FYSIK/KEMI
ELEVBO G/
WEB
Jens Hviid Peter Norrild Martin Krabbe Sillasen
Til eleven Velkommen til faget fysik/kemi og velkommen til Naturens univers. Indtil 7. klasse har du haft natur/teknik. I Naturens univers arbejder du videre med meget af det, som du har lært de seks første år. For bedre at kunne forstå indholdet og arbejdsformerne i faget skal du læse kapitel 1: Hvad er fysik og kemi? Her møder du Louis, Maja og Laura. De tre børn og deres forældre oplever, hvordan fysik og kemi er en del af hverdagen.
God fornøjelse
Naturens univers 7. klasse, elevbog Jens Hviid, Peter Norrild og Martin Krabbe Sillasen © 2011 Alinea, København – et forlag under Lindhardt og Ringhof Forlag A/S, et selskab i Egmont Mekanisk, fotografisk, elektronisk eller anden gengivelse af denne bog eller dele heraf er kun tilladt efter Copy-Dans regler. Forlagsredaktion: Kristian Nordholm og Anne Dorte Spang-Thomsen Forlagets billedredaktion: Vibeke Sommer Grafisk tilrettelægning: Tankestregen – Janne Rose Omslag: Tankestregen – Janne Rose Tegninger: Hans Møller og Lars-Ole Nejstgaard Repro: SP3 Trykkeri: Livonia Print 1. udgave, 3. oplag 2016 ISBN 978–87-7066–222-2 Ekstern faglig redaktør: Peter Norrild Konsulent for faglig læsning: Lone Wulff www.alinea.dk
TEMA 1
Molekylernes verden Kapitel 2 – Tilstandsformer · 12 Kapitel 3 – Grundstoffer og kemiske forbindelser · 26
TEMA 2
Vores plads i den store verden Kapitel 4 – Solsystemet · 36 Kapitel 5 – Universet bliver til · 46 Kapitel 6 – Tanker om verdens skabelse og indretning · 52
TEMA 3
Kemiske omdannelser Kapitel 7 – Vand, hydrogen og oxygen · 62 Kapitel 8 – Forbrændingsprocesser og kuldioxid · 70 Kapitel 9 – Metaller og metalfremstilling · 80
TEMA 4
Den blå planet Kapitel 10 – Vand - Jordens vigtigste stof · 94 Kapitel 11 – Lufthavet over os · 110
TEMA 5
Elektricitet og magnetisme i hverdagen Kapitel 12 – Elektricitet · 124 Kapitel 13 – Elektriske kredsløb · 132 Kapitel 14 – Magnetisme · 140 12 vigtige regler · 150 Grundstoffernes Periodesystem · 152 Stikord · 154 Fotofortegnelse · 156
INDHOLD
Kapitel 1 – Hvad er fysik og kemi? · 4
HVAD ER FYSIK OG KEMI?
Familien.
4
KAPITEL 1
HVAD ER FYSIK OG KEMI?
Hjemme hos Louis, Maja og Laura Det er søndag eftermiddag, og stemningen er høj. Louis og Maja har været med deres far til fodbold, hvor de har set FC Midtjylland vinde over Brøndby 2-0. Louis har ondt i ørerne og hovedet, fordi han har stået og truttet med et gashorn i det meste af kampen. På vejen hjem sender både Maja og Louis et par sms’er til deres venner. Louis skal spørge Kasper, om han også har ømme ben efter deres egen fodboldkamp med kammeraterne om lørdagen. Maja arbejder efter skoletid i supermarkedet sammen med et par veninder. Hun skal aftale, hvem der gør rent efter lukketid søndag eftermiddag. Lillesøster Laura er uheldig, mens de andre er til fodbold. Hun vælter på sine rulleskøjter og får nogle grimme hudafskrabninger. Det er vådt og glat, og i et sving skrider hjulene på rulleskøjterne ud, så hun vælter. Heldigvis er hendes mor, Susanne, hjemme. Hun renser sårene med vand og desinficerende væske. Det svider en del. Der lugter af rengøringsmidler over det hele, da Louis, Maja og deres far, Poul, kommer hjem. Susanne har gjort rent, mens de var til fodbold. Far Poul står for aftensmaden i dag. Han vil lave al maden på deres grill. Der skal både bages brød, grilles grøntsager og kød. Poul er nemlig lidt af en grill-nørd. Børnenes farfar, Hermann, ringer om aftenen for at fortælle, at farmor, Ingrid, har det godt efter den første strålebehandling. Ingrid har kræft, og derfor skal hun først have stråling og siden kemoterapi for at dræbe kræftcellerne. Det er hårdt ved hendes krop, og hun bliver meget træt.
HVAD ER FYSIK OG KEMI?
KAPITEL
Hvad er fysik og kemi ?
1
KAPITEL 1
5
Fysikken og kemien hjemme hos Louis, Maja og Laura
HVAD ER FYSIK OG KEMI?
Fysik og kemi kan være med til at forklare meget af det, der sker hjemme hos Louis, Maja og Laura i disse dage. Louis’ ører har været udsat for stærke lyde fra hornet. Trommehinden og fimrehårene i ørerne er blevet overanstrengt af de kraftige lyde over lang tid. Derfor er Louis lidt øm i hovedet. Gashornet indeholder en væske, der bliver til gas, når den slippes ud med stor fart. Det giver en rungende lyd i hornet. Susanne er bekymret over det med ørerne og fortæller, at man skal være forsigtig med kraftige lyde. Mange mennesker får nemlig høreskader senere i livet, hvis de i mange år har været udsat for alt for kraftige lyde på arbejdspladsen eller fra iPod’en og stereoanlægget. De fleste har en mobiltelefon i dag. Det er jo vigtigt at kunne kommunikere med venner og familie. Signaler fra mobiltelefonen, som fx en sms eller en telefonsamtale, sendes til den nærmeste mobilmast
og derfra videre til modtagerens telefon via telenettet. Det har noget med elektricitet, magnetisme og radiobølger at gøre. Louis og Kasper er ømme i benene efter deres fodboldkamp på grund af for meget mælkesyre i musklerne. Mælkesyre ophobes nemlig i musklerne, når de arbejder hårdt og længe. Under fodboldkampen bliver de også forpustede, fordi kroppen har brug for ekstra meget energi. Energi får kroppen, når maden forbrændes i kroppen med den ilt, som du indånder med luften. Maja skal gøre rent i supermarkedet, og hendes mor, Susanne, har gjort rent derhjemme. Til rengøringen bruger de rengøringsmidler som fx vinduespudsemiddel, sæbespåner, klorin og universalrengøring med salmiak. Hvert af disse rengøringsmidler har nogle bestemte kemiske egenskaber. Klorin dræber fx bakterier. Universalrengøring med salmiak fjerner skidt og fedt, men dræber også bakterier.
Det kan også opløse noget af den kalk, der sidder på vægge og vandhaner. Sæbespåner kan fjerne fedtpletter på ubehandlede trægulve, og samtidig efterlader det en beskyttende hinde. Sæbespåner laves for øvrigt af fedt fra slagtede og selvdøde dyr.
Laura vælter på sine rulleskøjter, fordi vejen er glat på grund af regnen. Vejen bliver glat, fordi regnen danner en hinde mellem asfalten og overfladen på rulleskøjternes hjul. Hinden af vand mellem hjulene og asfalten virker som et smøremiddel, så hjulene nemmere skrider. Hvis det havde været tør asfalt, havde hjulet haft meget sværere ved at skride ud. Lauras sår skal renses, fordi det kan være fyldt med bakterier, der ikke er sunde for kroppen. Hvis usunde bakterier kommer ind i kroppen, kan Laura få en infektion, så hun bliver syg og får høj feber. Bakterierne i såret kan dræbes ved at bruge fx klorhexidin. Poul er glad for sin grill. Han synes, det er spændende at regne ud, hvor meget varme der skal bruges til at varme brød eller grille grøntsager og kød. Kullene i grillen gløder og sender en masse stråler af varme op mod brødet, grøntsagerne og kødet, som ligger på risten. Varmestrålingen samler sig i brødet, grøntsagerne og kødet. Brødet bliver sprødt på ydersiden og varmt indeni. Brød indeholder
Louis og Kasper med FCM-outfit og truthorn.
6
KAPITEL 1
HVAD ER FYSIK OG KEMI?
meget vand, som holder på varmen. Grøntsager og kød er bygget op af celler. Inden i cellerne er der vand. Ved at varme grøntsager og kød op udvider vandet sig og sprænger cellerne. Når saften sprænger cellerne, bliver grøntsagerne og kødet mere mørt og nemmere at tygge. Grillen kan tåle at stå ude hele året, fordi den er emaljeret. Emaljen er et lag, der beskytter metallet mod
angreb af rust, som nemt dannes, når jern angribes kemisk af vand og luft. Farmor Ingrid, behandles for kræft på et hospital, hvor de har en strålekanon, og hvor hun får kemoterapi. Strålerne fra strålekanonen og det kemiske stof i kemoterapien kan dræbe kræftcellerne og måske gøre Ingrid rask igen.
Far Poul ved gril.
Strålekanonen sender røntgenstråler ind i kræftknuden på patienten.
HVAD ER FYSIK OG KEMI?
KAPITEL 1
7
Fysik og kemi i skolen
HVAD ER FYSIK OG KEMI?
I faget fysik/kemi møder du de vigtigste teorier, modeller og forklaringer på fænomener, vi oplever i dagligdagen, og på den teknik, som bruges i vores apparater. Du vil også møde de forestillinger, videnskaben har om verdens tilblivelse og udvikling. Det kan fx være om det kæmpestore univers, om de små atomer og molekyler, som vi selv består af, og om, hvordan livet opstod på Jorden for over 3 milliarder år siden. Når vi studerer fysiske og kemiske fænomener, bruger vi ofte en undersøgende arbejdsform. Ud fra vores egne erfaringer og oplevelser med et fænomen prøver vi at opbygge en så god forklaring som muligt på det, vi ser. Det kalder man at formulere en hypotese. Derefter skal vi undersøge, om hypotesen nu også er en god forklaring på det fænomen, vi studerer. Det gør vi ved at afprøve hypotesen i et eller flere eksperimenter. På den måde bliver vi bedre til at afgøre, om hypotesen er god eller dårlig, måske ligefrem sand eller falsk. I arbejdsarkene til Naturens univers vil du komme til at arbejde med eksperimenter, forsøg og hypoteser i forbindelse med de fysiske og kemiske fænomener.
8
KAPITEL 1
Ingeniører i arbejde.
Hver dag arbejder mange mennesker med fysiske og kemiske eksperimenter for at afprøve deres hypoteser. Det er fx ingeniører, kemikere, biologer, fysikere, læger og mange andre, der arbejder med fysik og kemi.
Hvad betyder fysik og kemi? Ordet fysik stammer fra græsk og betyder ”natur”. Ordet kemi stammer også fra græsk og betyder noget i retning af ”den egyptiske kunst”. I oldtidens Egypten havde man nemlig dygtige kemikere, der fx kunne fremstille metaller, farvestoffer og lægemidler.
HVAD ER FYSIK OG KEMI?
Forsker i arbejde. HVAD ER FYSIK OG KEMI?
KAPITEL 1
9
TEMA 1 TEMA 2 TEMA 3 TEMA 4 TEMA 5 10
■
Hvorfor fordamper vandet fra vasketøjet på tørresnoren?
■
Hvorfor dannes der dug på en kold rude eller på spejlet i badeværelset?
■
Hvornår fryser vand til is?
■
Hvad består din krop af?
■
Hvordan kan grundstofferne danne en lang række af andre stoffer?
Molekylernes verden Vand kan se ud på flere forskellige måder. Når det er rigtigt koldt, fryser det til is eller sne, og når det varmes op, fordamper det og bliver usynligt ligesom luft. Vand består ligesom alle andre stoffer af mindre dele, som vi kalder for molekyler. De er så små, at vi ikke kan se dem i et almindeligt mikroskop. Viden om molekyler kan give os forklaringer på, hvorfor vand, is og vanddamp har forskellige egenskaber, og hvad der sker, når is smelter og vand fordamper. Undersøger vi molekyler nøjere, opdager vi, at de består af endnu mindre byggestene, som vi kalder atomer.
11
Smelte vand fr a
12
gletsje
r ved G
rønland
s kyst.
Vand er Jordens vigtigste stof, og det findes som bekendt i tre forskellige former, nemlig som is, vand og vanddamp, der har meget forskellige egenskaber. Is er hårdt, vand er flydende, og vanddamp luftformig og helt usynlig. De tre forskellige former, som vandet kan optræde i, kaldes i fagsproget for tilstandsformer. For at forklare de forskellige tilstandsformer hos vand bliver vi nødt til at forstå noget om de bittesmå molekyler, som vandet består af, og som vi aldrig får at se. Til hjælp skal vi derfor bruge forskellige slags modeller, ligesom fysikere og kemikere gør det i deres daglige arbejde.
KAPITEL
Tilstandsformer
2
I DETTE KAPITEL SKAL DU LÆRE MERE OM
Tilstandsformer og tilstandsændringer Vandets kredsløb på Jorden Temperaturskalaer Vand og vejrfænomener Molekyler Temperatur og molekylebevægelse Molekylerne opdages
h
Hvorfor kan vand optræde i tre forskellige tilstandsformer – is, vand og vanddamp? Hvorfor fryser vand, når det bliver koldt? Hvorfor dannes der dug om aftenen?
13
MOLEKYLERNES VERDEN
Tilstandsformer og tilstandsændringer De fleste stoffer findes i flere tilstandsformer, men vand er det eneste stof, som i naturen findes i alle tre kendte former, den faste, den flydende og den luftformige. Faste stoffer Faste stoffer som fx is har en bestemt form. I ren form findes de, lige som is og sne, som krystaller med meget smukke former. Faste stoffer har det til fælles, at de både er hårde og sværere at presse sammen.
Væsker Væsker som fx vand er flydende. Det betyder, at de ændrer form efter den beholder, de er i. Væsker er også specielle ved at have en overflade, der altid vil være vandret. Væsker er ligesom faste stoffer meget svære at presse sammen.
En vandoverflade er altid vandret.
Iskrystaller.
14
KAPITEL 2
TILSTANDSFORMER
Luftarter er gasser Luftarter som fx vanddamp er usynlige. Luftarter har ikke på samme måde som væsker nogen overflade, men de vil lynhurtigt udfylde hele det rum eller den beholder, de befinder sig i. Luftarter kan meget let sammentrykkes. Det benytter vi os fx af, når vi pumper luft i cyklens dæk eller laver fitness-øvelser med en stor gummibold. Luften opfører sig med andre ord fjedrende. Luftarter kaldes også for gasser med et fagudtryk. Tilstandsændringer Vand og andre stoffer kan ændre tilstandsform på flere forskellige måder, når temperaturen går op eller ned. Smeltning og frysning Smeltning og frysning er modsætninger. Når et fast stof ved opvarmning bliver til en væske, siger vi, at det smelter. Når en væske afkøles og bliver til et fast stof, siger vi omvendt, at det fryser. Smeltning af is Hvis man knuser noget is og lægger det i et glas, vil varmen fra omgivelserne efterhånden få det til at smelte til vand. Et termometer i den våde is viser en temperatur på præcis 0 °C. Først når al isen er smeltet, begynder temperaturen i vandet at stige.
Tennisbolden ændrer form. Luft er elastisk.
Frysning af vand Hvis man afkøler et reagensglas med vand kraftigt i en meget kold kuldeblanding af is og salt, vil vandet efterhånden afgive varme til kuldeblandingen. Det får temperaturen i vandet til at falde, og på et tidspunkt bliver det så koldt, at det begynder at fryse. De første iskrystaller begynder at danne sig, når temperaturen er nået ned på 0 °C. Derefter holder temperaturen sig konstant på 0 °C, medens resten af vandet fryser. Først når alt er frosset, begynder temperaturen i isen at falde yderligere. Frysning.
Smeltning. Røde pile viser varmetransport.
TILSTANDSFORMER
Varme er en energiform Varme er en form for energi. Varme har den vigtige egenskab, at den altid vil søge at flytte sig fra et sted med højere temperatur til et sted med lavere temperatur.
Smeltepunkt og frysepunkt Vand smelter og fryser ved 0 °C. Frysepunkt og smeltepunkt er altså det samme, men fysikere og kemikere taler normalt kun om smeltepunkter. I fysiske og kemiske tabelværker kan man finde smeltepunkter for en masse stoffer – både naturlige og kunstigt fremstillede. Fordampning og fortætning Når en væske ændrer tilstandsform til luftform (eller gas), taler vi om, at den fordamper. Omvendt taler vi om fortætning, når en luftart (eller gas) bliver til væske. Fordampning og fortætning er altså modsætninger. KAPITEL 2
15
MOLEKYLERNES VERDEN
Fordampning af vand Lader man vand stå i en skål, vil det efterhånden forsvinde ved fordampning. Fordampningen sker fra overfladen, og den vanddamp, der dannes, er fuldstændig usynlig. Den blander sig efterhånden fuldstændigt med luften. Fordampningen går hurtigere, hvis vandet er varmt, og
hvis overfladen er stor. Dækker man skålen med folie, så vanddampen ikke kan komme væk, kan man helt stoppe fordampningen. Fortætning af vanddamp Hvis man lader sin bil eller cykel stå ude om aftenen, vil der normalt ske det, at vanddamp fra luften fortættes til bittesmå vanddråber som dug. Det samme sker, når du ånder på dine brilleglas. I udåndingsluft er der nemlig usynlig vanddamp, der fortætter sig på de lidt køligere glas. Fortætning fremmes altså, når temperaturen falder.
Vanddråber på spindelvæv.
Fordampning i hverdagen På en varm sommerdag kan man køle sig ved at tage et vådt håndklæde om nakken. Når vandet fordamper fra håndklædet, bruges der varme, som tages fra kroppen. Det medfører, at kroppens temperatur falder.
Hvis et æble ligger længe i en skål, rynker skallen. Æblet består nemlig af ca. 85 % vand. Når vandet langsomt fordamper gennem skallen, svinder æblet ind, så skallen rynker. Appelsiner og citroner holder meget bedre på vandet end æbler. De har nemlig en olieholdig skal, der forhindrer vandet i at fordampe fra frugten.
Is kan også fordampe. Det går bare langsommere end med vand. Man kan fx med lidt tålmodighed sagtens tørre tøj i frostvejr. Sne, der ligger længe, vil selv i vedvarende frost fordampe langsomt.
16
KAPITEL 2
TILSTANDSFORMER
Kogning Varmt vand fordamper lettere end koldt vand. Det ser man fx i vandpytter, når Solen pludselig titter frem. Når temperaturen i vandet stiger, vil fordampningen fra overfladen nemlig blive kraftigere. Når vand fx i en kolbe sættes over til kogning, vil temperaturen på et tidspunkt nå op på 100 °C. Lige netop ved denne temperatur begynder det at koge. I kogende vand dannes der bobler af ren vanddamp nede i vandet ved glassets bund og sider, hvor varmen fra gasflammen overføres til vandet. Når boblerne når en vis størrelse, river de sig løs og stiger til vejrs. Når de bryder gennem vandoverfladen, blander vanddampen sig med den omgivende luft.
Damp i dagligsprog og fagsprog Når vand koger, ser vi som regel en sky af damp over kedlen. Men det er ikke vanddamp, vi ser, men derimod en tåge af bittesmå vanddråber. Vanddamp er nemlig helt usynlig. I dagliglivet betyder damp altså noget andet end i det fysiske og kemiske sprog. Det skal man være opmærksom på.
Kogning er altså en særlig form for fordampning, hvor fordampningen ikke bare sker fra overfladen, men også fra vandet ved beholderens bund og sider.
varme, fx ved at skrue op for gassen, vil vandet bare koge kraftigere. Temperaturen ændrer sig ikke. Al den tilførte varme bruges nemlig til fordampningen.
Kogepunkt Hvis man holder et glas vand i kog, kan man med et termometer se, at temperaturen holder sig på kogepunktet 100 °C. Tilfører du mere
Dampbobler i kogende vand.
Når damp fra kogende vand ledes ud af et glasrør, er den helt usynlig. Først når dampen afkøles længere ude, fortættes den til vand.
Smelte- og kogepunkter
j Konisk kolbe med vand i kog på trefod med net og bunsenbrænder tændt. I toppen af kolben er der en prop med et kort lodret glasrør, der lader dampen slippe ud. TILSTANDSFORMER
2.1 Opvarmning af vand 2.2 Lav en lynfryser (A + B) 2.3 Fra vand til damp – fra damp til vand 2.4 Undersøg smeltepunkter
KAPITEL 2
17
Vandets kredsløb på Jorden
MOLEKYLERNES VERDEN
Solens energi Varme fra Solen får vand til at fordampe og holder vandkredsløbet i gang på Jorden.
Nedbør Skyerne sender nedbør i form af regn, sne eller hagl mod jorden.
Fortætning Fugtig luft fortættes til tåge eller skyer.
Fordampning Vand fordamper hele tiden fra hav, søer, floder, jord, planter og dyr.
Damp Fast form
Væske Afstrømning Nedbøren og grundvandet løber via vandløb ud i søer og havet.
Nedsivning Vand opsuges i jorden og bliver til grundvand.
j 18
KAPITEL 2
2.5 Vandets kredsløb
TILSTANDSFORMER