Atomfysik i klasse

Transkript

1 Atomfysik i klasse 1 af 1 Atomfysik er nu samlet i et kapitel, hvor der er adgang til fra hvert klassetrin. Nu kan man lære det samme i atomfysik på alle klassetrin. Så kan lærer og elev selv bestemme, hvor dybt man går fra år til år. I elevernes arbejdsmappe er materialet om atomfysik med i klasse. Når man gennemgår det i 9. og 10. klasse, så vil meget være en repetition. Er der nye elever i klassen, så får de det hele med på denne måde. Atomfysik samlet ét sted Emnet atomfysik går igen på alle klassetrin lige fra 7. klasse til 9. klasse og videre i 10. og gymnasiet. Til afgangsprøverne FSA og FS10 er det vigtigt af kunne atomfysik og dermed også det periodiske system. Derfor ligger atomfysik som en indledning til kemi. Der er mange måder at tegne et atom på. Her er en lidt poppet udgave. Vigtigt at forstå atomfysik For at forstå fysik og kemi, må man vide, hvad hele vor fysiske verden er opbygget. Vi siger, at de hele består af atomer. Et atom er så lille, at vi ikke kan se det. Vi siger at et atom er den mindste del af et stof. Og et grundstof består af samme slags atomer. Man forstår mere om atomer og molekyler, når man bygger modeller af dem. Her ses fotosyntese... Copyright 2013 Forlaget hjerteportal

2 Hvad er et atom? Hvad er et atom? Ordet atom er græsk og betyder udelelig. Ja, for 150 år siden troede man, at et atom var udeleligt, men i dag ved vi, at et atom består af flere forskellige dele. Et atom består af en kerne, og uden om kredser elektroner. Partiklerne i et atom kaldes for elementar-partikler, og man mener at have fundet 19 forskellige. Her behøver vi kun at snakke om 3, nemlig proton, neutron og elektron. Der er flere måder at tegne dem på, men herunder vises en af de velkendte måder. Proton Protonen er positivt elektrisk ladet. Antallet af protoner i atomets kerne fortæller os, hvilket grundstof det er, dermed også grundstoffets nummer i Det Periodiske System. Ladning: positiv Atomvægt: 1 unit En ændring i antal: Et nyt grundstof Neutron Neutronen opgave er at holde sammen på atomkernen, fordi protonerne ellers frastøder hinanden. Denne specielle kræft hedder kort og godt kernekraft og udnyttets i atomkraftværker. Sker der en ændring i antallet af neutroner, har vi en variation af atomet, som kaldes en isotop, se under radioaktivitet. Ladning: neutral Atomvægt: 1 unit En ændring i antal: Et isotop Elektron Elektronen cirkler rundt om kernen og vejer meget mindre end kernepartiklerne. Dens negative ladning gør, at den tiltrækkes af den positive proton. Er der lige mange protoner og elektroner, er atomet udadtil neutralt. Sker der en ændring i antallet af elektroner, har vi en variation af atomet, som kaldes en ion, se under syrer og baser. Ladning: negativ Atomvægt: 1/1836 unit En ændring i antal: En ion 1 af 2

3 Brint og helium 1 af 1 Brint Brint er det letteste af alle atomer, og det er nummer 1 i Det Periodiske System. Brint indgår i mange kemiske forbindelser og findes i alle fødevarer. Der er bl.a. brint i naturgas, benzin og vand. 88 % af alle atomer i universet er brint. Brint hedder også hydrogen og forkortes på det kemiske tegnsprog til H. Atomet består af en enkelt proton og én elektron. Normalt går 2 brintatomer sammen og danner et brintmolekyle, som hedder H 2. Helium Helium er grundstof nr. 2 og er også en gas, endda en ædelgas, som ikke går i forbindelse med andre stoffer. I kemi skriver vi ofte nogle tal foran forkortelsen He. Det nederste tal er antallet af protoner og det øverste af det samlede antal kernepartikler eller atomvægten i units. Kernekræfter De to protoner i heliums kerne ville normalt frastøde hinanden, men de holdes på plads af kernekræfter. Denne kraft virker kun mellem to nabopartikler i kernen. Kernekræfterne er stærkere end protonernes elektriske frastødnings-krafter. I atomkraftværker udnytter man denne kraft, idet man spalter en atomkerne og frigiver energien som bl.a. varme. Copyright 2013 Forlaget hjerteportal

4 Elektroner og Niels Bohr For 100 år siden fremsatte englænderen Rutherford teorien om, at der kredser elektroner uden om atomets kerne. Danskeren Niels Bohr offentliggjorde i 1913 bl.a. disse påstande: Elektronerne bevæger sig i faste baner, skaller, rundt om atomkernen. De ydre skaller rummer flere elektroner end de indre. Antallet af elektroner i et atom er afgørende for det kemiske egenskaber. Når en elektron bevæger sig fra en ydre skal ind mod en indre, afgiver den lys i form af en foton. Elektronskaller og løg Når man skærer et løg over, kan man se de forskellige skaller, det er opbygget af. Vi kan sammenligne et løg med et atom og elektronskallerne, som elektronerne befinder sig i. Der findes op til 7 elektronskaller omkring kernen i et atom. Der kan være fra 2 til 32 elektroner i skallerne: 2 i første skal 8 i anden skal 18 i tredje skal 32 i hver af de næste skaller 1 af 3

5 Elektroner og Niels Bohr 2 af 3 Ser vi på det periodiske system, har vi elektronskallerne ude til højre. Brint, hydrogen, har én enkelt elektron i første skal. Litium og Beryllium har elektroner i både 1. og 2. skal. Natrium og Magnesium har fyldt de to inderste skaller op. Kommer vi til f.eks. Stromtium, har vi 18 elektroner i 3. skal. Så kan der heller ikke være flere. Radium har fyldt op med 32 elektroner i 4. skal.

6 Kulstof, ilt og klor 1 af 2 Kulstof Når vi skal se på nye grundstoffer, må vi have fat i flere protoner, neutroner og elektroner. Forskerne har opdaget, at elektronerne går sammen 2 og 2 i skallerne, sådan som det ses her på en model af et kulstof-atom. Kulstof hedder også carbon og forkortes C. Kernen bliver hurtigt stor og vanskelig at tegne, så derfor vælger man at tegne kernen som en cirkel med angivelse af protonernes antal. For kulstofs vedkommende skriver man en cirkel med 6 + indeni. Kulstof er et vigtigt grundstof. Liv, som vi kender det, er baseret på kulstof. Al vores mad og vores krop indeholder carbon. Ilt Et andet livsvigtigt grundstof er ilt, idet det indgår i vand og mange kemiske reaktioner. Kemikerne kalder ilt for oxygen, derfor forkortelsen O. Prøv at tegne atomet til færdigt, idet vi nu blot markerer kernen med en cirkel og tallet 8 +. Se på atommodellen og besvar spørgsmålene. Hvor mange protoner? Hvor mange neutroner? Hvilket grundstofnummer? Klor Det er vigtigt at kende klor-atomet, fordi almindeligt salt indeholder natrium og klor. Prøv at tegne atomet ærdigt, idet vi nu blot markerer grundstofnummeret i en inderste cirkel og bemærker, der er hele 3 elektronskaller. Se på atommodellen og besvar spørgsmålene: Hvor mange protoner? Hvor mange neutroner? Hvilket grundstofnummer? Videoclip Her kan du få det gennemgået en lidt mere levende måde...

7 Brint, molekyle, ion 1 af 2 Brint er den letteste af alle luftarter. Den er også meget brandfarlig. Hvis den kommer i nærheden af ilt og varme, dannes der vand og varme. Vores sol og alle stjernerne består mest af brint. Solen er meget stor og tyngdekraften presser brintmolekylerne sammen, så de omdannes til helium. Atomer går sammen til molekyler Vi skal se på forskellen mellem et atom, et molekyle og en ion. Et enligt brintatom findes faktisk ikke; det eksisterer kun i teorien. Den ene elektron i brintatomet gør, at der nemt opstår bindinger. For at sige det på en sjov måde, så keder den enlige elektron sig. Den vil gerne have en partner. Brint-molekyle Atomer kan gå sammen og blive til molekyler. Det molekyle, der er flest af i hele universet er brintmolekylet H. Det 2 består af 2 brintatomer. Dubletreglen Brintatomet har én elektron i 1. skal, og den vil gerne have selskab, så der bliver 2 elektroner. Vi kalder det dubletreglen. Hvis brintatomet får opfyldt dubletreglen, kommer elektroskallen til at ligne skallen i et andet atom, nemlig helium. De to brintatomer deles om de to elektroner, og det kaldes en kovalent binding. Begge atomer tror, at de har to elektroner; de har fået opfyldt dubletreglen. Brint-ion Atomer er ikke altid elektrisk neutrale udadtil. Hvis et atom mister eller optager en eller flere elektroner, kalder vi det for en ion. Hvis brintatomet mister en elektron, bliver det til en brintion. En brintion er positivt ladet og kendetegner syrer. Brint-ioner i vand Brintioner findes ofte i vand. Her binder brintionen sig til et vandmolekyle og danner en oxonium-ion H O +. 3

8 Historisk gennemgang 1 af 2 Vi ser på hvem der var med til at udvikle forståelsen af atomet. Historisk gennemgang af personerne, der var med til at løse atomets gåde. 400 f. Kr. Demokrit, græsk filosof Betegnelsen "atom" går tilbage til den græske filosof. Uden at lave forsøg tænkte han sig blot til, at et stof kan man ikke blive ved med at dele. Til sidst måtte man ende med noget der er udeligt; på græsk atomos. Andre græske filosoffer mente, at der var 4 elementer: Ild, vand, jord og luft 1808 John Dalton, engelsk fysiker og kemiker Den moderne atomteori udformede John Dalton i Han interesserede sig for både fysik og kemi og kom med følgende påstande: Alt består af meget små partikler, atomer. Atomer er udelelige og uforanderlige. Grundstoffer er karakteriseret af vægten at deres atomer Dalton tegnede atomerne som små kugler og cirkler med et symbol i. Daltons atommodel ændredes af J. J. Thomson i Dmitrij Mendelejev, russisk kemiker Dmitrij Mendelejev udgav det første periodiske system. Det blev uden tvivl en af de største opdagelser inden for fysik og kemi. Grundstofferne var ordnet efter stigende atomvægt erne blev ædelgasserne indtegnet i systemet Joseph John Thomson, engelsk fysiker Thomson lavede mange forsøg med elektricitet og glasrør, hvor der kunne frembringes elektrodestråler. Ved hjælp af magneter fandt han ud af, at elektronerne er negativt ladede. Thomson er også kendt for sin rosinkage-model, hvor atomet består af positive og negative dele, der er blandet med hinanden. Thomson modtog Nobelprisen i fysik i 1906 for sit arbejde.

9 Historisk gennemgang 2 af Ernest Rutherford, engelsk fysiker Rutherford var elev hos Thompson, og der blev lavet mange forsøg med radioaktivitet. Han kom frem til at atomet har en lille kerne, hvor massen befinder sig. Uden om er der negative elektroner. I 1920 fandt han på navnet proton for kernen i brint. Han var også den første, der snakkede om neutronen Niels Bohr, dansk fysiker Niels Bohr tog til England og studerede hos Rutherford. Der blev lavet en masse forsøg med radioaktivitet og nogle tynde guldfolier, og i 1913 kom han med disse påstande: Elektronerne bevæger sig i faste baner, skaller, rundt om atomkernen. De ydre skaller rummer flere elektroner end de indre. Antallet af elektroner i et atom er afgørende for det kemiske egenskaber. Når en elektron bevæger sig fra en ydre skal ind mod en indre, afgiver den lys i form af en foton Henry Moseley Moseley reviderede det periodiske system, han ordnede grundstofferne efter deres atomnummer i stedet for atomvægt, herved byttede nogle grundstoffer plads. Atomnummeret fandt Moseley ud fra en metode, hvor han fik grundstofferne til at udsende røntgenstråling. Copyright 2013 Forlaget hjerteportal

10 Kend 24 grundstoffer 1 af 3 Vi har over 100 grundstoffer, og de fleste er metaller. Skemaet herunder omtaler de 24 grundstoffer, man skal kunne i 9. klasse. Går du i 7. klasse, skal du kende mindst af 12 grundstofferne. Går du i 8. klasse, bør du kende ca. 18 af grundstofferne. Nr. Kemisk tegn Grundstof Forekomst Foto Kendt siden 1 H Brint, hydrogen Det mest almindelige grundstof. Indgår i f. eks. vand og syrer. Brint i balloner er brandfarlige He Helium Godt til balloner, fordi det ikke kan brænde B Bor Et af mikronæringsstofferne, som planterne behøver C Kulstof Indgår i mange molekyler inden for organisk kemi, f.eks. sukker, fedt og protein. Samt naturgas, lightergas, benzin og alkohol. 7 N Nitrogen, kvælstof 78% af atmosfæren indeholder dette grundstof O Ilt, Oxygen Et at de mest kendte grundstoffer, fordi det indgår i vand og organisk kemi Na Natrium Kendt fra almindeligt køkkensalt, hvor det er bundet til klor Mg Magnesium Brænder med en 2000 o C varm flamme og bruges i fyrværkeri Al Aluminium Velkendt letmetal, som let kan forarbejdes. Du kender aluminium fra sodavandsdåser P Fosfor Grønne planter elsker dette stof, fordi det styrker udviklingen af frø. 1669

11 Kend 24 grundstoffer 2 af 3 16 S Svovl Findes i en af de stærke syrer, nemlig svovlsyre. 17 Cl Klor Tænk på svømmehallen, hvor det desinficerer bakterier K Kalium Grønne planter elsker dette stof, fordi det styrker stænglen Ca Calcium Dette grundstof findes i det meste af Danmarks undergrund Mn Mangan Et af mikronæringsstofferne, som planterne behøver Fe Jern Et vigtigt råstof i industrien. Jern bliver rødt, når det ruster. 29 Cu Kobber Ædelmetal, som bruges i elektriske ledninger. Ofte brugt i mønter. 30 Zn Zink Blikkenslageren bruger det til tagrender og inddækninger. 42 Mo Molybdæn Et af mikronæringsstofferne, som planterne behøver Ag Sølv Ædelmetal som før i tiden blev brugt til spisebestik 79 Au Guld Ædelmetal som bruges til smykker 80 Hg Kviksølv Det eneste metal, som er flydende ved almindelig dagtemperatur. 82 Pb Bly Et tungmetal som mange jægere var glade i gamle dage. 92 U Uran Radioaktivt stof som kan bruges på kernekraftværker. 1841

12 Vi leger med molekylesæt 1 af 3 Det er næsten ligesom med Lego Det er faktisk ret underholdende at lave modeller af molekyler. Her kan du se, hvordan molekylerne i dette kapitel om vand og fedtopløselige stoffer ser ud. Vand, kulbrinter og sprit Du bør kende og kunne samle modeller af de mest almindelige stoffer. Prøv at lave følgende... Vand H2O Metan, naturgas CH4 Ethan, naturgas C2H6 Butan, lightergas C4H10 Heptan, benzin C7H16 Sprit C2H5OH Kuglerne har forskellig farve og antal huller... Kulstof er de sorte kugler, 4 huller Ilt er de røde kugler, 2 huller Brint er de hvide kugler, 1 hul Vores tema er vand, derfor ser vi først på et vandmolekyle. Iltatomet binder sig til 2 brintatomer og giver derfor vandet nogle meget særprægede egenskaber: Vand er polært, dvs. molekylerne tiltrækker hinanden. 88 % af alle atomer i det kendte univers består af brint. Derfor bør du kende dette molekyle, som findes i solen og stjernerne. Formlen er H 2 Ilt eller på latin oxygen har stort set alle levende organismer brug for. Frit ilt i atmosfæren består altid af 2 iltatomer. Bemærk dobbeltbindingen. Formlen er O 2

13 Vi leger med molekylesæt 2 af 3 Methan er den letteste af kulbrinterne og hedder også "sumpgas". Methan kan dannes på bunden af en sø, hvor der ikke er adgang til ilt. Methangas dannes også i vores tarm, dog er det svovlbrinter, der giver lugten af hørm. Ethan er en meget let kulbrinte, som bl.a. findes i naturgas fra Vesterhavet. Propan er flaskegas, som bruges i husholdning og på campingpladser. Lightergas hedder butan. Formlen er C 4 H 10 Heptan er almindelig benzin eller rensebenzin. Formlen er C 7 H 16 Sådan ser ethanol ud... Den kaldes også "ølhunden". Dette molekyle er methanol eller træsprit. Der går mange historier om sprit, men træsprit forårsager altså blindhed og endda død. En del har i tidens løb forsøgt sig at lave billigt alkohol, men har man ikke styr på processen, kan der dannes methanol i stedet for ethanol.

14 Vi leger med molekylesæt 3 af 3 Acetylen er en gas, der giver en meget varm flamme. Den bruges til svejsning af f.eks. jern. Bemærk tripel-bindingen. Det er bindingerne, der giver den højre temperatur ved forbrænding. Druesukker er en af de simpleste former for sukker vi har. Bruges i kroppen i forbindelse med forbrænding i cellerne, og det giver os varme. Druesukker indgår også i fotosyntesen. Formlen er C 6 H 12 O 6 Prøv selv at lave acetone. Strukturformlen ser således ud... Copyright 2013 Forlaget hjerteportal