©Internetix

2.1. Olomuodot ja olomuotojen muutokset


Aineella on kolme olomuotoa

Aineen olomuotoon vaikuttavia ulkoisia tekijöitä ovat

Luonnontieteissä normaaliolosuhteet eli normaalitila tarkoittaa tilaa, jossa kaasun lämpötila on 0°C 273 K ja paine 1,013 bar = 1,013 · 105 N/m². Kyseinen paine vastaa yhden ilmakehän aiheuttaman paineen suuruutta. Normaaliolosuhteista käytetään lyhennettä NTP ( = normal temperature and pressure).

Jos ulkoiset olosuhteet pysyvät vakioina sekä paineen että tilavuuden suhteen, niin lämpötilan kohotessa kiinteä aine muuttuu tietyssä lämpötilassa nesteeksi ja neste kaasuksi.

Huomio!!! Jos olosuhteita muutetaan dramaattisesti esimerkiksi nostamalla lämpötila miljooniin celsiusasteisiin, niin aineella on olemassa vielä neljäskin olomuoto plasma, jossa atomeja muodostavat alkeishiukkaset elektronit, protonit ja neutronit eivät tunnista enää, minkä alkuaineen atomeille ne kuuluvat.

Olomuotojen muutoksia voidaan kuvata seuraavalla kaaviolla:

Aineen muodostavat rakennehiukkaset ovat koko ajan lämpöliikkeessä. Tämä lämpöliike lakkaa, kun aine saavuttaa absoluuttisen nollapisteen = 0 K -273°C. Koska kyseisen lämpötilan saavuttaminen on mahdotonta, niin aineissa esiintyy aina tietyn verran rakennehiukkasten lämpöliikettä.

Seuraavassa kuviossa on esitetty, miten aineen lämpötila muuttuu lämmityksen seurauksena ajan funktiona. Tärkeää on muistaa, että olomuodon muutoksen hetkellä lämpötila kohoaa vasta kaiken aineen muutettua olomuotoaan.

Kiinteässä olomuodossa aineen rakennehiukkaset ovat niin lähellä toisiaan, että lämpöliikkeen ansiosta rakennehiukkaset värähtelevät ainostaan hieman edestakaisin omilla paikoillaan.

Nesteessä, lämpötilan nousun seurauksena, lämpöliike on jo niin vilkasta, että nesteen rakennehiukkaset voivat vaihtaa paikkaa toistensa kanssa ja jopa karata astiasta. Nesteen rakennehiukkasten liikkeeseen vaikuttavia tekijöitä ovat mm. hiukkasten koko ja hiukkasten väliset vuorovaikutukset. Monet meistä tietävät, että öljyt voivat olla joko erittäin herkkäliikkeisiä tai erittäin jäykkäliikkeisiä. Tätä nesteiden jäykkyyttä tai juoksevuutta kutsutaan viskositeetiksi.

Kaasumaisessa olomuodossa lämpöliike on jo niin kiivasta, että kaasun rakennehiukkasten liike on täysin satunnaista. Astiassa olevat rakennehiukkaset törmäilevät toisiinsa ja astian seinämiin, jonka seurauksena astiaan aiheutuu paine. Tilavuuden pienentyessä törmäysten lukumäärä astian seinämiin lisääntyy ja paine kasvaa.

Jos astiassa on useita eri kaasuja, niiden sekoittuminen tapahtuu itsestään. Ilmiö on kaasujen diffuusio. Kyseisen ilmiö takia parfyymien ja deodoranttien tuoksu ja hien haju leviää huoneilmaan erittäin nopeasti.

Kiinteän aineen muuttumista nesteeksi kutsutaan sulamiseksi. Sulaminen tapahtuu puhtaalle aineelle aina tietyssä lämpötilassa vakio-olosuhteissa. Kyseistä lämpötilaa kutsutaan aineen sulamispisteeksi. Sulamispisteen avulla voidaan tunnistaa kiinteitä kiteisiä aineita, joilla on säännöllinen kiderakenne. Kaikilla kiinteillä aineilla ei kuitenkaan ole tarkkaa sulamispistettä. Esimerkiksi lasi muuttuu lämpötilan kohotessa hitaasti nesteeksi ilman määritettävissä olevaa sulamispistettä. Kyseisen kaltaisia aineita kutsutaan amorfisiksi aineiksi. Amorfisilla aineilla ei ole säännöllistä kiderakennetta. Tämän takia lasin sanotaan olevan jäykkäliikkeistä nestettä.

Nesteen muuttumista kaasuksi kutsutaan höyrystymiseksi. Tietyssä lämpötilassa neste alkaa kiehua. Tätä lämpötilaa kutsutaan nesteen kiehumispisteeksi. Nesteen kiehuessa lämpötila ei enää kohoa, vaan kaikki nesteeseen tuotu lisäenergia käytetään nesteen muuttamiseen kaasuksi.

Jokainen meistä tietää, että kesähelteellä vesiastiassa olevan veden määrä vähenee. Kyseinen ilmiö on nimeltään haihtuminen. Nesteessä olevat hiukkaset ovat lämpöliikkeessä. Osa hiukkasista saattaa olla lähes levossa ja osalla suuri nopeus. Saapuessaan oikeassa kulmassa ja oikella nopeudella nesteen pintaan, hiukkaset pystyvät liike-energiansa turvin karkaamaan astiasta. Tämän takia haihtuminen ja kiehuminen ovat eri ilmiöitä. Haihtumista tapahtuu kaikissa lämpötiloissa nesteen pinnalta, kiehuminen aina vakiolämpötilassa (kiehumispisteessä) kaikkialta nesteestä.

Kiinteä aine voi muuttua suoraan kaasuksi. Kyseistä olomuodon muutosta kutsutaan sublimoitumiseksi. Esimerkiksi talvipakkasella jäiset pyykit kuivuvat sublimoitumisen ansiosta. Tällöin kiinteä jää muuttuu suoraan vesihöyryksi. Koululaboratoriossa ilmiö on helppo havaita laittamalla muutama kide jodia keittopulloon ja lämmittämällä pulloa varovasti kaasuliekillä. Kiinteä jodi muuttuu välittömästi violetin väriseksi jodihöyryksi.

Kaasun muuttumista nesteeksi kutsutaan tiivistymiseksi ja nesteen muuttumista kiinteäksi aineeksi jähmettymiseksi. Kun kaasu muuttuu suoraan kiinteksi aineeksi, tapahtuu härmistyminen. Monelle autoilijalle talviliikenteestä tuttu ilmiö on se, että yhtäkkiä melko lämpimän auton tuulilasiin muodostuu tiukka kerros jäätä. Kyseinen ilmiö on vesihöyryn härmistyminen jääksi. Lämpimien nuoskakelien seurauksena ilmassa olevan vesihöyryn määrä on korkea sulavan lumen takia. Lämpötilan nopea aleneminen koviin pakkasasteisiin tekee ulkoiset olosuhteet otollisiksi vesihöyryn härmistymiselle jääksi. Koululaboratoriossa ilmiö voidaan havaita helposti jäähtyvän jodihöyryn härmistyessä keittopullon seinämiin.

TUTKIMUSTEHTÄVIÄ:

Tehtävä 1.

Mitä autojen moottoriöljyissä olevat merkinnät kuten SAE 10W/50 tarkoittavat?

Tehtävä 2.

Ota selvää palavien nesteiden palovaarallisuusluokista.

Tehtävä 3.

Mitä tarkoittaa palavien nesteiden leimahduspiste?

Tehtävä 4.

Ihmisen nenä on herkkä laite. Helpoimmin tunnistettaviin tuoksuihin kuuluvat haisunäädän ja valkosipulin tuoksu. Ota selvää, mitkä kemialliset yhdisteet aiheuttavat kyseisen hajunautinnon?

Tehtävä 5.

Mitä muita amorfisia aineita kuin lasi on olemassa?

Tehtävä 6.

Miksi märissä vaatteissa paleltaa lämpimänäkin kesäpaivänä?

©Internetix/Ari Mikkonen