Felnőttoktatás, természettudomány tantárgy: 1. konzultáció (1-2. témakör): 1. dia: címdia 2. dia: Atommodellek: a görögök közül Thálesz (i.e. 640-546) azt hirdette, hogy a víz az ősanyag. Később Démokritosz (i.e. 460-370) görög filozófus a megfigyelései alapján jutott el arra, hogy az anyag nem lehet folytonos, hanem parányi, tovább nem bontható részecskék, atomok építik fel. Az atomosz görög szó oszthatatlant jelent. Úgy gondolta, hogy az egyes anyagok atomjai eltérő nagyságúak, alakúak, ezért különböznek. Arisztotelész (i.e. 384-322) görög természetfilozófus, tudós, orvos úgy gondolta, hogy a világ négy őselemből áll: tűz, víz, levegő, föld. Úgy hirdette, hogy minden ebből a négy őselemből áll, az egyes anyagok különbözőségét az adja, hogy különböző arányban van bennük ebből a négyből. Dalton (1766-1844) angol természettudós: 1808-ban közzétett elméletében a démokritoszi elméletet fejleszti tovább. Még oszthatatlannak tartotta az atomot, de kifejtette, hogy az atomok közötti vonzóerő anyagonként változik, és az anyagok halmazállapota az atomok közötti távolságtól függ. 3. dia: Atommodellek: 1897. Thomson angol fizikus kimutatta kísérletileg, hogy az elektron minden részecske alkotórésze. Úgy képzelte el az atomot, hogy egy pozitív töltésű golyó, amelyben az elektronok lazán helyezkednek el, be vannak ágyazódva, mint a mag a görögdinnyében. Ő fedezte fel egyébként az elektront 1897-ben. 1911. Rutherford (1871-1937) kísérlete (szórási kísérlet: vékony aranyfóliát bombázott pozitív töltésű részecskékkel, egy részük visszapattant, egy részük irányváltoztatással haladt tovább, nagy részük akadálytalanul hatolt át.) alapján megállapította, hogy az atomnak van egy pici, sűrű centruma, magja, amely körül az elektronok különböző méretű körpályákon keringenek (mint a Naprendszer bolygói a Nap körül). Szórási kísérlete:
Az atommodellje:
Rutherford így emlékezett vissza a kísérletre: „Határozottan ez volt a leghihetetlenebb esemény, amellyel életemben találkoztam. Majdnem olyan hihetetlen volt, mintha valaki egy 15 hüvelykes gránáttal egy selyempapír-darabkára tüzelne, és az visszatérve őt magát találná el.” (mert α részecskékkel bombázta a vékony fóliát, ezek a részecskék pedig két protonból és két neutronból állnak – Hélium-atommag, ez elég nehéz). (Simonyi, 377.oldal) 4. dia: Niels Bohr (1885-1962): dán elméleti fizikus: 1913-ban azt feltételezte, hogy az elektron tartósan keringhet a pályáján energiaveszteség nélkül. Ezen a körpályán az elektronoknak meghatározott energiájuk van. Az elektronok valójában gömb- illetve más, összetettebb térformájú pályákon mozognak. Az atommagok is további részecskékből állnak: 1911 – proton azonosítása (Rutherford), 1932 – neutron azonosítása (Chadwick). Egyébként ezek is további részekre bonthatóak (kvarkok). Elektron felfedezése: Joseph John Thomson (18561940), 1897-ben fedezte fel egy kísérlet során, bár már előtte két másik fizikus is elnevezte ezt (Stoney és Helmholtz, 1874). (Simonyi Károly: A fizika kultúrtörténete, 372-373. oldal). 1
5. dia: Az atom felépítése: az atomok átmérője kicsi: ha tízmillió szénatomot szorosan egymás mellé helyezünk, akkor az kb. 1 mm hosszú lenne. Az atom kémiai módszerekkel már nem bontható tovább. Atom: atommag és elektronfelhő. Az atommag protonból és neutronból áll, melyek kb. egyforma tömegűek. Az atomot, kémiai elemeket vegyjellel jelöljük. (proton, elektron, neutron: elemi részecske). A protonok egységnyi pozitív töltésűek, a neutronok semleges töltésűek, az elektronok egységnyi negatív töltésűek. Az atom elektromosan semleges töltésű, mert egyenlő számú proton és elektron van benne. Thomson méréseiből egyébként az is adódott, hogy az elektron tömege három nagyságrenddel kisebb, mint a legkisebb atom, a hidrogénatom (amely egy protonból és egy elektronból áll) tömege. Nos, a mai hivatalos tömegek: a proton tömege 1,67 ·10-27 kg, a neutroné is közelítőleg ennyi, az elektroné 9,11 ·10-31 kg, ami valóban körülbelül ezredrésze a protonénak például! – mindekkor 1897-et írunk! (Simonyi, 373.) 6. dia: A periódusos rendszer felépítése: a kémiai elemek egy táblázatos megjelenítése. 1869. Dmitrij Ivanovics Mengyelejev alkalmazta először. A rendszámok színkódolása:
• • • • •
A kék színűek standard körülmények között folyékonyak; A zöld színűek standard körülmények között gázneműek; A fekete színnel írtak ugyanekkor szilárdak; Azon elemek, melyeket piros színnel jelöltünk, mesterségesek, a természetben nem találhatók meg (mind szilárd halmazállapotú szobahőmérsékleten). A szürke színűeket még nem fedezték fel, a táblabeli háttérszínüket is kifakítottuk.
(forrás: wikipédia)
2
7. dia: Periódusos rendszer: Mengyelejev újítása: Az elemek rendszerezésére tett korábbi kísérletek legtöbbször az atomtömeg alapján történő sorrendbe állítással állt valamilyen módon összefüggésben. Mengyelejev legnagyobb újítása a periódusos rendszer megalkotásánál az volt, hogy az elemeket úgy rendezte el, hogy az illusztrálja az elemek ismétlődő („periódusos”) kémiai tulajdonságait (még ha ez azt is jelentette, hogy nem voltak atomtömeg szerint sorrendben), és kihagyta a helyét a „hiányzó” (akkoriban még ismeretlen) elemeknek. Mengyelejev a táblázat alapján megjósolta ezeknek a „hiányzó” elemeknek a tulajdonságait, és később ezek közül sokat valóban felfedeztek, és a leírás illett rájuk. Annak érdekében, hogy az ismétlődő tulajdonságokat szemléltesse, Mengyelejev mindig új sort kezdett a táblázatban, úgy hogy a hasonló tulajdonságú elemek egymás alá, egy oszlopba kerüljenek. A periódusos rendszer függőleges oszlopait csoportnak nevezzük. (Wikipédia). Mengyelejev és Meyer: „Ha az elemeket atomsúlyuk szerint növekvő sorrendbe rendezzük, akkor az elemek kémiai tulajdonságai jellegzetes periodicitást mutat” – 1869-ben állapították meg. (Simonyi, 374.) A periódusos rendszerben a rendszám szerint vannak sorban az elemek. A rendszám az atommagban a protonok számát adja meg, valamint semleges állapotban az elektronok számát. 8. dia: Az anyagok szerkezete: az anyagok atomokból, illetve molekulákból állhatnak. Az anyagok halmazállapotai: szilárd, cseppfolyós és légnemű. A gázok: a rendelkezésre álló teret teljesen betöltik, ezért nincs állandó alakjuk és térfogatuk. A gázok molekulái saját méretükhöz képest nagy távolságra vannak egymástól, ezért nincs közöttük számottevő vonzóerő, kölcsönhatás. A gázok részecskéi állandó rendezetlen mozgásban vannak, gyakran ütköznek egymással és az edény falával. A hőmérséklet emelkedésével a molekulák sebessége növekszik (ezzel is magyarázható a gázok hőtágulása). A gázok könnyen összenyomhatóak. A folyadékok részecskéi egymáshoz közelebb helyezkednek el, mint a gázoké. Nem töltik be a rendelkezésre álló teret, térfogatuk meghatározott. Alakjuk nem állandó, felveszik a tároló edény alakját. Állandó mozgásban vannak a molekuláik. Az összenyomásnak ellenállnak, mert a molekulák olyan közel vannak egymáshoz, hogy további erőhatásra sem kerülhetnek közelebb. A szilárd halmazállapotú anyagokat alkotó részecskék között a vonzóerő lényegesen nagyobb, mint a folyadékok esetén. A szilárd anyagok alakja és térfogata is állandó. A külső alakváltoztató erő ellenében jelentős ellenállást tanúsítanak. A szilárd halmazállapotú anyagok részecskéi helyhez kötött állandó rezgőmozgást végeznek – mint a gyerek az iskolában, aki nem tud megülni a helyén, hanem izeg-mozog. Ha a részecskék elhelyezkedése szabályos, akkor kristályos anyagról beszélünk (pl. só), ha rendezetlen, szabálytalan, akkor amorf (pl. műanyagok). A kristályos anyagoknak meghatározott olvadáspontjuk van, az amorf anyagoknak nem, fokozatosan váltanak halmazállapotot. 9. dia: Kémiai reakciók: exoterm és endoterm reakciók. Főzőpoharakba előkészített kristályos báriumhidroxidot és ammónium-tiocianátot üvegbottal erélyesen keverjünk össze – videofelvétel (ott a hőmérsékletváltozást mutatja a videon). Kémiai reakciók során mindig a kémiai kötések felbomlanak, és új kötések jönnek létre. Ilyen hétköznapi kémiai reakció például az alumíniumkilincs oxidációja, az anyagok égése, a savas és lúgos anyagok összeöntésekor a klórgáz felszabadulása (hipo és sósav), szódavíz készítésekor a szén-dioxid oldódik vízben és szénsav keletkezik, de az álló szódavízben a szénsav elbomlik, így újra széndioxid és víz keletkezik, stb. Katalizátorok: azok az anyagok, amelyek a kémiai reakciók sebességét megnövelik. Érdekességek a savas-lúgos dolgokkal kapcsolatban! (http://dental.hu/dentalnet-hirek/friss-hirek/hirek/20071107/miert-jatszik-fontos-szerepet-a-ph-ertek-a-szajban) A száj pH-értéke rendszerint 7,2-es értéket mutat, amit mi szubjektív módon semlegesnek érzünk. Az ételek és italok eltolhatják ezt az értéket: növelhetik vagy csökkenthetik. A száj az itt lévő három nagy nyálmirigy szabályozása alatt álló nyálképződés révén egy többé-kevésbé gyors feloldódás és semlegesítés után ismét visszanyeri eredeti pH-értékét. A rágógumik, amelyek a nyálképződést serkentik, elősegítik a gyors neutralizációt (semlegesítődés). Nos, miért is olyan fontos a száj pH-értékének eltolódása? Az „elmeszesedett” külső fogállomány (fogzománc) a puhább fogszövetet (dentin) védi a külső behatások ellen, amik a védőköpeny nélkül igen nagy fájdalmat okoznának. Ha a fogzománc savas vagy lúgos hatásnak van kitéve, akkor ún. dekalcifikációs/demineralizációs (az ásványok elhagyják a fogat, ezért elgyengül) folyamat jön létre, és a védőköpeny károsodik, a pH-érték csökkenésével vagy növekedésével arányosan. A pH-érték eltolódása annál ártalmasabb, minél gyakrabban hat a fogakra. Ha a pH-érték-eltolódás nem túl gyakori, és hagyjuk, hogy a szájmiliő neutralizálódjon, akkor 3
„újrameszesedés”/ remineralizáció is kialakulhat, amikor is a kioldódott részecskék egy része ismét visszaépül a fogzománcba. Mellőzzük a túl savas vagy bázikus ételeket. Az étkezés alkalmával az ételeket, italokat hígítsuk vízzel, azaz igyunk sok vizet. Ne közvetlenül az étkezések után mossunk fogat, különben „lemossuk” a fogzománcot. Ügyeljünk az aktív fluoridbevitelre, például rendszeres fogászati kezelések által, vagy saját magunk is adagolhatjuk a fluort: fluoridtartalmú asztali sóval, ásványvízzel és magas fluoridtartalmú fogkrémekkel. Arra azonban vigyázzunk, hogy ne alakuljon ki fluorid-túladagolás. Ráadásul a szájban lévő természetes baktériumok egy része is lebontja az étel alkotórészeit savas végtermékekre, amik a fogzománcot károsítják. Igyunk vizet!!! A következő összeállításból kitűnik, hogy melyek azok az alacsony pH-értékű ételek és italok, amik a szilárd fogállományt károsítják: Ital pH-érték: Coca-Cola: 2,6 – bocsánat, de tény, hogy a kóla még a vízkövet, rozsdát, és egyéb makacs szennyeződéseket is eltávolítja, csak pár percig lehet, hogy áztatni vagy forralni kell! Fanta: 2,9 Jeges tea: 3,0 Szénsavas ásványvíz: 5,3 Pepsi light: 3,1 Red Bull: 3,4 Schweppes: 2,5 Sör: 4,4 Vörösbor: 3,4 Fehérbor: 3,7 Almalé: 3,4 Répaital: 4,2 Multivitamin-ital: 3,6 Narancslé: 3,7 Tej: 6,7 Salátaöntetek: 3,6 Ecet: 3,2 A semleges oldatok pH-ja 7. A savas oldatok pH-ja 7-nél kisebb, a lúgos oldatokat 7-nél nagyobb pH jellemzi. A savak és bázisok egymással való reakciója a közömbösítés, ilyenkor semleges kémhatású anyag keletkezik. 9-es kémia tk. (Mozaikos, 109. oldal): a pH jelentősége az emberi szervezetben: 10. dia: a Szegedi Tudományegyetem Kísérleti Fizikai Tanszékének egy előadásvázlatából a hőmérőket láthatjuk. Hőmérők készítése: választunk egy alappontot, ott bejelöljük, majd egy másik pontot, azt is bejelöljük (olvadó jégbe tesszük a hőmérőt, majd forró vízbe is, és akkor is bejelöljük, így megvan két pont, a köztük lévő részt beosztjuk megfelelő módon). 11. dia: Hőtágulás: gázok, folyadékok, szilárd testek hőtágulása: ennél a kísérleteket is be kell mutatni! Szilárd testek hőtágulása: - egy szilárd test lineáris (hosszmérete) hőtágulása függ a hőmérséklet változásától, az eredeti hossztól és a testek anyagi minőségétől - a testek térfogatának megváltozása függ a hőmérsékletváltozástól, a test kezdeti térfogatától és a test anyagi minőségétől. Folyadékok hőtágulása: - a folyadékok térfogati hőtágulása függ a hőmérsékletváltozástól, a kezdeti térfogattól és az anyagi minőségtől. Gázok hőtágulása: - zárt térben értelmezhető! A víz érdekes viselkedése: +4 oC-on a legkisebb a térfogata! Lord Kelvin (1824-1907): abszolút hőmérsékleti skálát vezetett be.
4
1 1/Celsius fok. 273 Boyle-Mariotte törvény (izoterm): A törvény névadói: Robert Boyle (1627–1691) ír természettudós és filozófus volt, aki ezt a törvényt 1662-ben fedezte fel. Edme Mariotte (1620–1684) francia fizikus tőle függetlenül 1676ban szintén felfedezte. A törvény kimondja, hogy állandó hőmérsékleten az állandó tömegű ideális gáz V térfogata és p nyomása között fordított arányosság áll fenn: (Azaz, ha állandó hőmérsékleten növeljük a nyomást, a térfogat csökkenni fog, ha pedig a térfogatot növeljük, akkor csökken a nyomás.)
12. dia: gáztörvények – ideális gáz: amelynek hőtágulási együtthatója egy bizonyos érték:
13. dia: gáztörvények: Gay-Lussac (1778-1850) francia fizikus két törvényt is megfogalmazott: 1. törvénye (izobár): állandó tömegű ideális gáz állandó nyomáson történő állapotváltozásakor a gáz térfogata V1 V 2 egyenesen arányos a gáz abszolút hőmérsékletével: = (1802-ben mondta ki) T1 T 2 2. törvénye (izochór): állandó térfogaton történő állapotváltozások során az állandó tömegű ideális gáz p1 p 2 nyomása egyenesen arányos a gáz abszolút hőmérsékletével: = . (1808-ban mondta ki) T1 T 2 http://sulifizika.elte.hu/html/m13.html honlap megtekintése! A gáztörvényeket és az irreverzibilis, azaz megfordíthatatlan folyamatokat szimulálja egy flash módon (csak az aláírt törvény nem az, amit mutat, hanem megnyitáskor felette van, milyen törvényt mutat). Lehet még – ha van idő, Gay-Lussac életéről is pár dolgot elolvasni: Simonyi: A fizika kultúrtörténetéből a 355. oldalról. 14. dia: Gáztörvények alkalmazása - A szárazjég készítése: például folyékony szén-dioxidot palackból kiengedünk: lecsökken a nyomás, lecsökken a hőmérséklet (Gay-Lussac II.). - Hőlégballon működése: a gáz a melegítés hatására kitágul, de a nyomás állandó, ezért a térfogat megnövekszik, így a ballon felemelkedik a felhajtóerő hatására (Gay-Lussac I.). - Biciklikerék: állandó a hőmérséklet, ha növeljük a nyomást a keréken (ráülsz), akkor a térfogata csökken (lapos lesz a gumi). (Boyle-Mariotte).
Felhasznált irodalom: Simonyi Károly: A fizika kultúrtörténete (Akadémiai Kiadó, 1998.) Kémia 9. tankönyv (Mozaik Kiadó) Fizika 10. tankönyv (Mozaik Kiadó) Wikipédia www.sulifizika.elte.hu www.dental.hu www.sulinet.hu Szegedi Tudományegyetem Kísérleti Fizikai Tanszékének interneten közzétett 2007-2008-as tanévének fizikatörténeti jegyzete
5
