Dane INFORMACYJNE Nazwa szkoły: Gimnazjum w Manowie ID grupy: 98/20_mf_g1 Opiekun: Angelika Kowalska-Kowalik Kompetencja: Fizyka i Matematyka Temat projektowy: Czy ciała mają budowę cząsteczkową? Semestr/rok szkolny: 4 semestr 2011/2012

Zmiany stanów skupienia STANY

TOPNIENIE I KRZEPNIECIE Jest to zjawisko przejścia ciała stałego w ciecz pod wpływem temperatury. Zachodzi w ściśle określonej temperaturze zwanej temperaturą topnienia. Jest ona charakterystyczna dla danego rodzaju substancji. Jest to zjawisko przejścia cząsteczek cieczy w ciało stałe pod wpływem obniżania temperatury. Zachodzi w ściśle określonej temperaturze zwanej temperaturą krzepnięcia, charakterystyczna dla danego rodzaju substancji. Dla danej substancji temperatura topnienia jest równa temperaturze krzepnięcia.

PAROWANIE I SKRAPLANIE Jest to zjawisko fizyczne polegające na przejściu substancji ze stanu ciekłego w stan gazowy, zachodzące na powierzchni cieczy. To zjawisko fizyczne polegające na przejściu cząsteczki ze stanu lotnego w stan ciekły.

PAROWANIE A WRZENIE Parowanie zachodzi na powierzchni cieczy Jest to proces o łagodnym przebiegu Zachodzi w dowolnej temperaturze Wrzenie zachodzi w całej objętości cieczy Jest to proces gwałtowny Zachodzi tylko w ściśle określonej temperaturze zwanej temperaturą wrzenia, charakterystyczną dla danego rodzaju cieczy

SZYBKOŚĆ PAROWANIA ZALEŻY OD: rodzaju cieczy – niektóre ciecze parują szybciej od innych temperatury – im wyższa temperatura otoczenia, tym szybciej ciecz paruje wielkości powierzchni parującej – im większa powierzchnia parującej cieczy, tym szybciej ciecz paruje ruchu powietrza w otoczeniu parującej cieczy - im większy ruch powietrza, tym szybciej ciecz paruje

SUBLIMACJA I RESUBLIMACJA Jest to zjawisko fizyczne polegające na przejściu substancji ze stanu gazowego w stan stały z pominięciem stanu gazowego. Przykładem resublimacji jest powstawanie szronu (przy gwałtownym spadku temperatury nadmiar pary wodnej zawartej w powietrzu zamienia się w drobne kryształki lodu. Jest to zjawisko fizyczne polegające na przejściu substancji ze stanu stałego w stan gazowy (lotny) z pominięciem stanu gazowego. Przykładem tego zjawiska może być zanikanie pokrywy śnieżnej podczas mrozu, czy wysychanie mokrego prania na mrozie.

Naukowcy Zajmujący się budową cząsteczkową

Albert Einstein (ur. 14 marca 1879 r. w Ulm w Niemczech, zm Albert Einstein (ur. 14 marca 1879 r. w Ulm w Niemczech, zm. 18 kwietnia 1955 r. w Princeton w USA) – jeden z największych fizyków-teoretyków XX wieku, twórca ogólnej i szczególnej teorii względności, współtwórca korpuskularno-falowej teorii światła, odkrywca emisji wymuszonej. Laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w 1921 roku za wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego. Opublikował ponad 450 prac, w tym ponad 300 naukowych. Wniósł też swój wkład do rozwoju filozofii nauki

Antoine Laurent de Lavoisier (ur. 26 sierpnia 1743 w Paryżu, zm Antoine Laurent de Lavoisier (ur. 26 sierpnia 1743 w Paryżu, zm. 8 maja 1794 tamże) – francuski fizyk i chemik, stracony na gilotynie w wyniku wyroku Trybunału Rewolucyjnego Republiki Francuskiej.Sformułował pierwszą wersję prawa zachowania masy, wykazał, że tlen jest niezbędny przy spalaniu oraz w procesie produkcji kwasów (1778, stąd nazwa kwasoród), udowodnił nieprawdziwość teorii flogistonu i przyczynił się do zreformowania nomenklatury chemicznej.

Robert Brown (ur. 21 grudnia 1773 w Montrose, zm Robert Brown (ur. 21 grudnia 1773 w Montrose, zm. 10 czerwca 1858 w Londynie) – brytyjski botanik. Angielski biolog, który w wyniku badań potwierdził ruchy cząsteczek. Zajmował się między innymi badaniem pyłków roślin i ich zapylania. W latach 1801-1805 brał udział w wyprawie naukowej do Australii, w czasie której badał florę i faunę tego kontynentu. W 1827 r. odkrył nieregularne ruchy i zderzenia mikroskopijnie małych cząstek pyłków kwiatowych "zawieszonych" w gazach i cieczach. W ten sposób odkrył zjawisko określane od jego nazwiska ruchami Browna. W 1831 r. odkrył jądro komórkowe. Badał również zalążki roślinne i budowę nasion. W 1811 r. Brown został członkiem Towarzystwa Królewskiego w Londynie, a w 1833 r. został członkiem Francuskiej Akademii Nauk.

Tales z Miletu - filozof (uczony) grecki okresu przedsokratejskiego, przedstawiciel jońskiej filozofii przyrody. Powszechnie uznawany za pierwszego filozofa cywilizacji zachodniej oraz za inicjatora badań nad przyrodą jako nauki. Należy też do kanonu siedmiu mędrców. Talesa postrzega się jako pierwszego filozofa głównie dlatego, że zainicjował wyjaśnianie rzeczywistości przez odwoływanie się do natury i rozumu bardziej niż do mitologii i tradycji - Grecy widzieli w nim jednak raczej mędrca, niż filozofa.

Ciała stałe i ich właściwości Aby lepiej zrozumieć właściwości ciał stałych trzeba wiedzieć co to oznacza. CO TO JEST „CIAŁO STAŁE”? Jest to substancja, która nie jest płynem ani gazem. Do ciał stałych zaliczamy lód, węgiel, drewno, sól i cukier. Kawałek ciała stałego można zginać lub rozciągać, jednak nie może ono zbytnio zmienić swej postaci. Ciała stałe mają swój określony kształt. Ciała stałe wyróżniają się uporządkowanym układem atomów (cząsteczek), które tworzą trwałą strukturę, zwaną siecią krystaliczną; uporządkowanie polega na periodycznym powtarzaniu się w trzech kierunkach układu współrzędnych podstawowego modelu przestrzennego zwaną komórką elementarną kryształu.

główne właściwości Sprężystość Plastyczność Kruchość

sprężystość Sprężystość jest to cecha ciał, która mówi że po ustaniu sił wywołujących odkształcenia ciało wraca do pierwotnych kształtów i wielkości.

Kruchość Kruchość - właściwość fizyczna ciał stałych (materiałów), polegająca na ich pękaniu (kruszeniu się) pod wpływem działającej na nie siły zewnętrznej. Kruche materiały absorbują stosunkowo mało energii przed pęknięciem, nawet te o dużej wytrzymałości.

Plastyczność Plastyczność - zdolność do ulegania nieodwracalnym odkształceniom (odkształcenie plastyczne) pod wpływem sił zewnętrznych działających na ten materiał.

Przewodzenie elektryczności Przewodnictwo elektryczne – zjawisko skierowanego przenoszenia ładunków elektrycznych przez dodatnie lub ujemne nośniki prądu (np. elektrony, jony) zachodzące w ośrodku materialnym pod wpływem przyłożonego zewnętrznego pola elektrycznego.

kryształy Ciało krystaliczne – ciało stałe, w którym cząsteczki, atomy lub jony są ułożone w uporządkowany w powtarzający się we wszystkich trzech wymiarach przestrzennych schemat ułożenia.

Właściwości cieczy

Ciecz – stan skupienia materii pośredni między ciałem stałym a gazem, w którym ciało fizyczne trudno zmienia objętość, a łatwo zmienia kształt. Wskutek tego ciecz przyjmuje kształt naczynia, w którym się znajduje, ale w przeciwieństwie do gazu nie rozszerza się, aby wypełnić je całe. Powierzchnia styku cieczy z gazem lub próżnią nazywa się powierzchnią swobodną cieczy.

Istnienie cieczy ogranicza od strony niskich temperatur temperatura krzepnięcia, a od wysokich temperatura wrzenia. Czysta ciecz może istnieć w temperaturze niższej od temperatury krzepnięcia – nazywana jest wówczas cieczą przechłodzoną. Może ona także istnieć w temperaturze wyższej od temperatury wrzenia – jest wtedy nazywana cieczą przegrzaną. Ciecz przechłodzona lub przegrzana jest w nietrwałym stanie termodynamicznym i pod wpływem zanieczyszczenia lub zaburzenia odpowiednio krzepnie lub wrze. Niektóre substancje ciekłe o dużej lepkości nie krystalizują się, pozostając w stanie amorficznym, który formalnie biorąc jest cieczą przechłodzoną.

Własności cieczy wynikają z zachowania się jej cząsteczek: Podobnie jak w gazie, mają one pełną swobodę przemieszczania się w objętości zajmowanej przez ciecz występują między nimi oddziaływania międzycząsteczkowe, które się jednak w obrębie objętości cieczy znoszą nawzajem. oddziaływania międzycząsteczkowe nie znoszą się na granicy cieczy z inną fazą na skutek czego występuje zjawisko zwane napięciem powierzchniowym.

Co to gaz .? Czy wiesz co to jest gaz? Otóż jest to po prostu stan skupienia materii, w którym ciało fizyczne łatwo zmienia kształt zajmując wielki obszar. Jest to bardzo ciekawe zjawisko. Okazuje się, że w fazie gazowej cząsteczki mogą bardzo swobodnie poruszać się i dzięki temu nigdy nie zatrzymują się w jednym miejscu. Z kolei jeśli gaz zamkniemy w naczyniu, cząsteczki będą zderzać się ze ściankami naczynia i wywoływać pewne ciśnienie. Gaz, a właściwie jego cząsteczki mogą przemieszczać się z różną szybkością.

Właściwości gazów Odległości między cząsteczkami są bardzo duże .Taka budowa cząsteczkowa sprawia, że gazy rozprzestrzeniają się swobodnie we wszystkich kierunkach i docierają wszędzie. Gazy przyjmują kształt naczynia, w którym się znajdują Łatwo zmieniają objętość, tzn. są ściśliwe i rozprężliwe.

… Gazy są złymi przewodnikami ciepła i prądu elektrycznego Wywierają nacisk na ciała, które się w nich znajdują. Taka budowa cząsteczkowa sprawia, że gazy rozprzestrzeniają się swobodnie we wszystkich kierunkach i docierają wszędzie.

Cząsteczkowa budowa materii Wszystkie ciała są zbudowane z atomów Cząsteczkowa budowa materii Wszystkie ciała są zbudowane z atomów.Atomy mają bardzo małe rozmiary i masy. Atomy mogą łączyć się ze sobą,tworząc cząsteczki. Zjawiska zmniejszania objętości przy mieszaniu się cieczy i rozpuszczaniu się substancji stałych w cieczach świadczą o istnieniu atomów i cząsteczek.Mieszanie się polega na tym,że cząsteczki jednej substancji wchodzą w luki między cząsteczkami drugiej substancji. Pierwiastki Chemiczne są zbudowane z atomów tego samego rodzaju. Cząsteczki (drobiny,molekuły) mogą być zbudowane z atomów różnego rodzaju. Cząsteczki np. wody,szkła , czy drewna (ołówek) oddziałują wzajemnie na siebie.Takie oddziaływanie nazywa się oddziaływaniem międzycząsteczkowym.Jeśli oddziałują na siebie cząsteczki tego samego rodzaju, tzn. tej samej substancji (np. cząsteczki Wody z cząsteczkami wody,cząsteczki szkła z cząsteczkami szkła), to siły między nimi działające nazywamy siłami spójności. Oddziaływanie takie zachodzi,gdy odległości między cząsteczkami są niewielkie (różne dla różnych substancji).

Hipoteza istnienia cząsteczek substancje zbudowane są z cząsteczek *cząsteczki są bardzo małe – bo ani w cieczach czystych, ani w mieszaninie nie można ich zaobserwować pod mikroskopem *cząsteczki różnych substancji są różnej wielkości.

Jakie są rozmiary cząsteczek Jakie są rozmiary cząsteczek? Cząsteczki są bardzo małe – mierzy się ich średnicę w nanometrach (nm). I tak np. średnica cząsteczki wody wynosi ok. 0,3nm *średnica cząsteczki denaturatu to ok. 0,6nm *średnica oleju wynosi kilka nanometrów Materia jest zbudowana z cząsteczek, które znajdują się w ciągłym ruchu. Na skutek wzajemnych zderzeń, w dowolnej chwili różne cząsteczki mają różne prędkości. Jak na rysunku prędkości te mają różne zwroty, kierunki i wartości które ciągle się zmieniają.

Wykorzystując średnią arytmetyczną możemy wyliczyć szybkość średnią cząsteczek z następującego wzoru: Gdzie: v1,v2,v3,vn- szybkości poszczególnych cząsteczek

Jak dawniej spoglądano na budowę materii

starożytność Starożytni Grecy wierzyli, że cały wszechświat złożony jest z czterech żywiołów: ziemi, powietrza, ognia oraz wody. Tales z Miletu , jeden z twórców szkoły jońskiej, zadawał sobie pytanie o "arch", czyli początek, podstawę, osnowę i strukturę świata. Twierdził, że arch to żywioł wody, wszystko z niej pochodzi i do niej powraca - wniosek wyciągnął nie odwołując się do mitów, lecz do obserwacji. Anaksymenes z Miletu , kolejny przedstawiciel jońskiej filozofii przyrody uważał, że prazasadę rzeczywistości (arch) stanowi powietrze lub tchnienie .

średniowiecze W średniowieczu nastąpił rozwój alchemii. Sądzono, że każda substancja jest kombinacją ognia, powietrza, wody i ziemi. Rozpoznawano wówczas kilka pierwiastków metalicznych: złoto, srebro, miedź, rtęć, żelazo i ołów oraz niemetalicznych, np. siarkę. Jednak ówcześni alchemicy twierdzili, że składają się one ze zmieszanych w odpowiednich proporcjach dwóch pierwiastków podstawowych: rtęci oraz siarki…

Inne ciała stałe, określano mianem „ziemi” lub „kryształu” Inne ciała stałe, określano mianem „ziemi” lub „kryształu”. Tym drugim, z racji ich twardości i czystości, przypisywano pewne właściwości magiczne. Znano zaledwie kilka cieczy. Najpowszechniejszą była bez wątpienia woda. Wiedziano dobrze, że w wodzie rozpuszcza się wiele ciał stałych. Fakt ten przytaczano jako dowód na to, że woda jest czystym pierwiastkiem (bądź też żywiołem).

Pierwsze pierwiastki Pojęcie gazu wówczas jeszcze nie istniało. Produkty przemiany kredy w niegaszone wapno pod wpływem temperatury nazywano „powietrzem”. Dopiero w początkach XVII wieku flamandzki chemik Jan Baptista van Helmont stwierdził, że substancja ta ma właściwości różne od powietrza. Substancje lotne nazwał gazami. Z upływem czasu odkrycia chemiczne doprowadziły do obalenia teorii „Czterech żywiołów”. Powoli odkrywano wiele niezależnych pierwiastków, z których zbudowany był świat. Pojawiła się jednak nowa zagadka. Gdy substancje spalano bądź ogrzewano, zmieniały się one w coś zupełnie innego. Co było przyczyną takich przemian.

atomy Słowa molekuła i cząsteczka są używane od prawie dwóch stuleci do opisywania podstawowych elementów substancji. Po zaakceptowaniu teorii Daltona odkryto, że każdy związek chemiczny składa się z identycznych molekuł. Masa cząsteczki była sumą mas atomowych jej składników. Już w 1811 roku włoski chemik Amadeo Avogadro di Quarenga wysunął hipotezę, że równe objętości różnych gazów w tych samych warunkach zawierają taką samą ilość cząsteczek. Hipoteza ta nie była wykorzystywana przez blisko 50 lat, aż do roku 1860, gdy Stanislao Cannizzaro opisał nową metodę wyliczania mas atomowych oparta na teorii Avogadry, a polegającą na pomiarze mas jednakowych objętości par różnych pierwiastków.

Zobaczyć atom Pojedyncze atomy zaobserwowano dopiero w latach 50-tych XX wieku za pomocą skonstuowanego przez Erwina Mullera mikroskopu jonowego. Umożliwiał on obserwację (a właściwie odwzorowanie) pojedynczych atomów metalu. Od lat 70-tych do obserwacji struktury materii używa się mikroskopów skaningowych, a ostatnio tunelowych. Fizyka XX wieku odkryła wewnętrzną strukturę atomu: protony, neutrony i elektrony. Odkryto też inne cząsteczki elementarne, będące podstawowymi samodzielnymi elementami materii. Stwierdzono również, że cząsteczki elementarne maja swą wew. strukturę, a jej elementami są nie istniejące samodzielnie cząsteczki zwane kwarkami. Jak do tej pory kwark jest uznawany za najmniejszą cząstkę atomu.

Budowa atomu 1. Model Rutherforta - atomy przypominają miniatury układu słonecznego, elektrony poruszają się wokół jądra: A) jądro, B) elektron. 2. Model Bohra - aby wyjaśnić stabilność atomu wprowadza pojęcie skwantowanych orbit elektronów: A) jądro, B) elektron, C) orbita elektronu. 3. Model Schrodingera - pomysł precyzyjnie określonych orbit elektronów został zastąpiony opisem obszarów przestrzeni (nazywanych orbitalami), gdzie najprawdopodobniej znajdują się elektrony: A - orbital s: elektrony znajdują się w obszarach takich jak ten. Obszar zacieniony pokazuje prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w pewnej odległości.

Napięcie powierzchniowe

Potrzebne będą nam: Szklanka wypełniona wodą (do pełna) Szpilki Przebieg doświadczenia: Wypełniamy szklankę do pełna wodą, a następnie ostrożnie po jednej wrzucamy do niej do po jednej szpilce. Ile szpilek można dołożyć zanim woda się przeleje? Obserwacje: Im więcej wrzucamy szpilek, tym bardziej woda się podnosi. Wniosek: Po wrzuceniu 56’u szpilek woda przelała się.

Zjawisko dyfuzji

Na początku wzięliśmy trzy szklanki i do pierwszej nalaliśmy zimną wodę, do drugiej ciepłą wodę, a do trzeciej gorącą wodę.

Do każdej ze szklanek wkropiliśmy kilka kropel tuszu i czekaliśmy na efekt.

Modelowe doświadczenie przedstawiające budowę cząsteczkową

Do pustego naczynia wsypujemy groch i kasze po kolei

Zaznaczamy wysokość

Po wymieszaniu Wysokość się zmniejszyła

Oddziaływanie międzycząsteczkowe

Bańka mydlana Bańka mydlana – zazwyczaj sferyczna błona z wody wypełniona powietrzem lub innym gazem. Powstaje z mieszaniny wody z mydłem lub detergentem (np. płynem do mycia naczyń), czasami z niewielkim dodatkiem gliceryny utrudniającym parowanie wody – przedłużającym żywotność bańki. Rola mydła polega na zmniejszeniu napięcia powierzchniowego w wodzie, z której robi się bańki. Samo zmniejszenie napięcia powierzchniowego nie wystarczy do zrobienia bańki mydlanej, rola mydła polega również na stworzeniu cienkiej warstwy na powierzchni wody (z obydwu stron) – dzięki temu otrzymujemy cienką (kilka mikrometrów trójwarstwową błonę, której konstrukcję utrzymuje zmniejszone napięcie powierzchniowe wody. Z formalnego punktu widzenia błona tworząca bańkę jest liotropowym ciekłym kryształem, podobnie jak błona komórkowa. Tęczowe barwy bańki mydlanej powstają w wyniku zjawiska iryzacji.

Oddziaływania międzycząsteczkowe Oddziaływania między atomami w cząsteczkach należą do oddziaływań silnych, których energie są większe niż 100 kJ/mol. Istnieją też znacznie słabsze oddziaływania o energiach znacznie niższych od przytoczonej wartości. Przyciąganie międzycząsteczkowe jest odpowiedzialne za łączenie się atomów lub cząsteczek, ale jest ono ograniczone przez zjawisko odpychania między jądrami oraz rdzeniami elektronowymi sąsiadujących atomów.

Doświadczenie Dobrym przykładem oddziaływania międzycząsteczkowego jest bańka mydlana. Gdy ją zrobiliśmy oddziaływały siły przylegania.

Bańki mydlane

Zadania na temat budowy i właściwości materii

Zadanie 1 Silny uczeń potrafi unieść worek ziemniaków o masie najwyżej 50kg. Czy jest w stanie unieść 5- litrowypojemnikwypełniony rtęcią? Rozwiązanie: Wypisujesz dane pamiętając, że litr to 1dm3. wygodnie też zamienić jednostką objętości na większą, tak aby łatwiej było przeprowadzić późniejsze obliczenia. Gęstość rtęci odczytujesz z tablic. V=51=5dm3=5*0,005 m3 szukane: d=13550kg/m3 m=? Przekształcasz wzór na gęstość i obliczasz masę; d=m/V /*V d*V=m M=1355080,005=67,75kg Odpowiedź: Pojemnik z rtęcią ma masę większą niż 50kg, więc uczeń nie będzie w stanie go unieść.

Zadanie 2 kropelka oliwy o objętości 0,003 mm3 rozpłynęła się po powierzchni wody i zajęła powierzchnię o kształcie koła równą 300cm2. Przyjmując, że grubość warstwy oliwy jest równa średnicy cząsteczki oliwy, oblicz tę średnice. Rozwiązanie: Wypisujesz dane. Powierzchnię SOliwy z oliwy wygodnie jest wyrazić w takich jednostkach, aby dalsze obliczenia były ułatwione. Soliwy=0,003mm3 szukane: h=? Plama oliwy na powierzchni wody ma kształt walca o takiej objętości, jaką miała jedna kropla oliwy. Objętość walca obliczamy ze wzoru: objętośćwalca=polekoła*wysokość Podana powierzchnia (Soliwy) to pole podstawy walca, a szukana grubość plamy (h) Przekształcasz wzór na objętość walca: V=S*h / :S V/S=h I obliczasz wysokość, co odpowiada średnicy cząsteczki oliwy.przy bardzo dużych lub bardzo małych liczbach wygodnie jest wyrazić je w postaci potęg liczby 10. To bardzo upraszcza obliczenia. h=0,003/30000=10-7 10-7=1/10nm Odpowiedź: Średnica cząsteczki oliwy wynosi około 1/10 nm

Zadanie 3 Szybkość, z jaką poruszają się cząsteczki gazu w temperaturze pokojowej, wynosi około 1200m/s. ile teoretycznie powinno upłynąć czasu, aby poczuć zapach perfum w przeciwległym końcu pokoju o długości 5 m?(w praktyce czas ten jest dłuższy, ponieważ cząsteczki poruszają się raczej chaotycznie, a nie prostoliniowo). Rozwiązanie Dane: szukane: v=1200m/s t=? s=5m Szacujesz, w jakim czasie cząsteczka perfum mogłaby przebyć drogę 5 m, gdyby porusza ła się ruchem jednostajnym. Zadanie to pozwoli ci zorientować się, jak szybko poruszają się cząsteczki. Przekształcasz wzór na wartość prędkości w ruchu jednostajnym i obliczasz: v=s/t /*t v*t=s/:v t=s/v t=5/1200=0,004m*s/m=0,004s Odpowiedź: Gdyby cząsteczka perfum poruszała się ruchem jednostajnym prostoliniowym i nie napotykała na swojej drodze innych cząsteczek, to odległość 5mprzebyłaby w czasie 0,004 sekundy!