Dane Grupy Nazwa szkoły: Gminny Zespół Szkół w Piszu ID grupy: 96/28_MP_G1 Kompetencja: Matematyczno – przyrodnicza Temat projektowy: Budowa materii. Semestr/rok szkolny: II / 2009-2010 Opiekun grupy: Violetta Młynarczyk

Spis treści: 1. Rozwój poglądów na temat budowy materii. 2. Ziemia, jej budowa i skład. 3. Eksperymenty potwierdzające cząsteczkową budowę materii. 4. Mikroskopy jako narzędzia badawcze. 5. Obserwacje pod mikroskopem. 6. Budowa atomu. 7. Wyznaczanie rozmiarów cząsteczek nafty. 8. Modele cząsteczek. 9. Fotoreportaż.

ROZWÓJ POGLĄDÓW NA TEMAT BUDOWY MATERII ROZWÓJ POGLĄDÓW NA TEMAT BUDOWY MATERII Jesteśmy otoczeni przez materię. Widzimy dookoła siebie przedmioty twarde lub miękkie, elastyczne lub sztywne, mocne lub delikatne, o różnych kolorach i zapachach, różne w dotyku. Są to liczne postacie materii. Właściwie już od starożytności człowiek szukał prostego wyjaśnienia tej różnorodności, np. Wyobrażając sobie, że składniki materii są nieliczne i dopiero ich kombinacje tworzą rozmaite substancje.

TALES Z MILETU i ANAKSYMENES Z MILETU TALES Z MILETU ( 620 - ok. 540 p.n.e.) Uznaje wodę za początek wszystkiego, Mawiał: „Wszystko jest z wody, z wody powstało i z wody się składa". ANAKSYMENES Z MILETU (585-525 p.n.e.). Napisał dzieło "O przyrodzie", w którym wyjaśnił, że podstawą wszystkich rzeczy, jest tak naprawdę powietrze. W swym normalnym stanie jest tym powietrzem, którym oddychamy. Gdy robi się gęstsze, staje się najpierw wodą, a potem ziemią.

LEUKIPPOS, LEUCYP V w. p.n.e. Jemu przypisuje się stworzenie pierwszego atomistycznego systemu filozofii przyrody i uważa się, że Demokryt z Abdery oparł się na jego dorobku. Pozostawił on po sobie dzieło, z którego zachowały się fragmenty, „O wielkim porządku świata”. Był nauczycielem Demokryta.

Demokryt z Abdery DEMOKRYT ok.460 - ok.370 p.n.e. Demokryt wraz z Leukippososem stworzyli system, którego podstawą była nauka o atomach. Dowodził on, że każdą rzecz daje się rozdzielić na poszczególne części, ale kresem tego podziału jest cząstka, działka najmniejsza, już niepodzielna - atom. Każde ciało składa się z atomów i próżni, ale w żadnym atomie nie ma już próżni i na nim wszelki podział się kończy.

ARYSTOTELES ZE STAGIRY (384 -322 p. n. e ARYSTOTELES ZE STAGIRY (384 -322 p.n.e.) Sto lat później upowszechnił naukę o pierwiastkach. Głosił on, ze elementy - pierwiastki - są obdarzone charakterystycznymi przymiotami. Twierdził, że materia składa się z czterech wspomnianych żywiołów. Ogień jest suchy i ciepły; powietrze - cieple i wilgotne; woda - wilgotna i zimna; a ziemia - zimna i sucha. Żywioły Arystotelesa całkowicie zastąpiły atomy Demokryta.

TEOFRASTUS PARACELSUS PARACELSUS (1493 - 1541) wprowadził teorie trzech pierwiastków: merkuriusza (czyli rtęci), siarki i soli. Merkuriusz był synonimem płynności i lotności ciał, siarka ich palności, sól zaś ich stałości.

Robert Boyle - 1627-1691 Twierdził, że ciśnienie jest spowodowane ruchem cząsteczek, które zderzają się z innymi przedmiotami działając na nie pewną siłą. Szukał podstawowych składników materii. Według niego istnieje nieuchwytna substancja ognista - "materia ognista". Jako pierwszy sformułował pojęcie pierwiastka chemicznego.

John Dalton - 1766 - 1844 Angielski fizyk, chemik i meteorolog. Twórca nowożytnej atomistycznej teorii materii opublikowanej w rozprawie "A new System of Chemical Philosophy", odkrył prawo ciśnień cząstkowych . Chemik angielski John Dalton formułuje nowoczesną koncepcję pierwiastków i związków chemicznych zbudowanych z atomów i cząsteczek.

VII POSTULATÓW WSPÓŁCZESNEJ TEORII DALTONA: 1. Każdy pierwiastek chemiczny jest zbiorem małych cząsteczek zwanych atomami. Wszystkie atomy tego samego pierwiastka maja takie same własności chemiczne. 2. Atomy różnych pierwiastków różnią się od siebie cechami fizycznymi i chemicznymi. Istnieje tyle rodzajów atomów ile mamy pierwiastków. 3. Atom danego pierwiastka nie może ulec przekształceniu w atom innego pierwiastka na drodze zwykłej reakcji chemicznej. 4. Łączenie się pierwiastków w związki chemiczne polega na łączeniu się atomów różnych pierwiastków w większe zespoły zwane cząsteczkami 5. Związek chemiczny jest zbiorem cząsteczek. Wszystkie cząsteczki danego związki chemicznego zawierają tę samą liczbę tych samych atomów i mają identyczne własności chemiczne. 6. Rozłożenie związku chemicznego na pierwiastki polega na rozpadzie cząsteczek na atomy. 7. Atomy tego samego pierwiastka mogą połączyć się w cząsteczki np. O2.

Dymitr Mendelejew - 1834 - 1907 Wielki chemik rosyjski żyjący w latach 1834-1907, opracował podręcznik dla studentów, układając pierwiastki według ciężaru atomowego . Zauważył prostą zależność - co ósmy pierwiastek miał podobne właściwości.

Sir Joseph John Thomson - 1856 - 1940 – fizyk angielski, odkrywca elektronu. W 1906 r. otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki wspólnie z Ernestem Waltonem, za ich pionierskie prace związane z przekształceniem jąder atomowych za pomocą sztucznie przyspieszanych cząstek. Model rodzynkowy Thomsona – po odkryciu elektronów narodziła się koncepcja atomu jako kuli ładunku dodatniego, w której rozmieszczone są mniejsze kulki ładunku ujemnego (elektrony), tak jak rodzynki w cieście.

Ernest Rutherford – 1871 – 1937 Jądro ma objętość ok. 1015 razy mniejszą od całego atomu i skupia ono w sobie niemal całą jego masę. Proton i neutron są o ok. 1840 razy cięższe od elektronu. Protony i neutrony mają podobną masę. Powstało wiele modeli jądra atomowego, początkowo na gruncie mechaniki klasycznej a następnie kwantowej Rutherford - chemik i fizyk , jako pierwszy potwierdził istnienie jądra atomowego

ALBERT EINSTEIN 1879- 1955 – jeden z największych fizyków-teoretyków XX wieku, twórca ogólnej i szczególnej teorii względności, współtwórca korpuskularno - falowej teorii światła, odkrywca emisji wymuszonej . Laureat Nagrody Nobla za wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego.

Niels Henrik David Bohr 1885-1962 – fizyk duński, laureat Nagrody Nobla z dziedziny fizyki w roku 1922 za opracowanie teorii budowy (struktury) atomu.

JAMES CHIDWICK - 1891 - 1974 W roku 1932 James Chidwick dokonał kolejnego odkrycia - jądro jest strukturą złożoną i składa się z cząstek dodatnich oraz obojętnych. Cząstki dodatnie zostały odkryte przez Rutherforda w roku 1919 i nazwano je protonami. Wykazał on, że w jądrze oprócz dodatnio naładowanych protonów występują również cząstki obojętne. Cząstki te nazwane zostały neutronami.

Ziemia Historia Ziemi obejmuje okres około 5 miliardów lat . Aby ułatwić zrozumienie tych zdarzeń na osi czasu porównamy je do jednej doby czyli 24 godzin. O godzinie 00:00 wielki wybuch i powstaje Ziemia. Godzina 24:00 to dzisiaj. Oznacza to, że jedna sekunda umownego "życia" Ziemi to 53 000 lat czasu rzeczywiste- go. Wielki Wybuch, podczas którego powstał Wszechświat, nastąpił około 14 miliardów lat temu. Oznacza to , że nastąpił on około trzech "dni" temu czyli dwa "dni" przed rozpoczęciem historii Ziemi. Ziemia

BUDOWA GEOLOGICZNA ZIEMI Jądro ziemi 6370 km – 2900 km ; nie przewodzi fal , jest w stanie ciekłym. Poniżej 5100 km jądro wewnętrzne jest w stanie stałym. Jądro wewnętrzne Temp. – kilka tysięcy oC , Ciśnienie – kilkaset tysięcy M Pa Skład - Fe(żelazo), Ni (nikiel), S (siarka), Si (krzem), O2 (tlen) , K (potas)   Jądro zewnętrzne Stan ciekły . Ruchy konwekcyjne są źródłem magnetyzmu Ziemi.

Litosfera Zewnętrzna, sztywna warstwa , która obejmuje skorupę ziemską i górną część płaszcza ziemskiego. Złożona z typowych skał, nie różniących się od znanych na powierzchni. Lokalnie zjawiska magmowe i zjawiska wulkaniczne. Sięga w głąb od 10 do 100 km.

SKORUPA ZIEMSKA: Ocean 2. Dno basenu 3. Ryft- powstaje na skutek rozciągnięcia się skorupy ziemskiej 4. Grzbiet śródoceaniczny 5. Rów oceaniczny 6. Szelf 7. Skłon kontynentalny 8. Skorupa oceaniczna 9. Skorupa kontynentalna 10. Granica między skorupą i płaszczem Ziemi 11. Warstwa skał osadowych 12. Warstwa bazaltowa 13. warstwa granitowa 14. Płaszcz Ziemi 15. Kierunek wsuwania się płyty oceanicznej pod kontynentalną 16. Linia, wzdłuż której następuje wzajemne przemieszczanie się płyt

PŁASZCZ ZIEMI Płaszcz dolny - Mezosfera Tuż nad jądrem Ziemi - od 350 do 2900 km. Odznacza się temp. 2000- 3000 oC . W skutek wielkiego ciśnienia materiał skalny jest w stanie stałym. Płaszcz górny - Astenosfera Odznacza się znacznie większą plastycznością. Granice astenosfery przypadają na różnych głębokościach (10-100 km górna; ok. 350 km dolna. 10 % przechodzi w fazę ciekłą; Stanowi smar ułatwiający poruszanie się litosfery. Powyżej najniższa warstwa litosfery. Powierzchnia Mohorovicica – MOHO - Granica między skorupą i płaszczem Ziemi

MineraŁy Skorupa ziemska zbudowana jest z minerałów, czyli związków chemicznych lub pierwiastków o jednorodnej budowie fizycznej, tworzących się w skorupie ziemskiej w wyniku działania procesów geologicznych. Minerały powstają w czasie krzepnięcia magmy, wytrącania się z roztworów, w wyniku procesu wietrzenia chemicznego lub przekształceń zachodzących pod wpływem wysokich temperatur i ciśnienia. Minerały różnią się twardością, tj. odpornością na ścieranie. Najmniej twardym minerałem jest talk, najbardziej twardym – diament. Obecnie znamy ponad 3000 minerałów, lecz tylko ok. 200 z nich odgrywa dużą rolę w budowie skał. Są to minerały skałotwórcze, do których należą: – kwarc – dwutlenek krzemu, – skalenie – glinokrzemiany sodu, potasu i wapnia, – mika (łyszczyk) – uwodnione glinokrzemiany potasu, żelaza i magnezu, – kalcyt – węglan wapnia. Minerały występujące w skorupie ziemskiej niezwykle rzadko to kamienie szlachetne, np. diament, beryl, topaz, oliwin, opal.

zdjęcie: plansza wykonana przez Adama przedstawia mapę rozmieszczenia minerałów na kontynentach i w Polsce.

SKAŁY - naturalny zespół jednorodnych lub różnych minerałów. Skały magmowe powstają w wyniku krzepnięcia magmy, czyli gorącego stopu krzemianów górnego płaszcza Ziemi. W zależności od miejsca krzepnięcia (różnych warunków krystalizacji minerałów) wyróżniamy skały: głębinowe i wylewne, Skały osadowe powstają przez nagromadzenie się materiału przynoszonego przez powstają przez nagromadzenie się materiału przynoszonego przez czynniki zewnętrzne (Np. wodę, lodowiec, wiatr), na skutek jego osadzania się lub wytrącania z roztworu wodnego. Nauka zajmująca się powstawaniem skał osadowych to sedymentologia. Skały przeobrażone - powstałe ze skał magmowych bądź osadowych (jak również niekiedy innych metamorficznych) na skutek przeobrażenia (metamorfizmu) pod wpływem wysokich temperatur (Np. w pobliżu ognisk magmy) lub wysokiego ciśnienia, oraz związanych z nimi procesów chemicznych.

MINERAŁY

Dolomit Dolomit (CaCO3·MgCO3), pospolity minerał wapnia i magnezu. Krystalizuje w układzie trygonalnym. Kolor bezbarwny, biały lub szarawy. Połysk szklisty. Stanowi główny składnik skał osadowych zwanych dolomitami. Domieszkowo występują w nich bituminy, kalcyt, minerały ilaste. Struktura ziarnista, zbita. Występuje również w wapieniach, marglach i opokach.

Hematyt Hematyt, żelaziak czerwony, Fe2O3, minerał, tlenek żelaza, jedna z najważniejszych rud żelaza. Grubokrystaliczne odmiany hematytu (błyszcz żelaza) mają barwę żelazistoczarną lub stalowoszarą, z silnym połyskiem metalicznym. Odmiany hematytu zbite, skrytokrystaliczne (żelaziak czerwony) mają barwę matową, ciemnoczerwoną.

Limonit Limonit, żelaziak brunatny, Fe2O3·nH2O, mieszanina mineralna o zmiennym składzie (skład przeciętny to 2Fe2O3·3H2O), zwłaszcza zawartości wody, i różnych barwach: czarnobrunatny, koloru goździków (przyprawy), żółtawobrunatny, żółty, ziemisty. Należy do najpospolitszych związków żelaza.

Kalcyt Kalcyt – minerał z gromady węglanów. Bardzo rozpowszechniony minerał skałotwórczy. Nazwa pochodzi od gr. chalix = wapno oraz łac. calx ( calcis ) = wapno; i nawiązuje do tradycyjnego zastosowania tego minerału.

Kwarc Kwarc, polimorficzna odmiana tlenku krzemu (SiO2), najbardziej pospolity minerał budujący skorupę ziemską. W temperaturze powyżej 537oC krystalizuje w układzie heksagonalnym (alfa-kwarc), poniżej tej temperatury – w trygonalnym (rozpowszechniony w przyrodzie beta-kwarc). Występuje w postaci prawidłowych kryształów, skupień ziarnistych lub skrytokrystalicznych (chalcedon). Bezbarwny (kryształ górski) lub rozmaicie zabarwiony, tworzy odmiany przezroczysta lub przeświecające, cenione jako kamienie półszlachetne: fioletowy – amestyt, żółty – cytryn, ciemnobrunatny – kwarc zadymiony, czarny – morion i inne, twardy, kruchy. Wykazuje właściwości pizoelektryczne.

Talk Talk – minerał z gromady krzemianów. Należy do grupy minerałów pospolitych. Nazwa pochodzi od arabskiego słowa talq oznaczającego mikę i nawiązuje do podobieństwa tych minerałów. Z kolei po łacinie talcus to tłuszcz, stąd w dawnej polszczyźnie czasem używano nazwy łojek.

Wykonamy kilka prostych doświadczeń dowodzących cząsteczkowej budowy materii oraz udowodnimy, że cząsteczki oddziałuj ą na siebie. Wyniki eksperymentów zaobserwujemy gołym okiem . Mówimy o nich makroskopowe.

Do jednej menzurki wsypałyśmy ok. 200 g kaszy do drugiej ok Do jednej menzurki wsypałyśmy ok. 200 g kaszy do drugiej ok. 200 g grochu.

Zmierzyłyśmy objętość grochu i kaszy.

Po zmieszaniu kaszy z grochem wcale nie było tyle ile wszyscy przypuszczali, a mniej. Ziarenka kaszy „ powchodziły „ między ziarna grochu . Przyczyną są różne rozmiary ziarenek składników. Postanowiłyśmy zrobić taki sam eksperyment , ale z cieczami ( wodą i alkoholem).

Odmierzyłyśmy do jednego cylindra miarowego 50 cm³ wody, a do drugiego tyle samo denaturatu. Następnie przelałyśmy denaturat do wody i zmieszałyśmy. Dziwne !!!! Dlaczego???? Nie było 100 cm³ a 92 cm³ . Choć tego nie widać gołym okiem to już wiemy , że cząsteczki cieczy mają różne rozmiary…

W kolejnym eksperymencie pokażemy, że cząsteczki substancji przyciągają się… Na początku rozgrzałyśmy metalowy drut nad świeczką i zrobiłyśmy dwie dziurki w pustej butelce po szamponie. Kiedy wlałyśmy do niego wodę strumyczki połączyły się. To potwierdza, że oddziaływanie międzycząsteczkowe istnieje. Cząsteczki wody przyciągały się.

Mikroskopy Nasza ciekawość dotycząca budowy materii rozbudziła się na dobre. Musimy materię obejrzeć w dużym powiększeniu pod mikroskopem. Pani od biologii użyczyła nam mikroskopu szkolnego. Aby móc posługiwać się nimi musieliśmy zebrać informacje o mikroskopach,

Rodzaje mikroskopów Mikroskop akustyczny- przyrząd wykorzystujący fale ultradźwiękowe Mikroskop elektronowy, Mikroskop optyczny Mikroskop fluorescencyjny Mikroskop polaryzacyjny

Budowa mikroskopu optycznego

Badanie materii z wykorzystaniem mikroskopu

Woda z rzeki Pisy Woda z rzeki jest mieszaniną wody i stałych zanieczyszczeń np. : sole mineralne, fosforany i kwasy mineralne. Woda w słoiku na pierwszy rzut oka wydawała się czysta, lecz po dłuższej obserwacji można było dostrzec w niej drobne zanieczyszczenia. Pod mikroskopem wszystko było już jasne. W wodzie były pierwotniaki oraz zanieczyszczenie, których niestety nie udało mi się zbadać pod szkolnym mikroskopem : )

Woda pod mikroskopem

Kreda Kreda - skała osadowa, która powstała na dnie mórz i oceanów. Jest odmianą wapieni dość czystych, nie zawierających wielu domieszek. Jej podstawowym składnikiem jest kalcyt. Zbudowana jest głównie z mikroskopowych skorupek kokolitów i otwornic oraz bardzo drobnoziarnistego mikrytu. Kreda szkolna

Kreda pod mikroskopem

Błyszczyk Błyszczyk - kosmetyk kolorowy służący do podkreślenia ust i nadania im delikatnego połysku i barwy, używany zamiast szminki lub razem z nią. Występuje w formie półpłynnej substancji lub w formie bardziej stałej, zbliżonej do wazeliny. W skład błyszczyka wchodzą takie substancje jak: witaminy a nawet kwasy hialuronowe.

Błyszczyk pod mikroskopem

Zdjęcia z badań

Tak pracowaliśmy...:)

Aby zagłębić się jeszcze bardziej w budowę materii potrzebny byłby mikroskop elektronowy. Niestety nie posiadamy takiego, ale dowiedzieliśmy się, co można nim zbadać i okazało się, że: Mikroskop elektronowy pozwala badać strukturę materii na poziomie atomowym. Im większa energia elektronów tym krótsza ich fala i większa rozdzielczość mikroskopu. Za jego pomocą można pokazać, że:

Budowa atomu, rozmiary atomu …

Atom Atom – najmniejszy składnik materii, Składa się z jądra i otaczających to jądro elektronów.

BUDOWA ATOMU W jądrze znajdują się nukleony: Atomy składają się z jądra i otaczających to jądro elektronów. W jądrze znajdują się nukleony: Protony - noszą ładunek elektryczny dodatni Neutrony - są cząstkami obojętnymi Elektrony – ujemny. W każdym obojętnym atomie liczba protonów i elektronów jest jednakowa. W takiej sytuacji łączny ładunek protonów i elektronów wynosi zero. Atomy z liczbą elektronów różną od liczby protonów nazywane są jonami, czyli atomami posiadającymi ładunek elektryczny. O właściwościach atomów decyduje liczba protonów w jądrze atomowym. Grupy atomów o takiej samej liczbie protonów w jądrze, a różnej liczbie neutronów określamy jako izotopy danego pierwiastka (określonego liczbą protonów).

ROZMIARY ATOMÓW I CZĄSTECZEK Rozmiary atomów są rzędu 10−10 m. Zależą od rodzaju atomu. Masa ich rośnie w miarę wzrostu liczby atomowej w przedziale od 10−27 do 10−25 kg

PROTONY I NEUTRONY Protony są głównym składnikiem pierwotnego promieniowania kosmicznego. Protony wraz z neutronami (→ nukleony) tworzą jądra atomowe pierwiastków chemicznych. Liczba protonów w jądrze danego atomu jest równa jego liczbie atomowej, która z kolei jest podstawą uporządkowania atomów w układzie okresowym pierwiastków. To cząstki występujące w jądrach atomowych. Jest obojętny elektrycznie. Neutron jest cząstką złożoną należącą do nukleonów i składa się z dwóch kwarków dolnych (d) i jednego górnego (u), związanych ze sobą ddziaływaniem silnym.

Tak zachowują się elektrony w atomie - krążą wokół jądra atomowego

Postanowiliśmy sami wyznaczyć rozmiary cząsteczki nafty Postanowiliśmy sami wyznaczyć rozmiary cząsteczki nafty. W tym celu odmierzyliśmy do pipety 1 cm³ nafty, wypuszczaliśmy z niej po jednej kropli i policzyliśmy ile ich będzie. Dzieląc 1 cm³ na 38 kropli ( tyle ich naliczyliśmy) otrzymaliśmy objętość jednej. Przyjmując, że wszystkie krople są jednakowej wielkości upuściliśmy jedną na powierzchnię wody. Założyliśmy, że na wodzie utworzy się plama grubości 1 cząsteczki nafty. Zmierzyliśmy średnicę plamy i już byliśmy w domu… Porównaliśmy nasze wyniki z danymi w Internecie . Okazało się, że rząd wielkości wyszedł taki sam.

Obliczenia rozmiarów cząsteczek nafty

MASA I ROZMIARY ATOMÓW Nazwa pierwiastka Masa atomu Średnica atomu wodór 0,167 * 10-23 g 0,000 000 008 cm tlen 2,66 * 10-23 g 0,000 000 0013 cm węgiel 2,00 * 10-23 g 0,000 000 0015 cm

Model cząsteczki wody. cząsteczki kwasu. azotowego Model cząsteczki wody cząsteczki kwasu azotowego zbudowane przez Dawida

Krótki fotoreportaż z realizacji tematu : Budowa materii.