Om partikkelmodellen og forslag til læringsaktiviteter

Modeller er ikke virkeligheten, men menneskeskapte forenklinger for å forstå og forklare sammenhenger vi observerer i virkeligheten. Elever vil kjenne begrepet modeller fra leker, modellfly, kosedyr osv. De likner, men er forenklinger og kan ikke gi oss hele forklaringen, men være nyttige til sitt formål. Slik kart er en nyttig modell av terrenget. I dette undervisningsopplegget er målet at elevene skal forstå hva en modell er og kunne bruke partikkelmodellen til å forklare hvordan alle stoffer er satt sammen. Modellen brukes også til å forstå fasetilstandene. Det er knyttet flere begreper til partikkelmodellen, disse må forstås og elevene må oppøve evne til å anvende disse.

1. Faglig bakgrunnsinformasjon 

Modellers styrke og svakhet er viktig i forståelsen av modellbruk i faget. Partikkelmodellen er i flere tilfeller utilstrekkelig. 

Partikkelmodellen viser først og fremst til at vi skal bruke begrepet partikkel som et samlenavn for byggesteinene i naturen: atomer, molekyler og ioner. Modellen er en forenkling. Den forutsetter at:

• Alle stoffer er bygd av atomer, molekyler eller ioner, vi kaller de alle for partikler og tenker oss dem som kuler. 
• Mellom partiklene er det ingen ting (ikke noe stoff) - det er vakuum/tomrom.  
• Partiklene er alltid i bevegelse. 
• Gjennomsnittsfarten (bevegelsen) til partiklene i et stoff bestemmer temperaturen i stoffet.
• Gjennomsnittsfarten til partiklene i et stoff øker med temperaturen.
• Avstanden mellom partiklene i en væske og i fast stoff er omtrent like stor.
• Avstanden mellom partiklene er mye større i en gass enn i en væske. Det er derfor mye mer tomrom mellom partiklene i en gass, og den lar seg derfor lett presse sammen.
• Partiklene i en gass beveger seg i rette linjer med stor fart til de kolliderer med andre partikler eller med veggene i en beholde.
• Partiklenes støt mot veggene i en beholder er årsaken til gasstrykket i beholderen.
• Vi går ikke inn på at også atomer og ioner er bygd opp av mindre deler, nemlig elektroner, protoner, og nøytroner. Protoner og nøytroner er igjen bygd opp av kvarker.

For å forstå partikkelmodellen kan vi ta utgangspunkt i at vi kan dele stoffer i mindre og mindre deler, og at vi til slutt kommer til noen grunnleggende deler. Disse delene kaller vi partikler. En figur av lego kan deles i mindre deler. De enkelte lego-klossene vil i en slik analogi være partikler. Alle ting i verden er bygd av drøyt 100 forskjellige atomer (grunnstoffer). 

Fordi atomer, molekyler og ioner er ufattelig små, bruker vi modeller for å forstå og beskrive deres natur. Vi tenker oss at partiklene har kuleform. Mellom disse kulene er det ingen ting. Det er viktig at læreren er bevist på elevenes tenkning om hva ”ingenting” er. Noen elever vil betrakte luft som” ingenting”. Dette kan tyde på at elevene mener det er et slags stoff som partiklene ligger i. 

Mange fysiske og kjemiske fenomener kan observeres med sansene våre og med enkle måleinstrumenter (på makronivå), mens forklaringen på det som skjer, knytter seg til det som skjer med partikler som er så små at vi ikke kan se dem (mikronivå). Partikkelmodellen kan brukes til å forklare dagligdagse eller observerte fenomener som: 

• Noen stoffer kan være i fast form, væske eller gass. 
• Lukt sprer seg i et rom fordi partiklene i en gass er i bevegelse og det er ingen ting mellom partiklene. 
• Faste stoffer utvider seg ved oppvarming, fordi partiklene beveger seg (vibrerer) mer ved høyere temperatur. 
• Væske kan helles fordi partiklene ligger inntil hverandre uten å være fast bundet.
• Gass kan trykkes sammen fordi det er stort tomrom mellom partiklene og den utvider seg ved oppvarming fordi partiklene får større fart.

Modellen forklarer ikke alt

Partikkelmodellen er god til å illustrere noen egenskaper ved partiklene og fenomenene, men mangelfull til å forklare andre egenskaper. 

Her er et eksempel på at modellen forutsier observasjoner: I partikkelmodellen øker bevegelsen til partiklene i et stoff ved oppvarming og stoffet utvider seg som følge av dette. Et enkelt forsøk for å vise at stoffer utvider seg ved oppvarming og krymper ved nedkjøling, er å legge en oppblåst ballong i en fryser og deretter i et varmt rom.

Et eksempel på begrensninger i partikkelmodellen er at vann i fast form (is) har større volum enn vann i væskeform. Dette er motsatt av det partikkelmodellen tilsier, og det skyldes forhold som ikke beskrives av partikkelmodellen: Molekylenes form og bindinger mellom vannmolekylene.

Når vi sier at «alle ting i verden er bygd opp av atomer», mener vi at «ting» er det som består av stoffer. Hvis en elev spør «hva slags atomer er det i lys?», kommer modellen til kort. Lys består ikke av atomer, men av fotoner (en såkalt elementærpartikkel). 

Kompetansemål etter 7. trinn:

Mål for opplæringen er at eleven skal kunne 

• beskrive sentrale egenskaper ved gasser, væsker, faste stoffer og faseoverganger ved hjelp av partikkelmodellen

Dette kompetansemålet bør sees i sammenheng med disse kompetansemålene:

• forklare hvordan stoffer er bygd opp, og hvordan stoffer kan omdannes ved å bruke begrepene atomer og molekyler 
• gjennomføre forsøk med ulike kjemiske reaksjoner og beskrive hva som kjennetegner dem

Forslag til læringsmål for partikkelmodellen: 

Eleven skal kunne

• samle informasjon gjennom å observere systematisk og registrere hva som skjer når stoffer endrer fase
• bruke ordet modell, diskutere med andre hva modeller er og hvorfor vi bruker modeller 
• bruke egne ord for å forklare hva partikkelmodellen illustrerer
• bruke modellen til å forklare de ulike fasene og overganger mellom faser
• bruke relevante nøkkelord og begreper for å forklare hva som skjer når et stoff forandrer fase

2. Aktuelle nøkkelord og begreper

Begrepene i tabellen skal brukes aktivt i undervisningen. Læreren bør legge til rette for at begrepene inngår i elevenes skriftlige arbeider og brukes i muntlige samtaler om partikler, faser og faseoverganger.

3. Forutsetninger for elevene

Læringsmålene bygger på kompetansemålene fra 1.- 4. årstrinn. Eleven skal kunne 

• beskrive og sortere stoffer etter observerbare kjennetegn og gjenkjenne faresymbol for farlige stoffer
• gjøre forsøk med vann og lys, samtale om observasjonene og gjenkjenne faresymbol for farlig lys
• gjennomføre forsøk som viser at stoffer og stoffblandinger kan endre karakter når de blir utsatt for ulike påvirkninger

Fysisk forandring og kjemisk reaksjon

Det er viktig å skille mellom fysiske forandringer og kjemiske reaksjoner. Når et stoff forandrer fasetilstand som vann fra fast stoff til væske og til gass, er det hele tiden det samme stoffet H₂O. Når ved brenner, skjer det en kjemisk reaksjon der bindinger brytes og nye bindinger dannes, og vi får nye stoffer.

Elevene omgås også mange stoffer som ikke skifter fase fra fast, til flytende og til gass ved oppvarming. Et eksempel er ved (tre), ved oppvarming skjer det en kjemisk reaksjon og veden blir borte ved at stoffene blir omdannet til andre stoffer i gassfase eller ligger igjen som et nytt fast stoff, aske. 

Fasetilstander

Fasetilstander: Et rent stoff kan være i forskjellige faser eller i forskjellige tilstander.

4. Eksempler og aktiviteter

Undervisningsopplegg med partikkelmodellen bør være varierte og kan også gjennomføres på forskjellige måter. 

”Partikkelbriller”

Det vil være nyttig å la elevene tenke seg at de kan se partiklene når de skal forklare hva som skjer ved hjelp av partikkelmodellen. Med disse ”partikkelbrillene” kan de late som de ser partiklene og kan tegne dem som kuler.

Dramatisering

Elevene dramatiserer partikkelmodellen ved at hver elev spiller en partikkel. Pultene settes i en U-form og fungerer som veggene i et kar eller en beholder. Elevene som spiller partiklene, står inne i ”beholderen”. I fast form vil de stå med bena i ro og vibrere eller svaie på stedet og være bundet til hverandre med bøyde armer på hverandres skuldre. I væskefasen vil de kunne bevege seg rundt hverandre uten å miste kontakten. I gassform vil de bevege seg i rette linjer til de treffer en vegg i karet eller en annen partikkel og støtet vil forandre deres retning, men ikke fart. De opptrer med elastisk støt. Volumet i beholderen reguleres ved at elever lager et ”lokk” med en stokk eller utstrakte hender og beveger seg innover eller utover i den åpne delen av U-en.  

Musikk kan illustrere partiklenes energi ved at elevene beveger seg i takt med musikken. Rolig musikk tilsvarer lav energi, lav temperatur og lav fart. Rask musikk illuderer høy energi, temperatur og partiklene beveger seg raskt.

Elastiske støt

Vi tenker oss partiklene som fullkomne kuler med egenskaper som opptrer ved elastiske støt. I et fullstendig elastisk støt vil kulene som støter sammen, bevare all bevegelsesenergi og ingen energi går tapt. For at elevene skal forstå dette, kan det illustreres eller gjøres som forsøk med klinke- eller stålkuler. Kulene triller med nesten konstant fart til de treffer en vegg og blir reflektert med omtrent samme fart. Når en kule treffer en annen kule, vil de begge forandre fart og retning. Studier av elastisk støt kan rettferdiggjøre et slag biljard.

Diffusjon

Diffusjon er kort forklart at partikler i gass og væske sprer seg fra områder med høy konsentrasjon til områder med lavere konsentrasjon. Fenomenet er viktig for livet på jorda. Prosessen forekommer overalt i naturen både i det abiotiske miljø i gasser og væsker, og i organismer. Diffusjon kan forklares ved hjelp av partikkelmodellen. 

Aktiviteter

Bruk av ”partikkelbriller” og dramatisering kan være nyttige metodiske grep i aktivitetene som er beskrevet nedenfor.

Aktivitetene kan deles inn i avsnitt etter hvilken fase de beskriver.

• Gassfase 
• Væskefase
• Fast stoff fase 

Aktiviteter 1: Partikkelmodellen i gasser

Potetkanonen (med de fire aktivitetene A-D)

Dette er en aktivitet som kan skape interesse for temaet og derfor egne seg i oppstarten av temaet. Aktiviteten kan utføres som lærerdemonstrasjon eller som en konkurranse mellom elevene der målet er å skyte potetbitene lengst. 

A) Bruk et 40-60 cm langt hult rør av plast eller metall. Del en rå potet i to. Stikk hver rør-ende gjennom potetbiten slik at det blir en potetpropp i hver ende. Bruk en pinne som er litt tynnere enn indre diameter i røret til å dytte den ene potetbiten litt inn i røret, slik at ”dyttepinnen” ikke sklir ut av røret. Pass på at du ikke sikter mot noen før du dytter pinnen raskt ca. halvveis inn i røret. Resultatet blir at den ene potetbiten blir skutt ut med overraskende stor fart. 

B) La elevene prøve å forklare observasjonene.  Var røret mellom de to potetbitene tomt? Hva var i røret og hvordan oppførte partiklene i røret seg? 

C) Bruk partikkelmodellen som forklaringsmodell, og illustrer forklaringen. Når vi dytter inn den ene potetbiten og volumet avtar og mengden gass er den samme, øker trykket i røret. Potetbiten lar seg flytte på og blir presset ut av trykket fra gassen i røret. Røret framstår i dagligtalen som tomt. Men tenker vi oss at vi kan se luftmolekylene som partikler, det vil si som kuler, kan elevene tegne partiklene i røret som samme antall prikker/kuler ved start og ved redusert volum. Illustrasjonene kan danne grunnlag for refleksjon og samtale og bruk av begreper som volum, gass, trykk og partiklenes bevegelse i gassfasen.

D) I dagliglivet benytter vi oss av økt gasstrykk i mange situasjoner: Vi pumper opp sykkeldekkene, baderingen, fotballen og luftmadrassen. Tilsvarende aktiviteten med potetkanonen kan elevene tegne, reflektere og samtale om fenomenet i disse eksemplene. Tilsvarende fenomener kan vi observere dersom vi blåser opp en ballong til den sprekker, vannrakett og luftrakett. Elevene må hele tiden kunne ”se” partiklene. 

Engangssprøyte 

Engangssprøyter kan brukes i klasserommet til forskjellige aktiviteter for å studere en gass og bruke partikkelmodellen som forklaringsmodell. 

Hold for åpningen med fingeren og trykk stempelet inn. La elevene observere og tegne, reflektere og samtale om hva som skjer med partiklene inne i sprøyta. Hvorfor kan vi ikke trykke stempelet helt inn? Hva skjer med stempelet om vi tar bort fingeren som trykker det inn?

Lukt som sprer seg i et rom

Om vi skreller en appelsin, sprer duften av appelsin seg sakte utover i hele rommet Partiklene i en gass vil spre seg i hele det rommet den er i. Lukten sprer seg fordi ”luktpartiklene” støter mot luftpartiklene og forandrer retning. Vi kan lukte en gass, selv om vi ikke ser den. Forsøk kan gjøres ved å skrelle appelsin, en sprut parfyme eller andre luktstoffer. Eleven skal observere og gi sin forklaring. Læreren styrer refleksjonsfasen. Elever og lærer peker tilslutt på hvor vi møter på fenomenet i dagliglivet. Det er ikke alle gasser som har en lukt. Oksygengass er et eksempel på en luktfri gass. 

Temperatur og gasstrykk (med de fire aktivitetene A-D)

A) Forsøk: Vi trer en ballong over åpningen på en tom glasskolbe (for eksempel en erlenmeyerkolbe). Når vi varmer opp kolben over en gassbrenner, vil ballongen utvide seg. Ballonger bør vært blåst opp en gang før forsøket starter for at den lettere kan utvide seg.

B) I forklaringene av det observerte fenomenet vil noen si at varm luft stiger. Andre vil si at partiklene får høyere energi, mer fart og at gassen derfor gir økt trykk.  

C) Den enkleste måten å teste hypotesen om at ballongen utvider seg pga varm luft som stiger opp, er rett og slett ved å snu kolben med ballongen opp ned (uten varmekilde). Da skulle vi forvente at den varme luften stiger opp og ballongen skulle krympe eller falle sammen. Det gjør den ikke.

D) For å illustrere det som skjer, kan elevene dramatiserer partikkelbevegelse inne i en ring av pulter. For å regulere partiklenes (elevenes) fart brukes musikk. Elevene beveger seg i takt med musikken. Ved rolig musikk er antall støt mot «ballongveggen» (pultene) færre og svake. Med raskere musikk vil antall støt øke, og hvert støt blir kraftigere. Pultene blir skjøvet utover.Det er viktig å få fram at partikkelfarten og temperaturen henger sammen.Det bør vises til andre eksempler som at en oppblåst ball vil utvide seg og bli hardere om den legges på et sted med høy temperatur, for eksempel i sola. Den blir mykere og mindre i kald luft, for eksempel om natta. En oppblåst ballong vil krympe om den legges i en fryser. Andre eksempler: Ha litt varmt vann i en stor brusflaske av plast. Tøm ut vannet og skru til korken. Hold flaska under rennende kaldt vann. Hva skjer? Bruk partikkelmodellen til å forklare observasjonene.

Aktiviteter 2: Partikkelmodellen i væsker

I en engangssprøyte kunne elevene presse gassen noe sammen med stemplet. Tar vi vann i den samme sprøyta, kan ikke vannet presses sammen. Væsker har, i motsetning til gasser, et bestemt volum ved en bestemt temperatur.

Dersom vi skal illustrere væskefasen ved dramatisering, vil elevene kunne bevege seg rundt hverandre, men uten å miste kontakten med hverandre. Se også animasjonen på nettsiden www.viten.no/filarkiv/klima nr 2. 

Blanding av væsker (med tre av aktivitetene A-C)

A) Forsøk/demonstrasjon:  

• Dersom vi måler opp 100 ml etanol og 100 ml vann i hver sin målesylinder for deretter å blande væskene i en tredje sylinder, vil vi se at volumet av blandingen blir mindre enn 200 ml.
• Dersom vi blander 50 ml sukker i 100 ml vann (helst litt varmt) er volumet mye mindre enn 150 ml.

B) Elevene vil ikke forvente dette resultatet og vil som oftest forsøke å finne forklaringer som ikke bygger på partikkelforståelse.

C) Dersom lærer på tilsvarende måte blander 100 ml ris med 100 ml erter, vil volumet av blandingen være mindre enn 200 ml. Riskornene legger seg mellom ertene. Her blir ris og erter modeller for partiklene i væskeblandingen. Partiklene i blandingen er forskjellige, de har ulik form og størrelse, de ligger inntil hverandre og kan bevege seg i forhold til hverandre uten å miste kontakten.

Blekk eller konditorfarge i vann (med de fire aktivitetene A-D)

A) Forsøk/demonstrasjon: Hva skjer om vi avsetter en liten dråpe blekk eller litt konditorfarge på bunnen av et kar med 1-2 liter vann? Vil den lille mengden fargestoff gi farge til alt vannet? 

B) La elevene diskutere og komme med forslag til hypoteser før forsøket utføres. De forskjelliges forslagene drøftes. Utfør forsøket.

C) Ved å se på en avis eller digitalt bilde kan elevene se at bilder er sammensatt av mange enkeltpunkter, men med vårt øye og på en viss avstand framstår det som et helt og sammenhengende bilde. Når vannet i karet farges av blekk eller konditorfarge, er det de langt færre enkeltpartikler av fargestoffet mellom den store mengden av de fargeløse vannpartiklene, som gjør at vi oppfatter væsken som jevnt farget. Vi er ikke i stand til å skjelne enkeltpartiklene.

D) I forlengelse av denne øvelsen kan løselighet og temperatur undersøkes. Spres fargepartiklene raskest i varmt eller kaldt vann? Hvorfor? Hvordan ser løsningen ut om vi bruker ”partikkelbrillene”? Hvorfor tar det tid før fargepartiklene er spredd i vannet. Hva er en løsning?

Vann har størst volum ved 4 °C

Vår modell av de minste partiklene er forenklinger. Den er god til å illustrere mange egenskaper ved stoffer og fenomenene, men mangelfull for å forklare andre egenskaper. I partikkelmodellen øker bevegelsen til partiklene ved oppvarming og stoffene utvider seg som følge av dette. Et eksempel på begrensninger i partikkelmodellen er at vann i fast form (is) har større volum enn vann i væskeform, altså motsatt av hva partikkelmodellen tilsier. Fenomenet skyldes forhold som molekylenes form og bindinger mellom vannmolekylene, forhold som ikke beskrives av partikkelmodellen.

Det fins flere forsøk som kan gjøres for å illustrere dette: 

A) Legg en isbit i et glass fylt til randen med vann. Observer hva som skjer når isen smelter. Vil vannet renne over kanten når isen smelter?  Se animasjonen i aktivitet 4 på nettsiden: Havnivået stiger  

B) Elevene vil ikke ha forutsetninger til å forstå hvorfor vannet oppfører seg annerledes enn de aller fleste andre stoffer. Hovedsaken vil i dette tilfellet være å sette søkelyset på partikkelmodellen som modell. Modeller av naturen har begrensninger. Dette framkommer tydelig i dette forsøket

C) Årsaken til fenomenet ligger i hydrogenbindingene og vannets struktur. Dette kan ikke på dette nivå forklares mer grunnleggende. Men en kan bruke forsøket til å fokusere på hva tetthet er

D) Dette forsøket er også aktuelt i forhold til vår tids største miljøproblem - global oppvarming. Vil havnivået stige eller synke om isen på nordpolen smelter? Hva om isen på sydpolen smelter? Se nettsiden: Havnivået stiger 

Vannets egenskaper gjør at is flyter og innsjøer ikke bunnfryser, og dyr og andre organismer kan overleve vintrene i vannet. 

Aktiviteter 3: Partikkelmodellen i faste stoffer

Dersom elever skal illustrere partikler i den faste fasen ved dramatisering, vil de stå på et fast sted i forhold til hverandre og ”vibrere”. De kan for eksempel holde en arm på skulderen til eleven foran og en på skulderen til eleven ved siden av og bøye kroppen fra side til side. Om temperaturen øker, vil elevene vibrere eller riste kraftigere og kraftigere. Elevene vil ta litt større plass på grunn av den økte bevegelsen. Stoffet utvider seg. Om temperaturen øker tilstrekkelig vil partiklene (elevene) løsrives fra hverandre og kunne bevege seg mellom hverandre. Se animasjonen i aktivitet 2 på nettsiden: Havnivået stiger 

Forsøk: Utvidelse ved oppvarming (med tre av aktivitetene A-C)

A) Et forsøk for å vise at faste stoffer utvider seg ved oppvarming, kan være utvidelse av jerntråd. Vi henger opp et lodd i en tråd av jern (f. eks. ståltråd) i et stativ slik at loddet så vidt går klar underlaget når den pendler. Deretter varmer vi forsiktig opp jerntråden med en gassbrenner. Metalltråden vil utvide seg og pendelen slår ned i underlaget. 
Legg en metallstang (lang spiker, ståltråd eller lignende) på et kokestativ. Ha den ene enden i flammen fra en gassbrenner. Ved forsiktig å kjenne på den andre enden av metallet, vil en observere at metall leder varme.

B) La elevene undre seg, drøfte og formulere forklaringer på det observerte. Resultatene kan for eksempel legges frem som en presentasjon, poster eller elevrapport.

C) I oppsummering og drøfting bør læreren prøve å trekke inn konsekvenser av dette i daglivlivet. Noen eksempler er togskinner som har et lite mellomrom mellom hver skinne for å unngå solslyng, store konstruksjoner som har soner for utvidelse og metallokk på syltetøyglass som blir lettere å skru opp dersom de varmes opp. 

5. Grunnleggende ferdigheter 

Ved å diskutere og presentere forklaringer av observerte fenomener i forsøkene både skriftlig og muntlig, vil elevene måtte bruke nye begreper. Det gjelder også når elevene skal bruke modeller i sin forklaring. Se oversikten over relevante begreper tidligere i dette undervisningsopplegget. Legg vekt på at elevene bruker disse fagbegrepene i sine forklaringer og beskrivelser.

6. Tilpasset opplæring

En viktig strategi i tilpasset opplæring er variasjon slik at elevene får arbeide på ulike måter. Dette undervisningsopplegget gir rike muligheter for variasjon, og læreren må gjøre de valgene som passer klassen og elevene. Modellene i dette opplegget kan virke svært abstrakte for flere elever, men ved å bruke de foreslåtte simuleringene der elevene selv er partikler, mener vi kan hjelpe de fleste elevene til bedre innsikt. Se artikkel om tilpasset opplæring.

7. Vurdering

Et eksempel på underveisvurdering er å la elevene prøve sin egen forståelse gjennom ”sant eller usant oppgaver”. Både eleven og læreren vil gjennom en slik prosess få innblikk i hvilke kunnskaper og forestillinger elevene har og ta hensyn til dette i den videre gangen i undervisningsopplegget. Oppgaven går ut på å la elevene ta stilling til utsagn om temaet. Det er vanlig å la elevene arbeide sammen to og to eller i mindre grupper før læreren tar opp problemstillingene i samlet klasse. Utsagn elevene skal ta stilling til som sanne eller usanne, kan være:

1. Alle partiklene i jern er helt like (S)
2. Alle partiklene i luft er helt like (U)
3. Partiklene i vann i et glass er i bevegelse hele tiden (S)
4. Det finnes mange forskjellige slags partikler (S)
5. Partiklene er ikke i bevegelse i frossent vann – is (U)
6. Partiklene i en stålbit er ikke i bevegelse (U)
7. Partiklene i vanndamp og is er like store (S)
8. Partikler kan ha forskjellige størrelser (S)
9. Vi puster inn og ut partikler hver dag (S)
10. Det er luft mellom partiklene i en gass (U)
11. Vi spiser partikler hver dag (S)
12. Partiklene i et glass saft er helt like (U)
13. Det er helt tomt mellom partiklene i en gass, men ikke i en væske (U)