Din bil består av metall og plast, og litt glass (sand). Om du lurer på hva som på mystisk fysikk-vis holder alt dette sammen så får du – for siste gang i år – litt bakgrunn her.
Bildet øverst: Her bygget de lette og spreke Lotus-biler allerede for tolv år siden, stort sett for hånd – av en samling molekyler kalt stål, aluminium og fiberarmert plast (i karosseriet); en drøss småsaker som ble herlige sportsbiler…. (Foto: Lotus Cars)
Av Stein Bekkevold
Alt henger sammen med alt, og alt opptrer stort sett som molekyler, satt sammen av atomer som holder godt fast i hverandre, særlig i overflaten. Så langt er alt greit, dette var barnelærdommen. Mer: Et ekte molekyl er ifølge lure fysikere en elektrisk nøytral gruppe av atomer holdt sammen av kjemiske bindinger.
At disse er sterke ser du når noe eksploderer – en liten klump av noe forstøves på et millisekund, med dunder og brak – alt som holdt molekylene sammen ga opp med lynglimt og smell …
Molekyler skiller seg fra ioner ved at de IKKE har elektrisk ladning, slik ioner har. Det er ionenes evne til å bære elektroner som gjør at vi har dem i batterier. Litium-ion-batteriet er ett eksempel. Og et molekyl kan bestå av atomer av ett eneste grunnstoff, som to i oksygen (O2) og ett alene i jod – som heter I; eller det kan være en kjemisk forbindelse av flere ting, som vann – to hydrogen og ett oksygenatom; H2O. Og det viktige jernet rundt i naturen er FeO3 – jernoksid – altså rust.
En moderne verden uten metall er utenkelig – vi har brukt jern i mange hundre år, og på sent 1800-tall var storskala utvinning i full sving … (Foto: European Steel Mills)
Molekyler er i alt
De fleste organiske stoffer er en samling molekyler. Du og jeg består av proteiner, aminosyrer, nukleinsyrene DNA & RNA, sukker, karbohydrater, fett og vitaminer. Men: De fleste faste stoffer på jorden er underlig nok ikke molekyler, sier fysikerne.
Tenk på jord, sand, leire, småstein, steinblokker, berggrunn, klodens flytende, glohete jernkjerne. Alle disse inneholder mange kjemiske bindinger, men er ikke egentlig molekyler. Typiske molekyler finnes heller ikke i salter og (kovalente) krystaller, selv om disse kan bestå av gjentatte atomgrupper i ett plan, som i det 100 prosent rene karbonet grafén; eller som tredimensjonalt ordnet (et atomgitter) i diamant, kvarts, natriumklorid. Slik struktur fins også i de fleste metaller – som fysisk sett er kondenserte stoff-faser med metallisk binding. Vi blir ganske svimle …
Så metaller er egentlig ikke laget av klart definerte molekyler. Fysikk er rare greier. Glass er faste stoffer i en uordnet (amorf) tilstand, og der holdes alt sammen av kjemiske bindinger – uten noe egentlig molekyl. Glass er et seigtflytende stoff, silisium med noe attåt – det er smeltet og så halvt størknet kvarts-sand. Og alle atomer er små, bare en tidels nanometer store – en nm er en milliarddels meter … Med vårt beskjedne syn ser vi bare det som er større enn 500 000 atomer på tvers og på langs.
Kjemi i bilen
Molekylet CH4 metan, er starten på en hel serie som blir plast og lakk og sånt, også bensin med C6H14 heksan – og C6H6 bensén eller bensol – pluss flere i alkan-serien med formel CnH2n+2 der du kjenner igjen oktan: C8H18; etter CH4 på skalaen kommer C2H6 etan, C3H8 propan og C4H10 butan. Mens C16H34 er vanlig voks (heksadekan) og C17H36 er enda tyngre, parafin.
Sånn fortsetter det, i det uendelige. C og H danner hydro-karboner av alle slag, og binder seg til hverandre og til alt mulig annet – og ikke minst til nitrogen og oksygen – og blir da plast og det som rarere er, som karbonfiber som er varmebehandlet, strukket polyakryl PAN; det er ikke måte på. Og vi har – som vi har mast om tidligere, plast i hjulene – syntetisk gummi som styren og butadien. Med nylon, Kevlar og annen sterk plast – og ståltråd – i beltene. Og alt dette holdes også sammen av sin egen overflate-spenning som svært ofte er lik e-modulen ganger atomavstanden delt på 20.
Kjære vene…
Vi tenker oss atomene slik – med kjerne og et antall elektroner som snurrer rundt denne. Samler du slike i en klump har du et molekyl … (Tegning: Public Domain Pictures)
Stål
Hovedmetallet i bilen er fortsatt jern, en karbonfattig type som heter stål. Jern er grunnstoffet Fe (latin ferrum) – et metall i noe fagfolk kaller den første overgangsserien – men det kan du glemme. Fe er det vanligste stoffet på jorden, fulgt av oksygen (32,1 % Fe og 30,1 prosent O2), og er en stor del av jordskorpen.
Rent jern er sjeldent, da er det en meteoritt. Jernmalm, derimot, er vanlig, men utvinningen krever ovner på 1500 °C eller mer, 500 grader mer enn for kobber (Cu). Malmen er ofte ferritt, Fe2O3.
Folk begynte å mestre jernutvinning i Eurasia rundt 2000 f.Kr., og jernverktøy og -våpen tok over for kobber fra ca 1200 f.Kr. Dette ble overgangen fra bronse- til jernalder.
I vår tid er stål, rustfritt stål, støpejern og spesialstål de vanlige industri-metallene – med flotte mekaniske egenskaper og brukbar pris. Rent jern er f.ø. blankt og sølvgrått. Det reagerer med oksygen og vann og blir et oksid, rust – jernet går tilbake til naturen, som ferritt.
I motsetning til oksidene hos titan og aluminium – som danner et beskyttende ytre lag, skaper rust bare mer volum som flasser av og åpner nye overflater for enda mer rust. Selv om vanlig jern reagerer lett, har høyrent jern, såkalt elektrolytisk jern, mye bedre korrosjonsmotstand. Det finnes mange eldgamle utendørs saker av rent støpejern som bare står og står. Og da snakker vi om molekylet FeO3 …
Et metall
(gresk métallon, gruve) er en samling atomer som gir et stoff med skinnende overflate, og som leder elektrisitet og varme. Metaller kan hamres/valses til tynne plater eller trekkes til rør og tråd. De kan være ett kjemisk grunnstoff som jern, kobber eller aluminium; en legering som rustfritt og/eller høyfast stål – eller et molekyl som svovelnitrid. I fysikk er metall noe som fortsetter å lede elektrisitet ved null grader K (minus 274 gr C).
Rundt 95 av 118 grunnstoffer er metaller – eller kan være det. Metall utgjør 25 prosent av jordskorpen og brukes over alt i samfunnet. Styrke, pris og holdbarhet har gjort at de finnes i høyhus og broer, i skip og fly, jernbane og kjøretøyer, i husholdning, i verktøy og i rør. Historien til raffinerte metaller begynte med kobber for rundt 11 000 år siden. Gull, sølv, kobber, meteorjern, bly og messing var i bruk, før den første kjente bruken av bronse i det 5. årtusen f.Kr. Sent på 1800-tallet kom tidlige typer stål. Så dagens mange fine legeringer er menneskeskapte mirakler … rett og slett!
Bare så du vet det.
