Modely štruktúry látok rôznych skupenstiev

Modely štruktúry látok rôznych skupenstiev boli vytvorené pre jednoduchšie pochopenie vlastností látok a dejov, ktoré v nich prebiehajú. Pojem „model“ naznačuje, že ide o zjednodušený pohľad na realitu.

Plynná látka (plyn)

Časticami plynnej látky sú molekuly, ktoré majú rôzny tvar a veľkosť. V zriedkavých prípadoch, u tzv. vzácnych plynov, sú časticami samotné atómy. Pri bežných podmienkach (normálny atmosférický tlak, teplota 20 stupňov Celzia) je vzájomná vzdialenosť molekúl plynu približne 100-násobne väčšia ako ich rozmer. Molekuly plynu sú teda od seba natoľko vzdialené, že príťažlivá sila medzi nimi má zanedbateľne malú hodnotu. Plyn preto nevytvára samostatné plynné teleso určitého tvaru, ale má vždy tvar nádoby, v ktorej sa nachádza.

Molekuly plynu vykonávajú neustály neusporiadaný posuvný a rotačný pohyb (t.j. tepelný pohyb), a navyše atómy vo vnútri týchto molekúl neustále kmitajú. Posuvný pohyb molekúl sa deje rôzne veľkými rýchlosťami, všetkými smermi. Každý smer posuvného pohybu molekúl je pritom rovnako pravdepodobný, žiadny neprevláda, čo môžeme znázorniť nasledujúcim obrázkom.

Zmena smeru a veľkosti rýchlosti posuvného pohybu molekúl plynu nastáva pri zrážkach molekúl s inými molekulami alebo pri dopade molekúl na steny nádoby. Zrážka molekúl však neprebieha rovnako ako v mechanike: keď sa molekuly plynu k sebe priblížia na veľmi malú vzdialenosť, prejaví sa viac vplyv odpudivých síl medzi nimi. Tie spôsobia zmenu smeru a veľkosti rýchlosti týchto molekúl. Medzi jednotlivými zrážkami sa molekuly plynu pohybujú približne rovnomerne priamočiaro. Teplota plynu vplýva na pohyb jeho molekúl: ak sa teplota plynu zvýši, zväčší sa stredná (akási priemerná) rýchlosť jeho molekúl.

Pretože molekuly plynu konajú tepelný pohyb, môžeme hovoriť o celkovej vnútornej kinetickej energii sústavy molekúl plynu. Táto celková vnútorná kinetická energia je rovná súčtu kinetickej energie molekúl konajúcich neusporiadaný posuvný a rotačný pohyb a kinetickej energie kmitajúcich atómov v molekulách. Ak sa pozrieme na celkovú vnútornú potenciálnu energiu sústavy molekúl plynu, jej hodnota je oveľa menšia ako hodnota celkovej vnútornej kinetickej energie tejto sústavy molekúl. Príčinou je skutočnosť, že molekuly plynu sú od seba príliš vzdialené a tak ich vzájomné silové pôsobenie (prispievajúce k vnútornej potenciálnej energii) je minimálne.

Pevná látka

Štruktúra väčšiny pevných látok je tvorená pravidelne usporiadanými časticami v celom jej objeme, ktoré vytvárajú kryštálovú štruktúru. Existujú však aj také pevné látky, ktorých častice nie sú pravidelne usporiadané v celom objeme látky, len v jeho malých oblastiach. Tieto pevné látky nazývame amorfné, patrí medzi ne napr. sklo, vosk, asfalt. Medzi pevné látky zaraďujeme aj polyméry. Polymérom je napr. prírodný kaučuk (základná surovina pre výrobu gumy, má biologický pôvod) alebo polyvinylchlorid (tzv. PVC, umelo vyrábaný).

Vzájomná vzdialenosť častíc pevnej látky je približne 10-krát menšia ako vzdialenosť častíc plynu. Pri týchto hodnotách vzájomnej vzdialenosti častíc prevláda medzi nimi pôsobenie príťažlivých síl, preto pevná látka vytvára pevné teleso určitého tvaru, s určitým objemom. Ak na pevné teleso nepôsobia vonkajšie sily a ak sa nemení jeho teplota, zostáva jeho tvar aj objem zachovaný.

Častice pevnej látky vykonávajú okolo svojich rovnovážnych polôh neustále a chaotické kmitavé pohyby. Umiestnenie ich rovnovážnych polôh v objeme je takmer nemenné. Častice kmitajú všetkými smermi a ich výchylky z rovnovážnych polôh sú rôzne veľké. Pri zvýšení teploty pevnej látky sa tieto výchylky zväčšujú. Naznačenie kmitavého pohybu častíc pevnej látky ukazuje nasledujúci obrázok, na ktorom je vidieť trajektórie niekoľkých častíc.

V pevnej látke daného objemu (v pevnom telese) je celková vnútorná potenciálna energia sústavy častíc väčšia ako celková vnútorná kinetická energia tejto sústavy. Celková kinetická energia sústavy častíc pevnej látky má pôvod v kmitavom pohybe jej častíc.

Kvapalná látka (kvapalina)

Kvapalinu tvoria molekuly, ktorých stredná vzdialenosť je väčšia ako v prípade častíc pevných látok, no zároveň menšia ako u častíc plynov. Molekuly kvapaliny sú od seba vzdialené len o trochu viac ako častice pevnej látky. Aj pri vzájomnom pôsobení častíc kvapaliny teda dominujú príťažlivé sily. Nie sú však natoľko veľké, aby navzájom viazali všetky molekuly kvapaliny v takej miere, ako je to v prípade častíc pevnej látky. Pre molekuly kvapaliny je tiež charakteristická istá usporiadanosť, ale len vo veľmi malých oblastiach jej objemu. Každá molekula kvapaliny pod vplyvom silového pôsobenia jej susedných molekúl kmitá okolo rovnovážnej polohy. Samotné umiestnenie jej rovnovážnej polohy v objeme sa neustále mení a to tým viac, čím väčšiu teplotu má kvapalina. V kvapaline si teda molekuly môžu navzájom meniť svoje miesta, prípadne sa nejaká molekula môže premiestniť medzi dve jej susedné molekuly. To znamená, že molekuly kvapaliny sú do istej miery voľne pohyblivé, no nie až tak ako častice plynnej látky. Na nasledujúcom obrázku môžeme vidieť vyznačené trajektórie molekúl kvapaliny.

Ak na kvapalinu pôsobí vonkajšia sila, nastanú presuny molekúl v jej objeme väčšinou v smere pôsobiacej sily. To spôsobuje tekutosť kvapaliny a tiež jej ďalšiu vlastnosť: kvapalina si nezachováva svoj tvar – prispôsobuje sa tvaru nádoby. Na rozdiel od plynného telesa však kvapalné teleso vytvára voľnú povrchovú vrstvu (voľný povrch), ktorá sa snaží „stiahnuť“ kvapalinu tak, aby mala pri danom objeme čo najmenší povrch.

Kvapalina s daným objemom má celkovú vnútornú potenciálnu energiu sústavy častíc porovnateľnú s jej celkovou vnútornou kinetickou energiou.

Plazma

Plazma je považovaná za štvrté skupenstvo látok. Je tvorená najmä elektricky nabitými časticami (voľnými elektrónmi a iónmi) a elektricky neutrálnymi časticami (atómami, molekulami). Súbor častíc plazmy je navonok takmer elektricky neutrálny. Nabité častice plazmy sa môžu rôzne zoskupovať, na ich pohyb má vplyv elektrické a magnetické pole. Pri dostatočne vysokých teplotách môžu plazmu tvoriť len kladne nabité ióny a voľné elektróny, ktoré boli odtrhnuté z elektrónového obalu atómov plynu (dej zvaný ionizácia).

Častice plazmy sú navzájom veľmi málo viazané, pretože celková vnútorná potenciálna energia sústavy jeho častíc je oveľa menšia než celková vnútorná kinetická energia. To robí plazmu podobnou plynnému skupenstvu, no nemožno si ich zamieňať, pretože plyn neobsahuje elektricky nabité častice.

V prírode sa plazma vyskytuje napr. v podobe ohňa, blesku alebo polárnej žiary. Odhaduje sa, že z pozorovanej hmoty vesmíru tvorí plazma až 99 %. Je súčasťou hviezd, slnečného vetra, hmlovín či galaxií. Plazma však môže vznikať aj v umelých podmienkach, najčastejšie pri elektrických výbojoch v plynoch napr. v elektrických žiarivkách, výbojkách alebo tzv. plazmovej lampe.