Stavba látek

V roce 2013 představili vědci společnosti IBM nejmenší film na světě. Hlavní postavou je chlapec vytvořený z jednotlivých atomů. Každé políčko filmu vzniklo tak, že vědci atomy přesunuli hrotem rastrovacího tunelového mikroskopu a potom zaznamenali jejich nové uspořádání.

A Boy and His Atom. Otevřít video na YouTube.

Otázka na úvod: Znamená toto video, že atomy skutečně vypadají jako malé bílé kuličky?
Zobrazit odpověď

Ne. Nejde o běžnou fotografii ani o pohled lidským okem. Rastrovací tunelový mikroskop měří elektrický proud mezi velmi ostrým hrotem a povrchem vzorku. Z naměřených hodnot počítač sestaví obraz. Světlé útvary ukazují polohy jednotlivých atomů, jejich barva a ostré okraje jsou však způsobem zobrazení dat.

Jak vysvětlit vlastnosti látek?

Plyn lze stlačit, pevné těleso drží svůj tvar, voda teče, cukr se ve vodě rozpustí a vůně parfému se postupně rozšíří po celé místnosti. Tyto jevy můžeme popisovat dvěma různými způsoby.

Makroskopický pohled

Popisujeme látku jako celek pomocí vlastností, které můžeme přímo pozorovat nebo měřit: tvaru, objemu, tlaku, hustoty či teploty.

Mikroskopický pohled

Pozorované vlastnosti vysvětlujeme pomocí částic, jejich uspořádání, vzdáleností a vzájemného působení.

Co může vysvětlit částicový model?

Stlačení plynu: Částice plynu jsou od sebe v průměru velmi daleko. Zmenšením nádoby proto můžeme zmenšit především volný prostor mezi nimi.

Základní představa: Látky se nám při běžném pozorování jeví jako spojité. Ve skutečnosti jsou tvořeny částicemi, mezi nimiž je volný prostor. Částice se pohybují a vzájemně na sebe působí.

Z čeho jsou látky tvořeny?

Podle druhu látky mohou jejími základními stavebními částicemi být atomy, molekuly nebo ionty. Označení „částice“ proto v této kapitole používáme jako společný název pro různé mikroskopické stavební jednotky.

Atomy

Například helium nebo kovová měď.

Molekuly

Například molekuly vody H2O nebo kyslíku O2.

+−+

Ionty

Například ionty Na+ a Cl− v krystalu kuchyňské soli.

Mezi částicemi nejsou další drobné kousky téže látky. Převážnou část objemu atomu navíc netvoří kompaktní hmota: velmi malé jádro je obklopeno elektronovým obalem.

Uspořádání částic a skupenství

Rozdíly mezi pevnou látkou, kapalinou a plynem nevznikají tím, že by každé skupenství bylo tvořeno úplně jiným druhem částic. Při tání ledu zůstávají například částicemi stále molekuly H2O. Mění se především jejich uspořádání, vzdálenosti a způsob pohybu.

Částicový model skupenství

Pevná látka

Částice zůstávají v okolí určitých rovnovážných poloh. Proto má pevná látka vlastní tvar a téměř stálý objem.

Schéma je model: velikost částic ani jejich vzdálenosti nejsou zakresleny ve skutečném měřítku.

SkupenstvíUspořádání částicMakroskopické vlastnosti
Pevná látkaČástice jsou blízko sebe a zůstávají v okolí rovnovážných poloh.Vlastní tvar, téměř stálý objem, velmi malá stlačitelnost.
KapalinaČástice jsou blízko sebe, ale mohou měnit své sousedy.Proměnný tvar, téměř stálý objem, velmi malá stlačitelnost.
PlynČástice jsou ve srovnání se svou velikostí většinou daleko od sebe.Proměnný tvar i objem, snadná stlačitelnost; vyplní dostupný prostor.

Krystalické a amorfní pevné látky

Krystalické látky

Částice vytvářejí pravidelně se opakující strukturu. Patří sem například kuchyňská sůl, křemen nebo většina kovů.

Amorfní látky

Nemají pravidelné uspořádání částic na velké vzdálenosti. Typickým příkladem je běžné sklo.

Jsou částice pevné látky v klidu?

Ne. I v pevné látce se částice pohybují – obvykle kmitají kolem rovnovážných poloh. Souvislost jejich pohybu s teplotou podrobněji probereme v následující kapitole.

Částice na sebe působí

Částice se při určitých vzdálenostech přitahují. Když se však dostanou velmi blízko k sobě, dalšímu přibližování se silně brání. Díky tomu mají pevné látky a kapaliny při běžných tlacích téměř stálý objem.

Jednoduchou představou může být dvojice kuliček spojených pružinkou. Pružinka ale není skutečnou součástí látky – znázorňuje elektromagnetické působení mezi částicemi.

Vzájemná vzdálenost dvou částic

rovnovážná vzdálenost
rEₚr₀

Rovnovážná vzdálenost: výsledná síla je nulová a potenciální energie je nejmenší.

Rovnovážná vzdálenost r0 odpovídá minimu potenciální energie. Je-li vzdálenost větší, převažuje přitahování; při velmi malé vzdálenosti převažuje silné odpuzování.

Jak jsou částice velké?

Typický průměr atomu je řádově 10−10 m, tedy přibližně jedna desetimiliontina milimetru. Vzdálenosti sousedních částic v pevných látkách bývají řádově několik desetin nanometru.

ObjektTypický rozměr
člověk100 m
buňka10−5 m
bakterie10−6 m
molekula10−9 m
atom10−10 m
atomové jádro10−15 m

Kdybychom zvětšili atom…

Člověk by při stejném zvětšení měřil přibližně 20 000 km a atomové jádro by mělo průměr asi 10 nm.
Proč nemůžeme atom pozorovat běžným mikroskopem?

Rozlišovací schopnost optického mikroskopu omezuje vlnová délka viditelného světla, která je několik tisíckrát větší než typický atom. K zobrazování jednotlivých atomů se proto používají jiné metody, například rastrovací tunelová mikroskopie nebo mikroskopie atomárních sil.

Plazma

Zahříváme-li plyn na dostatečně vysokou teplotu nebo do něj dodáváme energii elektrickým výbojem, mohou se z atomů uvolnit elektrony. Vznikne směs volných elektronů, kladných iontů a neutrálních částic nazývaná plazma.

S plazmatem se setkáváme v blesku, polární záři, zářivkách, výbojových trubicích a ve hvězdách včetně Slunce. Protože obsahuje volné elektricky nabité částice, výrazně reaguje na elektrické a magnetické pole.

Historická zajímavost

Britský fyzik William Crookes označoval světélkující obsah výbojových trubic jako „zářivou hmotu“. Název plazma pro ionizovaný plyn zavedl americký chemik Irving Langmuir roku 1928.

Otázky a úlohy

1. Proč lze vzduch stlačit mnohem snáze než vodu?

Částice plynu jsou od sebe v průměru mnohem dále než částice kapaliny. Při stlačování plynu se proto zmenšuje hlavně volný prostor mezi částicemi. V kapalině jsou částice už velmi blízko sebe.

2. Proč kapalina mění tvar, ale její objem zůstává téměř stejný?

Částice kapaliny mohou měnit své sousedy a přesouvat se, takže kapalina přijme tvar nádoby. Zároveň jsou částice blízko sebe a dalšímu přibližování se silně brání, proto se objem mění jen málo.

3. Co se při tání ledu mění a co zůstává stejné?

Částicemi zůstávají molekuly H2O. Mění se jejich uspořádání a způsob pohybu: pravidelná struktura ledu se rozpadne a molekuly mohou měnit své sousedy.

4. Je mezi molekulami vzduchu další vzduch?

Není. Vzduch je právě souborem jeho molekul. Mezi nimi je převážně volný prostor, nikoli další, ještě jemnější vzduch.

5. Kde se v grafu potenciální energie nachází rovnovážná vzdálenost?

V minimu potenciální energie. V tomto bodě je výsledná síla působící mezi částicemi nulová.

Časté omyly

  • „Částice pevné látky jsou v klidu.“ Kmitají kolem rovnovážných poloh.
  • „Atom je malá tvrdá kulička.“ Kulička je jen zjednodušený model; atom nemá ostrý povrch.
  • „Mezi částicemi je vzduch.“ Mezi částicemi látky je převážně volný prostor.
  • „Částice kapaliny jsou od sebe velmi daleko.“ V kapalině jsou podobně jako v pevné látce blízko sebe, nejsou však vázány na stálé sousedy.
  • „Při zahřívání se zvětšují samotné atomy.“ Zvětšuje se především jejich průměrná vzájemná vzdálenost.
  • „Obrázek částic je jejich zmenšená fotografie.“ Jde o model, který zvýrazňuje jen vlastnosti potřebné k vysvětlení jevu.
Metodická poznámka pro učitele

Kapitola zavádí částicový model, ale podrobně nerozvíjí kinetickou teorii. Neustálý neuspořádaný pohyb částic, Brownův pohyb a experimentální důkazy pohybu je vhodné ponechat do následující hodiny. U grafu vzájemného působení je důležité rozlišit potenciální energii a sílu: rovnovážná vzdálenost je minimem grafu Ep(r), zatímco v grafu F(r) odpovídá průchodu nulou.

Česko-anglický slovníček

látka
substance
částice
particle
atom
atom
molekula
molecule
iont
ion
skupenství
state of matter
pevná látka
solid
kapalina
liquid
plyn
gas
plazma
plasma
krystalická látka
crystalline solid
amorfní látka
amorphous solid
rovnovážná vzdálenost
equilibrium distance
potenciální energie
potential energy
přitažlivá síla
attractive force
odpudivá síla
repulsive force