Vielas mehānika

Vielas atomārā uzbūve

Šajā nodaļā Tu vari iepazīties ar vielas uzbūves pamatidejām – ar modeli, kuru izmantosim, lai aprakstītu vielas uzbūvi,  īpašības un to izpausmes. Aplūkosim kopīgo un atšķirīgo vielas uzbūvē un īpašībās cietā, šķidrā un gāzveida agregātstāvoklī.

Matērija — viela un lauks

Pirms pievērsties vielas uzbūvei, šajā apakšnodaļā Tu vari iepazīties ar vispārējiem priekšstatiem par matēriju un vielu kā vienu no tās formām.

Apkārtējā pasaule, viss, kas pastāv mums apkārt, ir matērija. Matērija ir viss, kas tieši vai netieši ietekmē cilvēka maņas un citus objektus. 

Matērijas neatņemama īpašība ir kustība. Bez kustības nav matērijas un otrādi. Matērijas kustība ir jebkuras izmaiņas, kas notiek ar materiāliem objektiem to mijiedarbības rezultātā. 

Var aplūkot dažādus matērijas kustības veidus: mehāniskā kustība (ķermeņu relatīvā kustība telpā),  atomu un molekulu (haotiskā) siltumkustība, fāžu pārejas starp agregātstāvokļiem (kušana, iztvaikošana ...), radioaktīvā sabrukšana, ķīmiskās un kodolreakcijas, dzīvo organismu un biosfēras attīstība, zvaigžņu, galaktiku un Visuma evolūcija kopumā utt. - tie visi ir dažādu matērijas kustības veidu piemēri.

Par universālām matērijas eksistences un kustības formām pieņemts uzskatīt laiku un telpu. 

Dabaszinātnēs izšķir trīs matērijas veidus: viela, fizikālais lauks un vakuums. 

Viela ir matērijas veids, ko veido daļiņas, kurām piemīt miera masa (tajā skaitā – protoni, neitroni, elektroni un viss, ko tie veido – atomi un molekulas). Masa nosaka vielas gravitācijas un inerciālās īpašības. Ķīmijā vielas iedala vienkāršās (ar viena ķīmiskā elementa atomiem) un saliktās — ķīmiskajos savienojumos. Vielas īpašības ir atkarīgas no ārējiem apstākļiem un atomu un molekulu mijiedarbības spēka (intensitātes), kas nosaka, piemēram, dažādus vielas agregātstāvokļus: cietu, šķidru un gāzveida. 

Fizikālais lauks ir īpašs matērijas veids, kas nodrošina materiālo objektu un to sistēmu mijiedarbību. Pie fizikālajiem laukiem pieder elektromagnētiskie un gravitācijas lauki, kodolspēku lauks, kā arī viļņu (kvantu) lauki, kas atbilst dažādām daļiņām (piem., elektronu–pozitronu lauks). Fizikālo lauku avots ir daļiņas, piemēram, elektromagnētiskajam laukam — uzlādētas daļiņas). Daļiņu radītie fizikālie lauki ar ierobežotu ātrumu pārnes mijiedarbību starp tām.

Viela un lauki atrodas vakuumā, nepārtraukti mijiedarbojoties ar to un viens ar otru. Matērija pastāvīgi pāriet no viena stāvokļa citā, matērija nepazūd un neveidojas, tomēr vielas masa un enerģijas daudzums var mainīties, pārejot viena otrā.

Atomi un molekulas – vielas uzbūves ''pamatelementi''. Molekulāri kinētiskā teorija.

Šajā nodaļā Tu vari iepazīties ar vielas uzbūves pamatidejām – ar modeli, kuru izmantosim, lai aprakstītu vielas uzbūvi, īpašības un to izpausmes.

Ričards Feinmans: „Ja kādā kataklizmā tiktu iznīcinātas visas zinātnes atziņas un tikai viens teikums tiktu nodots nākamajai radību paaudzei, kurš apgalvojums saturētu visvairāk informācijas vismazāk vārdos? Es uzskatu, ka tā ir atomu hipotēze, ka visas lietas ir veidotas no atomiem — mazām daļiņām, kas nepārtraukti pārvietojas, pievelkot viena otru, kad tās atrodas nelielā attālumā, bet atgrūž, kad tās tiek saspiestas viena otrā. Tajā vienā teikumā, jūs redzēsiet, ir milzīgs daudzums informācijas par pasauli, ja pieliek tikai nedaudz iztēles un domāšanas.”

Aprakstot vielas uzbūvi, mēs izmantosim molekulāri kinētisko teoriju (MKT) un tās pamatprincipus:

1. Viela sastāv no sīkām daļiņām. Šīs daļiņas ir vai nu atsevišķi atomi, vai molekulas — stabilas atomu grupas, kam piemīt konkrētās vielas ķīmiskās īpašības. Viena un tā paša elementa atomi ir vienādi. Dažādu elementu atomi ir atšķirīgi. Molekulas var būt veidotas no viena vai vairākiem viena ķīmiskā elementa vai dažādu ķīmisko elementu atomiem. Daļiņas atrodas noteiktos attālumos viena no otras, starp tām ir tukša telpa (1. attēls).

1.att.  Atoms un molekula

2. Vielas daļiņas atrodas haotiskā kustībā, kas nekad neapstājas (šo kustību sauc par termisko kustību — siltumkustību). 

3. Vielas atomi vai molekulas savstarpēji mijiedarbojas ar pievilkšanās un atgrūšanās spēkiem, kas ir atkarīgi no attālumiem starp daļiņām. 

Šie pamatprincipi ir daudzu novērojumu un eksperimentālu faktu vispārinājums. Apskatīsim šos principus tuvāk un sniegsim to eksperimentālu pamatojumu.

Tā, piemēram, H₂O ir ūdens molekula, kas sastāv no diviem ūdeņraža H atomiem un viena skābekļa O atoma. Sadalot molekulu atomos, mums vairs nav vielas, ko sauc par "ūdeni". Turklāt, sadalot H un O atomus to sastāvdaļās, mēs iegūstam protonu, neitronu un elektronu kopumu un tādējādi zaudējam informāciju, ka sākotnēji tie bija ūdeņradis un skābeklis. 

Atomus un molekulas īsumā sauksim vienkārši par vielas daļiņām. Kas īsti ir šī daļiņa – atoms vai molekula? Ja mēs runājam par ķīmisko elementu, tad atoms būs daļiņa; ja aplūko saliktu vielu, tad tās daļiņa ir molekula, kas sastāv no vairākiem atomiem. 

Šīs daļiņas ir tik mazas, ka ar neapbruņotu aci nav saskatāmas, līdz ar to par to eksistenci sākotnēji varēja spriest no netiešiem novērojumiem. Tas bija līdz brīdim, kad pietiekama tehnoloģiju attīstība ļāva atomus un molekulas arī saskatīt (2. attēls). Mazākais izmērs, ko ar neapbruņotu aci var saskatīt, ir 0,00001 m. Atoms ir aptuveni simttūkstoš reižu mazāks, tātad aptuveni 0,0000000001 m jeb 10^-10 m (10 nm). Ja mēs iedomātos, ka tāds atoms tiktu palielināts līdz persika izmēram, tad persikam attiecīgi būtu jābūt Zemeslodes izmērā. 

Atomu un molekulu masa ir ļoti maza. Piemēram, vienas ūdens molekulas H₂O masa ir aptuveni 3\(\cdot\)10^-26 kg. Tik mazus lielumus nav ērti izmantot, tādēļ ir ieviesta speciāla mērvienība – atommasas vienība u.

Vienas atommasas vienības vērtība ir vienāda ar 1 : 12 daļu no oglekļa izotopa ¹²C masas (2. attēls). Atommasas vienību izsakot kilogramos iegūst, ka u = 1,6605655 \(\cdot \)10^-27 kg. Piemēram, vienas ūdens molekulas atommasa jeb molekulmasa \(M\) ir vienāda ar 18 atommasas vienībām.

Arī vielas daudzuma mērīšanai ir speciāla mērvienība, jo parasti ir darīšana ar milzīgu vielas daļiņu skaitu. Šajā gadījumā atkal talkā nāk ogleklis. Starptautiskajā mērvienību sistēmā ir pieņemts vielas daudzumu mērīt molos. 

Daļiņu skaits vienā molā faktiski ir vienāds ar 12 gramos oglekļa izotopa ¹²C esošo daļiņu skaitu. Kopš 2019. gada SI pārdefinēšanas ir noteikts, ka viens mols satur 6,022 140 76 · 1023 daļiņas. Šo skaitli sauc par Avogadro skaitli \(N_\mathrm{A}\). 

Līdz ar to viena vielas mola masa \(M\) gramos skaitliski vienāda ar atommasu u vienībās.
Mols, tātad, ir skaits – un nav svarīgi, tieši ko skaita. Ar vienu molu viena centa monētu varētu noklāt Zemeslodi aptuveni 300 m biezā kārtā. 

Lai varētu noteikt vielas masu zinot tās daudzumu molos, ir jāzina šīs vielas viena mola masa, ko sauc par molmasu \(M\). 

Lai aprēķinātu molmasu, ir jāzina vienas daļiņas masa un Avogadro skaitlis: \(M=N_\mathrm{A}\cdot{m_\mathrm0}\), kur \(m_\mathrm0\) — vienas molekulas masa. Tagad, ja ir zināma vielas masa un molmasa, var izrēķināt vielas daudzumu molos:  \(v=\)\(m\over M\), kur \(v\) – vielas daudzums, \(m\) – vielas masa, bet \(M\) – molmasa. 

Piemēram, dzerot kafiju no vidēja izmēra krūzes, tiek patērēts aptuveni 252 g ūdens. Ūdens molmasa ir \(M_\mathrm{ūdens}\) = 18 g/mol. Tādējādi ar vienu kafijas krūzi tiek izdzerts \(v=\)\(m\over M\)\(= 252 : 18 = 14\)mol ūdens jeb aptuveni 84,28 · 1023 ūdens molekulu.

Parādības, kas apstiprina molekulāri kinētisko teoriju

Pirmais MKT pamatprincips saka arī to, ka daļiņas neaizpilda visu telpu. Daļiņas izvietotas diskrēti, it kā atsevišķos telpas punktos. Starp daļiņām ir ''spraugas'', kuru izmērs var mainīties.
Ķermeņu termiskā izplešanās to apliecina: karsējot, palielinās attālumi starp vielas daļiņām un palielinās ķermeņa izmēri. Atdziestot, gluži pretēji, attālumi starp daļiņām samazinās, kā rezultātā ķermenis saraujas (lai gan ir iespējami izņēmumi, kas saistīti ar vielas uzbūvi - tā, piemēram, ūdenim kušanas temperatūras tuvumā no 0 °C līdz 4 °C sasilstot vidējais attālums starp daļiņām samazinās).

Skaidrs apstiprinājums MKT pirmajam un arī otrajam pamatprincipam ir difūzija — saskarē esošo vielu savstarpēja patvaļīga sajaukšanās (lūk video par difūzijas attēlojumu). Piemēram, difūzijas process šķidrumā. Šķīstošas vielas daļiņas iepilina ūdens glāzē augšējā kreisajā daļā (3. attēls). Laika gaitā daļiņas pārvietojas (izkliedējas) no augstas koncentrācijas apgabala uz zemas koncentrācijas apgabalu. Galu galā daļiņu koncentrācija visur kļūst vienāda – daļiņas vienmērīgi sadalās pa visu šķidruma tilpumu. Tas iespējams tikai tad, ja vielu daļiņas kustas un starp tām ir brīva telpa, kur pārvietoties. ''Vērot'' difūziju var, izmantojot PhET simulāciju.

Visātrāk difūzijas process norisinās gāzēs. Par to var pārliecināties, apskatot, piemēram, automašīnas izplūdes gāzes: drīz pēc izplūšanas apkārtējā vidē tās strauji izplatās un nonāk gan augstākos, gan zemākos gaisa slāņos. Arī cietvielās norisinās difūzija, tikai krietni lēnāk nekā gāzēs un šķidrumos, tomēr, palielinot temperatūru un spiedienu, difūzija norit straujāk. Šo faktu izmanto kompozītmateriālu veidošanā, kad dažādi cieti materiāli, pakļauti augstai temperatūrai un spiedienam, difūzijas rezultātā savienojas.

''Klasisks'' apliecinājums pirmajam un otrajam MKT pamatprincipam ir arī Brauna kustība — šķidrumā iemaisītu sīku (apmēram mikrometru diametrā) vielas daļiņu nepārtraukta haotiska kustība, kuras cēlonis — vides daļiņu triecieni. Ja daļiņa ir liela, molekulu triecienu ''summa'' no visām pusēm ir aptuveni vienāda, bet, ja maza — triecieni no dažādām pusēm nekompensējas. Tāpēc Brauna daļiņa kustas pa sarežģītu zigzagveida trajektoriju.                                                                            

Līdzīgu piemēru ir daudz – pat vērojot peļķi izžūstam, varam secināt, ka ūdens daļiņas ir ļoti mazas (tās nevar saskatīt) un tās, acīmredzot, kustas – ir mainījušas savu atrašanās vietu.

Vielas daļiņu mijiedarbība

MKT trešais pamatprincips ir par vielas daļiņu mijiedarbību: atomi (vai molekulas) savstarpēji mijiedarbojas ar pievilkšanās un atgrūšanas spēkiem, kas ir atkarīgi no attālumiem starp daļiņām: Lielos attālumos ''stiprāki'' ir pievilkšanās spēki, mazos — dominē atgrūšanās spēki. 

Šie spēki ir elektromagnētiskas dabas – vienas daļiņas (atoma) pozitīvi lādētais kodols pievelk otra atoma elektronus, savukārt, abu atomu kodoli (tāpat arī – abu atomu elektroni) savstarpēji atgrūžas. Vielas vienkāršotā modelī daļiņas pieņemts attēlot kā lodītes, kuru diametru nosaka elektronu izvietojums. To mijiedarbības rezultējošais spēks (\(F\)) ir atkarīgs no attāluma starp vielas daļiņu ''centriem'' (5. attēls). 

MKT trešā pamatprincipa pamatotību apliecina elastības spēki, kas rodas ķermeņus deformējot. Kad ķermenis tiek izstiepts, attālumi starp tā daļiņām palielinās, un sāk dominēt daļiņu pievilkšanās spēki. Kad ķermenis tiek saspiests, attālumi starp daļiņām samazinās, un rezultātā virsroku atgrūdošie spēki. Abos gadījumos elastības spēks ir vērsts virzienā, kas ir pretējs deformācijai. Tuvāk to aplūkosim nodaļā "Elastības spēks".

Pats fakts, ka pastāv cieti ķermeņi, kuru daļiņas grūti atdalīt vienu no otras, apliecina mijiedarbības spēku pastāvēšanu. 
Tātad — par apstiprinājumu starpmolekulārās mijiedarbības spēku esamībai var uzskatīt arī trīs vielas agregātstāvokļu pastāvēšanu. 

Izmantojot vielas uzbūves no daļiņām modeli, ir iespējams izskaidrot tādas parādības, kā siltumvadīšana un termiskā izplešanās, ko tuvāk aplūkosim nodaļā "Termiskā izplešanās".
Temata "Vielas uzbūve" kopsavilkumu skaties arī infografikā.