Wiesz z życia codziennego, że woda potrafi parować z czajnika lub skraplać się w postaci rosy. Gdy zamieni się w lód można po nim jeździć na łyżwach. Czy zastanawiałeś się, dlaczego jest to możliwe?
R1X5TOeNYykIc1
Już potrafisz
podać rodzaje oddziaływań występujących w przyrodzie.
Nauczysz się
podawać przykłady świadczące o cząsteczkowej budowie materii;
wymieniać podstawowe założenia kinetyczno‑cząsteczkowej teorii budowy materii;
wyjaśniać, na czym polega zjawisko dyfuzji, oraz podawać jego przykłady w przyrodzie i życiu codziennym;
zademonstrować zjawisko dyfuzji w cieczach i gazach;
opisywać zjawisko dyfuzji w ciałach stałych;
wyjaśniać, na czym polegają ruchy Browna.
itnOdtxvUS_d5e177
1. Od Demokryta do Daltona
Jednym z ważniejszych osiągnięć ludzkości było odkrycie atomu. Potwierdziło ono przypuszczenie (wysnute już w starożytności), że materia składa się z małych niepodzielnych cząsteczek (ziaren). Jednym z pierwszych uczonych, który głosił taką teorię, był Demokryt z Abdery (V–IV w. p.n.e.). Uważał on, że wszystkie ciała składają się z niepodzielnych cząstek, które są wieczne i poruszają się w próżni. Współcześnie fakt ten określany jest mianem ziarnistej budowy materii. Według naszej obecnej wiedzy materia składa się z cząsteczek znajdujących się w nieustannym ruchu. Są one albo są pojedynczymi atomami, albo składają się z kilku atomów. Teoria atomistyczna była jednak odrzucana przez większość uczonych aż do XVIII w.
RBkCKrv8Ekg8v1
Współczesne pojmowanie budowy materii zawdzięczamy Johnowi DaltonowiJohn DaltonJohnowi Daltonowi.
Teoria Daltona zakładała m.in., że:
atom jest najmniejszą porcją materii;
jest tyle rodzajów atomów, ile istnieje pierwiastków;
atomy tego samego pierwiastka są identyczne;
atomy tych samych lub różnych pierwiastków mogą się ze sobą łączyć i tworzyć cząsteczki pierwiastków lub związków chemicznych;
substancje są stworzone z cząsteczek i atomów.
Ćwiczenie 1
R1OI9dc9OIwSD1
zadanie interaktywne
zadanie interaktywne
Przeczytaj poniższe zdania. Które z nich są prawdziwe, a które fałszywe?
Prawda
Fałsz
Cząsteczka składa się wyłącznie z atomów tego samego pierwiastka.
□
□
Wszystkie ciała zbudowane są z atomów.
□
□
Atom, najmniejsza ilość danego pierwiastka, nie składa się z innych mniejszych elementów.
□
□
Cząsteczki zbudowane są z co najmniej z trzech atomów.
□
□
Ciekawostka
John Dalton w wieku 12 lat postanowił założyć własną szkołę. Wraz z braćmi uczył w niej angielskiego, francuskiego, greki oraz łaciny, a także pisania i arytmetyki. Odkrył, że nie rozróżnia kolorów, gdy podarował swojej mamie parę jaskrawoczerwonych jedwabnych pończoch. Mama ucieszyła się z tego prezentu, jednak stwierdziła, że nigdy nie będzie mogła ich założyć, ponieważ są zbyt jaskrawe. Dalton myślał, że kupił fioletowe pończochy, i dopiero opinia sąsiadów przekonała go, że było zupełnie inaczej.
Daltonizm to choroba polegająca na nierozróżnianiu barw. Wyróżniamy daltonizm częściowy, gdy prawidłowo funkcjonują wszystkie czopki w oku, oraz „ślepotę barw”, gdy czopki czerwone lub zielone w ogóle nie działają.
itnOdtxvUS_d5e248
2. Ruch cząsteczek
Cząsteczki, z których zbudowana jest materia, znajdują się w nieustannym chaotycznym ruchu, a ich prędkości związane są z temperaturą ciała. Im większa wartość prędkości cząsteczek, tym wyższa jest temperatura ciała. Kiedy obniżamy jego temperaturę, spowalniamy jednocześnie ruch jego cząsteczek.
R14OTrQajQJIP1
W 1827 roku Robert Brown, szkocki botanik, obserwował pyłki roślin zawieszone w wodzie. Uczony zauważył, że pyłki poruszają się chaotycznie.
R16HS8mDCkbye1
Bardzo go to zaciekawiło, ale przypuszczał, że źródłem tych ruchów są lokalne prądy przepływu cieczy lub powolne parowanie wody. Po wielokrotnym powtórzeniu tego eksperymentu Robert Brown odrzucił jednak swoje pierwotne hipotezy.
Robert Brown
RZ5E4Gc5jZA2w1
Robert Brown
– szkocki biolog, który w wyniku badań potwierdził ruch cząsteczek. Zajmował się m.in. badaniem sposobów zapylania roślin i poruszania się ich pyłków. W latach 1801–1805 uczestniczył w wyprawie naukowej do Australii – badał florę i faunę tego kontynentu. W 1827 r. zaobserwował nieregularne ruchy i zderzenia cząstek pyłków kwiatowych widocznych pod mikroskopem „zawieszonych” w gazach i cieczach. Współcześnie zjawisko to nosi nazwę ruchów Browna. W 1831 r. szkocki uczony odkrył jądro komórkowe. Badał również zalążki roślinne i budowę nasion. W 1811 r. Brown został członkiem Towarzystwa Królewskiego w Londynie, a w 1833 r. – Francuskiej Akademii Nauk. Przyczynę ruchów Browna wyjaśniono dopiero na początku XX wieku. Dokonali tego niezależnie od siebie dwaj uczeni – Polak Marian SmoluchowskiMarian SmoluchowskiMarian Smoluchowski i Niemiec Albert EinsteinAlbert EinsteinAlbert Einstein.
Aby opisać i wyjaśnić zjawisko zaobserwowane przez Browna, Smoluchowski i Einstein powołali się na teorię cząsteczkowej budowy materii. Według tych naukowców ruch pyłków roślin był spowodowany ruchem cząsteczek wody, w której znajdowały się pyłki . Oczywiście, pyłki są małe, ale cząsteczki wody są jeszcze mniejsze – nie jesteśmy w stanie ich zaobserwować za pomocą mikroskopu optycznego. Nie zauważamy więc momentu, gdy cząsteczki wody uderzają w poszczególne pyłki ze wszystkich stron.
Ponieważ uderzenia te są przypadkowe, pyłki są popychane i poruszają się chaotycznie w różne strony. Naukowcy tym samym potwierdzili kinetyczno‑cząsteczkową teorię budowy materii.
Ruchy Browna są potwierdzeniem kinetyczno‑cząsteczkowej budowy materii.
Ćwiczenie 2
RmRje7sJ5SCR81
itnOdtxvUS_d5e402
3. Zjawisko dyfuzji
Innym zjawiskiem potwierdzającym nieustanny ruch cząsteczek jest dyfuzja. Dlaczego zapach kwiatów roznosi się w całym pomieszczeniu, mimo że kwiaty znajdują się tylko w jednym miejscu pokoju? Gdy gotujemy obiad, dlaczego po pewnym czasie zapach potraw z kuchni dociera do innych pomieszczeń?
dyfuzja
dyfuzja
– proces samorzutnego rozprzestrzeniania się cząsteczek jednej substancji w drugiej.
Jak sądzisz: czy jesteśmy w stanie otrzymać herbatę po włożeniu torebki herbaty do szklanki z zimną wodą? Przeprowadź ten eksperyment w domu.
Zjawisko dyfuzji w cieczach1
Doświadczenie 1
Problem badawczy
Czy zjawisko dyfuzji zależy od temperatury cieczy?
Hipoteza
Im wyższa jest temperatura cieczy, tym szybciej przebiega zjawisko dyfuzji.
Co będzie potrzebne
szklanka z wodą o temperaturze pokojowej;
torebka herbaty ekspresowej.
Instrukcja
Wrzuć torebkę herbaty do wody.
Dokonuj obserwacji raz na kilka godzin.
Pamiętaj, że proces zachodzi bardzo wolno i oczekiwany efekt osiągniesz po około 24 godzinach. Możesz przycisnąć torebkę z herbatą do dna szklanki, np. za pomocą łyżeczki.
Podsumowanie
Na początku możesz zaobserwować, że przy dnie szklanki pojawia się brązowy kolor – to właśnie herbata, która z czasem będzie zajmować coraz większą objętość. Proces ten jest zdecydowanie wolniejszy niż tradycyjne parzenie, czyli zalanie herbaty wrzątkiem. Jesteś więc w stanie uzyskać herbatę, ale zajmie to zdecydowanie więcej czasu i prawdopodobnie uzyskany napój nie będzie już tak smaczny. Jak powszechnie wiadomo, czarna herbata ekspresowa powinna być zaparzana wodą o temperaturze wyższej niż 90 stopni Celsjusza.
Polecenie 1
Powtórz doświadczenie, tym razem z wodą o wyższej temperaturze (woda powinna być wyraźnie ciepła). Wody nie możesz jednak podgrzewać, ponieważ wtedy nie doszłoby do samoistnego mieszania się wody i herbaty (powstałyby tzw. prądy konwekcyjne – zagadnie to poznasz w dalszej części tej lekcji). Jak szybko udało ci się osiągnąć efekt zbliżony do tego z poprzedniego eksperymentu?
Jeśli przeanalizujesz wyniki doświadczenia, to zauważysz, że dyfuzja postępuje tym szybciej, im wyższa jest temperatura ciała. Cząsteczki osiągają wówczas większe prędkości i łatwiej rozprzestrzeniają się w naczyniu, w którym znajduje się ciecz.
RxpUeQHY7Klim1
W cieczach dyfuzja zachodzi znacznie wolniej niż w gazach. Dyfuzja zachodzi nie tylko w gazach i cieczach, lecz także w ciałach stałych. Prostym, lecz czasochłonnym przykładem jest eksperyment ze sztabką złota i ołowiu. Gdy położymy na sobie te dwie wypolerowane sztabki, to po pewnym czasie złączą się one ze sobą. Część atomów złota przemieści się do sztabki ołowiu, a część atomów ołowiu przeniknie do sztabki złota. Wzrost temperatury pozwala znacznie skrócić oczekiwanie na wynik tego eksperymentu.
Zjawisko dyfuzji wykorzystywane jest powszechnie w otrzymywaniu półprzewodników o odpowiednich właściwościach. W tym celu do sieci krystalicznej germanu lub krzemu wprowadza się domieszki atomów boru, arsenu lub fosforu. Ściśle zaprogramowana ilość domieszek pozwala na budowę elementów takich jak układy scalone (zawierające miliardy części półprzewodnikowych), które są obecnie stosowane w każdym urządzeniu elektronicznym – telefonie, komputerze, telewizorze, tablecie.
Ćwiczenie 3
R1LmAqt48ZzYL1
itnOdtxvUS_d5e529
4. Zjawisko zmniejszania się objętości podczas mieszania cieczy
Kolejnym doświadczeniem potwierdzającym cząsteczkową budowę materii jest zjawisko obserwowane podczas mieszania ze sobą różnych ciał fizycznych. Polega ono na zmniejszaniu się objętości sumy składników po ich wymieszaniu.
RIvJRnvIPDVd21
Pierwsza część filmu przedstawia tzw. doświadczenie modelowe – duże i małe ziarna są modelami małych i dużych cząsteczek. Po wymieszaniu obu rodzajów ziaren objętość całości jest mniejsza niż suma objętości tych ziaren przed wymieszaniem. Takie samo zjawisko możemy zaobserwować po połączeniu dwóch cieczy. Mniejsze cząsteczki wody zajęły wolną przestrzeń między większymi cząsteczkami alkoholu. Wykonanie podobnego doświadczenia z wodą i olejem pokazuje, że opisywane zjawisko nie zawsze zachodzi. Ważne są bowiem nie tylko rozmiary cząsteczek poszczególnych składników, lecz także rodzaj ich wzajemnych oddziaływań.
Wniosek: Podczas mieszania się różnych cieczy objętość mieszaniny jest mniejsza od sumy objętości poszczególnych składników. Wynika to z tego, że cząsteczki różnych cieczy różnią się od siebie m.in. budową i wielkością.
itnOdtxvUS_d5e589
5. Oddziaływania międzycząsteczkowe
Cząsteczki nieustannie oddziałują między sobą. Oddziaływania te mają charakter złożony. Niektóre właściwości fizyczne ciał, takie jak np. stany skupienia, są bezpośrednim następstwem oddziaływań.
R1OsRkMQAWj6X1
Gdy cząsteczki znajdują się zbyt blisko siebie, tzn. w odległościach zbliżonych do ich średnicy lub mniejszych, przeważa bardzo silne oddziaływanie odpychające. W odległościach większych od średnicy cząsteczek zaczyna dominować oddziaływanie przyciągające. W ciałach stałych, które wykazują silne oddziaływania międzycząsteczkowe o charakterze przyciągającym opisane zjawiska powodują, że cząsteczki znajdują się bardzo blisko siebie i mogą jedynie drgać wokół swoich położeń równowagi.
Ćwiczenie 4
Rah2Aua3h6Qrp1
oddziaływania międzycząsteczkowe
oddziaływania międzycząsteczkowe
– oddziaływania między cząsteczkami lub atomami cieczy, gazu oraz ciał stałych. Jeśli odległości między cząsteczkami są zbliżone do ich średnicy lub od niej mniejsze, oddziaływanie ma charakter odpychający. Jeśli natomiast odległości te są większe, dominuje oddziaływanie przyciągające.
itnOdtxvUS_d5e650
6. Ruch cząsteczek w gazach, cieczach i ciałach stałych
W ciałach stałych ruch cząsteczek jest najmniej swobodny, tzn. drgają one tylko wokół swoich położeń równowagi, a oddziaływania międzycząsteczkowe są najsilniejsze.
Rb917b1XjBJhT1
Oddziaływania między cząsteczkami cieczy są słabsze i dlatego mogą się one przemieszczać względem siebie.
R1AneHeZHPctY1
W gazach odległości między cząsteczkami są zdecydowanie większe od rozmiarów samych cząsteczek. W uproszczonym modelu przyjmujemy, że cząsteczki gazu działają wzajemnie na siebie tylko w momentach zderzeń.
RMwT1glz3KigT1
Cząsteczki gazu mają duże prędkości i swobodę ruchu.
Ćwiczenie 5
R5307WMYUphLs1
zadanie interaktywne
zadanie interaktywne
Które informacje są prawdziwe, a które fałszywe? Dlaczego nie można w sposób zauważalny zmniejszyć objętości ciał stałych (np. metalu), mimo działania na nie ogromnych sił ściskających??
Prawda
Fałsz
Cząsteczki w ciele stałym stykają się ze sobą i nie można ich bardziej zbliżyć do siebie.
□
□
Podczas ściskania ciała stałego gwałtownie rosną siły odpychające między cząsteczkami.
□
□
Cząsteczki ciała stałego nie są ściśliwe.
□
□
itnOdtxvUS_d5e714
Podsumowanie
Jednym z ważniejszych osiągnięć ludzkości było odkrycie atomu.
Według naszej obecnej wiedzy materia składa się z atomów lub cząsteczek znajdujących się w nieustannym ruchu.
Współczesne rozumienie budowy materii zawdzięczamy Johnowi Daltonowi.
Teoria Daltona zakłada m.in., że:
atom jest najmniejszą porcją materii;
jest tyle rodzajów atomów, ile istnieje pierwiastków;
atomy tego samego pierwiastka są identyczne;
atomy tych samych lub różnych pierwiastków mogą się ze sobą łączyć. Tworzą one wtedy cząsteczki – pierwiastków lub związków chemicznych;
substancje składają się z cząsteczek i atomów.
Cząsteczki, z których jest zbudowana materia, znajdują się w nieustannym chaotycznym ruchu, a ich prędkości związane są z temperaturą danego ciała fizycznego. Im większa wartość prędkości cząsteczek, tym wyższa jest temperatura ciała. Jeśli ochładzamy dane ciało, czyli obniżamy jego temperaturę, zmniejszamy jednocześnie prędkość jego cząsteczek.
Dowody na kinetyczno‑cząsteczkową teorię budowy materii to:
ruchy Browna;
zjawisko dyfuzji;
zjawisko zmniejszania się sumy objętości dwóch cieczy po ich zmieszaniu.
Dyfuzja to samorzutne mieszanie się różnych substancji, spowodowane bezładnym ruchem cząsteczek.
Zjawisko dyfuzji zachodzi w gazach, cieczach i ciałach stałych.
Cząsteczki nieustannie oddziałują między sobą. Oddziaływania międzycząsteczkowe zachodzą między cząsteczkami lub atomami cieczy, gazu i ciał stałych. Jeśli odległości między cząsteczkami są zbliżone do ich średnicy lub mniejsze, oddziaływanie ma charakter odpychający, a jeśli te odległości są większe, dominuje oddziaływanie przyciągające.
W ciałach stałych ruch cząsteczek jest najmniej swobodny, tzn. drgają one wokół pewnych położeń równowagi, a oddziaływania międzycząsteczkowe są najsilniejsze.
W cieczach cząsteczki poruszają się swobodniej i szybciej niż w ciałach stałych.
W gazach oddziaływania między cząsteczkami są najsłabsze. Cząsteczki gazu mają duże prędkości i swobodę ruchu.
Praca domowa
Polecenie 2.1
Podaj dziesięć przykładów zachodzenia zjawiska dyfuzji, które zaobserwowałeś w twoim otoczeniu.
Polecenie 2.2
Uważnie prześledź załączony film demonstrujący przebieg dwóch doświadczeń. Twoim zadaniem jest ich opis. W zeszycie sformułuj problem badawczy i hipotezę. Określ, co będzie potrzebne do wykonania eksperymentów, opisz kroki, które musisz wykonać, aby można je było właściwie przeprowadzić. Wyciągnij wnioski i napisz podsumowanie.
Temperatura i jej związek z energią kinetyczną cząsteczek.
itnOdtxvUS_d5e818
Słowniczek
atom
atom
(od greckiego ἄτομος, czyli niepodzielny) – najmniejszy składnik pierwiastka, podstawowy składnik materii.
John Dalton
R1Ik0grCvenk11
John Dalton
Angielski fizyk i chemik. Jego prace stały się podstawą współcześnie obowiązującej teorii atomistyki. Opisał również wadę wzroku, którą od jego nazwiska nazwano daltonizmem.
Albert Einstein
R1JVitA6JoTqZ1
Albert Einstein
Jeden z najwybitniejszych fizyków teoretyków, twórca szczególnej (1905) i ogólnej teorii względności (1915). Laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki (1921).
ruchy Browna
ruchy Browna
– zjawisko opisane w 1862 roku przez Roberta Browna. Podczas obserwacji pod mikroskopem zauważył on, że zawieszone w cieczy pyłki wykonują chaotyczne ruchy. Obecnie wiemy, że za to zjawisko odpowiedzialne są cząsteczki ośrodka. Cząsteczki cieczy zderzają się z pyłkami i przesuwają je do nowych, zupełnie przypadkowych położeń.
Marian Smoluchowski
Rlx1TiiWNgNF61
Marian Smoluchowski
Jeden z najwybitniejszych polskich fizyków, profesor Uniwersytetu Lwowskiego, a od 1912 roku – Uniwersytetu Jagiellońskiego. Na podstawie statystyki matematycznej opracował równanie dyfuzji, obecnie noszące nazwę równania Smoluchowskiego. Wraz ze swoim bratem Tadeuszem Smoluchowskim należał do najwybitniejszych alpinistów swoich czasów.
teoria Daltona
teoria Daltona
– XIX‑wieczna teoria atomistyczna, która stała się podstawą współczesnych poglądów na budowę materii. Dalton, podczas badań właściwości gazów, dokonał następujących spostrzeżeń:
Atom jest najmniejszą porcją materii;
Jest tyle rodzajów atomów, ile istnieje pierwiastków;
Atomy tego samego pierwiastka są identyczne;
Atomy tych samych lub różnych pierwiastków mogą łączyć się ze sobą i tworzyć cząsteczki pierwiastków lub związków chemicznych;
Substancje są stworzone z cząsteczek i atomów
ziarnista budowa materii
ziarnista budowa materii
– pogląd ukształtowany w starożytności m.in przez Demokryta z Abdery, głoszący, że struktura materii nie jest ciągła, lecz składa się z niezwykle małych i niepodzielnych cząsteczek. Tę teorię w pełni potwierdza współczesna nauka.
itnOdtxvUS_d5e1244
Zadania
Ćwiczenie 6
RELzCNB1fWq4K1
zadanie interaktywne
zadanie interaktywne
Które informacje dotyczące teorii Daltona są prawdziwe, a które fałszywe?
Prawda
Fałsz
Atom jest najmniejszą niepodzielną częścią materii.
□
□
Atomy łączą się w cząsteczki w ściśle określonych stosunkach ilościowych.
□
□
Atomy tylko różnych pierwiastków mogą łączyć się ze sobą.
□
□
Ćwiczenie 7
R31p7KLdVjuCL1
zadanie interaktywne
zadanie interaktywne
Oceń prawdziwość poniższych zdań.
Prawda
Fałsz
Wszystkie cząsteczki są w bezustannym ruchu, również w temperaturze poniżej –273,15° C.
□
□
Cząsteczki są w nieustannym ruchu tylko w temperaturze powyżej zera bezwzględnego, czyli 0° C.
□
□
Cząsteczki są w nieustannym ruchu tylko w temperaturze powyżej zera bezwzględnego, czyli wyższej niż –273,15° C.