Budowa materii i stany skupienia - Spotkania z fizyką 7

1.Atom

Podstawowy składnik materii, którego nie da się podzielić w wyniku reakcji chemicznych. Nazwa pochodzi od greckiego słowa átomos, czyli niepodzielny. Atomy, łącząc się ze sobą, tworzą cząsteczki różnych substancji.

2.John Dalton

Angielski uczony, którego doświadczenia w 1808 roku dostarczyły pierwszych naukowych przesłanek, że atomy naprawdę istnieją. Wcześniej, już około 2500 lat temu, filozofowie indyjscy i greccy tylko przypuszczali, że świat jest zbudowany z niewidzialnych ziaren - atomów.

3.Pierwiastek

Grupa atomów o takich samych właściwościach chemicznych, np. tlen albo węgiel. Atomy różnych pierwiastków mają różne właściwości.

4.Cząsteczka (molekuła)

Połączenie atomów. Cząsteczka może się składać z atomów tego samego pierwiastka (np. cząsteczka tlenu) albo z atomów różnych pierwiastków (np. cząsteczka wody). Substancje różnią się od siebie, bo są zbudowane z różnych atomów połączonych w różne cząsteczki.

5.Założenia teorii cząsteczkowej budowy materii

Wszystkie ciała są zbudowane z atomów. Istnieją różne atomy o różnych właściwościach. Atomy mogą łączyć się ze sobą, tworząc cząsteczki. Cząsteczki są w bezustannym ruchu. Teorię tę potwierdzają m.in. zmniejszanie się objętości cieczy po ich zmieszaniu i dyfuzja.

6.Jak duże są atomy?

Gołym okiem widać obiekty od ok. $0{,}1~\mathrm{mm}$ (mniej więcej grubości włosa), a w szkolnym mikroskopie - obiekty o rozmiarach mikrometrów, czyli tysięcznych części milimetra (np. komórki cebuli). Atomy są o wiele mniejsze: ich rozmiar to ok. $0{,}0001~\mu\mathrm{m}$, czyli dziesięciomilionowa część milimetra. Pojedyncze atomy można zobaczyć, a nawet przesuwać, tylko w specjalistycznych mikroskopach.

7.Co się dzieje z objętością wody i denaturatu po zmieszaniu?

Po wymieszaniu wody z denaturatem powstaje jednorodna mieszanina, której objętość jest mniejsza niż łączna objętość obu cieczy przed zmieszaniem. Wyjaśnienie: ciecze składają się z drobnych cząsteczek o różnej wielkości - mniejsze wchodzą w wolne przestrzenie między większymi, tak jak drobna kasza wypełnia szczeliny między ziarnami grochu. To potwierdza cząsteczkową budowę materii.

8.Hipoteza

Przypuszczenie, które może być prawdopodobnym wyjaśnieniem jakiegoś zjawiska. Wysunięcie hipotezy jest podstawą do sformułowania teorii.

9.Dyfuzja

Samorzutne rozprzestrzenianie się cząsteczek jednej substancji w drugiej, w wyniku którego substancje się mieszają. Zachodzi, bo cząsteczki są w bezustannym ruchu. Przykład: czujemy zapach róży, bo cząsteczki wydobywające się z kwiatu rozprzestrzeniają się w powietrzu i docierają do nosa.

10.Szybkość dyfuzji

Dyfuzja zachodzi w gazach, cieczach i ciałach stałych, ale w ciałach stałych przebiega znacznie wolniej (zetknięte sztabki złota i ołowiu zlepiają się dopiero po kilku latach). W wyższej temperaturze dyfuzja zachodzi szybciej, np. sok szybciej rozprzestrzenia się w gorącej wodzie niż w zimnej.

11.Oddziaływanie międzycząsteczkowe

Wzajemne oddziaływanie (przyciąganie się) cząsteczek, np. wody, szkła czy lakieru. Działa tylko na niewielkich odległościach: przyciąganie jest tym większe, im mniejsza jest odległość między cząsteczkami. Wyróżniamy siły spójności i siły przylegania.

12.Siły spójności

Siły, którymi przyciągają się cząsteczki tej samej substancji, np. cząsteczki wody z cząsteczkami wody albo cząsteczki szkła z cząsteczkami szkła. Dzięki nim strużki wody złączone palcami płyną dalej jedną strugą.

13.Siły przylegania

Siły, którymi przyciągają się cząsteczki różnych substancji, np. cząsteczki wody z cząsteczkami szkła. Dlatego po wylaniu wody ze szklanego naczynia na jego ściankach zostają krople.

14.Kleje

Substancje, które trwale łączą różne materiały. Mają dużą przyczepność do powierzchni ciał stałych, bo ich cząsteczki silnie oddziałują z cząsteczkami tych ciał (duże siły przylegania). Mają też duże siły spójności, dlatego połączenie jest odporne na rozerwanie.

15.Napięcie powierzchniowe

Zjawisko powstawania cienkiej „błony” na powierzchni cieczy. Jest skutkiem działania sił spójności: powierzchnia cieczy zachowuje się jak napięta, sprężysta błona.

16.Jakie zjawiska są skutkiem napięcia powierzchniowego?

Dzięki napięciu powierzchniowemu można nalać herbatę do szklanki „z górką”, kropla wody przyjmuje kulisty kształt, a małe, lekkie przedmioty (np. metalowy spinacz) utrzymują się na powierzchni wody, choć metal zwykle w wodzie tonie. Wykorzystują je też owady, np. nartnik, który chodzi po wodzie.

17.Dlaczego powstaje napięcie powierzchniowe?

Na cząsteczkę wewnątrz cieczy siły spójności działają ze wszystkich stron - równoważą się, więc ich wypadkowa jest równa zeru. Na cząsteczki przy powierzchni siły działają tylko od strony cieczy - nie równoważą się, a ich wypadkowa jest skierowana w głąb cieczy. Dlatego powierzchnia cieczy zachowuje się jak napięta błona.

18.Kulisty kształt kropli

Kropla cieczy przyjmuje kulisty kształt na skutek niezrównoważonych sił spójności działających na cząsteczki przy jej powierzchni, czyli z powodu napięcia powierzchniowego.

19.Detergent

Substancja, np. mydło albo płyn do mycia naczyń, która zmniejsza napięcie powierzchniowe wody (osłabia siły spójności jej cząsteczek). Dzięki temu woda łatwiej wnika w szczeliny i między włókna tkanin, a jej powłoka staje się bardziej rozciągliwa - można puszczać bańki mydlane.

20.Igła na wodzie i detergent - doświadczenie

Cel: zbadać, jak detergent wpływa na napięcie powierzchniowe wody. Przebieg: suchą igłę kładziemy pensetą poziomo na powierzchni wody, a potem dodajemy obok niej trochę detergentu. Obserwacja: igła najpierw utrzymuje się na powierzchni, a po dodaniu detergentu tonie. Wniosek: detergent zmniejsza napięcie powierzchniowe wody.

21.Wykałaczka i detergent - doświadczenie

Gdy przy jednym końcu wykałaczki pływającej po wodzie dodamy kroplę detergentu, wykałaczka odpływa w przeciwną stronę. Przy detergencie napięcie powierzchniowe (siły spójności wody) maleje, a po drugiej stronie pozostaje duże, więc cząsteczki wody pociągają wykałaczkę tam, gdzie nie ma detergentu.

22.Jak zmniejszyć napięcie powierzchniowe?

Dodać do wody detergent (np. mydło, płyn do mycia naczyń) albo ją podgrzać. Dlatego pranie w ciepłej wodzie z detergentem daje lepsze rezultaty: cząsteczki wody łatwiej przylegają do tłuszczu, którym sklejony jest brud, oblepiają jego grudki i oddzielają je od tkaniny lub skóry.

23.Kształt kropli na podłożu

Im większe są siły przylegania między cieczą a podłożem, tym kropla jest bardziej spłaszczona. Na przykład kropla wody na kartce natartej woskiem jest prawie kulista, na plastiku - średnio spłaszczona, a na metalowym nożu - najbardziej spłaszczona.

24.Ciało fizyczne

Każdy przedmiot, który nas otacza, np. drut, talerz czy gąbka. Ciała fizyczne są zbudowane z różnych substancji: np. drut jest ciałem fizycznym, a miedź, z której go zrobiono, to substancja.

25.Stany skupienia

Ciało fizyczne zbudowane z danej substancji jest w jednym z trzech stanów skupienia: stałym (np. drut, kreda), ciekłym (np. woda, mleko) albo gazowym, nazywanym też lotnym (np. powietrze). W określonych warunkach ta sama substancja może jednocześnie występować w dwóch lub trzech stanach skupienia.

26.Ciała stałe

Mają określony kształt i określoną objętość (kształt niektórych z nich można łatwo zmienić). Ich cząsteczki leżą bardzo blisko siebie i bardzo mocno się przyciągają, dlatego samoistnie nie przemieszczają się względem siebie - ich wzajemne położenie jest ustalone.

27.Ciała plastyczne

Ciała stałe, które po zgnieceniu albo wygięciu zachowują nowy, trwały kształt, np. plastelina albo drut miedziany.

28.Ciała sprężyste

Ciała stałe, które pod wpływem siły zmieniają kształt, ale gdy nacisk ustaje, wracają do pierwotnej postaci - ich odkształcenie jest nietrwałe, np. gąbka.

29.Ciała kruche

Ciała stałe, które pod wpływem działania siły rozpadają się na drobne kawałki, np. kreda albo szkło.

30.Twardość

Odporność powierzchni ciała na zarysowania i wgniecenia. Twardość porównuje się, rysując powierzchnię jednego ciała przedmiotem z innego materiału: materiał twardszy rysuje bardziej miękki. Ekrany telefonów robi się np. z utwardzanego szkła, żeby nie rysowały się w codziennym użyciu.

31.Ciecze

Mają swoją objętość, ale nie mają swojego kształtu - przyjmują kształt naczynia, w którym się znajdują. Można je przelewać i są mało ściśliwe. Ich cząsteczki leżą blisko siebie, ale przyciągają się słabiej niż w ciałach stałych i mogą się przemieszczać względem siebie.

32.Powierzchnia swobodna cieczy

Górna powierzchnia, którą ciecz tworzy samorzutnie. Gdy ciecz jest w spoczynku, ta powierzchnia jest pozioma niezależnie od tego, jak ustawimy naczynie (także w naczyniu przechylonym).

33.Gazy

Ciała w stanie lotnym. Są ściśliwe i rozprężliwe, nie mają swojego kształtu ani określonej objętości i samorzutnie wypełniają całą dostępną przestrzeń. Ich cząsteczki są bardzo daleko od siebie, a siły przyciągania między nimi są znikome.

34.Ściśliwość i rozprężliwość

Ściśliwość to możliwość zmniejszenia objętości ciała przez ściśnięcie, a rozprężliwość - możliwość zwiększenia objętości, gdy ciało ma więcej miejsca. Gazy są ściśliwe i rozprężliwe: tłok strzykawki z powietrzem i zatkanym wylotem łatwo wcisnąć i odciągnąć. Ciecze są mało ściśliwe: wodę w takiej strzykawce bardzo trudno ścisnąć.

35.Ułożenie cząsteczek w ciałach stałych, cieczach i gazach

Ciała stałe: cząsteczki bardzo blisko siebie, ułożone regularnie, nie mogą się przemieszczać względem siebie. Ciecze: cząsteczki blisko siebie, ułożone nieregularnie, mogą się przemieszczać względem siebie. Gazy: cząsteczki w dużym oddaleniu, swobodnie się przemieszczają. Od odległości i oddziaływań cząsteczek zależą właściwości każdego stanu skupienia.