2. WŁAŚCIWOŚCI MATERII Zakres wiadomości: Ciała, substancje Procesy fizyczne Budowa cząsteczkowa substancji Oddziaływanie cząsteczek (przejawy oddziaływań międzycząsteczkowych) Ruch cząsteczek, zjawisko dyfuzji i ruchy Browna Rozszerzalność cieplna ciał stałych, cieczy, gazów Przemiany fazowe Masa, ciężar ciała Gęstość substancji Ciała, substancje Ciałami fizycznymi są otaczające nas przedmioty, np. rower, samochód, szkoła., ławka, pióro, itp. Materią nazywamy to, z czego składają się ciała w przyrodzie. Mogą one składać się z różnych substancji, np. żelaza, wody, powietrza Procesy fizyczne Procesy fizyczne są to zjawiska regularnie następujące po sobie. Budowa cząsteczkowa substancji Wszechświat zbudowany jest z cząsteczek. Gdyby powiększyć piłkę tenisową do rozmiarów Ziemi, to tworzące ją cząsteczki miałyby wielkość winogron. Cząsteczki nie są najmniejszymi częściami materii. Składają się one z atomów, a te jeszcze z mniejszych części. Substancje, których cząsteczki składają się z jednego rodzaju atomów, nazywamy pierwiastkami, a które zbudowane są z różnych atomów nazywamy związkami chemicznymi. Oddziaływanie cząsteczek (przejawy oddziaływań międzycząsteczkowych) Ruch cząsteczek, zjawisko dyfuzji i ruchy Browna Ciała stałe zbudowane są z cząsteczek ściśle ułożonych obok siebie. Siły przyciąganie między nimi są bardzo duże, dlatego trudno jest rozerwać lub pokruszyć ciało stałe. Cząsteczki w ciałach stałych nie przemieszczają się, a tylko wykonują drgania wokół swoich położeń równowagi. W cieczach cząsteczki przyciągają się znacznie słabiej, dlatego substancja ta nie ma własnego kształtu, lecz przyjmuje kształt naczynia, w którym się znajduje. Odległości między cząsteczkami są większe niż w ciałach stałych, ale nie na tyle duże, żeby ciecz była ściśliwa. Cząsteczki są zdolne do poruszania się w całej zajmowanej objętości. W gazach siły przyciągania są między cząsteczkami bardzo małe. Cząsteczki są w nieustannym ruchu zderzają się ze sobą, zmieniają kierunek ruchu. Odległości między cząsteczkami są duże, w związku z czym łatwo można zmienić objętość gazu. Dlatego gazy są ściśliwe i rozprężliwe. Gdy ogrzewamy lód, zaczyna się on topić, a więc zmienia się jego stan skupienia. Zwiększają się odległości między cząsteczkami, słabną siły wzajemnego oddziaływania. Gdy ogrzewamy wodę siły wzajemnego oddziaływania cząsteczek słabną jeszcze bardziej, a odległości między cząsteczkami znacznie się zwiększają. Woda paruje. Siły działające między cząsteczkami tej samej substancji nazywamy siłami spójności. Łączą one ( spajają ) cząsteczki, tworząc ciała stałe i ciecze np. krople wody. Siły działające między cząsteczkami niejednakowych substancji nazywamy siłami przylegania. Jedna substancja przylega do drugiej, np. kreda i tablica Gdy siły przylegania są większe niż siły spójności, wtedy ciecz zwilża powierzchnię, do której przylega. Tworzy się tzw. menisk wklęsły, np. woda w zlewce, której ścianki nie są posmarowane tłuszczem.
Gdy siły przylegania są mniejsze niż siły spójności, wtedy ciecz nie zwilża ścianek naczynia i tworzy menisk wypukły, np. woda w zlewce, której ścianki są posmarowane tłuszczem. Cząsteczki ciał są w nieustannym ruchu. Ruch zależy od temperatury ciała. Im większa jest temperatura ciała, tym szybciej poruszają się cząsteczki. Potwierdzeniem ruchu cieplnego cząsteczek cieczy są tzw. ruchy Browna, polegające na ty, że cząsteczki obserwowanej pod mikroskopem zawiesiny pyłku kwiatowego w wodzie wykonują ciągły ruch, którego torami są linie łamane. Zjawisko dyfuzji to zjawisko polegające na mieszaniu się cząsteczek różnych substancji. Substancje występujące w różnych stanach skupienia mieszają się dzięki poruszanie się cząsteczek. Zjawisko dyfuzji potwierdza fakt poruszania się cząsteczek. Rozszerzalność cieplna ciał stałych, cieczy, gazów Zjawisko polegające na zwiększaniu objętości substancji na skutek wzrostu temperatury. Interpretujemy je jako wzrost średniej odległości między cząsteczkami. Proces ten zachodzi różnie w zależności od stanu skupienia. Ciała stałe, których atomy związane są silnie, zwiększają nieznacznie objętość zmiana ta zależy również od rodzaju ciała stałego. Ciecze ze względu na swoją budowę cząsteczkową szybciej reagują na zmianę temperatury, zmiana ta podobnie jak w ciałach stałych zależy od rodzaju cieczy. Najszybciej na zmianę temperatury reagują gazy, zmiana ta jest jednakowa dla wszystkich rodzajów gazów. Ogrzewanie ciał prowadzi do zmiany ich gęstości. Zwiększenie objętości powoduje, że atomy są rzadziej upakowane, w jednostce objętości jest ich mniej, więc jednostka objętości ciała ma mniejszą masę. Zjawisko to występuje we wszystkich stanach skupienia, ale największe znaczenie ma ono w przyrodzie dla cieczy i gazów. Przemiany fazowe Przemianą fazową nazywamy zmianę stanu skupienia substancji. Rodzaje przemian fazowych ilustruje diagram: Topnienie to zamiana ciała stałego w ciecz. Topnieniu podlegają zarówno ciała krystaliczne jak i bezpostaciowe. Topnienie ciała bezpostaciowego odbywa się w każdej temperaturze wywołanej dostarczaniem ciepła do ciała. Topnienie ciała krystalicznego odbywa się w ściśle określonej temperaturze właściwej dla danego ciała. Krzepnięcie to proces polegający na zamianie cieczy w ciało stałe. Proces ten zachodzi podczas oziębiania ciała, czyli obniżania jego temperatury. Dla ciała krystalicznego temperatura topnienia jest taka sama temperatura krzepnięcia. Parowanie to proces zamiany cieczy w ciało gazowe. Parowanie zachodzi na powierzchni cieczy i w każdej temperaturze. Szybkość parowania zależy od rodzaju cieczy, temperatury cieczy, temperatury otoczenia, ruch powietrza, wielkość powierzchni parowania. Zwiększanie temperatury cieczy prowadzi do osiągnięcia przez nią
temperatury wrzenia. Wrzenie jest to proces zachodzący gwałtownie w całej objętości cieczy w ściśle określonej temperaturze. Procesem odwrotnym do procesu parowania jest skraplanie - ciało gazowe przechodzi w ciecz. Sublimacja to proces zamiany ciała stałego w gaz, resublimacja to proces odwrotny, czyli zamiana gazu w ciało stałe. Masa, ciężar ciała Masa to wielkość fizyczna opisująca dane ciało. Każde ciało utworzone jest z określonej liczby cząsteczek. Każda cząsteczka ma swoją ( bardzo niewielką ) masę. Masa ciała jest więc sumą mas cząsteczek budujących to ciało. Masa danego ciała jest dla niego wielkością niezmienną, tzn. nie ulega zmianie bez względu na to w jakich warunkach znajduje się to ciało. Jest to wielkość skalarna, oznaczana najczęściej literką m. Jednostką masy w układzie SI jest kilogram (kg). Ciężar ciała to siła z jaką Ziemia lub inne ciało niebieskie przyciąga dane ciało. Ciężar ciała obliczamy według wzoru F g = m g. Ciężar ciała jest wielkością wektorową, zależną od położenia ciała względem kuli ziemskiej. Im dalej ciało znajduje się od środka kuli ziemskiej, tym mniejszy jest jego ciężar, gdyż zmniejsza się wartość przyciągania ziemskiego. Jednostką ciężaru ciała jest niuton (N). Masę ciała wyznaczamy przy pomocy wagi a ciężar ciała przy pomocy siłomierza. Ważenie polega na porównywaniu ciężaru ciała ważonego z ciężarem odważników, gdyż dwa ciała mające taką samą masę i będące w tej samej odległości od Ziemi są przyciągane przez Ziemię z taką samą siłą. Gęstość substancji Ciała różnią się między sobą sposobami ułożenia cząsteczek. Gęstość substancji określamy jako stosunek m masy i objętości danego ciała: ρ = V kg g Jednostką gęstości jest 3 lub 3 m cm
Zadania A/ testowe 1. Mama powiesiła na sznurku w mroźny wietrzny dzień mokry obrus. Obrus: a/ wyschnie, ponieważ woda wyparuje b/ nie wyschnie, ponieważ jest za niska temperatura c/ wyschnie, ponieważ woda zamarza, a powstały lód resublimuje d/ wyschnie, ponieważ woda zamarza a powstały lód sublimuje e/ nie wyschnie, ponieważ woda nie paruje w temperaturze poniżej 0 0 C rozwiązanie: woda zawarta w bieliźnie zamarza, a powstały lód sublimuje. Sublimacja to bezpośrednie przejście substancji ze stanu stałego w stan gazowy. Prawidłowa odpowiedź: d 2. Ryby oddychają powietrzem zawartym w wodzie. Rozchodzenie się powietrza w całej objętości zbiornika wodnego związane jest przede wszystkim: a/ ze zjawiskiem dyfuzji b/ z ruchami Browna c/ ze zjawiskiem kontrakcji d/ ze zjawiskiem rozpuszczania się tlenu w wodzie rozwiązanie: prawidłowa odpowiedź: a dyfuzja to samorzutne rozchodzenie się cząsteczek jednej substancji w innej substancji. 3. Jacek odmierzył po 2cm 3 azotu, tlenu, wodór. Gaz Gęstość (kg/m 3 ) Azot 1,146 Hel 0,164 Powietrze 1,185 Tlen 1,309 Wodór 0,0823 Który z gazów miał najmniejszą masę: a/ tlen b/ azot c/ wodór d/ nie można tego określić rozwiązanie: prawidłowa odpowiedź: c - korzystamy z pojęcia gęstości ciała: ρ= V m skąd m= ρ V, 2cm 3 to 0,000002m 3, czyli dla azotu m = 1, 146 0,000002, dla wodoru m= 0,0823 0,000002, dla tlenu m= 1,309 0,000002, z tych iloczynów wynika, że najmniejszy wynik będzie dla wodoru. 4. Odważono po 10g azotu, tlenu, wodoru i helu. Największą objętość zajmował : a/ tlen b/ azot c/ wodór d/ hel rozwiązanie: prawidłowa odpowiedź: c podobnie jak w poprzednim zadaniu, przekształcając wzór na gęstość tak by wyznaczyć objętość V= ρ m widać, że przy jednakowej masie największą objętość zajmuje ciało o najmniejszej gęstości, czyli wodór. 5. Jeden metr sześcienny powietrza ma masę 1,29kg. Masa powietrza znajdującego się w sali gimnastycznej o wymiarach 20mx15mx6m jest równa : a/ 2,322kg b/ 23,22kg c/ 232,2 kg d/ 2322kg rozwiązanie: prawidłowa odpowiedź: d obliczamy objętość sali gimnastycznej: V=1800m 3, jeżeli 1m 3 ma masę 1,29kg, to 1800m 3 ma masę 1,29 razy większą 6. Butelka wody mineralnej po wyjęciu z lodówki robi się mokra, ponieważ: a/paruje woda, która osadziła się na butelce jeszcze w lodówce b/ topi się cieniutka warstwa lodu, która utworzyła się na powierzchni butelki, kiedy była jeszcze lodówce
c/ na zimnej powierzchni butelki skrapla się para wodna zawarta w powietrzu d/ na zimnej powierzchni butelki resublimuje para wodna zawarta w powietrzu. Rozwiązanie: prawidłowa odpowiedź: c powierzchnia butelki wyjętej z lodówki ma niższą temperaturę od temperatury powietrza, więc zachodzi zjawisko skraplania się pary wodnej 1. Jednostką pojemności statku jest tzw. tona rejestrowa: 1BRT = 2,83m 3. Wynika z tego, że statek o tonażu 50000BRT dysponuje pod załadunek wewnętrzną przestrzenią o pojemności : a/ 14150 m 3 b/ 50000 m 3 c/ 141500 m 3 d/ 1415000m 3 2. Do menzurki nalano wody do poziomu oznaczonego liczbą 10cm 3. Po wsypaniu do niej 20 sztuk śrutu ołowianego, woda podniosła się do poziomu kreski 50cm 3. Objętość jednej sztuki wsypanego śrutu wynosi: a/ 2cm 3 b/ 4cm 3 c/ 20cm 3 d/ 40cm 3 3. Tworzenie się kropli wody to dowód: a/ przyciągania się cząsteczek b/ odpychania się cząsteczek c/ nie oddziaływania cząsteczek ze sobą d/ ustawania ruchu cząsteczek 4. Po zmieszaniu 100 cm 3 wody i 100 cm 3 denaturatu nie otrzymamy 200 cm 3 roztworu, gdyż: a/ cząsteczki mieszanych cieczy są jednakowe i przylegają do siebie b/ cząsteczki wody wypełniają miejsca między cząsteczkami denaturatu c/ cząsteczki mieszanych cieczy częściowo wyparowały d/ cząsteczki jednej cieczy zostały ściśnięte przez cząsteczki drugiej cieczy 5. Trzy przedstawione kule wykonane z różnych materiałów mają taką samą masę. O gęstości tych materiałów można powiedzieć, że: a/ gęstość każdej z nich jest jednakowa b/ gęstość kuli I jest największa, a kuli II najmniejsza c/ gęstość kuli II jest największa, a kuli I najmniejsza d/ gęstość kuli II jest największa, a kuli III najmniejsza 6. Po ogrzaniu metalowej kuli nastąpi: a/ zmniejszenie gęstości i zwiększenie objętości b/ zwiększenie gęstości i zwiększenie objętości c/ zmniejszenie gęstości, a objętość zostanie taka sama d/ zmniejszenie gęstości i zmniejszenie objętości
B. Tekstowe 1. Średnio oddychamy 15 razy na minutę, a przy jednym wdechu pobieramy 2dm 3 powietrza. Oblicz masę powietrza przepuszczanego przez płuca w ciągu doby 2. Czajnik aluminiowy ma ciężar 3N. Oblicz objętość aluminium, z którego wykonany jest czajnik 3. Jubiler w celu rozpoznania z jakiego materiału wykonana jest bransoleta, ustalił, że jej objętość wynosi 4cm 3 a masa 42g. Z jakiego materiału wykonana jest bransoleta 4. Ciało zważono na wadze szalkowej. Waga była w równowadze, gdy na szalce leżały odważniki o masach: 50g, dwa po 20g, 5g, 1g, 500mg, dwa po 200mg, 20mg i 10mg. a/ jaka jest masa tego ciała b/ jaki jest jego ciężar 5. Na dwie kulki wykonane z dwóch różnych substancji, stali i szkła, działa taka sama siła ciężkości. Która z kulek ma większą masę i dlaczego C. Doświadczalne 1. Syk dezodorantu uchodzącego z metalowego pojemnika słyszymy zaraz po naciśnięciu przez użytkownika rozpylacza, nawet wtedy, gdy znajdujemy się w odległości kilku metrów od niego. Jednak zapach dezodorantu poczujemy po kilku sekundach. Wyjaśnij, dlaczego tak jest skoro średnia prędkość cząsteczek powietrza w temperaturze pokojowej wynosi kilkaset metrów na sekundę Rozwiązanie: Fala dźwiękowa rozchodzi się w powietrzu z prędkością około 330m/s, a więc znajdując się w odległości np. 3 metrów od osoby używającej dezodorantu syk rozpylacza usłyszymy po niecałej 0,01s. Cząsteczki dezodorantu, poruszające się z prędkościami kilkuset metrów na sekundę, dotarłyby do nas w równie krótkim czasie, gdyby poruszały się po linii prostej. Tak jednak nie jest, ponieważ zderzają się one z innymi cząsteczkami powietrza. Średnia droga od zderzenia do zderzenia wynosi kilka stutysięcznych milimetra, a liczba zderzeń dochodzi do kilku miliardów na sekundę. Dlatego też droga cząsteczki zapachowej od dezodorantu do naszego nosa jest linią łamaną o długości dochodzącej do kilku kilometrów. To powoduje, że czas jaki potrzebny jest, aby cząsteczki zapachowe dotarły do nas z odległości 3m, wynosi co najmniej kilka sekund. 1. Twoim zadaniem jest wyznaczyć gęstość substancji, z jakiej został wykonany klucz. Uporządkuj podane niżej czynności według kolejności, w jakiej je należy wykonać: A/ odejmij objętość wody w cylindrze pomiarowym od objętości wody z kluczem i zanotuj objętość klucza B/ wlej do cylindra miarowego wodę C/ połóż klucz na jednej szalce wagi D/ włóż klucz do cylindra pomiarowego z wodą E/ podziel masę klucza przez jego objętość i zanotuj wynik jako gęstość substancji klucza F/ na drugiej szalce połóż odważniki, aby waga była w równowadze G/ odczytaj objętość wody H/ oblicz masę odważników i zanotuj jako masę klucza I/ odczytaj objętość wody z zanurzonym w niej kluczem 2. Zmierz objętość jajka kurzego, używając szklanki, wody i strzykawki lub cylindra miarowego. Opisz swój sposób postępowania. Wynik podaj w cm 3. Wskazówka: 1ml to 1 cm 3 3. Piotr wyznaczył masę i objętość surowego jajka. Następnie ugotował je na twardo i ponownie wykonał pomiar masy i objętości. Gęstość jajka po ugotowaniu jest: A/ mniejsza niż przed ugotowaniem B/ taka sama jak przed ugotowaniem C/ większa niż przed ugotowaniem Wybierz poprawną odpowiedź i napisz dlaczego tak sądzisz. Odpowiedź możesz sprawdzić doświadczalnie.