Cząsteczkowa budowa materii
To ciekawe
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?
wymieniać podstawowe założenia kinetyczno‑cząsteczkowej teorii budowy materii;
podawać przykłady zjawisk świadczących o cząsteczkowej budowie materii,
wyjaśniać, na czym polegają ruchy Browna,
wyjaśniać, na czym polega zjawisko dyfuzji oraz podawać jego przykłady w przyrodzie i życiu codziennym,
wyjaśniać na czym polega zjawisko kontrakcji objętości,
opisywać oddziaływania międzycząsteczkowe,
opisywać ruchy cząsteczek w ciałach stałych, cieczach i gazach.
Warto przeczytać
Od Demokryta do Daltona
Hipoteza cząsteczkowej (ziarnistej) budowy materiicząsteczkowej (ziarnistej) budowy materii głosi, że materia zbudowana jest z cząsteczek będących w ciągłym ruchu. Jednym z pierwszych uczonych, który głosił taką teorię, był Demokryt z Abdery (– w. p.n.e.). Demokryt twierdził m. in., że:
wszystko składa się z cząstek (ziaren), zwanych atomamiatomami;
atomy są niepodzielne;
atomy są wieczne i niezniszczalne;
pomiędzy atomami jest próżnia;
atomy są w ciągłym ruchu.
Film dostępny pod adresem /preview/resource/R11QtnkHwlR5n
Film dotyczący teorii Demokryta i Daltona
Teorię Demokryta rozwinął John DaltonJohn Dalton. Teoria DaltonaTeoria Daltona, która z drobnymi zmianami do dzisiaj uważana jest za prawdziwą, zakłada m.in., że:
atom jest najmniejszą częścią materii (dziś wiemy, że atom też jest zbudowany z mniejszych elementów);
jest tyle różnych rodzajów atomów, ile jest pierwiastków i atomy tego samego rodzaju są identyczne (dzisiaj wiemy, że jednemu pierwiastkowi może odpowiadać kilka rodzajów atomów, tzw. izotopów);
atomy tych samych lub różnych pierwiastków mogą się ze sobą łączyć w ściśle określonych stosunkach ilościowych i tworzyć cząsteczki związków chemicznych;
wszystkie ciała fizyczne i substancje składają się z atomów.
Ruchy Browna
W roku Robert BrownRobert Brown, szkocki botanik, obserwując zawieszone w wodzie pyłki roślin zauważył, że poruszają się one chaotycznie.
Film dostępny pod adresem /preview/resource/R1KQPz5kXgbht
Film przedstawiający Ruchy Browna cząstek pyłków zawieszonych w wodzie. Pyłki wykonują lekkie chaotyczne drgania we wszystkich kierunkach.
Bardzo go to zaciekawiło, ale przypuszczał, że źródłem tych ruchów są lokalne prądy przepływu cieczy lub powolne parowanie wody. Po wielokrotnym powtórzeniu tego eksperymentu Brown odrzucił jednak tę hipotezę. Dzisiaj zjawisko chaotycznego ruchu cząstek pyłków w gazach i cieczach nosi nazwę ruchów Brownaruchów Browna.
Przyczynę ruchów Browna wyjaśniono dopiero na początku wieku. Dokonali tego niezależnie od siebie dwaj uczeni – Marian SmoluchowskiMarian Smoluchowski i Albert EinsteinAlbert Einstein, powołując się na teorię cząsteczkowej budowy materii. Pyłki zawieszone są w wodzie, która składa się z cząsteczek, zbyt małych żeby je zaobserwować pod mikroskopem optycznym. Cząsteczki wody poruszają się w różne strony i w trakcie swego ruchu uderzają w pyłki roślin. Ponieważ uderzenia te są przypadkowe, popychane pyłki poruszają się chaotycznie w różne strony.
Ruchy Browna są potwierdzeniem kinetyczno‑cząsteczkowej budowy materii.
Dyfuzja
Innym zjawiskiem potwierdzającym teorię kinetyczno‑cząsteczkowej budowy materii jest dyfuzjadyfuzja, czyli proces samorzutnego rozprzestrzeniania się cząsteczek jednej substancji w drugiej. Dzięki temu zjawisku zapach kwiatów stojących w jednym miejscu roznosi się w całym pokoju, a zapach gotowanych potraw z kuchni po pewnym czasie dociera do innych pomieszczeń.
Jak sądzisz: czy jesteśmy w stanie otrzymać herbatę po włożeniu torebki herbaty do szklanki z zimną wodą?
Czy zjawisko dyfuzji zależy od temperatury cieczy?
Im wyższa jest temperatura cieczy, tym szybciej przebiega zjawisko dyfuzji.
szklanka z wodą o temperaturze pokojowej;
torebka herbaty ekspresowej.
Wrzuć torebkę herbaty do wody.
Dokonuj obserwacji raz na kilka godzin.
Pamiętaj, że proces zachodzi bardzo wolno i oczekiwany efekt osiągniesz po około godzinach. Możesz przycisnąć torebkę z herbatą do dna szklanki, np. za pomocą łyżeczki.
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 stopni Celsjusza.
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). Jak szybko udało ci się osiągnąć efekt zbliżony do tego z powyższego eksperymentu?
Przeprowadzono doświadczenie, w którym badano zjawisko dyfuzji.
Czy zjawisko dyfuzji zależy od temperatury cieczy?
Im wyższa jest temperatura cieczy, tym szybciej przebiega zjawisko dyfuzji.
szklanka z wodą o temperaturze pokojowej;
torebka herbaty ekspresowej.
Wrzucono torebkę herbaty do wody.
Dokonywano obserwacji raz na kilka godzin.
Torebkę z herbatą przyciśnięto do dna szklanki za pomocą łyżeczki. Proces zachodzi bardzo wolno i oczekiwany efekt osiągnięto po około godzinach.
Na początku zaobserwowano, że przy dnie szklanki pojawił się brązowy kolor – to właśnie herbata, która z czasem zajmuje coraz większą objętość. Proces ten jest zdecydowanie wolniejszy niż tradycyjne parzenie, czyli zalanie herbaty wrzątkiem. Można więc 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 stopni celsjusza.
Doświadczenie powtórzono, tym razem z wodą o wyższej temperaturze (woda wyraźnie ciepła). Wody nie podgrzewano, ponieważ wtedy nie doszłoby do samoistnego mieszania się wody i herbaty (powstałyby tzw. prądy konwekcyjne). Zastanów się, jak szybko udało się osiągnąć efekt zbliżony do tego z powyższego 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.
Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/DAG34PTN8
Prędkość dyfuzji zależy też od tego, czy zachodzi ona w gazie, w cieczy czy w ciele stałym. Najszybciej dyfuzja zachodzi w gazach, bo ich cząsteczki poruszają się najszybciej i odległości między nimi są najmniejsze. W cieczach dyfuzja zachodzi ze średnią prędkością. Najwolniej dyfuzja zachodzi w ciałach stałych, bo ich cząsteczki poruszają się najwolniej i mają najmniejsze odległości między sobą. Prostym, lecz czasochłonnym przykładem dyfuzji w ciałach stałych 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.
Kontrakcja objętości
Kolejnym doświadczeniem potwierdzającym cząsteczkową budowę materii jest zjawisko kontrakcji objętościkontrakcji objętości obserwowane podczas mieszania ze sobą różnych ciał fizycznych. Polega ono na zmniejszaniu się objętości sumy składników po ich wymieszaniu.
Film dostępny pod adresem /preview/resource/RESnuu5MNWlht
Film z doświadczenia pokazującego kontrakcję objętości.
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.
Oddziaływania międzycząsteczkowe
Cząsteczki nieustannie oddziałują między sobą. Oddziaływania miedzycząsteczkoweOddziaływania miedzycząsteczkowe mają charakter złożony. Niektóre właściwości fizyczne ciał, takie jak np. stany skupienia, są bezpośrednim następstwem oddziaływań.
Film dostępny pod adresem /preview/resource/R1QenDXkU4UmE
Film dotyczący oddziaływań międzycząsteczkowych.
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.
Ruch cząsteczek w gazach, cieczach i ciałach stałych
Cząsteczki, z których zbudowana jest materia, znajdują się w nieustannym chaotycznym ruchu. Typ i prędkość ruchu cząsteczek danego ciała fizycznego zależy od stanu skupienia tego ciała i jego temperatury. Im większa wartość prędkości cząsteczek, tym wyższa jest temperatura ciała. Kiedy obniżamy jego temperaturę, spowalniamy jednocześnie ruch jego cząsteczek, aż do osiągnięcia temperatury zera absolutnego , w której cząsteczki przestają się poruszać.
Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/DAG34PTN8
W ciałach stałych ruch cząsteczek jest najmniej swobodny, tzn. drgają one tylko wokół swoich położeń równowagi, a oddziaływania międzycząsteczkowe są najsilniejsze.
Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/DAG34PTN8
Oddziaływania między cząsteczkami cieczy są słabsze i dlatego mogą się one przemieszczać względem siebie.
Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/DAG34PTN8
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.
Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/DAG34PTN8
Cząsteczki gazu mają duże prędkości i swobodę ruchu.
Słowniczek
(od greckiego ἄtauomicronmuomicronς, czyli niepodzielny) – najmniejszy składnik pierwiastka, podstawowy składnik materii.
pogląd głoszący, że struktura materii nie jest ciągła, lecz składa się z niezwykle małych i niepodzielnych cząsteczek. Jednym z pierwszych uczonych głoszących ten pogląd był Demokryt z Abdery. Współczesna nauka potwierdza tę teorię.
– 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
zjawisko chaotycznego ruchu cząstek pyłków w gazach i cieczach, spowodowanych zderzeniami z cząsteczkami ośrodka.
proces samorzutnego rozprzestrzeniania się cząsteczek jednej substancji w drugiej.
zjawisko zmniejszania się objętości przy mieszaniu niektórych rozpuszczalnych wzajemnie cieczy.
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.
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.
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 r. zaobserwował pod mikroskopem nieregularne ruchy i zderzenia zawieszonych w gazach i cieczach cząstek pyłków kwiatowych. W r. uczony odkrył jądro komórkowe. W r. Brown został członkiem Towarzystwa Królewskiego w Londynie, a w r. – Francuskiej Akademii Nauk.
Albert Einstein
Jeden z najwybitniejszych fizyków teoretyków, twórca szczególnej ( r.) i ogólnej teorii względności ( r.). Laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki ( r.).
Marian Smoluchowski
Jeden z najwybitniejszych polskich fizyków, profesor Uniwersytetu Lwowskiego, a od 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.