5.1 Čestična građa tvari i agregacijska stanja

Čestični model građe tvari

U čvrstim tijelima kemijske veze, međudjelovanja čestica tvari, jake su i teško se raskidaju. U tekućinama su te veze slabije nego u čvrstim tijelima, pa tekućine ne mogu zadržati oblik, ali su ipak dovoljno jake, pa tekućine zadržavaju volumen. U plinovima su čestice povezane veoma slabim vezama, pa se zato one raspršuju po prostoru u kojem se nalaze i mogu mijenjati volumen.

Kutak za znatiželjne

Prva promišljanja o građi tvari stara su više tisuća godina, a tom se temom znanstvenici bave i danas. Neki od prvih znanstvenika smatrali su da su tvari cjelovite, dok su drugi smatrali da su građene od sitnih dijelova, korpuskula (corpusculum, lat. tjelešce, čestica).

Tako je Demokrit (grčki Δημόϰρıτος, Dēmókritos), grčki filozof (Abdera, oko 460. pr. Krista – Abdera, između 380. i 370. pr. Krista) tvrdio da se pri dijeljenju tvari mogu dobiti vrlo sitne čestice koje se više ne mogu dijeliti. Nazvao ih je atomima (atomos, grč. nedjeljiv). ​

Atomi i molekule

Osnovni dijelovi svijeta koji nas okružuje građeni su od atoma. 

Ako je tvar građena samo od jedne vrste atoma, nazivamo je elementarna tvar. Komad aluminija je elementarna tvar.

Molekule su objekti građeni od dvaju ili više čvrsto povezanih atoma.

Atome u kemiji slikovito prikazujemo kao obojene kuglice od kojih su izgrađene molekule. Na slici vidimo nekoliko primjera:

1. molekula kisika,
   
2. amonijak,
   
3. atom ugljika,
   
4. metan,
   
5. voda,
   
6. molekula dušika i
   
7. ugljikov dioksid.

Najmanja čestica elementarne tvari koja je još ta tvar jest atom. 

Dijelovi atoma su malena atomska jezgra, koja se nalazi u središtu atoma i koja se sastoji od još manjih čestica koje nazivamo protonima i neutronima, te elektroni, koji se gibaju cijelim prostorom atoma u elektronskom omotaču.

I protoni i neutroni sastoje se od još sitnijih čestica koje se nazivaju kvarkovi.

Elementarne čestice su čestice koje se, poput elektrona i kvarkova, ne sastoje od manjih čestica.

U prirodi se tvari sastoje od čestica koje su ljudskom oku nevidljive i koje su u neprestanom gibanju.

Pokus

Pripremite tri menzure volumena oko $100\mathrm{mL}$ te manju količinu vode, alkohola, jestive boje, riže i graha.

U jednu menzuru ulijte $25\mathrm{mL}$ vode. U drugu menzuru ulijte $25\mathrm{mL}$ alkohola obojenog jestivom bojom. ​Pripremite se da pomiješate sadržaj prvih dviju menzura u trećoj.

• Što očekujete da će se dogoditi? Što mislite, koliki će biti volumen njihove mješavine?
• Što primjećujete kad pomiješate njihove sadržaje? Kako objasniti zapaženo?
  

Pokušajte provesti isti pokus s rižom i grahom umjesto vode i alkohola. Dobro protresite smjesu.

• Primjećujete li neku sličnost s rezultatom prethodnog pokusa?

Čestice alkohola ušle su u međuprostor čestica vode, pa je ukupni volumen mješavine manji od zbroja volumena alkohola i vode.

Izradi vježbu

U malu plastičnu bocu od pola litre pažljivo dodajte nekoliko žličica soli. Nakon što ste dodali sol, napunite bocu vodom do samog ruba grla boce. Bocu dobro zatvorite čepom. Sutradan provjerite bocu.

• Što uočavate? 
• Zašto se pojavio mjehur zraka u boci? 
• Gdje se nalazio zrak ako je boca bila napunjena vodom do samog vrha?

Što je u čaši? Zrak je svuda oko nas, samo što ga ne možemo vidjeti. Tako je i prazna čaša na slici zapravo puna, ali puna zraka. Kako bismo mogli dokazati da zrak zaista postoji i da zauzima neki prostor? Prije nego što odgovorimo na to pitanje, razmislimo po čemu se razlikuju staklo i zrak.

Agregacijska stanja

Pri sobnoj su temperaturi sol, šećer i staklena čaša u čvrstom stanju, voda, ulje i ocat su u tekućem stanju, a zrak je (smjesa dušika i kisika) u plinovitom stanju.

Kutak za znatiželjne

Tijela mogu prelaziti iz jednoga agregacijskog stanja u drugo. Većina tvari iz čvrstog stanja zagrijavanjem prelazi u tekuće stanje, a daljnjim zagrijavanjem prelazi iz tekućeg stanja u plinovito. No postoje i tvari koje iz čvrstog stanja izravno prelaze u plinovito.

Prijelaz iz čvrstog stanja u tekuće naziva se taljenje, a obrnuti proces skrućivanje. Prijelaz iz tekućeg stanja u plinovito naziva se isparavanje, a obrnuti proces kondenzacija. Prijelaz iz čvrstog stanja u plinovito stanje naziva se sublimacija, a obrnuti proces desublimacija. Plinovito je stanje teško nacrtati.

Najčešće crtamo oblak ili bijelu paru nalik na dim kako se diže iz lonca u kojem se nešto kuha. Slično smo učinili i na ovom crtežu. No, to nije fizikalno ispravno. Vodena para zapravo je proziran plin, pa nam je nevidljiva. I oblaci i bijela para koju vidimo zapravo su kondenzirane kapljice vode.

Po čemu možemo razlikovati tvari u različitim agregacijskim stanjima? Koja su glavna obilježja tih stanja?

Tvari u čvrstom stanju imaju stalan oblik i volumen te se ne mogu stlačiti.

Tvari u tekućem stanju nemaju stalan oblik nego ga preuzimaju od posude u kojoj se nalaze, ali imaju stalan volumen i ne može ih se stlačiti.

Tvari u plinovitom stanju nemaju stalan oblik ni volumen, mogu se stlačiti i šire se prostorom u kojem se nalaze.

Kako znamo da je zrak tvar, a ne prazan prostor?

Prethodno smo spomenuli da se i u praznoj čaši nalazi zrak te da ona zapravo nije prazna. Kako to možemo provjeriti? Izvedimo pokus.

Pokus

Za pokus trebamo veliku i malu staklenu čašu. Čaše moraju biti takve da jedna stane u drugu. Veću čašu napunimo vodom do polovine visine. Manju čašu ostavimo praznu, preokrenimo je i uronimo u veću čašu s vodom.

Rješenje

---

Što se događa? Još jedan način na koji se možemo uvjeriti da plinovi zauzimaju prostor prikazan je na ovoj animaciji. Uzmemo špricu od medicinske injekcije, zatvorimo otvor prstom i pokušamo je pritisnuti. Na početku ćemo moći jer se plinovi mogu stlačiti, no ubrzo će otpor postati prejak. Ako nemamo špricu, možemo uzeti običnu plastičnu bocu. Praznu bocu zatvorimo čepom i pokušamo je pritisnuti. Otpor koji osjećamo pruža sabijeni zrak koji je u boci.

Kutak za znatiželjne

Vidjeli smo da je zrak tvar. Je li onda zrak – tijelo?

Znamo da je tijelo skup čestica tvari koje su povezane tako da se zajedno gibaju. Zrak se širi posvuda i čestice zraka nisu povezane. Zato zrak nije tijelo. Jednako tako ni vodena para koja izlazi iz čajnika na štednjaku nije tijelo. Znači li to da samo čvrste tvari mogu biti tijela? Ne, nipošto. I kap kiše je tijelo, jer je to skup čestica vode koje zajedno padaju iz oblaka. Čak i plinove, poput čestica međuzvjezdanog plina koje na okupu drži gravitacija i koje se zajedno gibaju kroz svemir, možemo smatrati tijelima. Pa i naše Sunce, koje se sastoji od plazme, jest tijelo. Kad govorimo o tijelima, nije nam važan kemijski sastav tvari ni njezino agregacijsko stanje. Važno je samo gibaju li se čestice tvari zajedno.