המבנה החלקיקי של החומר

מבנה החומר

האם בקבוק ריק הוא באמת ריק? איך נדע אם הוא באמת ריק או שיש בו משהו? נסו להגדיר את המונח "ריק" (ההיפך מ"מלא").

כבר למדנו שכל החומרים עשויים מחלקיקים. כעת ננסה להבין איך החלקיקים מסודרים זה ליד זה, מה ההבדל בסידור החלקיקים בין גז, נוזל, ומוצק, וננסה להבין את המעברים בין מצבי הצבירה ומה משפיע עליהם. אז מה לדעתכם ההבדל בין מוצק לנוזל, ובין נוזל לגז?

 

משימה: משרד החינוך צייד את בית הספר במכשיר מדעי חדש המאפשר לראות את חלקיקי החומר (זהו מכשיר דמיוני, אין במציאות מכשיר כזה). ציירו ארלנמייר במחברת, וציירו איך יראה האוויר בכלי כשמביטים בכוס באמצעות המכשיר החדש.

קראו את קטע ההעשרה על הר האוורסט ונסו לענות- מה הכוונה שהאוויר במקומות גבוהים דליל יותר מאשר האוויר שבמקומות נמוכים? בתשובתכם, השתמשו במונח צפיפות.

 

כעת חשבו וענו- האם יש הבדל בין קרח, מים ואדי מים, ואם כן, אז מהו ההבדל? מה יגרום לקרח להפוך למים, ולמים להפוך לאדים?

אם הגעתם למסקנה, חשבו כעת על שאלה נוספת- בין חלקיקי החומר, כל חומר, ישנם כוחות משיכה. כלומר, כל חלקיק נמשך לחלקיקים הסמוכים לו. האם לדעתכם מצב הצבירה יכול לרמוז לנו על המרחק שבין החלקיקים ועל הכוחות שבין החלקיקים? האם יש קשר בין חימום או קירור לבין מצב הצבירה, והאם יש קשר בין חימום או קירור לבין הכוחות שבין החלקיקים? עליכם לחשוב ולנמק את תשובתכם.

 

חשבו- מה קורה לשעוות הנר (חומר הנקרא פרפין) כשמחממים אותה? מה קורה לקרח כשמחממים אותו? מדוע האצטון מתנדף כל כך מהר כשמשאירים את בקבוק האצטון פתוח? מה הם הקווים המשותפים בין שתי תופעות אלה? רמז- חשבו על החלקיקים.

המשיכו את קו המחשבה הזה ונסו לענות- האם אפשר לחמם ברזל עד שיהפוך לגז, והאם אפשר לקרר חמצן (או כל גז אחר) עד שיהפוך למוצק?

          

העשרה: הר האוורסט (בתמונה למטה) נמצא בין נפאל לבין סין והוא חלק מרכס ההימלאיה. האוורסט הוא ההר הגבוה ביותר בעולם ומדידות שונות נעות בין 8,844 לבין 8,850 מטרים מעל פני הים.

בתחילה, אנשים כלל לא חשבו שאפשר לטפס עליו ולהגיע לפסגתו. הרעיון הועלה לראשונה ב 1893, והניסיון הראשון נעשה ב 1913. ניסיון זה נכשל, וכן גם כמה אחרים שבאו אחריו. לבסוף, ב 29 במאי 1953, כבשו את הפסגה הני-זילנדי סר אדמונד הילרי, והסבל (שרפה) טנזינג נורגיי.

תאריך חשוב נוסף בסיפורי הכיבוש, הוא ה-5 באוגוסט 1978, אז נכבש האוורסט בפעם הראשונה ללא בלוני חמצן. עד אז השתמשו כובשי האוורסט בבלוני חמצן מכיוון  שהאוויר בגבהים דליל יותר מהאוויר בגובה פני הים.

 

 

 

 

משימה: ציירו במחברתכם איך יראו 20 חלקיקים של פאראפין (שעוות נר). כעת ציירו המבנה לאחר חימום ומעבר למצב צבירה נוזלי. בציור שלישי ציירו את החומר לאחר שחומם עוד יותר ועבר למצב צבירה גזי.

 

הבנו שבין החלקיקים יש כוחות, ושהכוחות מושפעים מאנרגיית החום, ולכן ככל שנחמם החלקיקים יתרחקו זה מזה. מה לדעתכם יש בין חלקיקי החומר? אם ניקח את האוויר לדוגמא- מה יש בין חלקיקי האוויר?

כאמור, כל חומר בנוי מחלקיקים, שביניהם יש ריק. כל חומר יכול להיות בכל מצב צבירה- גז, נוזל או מוצק. כדי לעבור ממצב צבירה אחד לשני, יש לחמם או לקרר. אם נקרר גז אל מתחת לנקודת העיבוי נקבל נוזל. אם נמשיך ונקרר את הנוזל עד נקודת הקיפאון נקבל מוצק. ולהיפך- אם נחמם מוצק אל מעבר לנקודת ההתכה הוא יעבור למצב צבירה נוזל. אם נחמם נוזל אל נקודת רתיחה, החומר יעבור למצב צבירה גז.

כנסו לפעילות "תכונות הגזים" ובדקו מה הגורמים שמשפיעים על תנועת החלקיקים של הגזים.

   

 

 

 

ננסה להבין מה באמת קורה כשמסתכלים לחלקיק "בגובה העיניים". כנסו לפעילות בנושא חימום ולאחר שתסיימו אותה, ענו על השאלות שבפעילות.

הסיבה שחימום גורם למעבר בין מצבי הצבירה היא שאנרגיית החום מעניקה לחלקיקים תנועה ומאפשרת להם להתגבר על כוחות המשיכה שביניהם (שנה הבאה נלמד על המרות אנרגיה. במקרה הזה, אנרגיית החום מתגלגלת והופכת לאנרגית תנועה של החלקיקים). ככל שהם נעים יותר, הם דוחקים יותר אחד את השני ולכן המרחק בין החלקיקים גדל. כשהמרחק בין כל שני חלקיקים גדל, המרחק בין כל החלקיקים גדל. כאשר המרחק בין החלקיקים גדל, למעשה נפח הגוף הולך וגדל. כלומר, נפח גוף הולך וגדל ככל שהטמפרטורה עולה, גם אם החומר לא עבר ממצב צבירה אחד לשני (למטבע קר יש נפח קטן יותר מאשר לאותו מטבע לאחר שנחמם אותו). למעשה, ממחקרים רבים אנחנו יודעים את הדברים הבאים- חלקיקי המוצק מסודרים בצורה סימטרית כשהם קרובים מאד אחד לשני. חלקיקי הנוזל עדיין קרובים זה לזה (לא קרוב כמו במוצק) אך הם לא מסודרים בצורה סימטרית. חלקיקי הגז רחוקים זה מזה והסדר שלהם אקראי. עם זאת, הם מפוזרים במרחקים שווים בכלי בו הם נמצאים. אנו גם יודעים כי החלקיקים במוצק נעים מצד לצד. כלומר, יש להם תנועה המכונה תנודה. חלקיקי הנוזל מעט יותר משוחררים ולכן תנועתם היא שילוב של תנודה ביחד עם תנועה סיבובית או תנועת החלקה. בגזים לחלקיקים יש תנועת תנודה, תנועה סיבובית או תנועת החלקה, ותנועה בקו ישר (עד שהם נתקלים בחלקיק אחר).

נכנס לפעילות נוספת בנושא חימום וחלקיקים. ערכו דיון בקבוצה ונסו ביחד לענות על כל השאלות שבפעילות.

חשוב לזכור, טמפרטורות ההתכה/קיפאון והרתיחה/התעבות משתנות מחומר לחומר. לדוגמה- מים הופכים לנוזל ב 0 מעלות צלזיוס, ברזל הופך לנוזל ב 1538 מעלות צלזיוס. אצטון עובר ממצב צבירה נוזל למצב צבירה גז ב 56.5 מעלות צלזיוס, וברזל רותח והופך לגז ב 2861 מעלות צלזיוס.

טבלת נקודות התכה ורתיחה של חומרים שונים:

חומר

התכה/קפאון

רתיחה/עיבוי

פרפין

55

380

מים

0

100

אצטון

95.4-

56.53

כוהל

114-

78

 

 

ניסוי: קחו בקבוק פלסטיק ריק בנפח של 330-500 סמ"ק. הכניסו שתי כפיות מים רותחים ואת הבקבוק כולו הכניסו לכלי עם מים רותחים. לאחר 30 שניות הוציאו את הבקבוק וסגרו היטב את הפקק. כעת הכניסו את הבקבוק לתוך כלי עם מי קרח. מה ראיתם?

כעת חזרו על הניסוי כאשר הפעם אתם לא מוסיפים שתי כפיות מים חמים לבקבוק. מה התוצאה עכשיו? האם תוכלו להסביר את ההבדל בתוצאות?

 

 

 

סיכום:

1.      כל חומר בנוי מחלקיקים.

2.      בין החלקיקים יש ריק.

3.      בין החלקיקים יש כוחות משיכה.

4.      החלקיקים נמצאים בתנועה מתמדת.

5.      כל חומר יכול להיות בכל שלושת מצבי הצבירה: מוצק, נוזל או גז.

6.      המעבר בין מצבי הצבירה תלוי באנרגיית החום.

7.      כוחות המשיכה ותנועת החלקיקים תלויים בטמפרטורה ובמצב הצבירה של החומר.

ככל שמעניקים יותר אנרגיית חום (ככל שמחממים יותר), הקשרים בין החלקיקים נחלשים, והחלקיקים מתרחקים זה מזה. בשלב מסוים הקשרים נחלשים מספיק כדי שהחומר יעבור ממצב צבירה אחד לשני.

 

 נסיים כעת את פרק החומרים בנושאי הפעפוע וחוק שימור המסה.