Fysiikka ja kemia

Niko Lassila

Käsitteet ja ilmiöt;

 

lähteenä on käytetty Wikipediaa, oppikirjoja sekä Pedanetin www-sivuja

 

aine

olomuodot    Aineen olomuotoja ovat kiinteä, nestemäinen ja kaasumainen

 

alkuaine        Alkuaine määritellään aineeksi, jonka atomien ytimissä on tietty määrä protoneja. Alkuaineita ei myöskään voida jakaa tai muuttaa toiseksi aineeksi kemiallisessa prosessissa. Alkuaineet koostuvat atomeista, joiden ytimissä on protoneja, joita kiertää yhtäläinen määrä elektroneja. Protonien lukumäärä määrää alkuaineen järjestysluvun eli niin kutsutun atomiluvun. Saman alkuaineen atomeilla on siten sama atomiluku. Esimerkiksi atomit, joiden ytimessä on kuusi protonia, ovat hiiliatomeja. Ytimessä voi olla vaihteleva määrä neutroneja. Tällaisia saman alkuaineen erilaisia ytimiä kutsutaan alkuaineen isotoopeiksi.

 

Alkuaineet voivat muodostua joko ioni- tai molekyyliyhdisteeksi ja ne jakautuvat kahdeksi pääryhmäksi, metalleiksi ja epämetalleiksi kemiallisten ominaisuuksiensa suhteen. Jos alkuaineella on sekä metallien että epämetallien ominaisuuksia, sitä kutsutaan puolimetalliksi. Alkuaineet on ryhmitelty tarkemmin rakenteensa perusteella jaksolliseen järjestelmään, minkä avulla voi myös ennustaa alkuaineiden kemiallisia ominaisuuksia. Virallisesti varmennettuja alkuaineita tunnetaan nykyään 118 erilaista, joista 94 esiintyy luonnossa ja loput on valmistettu keinotekoisesti ydinreaktioiden avulla.

 

ilmassa olevien alkuaineiden kemialliset merkit          Ilmasta 78 tilavuusprosenttia on typpeä N ja 21 % happea O. Typpi ja happi eivät kuitenkaan esiinny yksittäisinä atomeina, vaan kahdesta atomista koostuvina molekyyleinä N2 ja O2. Loput 1% koostuu monista eri kaasuista, kuten hiilidioksidista CO2 sekä argonista Ar ja muista jalokaasuista.

 

aineen muuttuminen toiseksi aineeksi    Kemiallinen reaktio on prosessi, jossa aineet muuttuvat toisiksi aineiksi: atomien ja molekyylien elektronijakaumat muuttuvat, ja yleensä sidoksia syntyy tai katkeaa. Reaktiossa atomi voi muuttua ioniksi, molekyylit voivat yhdistyä tai hajota tai molekyylien atomit voivat järjestyä uudestaan.

 

Olomuodon muutosta ei sanota kemialliseksi reaktioksi vaan prosessiksi, joka on laajempi, myös reaktiot sisältävä käsite. Olomuodon muutoksessa heikot kemialliset sidokset katkeavat. Kemiallisen konformaation muutos on seurausta näiden sidosten uudelleenjärjestymisestä. Kemiallisissa reaktioissa voivat muuttua vain atomien elektronipilvet, eivät atomien ytimet niin kuin ydinreaktioissa.

 

Jokaisessa kemiallisessa reaktiossa myös sitoutuu tai vapautuu energiaa, tavallisimmin lämpönä. Tällä perusteella reaktiot jaetaan endotermisiin ja eksotermisiin reaktioihin. Nämä energian muutokset ovat kuitenkin paljon pienempiä kuin ydinreaktioissa. Siten aineiden massa ei muutu havaittavasti ja voidaan puhua aineen häviämättömyyden laista.

 

yhdiste           Kemiallinen yhdiste on kahdesta tai useammasta keskenään reagoineesta alkuaineesta koostuva aine.

 

seos               Seos on vähintään kahden aineen muodostama yhdistelmä, jonka seoskomponentit eivät ole kemiallisesti sitoutuneet toisiinsa yhdisteeksi. Seosten koostumukset eivät ole vakioita. Esimerkiksi messinki on kuparin ja sinkin seos, ja sen koostumus ei ole koskaan tarkalleen sama.

 

liuos              Liuos on seos jossa kaksi tai useampia aineita on sekoittunut toisiinsa muodostaen yhtenäisen faasin. Liuos on kyseessä silloin, kun ainehiukkaset eivät ole havaittavissa edes mikroskoopilla eivätkä saostu liuoksen seistessä suljetussa astiassa.

 

kylläinen liuos                    Liuos on kylläinen, kun liuotettavaa ainetta ei tietyssä lämpötilassa enää liukene siihen. Se on kuitenkin kylläinen vain yhden aineen suhteen. Tämä määrä riippuu lämpötilasta ja etenkin kaasuilla myös paineesta. Useat nesteet liukenevat toisiinsa kaikissa mahdollisissa suhteissa, näin esimerkiksi vesi ja etanoli, eikä tällöin saada kylläistä liuosta. Sen sijaan kaasun ja kiinteän aineen liukeneminen nesteeseen on aina rajallista. Lisäämällä veteen riittävästi suolaa saadaan aina lopulta kylläinen liuos. Tällöin suolaa liukenee nesteeseen sama määrä kuin liuoksesta erkanee suolaa kiinteäksi ja suolaliuos on näin dynaamisessa tasa­paino­tilassa.                

 

liuotin           Liuottimeksi sanotaan ainetta, johon joko kiinteä aine, neste tai kaasu liukenee. Jos liuottimeen liuennut kiinteä aine halutaan erottaa, voidaan käyttää tislausta tai vain haihduttaa liuotin kuumentamalla, ellei sitä haluta ottaa talteen.

 

liukeneminen                     Liukeneminen on tapahtuma, jossa liukeneva aine sekoittuu liuottimeen siten, että syntyy liuos. Puhdas vesi on yksi maailmankaikkeuden monipuolisimpia sekä yleisimmin esiintyviä liuottimia. Se pystyy liuottamaan esimerkiksi mineraaleja kalkkikivestä ja muodostamaan luoliin tippukiviä.

 

suodatus       Suodatusta käytetään kemiassa erottamaan liuoksesta epäpuhtauksia tai erottamaan aineet toisistaan. Suodatus voidaan suorittaa käyttämällä Büchnersuppiloa. Büchner-suppiloon laitetaan sopiva suodatinpaperi, liuos suodatetaan sen läpi imussa. Myös tavallinen suppilo soveltuu suodatukseen. Siihen voidaan laittaa suodatinpaperi, jonka läpi nesteen annetaan valua. Suodatinpaperin asemasta voidaan käyttää myös pumpulia. Mikäli kiinteä aine ei liukene nesteeseen, muodostuu heterogeeninen seos, josta liukenematon aine voidaan erottaa suodattamalla. Suodatuksessa hyödynnetään hiukkasten kokoeroja.

 

kiteytys          Kiteyttämisellä tai kiteytyksellä (joskus myös kristallisoinnilla) tarkoitetaan jonkin aineen saattamista kiteiseen muotoon.

 

seulonta        Tutkitaan, löytyykö aineistosta jotain tiettyä ainetta tai sen jäämiä. esimerkiksi doping- ja huumetestit ovat seulontaa.

 

linssi (kupera, kovera )      Linssi on lasista tai muusta läpinäkyvästä aineesta tehty kaarevapintainen optinen kappale, joka taittaa valonsäteitä tai muuta sähkömagneettista säteilyä tietyllä tavalla, kooten tai hajottaen sitä. Esimerkiksi mikroaaltolinssejä voidaan tehdä parafiinivahasta tai asfaltista ja infrapunalinssejä germaniumista tai piistä.

 

Linssin ominaisuuksia kuvaa polttoväli, joka on positiivinen kokoavalle (kuperalle) ja negatiivinen hajottavalle (koveralle) linssille. Linssin voimakkuutta eli optista taittokykyä kuvaamaan käytetään dioptria-yksikköä (1 dioptria = 1 m-1), joka on polttovälin käänteisluku. (Esimerkiksi +0,5 diopterin silmälasin polttoväli on 2 metriä).

 

Linssin optisia virheitä ovat pallopoikkeama ja väripoikkeama.

 

Linssityyppejä:

 

 

 

valon taittuminen, valon eteneminen      Valon kulkusuunta muuttuu, jos se kohtaa vinosti läpinäkyvän kappaleen, esimerkiksi ikkunalasin. Tällöin puhutaan valon taittumisesta. Valon taittuminen tapahtuu kahdella eri tavalla, joko normaalia päin tai normaalista poispäin. Valo taittuu pinnan normaalia kohti, kun valo kulkee aineiden väliseen rajapintaan siten, että valo tulee ilmasta lasiin tai ilmasta veteen. Valo taittuu pinnan normaalista poispäin, kun valon kulkusuunta on edellisiin nähden päinvastainen.

 

Vuonna 1873 James Clerk Maxwell ennusti sähkömagneettisten aaltojen olemassaolon ja laski niiden nopeuden. Tämä tulos, yhdessä Heinrich Hertz'in kokeellisen työn (1887) kanssa osoitti yksikäsitteisesti, että valo on sähkömagneettista aaltoliikettä.

 

massa Massa (tunnus m) on fysiikan perussuure, joka kuvaa toisaalta kappaleen hitautta voiman vaikuttaessa siihen, toisaalta kappaleen kykyä tuntea ja aiheuttaa gravitaatiovoimia. Arkikielessä painolla tarkoitetaan yleensä kappaleen massaa.

 

Massan SI-järjestelmän mukainen perusyksikkö on kilogramma, joka on tuhat grammaa. Suurten massojen yksikkönä käytetään yleisesti tonnia. Atomimassoja mitattaessa käytetään atomimassayksikköä.

 

tiheys             Tiheys on suure/määrä, joka ilmaisee kappaleen massan suhteessa sen tilavuuteen. Sen tunnus on ρ (rhoo). Tietyn lämpötilan ja paineen vallitessa tiheys on kullekin aineelle ominainen vakio.

 

virtapiiri        Suljettu virtapiiri on virtalähteiden, johtimien ja sähkölaitteiden muodostama sähkövirran kulkureitti. Avoimesta virtapiiristä ei virta kulje lävitse, virtapiiri voidaan katkaista tarkoituksellisesti esimerkiksi katkaisijalla.

 

paristo, akku, dynamo       Paristo (arkikielessä myös patteri) on kemiallisen reaktion tuloksena syntyvän jännitteen lähde, yksi sähkölaitteiden mahdollisista teholähteistä.

 

Akku (alun perin akkumulaattori < lat. accumulare "kasata") on laite, joka varastoi sähköenergiaa sähkökemiallisessa muodossa. Ladattaessa akku muuttaa sähköenergian kemialliseksi energiaksi ja purettaessa takaisin sähköenergiaksi.

 

Dynamo on sähkögeneraattori, joka muuttaa mekaanisen pyöritysenergian sähköksi.

 

painovoima  Painovoima eli gravitaatio on luonnonilmiö, joka saa kaikki massalliset kappaleet vetämään toisiaan puoleensa. Tämän vuorovaikutuksen suuruus eli voima riippuu kappaleiden massoista ja etäisyydestä. Tämä saa esimerkiksi esineet putoamaan Maata kohti sekä pitää satelliitit ja taivaankappaleet radoillaan, kuten Maan kiertoradallaan Auringon ympäri. Painovoima aiheuttaa myös vuorovesi-ilmiön.

 

kitka, vastus, liike               Kitka eli liikevastus on kahden kiinteän kappaleen toisiaan koskettavien pintojen välissä ilmenevää liikettä, tai liikkeen alkamista vastustava voima. Nesteillä on sisäinen kitka, eli viskositeetti, joka vaikuttaa nesteen juoksevuuteen. Nesteitä käytetään vähentämään liikepintojen välistä kitkaa.

 

Liike tarkoittaa fysiikassa kappaleen paikan jatkuvaa muutosta suhteessa johonkin koordinaatistoon. Liike voi olla suoraviivaista tai käyräviivaista. Liike voi olla myös tasaista tai muuttuvaa.

 

indikaattori   Indikaattori on kemiassa yhdiste, joka värinmuutoksellaan ilmaisee tapahtuneen reaktion

 

happo/happamuus            Happo on aine, joka tuottaa vesiliuokseen vetyioneja. Emäs puolestaan on aine, joka tuottaa vesiliuokseen OH–-ioneja.. Teoria ei anna pohjaa happojen ja emästen suhteellisen voimakkuuden määrittelylle.

 

emäs/emäksisyys                Lewisin teoria määrittelee happo ja emäs -käsitteet Brønsted–Lowryn teoriaa laajemmin. Lewisin emäs on aine, joka voi luovuttaa elektroniparin. Vastakohtana Lewisin happo on yhdiste, joka kykenee vastaanottamaan elektroniparin. Yleensä termiä Lewis-emäs käytetään vain niistä Lewisin teorian mukaisista emäksistä, jotka eivät ole Brønsted-emäksiä, kuten eettereistä.

 

neutraali/neutraloituminen Neutraloituminen on ilmiö, joka tapahtuu kun happo ja emäs kumoavat toisensa. Tällöin happamuuden aiheuttava vetyioni ja emäksisyyden aiheuttaja hydroksidi-ioni yhdistyvät ja syntyy vettä. Mutta jotta neutraloituminen tapahtuu täydellisesti täytyy happoa ja emästä olla yhtä paljon.

 

pH-arvo Happamuus kuvaa positiivisten vetyionien (H+) (protonien) aktiivisuutta liuoksessa. Vesiliuoksen happamuus ilmoitetaan tavallisesti logaritmisella pH-asteikolla, jonka otti käyttöön Søren Peter Lauritz Sørensen vuonna 1909. Lyhenteessä pH kirjain p eli potenz on saksaa ja tarkoittaa vahvuutta, ja H tarkoittaa vetyionia (H+). Toisinaan lyhenteen sanotaan tulevan latinan sanoista pondus hydrogenii eli vedyn potentiaali. Happamuus voidaan ilmoittaa niin happamalle kuin emäksisellekin liuokselle.

 

 

kemiallinen reaktio            Kemiallinen reaktio on prosessi, jossa aineet muuttuvat toisiksi aineiksi: atomien ja molekyylien elektronijakaumat muuttuvat, ja yleensä sidoksia syntyy tai katkeaa. Reaktiossa atomi voi muuttua ioniksi, molekyylit voivat yhdistyä tai hajota tai molekyylien atomit voivat järjestyä uudestaan.

 

sähköjohde   Sähköjohde on materiaali, jossa elektronit pääsevät kulkemaan hyvin. Sähköä johtavista materiaaleista voidaan rakentaa edelleen esimerkiksi sähköjohtoja ja -kaapeleita.

 

Sähköjohteen tehokkuutta kuvaa siinä käytetyn aineen konduktiivisuus eli sähkönjohtavuus, joka on lämpötilariippuvainen suure.

 

eriste             Eriste on yleisesti aineen tai energian etenemistä rajoittava rajapinta.

 

sähkövirta     Sähkövirta tarkoittaa sekä fysikaalista ilmiötä että siihen liittyvää suuretta. Ilmiönä sähkövirta on sähkö­varauk­sel­lis­ten hiukkasten liikettä.

 

jännite           Sähköinen jännite (tunnus U, lat. urgere, etenkin amerikkalaisessa tekstissä usein V), eli sähköinen potentiaaliero kahden pisteen välillä, määritellään varatun hiukkasen, näiden pisteiden välillä vallitsevan potentiaalienergiaeron ja hiukkasen varauksen suhteena.

 

voltti              Voltti (tunnus V) on SI-järjestelmän johdettu jännitteen yksikkö. Se on nimetty italialaisen fyysikon Alessandro Voltan mukaan. Yksikkö on määritelty siten, että jos johteessa syntyy watin tehohäviö ja siitä kulkee läpi ampeerin virta, sen yli on yhden voltin jännite.

 

 

OPS-yhteydet

Fysiikan kannalta keskeistä on ymmärtää luonnon perusrakenteita ja ilmiöitä, ja selittää näitä ilmiöitä käyttäen myös omissa tutkimuksissa saatavaa tietoa. Kemian kannalta keskeistä on havaita erilaisia aineita ympärillämme sekä tutkia, kuvailla ja selittää niiden ominaisuuksia, rakenteita ja niissä tapahtuvia muutoksia.

 

Opetuksen tavoitteena on herättää ja syventää oppilaiden kiinnostusta ympäristöopin eri tiedonaloja kohtaan.

Sisällöksi valitaan luontoon, rakennettuun ympäristöön, arjen ilmiöihin ja teknologiaan sekä ihmiseen ja ihmisen toimintaan liittyviä ongelmanratkaisu- ja tutkimustehtäviä. Tehtävien avulla harjoitellaan tutkimuksen tekemisen eri vaiheita. Arjen pulmiin kokeillaan ja keksitään yhdessä vaihtoehtoja ja ratkaisuja. Havainnoidaan liikettä ja pohditaan syitä liikkeen muutoksiin.

 

Perehdytään elämän perusedellytyksiin ravinnon, veden, ilman, lämmön ja huolenpidon osalta. Tutustutaan ravinnontuotantoon ja juomaveden alkuperään.

Palaminen, yhteyttäminen ja veden kiertokulku muodostavat pohjan aineen muutosten ja aineen säilymisen periaatteen hahmottamiselle. Lämpötilan mittaamisen, lämpöenergiaan perehtymisen ja energialajien muuntumisen avulla tutustutaan energian säilymisen periaatteeseen. Tutkitaan ääni- ja valoilmiöitä. Perehdytään lähiavaruuteen, vuodenaikoihin, päivän ja yön vaihteluun sekä maapallon rakenteeseen.

 

yleishuomioita:

Punaisena lankana on ihmisen lähiympäristö ja sen ilmiöt sekä kestävän kehityksen näkökulma. Oivaltaminen ja oppimisen ilo ovat keskeisiä tekijöitä mielenkiintoisen ja kokemusperäisen oppimisen turvaamiseksi