Artikkeli aineen faasista (mikroskooppisten ominaisuuksien perusteella)
Arkielämässä kohtaamme usein aineen kolme eri olomuotoa. On olemassa kiinteitä aineita (esim. kivet, rauta jne.), nesteitä (vesi, bensiini jne.) ja kaasumaisia aineita (ilma jne.). Näiden aineiden kolmiolomuoto voidaan erottaa niiden kyvyn perusteella säilyttää muotonsa ja kokonsa.
Kiinteät aineet säilyttävät yleensä kiinteän muodon ja tilavuuden. Neste ei säilytä kiinteää muotoaan, vaan mukautuu käytetyn astian muotoon. Esimerkiksi jos laitamme vettä lasiin, muoto muuttuu kuin lasin. Jos vettä kaadetaan kylpyammeeseen, muoto muuttuu kuin kylpyammeen. Nesteen tilavuus on tyypillisesti aina kiinteä. Jos lasillinen vettä asetetaan kylpyammeeseen, veden määrä pysyy lasissa. Veden muoto voi muuttua, mutta koko ei koskaan vaihtele. Muista, että kiinteiden aineiden ja nesteiden määrä voi muuttua, jos siihen kohdistetaan riittävä voima.
Entä kaasu? Kaasulla ei ole kiinteää muotoa ja tilavuutta. Kaasun muoto ja koko määräytyvät aina sen käyttämän säiliön muodon ja koon mukaan. Esimerkiksi jos laitamme kaasua auton renkaaseen, kaasu muuttuu samalla tavalla kuin ajoneuvon renkaassa. Samoin tilavuus. Rengaskotelossa kaasu leviää täyttäen koko rengastilan. Tässä tapauksessa kaasun määrä muuttuu kuten renkaan tilavuus. Jos puhallamme ilmaa ilmapalloon, ilman muoto ja tilavuus muuttuvat, kuten ilmapallon muoto ja tilavuus.
Tähän mennessä olemme erottaneet aineen kolme olomuotoa vain niiden makroskooppisten ominaisuuksien perusteella (makroskooppiset ominaisuudet = aineen muoto ja koko). Tämä perustuu tietenkin päivittäin tekemiimme mittauksiin ja havaintoihin. Näemme eron näiden kolmen aineen muodon välillä niiden mikroskooppisten ominaisuuksien perusteella. Jokainen aine koostuu atomeista tai molekyyleistä. Kun sanomme, että kivi on vakaa, emme koskaan tiedä, mitä tapahtuu perustuksen sisällä oleville atomeille tai molekyyleille, niin että kivestä tulee kiinteä. Samoin on veden tai veden laita. Mikä on vikana atomeissa tai molekyyleissä, jotka muodostavat lammioita, niin että veden faasi on nestemäinen eikä ilmakehä ole näkyvissä.
Aineen muodot mikroskooppisten ominaisuuksien perusteella
Ennen kuin keskustelemme kiinteiden, nesteiden ja kaasumaisten aineiden eroista niiden mikroskooppisten ominaisuuksien perusteella, tarkastellaanpa erästä kappaletta. Esimerkiksi kiviä. Jos tarkastelemme hiekkaa huolellisesti, näemme, että jokainen kiven osa pysyy yhdessä. Vaikka sitä potkitaan ja heitetään, sen muoto ja koko eivät koskaan muutu. Yleensä kaikki kiven osat ovat aina yhdessä yksikössä. Miksi näin on? Mietitäänpä hetki.
Kiven sisällä on atomeja tai molekyylejä. Kuvittele nyt kivi. Yritä kuvitella, että hiekka koostuu pienistä paloista. Lisäksi kivenpalat pienenevät ja pienenevät. Kuvittele atomit pienenä pallona. Sen sijaan molekyylit koostuvat useista yhteen tarttuneista palloista.
Kivessä on niin paljon molekyylejä tai atomeja, että niitä on minimaalisesti. Voitko kuvitella atomeja kivessä?
Yhden atomin halkaisija on noin 10⁻¹⁴ m . Jos kuvittelet atomin palloksi, niin pallon halkaisija on 10⁻¹⁴ metriä . Minimaalinen eikä sitä voida nähdä silmin... Vain kuviteltavissa. Molekyylit ovat atomeja, jotka pysyvät yhdessä, joten molekyylin koko on merkittävämpi kuin atomin. Mutta sitä ei myöskään voida nähdä silmin.
Jos atomit tai molekyylit eivät ole yhdessä yksikössä, kaikki kiven osat eivät tietenkään pysy yhdessä. Jokainen kivenpala pysyy yhdessä niin, että kiven muodosta tulee kiinteä. Miksi atomit tai molekyylit eivät erotu?
Todellakin, atomit tai molekyylit vetävät toisiaan puoleensa. Jos atomit tai molekyylit eivät vedä yhteen, ne ovat tietenkin lentäneet kaikkialle. Jokainen atomi tai molekyyli jättää hyvästit ystävälleen. Näin ollen kivenpalat leviävät kaikkialle. Myös kivenpalat leviävät, emmekä lopulta voi nähdä niitä. Kivenpalat koostuvat myös atomeista tai molekyyleistä. Atomien koko on pieni, joten jos ne olisivat erillisiä, emme tietenkään voisi nähdä niitä... Mutta todellisuus ei ole tällainen.
Kivi näyttää kiinteältä, jokainen kiven osa pysyy yhdessä. Voimme siis päätellä, että kiinteitä kappaleita muodostavien atomien tai molekyylien täytyy vetää toisiaan puoleensa.
Atomien tai molekyylien välinen vetovoima on sähkömagneettinen voima. Vetovoiman läsnäolo saa atomit tai molekyylit lähelle toisiaan. Kun halutaan törmätä, atomin tai molekyylin uloimmassa osassa olevat elektronit hylkivät toisiaan (sähköinen hylkiminen). Etäisyys saa atomit ja molekyylit liikkumaan taaksepäin. Vaikka atomit tai molekyylit liikkuvat taaksepäin, ne lähestyvät toisiaan vetovoiman vuoksi. Atomit tai molekyylit liikkuvat edestakaisin (värähtelevät) pitäen samalla vähimmäisetäisyyden.
Kiinteiden aineiden, nesteiden ja kaasujen välinen ero todellisten mikroskooppisten ominaisuuksien perusteella on näiden kolmen aineen atomien tai molekyylien välisen vetovoiman voimakkuudessa ja heikkoudessa.
Vankka
Kiinteissä aineissa atomien tai molekyylien väliset vetovoimat ovat niin voimakkaita, että kiinteitä aineita muodostavat atomit tai molekyylit ovat aina paikallaan. Kiinteiden aineiden atomit tai molekyylit liikkuvat edestakaisin (värähtelevät), mutta ne värähtelevät silti samassa paikassa.
Näiden kiinteiden aineiden atomien tai molekyylien välisen vetovoiman voimakkuus on syy siihen, miksi kiinteän aineen muoto ja tilavuus pysyvät aina vakioina. Vaikka kiveä tai rautaa heitettäisiin tai paukutettaisiin, sen muotoa on vaikea muuttaa, koska atomien tai molekyylien välinen vetovoima on voimakas. Kun laitat kiviä tai metallia ämpäriin tai kylpyammeeseen, kiven tai metallin tilavuus ei koskaan muutu. Niinpä näitä kiinteitä aineita muodostavien atomien tai molekyylien välinen voimakas vetovoima saa ne pysymään yhdessä yksikössä ja niiden muoto näyttää kiinteältä.
Kiinteitä aineita muodostavien atomien tai molekyylien sijainti on kuin kuvassa (tunnetaan myös kidehilana). Tämä kuva on suurennettu. Atomit tai molekyylit ovat pieniä.
Neste
Nesteissä atomien tai molekyylien välinen vetovoima on heikompi, joten ne voivat liikkua täysin vapaasti edestakaisin ja olla toistensa kanssa päällekkäin. Nesteen muodostavat atomit tai molekyylit voivat kyllä liikkua vapaasti, mutta ne eivät voi sanoa hyvästit ystävilleen. Vetovoiman suuruus voi silti estää niitä siroamasta.
Syynä on se, että nestemäinen olomuoto voi muuttua, mutta tilavuus on aina vakio. Kun laitamme vettä lasiin, atomien tai molekyylien välinen vetovoima ei ole niin suuri, että veden muoto muuttuisi lasin tavoin. Kun laitamme vettä kylpyammeeseen, atomien tai molekyylien välinen pienempi vetovoima saa veden mukauttamaan muotoaan kylvyn muodon mukaan. Nesteen tilavuus on aina vakio, koska atomien tai molekyylien välinen vetovoima voi silti pitää ne yhdessä. Vettä muodostavat atomit tai molekyylit eivät ole hajallaan, joten tilavuus on aina vakio.
Nesteen muodostavan atomin tai molekyylin sijainti, kuten kuvassa (nuoli osoittaa liikesuunnan).
kaasu
Kaasumaisissa aineissa atomien tai molekyylien välinen vetovoima on heikko. Ne liikkuvat vapaasti, koska niiden välillä ei ole sidosta. Hauras vetovoima saa kaasumaista ainetta muodostavat atomit tai molekyylit hajalleen kaikkialle. Kaasumaista ainetta muodostavat atomit ovat vapaampia kuin kiinteitä tai nestemäisiä aineita muodostavat atomit.
Kaasua muodostavien atomien tai molekyylien sijainti on esitetty kuvassa.
Hauras vetovoima on syy siihen, miksi kaasumaisen aineen muoto ja tilavuus voivat muuttua, ja miksi silmä ei voi nähdä ilmaa. Atomien tai molekyylien koko on niin pieni, että jos ne ovat hajallaan kaikkialle, emme voi nähdä niitä. Hiekan tai sokerin koko on paljon suurempi kuin atomien tai molekyylien, joten vaikka ne olisivat hajallaan, hiekanjyvät voidaan silti nähdä silmin, vaikka se onkin hieman hankalaa.
Kiinteitä tai nestemäisiä aineita voidaan nähdä, koska atomit tai molekyylit eivät ole hajallaan. Kiinteiden ja kaasumaisten aineiden vetovoima voi silti pitää ne yhdessä. Kaasumaiseen aineeseen kohdistuva vetovoima on heikko, joten se ei pysty pitämään atomeja tai molekyylejä yhdessä. Tämä pieni vetovoima on myös syy siihen, miksi kaasumaiset ja nestemäiset aineet voivat virrata.
