Stoffer og materialer i fysik/kemi i 7.–9. klasse

Hvad kan et materiale, og hvorfor?

Fagplanudkastets område stof og stofegenskaber forbinder undersøgelser af stoffers fysiske og kemiske egenskaber med valg af stoffer i et miljømæssigt og etisk perspektiv. Arbejdet tager udgangspunkt i materialer og fænomener, eleverne kender fra hjemmet og naturen. Se side 9.

Et materialevalg kræver, at man ved, hvad materialet skal bruges til. En bestemt egenskab kan være nyttig i ét produkt og mindre egnet i et andet. Eleverne skal kunne forbinde deres vurdering med oplysninger om egenskaberne frem for blot at foretrække et materiale, de kender.

Observationer og partikelmodeller

Udkastet beskriver praktisk arbejde med egenskaber på makroniveau og modelarbejde på mikroniveau. Det betyder her, at eleverne både arbejder med det, de kan observere, og med molekylære forklaringer. Illustrationer og mundtlige forklaringer indgår. Se side 9.

En observation og en model har forskellige roller. En elev kan beskrive en ændring i et materiale og derefter bruge en model til at forklare den. Modellen er ikke en direkte observation af molekylerne. Det bør fremgå, hvad eleven har set, og hvad modellen skal forklare.

Hvilke egenskaber og begreber er med?

Indholdet omfatter sammenhænge mellem varmeudveksling, partikelbevægelse og temperatur. Tilstandsformer, faseovergange, kogepunkt, smeltepunkt og densitet skal belyses med partikelmodeller. Se side 9 og fortsættelsen på side 10.

Kemiske analyser, reaktioner, hverdagsprodukter, opløselighed og blandinger er også nævnt. Molekylers opbygning og reaktioner beskrives med blandt andet streg- og prikformler og reaktionsligninger. Materialeegenskaber omfatter ledeevne, brændbarhed og nedbrydelighed. Se side 10.

Listen beskriver undervisningens indhold. Den er ikke en opfordring til at blande, opvarme eller antænde produkter hjemme. Konkrete undersøgelser skal foregå inden for lærerens planlagte sikkerhedsrammer.

De følgende forklaringer bruger OpenStax’ lærebog Chemistry 2e fra Rice University som faglig baggrund. Vi har valgt eksemplerne til denne guide; de er ikke officielle opgaver eller krav om bestemte stoffer, formler eller forsøg i en bestemt årgang.

Varme er overførsel, temperatur er en tilstand

Når en varm genstand er i kontakt med en koldere, overføres der samlet set energi fra den varme til den kolde. Denne energioverførsel kaldes varme. Temperaturen fortæller noget andet: Den hænger sammen med partiklernes gennemsnitlige bevægelsesenergi. Ved opvarmning uden reaktion eller faseovergang stiger temperaturen, og partiklerne bevæger sig mere. I et fast stof vibrerer de omkring deres pladser. Læs OpenStax om energi, temperatur og varme.

Forestil dig en varm ske, der lægges i køligere vand. Skeen afgiver energi, mens vandet modtager energi. I en model med kun ske og vand fortsætter den samlede overførsel, indtil de har samme temperatur. I virkeligheden kan også koppen og luften udveksle energi med dem. Derfor kan vi ikke beregne sluttemperaturen alene ud fra, at skeen føles varm.

Når is smelter, er molekylerne stadig vand

Et fast stof har en bestemt form. En væske kan flyde og tage form efter beholderen; en gas kan brede sig ud i hele beholderens rum. I partikelmodellen er partiklerne i et fast stof bundet til pladser, som de vibrerer omkring. I væsken kan de flytte sig mellem hinanden. I gassen er afstanden mellem dem langt større. Se OpenStax om tilstandsformer.

Smeltning er overgangen fra fast stof til væske, og frysning går den modsatte vej. Ved fordampning forlader molekyler væsken som gas; ved kondensation bliver gas til væske. Vandets molekyler er H₂O både i is, flydende vand og vanddamp. Faseovergangen ændrer deres indbyrdes orden og bevægelsesmuligheder, ikke vand til hydrogen og oxygen. Se OpenStax om faseovergange.

En idealiseret opvarmning af rent vand ved normalt atmosfæretryk kan læses sådan: Is varmes op til omkring 0 °C. Under smeltningen kan der tilføres energi, mens temperaturen bliver ved omkring 0 °C. Energien ændrer da bindingerne mellem molekylerne i isens struktur. Når al is er smeltet, kan vandets temperatur stige videre. Omkring 100 °C koger vandet; under kogningen går tilført energi til overgangen til gas. Temperaturen stiger altså ikke hele vejen. Smeltepunkt og kogepunkt gælder under bestemte betingelser, og især kogepunktet afhænger af trykket.

Det giver et konkret spørgsmål til en temperaturkurve: Betyder et vandret stykke, at der ikke blev tilført energi? Under en faseovergang kan svaret være nej. Kurvens akser og forsøgets betingelser skal med i forklaringen.

Densitet: Hvor meget masse er der i samme rumfang?

Densitet er masse divideret med rumfang, for eksempel i g/cm³. En større klump af samme ensartede stof har mere masse og større rumfang, men ikke af den grund en større densitet. I en partikelmodel afhænger densiteten både af partiklernes masse og af, hvor tæt de er fordelt. Det er derfor ikke nok at tælle prikker på to tegninger, hvis prikkerne forestiller forskellige slags partikler. Se OpenStax om målinger og densitet.

I vores opdigtede regneeksempel har prøve A massen 24 g og rumfanget 8 cm³. Densiteten er 24 / 8 = 3 g/cm³. Prøve B har massen 40 g og rumfanget 20 cm³, altså 40 / 20 = 2 g/cm³. B har størst masse, men A har størst masse pr. cm³. Tallene identificerer ikke virkelige materialer. Ved en virkelig sammenligning skal man blandt andet kende prøvernes temperatur og vide, om rumfanget omfatter hulrum.

Et rent stof og en blanding er forskellige ting

Et grundstof består af én slags atomer. En kemisk forbindelse består af flere grundstoffer i et bestemt forhold; vandets H₂O angiver to hydrogenatomer for hvert oxygenatom. En blanding kan derimod indeholde stofferne i forskellige mængdeforhold. Sukkervand er en blanding, selv når sukkeret er opløst, og væsken ser ens ud overalt. Sådan en ensartet blanding kaldes en opløsning. Læs OpenStax om stoffer og blandinger.

At sukker opløses i vand er et eksempel på en fysisk ændring: Sukkerets kemiske identitet bevares. Molekylerne fordeles i vandet, så de enkelte sukkerkrystaller ikke længere kan ses. Ved en kemisk reaktion dannes der derimod andre stoffer. Rust på jern er et eksempel på en kemisk ændring. Se OpenStax om fysiske og kemiske egenskaber.

Opløselighed beskriver en grænse under bestemte betingelser. Når en opløsning er mættet med sukker, kan yderligere sukker blive liggende uopløst, selv efter omrøring. “Det opløses langsomt” og “der kan ikke opløses mere ved denne temperatur” er derfor to forskellige forklaringer. En hurtig observation afgør ikke, hvilken der passer. Læs OpenStax om opløselighed og mætning.

Prikformel og stregformel: Læs vandmolekylet

I en prikformel viser prikkerne elektroner i atomernes yderste skal. To prikker mellem to atomer kan vise et fælles elektronpar, altså en enkelt kovalent binding. I en stregformel erstatter en streg det fælles par. For vand kan man skrive H–O–H og supplere med to frie elektronpar ved O. Oxygen har seks elektroner i den yderste skal, og hvert hydrogen bidrager med én: I alt otte elektroner fordeles på to bindingspar og to frie par. Se OpenStax om Lewis-symboler og strukturer.

En enkel teksttegning af vandets prikformel er:

  ..
H:O:H
  ..

Kolonet mellem H og O viser et bindingspar. Prikkerne over og under O viser de frie par. Tegningen forklarer elektronregnskabet og forbindelserne, ikke molekylets mål eller rumlige form. Den lige tekstlinje betyder ikke, at et vandmolekyle er en lige kæde.

Reaktionsligningen holder styr på atomerne

Ved fuldstændig forbrænding af metan med oxygen dannes carbondioxid og vand. OpenStax bruger reaktionen til at forklare afstemning af ligninger. Den kan skrives CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O. Stofferne til venstre er udgangsstoffer, og dem til højre er produkter. Læs OpenStax om reaktionsligninger.

Atomtype	Før reaktionen	Efter reaktionen
C	1	1
H	4	2 × 2 = 4
O	2 × 2 = 4	2 + 2 × 1 = 4

To-tallet foran O₂ tæller hele oxygenmolekyler; det lille to-tal i O₂ tæller atomer i hvert molekyle. Når man afstemmer, ændrer man antallet af molekyler, ikke stoffernes formler. At skrive H₂O₂ i stedet for 2 H₂O ville beskrive et andet stof, ikke to vandmolekyler. Regnskabet viser, at atomerne bevares, selv om de nu indgår i andre forbindelser.

Ligningen alene fortæller ikke, hvor hurtigt reaktionen sker, eller hvilke forsøgsbetingelser der er sikre. Her bruges den kun som læse- og tælleeksempel, ikke som en vejledning til at antænde gas.

Organisk kemi handler ikke kun om levende ting

Metan er en organisk forbindelse og hører til kulbrinterne, som kun indeholder carbon og hydrogen. Organiske forbindelser kan både findes i naturen og fremstilles af kemikere. OpenStax nævner også plasttyperne polyethylen og polypropylen som kulbrinter. Ordet “organisk” fortæller altså ikke i sig selv, at et materiale nedbrydes hurtigt eller er et godt miljøvalg. Se OpenStax om kulbrinter.

Natriumchlorid, NaCl, er et eksempel på en uorganisk forbindelse fra hverdagen: Det er almindeligt køkkensalt. Det er en ionforbindelse med positive natriumioner og negative chloridioner. Formlen angiver forholdet én til én. Natriumhydrogencarbonat, NaHCO₃, er også en uorganisk forbindelse og kendes som natron. Her er der carbon i formlen. Man kan altså ikke afgøre hele skellet mellem organisk og uorganisk alene ved at lede efter bogstavet C. Se OpenStax om navne og hverdagsbrug af uorganiske forbindelser.

Se for eksempel forskellen mellem NaCl og NaHCO₃ på en ingrediensliste: Begge navne begynder med natrium, men formlerne viser forskellige sammensætninger. Det er ikke samme stof og ikke grundlag for at bruge produkterne i stedet for hinanden. I skolearbejdet kan eleven knytte et navn til en formel og derefter undersøge den relevante egenskab; navnet alene er ingen sikkerhedsvurdering.

Ledeevne, brændbarhed og nedbrydelighed

Ledeevne skal præciseres: Taler man om elektrisk strøm eller om varme? Metaller leder typisk begge dele godt. Brændbarhed er derimod en kemisk egenskab, fordi en forbrænding omdanner stoffet. En egenskab kan derfor ikke uden videre erstatte en anden i et materialevalg. Se OpenStax om egenskaber.

Biologisk nedbrydelighed handler om mikroorganismers nedbrydning af materialet under bestemte forhold. Den amerikanske miljømyndighed EPA skelner mellem biobaseret, biologisk nedbrydelig og komposterbar plast: At råvaren kommer fra planter, afgør ikke nedbrydningen. Komposterbar plast til et industrianlæg er heller ikke dermed egnet til en almindelig kompostbunke. Temperatur, fugt og tid har betydning. Læs EPA’s forklaring af plast og kompostering.

EPA-kilden bruges her til at forklare begreber, ikke danske sorteringsregler. Skal et produkt bortskaffes, må man følge den lokale affaldsordning og produktets dokumentation. En kort skoleafprøvning, hvor materialet ser uændret ud, kan ikke alene afgøre, om det er biologisk nedbrydeligt.

Eksempel: Vælg et materiale til en prototype

I vores opdigtede eksempel skal en holder holde et navnekort oprejst på et bord i 10 minutter. Gruppen har lavet en prototype af materiale A og en af materiale B. Materialerne er ikke bestemte produkter, og registreringerne nedenfor stammer ikke fra en virkelig afprøvning.

Registrering	Holder af A	Holder af B
Tid med navnekortet i holderen	10 minutter	1 minut
Observation i det angivne tidsrum	Kortet stod oprejst hele tiden	Kortet stod oprejst hele tiden
Registrering efter 10 minutter	Ja	Nej

Begge registreringer siger, at kortet stod oprejst, men kun A er fulgt i alle 10 minutter. B er hverken dokumenteret som bestået eller mislykket efter 10 minutter. Der mangler en registrering. Notaterne fortæller heller ikke, om holderne havde samme form, størrelse eller samme slags navnekort, så forskellen kan ikke tilskrives materialet alene.

Et svar i vores opdigtede eksempel kunne være: “A klarede vores tidskrav i denne afprøvning. Vi ved endnu ikke, om B gør det. Før vi sammenligner materialerne, skal vi også kontrollere holdernes udformning og kortene.” Det er vores eksempel på en forklaring, ikke et citat fra en virkelig elev. Én registrering dokumenterer heller ikke, at en holder vil virke hver gang.

En påstand om, at et materiale er miljøvenligt, kræver også en afgrænsning. Hvilken egenskab eller del af produktets brug handler påstanden om? Eksemplet giver ikke en samlet miljøvurdering af et materiale; det viser, hvilke spørgsmål en begrundet vurdering må stille.

Gruppen kan nu beslutte, hvad den næste prototype skal afklare. I en opdigtet fortsættelse afprøves B også i 10 minutter med samme kort og udformning som A. Kortet vælter efter seks minutter, fordi holderen tipper. Gruppen gør derfor B’s fod bredere og afprøver den ændrede holder igen. Står kortet nu i 10 minutter, har den nye udformning opfyldt tidskravet i den afprøvning. Det er ikke bevis for, at selve materialet er blevet bedre.

En bredere fod bruger måske mere materiale og fylder mere på bordet. Gruppen må derfor afveje stabilitet mod materialeforbrug og plads. Den kan også spørge, om holderen kan bruges igen. Disse kriterier er vores valg i eksemplet; udkastet foreskriver hverken navnekortholdere eller ét rigtigt materialevalg.

Hvad skal eleverne kunne forklare?

Målene omfatter at undersøge og forklare fysiske fænomener fra hjemmet og naturen med udgangspunkt i observationer. Eleverne skal også diskutere ændringer i kemiske processer og bruge fagord og modeller af molekyler og processer. Se side 10.

De skal undersøge simple organiske og uorganiske forbindelser og diskutere deres egen brug af kemi. Et andet mål forbinder udfordringer ved hverdagsprodukter med undersøgelser af materialeegenskaber, løsningsdesign og udvikling af prototyper.

I vores eksempel kan eleven skelne mellem at have lavet en holder og at have undersøgt, om den opfylder tidskravet. Den manglende registrering efter 10 minutter er noget andet end et resultat, hvor kortet faldt ned.

Se på prototypen og notaterne sammen. Spørg, hvilket krav gruppen ville opfylde, og hvor i notaterne barnet kan se resultatet. I tabellen her kan I tale om, hvad den manglende registrering for B betyder. Det er vores samtaleforslag, ikke en officiel vurderingsskala.

Området gælder samlet for 7.–9. klasse. Se trinforløbet på side 6.

Fra Fælles Mål til fagplanen

Fælles Måls område stof og stofkredsløb omfatter allerede undersøgelser af grundstoffer, enkle forbindelser og kemiske reaktioner. Det rummer modeller og repræsentationer af stoffers opbygning og reaktioner samt stillingtagen til brug og udledning af stoffer. Under produktion og teknologi indgår sammenhænge mellem råstoffer, processer og produkter samt teknologiske løsningsforslag. Se side 5.

Udkastet samler hverdagsnære egenskaber, molekylære forklaringer og materialevalg i stof og stofegenskaber. Det nævner blandt andet faseovergange, streg- og prikformler og prototyper direkte. Kemiske undersøgelser og modeller er derfor ikke nye alene, fordi området har fået et andet navn.

Sammenligningen gælder Fælles Måls forventninger efter 9. klasse over for udkastets samlede 7.–9.-klasseforløb. Den viser udvalgte forbindelser, ikke en fuld liste over videreførte og ændrede delmål. Fælles Mål-dokumentets forbehold på side 1 forklarer ændrede regler og skellet mellem bindende kompetencemål og vejledende færdigheds- og vidensmål. Fagplanen er et udkast.

Guiden giver udvalgte faglige forklaringer. Den gennemgår endnu ikke kemiske analysemetoder, stofidentifikation gennem flere uafhængige målinger eller en dokumenteret livscyklusvurdering af et konkret hverdagsprodukt.