MODUŁ 11 · CZĘŚĆ IV: POWTÓRZENIE I SPRAWDZIAN

Powtórzenie i sprawdzian — budowa i właściwości materii

PPrezentacja dla nauczyciela

Cały dział w jednym module. Pięć sekcji, a w każdej krótkie powtórzenie, lista najczęstszych pomyłek i trzy pytania sprawdzające. Do tego mapa myśli, tabele zbiorcze, checklista i wskazówki, jak czytać polecenia — bo najwięcej punktów traci się nie z braku wiedzy, lecz z pośpiechu.

Cząstki i budowa materii

Wszystko, co nas otacza, zbudowane jest z cząstek: atomów, cząsteczek i jonów. Atom jest najmniejszym składnikiem pierwiastka. Cząsteczka powstaje z połączonych atomów — cząsteczka wody to dwa atomy wodoru i jeden atom tlenu. Jon to atom lub cząsteczka, która ma nadmiar albo brak elektronów, więc jest naładowana. Między cząstkami są wolne przestrzenie, cząstki stale się poruszają, a ich ruch jest tym szybszy, im wyższa jest temperatura.

Trzy dowody, które warto umieć podać: dyfuzja, czyli samorzutne rozchodzenie się zapachu; ściśliwość gazów, która pokazuje, że między cząstkami jest dużo pustego miejsca; oraz zmiana objętości przy ogrzewaniu, bo cząstki poruszają się mocniej i średnio odsuwają się od siebie.

Modele cząsteczkowe, które rysujemy, są uproszczeniem. Prawdziwe cząstki są miliony razy mniejsze od ziarnka piasku i nie mają kolorów ani oczu. Rysunek ma pokazać układ cząstek i kierunek ich ruchu, a nie ich wygląd. W jednej kropli wody jest ponad $10^{21}$ cząsteczek, czyli liczba z dwudziestoma jeden zerami.

Najczęstsze pomyłki: utożsamianie cząsteczki z atomem, wyobrażanie sobie, że cząstki stoją w miejscu, oraz tłumaczenie rozszerzalności wzrostem rozmiaru samych cząstek. Cząstki nie rosną — zwiększa się ich średnia prędkość i średnia odległość.

Mapa myśli: cały dział na jednym rysunku

Pięć działów łączy jedno pojęcie: cząstki i ich wzajemne oddziaływania. Każde zjawisko w tym dziale da się sprowadzić do ruchu cząstek i sił między nimi.

1. Do szklanki z wodą wrzucono kostkę lodu z barwnikiem. Po pewnym czasie cała woda jest zabarwiona, choć nikt jej nie mieszał. Co to dowodzi?

Barwnik ma mniejszą gęstość niż woda, więc unosi się i zabarwia całą objętość Woda krąży w szklance dzięki różnicy temperatur i unosi barwnik Cząstki barwnika i wody są w ciągłym ruchu i mieszają się samorzutnie Cząstki barwnika są większe od cząstek wody, więc wypychają je na boki naczynia

2. Kawałek kredy rozcieramy na coraz drobniejszy pył. Co możemy powiedzieć o granicy tego procesu?

Dochodzimy do cząstek, których nie da się już rozdzielić metodami mechanicznymi Kreda nie jest zbudowana z cząstek, więc proces można prowadzić bez końca Każdy okruszek ma inne właściwości niż kreda, więc pył staje się zupełnie nową substancją chemiczną Po roztarciu cząstki przestają się poruszać i tworzą jednolitą, nieruchomą masę

3. Który opis poprawnie odróżnia atom, cząsteczkę i jon?

Atom to połączone cząsteczki, cząsteczka to jon obojętny, a jon to atom pozbawiony wszystkich elektronów Wszystkie trzy pojęcia oznaczają to samo, tylko w różnych stanach skupienia materii Atom jest zawsze naładowany, cząsteczka obojętna, a jon to pojedynczy proton Atom to najmniejszy składnik pierwiastka, cząsteczka to połączone atomy, a jon jest naładowany

Masa, objętość i gęstość

Masa mówi, ile materii jest w ciele, i nie zależy od miejsca: 1 kg na Ziemi i na Księżycu to ta sama masa. Objętość to miejsce zajmowane przez ciało. Gęstość łączy obie wielkości i opisuje, jak dużo masy przypada na jednostkę objętości: $\rho = \frac{m}{V}$.

Wielkość	Symbol	Jednostki	Najważniejsza uwaga
masa	$m$	kg, g	nie zmienia się przy zmianie miejsca
objętość	$V$	m³, cm³, l	1 l = 1 dm³ = 1000 cm³
gęstość	$\rho$	kg/m³, g/cm³	1 g/cm³ = 1000 kg/m³

Gęstość jest cechą substancji w danej temperaturze, a nie dowolnego kawałka. Mały i duży kawałek aluminium mają tę samą gęstość, choć różne masy. Wyjątkiem jest woda, której gęstość zmienia się nietypowo między 0 a 4 stopniami Celsjusza.

Przykład: kostka metalu ma masę 54 g i objętość 20 cm³, więc jej gęstość wynosi 2,7 g/cm³ — to aluminium. Jeśli weźmiesz dwa razy większy kawałek tej samej substancji, masa i objętość wzrosną dwukrotnie, a gęstość pozostanie taka sama.

Objętość ciała o nieregularnym kształcie mierzymy w cylindrze z wodą. Odczyt przed zanurzeniem i po zanurzeniu różnią się o objętość ciała. Warunek: ciało musi być całkowicie zanurzone i nie może rozpuszczać się w wodzie.

Najczęstsze pomyłki: mylenie masy z ciężarem, nazywanie gęstością samej masy („ciężkie” nie znaczy „gęste”) oraz błędy w przeliczaniu jednostek: 1 m³ to 1 000 000 cm³, a nie 1000 cm³.

4. Butelka o pojemności 1,5 l jest pełna miodu. Gęstość miodu wynosi około 1,4 g/cm³. Jaka jest masa miodu?

1,05 kg 21 kg 0,21 kg 2,1 kg

5. Gęstość pewnej cieczy wynosi 0,8 g/cm³. Ile to kilogramów na metr sześcienny?

8 kg/m³ 800 kg/m³ 80 kg/m³ 8000 kg/m³

6. Po ogrzaniu ciała stałego jego masa się nie zmienia, a objętość rośnie. Co dzieje się z gęstością?

Rośnie, bo cząstki stają się cięższe Nie zmienia się, bo gęstość zależy tylko od rodzaju substancji, a nie od temperatury Maleje, bo ta sama masa zajmuje większą objętość Rośnie, bo większa objętość to więcej materii

Stany skupienia i przemiany

W ciele stałym cząstki są blisko siebie i drgają wokół ustalonych położeń, dlatego ciało ma stały kształt i objętość. W cieczy cząstki są nadal blisko, ale mogą się przemieszczać — ciecz ma stałą objętość i przyjmuje kształt naczynia. W gazie cząstki są daleko od siebie i poruszają się swobodnie, więc gaz wypełnia całe naczynie.

Przemiana	Przejście	Ciepło
topnienie	ze stanu stałego w ciekły	pobierane
krzepnięcie	z ciekłego w stały	oddawane
parowanie	z ciekłego w gazowy	pobierane
skraplanie	z gazowego w ciekły	oddawane
sublimacja	ze stałego w gazowy	pobierane
resublimacja	z gazowego w stały	oddawane

Podczas topnienia kryształu, na przykład lodu, temperatura nie rośnie, mimo że dostarczamy ciepło. Energia idzie wtedy na zrywanie wiązań między cząstkami, a nie na zwiększanie ich średniej prędkości. Ciała bezpostaciowe, takie jak wosk czy szkło, miękną w pewnym zakresie temperatur i nie mają jednej temperatury topnienia.

Przykład: szklanka z lodem i wodą ma temperaturę 0 stopni Celsjusza przez cały czas topnienia. Dopiero gdy stopi się ostatni kawałek lodu, temperatura zaczyna rosnąć.

Najczęstsze pomyłki: utożsamianie wrzenia z parowaniem (parowanie zachodzi w każdej temperaturze, tylko z powierzchni), twierdzenie, że podczas topnienia temperatura rośnie, oraz mieszanie skraplania z krzepnięciem.

7. W szklance z lodem i wodą mieszanina ma 0 stopni Celsjusza, choć cały czas dostarczamy ciepło. Na co idzie ta energia?

Na zrywanie wiązań między cząsteczkami, czyli na zmianę stanu skupienia Na zwiększanie średniej prędkości cząsteczek, dlatego temperatura powinna rosnąć Na ogrzewanie powietrza nad szklanką, dlatego woda nie zmienia temperatury Na zwiększanie masy wody, bo lód zamienia się w wodę

8. Mokre pranie rozłożone na suszarce schnie szybciej niż zwinięte w kulkę. Dlaczego?

W kulce woda wrze w niższej temperaturze Ma większą powierzchnię, z której cząsteczki wody mogą parować Rozłożone pranie ma wyższą temperaturę, bo dociera do niego więcej światła W kulce cząsteczki wody są cięższe i dlatego wolniej opuszczają tkaninę

9. Na ściance zamrażarki pojawia się szron, choć w środku nie ma płynnej wody. Skąd bierze się szron?

Woda najpierw skrapla się na ściance, a dopiero potem zamarza, więc szron to zwykły lód Szron to woda wyciśnięta z plastikowych ścianek zamrażarki pod wpływem mrozu Szron powstaje z lodu, który sublimuje z zamrażanych produktów Para wodna z powietrza zamienia się bezpośrednio w lód, czyli resublimuje

Dyfuzja i rozszerzalność

Dyfuzja to samorzutne mieszanie się cząstek różnych substancji, wywołane ich ruchem. Zachodzi w gazach, cieczach i ciałach stałych, ale w ciałach stałych bardzo wolno. Im wyższa temperatura, tym szybszy ruch cząstek i szybsza dyfuzja — dlatego herbata zaparza się szybciej w gorącej wodzie.

Rozszerzalność cieplna polega na tym, że przy ogrzewaniu cząstki poruszają się mocniej i średnio odsuwają się od siebie, więc ciało zwiększa objętość. Gazy rozszerzają się najbardziej, ciecze pośrednio, a ciała stałe najmniej. Dlatego w torach kolejowych zostawia się szczeliny, w mostach montuje się dylatacje, a bimetal wygina się w stronę metalu, który rozszerza się mniej.

Szczeliny w torach — miejsce na wydłużenie szyn w upalny dzień.
Dylatacje w mostach — przerwy, które pozwalają przęsłu swobodnie się wydłużyć.
Bimetal w termostacie — pasek z dwóch metali wygina się przy zmianie temperatury i rozłącza obwód.
Przewody elektryczne — latem zwisają luźniej niż zimą, bo miedź też się rozszerza.

Woda jest wyjątkiem: od 0 do 4 stopni Celsjusza ogrzewanie powoduje jej kurczenie, a nie rozszerzanie. Największą gęstość ma woda w temperaturze 4 stopni Celsjusza. Dzięki temu lód pływa po wodzie, a jezioro zamarza od powierzchni, co pozwala przetrwać organizmom wodnym.

Najczęstsze pomyłki: wyobrażanie sobie, że dyfuzja to przepływ cieczy, oraz twierdzenie, że „każda substancja rozszerza się przy ogrzewaniu”. Woda między 0 a 4 stopniami Celsjusza jest wyjątkiem, który trzeba umieć wskazać.

10. Zapach perfum w chłodnym pokoju rozchodzi się wolniej niż w ciepłym. Jak to wyjaśnić?

W wyższej temperaturze cząstki poruszają się szybciej, więc dyfuzja jest szybsza W cieple cząstki stają się mniejsze i łatwiej przenikają przez powietrze Zapach w cieple jest lżejszy od powietrza, a w chłodzie staje się cięższy W chłodzie powietrze jest tak gęste, że cząstki zapachu w ogóle nie mogą się przez nie przecisnąć

11. Po co w torach kolejowych zostawia się szczeliny między szynami?

Aby odprowadzać wodę spod szyn Aby szyny miały miejsce na wydłużenie w ciepłe dni Aby koła pociągu nie ślizgały się na zakrętach Aby szyny mogły się swobodnie kurczyć podczas mrozów

12. Bimetal to pasek złożony z dwóch różnych metali. Co się z nim dzieje po ogrzaniu?

Wygina się w stronę metalu, który rozszerza się bardziej Wydłuża się równo i nie wygina, bo oba metale rozszerzają się tak samo Wygina się w stronę metalu, który rozszerza się mniej Kurczy się, bo ciepło powoduje skurcz metali

Zjawiska powierzchniowe

Napięcie powierzchniowe sprawia, że powierzchnia cieczy zachowuje się jak napięta błona. Cząstki na powierzchni mają sąsiadów tylko z boku i z dołu, więc wypadkowa siła ciągnie je do wnętrza, a powierzchnia stara się być jak najmniejsza.

Zwilżanie zależy od tego, co wygrywa: siły spójności, czyli przyciąganie między cząsteczkami tej samej cieczy, czy siły przylegania, czyli przyciąganie cieczy do ciała stałego. Woda zwilża szkło i tworzy menisk wklęsły, rtęć szkła nie zwilża i tworzy menisk wypukły. Kapilarność to wznoszenie się cieczy zwilżającej w wąskiej rurce; im cieńsza rurka, tym wyżej wznosi się ciecz. Ciecz niezwilżająca ścianki opada.

Napięcie powierzchniowe maleje wraz ze wzrostem temperatury, dlatego gorąca woda lepiej zwilża naczynia i szybciej wnika między włókna. To jedna z przyczyn, dla których ciepłą wodą łatwiej zmyć tłuszcz.

Przykłady: ręcznik papierowy, bibuła, gleba, knot świecy i cienkie naczynia roślin. Pamiętaj o zastrzeżeniu: transport wody na szczyt wysokiego drzewa napędza przede wszystkim transpiracja, czyli parowanie z liści wytwarzające podciśnienie, a nie sama kapilarność.

Najczęstsze pomyłki: mylenie napięcia powierzchniowego z lepkością oraz sądzenie, że menisk to skutek ciśnienia powietrza. Częsta pomyłka to też oczekiwanie, że woda z mydłem wzniesie się w kapilarze wyżej niż czysta — jest odwrotnie, bo mydło obniża napięcie powierzchniowe.

13. W cienkiej szklanej rurce woda podnosi się, a rtęć opada. Co wyjaśnia tę różnicę?

Rtęć ma znacznie większą gęstość, więc grawitacja całkowicie znosi w niej zjawisko kapilarne i wypycha ją z rurki Woda reaguje ze szkłem chemicznie, a rtęć nie reaguje W rurce z rtęgą panuje inne ciśnienie niż w rurce z wodą Woda zwilża szkło, a rtęć nie, bo siły spójności i przylegania są w obu przypadkach różne

14. Kropla wody na monecie jest wypukła i nie rozlewa się, dopóki nie dodasz kropli płynu do naczyń. Co się zmieniło?

Płyn obniżył napięcie powierzchniowe, więc błona nie utrzymała już takiej kopułki Płyn zwiększył gęstość wody, więc kropla stała się cięższa i spłynęła Płyn podniósł temperaturę wody, więc woda zaczęła szybciej parować Płyn zwiększył napięcie powierzchniowe wody, więc błona pękła pod własnym ciężarem i kropla się rozlała

15. Uczeń tłumaczy: „Woda wchodzi na 25 metrów, bo działa kapilarność”. Co trzeba dodać do tego wyjaśnienia?

Nic dodać nie trzeba, bo kapilarność bez problemu podnosi wodę na każdą wysokość Trzeba dodać transpirację, bo kapilarność podnosi wodę tylko na kilka metrów Trzeba dodać, że w drewnie nie ma kapilar i woda płynie wyłącznie korą Trzeba dodać, że woda nie zwilża drewna, więc kapilarność w ogóle nie działa

Checklista przed sprawdzianem

Umiem wyjaśnić, czym różnią się atom, cząsteczka i jon.
Umiem przeliczać jednostki objętości i gęstości: 1 l, 1 dm³, 1 cm³ oraz 1 g/cm³.
Umiem obliczyć gęstość i przekształcić wzór, gdy szukam masy lub objętości.
Umiem nazwać sześć przemian i powiedzieć, kiedy ciepło jest pobierane, a kiedy oddawane.
Wiem, dlaczego temperatura topnienia kryształu się nie zmienia.
Umiem wyjaśnić dyfuzję i wpływ temperatury na jej tempo.
Wiem, po co są szczeliny w torach i jak działa bimetal.
Umiem wyjaśnić napięcie powierzchniowe, menisk i kapilarność.
Pamiętam o wyjątku: woda od 0 do 4 stopni Celsjusza.
Umiem odróżnić kapilarność od transpiracji.

Wskazówki egzaminacyjne:

Czytaj polecenie do końca: „wyjaśnij” wymaga przyczyny, a „podaj” tylko nazwy lub wartości.
W zadaniu rachunkowym zapisz wzór, podstawienie i wynik z jednostką — punkty dostaje się także za metodę.
Sprawdzaj jednostki przed podstawieniem: 20 cm³ to 0,00002 m³, a nie 0,2 m³.
Jeśli w odpowiedzi pojawia się słowo „bo”, dokończ zdanie przyczyną fizyczną, a nie opisem tego, co widać.
Na rysunku cząsteczkowym zaznacz odstępy i strzałki ruchu. Rysunek ma pokazywać model, a nie dekorację.