Erők a molekulák világában

 

A léggömb titkának magyarázata

Miért kezdett dagadni a levegővel töltött gumigömb, amikor üvegburával leborítottuk? Miért pukkant szét?
A kísérletet valóban bűvész módra végeztük el. Az asztallapon egy kis nyílás volt. Amikor a gumigömböt az üvegbura alá tettük, észrevétlenül egy csapot fordítottunk el és világítógázt eresztettünk az üvegbura alá. Ezután kezdett dagadni a gömb (ábra).

De miért? Hiszen a gömb szája be volt kötve, a gömbbe nem mehetett be se levegő, se világítógáz!
Valóban, a gömb száján át nem ment be semmi. Ámde a gömbön kívül világítógáz-molekulák röpködtek. Tudnunk kell azt, hogy a világítógáz könnyebb, mint a levegő. A könnyebb gázok legapróbb részecskéi: atomjai, molekulái pedig sebesebben röpködnek, mint a nehezebb gázok molekulái. A gumihártya molekulái között parányi hézagok vannak. Ezeken a réseken át a világítógáz sebesebben szálló molekulái közül több jut be másodpercenként a gömbbe, mint amennyi levegőmolekula távozik belőle.
Ezért duzzad állandóan a gömb, végül elpattan.

Miért duzzad elpukkanásig a világítógázban levő, levegővel töltött gumigömb?

Hasonlóképpen lehet megmagyarázni azt is, hogy a szőlőszem megduzzad és megreped, ha tiszta vízbe tesszük.
A szőlőszem héját alkotó hártyának az a tulajdonsága, hogy csak bizonyos folyadékok molekuláit ereszti át magán, például a vízét. De a vízmolekulákat is csak akkor ereszti át magán, ha a hártya másik oldalán például cukoroldat van. A szőlőszemben levő folyadékban mindig van oldott cukor. Ezért a szőlőszemen kívül levő víz molekulái a szőlőhéjon át behatolnak a szőlőszembe - a szőlőszem egyre duzzad.
De tegyük a szőlőszemet töményebb cukoroldatba, mint amilyen a szőlőszemben van. Most meg a szőlőszem belsejéből jönnek át a vízmolekulák a cukrosabb, külső oldat felé, végül is annyi vizet veszít a szőlőszem, hogy összetöpörödik. - Az olyan tulajdonságú hártyát, mint a szőlőszem héja, féligáteresztő hártyának nevezzük.

 

Mekkorák a molekulák és milyen közel vannak egymáshoz?

Földünk lakóinak száma körülbelül 3000 millió (3 milliárd). (Jelenleg már több mint 6 milliárd)
Képzeljünk el annyi levegőt, amennyi belefér egy nagyobbfajta gyűszűbe (kb. 5 cm3). A gyűszűben kb. 40 000 milliószor több molekula van, mint a Föld lakosainak száma (ábra).

Ha a gyűszűnyi levegőben 40 000 milliószor 3000 millió molekula van, akkor a molekulák roppant kicsinyek lehetnek. Egy milliméter távolságot osszunk fel millió részre. Egy ilyen kis részecske tizedrésze kb. akkora, mint a molekulák átmérője.
De ha egy gyűszűnyi levegőben ilyen alig elképzelhetően sok molekula van, akkor egy gyűszűnyi vízben vagy más folyadékban még többnek kell lennie, mert a folyadékokban sűrűbben vannak, közelebb vannak egymáshoz a molekulák.
Így is van! Egy gyűszűnyi folyadékban vagy szilárd anyagban körülbelül 1000-szer több molekula van, mint egy gyűszűnyi levegőben.

 

A molekulák vonzzák egymást

A levegőben, általában a gázokban a molekulák olyan könnyen mozognak egymás mellett, hogy elszállanak elszakadnak egymástól. A folyadékokban meg szépen megmaradnak egymás társaságában. Ha beöntjük őket egy pohárba, ott maradnak. A szilárd anyagokat még pohárba sem kell önteni, a molekulák annyira ragaszkodnak egymáshoz, hogy sokszor még erővel se tudjuk őket szétválasztani, például hiába próbálunk kézzel eltörni egy acéldarabot.
Hogyan lehet ez? Hiszen ugyanazokról a molekulákról van szó. Miért viselkednek egyszer olyan csapongóan, máskor meg miért maradnak meg hűségesen egymás mellett?
Ennek oka az, hogy a molekulák között is hat valamiféle vonzóerő. Ha igen közel vannak egymáshoz, akkor ez a vonzóerő nagy lehet. De ha két molekula egymástól 10 - 20-szor távolabb van, mint átmérőjük távolsága, akkor már úgyszólván semmi ez a vonzóerő.
Ámde nagyon közel se lehet egymáshoz vinni a molekulákat (pl. olyan közel, hogy érintkezzenek), mert akkor meg óriási taszítóerő hat közöttük. Ezért állanak ellen a szilárd és a cseppfolyós testek, ha össze akarjuk őket nyomni.
Milyen ez a molekulák között ható vonzóerő? Olyan talán, mint a mi nagyvilágunkban a tömegvonzás? Nem olyan! Sejtjük, hogy az a molekuláris erő elektromos és mágneses természetű, de még időre és tudományos kutatásra lesz szükség, hogy többet tudjunk meg róla. Gondoljunk csak arra, hogy a kőkorszak embere sem ismerte például sem az elektromos, sem a mágneses erőt, és ezer évekig tartott, amíg az ember lassanként egyre többet tudott meg róluk.

 

A különböző anyagok molekulái is vonzzák egymást

A víz molekulái vonzzák egymást. Ezért marad egyben a vízcsepp.

De ha vízcseppet ejtünk üveglemezre, az üveglemez vizes felét lefelé fordíthatjuk, és a vízhártya függve marad az üveglapon, mert a víz molekulái nagyobb erővel vonzódnak az üvegmolekulákhoz, mint egymáshoz (ábra).

Higannyal már nem sikerül ez a kísérlet, mert a higany molekulái jobban vonzzák egymást, mint az üvegmolekulákat.
A nikkel és a hidrogéngáz molekulái igen vonzódnak egymáshoz. Ennek következménye az, hogy a gázmolekulák nemcsak a fém felületére tapadnak, hanem bejutnak a fém belsejébe is, és olyan erősen odatapadnak más gázok is más fémek molekuláihoz, hogy csak izzítással lehet őket eltávolítani.
Ez a jelenség sok gondot okozott a rádiócsövek, a röntgencsövek gyártóinak, mert hiába szivattyúzták ki a csövekből a levegőt, az üvegre, az üvegbe és a fémekbe tapadt gázrészecskék tönkretették a nagymértékben légritkított teret.
Az anyagok annál nagyobb számú idegen molekulát tudnak magukhoz láncolni, mennél nagyobb az illető anyag felülete. Ha 1 gramm szenet finom porrá törünk, akkor a szénrészecskék felülete 1000 cm2 lesz. Ezért egyetlen cm3 faszénpor vagy füstrészecske sok cm3 másfajta anyag molekuláját tudja lekötni, elnyelni. Például 1 cm3 kiizzított faszén 90 cm3 ammóniagázt nyel el.
Ezért van a szénpornak olyan nagy szerepe nemcsak a gyomortartalom tisztításában, hanem az alkohol, a bor, a cukor színtelenítésében is:
a szén a felületére gyűjti, kivonja a folyadékból a nem kívánatos anyagok molekuláit.

 

A szénsavas víz. A halak és az oxigén

A szénsavas vizet is a különböző anyagok molekuláinak egymásra gyakorolt vonzóerejének köszönhetjük. A víz molekulái vonzzák a szén-dioxidgáz molekuláit, a víz elnyeli a szén-dioxidgázt. Például 1 liter 10°C hőmérsékletű víz 1,2 liter szén-dioxidgázt nyel el. De ha 25 atmoszférával nyomjuk a gázt, akkor a víz 16-szor annyit nyel el, mint közönségesen.
De azt már kevesen tudják, hogy a halak és a vízben élő állatok milyen sokat köszönhetnek ennek a molekulák közötti vonzóerőnek. - Már említettük, hogy a nikkelatomok különösen a hidrogénmolekulákhoz vonzódnak. A többi anyagok legkisebb részecskéi is válogatósak, így a víz molekulái is.
A víz felülete a levegővel érintkezik. A levegőben a legnagyobb mennyiségben nitrogén és oxigén van. Ha már most a vízmolekula egyformán vonzódna a nitrogén és az oxigén molekuláihoz, akkor a vízben elnyelt levegőben is olyan arányban (4 : 1) volna nitrogén és oxigén, mint a szabad levegőben. Csakhogy a vízmolekulák nagyobb mértékben kötik magukhoz az oxigénmolekulákat. Ezért a vízben elnyelt levegőben aránylag kétszer több oxigén van, mint a szabad légkörben. Ebből élnek a halak.

Milyen gázok molekuláiból áll Földünk légköre?

A légkörben van (térfogatszázalékban)  
18,1% nitrogén, ennek összes súlya
3800 ezermillió tonna,
21% oxigén, ennek összes súlya
1170 ezermillió tonna,
0,94% argon, ennek összes súlya
131 ezermillió tonna,
0,03% szén-dioxid, ennek összes súlya
4,6 ezermillió tonna,
0,0012% neon, ennek összes súlya
0,084 ezermillió tonna,
Összehasonlításul megemlítjük, hogy
a Föld légkörének összes súlya
5100 ezermillió tonna,
a Földön levő víz összes súlya
125 000 ezermillió tonna,
a Földön levő élőlények (szárazföldi és
vízinövények, állatok) összes súlya
17 000 ezermillió tonna.

 

A szakítási szilárdság és a molekuláris erő

A molekulák közötti vonzóerővel sok tapasztalatunkat tudjuk magyarázni. Például egy vékonyabb ólom drótot könnyen szétszakíthatunk, az alumínium drótot nehezebben, az acél drót inkább kezünkbe vág, de nem szakad el. Miért?
Nagyon egyszerű. A szilárd testekben a molekulák olyan közel vannak egymáshoz, hogy elég nagy a molekulákat egymáshoz kötő vonzóerő. Ha a testeket szét akarjuk szakítani, akkor ezt az erőt le kell győzni. De mivel az ólom, az alumínium, az acél esetén ennek a szakítóerőnek a nagysága más ás más, ebből arra következtetünk, hagy a molekuláik között ható vonzóerő nagysága a különböző anyagok esetén más ás más.

Huzalok szakítási szilárdsága
(1 cm2 keresztmetszetű huzal szétszakításához szükséges kilogrammsúlyerő)

acélhuzal
16000
rézhuzal (kemény)
3 500
alumíniumhuzal
1 800
ólomhuzal
160
fapálca
400
kenderkötél
400
nylonkötél
6000
bőrszíj
160-300

De miért beszélünk ólomról, acélról? Igazán nem szoktunk naponta ilyen drótokat szaggatni. De naponta tépjük el pl. a papírt. Nemrégiben olyan celofánpapír került a kezembe, amit el sem tudtam tépni az első próbára. Milyen nehéz elszakítani a nylonfonalat is! Gondoljunk ilyenkor elismeréssel azokra a molekulákra, amelyek a celofánpapírban, a nylonszálban olyan nagy erővel vonzzák egymást.

 

Miért nedvesítjük meg a postabélyeget?

Amikor szórakozottan felragasztjuk a levélbélyeget, ugyan ki gondol a molekuláris erőre? Ha a bélyeg hátán nem lenne ragasztószer, hiába nyomnánk a bélyeget a levélpapírra, molekuláik nem vonzzák egymást annyira, hogy szilárdan összetapadjanak. De a ragasztószer molekulái erősen összekötik őket.
Méghozzá itt a különböző anyagok molekulái közötti összetartó erőről van szó. De miért kell megnedvesíteni a bélyeg hátát? Miért csak a folyékony ragasztószer köt?
Ha a ragasztószert megnedvesítjük, molekulái szétoszlanak a vízben (vagy egyéb oldó folyadékban), a vízzel együtt könnyen belejutnak a papírfelület lyukacsaiba. Így a ragasztószer molekulái nagy felületen tapadhatnak a papírfelület molekuláihoz. Amikor a víz elpárolog, a ragasztószer molekulái nagy felületen fogják a papiros molekuláit és természetesen egymást is, azért szilárdan összetartják a papírdarabokat.
Ha a bélyeget le akarjuk tépni a levélről, inkább a papír szakad el, mintsem a ragasztószer engedjen. Tehát két papírdarabot a ragasztószer idegen molekuláinak vonzása következtében szilárdabban Össze lehet erősíteni egymással, mint amekkora a papiros eredeti szilárdsága.
Nem lehetne-e a bélyegragasztáshoz hasonlóan a fémeket is összeragasztani? Nem lehetne-e például két acéllemezt úgy összeragasztani, hogy inkább a lemezek, a fémdarabok törjenek, szakadjanak el egymástól, de a ragasztás helyén mégse váljanak el egymástól a fémek? Vagy nem lehetne-e ilyen szilárdan összeragasztani különböző lemezeket, rezet, acélt, alumíniumot? Mert bizony nehéz művelet a fémek összeerősítése hegesztéssel vagy szegecseléssel.
Az eddigiek alapján semmi lehetetlenség sincsen a fémek összeragasztásában. Csupán olyan ragasztószert kell találni, amelynek molekulái egymást legalább akkora erővel tartják össze, mint az acél molekulái, másodszor pedig legalább ugyanekkora erővel kötik magukhoz az acél vagy más fémek molekuláit Is.
Ma mér valóban többféle ragasztószerrel folynak eredményes kísérletek a fémek ragasztására. (Ma már nagyon hatékony fémragasztók léteznek.)

Tapasztalatból tudjuk, hogy ha valamelyik ragasztószer jól ragasztja a papirost, nem ragasztja ugyanolyan jól az üveget vagy a porcelánt. Most már ennek okát is értjük: hiszen egy bizonyos ragasztószer molekulái csak meghatározott más anyag vagy anyagok molekuláihoz vonzódnak, tapadnak erősen a molekuláris erők révén.
Hogy a mindennapi élet egyszerűnek látszó, megszokott dolgaiban mennyi tudományos érdekesség rejlik éppen a molekulákkal kapcsolatban, azt a kővetkező fejezet is igazolja.


Felhasznált irodalom