Wydrukuj Zapisz jako PDF Dodaj do ulubionych Udostępnij materiał

Gdy przechodzimy obok piekarni, już z pewnej odległości czujemy zapach wypieków. Po zapaleniu kadzidełka w krótkim czasie całe pomieszczenie wypełnia się jego wonią. Cukier rozpuszcza się w herbacie nawet bez jej mieszania. Co może być przyczyną tych zjawisk? Dlaczego tak się dzieje i jaki ma to związek z otaczającą nas materią?

Już wiesz
  • jakie właściwości ma materia w różnych stanach skupienia;

  • co to jest mieszania;

  • na podstawie jakich kryteriów klasyfikuje się mieszaniny;

  • jakie zasady bezpieczeństwa należy zachować w szkolnej pracowni chemicznej.

Nauczysz się
  • posługiwać podstawowymi terminami dotyczącymi mieszanin i sposobów ich rozdzielania;

  • wymieniać przykłady dyfuzji spotykane w życiu codziennym;

  • opisywać ziarnistą budowę materii;

  • wyjaśniać, na czym polegają zjawiska dyfuzji, rozpuszczania, mieszania, zmiany stanów skupienia;

  • opisywać mieszanie się substancji;

  • planować doświadczenia potwierdzające ziarnistość budowy materii;

  • przestrzegać zasad bezpieczeństwa podczas wykonywania eksperymentów chemicznych.

iLUdYqSImI_d5e225

1. Jaka jest budowa materii?

Wszystko, co nas otacza, to materiamateriamateria. Jest ona zbudowana z drobin (ma budowę ziarnistą). W substancji stałej drobiny są ułożone blisko siebie, w sposób regularny. W cieczach odległości miedzy drobinami są większe, a cząstki ułożone są nieregularnie. Natomiast w gazach odległości między nieregularnie ułożonymi drobinami są największe (co oznacza jednocześnie, że oddziaływania między drobinami są w tym przypadku najmniejsze).

R1YuA9YWd7TEn1
Stany skupienia materii
Polecenie 1

Zaplanuj eksperyment, który potwierdzałby, że materia jest zbudowana z drobin.

Proces mieszania wody i etanolu
Doświadczenie 1
Problem badawczy

Czy całkowita objętość dwóch zmieszanych ze sobą cieczy będzie równa sumie ich objętości?

Hipoteza

Wybierz jedną z przedstawionych hipotez, a następnie zweryfikuj ją.

Całkowita objętość dwóch zmieszanych ze sobą cieczy będzie równa sumie ich objętości.
Całkowita objętość dwóch zmieszanych ze sobą cieczy nie będzie równa sumie ich objętości.

Co będzie potrzebne
  • 3 cylindry miarowe,

  • bagietka,

  • woda,

  • etanol*

    * etanol absolutny – 100

    -procentowy roztwór, alkohol etylowy lub spirytus rektyfikowany – 96‑procentowy roztwór alkoholu etylowego w wodzie.

Instrukcja
  1. Odmierz w cylindrach miarowych po 100 cmIndeks górny 3 wody oraz etanolu.

  2. Do cylindra o pojemności 250 cmIndeks górny 3 wlej odmierzone objętości wody i etanolu.

  3. Wymieszaj składniki i odczytaj objętość powstałej mieszaniny.

Podsumowanie

Objętość mieszaniny wynosi ok. 192 cmIndeks górny 3. Jej całkowita objętość jest mniejsza od sumy objętości poszczególnych składników.

Czynność mieszania grochu i maku
Doświadczenie 2
Problem badawczy

Co się stanie, jeśli zmieszamy jednakowe objętości grochu i maku?

Hipoteza

Wybierz jedną z przedstawionych hipotez, a następnie zweryfikuj ją.

Całkowita objętość nie będzie równa sumie objętości poszczególnych składników.
Całkowita objętość będzie równa sumie objętości poszczególnych składników.

Co będzie potrzebne
  • 3 cylindry miarowe,

  • ziarna grochu,

  • ziarna maku lub kasza gryczana.

Instrukcja
  1. Odmierz w cylindrze miarowym po 100 cmIndeks górny 3 grochu oraz kaszy gryczanej lub maku.

  2. Do cylindra o pojemności 250 cmIndeks górny 3 wsyp groch i kaszę gryczaną albo mak.

  3. Wymieszaj dokładnie wszytkie składniki mieszaniny.

    R1dlHBKzbXq041
    Na początku widać stół, na którym znajduje się słoik z zakrętką, kasza i groch łuskany w przeźroczystych pojemnikach (zlewkach). Do słoika zostaje wsypany groch tak, aby wypełnił jego połowę. Dosypujemy kaszy tak, aby zostało w słoiku jeszcze trochę miejsca. Zakręcamy słoik. Na słoiku zaznaczamy mazakiem poziom, do którego sięga kasza. Następnie mieszamy kaszę i groch poprzez kilkukrotne potrzaśnięcie słoikiem. Później, zbliżenie na słoik. Następnie widać stół, na którym znajduje się denaturat i woda. Kamera pokazuje podpisy na zlewkach (z wodą i denaturatem). Na stole znajduje się również pusta menzurka(próbówka). Do probówki wlewamy do połowy wodę. Następnie delikatnie po ściankach naczynia wlewamy denaturat, tak, aby nie wymieszał się z wodą. Widać wyraźną granicę między wodą a denaturatem. Zaznaczamy na probówce poziom, do którego sięga denaturat. Następnie mieszamy obie ciecze przez potrząśnięcie probówki. Widać wyraźnie, że poziom mieszaniny jest niższy od zaznaczonego.

Podsumowanie

Objętość mieszaniny wynosi ok. 170 cmIndeks górny 3. Obserwacja z bliska ujawnia mechanizm kontrakcji: drobne ziarenka maku lub kaszy wypełniają wolne przestrzenie pomiędzy większymi ziarnami grochu.

Zjawisko zmniejszenia się objętości podczas mieszania cieczy nazywa się kontrakcjąkontrakcja objętościkontrakcją. Przyczyną kontrakcji jest możliwość ściślejszego upakowania drobin w mieszaninie dwóch cieczy. Mechanizm kontrakcji można przedstawić w sposób modelowy, używając do tego celu np. grochu i maku.

iLUdYqSImI_d5e373

2. Czym jest dyfuzja?

2.1. Dyfuzja w gazach

Badanie rozprzestrzeniania się zapachu perfum
Doświadczenie 3
Problem badawczy

Co się stanie, jeśli otworzymy flakon perfum w klasie?

Hipoteza

Zapach rozprzestrzeni się i będzie wyczuwalny z dala od flakonu.

Co będzie potrzebne
  • perfumy.

Instrukcja
  1. Ustaw w rogu klasy otwarty flakon perfum i pozostaw go na 5 minut.

Podsumowanie

Po chwili zapach perfum jest wyczuwalny w całej klasie.

R1AIfd7bh5spY1
Źródło: Dariusz Adryan, licencja: CC BY 3.0.

Perfumy składają się z drobin, które samorzutnie mieszają się z powietrzem i rozprzestrzeniają w nim.

*Badanie rozprzestrzeniania się zapachu olejku
Doświadczenie 4
Problem badawczy

Czy substancja może rozprzestrzenić się samorzutnie w innej substancji?

Hipoteza

Wybierz jedną z przedstawionych hipotez, a następnie zweryfikuj ją.

Substancja nie może samorzutnie rozprzestrzenić się w innej substancji.
Substancja może samorzutnie rozprzestrzenić się w innej substancji.

Co będzie potrzebne
  • balon,

  • wkraplacz,

  • pudełko,

  • olejek zapachowy.

Instrukcja
  1. Nadmuchaj balon.

  2. Do środka balonu dodaj kilka kropli olejku zapachowego.

  3. Zawiąż balon i zamknij w pudełku.

  4. Po godzinie otwórz pudełko.

Podsumowanie

Po czasie zapach olejku jest wyczuwalny w pudełku. Pary olejku samoistnie mieszają się z powietrzem znajdującym się w pudełku i rozprzestrzeniają się w nim. Zachodzi zjawisko dyfuzji.

Zapachy kosmetyków, kwiatów czy gotowanego i smażonego jedzenia rozprzestrzeniają się po całym mieszkaniu. Odświeżacz powietrza powoli uwalnia przyjemną woń, którą czujemy w pomieszczeniu. Zapach lakieru do włosów po krótkiej chwili staje się wyczuwalny z dala od miejsca jego rozpylenia. Przytoczone przykłady ilustrują proces samorzutnego rozchodzenia się substancji z miejsca, gdzie jest jej dużo, do miejsc, w których jest jej mniej lub nie ma wcale, co prowadzi do wyrównania stężeń. Jest to zjawisko dyfuzjidyfuzjadyfuzji.

R1XzqNzhI4jOG1
Otwieranie pojemnika z „zapachem”, rozchodzenie się „małych kulek” pomiędzy dużymi. Pojawiają się kolejno zdjęcia: perfum, kobiety wąchającej kwiat, smażone kotlety, filiżanka kawy oraz pływających w wodzie ryb.
RFIE9Y5qjekhN1
Kolba z drobinami. Pojawia się lupa. Butla z gazem odkręcona w pomieszczeniu – widać wypełnienie całego pomieszczenia tymi drobinami. Drobiny rozchodzą się po pokoju
Ciekawostka

Zjawisko adwekcji
Rozchodzenie się zapachu w powietrzu nie zawsze zachodzi samorzutne, może być ono spowodowane zjawiskiem adwekcji (poziomego ruchu cząsteczek transportowanej substancji). Powoduje ona napływanie powietrza o odmiennych właściwościach (np. o innej temperaturze lub wilgotności). Zjawisko adwekcji w połączeniu z dyfuzją nazywamy konwekcją (pionowym ruchem związanym z ruchami ciepła, z ruchami wywołanymi różnicą temperatur).
Wyróżniamy adwekcję:

  • wymuszoną, np. przeciąg w pokoju;

  • naturalną, wywołaną różnicami gęstości ośrodka spowodowanymi różnicą temperatur lub stężenia.

Dyfuzja w gazach jest zjawiskiem dość wolnym, np. przesunięcie się par etanolu w powietrzu na odległość 1 m wymaga czasu ok. 100 000 s, czyli trwa ponad 1 dzień! Dzięki zjawisku adwekcji przy prawie niewyczuwalnym przepływie powietrza (10 cm/s) zapach jest przenoszony na odległość 1 m w czasie tylko 10 sekund!

iLUdYqSImI_d5e533

2.2. Dyfuzja w cieczach

Badanie zachowania się barwnika w cieczy
Doświadczenie 5
Problem badawczy

Czy dyfuzja zachodzi w cieczach?

Hipoteza

Wybierz jedną z przedstawionych hipotez, a następnie zweryfikuj ją.

Dyfuzja nie zachodzi w cieczach.
Dyfuzja zachodzi w cieczach.

Co będzie potrzebne
  • zlewka,

  • woda,

  • atrament.

Instrukcja

1. Do zlewki z wodą dodaj niewielką ilość atramentu i obserwuj zachodzące zmiany.

Podsumowanie

Po dodaniu atramentu do wody powstają smugi, a po chwili zawartość zlewki zabarwia się na niebiesko.
Drobiny barwnika (cieczy) i wody samorzutnie się wymieszały. Zaszło zjawisko dyfuzji.

RzR8riE5mFBbH1
Widać trzy próbówki, jedna zakorkowana, druga wypełniona cieczą, trzecia ma na dnie np. kamyk lub kawałek metalu. Zbliżenie na próbówkę pierwszą, widać „lupkę”, w której szybko poruszają się rzadko rozmieszczone cząsteczki. Widać dym rozprzestrzeniający się po pokoju. Zbliżenie na próbówkę drugą, widać, że drobiny są ułożone gęściej i poruszają się wolniej. Widać atrament wlewany do szklanki z wodą, który stopniowo się rozprzestrzenia. Zbliżenie na próbówkę trzecią, widać, że drobiny są ułożone jedna przy drugiej i drgają, ale nie przemieszczają się. Widać butelkę z nakrętką. Pojawia się ręka odkręcająca butelkę.

Proces parzenia herbaty jest przykładem samorzutnego mieszania się esencji z wodą. Dodanie do naparu kilku kropel soku z cytryny nada mu kwaśny smak, nawet jeśli go nie pomieszamy. Drobiny esencji herbacianej i soku z cytryny przemieszczają się między drobinami wody. Zjawisko to jest jednym z licznych przykładów obrazujących ziarnistą budowę materii. Jednak nie każde mieszanie się drobin substancji można nazwać dyfuzją. Należy pamiętać, że jest to zjawisko samorzutne.

iLUdYqSImI_d5e634

2.3. Dyfuzja w ciałach stałych

Dyfuzja w ciałach stałych jest procesem praktycznie niemożliwym do zaobserwowania w życiu codziennym. W celu zbadania tego zjawiska wykonano doświadczenie. Położono na sobie dwie dokładnie oszlifowane płyty: jedną z ołowiu, drugą ze złota. Przyciśnięto je odważnikiem, a po pięciu latach ich przechowywania w temperaturze pokojowej na granicy styku warstw o grubości 1 mm stwierdzono:

  • w płycie ołowianej drobiny złota,

  • w płycie złota drobiny ołowiu.

Doświadczenie to potwierdza, że przenikanie stykającej się ze sobą materii jest możliwe. To dowodzi, że materia ma ziarnistą budowę.

Ciekawostka

Paradoks orzechów brazylijskich
Podczas transportu drogą morską z Ameryki Południowej do Europy skrzynie wypełnione różnymi gatunkami orzechów narażone były na ciągłe wstrząsy. Po ich otwarciu na wierzchu znajdowano największe i najcięższe orzechy brazylijskie.
Wyjaśnienie:
Niewielka różnica wielkości dwóch rodzajów orzechów powoduje tonięcie jednych i wydobywanie się na powierzchnię innych – jest to „efekt brazylijskiego orzecha”

RgYV11h7MKYwQ1
Źródło: Dariusz Adryan, licencja: CC BY 3.0.

Dyfuzja prowadzi do powstawania mieszanin przez zmianę położenia drobin – wnikania jednych między inne. Ruchliwość drobin, czyli zdolność do przemieszczania się, zależy od stanu skupienia i temperatury. Dyfuzja zachodzi we wszystkich stanach skupienia – najszybciej w gazach, zaś najwolniej – w substancjach stałych. Dyfuzja w cieczach może trwać od kilku godzin do kilku dni.

RW6LtzGHbEE4o1
Źródło: Dariusz Adryan, licencja: CC BY 3.0.
Ciekawostka

Szczególnym rodzajem dyfuzji jest osmozaosmozaosmoza, która zachodzi w roztworach wodnych, przenikając przez błonę półprzepuszczalną rozdzielającą dwa roztwory o różnym stężeniu. Osmoza przebiega spontanicznie, w kierunku od roztworu o niższym stężeniu substancji rozpuszczonej do roztworu o wyższym stężeniu, czyli prowadzi do wyrównania stężeń obu roztworów.

RvTWexzp0lKFJ1
Porównanie zjawiska dyfuzji i osmozy
R1JY4et6Aw7ZR1
Krótka animacja komputerowa przedstawiająca zachowanie cząstek ciała stałego, cieczy i gazu w wycinkach przestrzeni o kształcie sześcianu. Począwszy od lewej, w pierwszym sześcianie reprezentującym ciało stałe mocno skupione cząstki wypełniające szczelnie przestrzeń drgają, okazjonalnie zamieniając się miejscami. W cieczy cząsteczki znajdują się w większej swobodzie, poruszając się pomiędzy innymi powolnymi ruchami. Trzeci, ostatni sześcian reprezentujący gaz zawiera niewiele cząsteczek przemieszczających się swobodnie i szybko w chaotyczny sposób.
RpREjHXe3zsXU1
Film przedstawia przebieg eksperymentu, na początku pokazuje rzeczy konieczne do wykonania doświadczenia, następnie jego przebieg zgodnie z instrukcją lektora
iLUdYqSImI_d5e717

Podsumowanie

  • Materia jest zbudowana jest z drobin, które pozostają w ciągłym ruchu. Materia ma budowę ziarnistą.

  • Najważniejszymi zjawiskami potwierdzającymi nieciągłość materii są:

    • dyfuzja,

    • rozpuszczanie się ciał stałych w cieczach,

    • mieszanie się cieczy,

    • zmiany stanu skupienia.

  • Dyfuzja w gazach i cieczach zachodzi szybciej niż w ciałach stałych.

Praca domowa
Polecenie 2.1

Wyjaśnij, od czego zależy szybkość dyfuzji.

Polecenie 2.2

Korzystając z dowolnej techniki prezentacji, wykonaj symulację ilustrującą przebieg zjawiska dyfuzji w różnych środowiskach:

  • gazu w gazie,

  • cieczy w cieczy,

  • ciała stałego w ciele stałym.

Polecenie 2.3

*Potwierdzeniem teorii ziarnistej budowy materii są ruchy zaobserwowane przez Roberta Browna (czyt. brałna). Poszukaj w dostępnych źródłąch poszukaj informacji na ten temat i sporządź notatkę. Uwzględnij w niej wyjaśnienia tego zjawiska podane przez Alberta Einsteina (czyt. ensztaina) i Mariana Smoluchowskiego.

iLUdYqSImI_d5e798

Słowniczek

dyfuzja
dyfuzja

zjawisko polegające na samorzutnym mieszaniu się substancji, w taki sposób, że drobiny jednych substancji wnikają pomiędzy drobiny innej substancji; zachodzi z różną szybkością i prowadzi do równomiernego rozmieszczenia drobin

kontrakcja objętości
kontrakcja objętości

zjawisko zmniejszania się objętości roztworów podczas mieszania, np. wody i etanolu; spowodowane oddziaływaniem drobin i mieszających się substancji

materia
materia

składa się z drobin, ma budowę nieciągłą – ziarnistą

osmoza
osmoza

zjawisko polegające na samorzutnym mieszaniu się substancji, zachodzi w roztworach wodnych przez błonę półprzepuszczalną rozdzielającą dwa roztwory o różnym stężeniu do momentu wyrównania stężeń

iLUdYqSImI_d5e886

Zadania

Ćwiczenie 1
R10ByHnqmmYSL1
zadanie interaktywne
Źródło: Małgorzata Bartoszewicz, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 2
R1dzCzu6pijTC1
zadanie interaktywne
Źródło: Małgorzata Bartoszewicz, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 3
RRncxrthDLvFd1
zadanie interaktywne
Źródło: Małgorzata Bartoszewicz, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 4
RIJ6o3tLhUN161
zadanie interaktywne
Źródło: Małgorzata Bartoszewicz, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 5
RlZiAaTf3vFcE1
zadanie interaktywne
Źródło: Małgorzata Bartoszewicz, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 6
R1Jz7GU9aN3TD1
zadanie interaktywne
Źródło: Małgorzata Bartoszewicz, licencja: CC BY 3.0.