Tahke, vedel ja gaasiline aine

Esemed on enamasti valmistatud ainest, mis meie elukeskkonna oludes esineb tahkena. Ainet tahkes olekus nimetatakse tahkiseks. Tahkis säilitab kuju. Vastuse saamiseks, miks tahkis kuju säilitab, tuleb siirduda aineosakeste maailma.

Jää, kõik metallid ja soolad on kristallilised ained. Kristallilistes ainetes paiknevad aineosakesed – aatomid, mole­kulid ja ioonid – korrapäraselt. Seetõttu ei saa osakesed tahkises vabalt liikuda, vaid ainult võnkuda oma tasakaaluasendi ümber.

Aineosakeste vastastikust asetust modelleeritakse kristallivõre abil.

Keedusoola kristalli­võre. Keedusool koosneb naatriumist ja kloorist.

Kristallivõres kujutatakse aineosakesi kerakestena. Jooned kerakeste vahel toovad esile osakeste ruumilise paigutuse. Kristallilisel ainel on kindel kristallvõre kuju.

Teemandi kristallivõre koosneb süsiniku aatomitest.

Ainetest, mis meie keskkonnaoludes on vedelad, esemeid valmistada enamasti ei saa, sest vedelikud on voolavad ega säilita kuju. Anumas olevat vedelikku võib käsitada kehana.

Temperatuuri tõstmisel saabub tahkes kehas paratamatult hetk, kui ägenenud soojusliikumine suudab osakesed kristallivõrest välja rebida. Osakesed võnguvad põhilise aja oma asukoha ümbruses, kuid võivad aeg-ajalt oma asukohta muuta, s.t „hüpata” ühest kohast teise.

Vedelike voolavuse põhjustavadki aineosakeste „hüpped” ühest kohast teise.

Peale tavaliste vedelike esineb selliseid aineid, mis esimesel pilgul paistavad tahketena, kuid ometi on need voolavad. Üheks selliseks aineks on pigi. Lauale asetatud pigitükk ei voola lauale laiali, kuid mõne kuu pärast on pigitükk seal üsna lömmi vajunud. Pigi ja teisi väga aeglaselt voolavaid aineid nimetatakse amorfseteks aineteks, mõnikord ka tahketeks vedelikeks.

Amorfsete ainete ja vedelike molekulide soojusliikumine on sarnane. Erinevus on vaid selles, et amorfsetel ainetel esineb molekulide hüppeid ühest asukohast teise võrratult harvemini kui vedelikel. Sellega seletub ka amorfsete ainete aeglane voolavus. Temperatuuri suurenemisel osakeste ülehüpped sagenevad ja selle tulemusena muutub aine voolamine kiiremaks – aine pehmeneb.

Ka tavaline aknaklaas on amorfne aine. Vedeliku kombel voolab ka jää liustikes – päeva jooksul kuni kümneid sentimeetreid.

Kõik gaasid on voolavad, kuid erinevalt vedelikest puudub neil kindel ruumala. Gaasi osakesed asuvad üksteisest kaugel. Osakeste kaugus on keskmiselt palju kordi suurem osakeste läbimõõdust. Osakeste vahel oleva tühja ruumi tõttu on gaas kokkusurutav. Lahtises anumas gaas ei püsi, see lendub, sest osakesed asuvad üksteisest nii kaugel, et nende vahel puudub tõmbejõud.

Aineosakeste liikumine gaasis on korrapäratu. Osake võib liikuda mistahes suunas ja iga osake ise kiirusega. Kuna osakeste vahel on vaba ruumi, saavad need liikuda teatud vahemaa sirgjooneliselt, enne kui põrkuvad naaberosakestega või anuma seinaga. Et löögid võivad tulla nii eest kui ka tagant, nii paremalt kui ka vasakult, olla nii tugevad kui ka nõrgad, siis muutub osakeste kiirus ja liikumise suund igal põrkel.

Kui avada toa ühes otsas lõhnaõlipudel, siis mõne minuti möödudes on lõhnaõli lõhna tunda ka toa teises otsas. Lõhn levib ruumis, sest lõhnava aine molekulid segunevad õhuosakestega ja liiguvad korrapäratult. Aineosakeste kiirus on aga keskmiselt mitusada meetrit sekundis. Järelikult peaks lõhnaõli lõhn jõudma toa teise otsa sekundi murdosa vältel. Katse näitab aga, et selleks kulub mitu minutit. Miks lõhn levib suhteliselt aeglaselt? Jooniselt on näha, et korrapäratult liikuv aineosake läbib mööda murdjoont pika tee, kuid võib siiski jääda oma esialgse asukoha lähedale. Osake justkui tammuks ühe koha peal. Et lõhnava aine molekul jõuaks pudelisuust mõne meetri kaugusele, kulub mitu minutit. Teatud aja möödudes on aga lõhnaõli lõhna tunda kogu toas.

Iseeneslikult segunevad ka vedelikus lahustuvad ained. Kui panna karamellkompvek vette, selgub päeva või paari pärast, et suhkur, millest kompvek põhiliselt koosneb, on lahustunud ning vesi on ühtlaselt magus. Vedelikud segunevad aeglasemalt kui gaasid, sest põhilise aja paiknevad vedeliku osakesed kindla asukoha läheduses. Vedelikus nagu gaasiski esineb iseeneslik segunemine soojusliikumise tõttu. Vedelikud, mis üksteises ei lahustu, iseeneslikult ei segune.

Segunevad isegi tahked ained. Ühes katses paigutati teineteise peale siledaks lihvitud plii- ja kullaplaat ning nendele asetati koormis. Kui plaate oli hoitud toatemperatuuril viis aastat, olid need omavahel „kokku kasvanud”. Kontrollimisel selgus, et selle ajaga olid ained teineteisesse tunginud ligi 1 cm sügavuselt. Tahketes ainetes on aineosakesed kohtkindlad, kuid vahel harva esineb siiski osakeste hüppeid ühest kohast teise.

Ainete iseenesliku segunemise nähtust nimetatakse difusiooniks. Difusioon on looduses väga oluline. Taimed saavad kasvamiseks vajalikke aineid just difusiooni tulemusena.