvalt suurem. Tavapraktikas määratakse massi siiski sagedamini kaalu abil — see on instrument, mida kasutatakse objekti tundmatu massi võrdlemiseks standardiseeritud etalonmassiga.

Kuigi kaal on fundamentaalselt seotud massiga, on hädavajalik neid kahte mõistet eristada. Kaal tähistab kehale mõjuvat gravitatsioonijõudu, suurust, mis on otseses proportsioonis keha massiga. Järelikult, kui objekti kaal kõigub vastavalt kohalikule gravitatsiooni intensiivsusele, siis mass jääb muutumatuks omaduseks. Vaadelgem näiteks astronauti: tema mass ei muutu Kuu pinnale jõudmisel, ometi väheneb tema kaal vaid kuuendikuni maapealsest väärtusest, kuna Kuu gravitatsiooniline tõmbejõud on vaid murdosa Maa omast. Kuigi ta võib kogeda kaaluta oleku tunnet, kui välisjõud on tühised, ei ole ta füüsikalises mõttes kunagi „massitu“, kuna teda moodustav ainehulk jääb konstantseks.

Aine jäävuse seadus

Võtab kokku paljud teaduslikud vaatlused aine kohta: see sätestab, et aine koguhulgas ei toimu märgatavat muutust, kui aine muundub ühest tüübist teise (keemiline muutus) või muutub tahke, vedela või gaasilise oleku vahel (füüsikaline muutus). Õlle pruulimine ja patareide töö pakuvad näiteid aine jäävuse kohta.

Isoleeritud mahutisse asetame mitu koostisosa; meie eesmärgil sisaldagu lõplik sisu nisu, vett, suhkrut, muna, soola ja oliiviõli. Seejärel töödeldakse anumat vibreeriva segistiga, et saavutada ühtne koostis. Järgnevalt asetatakse mahuti ahju ja küpsetatakse 200°C (400°F) juures kolmkümmend kuni kolmkümmend viis minutit.

Mahuti ise on konstrueeritud eraldiseisva sekundaarse osaga, millel on tagasilöögiklapi mehhanism ja termiliselt vastupidavast kummist valmistatud kamber. Enne küpsetusprotsessi algust mahuti kaalutakse ja kogukaal protokollitakse täpselt.

Aine jäävuse eksperiment

See eksperiment illustreerib, et algne, muutmata aine ja hilisem küpsetamisjärgne toode jäävad kaalult võrdseks. Järelikult on tõestatud ka nende massi võrdsus, kuna mõõtmised viidi läbi samas kohas ja identsetes keskkonnatingimustes.

Kuigi see jäävuse seadus kehtib iga aine muundumise kohta, on veenvad demonstratsioonid igapäevakogemuses märkimisväärselt haruldased. See nappus tuleneb asjaolust, et väljaspool laboris hoitavaid rangeid tingimusi õnnestub harva koguda kõiki konkreetse muundumise käigus tekkinud aineid. Vaadelgem näiteks bioloogilisi protsesse nagu toidu söömine ja seedimine: kuigi kogu algsest toidust pärinev aine säilib rangelt, assimileeritakse märkimisväärne osa keha enda struktuuri, ülejäänu aga eritub erinevat tüüpi jäätmetena. Seetõttu jääb selle seaduse empiiriline kontrollimine otsese mõõtmise teel sellistes keerulistes süsteemides tõsiseks väljakutseks.

Lisaks, nagu võib-olla märkasite, oleme konstrueerinud teatud keerukaid aparaate — eelkõige dünaamilise mahuga kambri ja muud meie eksperimendikirjelduses toodud täiustused —, et muuta meie vaatlused läbipaistvaks. Need innovatsioonid teenivad eesmärki näidata, et füüsikaliste süsteemide tegelikkus on mitmetahuline küsimus, mis sõltub sageli maailma kui avatud süsteemi keerukusest.

Samuti tuleb tunnustada range teadusliku lähenemisviisi ülimat tähtsust: mistahes teadusliku tegevuse etapis tuleb arvesse võtta nii teoreetilist, idealiseeritud isoleeritud keskkonda kui ka looduslikus maailmas esinevaid avatud süsteeme.

Aatomid ja molekulid

Aatom kujutab endast elemendi kõige väiksemat osakest, mis säilitab sellele ainele omased tunnused ning on võimeline astuma keemilistesse ühenditesse. Vaadelgem selgituseks kulda kui elementi. Kujutagem ette kullatüki poolitamist ning sellest tulenevate osade korduvat jagamist seni, kuni jääb alles nii tilluke kullatükk, et see trotsib edasist jagamist, sõltumata kasutatava instrumendi peensusest. See viimne, jagamatu osa moodustabki aatomi — termin pärineb kreekakeelsest sõnast atomos, mis tähendab „jagamatu“. See aatom ei oleks enam kuld, kui seda veelgi enam jagataks.

Algne postulaat, et mateeria koosneb aatomitest, omistatakse Kreeka filosoofidele Leukipposele ja Demokritosele, kes sõnastasid oma õpetused viiendal sajandil eKr. Sellegipoolest kulus aega üheksateistkümnenda sajandi koidikuni, mil John Dalton (1766–1844), Briti koolmeister, kes oli sügavalt pühendunud teaduslikule uurimistööle, tõestas seda hüpoteesi rangete kvantitatiivsete mõõtmiste abil.

Sellest ajast saadik on korduvad eksperimendid kinnitanud selle hüpoteesi paljusid tahke ning hiljem on see tõusnud keemia valdkonna nurgakivi-teooria seisusesse. Teatud teised Daltoni aatomiteooria põhimõtted on kasutusel tänini, olgugi et neisse on tehtud väiksemaid parandusi; põhjalik ülevaade nendest põhimõtetest on toodud järgnevas käsitluses aatomite ja molekulide kohta.

Makroskoopiline foto: kullatükk (Au).

Mikroskoopiline kujutis kulla struktuurist tahkes olekus.

Aatom on oma suuruselt nii infinitezimaalne, et selle mõõtmeid on inimmõistusel äärmiselt raske hoomata. Üks väiksemaid palja silmaga eristatavaid objekte on üksik ämblikuvõrgu niit; selliste niitide läbimõõt on ligikaudu cm (0,0001 cm). Kuigi üksiku niidi ristlõiget on ilma mikroskoobi abita peaaegu võimatu märgata, jääb see aatomi skaalaga võrreldes siiski tohutuks. Üksiku süsinikuaatomi läbimõõt nimetatud võrgus on umbes cm (0,000000015 cm); järeldatavalt läheks vaja ligikaudu 7000 süsinikuaatomit, et katta üheainsa niidi läbimõõt. Et pakkuda õpilasele selgemat ettekujutust: kui süsinikuaatomit suurendataks väikese mündi suuruseni, ületaks ämblikuniidi ristlõige siis jalgpalliväljaku mõõtmed, nõudes selle pinna katmiseks ligikaudu 150 miljonit sellist „münti“.

Küps puuvillakupar

Struktuurne tasand

Puuvillakoe organisatsiooni rakuline tasand

Puuvillaõie kiuliste orgaaniliste kude molekulaarstruktuur

Puuvillakoe üksiku orgaanilise molekuli skeem

Aatom on sedavõrd kerge, et ka selle massi on inimmõistusel raske ette kujutada. Miljard pliiatomi (1 000 000 000 aatomit) kaaluvad ligikaudu grammi — see on mass, mis on liigagi väike, et seda saaks mõõta isegi maailma kõige tundlikumatel kaaludel. Oleks vaja enam kui 300 000 000 000 000 pliiatomi (300 triljonit ehk ), et kaalumine üldse võimalikuks osutuks, ning ka siis kaaluksid need kokku vaid 0,0000001 grammi.

Looduses kohtab harva üksikute aatomite kogumeid. Vaid üksikud valitud elemendid, nagu väärisgaasid heelium, neoon ja argoon, koosnevad isoleeritud aatomitest, mis liiguvad üksteisest sõltumatult. Teised elemendid, nagu gaasilised vesinik, lämmastik, hapnik ja kloor, koosnevad diskreetsetest üksustest, mis moodustuvad aatomite paaridest.

Üksikute aatomite kogumeid leidub harva. Vaid vähesed elemendid, nagu gaasid heelium, neoon ja argoon, koosnevad üksikute aatomite kogumist, mis liiguvad üksteisest sõltumatult. Teised elemendid, nagu gaasilised vesinik, lämmastik, hapnik ja kloor, koosnevad üksustest, mis moodustuvad aatomite paaridest.

Elemendi fosfor üks vorm koosneb üksustest, mis on moodustunud neljast fosforiaatomist. Element väävel esineb mitmesugustes vormides, millest üks koosneb kaheksast väävliaatomist koosnevatest üksustest. Neid üksusi nimetatakse molekulideks. Molekul koosneb kahest või enamast aatomist, mis on liidetud tugevate jõududega, mida nimetatakse keemilisteks sidemeteks.

Molekulis olevad aatomid liiguvad ringi ühtse üksusena, sarnaselt limonaadipurkidele kuueses pakis või võtmekimbule, mis on koondatud ühele võtmerõngale. Molekul võib koosneda kahest või enamast identsest aatomist, nagu leidub elementide vesiniku, hapniku ja väävli puhul; või võib see koosneda kahest või enamast erinevast aatomist, nagu on näha veemolekulides.

Iga veemolekul on üksus, mis sisaldab kahte vesinikuaatomit ja ühte hapnikuaatomit. Iga glükoosimolekul on üksus, mis sisaldab kuut süsinikuaatomit, kahtteist vesinikuaatomit ja kuut hapnikuaatomit. Sarnaselt aatomitele on molekulid uskumatult väikesed ja kerged. Kui tavaline klaas vett suurendataks Maa suuruseni, oleksid selles olevad veemolekulid umbes golfipallide suurused.

Vesinik

Hapnik

Fosfor

Väävel

Vesi

Süsihappegaas

Glükoos

Mateeria liigitamine

Algse olukorra hõlbustamiseks esitame siinkohal lihtsa, kuid hästi mõistetava mateeria liigitamise määratluse ning meetodi selle eristamiseks.

See on mõistagi vaid lihtsustatud sissejuhatus keemilise klassifitseerimise tehnikatesse; ometi on tarvilik kuskilt alustada ja see koht on selleks igati kohane!

Mateeriat võib liigitada mitmesse eri kategooriasse, millest kaks on segud ja puhtad ained. Puhas aine omab kindlat koostist; järelikult ilmutavad kõik puhta aine proovid täpselt ühesugust ehitust ning omadusi.

Näiteks mistahes sahharoosi (lauasuhkru) proov koosneb massi järgi 42,1% süsinikust, 6,5% vesinikust ja 51,4% hapnikust. Iga sahharoosi eksemplar ilmutab samuti ühesuguseid füüsikalisi omadusi — nagu sulamispunkt, värvus ja magusus — sõltumata allikast, millest see on eraldatud.

Puhtad ained võib edasi jaotada kaheks eri klassiks: elemendid ja ühendid.

Neid puhtaid aineid, mida ei saa keemilise muutuse teel lihtsamateks aineteks lagundada, nimetatakse elementideks. Rohkem kui saja tuntud elemendi hulgas on tuttavateks näideteks raud, hõbe, kuld, alumiinium, väävel, hapnik ja vask.

Umbes üheksakümmend neist elementidest esinevad Maal looduslikult, samas kui ligi kaks tosinat on valmistatud kunstlikult laboratooriumides.

Puhtaid aineid, mida saab keemiliste muutuste abil osadeks lahutada, nimetatakse ühenditeks. See lagundamine võib tekitada kas elemente või teisi ühendeid või mõlemaid. Elavhõbe(II)oksiid, oranž kristalliline tahke aine, on kuumuse abil lagundatav elementideks elavhõbedaks ja hapnikuks.

Õhu puudumisel kuumutamisel laguneb ühend sahharoos elemendiks süsinikuks ja ühendiks veeks. (Selle protsessi algetapp, mil suhkur pruunistub, on tuntud kui karamelliseerumine — just see annab iseloomuliku magusa ja pähklise maitse karamellõuntele, karamelliseeritud sibulatele ja karamellile endale).

Hõbe(I)kloriid on valge tahke aine, mida saab valguse neeldumise teel lagundada selle elementideks, hõbedaks ja klooriks. See omadus on aluseks antud ühendi kasutamisele fotofilmides ja fotokroomsetes prilliklaasides (nendes, mille klaasid valguse käes tumenevad).

Elavhõbe(II)oksiid (HgO)

Ühend laguneb vedela elavhõbeda hõbedasteks piiskadeks ja nähtamatuks hapnikugaasiks.

Ühinenud elementide omadused erinevad neist, mis on omased vabale ehk ühinemata olekule. Näiteks valge kristalne suhkur (sahharoos) on keemiline ühend, mis tekib elemendi süsiniku — mis on ühes oma ühinemata vormidest must tahke aine — ning kahe elemendi, vesiniku ja hapniku, mis on ühinemata olekus värvusetud gaasid, keemilisel ühinemisel. Vaba naatrium, mis on elemendina pehme, läikiv ja metalliline tahke aine, ning vaba kloor, mis on elemendina kollakasroheline gaas, ühinevad, et moodustada naatriumkloriid (lauasool) — ühend, mis on valge kristalne tahke aine.

Segu koosneb kahest või enamast mateeria liigist, mis võivad esineda vahelduvates kogustes ning mida saab lahutada füüsikaliste muutuste, näiteks aurustumise teel (mille kohta lugeja saab hiljem põhjalikumaid selgitusi). Segu, mille koostis on eri punktides varieeruv, nimetatakse heterogeenseks ehk ebaühtlaseks seguks. Itaalia kaste on üks näide heterogeensest segust.

Selle koostis võib varieeruda, sest me võime seda valmistada eri kogustest õlist, äädikast ja ürtidest. See ei ole kogu segu ulatuses ühesugune — üks tilk võib koosneda peamiselt äädikast, samas kui teine tilk võib sisaldada peamiselt õli või ürte, sest õli ja äädikas eralduvad ning ürdid settivad. Teised näited heterogeensetest segudest on šokolaaditükkidega küpsised (me näeme eraldi šokolaaditükke, pähkleid ja küpsisetaigent) ning graniit (mille puhul vaatleja võib märgata kvartsi, kiidumat, päevakivi ja muud).

Homogeenset segu, mida nimetatakse ka lahuseks, iseloomustab ühtlane koostis ning see näib visuaalselt kogu ulatuses samasugune. Üks näide lahusest on spordijook, mis koosneb ühtlaselt kokku segatud veest, suhkrust, toiduvärvist, lõhna- ja maitseainetest ning elektrolüütidest.

Spordijoogi iga tilk maitseb samamoodi, sest iga tilk sisaldab samasugustes kogustes vett, suhkrut ja muid koostisosi. Olgu märgitud, et spordijoogi koostis võib varieeruda — seda võib valmistada mõnevõrra suurema või väiksema koguse suhkru, maitseaine või muude komponentidega ning see jääb siiski spordijoogiks. Teised näited homogeensetest segudest on õhk, vahtrasiirup, bensiin ja soolalahus vees.

Ehkki elemente on vaid veidi üle saja, tekib nende elementide eri kombinatsioonidest kümneid miljoneid keemilisi ühendeid. Igal ühendil on kindel koostis ning sellel on kindlad keemilised ja füüsikalised omadused, mille järgi saame seda eristada kõigist teistest ühenditest. Ja muidugi on elementide ja ühendite kombineerimiseks eri segudeks lugematul arvul viise. Kokkuvõte sellest, kuidas teha vahet mateeria eri põhiklassifikatsioonidel, on esitatud skeemil:

Üksteist elementi moodustavad ligikaudu üheksakümmend üheksa sajandikosa maakoorest ning atmosfäärist. Sellest koguhulgast moodustab hapnik peaaegu poole, mil ajal räni arvele langeb ligikaudu üks neljandik. Suurem osa Maa elementidest on leitud keemilises ühendis teistega; sellegipoolest on umbes veerand elementidest leitavad ka vabas olekus.

Vee lagundamine: eksperiment vs tegelikkus

Vesi koosneb vesinikust ja hapnikust, mis on ühendatud suhtes 2:1. Vett saab energiat lisades lagundada gaasiliseks vesinikuks ja hapnikuks. Üks viis selleks on kasutada akut või toiteallikat.

Vee lagundamine hõlmab veemolekulide aatomite ümberkujunemist teisteks molekulideks, mis koosnevad vastavalt kahest vesiniku- ja kahest hapnikuaatomist. Kahest veemolekulist moodustub üks hapnikumolekul ja kaks vesinikumolekuli.

Toimuva esitust, , uuritakse põhjalikumalt hilisemates peatükkides.

Vee lagundamine / Vesiniku tootmine

Kahel tekkival gaasil on selgelt erinevad omadused. Hapnik ei ole tuleohtlik, kuid on vajalik kütuse põlemiseks, ning vesinik on väga tuleohtlik ja võimas energiaallikas. Kuidas saaks neid teadmisi meie maailmas rakendada? Üks rakendusvaldkond on kütusesäästlikuma transpordi uurimine. Kütuseelemendiga sõidukid (FCV) töötavad bensiini asemel vesinikuga.

Need on tõhusamad kui sisepõlemismootoriga sõidukid, on saastevabad ja vähendavad kasvuhoonegaaside heitkoguseid, muutes meid fossiilkütustest vähem sõltuvaks. Siiski ei ole kütuseelemendiga sõidukid veel majanduslikult tasuvad ja praegune vesiniku tootmine sõltub maagaasist. Kui suudame välja töötada protsessi vee säästlikuks lagundamiseks või toota vesinikku muul keskkonnasäästlikul viisil, võivad kütuseelemendiga sõidukid olla tulevikutee.

Energia tootmise kontseptsioon vesiniku ja hapniku keemilise reaktsiooni kaudu