Previous PageNext Page

3. Anyag és erők

Anyag - a látható világ építőköve

Bevezetés

Az anyag a világ látható építőköve. Megértésével, magyarázatával elsőként a filozófia foglalkozott. Az idealista (teremtéselvű) és a materialista (anyagelvű) felfogás az eredetet tekintve ellentétes magyarázattal szolgál. Az idealista filozófusok szerint az anyagot felsőbbrendű szellem teremtette, s a teremtéstől létezik. A materialista felfogás szerint az anyag tudatunktól független, örökké létező objektív valóság. A természettudományok sem tudtak döntő érveket hozni a fenti két alapvető felfogás mellett, vagy ellen.

A anyagi világot felépítő építőkövek az atomok. Az atomok atommagból és elektronburokból épülnek fel. Az atommagot elektromosan töltéssel rendelkező (proton) illetve nem rendelkező (neutron) elemi részecskék alkotják. Az atommagban összpontosul az atom tömegének túlnyomó hányada, de a térfogatának csak töredékét teszi ki. Az atommagot alkotó részecskék közötti kölcsönhatás erős. Az atommag körül elektronburok helyezkedik el, amelyben a protonnal azonos méretű, de ellenkező előjelű elektromos töltéssel és jelentéktelen tömeggel rendelkező részecskék, az elektronok keringenek. A kiegyensúlyozottság érdekében az elektromosan semleges atomokban a protonokkal azonos számú elektronpályán keringenek elektronok.

Kémai jellemzők

Az atomokban lévő protonok száma (atomszám), illetve az ezeket kiegyensúlyozó elektronok száma alapvetően megszabja az atomok kémiai viselkedését. A különböző atomszámú atomokat kémiai elemeknek nevezzük. Az oxigénben (atomszáma 8) például nyolc proton és nyolc neutron alkotta mag körül nyolc elektron kering. Az atomok "másodlagos nemi jellegeit", azaz vegyületalkotási hajlamát, oldhatóságát, más atomokhoz való kapcsolódásának módját alapvetően az elektronpályák száma, helyzete és betöltöttsége határozza meg.

Az elektronpályákban csak bizonyos számú és geometriájú elektronpálya-konfiguráció lehetséges, illetve megengedett energetikailag. Ha ezek mind betöltöttek, akkor a következő rendszámnál új elektronhéj kiépülése (periódus) kezdődik.

A kémiai elemek az atommag és elektronhéj konfiguráció alapján periódusos táblázatba rendezhetők. A táblázat oszlopai az elekronhéj pozicióinak elektronnal való betöltöttségét, a táblázat sorai az elektronhéjak számát jelzik. Az egy függőleges oszlopba tartozó elemek hasonló tulajdonságúak.

Az Univerzumban a H és a He a messze domináns elemek, a többi elem gyakorisága ezeknek csupán töredéke. A Földön a természetben 92 kémiai elem fordul elő. A periódusos rendszer 92 feletti rendszámú elemei a természetben nem ismertek, csak mesterségesen állíthatók elő. A 92 elem közül mindössze nyolc elem alkotja a Föld összetételének 99 %-át. Ezek mind az 56 atomsúlyig tartó sorozatba tartozó, ún. "könnyű" elemek, a periódusos rendszer 2-4 oszlopából. A mai fizikai ismereteink szerint az Univerzum elemeinek aránya, gyakorisági eloszlása az Ősrobbanást röviddel követő időszakban jött létre, s azóta gyakorlatilag változatlan.

A feltételezések szerint a Föld átlagos összetételét legjobban a kondritos meteoritok közelítik meg. Az alábbi táblázat a kondritok átlagát, valamint a Föld becsült átlagos kémiai összetételét mutatja be.

A Föld és a kondritos meteoritok összetétele

Elem

Kondritok, súlyszázalék

Föld, súlyszázalék

O

33,24

29,5

Fe

27,24

34,6

Si

17,10

15,2

Mg

14,29

12,7

S

1,93

1,93

Ni

1,64

2,39

Ca

1,27

1,13

Al

1,22

1,09

Na

0,64

0,57

Cr

0,29

0,26

Mn

0,25

0,22

P

0,11

0,10

Co

0,09

0,13

K

0,08

0,07

Ti

0,06

0,05

Az általunk ismert és mintázható földkéreg kémiai elemeinek gyakorisága eltér a Föld átlagos összetételétől. A kéregben az O, Si és az Al játszik döntő szerepet, Ca, Mg, Na, K az összetételben jelentősebb, a Fe, Mg, S kisebb arányú.

Geokémiai viselkedés szempontjából Goldschmidt 1922-ben az alábbi csoportosítást javasolta:

A fenti csoportok tulajdonságai közel azonosak, és a periódusos rendszerben is elkülönült csoportokat alkotnak. A csoportosítás csak hozzávetőleges, bizonyos elemek több csoportba is sorolhatók.

A tömegszám az atommagot alkotó protonok és neutronok együttes száma. A kémai elemek különféle izotópokból épülnek fel, az izotópokban a rendszámot (és ezért a kémiai karaktert) meghatározó proton mellé többlet neutron társulhat. A hidrogént például az általános H1 tömegszámú izotópján kívül H2 (deutérium) és H3(tricium) is alkotja, melyben egy, illetve két neutron kapcsolódik az atommagot alkotó egy protonhoz. Az összes izotóp tömegét arányával súlyozottan átlagolva kapjuk az elemre jellemző atomsúlyt (a H esetében 1,008).

Az atomok előfordulhatnak önállóan, de leggyakrabban molekulákat alkotnak, azonos vagy eltérő kémiai elemekhez kapcsolódva. A kémiai kötést, azaz a kapcsolódást, vegyülési hajlamot az atom elektronpálya konfigurációja, illetve az azon tartózkodó elektronok energiaszintje határozza meg.

Kémiai kötéstípusok közül a természetes ásványokban:

illetve ezek keveréke fordul elő a leggyakrabban. Az ionos kötés gyakorlatilag elektroncsere, a kovalens kötés elektron pálya átfedés útján jön létre. A kovalens kötés egyik változata a fémes kötés, amikor az elektronpálya átfedés nem csupán két rácspont, hanem az összes rácspont esetében jön létre. A kémiai kötés ionos, illetve kovalens természete az anyagok fizikai tulajdonságait is erősen befolyásolja.

Az elektronegativitás az a tulajdonság, amely meghatározza azt, hogy a kémiai kötés kovalens vagy ionos természetű lesz-e. Az atomok elektronegativitását az ionizációs energia és az elektronaffinitás összegeként definiálhatjuk. Kis ionizációs energiájú/potenciálú elemek könnyen adnak le elektront (ionizálódnak), s válnak kationná. Nagy ionizációs potenciálú elemek elektronfelvételre hajlamosak, anionná alakulva. Az ionos kötésre hajlamos elemek a periódusos rendszer két szélén, az inkább kovalens kötést alkotó elemek a periódusos rendszer középső oszlopaiban helyezkednek el. Azok az elemek, amelyeknél az elektronpálya összes lehetséges pozició helye betöltött, sem elektronfelvételre, sem elektron leadásra nem hajlamosak, s így molekulákat , illetve vegyületeket sem alkotnak - a természetben ezeket nemesgázokként ismerjük.

Ionizációs energia az az energia, amely egy e elektronnak az atom külső elektronhéjából a végtelenbe való kilökéséhez szükséges. Elektronaffinitás az az energia, amely egy atom esetében egy elektron befogásához szükséges. Az alábbi táblázatban az ionizációs energia értékei (zárójelben), illetve az elektonegativitási érték (Pauling szerint) látható. A tapasztalat szerint azonos elektronegativitású elemek között kovalens, erősen különböző elektronegativitású elemek között ionos kötés jön létre. Az ionizációs energia értéke a periódusos rendszer egy sorában balról jobbra nő. A Földkéreg leggyakoribb épitőkövében, az SiO4 tetraéderben 50% ionos, 50 % kovalens a kötés.

Halmazállapotok

Az anyag a természetes körülmények között három halmazállapotban fordul elő. Mindhárom halmazállapotú anyag részt vesz a földkéreg felépítésében. A földkéregben a szilárd halmazállapotú anyag a szilárd vázat, a folyékony és gáz halmazállapotú anyag oldott állapotú vegyületek szállító közegét alkotja. A halmazállapotok az anyagot alkotó molekulák energia tartalmától függnek. Szilárd halmazállapotban ez az energia viszonylag kicsi, az anyag atomjai méretük, töltésük és kötéstípusuk meghatározta rácsszerkezetben (kristályszerkezetben) rögzítve hőrezgést végeznek. A kristályos anyaggal energiát közölve a hőrezgés nő mindaddig, amíg a rácsszerkezet felbomlik, molekula láncot alkotva folyékony halmazállapotú lesz. További energia felvétellel a molekula láncok is felbomlanak, egyedi molekulákká, gáz halmazállapotban. A folyamat nyomástól és hőmérséklettől függ, és az egyes anyagokra jellemző folyamatgörbét követve megy végbe. A legjobban ismert halmazállapotok a Föld felszínéhez közeli viszonyokra vonatkoznak. A Föld belsejében lévő igen nagy nyomás által deformált anyagok halmazállapota valószínűleg egyetlen, a felszínen ismert halmazállapotnak sem felel meg.

A földtan számos ága a szilárd természetes anyagokkal (ásványokkal) és ezek alkotta kőzetekkel, létrejöttükkel, fizikai viselkedésükkel foglalkozik (pl. ásvány-kőzettan, ércteleptan, litológia, sztratigráfia, stb). A földtani tudományok másik csoportja kifejezetten a szilárd közegben mozgó folyékony és gáz halmazállapotú fluidumokat vizsgálja (kőolajföldtan, vízföldtan, áramlástan, stb). Egy harmadik csoport a szilárd és fluid anyagok alkotta rendszer egészét vizsgálja (pl. szerkezetföldtan, geofizika, geokémia).

Egy másik csoportosítás szerint az anyagok szervesek (azaz szerves anyagokból származó szén alkotta vegyületek) vagy szervetlenek (nem szerves anyagokból származó, akár szénatomot is tartalmazó vegyületek). A földtanban a szerves és szervetlen anyagok egyformán jelentős súlyt kapnak, bár a szerves anyagok a földtörténeti múlt kőzeteiben csak erősen módosult formában nyomozhatók (pl. kőszén, kőolaj, borostyán, stb).

Erő - az anyag mozgatója

A természetben ma négyféle erőt, kölcsönhatást ismerünk.

Gravitáció

A klasszikus fizika szerint az anyag illetve részecskéi a térben mozognak, s mozgásuk iránya, illetve sebessége akkor változik, ha erő hat rájuk. Az erő egyik formája egy távolra ható gyenge kölcsönhatás, a gravitáció. A gravitáció a tömegektől függő nagyságú vonzás, amely tömegek szorzatával egyenesen, távolságuk négyzetével fordítottan arányos.

A gravitáció hatása a domináns bármiféle tömeg mozgásában természetes közegekben - így a gravitáció jelenségét vizsgáljuk, ha a folyóvizek hatását, a tengeri áramlatokat, a szél szállítóképességét, illetve a magma feláramlását vizsgáljuk.

Elektromos kölcsönhatások

Az erő másik formája egy rövid távolságra ható erős kölcsönhatás, amelynek során atomi méretekben erők működnek, gyakorlatilag kétféle dolog között. Ha ezek a dolgok egyformák, az erő taszítás, ha különbözőek, vonzás lép fel közöttük. Ezt a kölcsönhatást fenntartó jelenséget töltésnek nevezzük, a kétféle típust a megállapodás szerint pozitív és negatív jellel jelöltük. A töltéssel nem rendelkező anyag kiegyensúlyozott, a negatív és pozitív töltések hatása egymást kiegyenlíti.

Az anyagot négy fajta erő - kölcsönhatás - mozgatja: a gravitáció, az erős atommag kölcsönhatás a gyenge atommag kölcsönhatás és az elektromágnesség. Az elektromos kölcsönhatás több nagyságrenddel nagyobb erősségű, mint a gravitáció, de mivel az atomok pozitív és negatív töltésekből épülnek fel, így a töltések szempontjából kiegyensúlyozottak, erőhatás nem észlelhető. Egészen kevés töltés többlet vagy hiány észrevehető elektromos hatást hoz létre. A töltések körül elektromos tér alakul ki, ebben a térben a töltésekre erők hatnak, melyek mozgásba hozzák őket. Bár a töltések létrehozta erő a távolság négyzetével csökken, a töltés mozgatásával a hatás lényegesen távolabbra is terjed - hullámjelenségek lépnek fel, elektromágneses tér keletkezik. Az elektromágneses hullámok frekvenciától függően számos formában jelentkezhetnek:

- 105 - 106rádióhullámok
- 1010radar
- 1014 - 1015látható fény
- 1018röntgen
- 1021atommagok gammasugárzása
- 1027kozmikus sugárzás

Az elektromos kölcsönhatások eredménye minden kémiai reakcióként ismert folyamat, kőzetképződés és oldódás, mállás, oxidáció, hidratáció. Hasonló kölcsönhatásokra épül a Föld elektromos erőterének vizsgálata s ennek alkalmazása a földtani kutatások során.

Magerők

Az 1920-as évektől kezdődően, az atommag részletes megismerésével jutott el a fizika két másik kölcsönhatás megismeréséig. Az egyik az atommagot összetartó erős kölcsönhatás, a magerő, amely az előzőekhez képest nagyságrendekkel nagyobb energiát tárol. Az előző, elektromos jellegű kölcsönhatás során felszabaduló kémiai energia és a magerők felszabadítása között akkora a különbség, mint egy hagyományos bomba és egy atombomba felrobbanása során felszabaduló energia között. Ez az erő az, amely a protont és a neutront az atommagban összetartja.

Béta-bomlás

Részlegesen ismert kölcsönhatás, melynek során a neutron lassan protonra elektronra és neutrinóra bomlik.

A négyféle kölcsönhatás nagyságrendi arányai:

Magerők1
Elektromos kölcsönhatás10-2
Béta-bomlás10-5
Gravitáció10-40

Mai feltételezésünk szerint ezek az erők az Ősrobbanást követően 15 GeV energiaszinten, 1028 K hőmérsékleten, 10-35 sec időben váltak szét egymástól.

Az energiának, az erők kifejeződésének sok különböző megjelenési formája van: - gravitációs (helyzeti), - kinetikus (mozgási), - rugalmas, - hő, - kémiai, - radioaktív, - mag, - tömegenergia. Az energiára az energiamegmaradás törvénye érvényes. Ez azt állítja, hogy van egy bizonyos, energiának nevezett mennyiség, amely a természetben végbemenő változások során, időtől függetlenül változatlan marad. Ehhez kapcsolódik néhány más megmaradási törvény: az impulzusmegmaradás, töltésmegmaradás, és még három, a szubatomi részecskék világát leíró megmaradási törvény.

A rendelkezésre álló energiát, illetve az energiák keltette folyamatok lezajlásának menetét a termodinamikai törvények írják le. Ezek lényege, hogy az energia megmarad, de a felhasználható energia ennek csak egy része.

Kérdések:

  1. Mit nevezünk izotópnak?
  2. Mi az elektronegativitás?
  3. Milyen kémiai elemek alkotják az ásványvizet/kockacukrot/műtrágyát/autókatalizátort/akkumulátort/ablaküveget?
  4. Mi a tömegszám?
  5. Mi az atomsúly?
  6. Mi a különbség az oldódás és az olvadás között?
  7. Mi a különbség egy nemesgáz és az oxigén gáz között?
  8. Miben különbözik a gravitációs és az elektromos kölcsönhatás?
  9. Milyen előjellel jelöljük az elektronhiány okozta töltést?
  10. Elképzelhető, hogy egy repülőgép egy élesítetlen atombombát elejt, s az esés okozta ütődés hatására a magreakció elindul?

Ajánlott weboldalak

www.webelements.com
http://pubs.usgs.gov/publications/text/dynamic.html
http://www.geolab.unc.edu/Petunia/IgMetAtlas/mainmenu.html

Irodalom, ha többet akarsz tudni:

Barrow, John. D. (1994): A világegyetem születése. Kulturtrade Kiadó Budapest. 163 p.
Feynman R.P., Leighton R.B., Sands, M. (1970): Mai fizika. 1-9 v. Műszaki Könyvkiadó, Budapest
Verhoogen, J., Turner, F.J., Weiss L.E., Wahrhaftig C., Fyfe W.S.(1970): The Earth. An Introduction to Physical Geology. Holt, Rinehart and Winston, Inc. New York. 748 p.