21 Elektrické vlastnosti látok

20-1 Molekulárna hypotéza

Skúmaním fyzikálnych vlastností látok vyskytujúcich sa v prírode zisťujeme veľmi rozmanité vlastnosti. Niektoré látky sú za normálnych podmienok pevné, a začnú sa topiť, či odparovať sa len pri veľmi vysokých teplotách. Iné látky, pre zmenu, sú plynné a skvapalnia sa, či stuhnú len pri teplotách v blízkosti absolútnej nuly. Jedna kvapalina tečie ochotne, druhá je zase veľmi viskózna. Jedny látky, ako napríklad kovy, veľmi dobre vedú elektrický prúd aj teplo, iné zase sú dielektriká – izolanty. Niektoré látky sú pre viditeľné svetlo úplne priehľadné, iné zase sú úplne nepriehľadné; niektoré majú veľký index lomu, iné zase malý …

Tieto rozmanité vlastnosti látok dávame do súvislosti s ich vnútornou štruktúrou, a pokúšame sa odlišnosti vysvetliť kvalitatívne ale aj kvantitatívne vlastnosťami štrukturálnych častí a vzájomnými pôsobeniami medzi nimi. Predpokladáme, že aj látky, ktoré sú na pohľad úplne homogénne – ako vzduch, voda, či kus kovu – sú v skutočnosti súborom veľmi malých častí, ktoré nazývame molekuly. Nejaká veľmi čistá látka sa skladá z tých istých (identických) molekúl, a odlišnosti fyzikálnych vlastností dvoch čistých látok sú dané odlišnosťou molekúl, z ktorých sa skladajú. Tak, ako existuje veľmi veľa rôznych látok – a ich počet je skutočne nesmierne veľký – rovnako tak existuje veľmi veľa druhov molekúl. Máme molekuly kyslíka, horčicového plynu, vody, alkoholu, glycerínu, železa, azbestu, želatíny, inzulínu, tuku, ….

Molekuly, vytvárajúce látky, držia v látke pohromade intermolekulárne sily (sily pôsobiace medzi molekulami), a tieto sily závisia od charakteru molekúl. Molekulárne sily zabraňujú vnútornému tepelnému pohybu, ktoré sa snažia molekulami vytvorené štruktúry rozložiť. Ak intermolekulárne sily sú dostatočne veľké, molekuly držia pohromade v látke tak silno, ako maltou zlepené tehly murovanej steny (obr. 20.1a), a látka zostáva pevná aj pri vyšších teplotách. Ak sily pôsobiace medzi molekulami sú porovnateľné so silami tepelného pohybu, intermolekulárne sily už nie sú schopné molekuly udržať na mieste, a viac-menej sa voľne posúvajú medzi sebou, ako čerstvé zrnká kaviáru (obr. 20.1b). Takéto látky si uchovajú svoj objem ale ich tvar sa prispôsobí nádobe, v ktorej sú. Viskozita kvapaliny závisí od toho, že ako ľahko sa kĺžu molekuly medzi sebou, a ochota kvapaliny tiecť rastie so zvyšujúcou sa teplotou kvapaliny – rastie tepelný pohyb molekúl kvapaliny. Ak sú intermolekulárne sily veľmi malé, molekuly sa rozlietnu úplne voľne do všetkých smerov, a rovnako ako v prípade múch, ktoré by lietali kade všade, aj molekuly plynov môžeme udržať len v uzavretej sklenenej nádobe (obr. 20.1c).

Obr. 2.4: Tri skupenstvá látky.

To je dôvodom, prečo je možné plyny tak ľahko stlačiť, kompresibilitu plynov, nakoľko stlačením znížime len priestor, v ktorom sa molekuly plynu môžu voľne pohybovať. O veľkosti voľného priestoru medzi molekulami plynu získame určitú predstavu, ak porovnáme hustotu plynu s hustotou po jeho skvapalnení, keď molekuly plynu sa dostanú už tesne k sebe. Napríklad, hustota vzduchu za normálnych podmienok je 0,0012 g/cm3, kým skvapalnený vzduch má hustotu 0,92 g/cm3, v skvapalnenom stave má teda 800-krát väčšiu hustotu. Nakoľko v kvapalnom stave je vzdialenosť medzi stredmi molekúl približne rovná priemeru molekuly, vzdialenosť medzi molekulami v plynnom stave je 8003 = 9,3-krát väčšia, než priemer molekuly. Tieto pomery sú verne zobrazené na obr. 20.2.

21-1 Kladné a záporné ióny

Čistá, destilovaná voda vedie veľmi zle elektrický prúd. Pokiaľ však vo vode rozpustíme malé množstvo kyseliny, lúhu alebo soli, jej elektrické vodivostné vlastnosti sa znateľne zlepšia. Oproti vedeniu elektrického prúdu kovmi, pri vedení elektrického prúdu vodnými roztokmi sa vždy jedná o nejaké chemické zmeny, a ich priebeh závisí od toho, že aké látky sme rozpustili vo vode. Napríklad, ak elektrický prúd vedieme slabým roztokom kyseliny dusičnej (HNO3), na oboch elektródach vznikajú malé bublinky plynu, ktoré vystúpia na hladinu kvapaliny. Tieto plyny môžeme pozbierať v nádobách nad elektródami, ktoré sme pôvodne naplnili vodou (obr. 21.1). Skúmaním týchto plynov zistíme, že pri zápornej elektróde sa vylučoval vodík. A skutočne, ak otvoríme ventil na hornom konci nádoby, plyn vylúčený na zápornej elektróde je možné zapáliť: vypúšťaný vodík, pri horení vstupuje do reakcie s  kyslíkom, a produkuje vodné pary. V nádobe nad kladnou elektródou sa nazbiera kyslík; ak otvoríme horný ventil tejto nádoby, rozžeravená zápalka vzbĺkne v  plyne unikajúcom z nádoby nad kladnou elektródou – spôsobuje to nadmerné množstvo čistého kyslíku¹, ktoré prúdi z nádoby.

Prúd prechádzajúci cez roztok rozdelil molekuly vody na jeho dve zložky, na vodík a kyslík. Ako toto rozdelenie prebieha, a prečo je potrebná prítomnosť prídavnej rozpustnej látky vo vode? Molekula vody H2O je pomerne silne zviazaná štruktúra, a javí len malú ochotu, aby sa rozdelila na ióny. Pri izbovej teplote z 107 molekúl vody sa rozštiepi jediná molekula na ióny H+ a OH−. Pokiaľ v elektrickom poli putuje len tak malý podiel iónov, oprávnene hovoríme o destilovanej vode, že je izolant. Molekuly kyseliny dusičnej (rovnako ako molekuly solí a hydroxidov) sa vo vode veľmi ľahko rozštiepia na ióny H+ a NO3−. Vzniká tak veľké množstvo nabitých častíc, iónov a ich putovanie medzi anódou a katódou, za prítomnosti elektrického poľa, dáva významný elektrický prúd.

Ak na katódu (−) a anódu (+) pripojíme elektrické napätie, kladné ióny (katióny) H+ priťahuje záporná elektróda (katóda), a záporné ióny (anióny) NO3− priťahuje kladná elektróda (anóda).² Pohyb spôsobený týmto priťahovaním vo vodnom roztoku má za následok tok elektrického prúdu; v čistej destilovanej vode by taký tok nenastal. Putujúce ióny H+ a NO3− dorazia k príslušným elektródam, odovzdajú svoj elektrický náboj kovu. Vodík sa neutralizuje prevzatím elektrónu z kovu (katódy), a v podobe bublinky vypláva na povrch kvapaliny. NO3 sa stáva elektricky neutrálnym odovzdaním jedného elektrónu elektróde (anóde), a už elektricky neutrálna molekula vstúpi do nasledujúcej chemickej reakcie s vodou

čím sa uvoľní kyslík a pôvodná molekula kyseliny dusičnej sa zregeneruje. (Prebiehajú aj druhotné chemické reakcie, ktoré produkujú oxidy dusíka, tieto zložitejšie detaily však prenecháme chemikom.) Prechod elektrického prúdu vodou spôsobuje teda nie menej, než to, že molekuly vody sa rozdelia na svoje zložky, na vodík a kyslík.

Ak namiesto kyseliny dusičnej použijeme nejakú soľ (v ktorej vodík danej kyseliny je nahradený kovom), potom na povrchu zápornej elektródy sa zo soli vylúči príslušný kov. Pokiaľ, napríklad, elektrický prúd prechádza roztokom dusičnanu strieborného (AgNO3) (obr. 21.1b), spozorujeme po určitej dobe, že katóda je potiahnutá tenkou vrstvou striebra. Týmto spôsobom je možné povrch predmetov potiahnuť tenkou vrstvou iných kovov.