Sisällys Maan aarteet 7 1 Planeetta kuin aarrearkku...8 2 Kallioperä koostuu kivilajeista...12 3 Kivet rakentuvat mineraaleista...16 4 Maaperä koostuu maalajeista...20 5 Ihminen hyödyntää Maan aarteita...24 6 Luonnonvarat...28 Raaka-aineesta tuotteeksi 35 7 Seos ja puhdas aine...36 8 Seoksen aineet voidaan erottaa...40 9 Malmista metalliksi...44 10 Öljystä muoviksi...48 11 Tuotteiden elinkaari...52 12 Kierrätys ja ongelmajätteet...56
Sähköllä valoa, lämpöä ja liikettä 61 13 Virtaa piirissä...62 14 Sarjakytkennässä yksi virtapiiri...66 15 Rinnankytkennässä monta virtapiiriä...70 16 Magnetismi...74 17 Sähköllä liikettä liikkeestä sähköä...78 18 Sähkön käytössä tervettä järkeä...82 19 Hankaamalla sähköiseksi...86 Energia arjessa 91 20 Energia ei häviä...92 21 Miten sähköä tuotetaan?...98 22 Miten generaattoria pyöritetään?...102 23 Energiaa säästämään...106
F Y S I I K K A K E M I A Maan aarteet Ihminen saa ravintonsa ja tarvitsemansa materiaalit Maan kamaralta. Ihminen itsekin on rakentunut aineista, jotka kiertävät maapallolla. Tässä jaksossa tutustutaan Maan kerroksiin ja niiden arvokkaisiin aineisiin.
1 Planeetta kuin aarrearkku v Maapallon synty ja rakenne Maapallo syntyi avaruuden pölystä noin viisituhatta miljoonaa vuotta sitten. Aluksi se oli kokonaan sulaa kiviainesta. Vähitellen sulan kiviaineksen pinta jäähtyi ja muodosti kiinteistä kivilaatoista koostuvan kuoren. Maapallon kiinteää kuorikerrosta kutsutaan kallioperäksi. Kuorta ja sisäydintä lukuunottamatta maapallo on sulaa, kuumaa metallia, pääasiassa fysiikka nikkeliä ja rautaa. Sulan raudan virtaukset maapallon sisällä tekevät Maasta magneettisen. v Hidasta liikettä Maankuoren alla on sulaa kiviainesta, magmaa. Magman virtaukset aiheuttavat maankuoren laattojen hitaan liikkumisen. Kun laatat hitaasti ajautuvat toisiaan päin, syntyy poimuvuoristoja. Alueilla, joissa laatat erkanevat toisistaan, syntyy uutta merenpohjaa. Laattojen rajakohdissa esiintyy maanjäristyksiä ja tulivuoria, joista sulaa kiviainesta voi purkautua maanpinnalle. sisäydin ulkoydin vaippa / sula kiviaines laatoista koostuva kuori Maapallo koostuu kerroksista, joista kuori ja sisäydin ovat kiinteää ainetta. Kuori on Maan kokoon verrattuna paksuudeltaan kuin omenan kuori. 8 Fysiikan ja kemian polku 6
Magman liikkeet aiheuttavat toisaalla laattojen erkanemisen ja toisaalla poimuvuoristoja synnyttäviä laattojen törmäyksiä. Laattojen saumakohdissa maanpinnalle voi syntyä tulivuoria, joista purkautuvaa sulaa ja kuumaa kiviainesta kutsutaan laavaksi. v Aineet kiertävät maapallon pinnalla Maapallolta on löydetty noin 90 alkuainetta, ja niistä on syntynyt valtava määrä erilaisia yhdisteitä. Maapallo on siis todellinen aineiden aarrearkku. Maa on ainoa planeetta, jolla on todistetusti elämää. Lukemattomat eliöt ovat rakentuneet erilaisista aineista. Eliöt saavat kaikki tarvitsemansa aineet maapallolta ja luovuttavat ne takaisin aineiden kiertoon kuollessaan. Maapallon alkuaineita kemian merkkikielellä rauta happi pii magnesium nikkeli alumiini Fe O Si Mg Ni Al Maan aarteet 9
Tutkimuksia KIERTOLIIKETTÄ Tee näin Aseta puupalikat pöydälle hieman toisistaan erilleen. Kokeile, että kulho pysyy puupalikoiden päällä. Ota kulho pois ja aseta lämpökynttilä palikoiden väliin. Sytytä kynttilä. Kaada kulho puolilleen ruokaöljyä ja aseta se puupalikoiden päälle. Purista pipetistä hieman elintarvikeväriä kulhon pohjalle. Tarvikkeet tulenkestävä lasikulho kaksi puupalikkaa pipetti lämpökynttilä nestemäistä elintarvikeväriä ruokaöljyä Mitä kulhossa tapahtuu? Mistä ilmiö johtuu? Minkä maapallon ilmiön olet tutkimuksella havainnollistanut? MAANJÄRISTYKSEN KESTÄVÄ RAKENNELMA Tee näin Rakenna korteista sinitarran avulla pulpetille noin 20 senttimetriä korkea, mahdollisimman kestävä rakennelma. Aiheuta maanjäristyksiä heiluttamalla pulpettia sekä sivusuunnassa että pystysuunnassa. Tarvikkeet 20 30 pelikorttia sinitarraa Miten rakennelma kestää? Miten korteista voisi rakentaa vielä kestävämmän rakennelman? Eri rakennelmien kestävyyden vertailuun tarvitaan joka kerta mahdollisimman samanlainen järistys. Pohdi, miten voisit toistaa järistykset samanlaisina. Mitä pitää ottaa huomioon, kun rakennetaan alueille, joilla esiintyy maanjäristyksiä? 10 Fysiikan ja kemian polku 5
muut 7 % Tehtäviä magnesium 13 % rauta 35 % 1. Mistä maapallo on syntynyt? 2. Millainen on maapallon kuori? pii 15 % 3. Mikä aiheuttaa maankuoren laattojen liikkumisen? happi 30 % 4. Mitä laattojen liike voi aiheuttaa niiden rajakohdissa? 5. Mitä voit sanoa eri aineiden määrästä maapallolla? 6. Suunnittele, miten voit havainnollistaa maankuoren laattojen välisen törmäyksen. Koko maapallon yleisimmät alkuaineet ovat rauta, happi, pii ja magnesium. 7. Ota selvää maanjäristyksistä. a) Millaisella asteikolla järistysten voimakkuutta mitataan? b) Mikä on voimakkain koskaan mitattu järistys? c) Millaisia ohjeita ihmisille annetaan maanjäristysalueilla? d) Tapahtuuko Suomessa maanjäristyksiä? 8. Etsi tietoa jostakin tapahtuneesta maanjäristyksestä tai tulivuorenpurkauksesta. Missä, milloin ja miten se tapahtui? Mitkä olivat sen seuraukset? Miksi se on jäänyt historiaan? Miten samantyyppiseen luonnonkatastrofiin voitaisiin varautua paremmin? 9. Miksi Maan sisällä oleva kiviaines pysyy sulana? 10. Pohdi, miksi ihmiset asuvat toimivien tulivuorten lähellä tai maanjäristysalueilla, vaikka saattavat olla hengenvaarassa. Vuoristot syntyvät maankuoren laattojen poimuttuessa. 11
2 Kallioperä koostuu kivilajeista v Ikivanhoja ja aivan uusia kiviä Maankuoren mullistukset ovat sekoittaneet kiviainesta. Kiviä tutkimalla saadaan tietoa muinaisista tapahtumista, koska jokaisen kiven ominaisuuksiin vaikuttaa se, miten ja missä kivi on muodostunut. Vanhimmat tunnetut kivilajit ovat noin neljä miljardia vuotta vanhoja. Uutta kiviainesta syntyy jatkuvasti esimerkiksi tulivuorten purkauksissa. v Kivilajien synty Kivilajien muodostuminen kestää kauan ja edellyttää kovaa painetta sekä korkeaa lämpötilaa. Jähmettyneet kivilajit ovat syntyneet sulan kiviaineksen eli magman jähmettyessä ja kiteytyessä. Kerrostuneet kivilajit ovat syntyneet meren pohjaan kertyneen hienon kiviaineksen kerrostuessa. Kiviainesta rapautuu irti kalliosta, kun tuuli, sade ja lämpötilan KIVILAJIT jähmettyneet kivilajit kerrostuneet kivilajit muuttuneet kivilajit graniitti kalkkikivi gneissi Kivilajit jaetaan kolmeen luokkaan syntytavan perusteella. Kivilajin syntytapa määrää sen rakenteen. 12 Fysiikan ja kemian polku 6
Suomen kallioperä on jääkauden muokkaamaa. Siinä näkyy monin paikoin jään kulkusuunnan mukaisia uurteita. vaihtelut kuluttavat sitä. Virtaavan veden mukana se päätyy mereen. Meren pohjan kovassa paineessa irtaimet maalajit tiivistyvät uusiksi kivilajeiksi, kuten hiekkakiveksi. Suomessa kerrostuneita kivilajeja esiintyy Koke mäenjoen ja Oulujoen alajuoksuilla. Muuttuneet kivilajit ovat syntyneet jähmettyneistä tai kerrostuneista kivilajeista vuorten poimuttuessa, kun mannerlaatat ovat törmänneet toisiinsa. Tällaisia kivilajeja on paljon esimerkiksi Alpeilla sekä Ruotsin ja Norjan rajavuoristossa Skandeilla. v Suomen kallioperä Suomen kallioperää kutsutaan peruskallioksi. Se on poimuttunut moneen kertaan ja on jopa 1,5 3 miljardia vuotta vanhaa. Peruskallio sisältää erilaisia jähmettyneitä kiviä, kivettynyttä merenpohjan hiekkaa ja savea sekä kivettynyttä kalkkiliejua. Suomen yleisimmät kivilajit ovat graniitti ja gneissi. Kalkkikivi on syntynyt kalkkiliejun kerrostuessa ja kivettyessä. Marmori on muuttunutta kalkkikiveä, jota louhitaan esimerkiksi Italiassa. Kalkkikiveä ja marmoria käytetään rakennusmateriaaleina. Maan aarteet 13
Tutkimuksia TUNNISTA KIVIÄ Tee näin Tutki kiviä ja nimeä ne kirjan kuvien avulla. Tarvikkeet koulun kivikokoelma tai ulkoa kerättyjä kiviä Arvokkaita korukiviä Kauneutensa ja harvinaisuutensa vuoksi arvokkaita kiviä kutsutaan jalokiviksi. Kun valo heijastuu hiotun jalokiven pinnoista, sen ominainen väri näkyy selvästi. Jalokiviä timantti rubiini safiiri smaragdi akvamariini opaali skpektroliitti Timantti on hiiltä samoin kuin lyijykynän sisällä oleva grafiitti. Hiilestä ei ole kuitenkaan helppo valmistaa timantteja, sillä se edellyttää kovaa painetta ja korkeaa lämpötilaa. Spektroliitti on Suomesta louhittava korukivi. 14 Fysiikan ja kemian polku 6
Tehtäviä 1. Mistä kivien ominaisuudet johtuvat? 2. Mitä tarkoittaa kiviaineksen rapautuminen? 3. Millainen on Suomen kallioperä? 4. Mitkä ovat Suomen yleisimmät kivilajit? 5. Mieti, missä olet nähnyt graniittia. 6. Suunnittele koru, jossa käytät jalokiviä. 7. Tutki kuvia ja mieti, mistä kivestä esine tai rakennelma on tehty. Pohdi, miksi kyseistä kivilajia on käytetty juuri siihen tarkoitukseen. a) b) c) d) e) 8. Mitä voit päätellä seuraavien kivilajien löytöpaikan historiasta? a) hiekkakivi b) laavakivi c) gneissi d) peruskallion graniitti. 15