Miksi happi ja vety ovat kokoonpuristuvia, mutta vesi on hädin tuskin kokoonpuristuvaa

Kahden (ei-reagoivan) atomin välisen voiman antaa suunnilleen Lennard-Jonesin potentiaali, ja se vaihtelee atomien välisen etäisyyden mukaan jotakuinkin näin:

(tämä kuva on Wikipedian artikkelista, jonka olen linkittänyt edellä). Kaaviossa parametrin $\sigma$ voidaan ajatella olevan atomin koko, joten arvo $x$-akselilla $r/\sigma = 1$ on piste, jossa atomit kohtaavat. Kun atomit ovat kaukana toisistaan, vetovoima on hyvin vähäinen, mutta heti kun atomit joutuvat kosketuksiin, syntyy voimakas repulsio, ja on hyvin vaikeaa työntää atomeja lähemmäs toisiaan.

Varoittelen ottamasta tätä liian iteratiivisesti, sillä atomit ovat jokseenkin epämääräisiä objekteja eikä niillä ole tarkkaa kokoa.

Pitää kuitenkin muistaa, että atomien välissä on etäisyys, jossa ne yhtäkkiä alkavat repuloida vahvasti toisiaan.

Palaan nyt takaisin kysymykseenne. Lähes ideaalisille kaasuille, kuten hapelle ja vedylle, vakiolämpötilassa ja -paineessa yksi mooli (eli $6.023 \ kertaa 10^{23}$ molekyyliä) mahtuu noin 22.4 litraan. Tämä tarkoittaa, että molekyylien keskimääräinen välimatka on noin 3 nm. Happimolekyylin koko on hyvin karkeasti (ne eivät ole pallomaisia) 0,3 nm, joten molekyylien välinen etäisyys on noin 10 kertaa niiden koko. Tämä on kaukana oikealla edellä olevassa kuvaajassa, ja se tarkoittaa, että molekyylien väliset voimat ovat pienet ja niitä on hyvin helppo työntää yhteen. Tämän vuoksi kaasuja voidaan helposti puristaa.

Katsotaan nyt vettä. Yksi mooli vettä (0,018kg) vie noin 18ml, joten molekyylien välimatka vedessä on noin 0,3nm – toisin sanoen ne ovat kosketuksissa toisiinsa. Tämä on kohta, jossa molekyylit alkavat hylkiä toisiaan jäntevästi, minkä vuoksi niitä on vaikea työntää lähemmäs toisiaan. Siksi vesi ei puristu helposti.

Kysyt (reagoimattoman) hapen ja vedyn seoksen puristamisesta. No jos happea puristaa tarpeeksi, se nesteytyy, ja nestemäisen hapen tiheys on noin 1140 kg/m$^3$. Tällöin happimolekyylien välinen etäisyys on noin 0,35 nm. Tämä väli on suunnilleen sama kuin O$_2$-molekyylien koko, joten nestemäistä happea on vaikea puristaa. Voit toistaa tämän laskutoimituksen nestemäiselle vedylle (tiheys noin 71 kg/m$^3$) ja saat hyvin samanlaisen tuloksen. Itse asiassa odottaisin nestemäisen vedyn olevan puristettavampaa kuin nestemäisen hapen ja veden, koska H$_2$-molekyyli on huomattavasti pienempi. Nopea googletus ei kuitenkaan löytänyt arvoja nestemäisen vedyn bulkkimoduulille.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista.