Aine ja selle osakesed

Kehad koosnevad ainetest või ainete segudest. Ained omakorda koosnevad osakestest, kas aatomitest või molekulidest. Aatomeid ja molekule me ei näe, kuna need on väga väikesed. Miks kehad siiski koos püsivad, kui ained koosnevad üksikutest osakestest?

Võtame kaks pliipulka, puhastame nende ühe otsa pliioksiidist ja surume puhtad pinnad tugevasti teineteise vastu. Pliipulgad jäävad kokku ja püsivad koos aineosakeste tõmbejõu tõttu.

Aineosakeste vahel mõjuvad tõmbe- ja tõukejõud. Kui tahke kehale ehk tahkisele ei mõju välist jõudu, on selles kõigi osakeste vaheline summaarne jõud võrdne nulliga. Kui keha mõjutada deformeeriva välise jõuga, siis tekivad osakeste vahel vastavad täiendavad tõmbe- ja tõukejõud – venitamisel tekivad tõmbejõud, kokkusurumisel tõukejõud. Sellest muutuvad veidi osakestevahelised kaugused ja keha kuju muutub. Nii tõuke- kui ka tõmbejõu suurus sõltub osakeste kaugusest. Keha venitamisel eemalduvad aineosakesed üksteisest ja tõmbejõud saab tõukejõust suuremaks – nende jõudude koosmõju iseloomustav kogujõud ehk resultantjõud takistab aineosakeste eemaldumist. See jõud hoiabki tahkest ainest keha koos.

Keha kokkusurumisel lähenevad aineosakesed teineteisele sedavõrd, et tõukejõud saab tõmbejõust suuremaks – nende jõudude koosmõju iseloomustav kogujõud takistab aineosakeste lähenemist. Selle jõu tõttu on tahkised väga raskesti kokku­surutavad.

Osakeste vahel mõjuvaid tõmbe- ja tõukejõude võib modelleerida vedru abil. Olgu meil kaks vedruga ühendatud kera.

Osakestevahelise vastastikmõju modelleerimine vedru abil

Kui keradele ei mõju väljastpoolt jõudusid, siis võtavad need sellise asendi, kus vedru on deformeerimata olekus. Kerade lähendamisel teineteisele tekib vedrus tõukejõud, mis püüab kerasid laiali lükata. Kerade eemaldamisel teineteisest tekib tõmbejõud.

Suurele veeloigule kukub tilgake õli, see valgub veepinnal laiali, kuid ometi ei kata õli kogu loiku. Veepinnale jääb kindla pindalaga õlilaik. Miks ei valgu õli laiali üle kogu veeloigu?

Õli on ainete segu ja koosneb mitmete ainete molekulidest. Molekulidevaheline tõmbejõud hoiab õlikihti veepinnal koos ja seetõttu ei saa üksikud molekulid laigust eemalduda ega mitut õlilaiku moodustada. Õlitilk ei jää veepinnale ka väikese kuhjana. Veemolekulide ja õli aineosakeste tõmbumise ning õlile mõjuva raskusjõu tõttu valgub õli laiali. Õli võib moodustada veepinnal ühe aineosakese paksuse kihi.

Veel huvitavamaks näiteks aineosakeste vahelise mõju kohta on katse kahe klaasplaadiga. Kui teha plaadid märjaks ja panna märjad plaadid kokku, on neid raske teineteisest eemaldada. Põhjuseks on klaasi molekulide ja vee molekulide vahelised tõmbejõud.

Eeltoodud katse põhjal õlitilgaga võime väita, et aineosakesed on väga väikesed. Kui mõõta õlitilga ruumala, seejärel aga õlilaigu pindala, saab arvutada õlikihi paksuse, millest omakorda saame molekulide läbimõõdu. Katseandmed annavad, et lihtainete molekulide läbimõõt on ligikaudu 2 · 10^–10 m.

Mõnede vedelike segamisel ilmneb, et segu ruumala on väiksem komponentide ruum­alast. Selle näitamiseks tehakse sageli järgmine katse. Võetakse pikk toru, mis on ühest otsast suletud. Umbes pool torust täidetakse veega, selle peale valatakse niisama palju piiritust (etanooli). Vedeliku taseme juurde tehakse torule märge. Seejärel segatakse vesi ja piiritus hoolikalt. Selgub, et segu (viina) ruumala on väiksem kui vee ruumala ja etanooli ruumala kokku. Kui segada 50 ml vett ja 50 ml piiritust, siis saadud segu ruumala ei ole 100 ml, vaid 94 ml.

Etanooli molekul (CH₃CH₂OH) on suurem vee molekulist (H₂O). Kui kujutada molekule keradena, siis on selge, et suurte molekulide vahele jäävad suuremad tühikud kui väikeste molekulide vahele. Neisse mahub väikseid molekule, kuid mitte suuri. Erineva suurusega molekulide segunemisel tühi ruum väheneb.

Seda katset saab illustreerida ka tangude ja herneste (või liiva ja kivikeste) segamisega. Alla poole anumast täidetakse tangudega. Tangude peale valatakse umbes niisama suur kogus herneid ja segatakse läbi.