Gyldendal Norsk Forlag AS, utgave, 1. opplag. Printed in Norway by PDC Tangen, 2006

Transkript

1 Gyldendal Norsk Forlag AS, utgave, 1. opplag Læreboken er skrevet etter gjeldende læreplan for faget naturfag for yrkesfaglige utdanningsprogram. Boken dekker læreplanmålene Forskerspiren og Energi for fremtiden. Printed in Norway by PDC Tangen, 2006 ISBN 13: ISBN 10: Redaktør: Ellen Semb og Klaus Anders Karlson Bilderedaktør: Anita R. Seifert og Hege Blom Design: CMYKDESIGN Sats og layout: Brødrene Fossum AS Omslagsdesign: CMYKDESIGN Omslagsbilde: GV-Press, fotograf Raymond de Berquelle Bilder, illustrasjoner: Alle tegninger er utført av Anne Langdalen, unntatt: John Arne Eidsmo: Det periodiske system på forsats og baksats GV-press: 9 øv, 30 nede (David Parker/SPL), 33 t.v. (David Parker/SPL), 33 t.h. (Charles D. Winters/SPL), 45 (Martin Bond/SPL), 80 og 81: (James Lauritz/age fotostock), 101, 102, 104, 111 Ole Moksnes AS: 8, 39, 42 (begge), 48 t.v. Samfoto: 9 nede (Leif Rustand), 24, 25 (Harri Tahvanainen/Gorilla), 26 (Jan Djenner/BAM), 28 (Tor Wuttudal), 29 (Dag Røttereng), 82 (Paul Sigve Andersen), 86 (Espen Bratlie), 88 (Tor Wuttudal), 106 (Bård Løken), Scanpix: 30 (Pedro Armestre/AP), 85 (Andrew Gombert/EPA) Statskraft: 100 (nede) Det må ikke kopieres fra denne boken i strid med åndsverkloven eller avtaler om kopiering inngått med KOPINOR, interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk. Kopiering i strid med lov eller avtale kan medføre erstatningsansvar og inndragning, og kan straffes med bøter eller fengsel. Alle henvendelser om forlagets utgivelser kan rettes til: Gyldendal Undervisning Postboks 6860 St. Olavs plass 0130 Oslo E-post: undervisning@gyldendal.no

2 Til deg som skal bruke læreverket Dette læreverket dekker kompetansemålene Forskerspiren og Energi for fremtiden i læreplanen i naturfag for Vg1. Alt fagstoff, oppgaver og forslag til aktiviteter er samlet i denne boka. Det er utviklet et eget nettsted til læreverket med utfyllende stoff, oversikt over egnede nettsteder, forslag til feltarbeid og andre elevaktiviteter. Nettstedadressen er: I starten av hvert kapittel finner du en kort innledning og en oversikt over hva du skal jobbe med i dette kapitlet. Læreplanen står samlet bak i boka. Kompetansemålene denne boka er skrevet etter, er markert med rød skrift. Det er skrevet tilsvarende bøker for de andre kompetansemålene i læreplanen. Kapitlene veksler mellom to typer tekst. Hovedteksten presenterer og forklarer det naturfaglige lærestoffet. «Blåteksten» tar opp ulike problemstillinger, eksempler og annet aktuelt stoff med tilknytning til innholdet i hovedteksten. De vekker nysgjerrighet og knytter faget til hverdagsopplevelser. Mange av momentene i læreplanen er tatt opp i «blåteksten». For å gjøre arbeidet med stoffet lettere har vi tatt med noe repetisjonsstoff fra grunnskolen der du kan ha bruk for det. Dette stoffet er markert i teksten som repetisjonsstoff og på grønn bakgrunn. Hvert kapittel avsluttes med et sammendrag. Kontrolloppgavene er plassert der det er naturlig å stoppe opp og oppsummere hva du har fått med deg så langt i kapittelet. Bakerst finner du oppgaver som er tydelig merket med fargekode for vanskelighetsgrad. Oppgaver med rødt nummer er vanskeligere enn de andre. Gruppe- og nettoppgaver stimulerer til både muntlig og skriftlig aktivitet. En oppgave med overskriften «Utfordring» er en større oppgave som tester naturfaglig tekstforståelse. Til slutt kommer forslag til elevforsøk. Arbeidet med naturfag vil gi deg grunnleggende kunnskaper som skal hjelpe deg til å forstå erfaringer du selv gjør, og informasjon du tar imot om kropp og helse, om teknologi og naturvitenskap og om naturen omkring deg. De grunnleggende kunnskapene skal også sette deg i stand til å erobre ny kunnskap, enten det er i programfagene innenfor utdanningsprogrammet ditt, i arbeidslivet eller i senere studier. Arbeidet med naturfag skal dessuten gi deg et kunnskapsgrunnlag for å kunne vurdere informasjon, være med i diskusjoner og ta stilling til viktige samfunnsspørsmål. Det er vårt ønske at dette naturfagverket vil hjelpe deg i læringsarbeidet, og at det bidrar til å vekke interesse og glede mens du arbeider med faget. Trondheim og Stjørdal, februar 2006 Peter van Marion Hilde Hov Tone Thyrhaug Øyvind Trongmo

3 Innhold 1 Naturvitenskap og naturfag 6 Naturfaglig kunnskap 6 Hvem skal ta valgene? 6 Undersøkelser 7 Hypotese 7 Observasjoner 7 Eksperimenter 8 Sikre observasjoner 8 Feil og usikkerhet 9 Å måle med samme mål 10 Modeller av virkeligheten 11 Oppgaver 12 Nett- og gruppeoppgaver 17 Forslag til korte foredrag 17 Forsøk 18 2 Energi fra kjemiske reaksjoner Redoksreaksjoner Forbrenning 25 Energi fra sola 28 Forbrenning i cellene 29 Fullstendig og ufullstendig forbrenning Elektronoverføringer 34 Reaksjonen mellom natrium og klor 34 Reaksjonen mellom magnesium og oksygen 35 Reaksjonen mellom karbon og oksygen Elektrokjemiske reaksjoner 38 Et enkelt batteri (1) 38 Et enkelt batteri (2) 39 Ulike batterityper 40 Brenselceller 42 Elektrolyse 44 Opplading av batterier 46 Vannspalting 47 Sammendrag 49 Oppgaver 50 Nett- og gruppeoppgaver 65 Utfordring 66 Forsøk 68 Forslag til korte foredrag 77

4 3 Energi og framtid Energi 81 Kraft, arbeid og energi 81 Enheter for energi Energiformer 82 Potensiell energi 82 Bevegelsesenergi eller kinetisk energi 83 Varmeenergi er indre bevegelsesenergi 83 Kjemisk energi er indre potensiell energi 83 Det finnes egentlig bare to energiformer Energilovene 85 Energioverføring 86 En energikjede er en kjede av energikilder og energimottakere 89 Virkningsgraden forteller hvor effektivt energien utnyttes Energikilder og energibærere 92 Hva er en energikilde? 92 Fornybare og ikke-fornybare energikilder 92 Hva er en energibærer? Energiomforming 94 Solceller 94 Energiverk Energisituasjonen 101 Verdens energisituasjon 101 Norges energisituasjon Energiløsninger for framtiden 104 Hvilke krav må vi stille til energiløsninger for framtiden? 104 Energiløsninger for framtiden: energikilder 104 Energiløsninger for framtiden: lagring, transport og bruk 107 Sammendrag 112 Oppgaver 114 Nett- og gruppeoppgaver 132 Utfordring 135 Forsøk 137 Forslag til korte foredrag 144 Fasit 145 Stikkord 149 Læreplan 150

5 1 Naturvitenskap og naturfag Naturfaglig kunnskap Vi vet av erfaring at melken holder seg lenger når vi setter den i kjøleskapet. Vi vet at vi kan bli smittet når noen som er forkjølt, hoster eller nyser mot oss. Vi vet også at en flaske brus som står ute i mange kuldegrader, kan fryse i stykker. Dette er eksempler på kunnskap vi har skaffet oss gjennom erfaringer og opplevelser. Men mange vil ikke nøye seg med dette, de vil vite mer. «Hvorfor er det slik? Hvordan kan det forklares?» Mennesker har alltid undret seg over det de kunne observere rundt seg. Undringen er en viktig drivkraft i vår søken etter kunnskap. Uten menneskets undring og nysgjerrighet hadde den naturvitenskapelige kunnskapen vi har i dag, ikke kunnet vokse fram. Men undring og nysgjerrighet er ikke den eneste drivkraften i menneskets søken etter naturvitenskapelig kunnskap. Kunnskap om hva som skjer i melk og andre matvarer som blir bedervet, har satt oss i stand til å velge de beste transport- og oppbevaringsmåtene. Kunnskap om forkjølelsesviruset har gjort det mulig å forstå hvordan vi kan unngå å bli smittet. Jakten på kunnskap om forkjølelsesviruset og andre virus har satt oss i stand til å bekjempe mange sykdommer der virus er årsaken. Naturvitenskapelig kunnskap er med andre ord nyttig for oss. Hvem skal ta valgene? Vi må stadig velge, både i vår egen hverdag og som samfunnsmedlemmer. Hva skal vi spise for å holde oss friske? Skal vi bygge gasskraftverk i Norge? Hvor skal vi legge den nye veien, og hvor skal det være tillatt å bygge hytter? Vi kan la andre velge for oss. Eller vi kan være med og velge selv. Hvis vi vil velge selv, trenger vi mer kunnskap enn den vi kan skaffe oss gjennom erfaringer og opplevelser. Vi må ha kunnskap som setter oss i stand til å vurdere følgene av de valgene vi gjør. Det mangler sjelden gode råd fra mange hold, enten det gjelder hvilken mat som er sunnest, om vi bør satse på gasskraft, eller hvilken veitrasé som skader miljøet minst. For å kunne gjøre de beste valgene trenger vi kunnskap. Uten grunnleggende kunnskap i naturfag må vi overlate mange valg til andre.

6 naturvitenskap og naturfag Undersøkelser Undersøkelser er grunnlaget for all naturvitenskapelig tenkning. Vi kan for eksempel undersøke hvordan temperaturen virker inn på yteevnen til batterier, og vi kan undersøke hvordan kjøttmeisen finner mat om vinteren. Vi kan også undersøke hva som gjør at vannlopper vi har i et akvarium, først formerer seg og blir mange, men så plutselig går ned i antall. Hypotese Vi starter med å tenke ut mulige hypoteser, eller antakelser vi har. Et eksempel på en hypotese kan være at kjøttmeisen gjemmer mat på faste steder, og at den henter maten fra disse gjemmestedene om vinteren. Et annet eksempel på en hypotese er at vannloppene i akvariet blir færre fordi maten tar slutt. Vi tester hypotesene ved hjelp av observasjoner. Dersom observasjonene våre stemmer med antakelsen vår, hypotesen, styrker det hypotesen. Dersom observasjonene ikke stemmer med hypotesen, kan det bety at hypotesen ikke er riktig og må forkastes. Observasjoner I undersøkelsene vi gjør, er det viktig at vi sørger for systematiske observasjoner. Vi kan for eksempel videofilme en kjøttmeis mens den leter etter mat, og registrere nøyaktig hvor den finner mat. Vi kan observere hvordan antallet vannlopper endrer seg ved å ta vannprøver og ved å telle antallet individer i prøvene. Vi kan måle ved hjelp av instrumenter og samle data om næringsinnholdet, oksygeninnholdet og andre fysiske forhold i akvariet. Å samle data er altså det samme som å gjøre observasjoner. Observasjonene eller dataene vi samler, må systematiseres. Framstillinger i tabeller og diagrammer gjør det ofte lettere å se sammenhenger i datamaterialet.

7 kapittel 1 Eksperimenter Ofte må vi gjennomføre eksperimenter for å kunne gjøre de observasjonene vi trenger. Vi utfører eksperimenter for å skaffe oss observasjoner under forhold som vi selv bestemmer og kontrollerer. Vi tenker oss et eksperiment der vi skal undersøke hvilken betydning næringstilgangen har for vannloppene. Vi velger å bruke fire akvarier, med like mange vannlopper i hvert av dem. Næringsmengden i akvariene er forskjellig. Vi samler data (observerer) og finner ut hvordan individantallet utvikler seg i akvarier med ulike næringsmengder. Det er næringsmengden som er parameteren i eksperimentet vårt. Vi må være sikre på at de forskjellene vi observerer, skyldes at vi varierer denne parameteren, og ikke noe annet. Derfor er det viktig at de andre forholdene i akvariet, som temperatur og lysforhold, er helt like. Vi må også sørge for at avfallsstoffene ikke hoper seg opp i akvariene. Vi varierer altså én parameter, næringsmengde, mellom ulike akvarier, mens de andre forholdene holdes likt hele tiden. Vi kan også utføre et eksperiment for å se på effekten av for eksempel oksygeninnholdet på antallet vannlopper i akvariet. Da velger vi oksygeninnholdet som parameter. Nå er det oksygeninnholdet vi varierer mellom akvariene, de andre forholdene holdes helt likt i alle akvarier. Sikre observasjoner Det kan være vanskelig å telle alle vannlopper i akvariet. Det ville ta lang tid, og hvordan måtte det i så fall foregå i praksis? For å finne ut hvor mange vannlopper det er i akvariet, tar vi en vannprøve på for eksempel 100 milliliter. Vi teller antallet individer i prøven. Hvis akvariet er på 100 liter, kan vi gange antallet vi telte i vår prøve, med Da får vi et Vi finner antallet vannlopper i et akvarium ved å telle antallet individer i en vannprøve av en kjent størrelse.

8 naturvitenskap og naturfag omtrentlig tall på mengden av vannlopper i akvariet. Men er vi sikre på at det antallet vi har kommet fram til ved å gange med 1000, ligger nær opp til det virkelige antallet vannlopper i akvariet? Hva om vannloppene i akvariet «klumper seg»? Da fikk vi kanskje med oss for mange eller for få vannlopper i prøven vår. Vi må altså først forsikre oss om at prøven vi tar, er en representativ prøve. For å være sikker på at tilfeldighetene ikke spiller oss et puss, kan vi ta flere vannprøver. Når vi tar gjennomsnittet fra flere prøver, kan vi redusere risikoen for at vi ved en tilfeldighet har fått et for lavt eller for høyt antall. Feil og usikkerhet Når vi gjør observasjoner, kan det oppstå feil. Det kan være en tilfeldig feil, for eksempel fordi vi teller feil eller leser av en feil verdi på et måleinstrument. Ved feil bruk av et måleinstrument kan vi få feil verdier. Når et instrument vi bruker, ikke er riktig innstilt, får vi en feil i alle de målingene vi gjør. Vi snakker da om en systematisk feil. Mange ganger vet vi at vi gjør feil. Når vi vet at det er snakk om små feil som ikke vil få betydning for det endelige resultatet, kan vi se bort fra dem. I enhver undersøkelse bør det være med en vurdering av mulige feilkilder og av den betydningen de kan ha for resultatet. Usikkerhet i målinger er ikke det samme som feil. Det vil alltid være en usikkerhet i alle målinger vi gjør, selv om det ikke er feil. La oss anta at vi vil gjøre nøyaktige målinger av temperaturen i en væske i en kolbe. Vi bruker et digitalt termometer som gir oss måleverdier med to desimaler, altså to siffer etter komma. Fem målinger gir følgende resultat i grader celsius: Måling nr Målt temperatur i o C 11,26 11,20 11,22 11,21 11,25 Vi regner ut gjennomsnittsverdien: (11, , , , ,25): 5 = 11,228 Vi runder av til 11,23. Hvor stor er usikkerheten i denne verdien? Et mål for usikkerheten er hvor stort avvik det er mellom gjennomsnittsverdien og de verdiene som ligger lengst fra gjennomsnittsverdien. Forskjellen mellom den største verdien og den minste verdien vi har målt, er 11,26 11,20 = 0,06. Halvparten er 0,03. Når vi oppgir måleverdien vår, kan vi oppgi dette som et mål for usikkerheten: Den målte verdien er 11,23 ± 0,03

9 10 kapittel 1 Hvor stor usikkerhet vi kan akseptere, er avhengig av hva vi måler, og med hvilken hensikt. Måler vi avstanden fra jorda til månen og finner at usikkerheten dreier seg om noen centimeter, regner vi denne usikkerheten som svært liten. Men får vi en usikkerhet på flere centimeter når vi måler lengden av et bord, er usikkerheten altfor stor til at vi kan akseptere den. Får vi et måleresultat som avviker mye fra de andre, kan det tyde på at vi har gjort en feil. Da bør vi kontrollere ved å gjøre flere målinger. Å måle med samme mål Tidligere var det vanlig å oppgi lengde eller avstand i fot. Det er fortsatt vanlig å bruke denne lengdeenheten for båter og for flyhøyde i luftfarten. Opprinnelig svarte en fot til lengden av foten til en voksen mann. En fot ble delt inn i tolv tommer. Men fotlengden varierer som kjent, og derfor ble målenheten fot satt til 31,375 cm. I Storbritannia og USA ble det imidlertid bestemt at en fot skulle være 30,48 cm. I en verden med stadig økende kontakt var dette uholdbart. Derfor ble meter (m) innført som internasjonal enhet for lengde. Tilsvarende er det innført internasjonale målenheter for tid, masse og temperatur. Størrelse Internasjonal enhet Forkortelse lengde meter m masse kilogram kg tid sekund s temperatur kelvin K

10 naturvitenskap og naturfag 11 Modeller av virkeligheten Når vi studerer naturen, oppdager vi hvor sammensatt ting kan være, og hvor vanskelig det er å forstå alt. Vil vi danne oss et bilde av den sammensatte virkeligheten, kan en modell være til hjelp. Modeller er alltid en forenkling av virkeligheten. Vi utelater detaljer som vi ikke trenger eller ikke er sikre på. Modeller har derfor begrensninger. Mange av figurene og beskrivelsene i denne boka er modeller av virkeligheten. Digitale simuleringer av naturfaglige fenomener bruker også modeller. En skjematisk modell av et atom.

11 12 kapittel 1 Oppgaver 1 Vi tenker oss at klassen har fått i oppdrag å avgjøre hvor lang en alen skal være. Hvordan vil dere gå fram? 2 Hva er den minste temperaturforskjellen du klarer å registrere ved å stikke hånden ned i vann med ulike temperaturer? Har temperaturen på vannet noe å si for temperaturforskjellen du klarer å registrere? Hvordan ville du legge opp en undersøkelse som kan gi svar på disse spørsmålene? 3 Sett strek mellom det som hører sammen. lengde K usikkerhet temperatur en fot forenkling av virkeligheten 30,48 cm tolv tommer modell en fot meter ikke det samme som feil

12 naturvitenskap og naturfag 13 4 Vi tenker oss at fire elevgrupper skal forsøke å finne ut hvor mange vannlopper det er i et akvarium. Akvariet er på 200 liter. Tabellen viser hvordan gruppene gikk fram, og hvilke resultater de fant. Kommenter arbeidet til hver av gruppene. Gruppe Framgangsmåte Antall prøver Prøvestørrelse Antall individer i prøven(e) Beregning av antall individer i akvariet I Prøver fra ulike steder i akvariet ml 40, 72, 47 ( ) : 3 = = II Prøver fra ulike steder i akvariet ml 31, 28, 18, 40, 22 ( ) : 5 =27,8 27, = III Prøver fra overflaten ml 35, 41, 30, 40, 38 ( ) : 5 = 36,8 36, = IV Prøver fra ulike steder i akvariet ml 34, 20, 29, 41, 17 ( ) : 5 = 28,2 28,2 200 = Sett ordene på riktig plass: forstørret protonene kuler modeller kjernen elektronskall Vi tegner ofte av atomer. I en atommodell er ofte markert med plusstegn og plassert i midten av atomet, i. Elektronene er tegnet som små prikker på sirkler rundt kjernen. Sirklene skal illustrere. Modellen er kraftig i forhold til virkeligheten. På modellen ser atomene ut som flate sirkler, mens de i virkeligheten kan sammenlignes med små.

13 14 kapittel 1 6 Gjør ferdig begrepskartet. Figurer Hva er det? Egenskaper Begrepet Eksperimenter Eksempler

14 naturvitenskap og naturfag 15 7 a Er fargen i det midtre feltet lik i begge ender? Dekk ytterfeltene med papir. Hvordan ser det midtre feltet ut nå? b Klarer du å se både ansiktene og vasen? c Når du ser på dette bildet, vil hjernen din fylle ut den manglende informasjonen slik at du ser en firkant selv om sidene mangler. d Hvilken av de vertikale linjene er lengst?

15 16 kapittel 1 8 Svaralternativ Rett svar Hva gjør en A B C A B C Botaniker studerer bier studerer fisker studerer planter Astronom skriver horoskop studerer verdensrommet er en astrolog Geolog studerer jordskorpa kartlegger gener studerer verdensrommet Arkeolog daterer gamle funn jobber på et arkiv tegner hus Zoolog studerer blåveis studerer dyr studerer alger Glasiolog studerer galakser studerer isbreer studerer fjell Fysiolog masserer vonde muskler studerer fysikk studerer hvordan kroppen virker Meteorolog melder været studerer meteorer studerer metropoler Toksikolog jakter på giftstoffer lager medisiner lager E-stoffer Radiograf lager grafer tar røntgenbilder bruker radiobølger Farmasøyt lager turbiner lager fargestoffer lager medisin Astrolog er en astronom skriver horoskop studerer verdensrommet

16 naturvitenskap og naturfag 17 Nett- og gruppeoppgaver Nettressurser til flere av disse oppgavene finner du på 9 Temperaturskalaer Temperatur oppgis vanligvis i grader celsius. I noen land bruker de grader fahrenheit. Etter det internasjonale SI-systemet skal vi bruke målenheten kelvin. Finn ut litt om hver av disse måleenhetene og om sammenhengen mellom dem. 10 Måleenheter a b c d Hvor stort er et mål? Hvor stor er en favn? Hvor mye er en gallon? Finn flere eksempler på gamle måleenheter som fortsatt er i bruk. 11 Reklame I reklamen vises det ofte til såkalte vitenskapelige undersøkelser for å overbevise kjøperen om hvor fortreffelig et produkt er. Finn eksempler på dette blant ulike produkttyper. Forslag til korte foredrag Historien til en av enhetene i SI-systemet Gamle måleenheter Prefikser Naturvitere i arbeidslivet Aristoteles Galileo Galilei Placeboeffekt

17 18 kapittel 1 Forsøk KOPPER Utstyr: Termometer Varmt vann Du har fått i oppgave å arrangere fotballturnering. Under denne fotballturneringen skal det selges varme drikker. Før du går til innkjøp av kopper, bestemmer du deg for å undersøke hvilke kopper du bør kjøpe inn. Du ønsker at koppene skal holde drikken varm lengst mulig. Hvordan vil du gå fram for å undersøke det? Ulike kopper (pappbeger med og uten hank, isoporbeger, plastkopp osv.) Gjennomfør forsøket. Hvilken kopp egner seg best? Til videre arbeid: Tenk deg at du får i oppgave å konstruere en super kopp. Hvordan vil den se ut?

18 naturvitenskap og naturfag 19 VI SER PÅ BLADCELLER I LYSMIKROSKOPET Utstyr: Lysmikroskop Hensikten med denne øvelsen er å bli kjent med hvordan lysmikroskopet er bygd opp og virker. Vi skal lære å lage et mikroskopipreparat. Vi skal se på celler som inneholder kloroplaster. Det er i slike celler fotosyntesen foregår. Objektglass Dekkglass Dråpeteller Pinsett Fagermose

19 20 kapittel 1 1 Se på mikroskopet. Finn alle delene som er navngitt på figuren. 2 Slå på lyset til mikroskopet. Drei på revolveren til det minste objektivet peker nedover. Du kjenner et klikk når objektivet er på plass. Se gjennom okularet og vri på blenderen. Du ser at du kan regulere lysstyrken. 3 Lag et vannpreparat av et moseblad slik figuren nedenfor viser. Vann utenfor dekkglasset kan du tørke bort med et stykke tørkepapir. Har du for mye vann under dekkglasset, kan du få sugd opp noe ved å stikke et stykke tørkepapir inntil kanten av dekkglasset. 4 Legg objektglasset med vannpreparatet på objektbordet med dekkglasset og bladet rett over hullet i objektbordet. Det minste objektivet skal fortsatt peke nedover. Begynn alltid undersøkelsene gjennom mikroskopet med det minste objektivet! 5 Se på bladet gjennom mikroskopet. Flytt på objektglasset til bladet ligger midt i synsfeltet. For å få et skarpt bilde må du skru objektbordet ned eller opp ved hjelp av grovinnstillingsskruen. Vær forsiktig når du skrur objektbordet oppover, slik at objektivet ikke berører dekkglasset. 6 Du får et helt skarpt bilde ved å skru på fininnstillingsskruen. Finn en passende lysstyrke ved å skru på blenderen. Hva ser du? Kan du se om bladet har tenner og annerledes celler i bladkanten? Kan du se hva som gir bladet grønnfarge? 7 Utenpå okularet står det hvor mange ganger det forstørrer. På siden av objektivet står det hvor mange ganger objektivet forstørrer. For å finne ut hvor mye bladet er forstørret, ganger du de to verdiene med hverandre. Hvor mange ganger er preparatet ditt forstørret?

20 naturvitenskap og naturfag 21 8 Når bladet er midt i synsfeltet og bildet er skarpt, kan du forstørre mer ved å dreie revolveren til det neste objektivet er på plass. Du må ikke endre på grovinnstillingen, men du vil se at du må justere litt med fininnstillingen. Du kan også justere lysstyrken. Hvor mange ganger er bladet forstørret nå? Kan du se strukturer som du ikke så ved den minste forstørrelsen? Se også på bladranden. 9 Forstørr så mye som mulig. Hvor mange ganger er bladcellene forstørret nå? Kan du se cellevegg, cellekjerne og kloroplaster?

21

22 2 Energi fra kjemiske reaksjoner 2.1 Redoksreaksjoner 2.2 Forbrenning 2.3 Elektronoverføringer 2.4 Elektrokjemiske reaksjoner Dette kapitlet handler om hvordan vi kan hente energi fra kjemiske reaksjoner, og om hvordan vi kan lagre energi i kjemiske forbindelser. For å skaffe oss viten om dette trenger vi grunnleggende kjemikunnskap. Eksempler på spørsmål vi skal finne svar på i dette kapitlet, er: Hva er redoksreaksjoner? vi bruker som brennstoff? forbindelser? Hva er elektrolyse? Hva vil det si at noe brenner? Hvordan er energien lagret i de kjemiske forbindelsene På hvilke måter kan vi utnytte energien i kjemiske Hvordan virker batterier, og hvordan virker brenselceller?

23 24 kapittel 2 Take away energy Vi har vent oss til å ta med oss den energien vi trenger nesten hvor vi vil. Med batterier får vi strøm langt unna nærmeste stikkontakt, maten vi tar med oss, gir kroppen det påfyllet av energi vi måtte trenge, og med drivstoff på tanken har vi energi som gjør at vi kan forflytte oss langt og raskt uten store anstrengelser. Vi kan hente ut energien som er lagret i batterier, i maten og i drivstoffet på tanken når som helst og hvor som helst. Hemmeligheten bak dette er kjemiske reaksjoner som settes i gang når vi tar ut energien. Når du slår på mobiltelefonen, starter en kjemisk reaksjon i batteriet som gir fra seg energi i form av elektrisk strøm. Når du slår av telefonen, stopper reaksjonen. Når du spiser mat, er det kjemiske reaksjoner i cellene dine som henter ut den energien som cellene trenger. Forbrenning av bensin er en kjemisk reaksjon som avgir energi. Men energien vi tar ut, må komme et steds fra, den må ha blitt lagret. Også det skjer gjennom kjemiske reaksjoner. Hvordan kan energi lagres gjennom kjemiske reaksjoner? Forskere over hele verden er på jakt etter nye måter å lagre energi på. Mange leter også etter nye måter å utnytte energien fra kjemiske reaksjoner på. Hvor langt har de kommet? Vil de noen gang finne opp et batteri som du ikke trenger å lade opp? Hvordan vil den nye energiteknologien påvirke vår hverdag?

24 energi fra kjemiske reaksjoner Redoksreaksjoner Eksempler på redoksreaksjoner er jern som ruster, sølv og messing som blir blankt og fint når vi pusser det, batteriet i mobiltelefonen som lades opp, hår som bleikes, og mat som blir bedervet. Mange av de kjemiske reaksjonene i kroppen vår er også redoksreaksjoner. Ved noen av redoksreaksjonene avgis energi. Det er redoksreaksjoner som gir oss varme fra ved som brenner, energien fra bensin, elektrisk energi fra batterier og energien fra maten vi spiser! Ordet redoks kommer av reduksjon og oksidasjon. Ved redoksreaksjoner er det alltid et stoff som blir oksidert, og et stoff som blir redusert. Før ble begrepet oksidasjon brukt når et stoff bandt seg til oksygen, og reduksjon når oksygen ble fjernet fra et stoff. I dag brukes begrepene oksidasjon og reduksjon for alle kjemiske reaksjoner der elektroner overføres fra ett stoff til et annet stoff. Elektronet har negativ ladning, og et stoff som tar opp elektron(er), blir mer negativt ladd. Stoffet får altså redusert sin ladning. Vi sier at stoffet blir redusert. Stoffet som gir fra seg elektron(er), får mindre negativ ladning. Vi bruker fortsatt oksidert som det motsatte av redusert, og sier at stoffet som avgir elektroner, blir oksidert. I redoksreaksjoner blir elektroner overført fra ett atom til et annet. Et stoff som tar opp elektroner, blir redusert. Et stoff som avgir elektroner, blir oksidert. Vi skal se spesielt på redoksreaksjoner som avgir energi. De kan avgi energi på ulike måter: 1 Vi snakker om forbrenning når det meste av energien fra redoksreaksjonen avgis som varme. 2 Vi snakker om elektrokjemiske reaksjoner når elektronoverføringene kan gi en elektrisk strøm. Elektrokjemiske reaksjoner kan også gå motsatt vei, men krever da tilførsel av energi. 2.2 Forbrenning Kroppens energibehov dekkes gjennom forbrenning av energirike forbindelser. Store deler av samfunnets behov for energi dekkes også gjennom forbrenning av energirike forbindelser. Ved forbrenning reagerer et stoff med oksygen. Alle stoffer som reagerer med oksygen, avgir energi. I forbrenningsprosessene avgis det meste av energien til omgivelsen som varme. Et stoff som brenner, reagerer med oksygen. Det nye stoffet som dannes, er et oksid. Det frigjøres energi under reaksjonen.

25 26 kapittel 2 Grillkull består av nesten rent karbon. Når grillkull brenner, dannes det karbondioksid, og det avgis varme. Forbrenning av karbon kan skrives slik: C + O 2 g CO 2 + energi Når metallet magnesium brenner, dannes det et hvitt pulver, magnesiumoksid (MgO): 2 Mg + O 2 g 2 MgO + energi Når ved brenner, reagerer både karbonet og hydrogenet i veden med oksygen i lufta. Det dannes karbondioksid og dihydrogenoksid (vann): C + O 2 g CO 2 + energi 2 H 2 + O 2 g 2 H 2 O + energi For at en forbrenningsreaksjon skal starte, må stoffets temperatur være høy nok (tenntemperaturen). I fyr og flamme For at en forbrenning skal starte, må noe av stoffet varmes opp til stoffets tenntemperatur. En flamme fra en enkelt fyrstikk kan være nok til å tenne opp et vedbål. Når forbrenningen har startet, kan vi ta bort fyrstikken. Forbrenningsreaksjonen gir fra seg den varmen som trengs for opptenning av mer av det brennbare materialet. Det er som en stein som har fått et puff og deretter ruller av seg selv nedover fjellsiden.

26 energi fra kjemiske reaksjoner 27 Tenntemperaturen for ulike stoffer varierer og er også avhengig av fuktigheten. Noen organiske løsemidler, for eksempel aceton og white spirit, kan antennes ved lav temperatur, og kluter med slike løsemidler må oppbevares i spesialbeholdere som kan tåle eventuell selvantennelse. En liten gnist kan være nok til å antenne tørt strå og være begynnelsen på en stor brann. For at en forbrenningsreaksjon skal kunne fortsette, må det være nok av det brennbare stoffet, og det må være oksygen til stede. For å slukke en brann eller hindre en brann i å spre seg, gjelder det derfor først og fremst 1 å hindre at mer av det brennbare materialet tar fyr. Temperaturen må ikke nå opp til materialets tenntemperatur. Ved at man sprøyter på vann, kan temperaturen holdes nede. 2 å hindre at oksygen kommer til. En begynnende brann innendørs kan slukkes med et teppe. CO 2 -pulver fra et brannslukningsapparat legger seg som et lokk over brannen og kan kvele en mindre brann. 3 å fjerne det brennbare materialet. For å stoppe store skogbranner hugges skogen ned i brede gater. Når brannen når fram dit, er det ikke noe brennbart materiale, og brannen slukner. Eksempler på tenntemperaturer. Å tenne noe er å sørge for at noe av det brennbare materialet varmes opp til tenntemperaturen.

27 28 kapittel 2 Skogbrann i Portugal. I produsentenes klorofyllkorn bindes og lagres solenergi. Energien kan frigjøres senere gjennom forbrenning. Energi fra sola Alt brennstoff vi bruker (ved, olje, gass, karbohydrater, fett i maten osv.), er kjemiske forbindelser som avgir mye energi når de reagerer med oksygen. Energien som er lagret i alle disse molekylene, kommer opprinnelig fra sola. Det er produsentene (de grønne plantene) i jordas økosystemer som står for oppbyggingen av de energirike organiske forbindelsene. Selve lagringen av solenergi skjer i klorofyllkornene i plantenes grønne deler. Prosessen kalles fotosyntese. Utgangspunktet for fotosyntesen er karbondioksid (CO 2 ) og vann (H 2 O). Ingen av disse molekylene er energirike. For å få dem til å reagere med hverandre trengs det energi. Energien kommer fra sollyset. Det energirike molekylet som bygges opp i fotosyntesen, er druesukker (glukose). Reaksjonsligningen for fotosyntesen kan skrives slik: 6 CO H 2 O + solenergi g C 6 H 12 O O 2 Karbondioksid + vann + solenergi g druesukker + oksygen

28 energi fra kjemiske reaksjoner 29 Druesukkeret er energikilden for alle energikrevende prosesser i plantene. Plantene kan lage andre energirike forbindelser av druesukker. Når plantene produserer mer energirike forbindelser enn de trenger umiddelbart, kan overskuddet lagres i for eksempel frø eller røtter. Dyr og mennesker er avhengige av produsentene for å få energi. Alt liv på jorda er avhengig av energien som produsentene lagrer i druesukkermolekylene. Olje og gass er rester av liv på jorda for millioner av år siden. Gjennom en kjemisk reaksjon, fotosyntesen, som fant sted for millioner av år siden, ble energien fra sollyset lagret i druesukkermolekyler og andre energirike forbindelser. De energirike molekylene er blitt omdannet i årenes løp, men solenergien som ble lagret den gangen, er der fortsatt! Produsentene lagrer solenergi som kjemisk energi i organiske forbindelser. Ved forbrenning omdannes denne energien, blant annet til varme. Kjemiske forbindelser som bærere av solenergi. Forbrenning i cellene Lufta vi puster ut, inneholder mer karbondioksid og vanndamp enn den lufta vi puster inn. Det viser at det skjer en forbrenning i kroppen. Ved forbrenningen i kroppens celler er det de energirike organiske forbindelsene i maten som reagerer med oksygen. Energien som avgis ved forbrenningen, brukes av cellene til energikrevende prosesser. I de energikrevende prosessene omdannes etter hvert all energi til varme. Forbrenningen i cellene skjer ved lave temperaturer. Det sørger spesielle enzymer for. Enzymer er biologiske katalysatorer som bidrar til at reaksjonene går lettere. Enzymene blir ikke selv forbrent. Enzymer sørger for at forbrenningsprosessene i cellene kan foregå ved kroppstemperatur.

29 30 kapittel 2 Reaksjonsligningen for forbrenning av druesukker (glukose) kan skrives slik: C 6 H 12 O O 2 g 6 CO H 2 O + energi Druesukker + oksygen g karbondioksid + vann + energi Fullstendig og ufullstendig forbrenning Når vi brenner karbon eller karbonforbindelser, kan det skje to ting: 1 Når det er nok oksygen til stede, er forbrenningen fullstendig, og det dannes karbondioksid (CO 2 ). 2 Når det er lite oksygen, er forbrenningen ufullstendig, og det dannes karbonmonoksid (CO). Det blir frigjort mest energi ved fullstendig forbrenning. Ved forbrenningsprosessene i cellene er det også to muligheter: a) Fullstendig forbrenning av karbon b) Ufullstendig forbrenning av karbon 1 Druesukker reagerer med oksygen. Etter en rekke delreaksjoner dannes CO 2 og H 2 O, og det avgis energi. Prosessen er aerob, og forbrenningen er fullstendig. 2 Når oksygen ikke er tilgjengelig, kan druesukkermolekylet omdannes til melkesyre. Noen celler, for eksempel gjærceller, kan omdanne druesukkeret til etanol og CO 2. Bare en liten del av energien i druesukkermolekylet blir frigitt. Prosessen er anaerob, og forbrenningen er ufullstendig. Cellenes energiutbytte er mye større når prosessen er aerob enn når den er anaerob. Kullosforgiftning Karbonmonoksid, eller kullos (CO), er en fargeløs og luktfri gass. Den dannes når karbon forbrennes ufullstendig. Det kan skje når en legger en vedkubbe i ovnen eller peisen og stenger nesten helt for lufttilførselen.

30 energi fra kjemiske reaksjoner 31 Mange tilfeller av kullosforgiftning skyldes fyring uten tilstrekkelig gjennomtrekk. Bileksos inneholder også kullos, og innånding av bileksos, for eksempel i en lukket garasje, kan føre til kullosforgiftning. Fordi gassen er luktfri, er det vanskelig å merke noe til forgiftningen før det er for sent. Karbonmonoksid binder seg til hemoglobinet i blodet vårt og hindrer dermed blodet å frakte oksygen fra lungene til cellene rundt omkring i kroppen. Hvis en puster inn luft som inneholder 1 % karbonmonoksid, kan en dø etter få minutter. Renere bileksos Temperaturen i en flamme. Bensin er en blanding av ulike karbonforbindelser (hydrokarboner). Ved forbrenning av bensin i for eksempel en bilmotor, er det viktig at motoren er justert riktig slik at forbrenningen er så fullstendig som mulig. Alle nyere biler har dessuten en katalysator i eksosanlegget. Katalysatoren sørger for en mer fullstendig forbrenning. Det gir mindre utslipp av CO. Katalysatoren sørger også for en fullstendig forbrenning av hydrokarbonrester (HC). Myndighetene har satt øvre grenseverdier for innholdet av CO og HC i avgassene fra bilmotorer. Vi kan se på flammen til en gassbrenner om forbrenningen er fullstendig eller ufullstendig. Blå flamme viser fullstendig forbrenning. Gul flamme viser ufullstendig forbrenning. Gulfargen skyldes glødende sotpartikler som ikke er forbrent. Atomnummer De 116 grunnstoffene har hvert sitt atomnummer (se periodesystemet bakerst i boka). Atomnummeret forteller hvor mange protoner det er i atomkjernen. I et atom med nøytral ladning er det like mange protoner (positive ladninger) som elektroner (negative ladninger). For eksempel har et atom av grunnstoff nr. 2, helium, to protoner og to elektroner. Grunnstoff nr. 8, oksygen, har 8 protoner og 8 elektroner. (r) repetisjon

31 32 kapittel 2 (r) Elektronskall Elektronene kretser rundt atomkjernen. De er fordelt på elektronskall som svarer til energinivåer i atomet. Det er plass til to elektroner i det innerste skallet. Hydrogen (H) og helium (He) har bare ett elektronskall. De andre grunnstoffene har flere elektronskall. Det ytterste skallet kan maksimalt inneholde åtte elektroner. Grunnstoffet oksygen har atomnummer åtte. I det innerste skallet er det to elektroner, i det ytterste skallet er det seks elektroner. Elektronfordeling for neonatomet, oksygenatomet og kaliumatomet. repetisjon Periodesystemet I periodesystemet (se bakerst i boka) er grunnstoffene ordnet etter antallet elektronskall de har, og antall elektroner de har i det ytterste skallet. Grunnstoffer med samme antallet elektroner i ytterste skall er plassert i samme gruppe (de er plassert under hverandre). Grunnstoffer med samme antall skall er plassert i samme periode (de står ved siden av hverandre). Hvert grunnstoff som finnes, har på denne måten en plass i periodesystemet. Kjemiske egenskaper Grunnstoff nummer 9, fluor, reagerer lett med de fleste andre grunnstoffer. Neon derimot, som er grunnstoff nummer 10, reagerer ikke med andre grunnstoffer. De to grunnstoffene har helt ulike kjemiske egenskaper. Klor, grunnstoff nummer 17, har kjemiske egenskaper som ligner egenskapene til fluor. Argon, grunnstoff nummer 18, har kjemiske egenskaper som ligner egenskapene til neon. Hva er grunnen til at grunnstoffer har like eller ulike kjemiske egenskaper? Elektroner i ytre skall Når et atom støter mot et annet, kommer elektronene i de ytterste skallene i kontakt med hverandre. Det er spesielt antallet elektroner i det

32 energi fra kjemiske reaksjoner 33 ytterste skallet som bestemmer hvordan et atom vil reagere med andre atomer. Atomkjernen og de andre elektronene spiller en mindre rolle. Det betyr at ulike grunnstoffer med samme antall elektroner i ytre skall vil ha kjemiske egenskaper som ligner hverandre. Fluor og klor har begge sju elektroner i det ytterste skallet, mens neon og argon begge har åtte elektroner i det ytterste skallet. (r) Gruppene i periodesystemet Det er åtte hovedgrupper i periodesystemet. Grunnstoffene som tilhører samme gruppe, har samme antall elektroner i det ytterste skallet. De har derfor kjemiske egenskaper som ligner på hverandre. For eksempel har alle grunnstoffer i gruppe VII sju elektroner i det ytterste skallet, og de reagerer alle lett med andre stoffer. Oktettregelen Edelgasser i gruppe VIII består av enkeltatomer fordi atomene ikke binder seg til hverandre eller til atomer av andre grunnstoffer. Elektronfordelingen i edelgassene gir en spesielt stabil tilstand. Atomer til andre grunnstoffer vil, når de støter sammen med andre atomer, gjerne reagere slik at de får ytterskallet fullt av elektroner. Vi sier at de får edelgassstruktur. Som regel vil det da være åtte elektroner i ytterste skall. Vi kaller dette for oktettregelen, eller åtteregelen. Ioner Grunnstoffene til venstre i periodesystemet har få elektroner i ytterste skall. Slike atomer oppnår lett edelgasstruktur ved å gi fra seg elektronene i det ytterste skallet. Kalium (K) har ett elektron i det ytterste skallet. Når kalium reagerer med et stoff i gruppe VII, som har sju elektroner i ytterskallet, vil kalium gi fra seg det ene elektronet. Da får kalium ett skall mindre, men i skallet som nå er ytterst, er det åtte elektroner. Kaliumatomet har fått edelgasstruktur. I atomet er det nå bare 18 elektroner, mens antallet protoner fortsatt er 19. Det betyr at det er 18 negative ladninger og repetisjon Et kaliumatom blir til et kaliumion.

33 34 kapittel 2 (r) 19 positive ladninger. Kaliumatomet har altså fått en netto positiv ladning på 1+. Oksygen, som har seks elektroner i ytre skall, vil få edelgasstruktur hvis det tar opp to elektroner fra et stoff det reagerer med. Da har oksygenatomet fått en ladning på 2. Ladde atomer eller atomgrupper kalles ioner. I eksemplene ovenfor er det dannet et kaliumion og et oksidion. Vi skriver K + og O 2. repetisjon Et oksygenatom blir til et oksidion. kontrolloppgaver Avsnitt 2.1 og 2.2: 1 Forklar hva som skjer ved reduksjon og oksidasjon. 2 Gi eksempler på ulike forbrenningsreaksjoner. 3 Hvordan kan vi slukke en brann eller hindre at den sprer seg? 4 Hva skjer i fotosyntesen? 5 Hva er forskjellen på ufullstendig og fullstendig forbrenning? 6 Forklar begrepene elektronskall og oktettregelen. 7 Gi eksempler på ulike ioner. 2.3 Elektronoverføringer Reaksjonen mellom natrium og klor Varmer vi opp en bit av metallet natrium sammen med klorgass, får vi en så kraftig kjemisk reaksjon at det flammer opp. Etter reaksjonen er det dannet et hvitt stoff. Det hvite stoffet er koksalt (natriumklorid). Hva skjer når natrium og klor reagerer med hverandre? Natrium vil få edelgasstruktur dersom det kan kvitte seg med elektronet i det ytterste skallet. Klor vil få edelgasstruktur dersom det kan ta opp et ekstra elektron i det ytterste skallet. Det skjer en elektronoverføring fra natrium til klor. Vi får dannet natriumioner (Na + ) og kloridioner (Cl ). Begge ioner får edelgasstruktur. Natrium blir oksidert, og klor blir redusert.