Учебное пособие для модульно-рейтинговой технологии обучения Бийск

2.2 Методические рекомендации по изучению материала

Структурно-логическая схема изучения главы «Наука химия» представлена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 − Структурно-логическая схема главы «Наука химия»

При изучении главы обратите внимание на классическое и современное определение науки химии, что у них общего и каковы отличия. Постарайтесь запомнить, какие задачи стоят перед наукой химией, парадигмы современной химии.

Рассматривая историю возникновения и развития химии, постарайтесь провести связывающие нити между содержанием тем, разделов химии и основными этапами ее развития. Обратите внимание на значение изучения курса химии для познания природы и развития техники.

2.3 Предмет и задачи химии

Весь окружающий нас многообразный мир – это материя. Материя является физическим материалом Вселенной; это – нечто, занимающее пространство и имеющее массу. Материя проявляется в формах вещества, поля, информации.

Вещество – вид материи, которая обладает массой покоя, состоит из элементарных частиц.

Поле – такая форма существования материи, которая характеризуется энергией.

Несмотря на то, что понятие информации очень широко используется в науке и в повседневной жизни, его строгого научного определения до последнего времени не существовало. По сей день разные научные дисциплины вводят это понятие по-разному.

Один из подходов к понятию информации состоит в отказе от определения информации на том основании, что оно является фундаментальным, как, например, материя и энергия.

Научное определение информации дается достаточно просто. Информация – это динамический объект, не существующий в природе сам по себе, а образующийся в ходе взаимодействия данных и методов.Он существует ровно столько, сколько длится это взаимодействие, а все остальное время пребывает в виде данных.

В этом определении ничего не говорится о форме, в которой представлены данные, она может быть абсолютно любой. Если данные графические, а метод взаимодействия – наблюдения, то образуется визуальная информация. Если данные текстовые или речевые, а метод их потребления – чтение, прослушивание, образуется текстовая информация.

Важнейшем свойством материи является движение. Формы движения материи изучаются различными естественными науками: физикой, химией, биологией и т.д.

Не следует считать, что существует однозначное строгое соответствие между науками, с одной стороны, и формами движения материи, с другой. Необходимо иметь в виду, что вообще нет такой формы движения материи, которая существовала бы в чистом виде, отдельно от других форм. Все это подчеркивает трудность классификации наук.

Химиюможно определить как науку, изучающую химическую форму движения материи, под которой понимают качественное изменение веществ. Химия как наука имеет дело, прежде всего, с веществом и происходящими с ним изменениями.

Традиционное определение химии:химия наука о веществах, их свойствах, превращениях веществ и явлениях, сопровождающих эти превращения. В настоящее время известно более 100 тыс. неорганических и более 4 млн. органических соединений.

Современное определение химии вышло за рамки традиционного определения в связи с расширением задач и методов исследования, применяемых в науке: химия– система представлений, методов, знаний и теоретических концепций, направленных на изучение атомно-молекулярных систем. При этом основным средством описания, интерпретации, прогноза и использования атомно-молекулярных систем является структура.

К химическим явлениям относят такие явления, при которых одни вещества превращаются в другие. Химические явления называют иначе химическими реакциями. Физические явления не сопровождаются превращением одних веществ в другие.

Перед современной химией стоят три главные задачи.

Во-первых, основополагающим направлением развития химии является исследование строения вещества, развитие теории строения и свойств молекул и материалов.

Во-вторых, осуществление направленного синтеза новых веществ с заданными свойствами.

В-третьих, анализ состава вещества.

В основе каждой науки лежит некоторый набор предварительных убеждений, фундаментальных философских установок и ответов на вопрос о природе реальности и человеческого знания. Этот набор убеждений, ценностей, разделяемых членами данного научного сообщества называется парадигмами.

Основные парадигмы современной химии:

1. Атомно-молекулярное строение вещества. Атомно-молеку-лярное учение развил и впервые применил в химии великий русский ученый М.В. Ломоносов, развил в своих трудах английский ученый Джон Дальтон. Однако создание научно обоснованного атомно-молекулярного учения стало возможным значительно позже – в XVIII-XIX вв., когда физика стала базироваться на точном эксперименте. Сущность атомно-молекулярного учения можно свести к следующим положениям:

Все вещества состоят из молекул. Молекула − наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами.

Молекулы состоят из атомов. Атом − наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства. Различным элементам соответствуют различные атомы.

Между молекулами имеются промежутки, размеры которых зависят от агрегатного состояния вещества и температуры. Наибольшие расстояния имеются между молекулами газов. Этим объясняется их легкая сжимаемость. Труднее сжимаются жидкости, где промежутки между молекулами значительно меньше. В твердых веществах промежутки между молекулами еще меньше, поэтому они почти не сжимаются.

Молекулы и атомы находятся в непрерывном движении. Скорость движения молекул зависит от температуры. С повышением температуры скорость движения молекул возрастает.

Между молекулами существуют силы взаимного притяжения и отталкивания. В наибольшей степени эти силы выражены в твердых веществах, в наименьшей − в газах.

Атомы одного вида отличаются от атомов другого вида массой и свойствами.

При физических явлениях молекулы сохраняются, при химических, как правило, разрушаются.

Существуют вещества с молекулярным и немолекулярным строением.

У веществ с молекулярным строением в твердом состоянии в узлах кристаллических решеток находятся молекулы. Связи между молекулами, расположенными в узлах кристаллической решетки, слабые и при нагревании разрываются. Поэтому вещества с молекулярным строением, как правило, имеют низкие температуры плавления.

У веществ с немолекулярным строением в узлах кристаллических решеток находятся атомы или другие частицы. Между этими частицами существуют сильные химические связи, для разрушения которых требуется много энергии. Поэтому вещества с немолекулярным строением имеют высокие температуры плавления.

2. Закон сохранения материи. Из уравнения А. Эйнштейна для соотношения масс и энергий E=mc2 следует, что в любом процессе, сопровождающемся выделением или поглощением энергии, будет происходить соответствующее изменение массы. Если тело нагревается, его энергия возрастает, а масса увеличивается. При выделении тепла в ходе химической реакции масса продуктов химической реакции будет меньше массы исходных веществ. Однако из-за громадного значения величины скорости света в квадрате c2 (c = 2,997925∙108 м/с) тем энергиям, которые выделяются или поглощаются при химических реакциях, отвечают очень малые массы, лежащие вне пределов возможности измерений. Например, при образовании из водорода и хлора 36,461 г хлороводорода выделяется энергия, соответствующая массе около 10-9 г. Поэтому можно не принимать во внимание ту массу, которая приносится или уносится с энергией.

Поскольку для химических процессов изменением массы можно пренебречь, существуют два важных для химии следствия. Эти следствия исторически получили название закона сохранения массы и закона сохранения энергии, однако, строго говоря, выполняются они приближенно. Для химических процессов они формулируются следующим образом.

Закон сохранения массы:

Масса веществ, вступающих в реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции.

Благодаря этому закону, открытому М.В. Ломоносовым в 1748−1756 гг., химия перешла от науки качественной к количественной. В производстве на этой основе ведутся расчеты материальных балансов.

Закон сохранения энергии:

При любых взаимодействиях, имеющих место в изолированной системе, энергия этой системы остается постоянной и возможны лишь переходы из одного вида энергии в другой.

Практически это означает, что если в ходе реакции энергия выделяется или поглощается, то запас энергии в продуктах реакции по сравнению с запасом ее в исходных веществах будет меньше или больше соответственно. Запас энергии вещества в химии принято называть теплосодержанием, а выделяющуюся или поглощающуюся энергию – теплом. Благодаря закону сохранения энергии существует целая наука, изучающая вместе с другими явлениями тепловые эффекты химических реакций, называемая химической термодинамикой. В производстве на основе данного закона ведутся тепловые балансы.

3. Электронная природа химической связи. При образовании химической связи происходит перераспределение в пространстве электронных плотностей, первоначально принадлежавших разным атомам. Поскольку наименее прочно связаны с ядром электроны внешнего уровня, то этим электронам принадлежит главная роль в образовании химической связи. Количество химических связей, образованных данным атомом в соединении, называют валентностью. Электроны, принимающие участие в образовании химической связи, называются валентными: у s- и р-элементов – это внешние электроны, у d-элементов – внешние (последние) s-электроны и предпоследние d-электроны.

4. Однозначная связь строения вещества и его химических свойств (периодический закон). Современная формулировка периодического закона:

Физические и химические свойства простых веществ, а также формы и свойства сложных соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атома.

2.4 История возникновения и развития химии

Людей издавна волновали загадочные процессы, когда одни вещества исчезают и появляются другие... Как горит дерево? Почему вместо него остаются зола и дым? Почему железо ржавеет, а с золотом ничего не происходит? Почему вода гасит огонь? Из чего состоит воздух? Как соль растворяется в воде?

Чтобы раскрыть эти тайны, человек исследовал различные вещества. Так постепенно возникала наука «химия». Первоначальное значение термина «химия» еще не выяснено. Некоторые ученые считают, что этот термин заимствован из Древнего Египта, где «кхем», или «кхамэ», означало «Египет», «земля», «черный», «чернозем»... Поэтому есть основание считать, что химия − это искусство Древнего Египта.

Термин возник за несколько тысячелетий до нашей эры. Но с химическими процессами и с необходимостью их осознавать человечество сталкивалось намного раньше, с тех пор как вообще возник человек разумный.

В развитии химии можно выделить несколько важных этапов.

2.4.1 Натурфилософский период (10 тыс. лет до н.э. −

IVV вв. до н.э.)

Трудно сказать, где и когда наши далекие предки впервые стали заниматься химией. Вначале человек использовал естественные химические изменения биологических объектов, например, брожение и гниение. Позднее он подчинил себе огонь и процесс горения. Можно сказать, что в тот момент, когда первобытный человек научился самостоятельно добывать огонь, природа преподала для него первый урок химии. Человекнаучился применять химические процессы спекания в гончарном и стекольном производстве, при выплавке металлов.

В 60-е годы XX века поразительные археологические находки были сделаны в Анатолии (Турция) – в поселении Чатал-Хююк (VII−VI тыс. до н.э.). Там обнаружено много металлических изделий из меди и свинца, а также остатки плавильных печей. Само поселение состояло из хорошо спланированных жилых домов и грандиозных культовых сооружений. Сохранились сложные многоцветные настенные рисунки, выполненные минеральными красками. Обнаружение столь древнего поселения с развитой культурой, в котором обитали более 7 тыс. жителей, позволяет считать, что люди обладали определенными химическими знаниями не менее 10 тыс. лет назад. Полагают, что примерно 5–6 тысяч лет назад в древнейших очагах цивилизации – Китае, Египте, Индии и Месопотамии – уже получали из руд металлы, готовили краски, обжигали глиняные сосуды, использовали травы для лечения ран и болезней.

Освоение химических процессов производства меди и бронзы, а затем и железа являлось ступенями эволюции не только химии и металлургии, но и цивилизации в целом, изменило условия жизни людей, влияло на их поведение.

Возникновению химии, как и других естественных наук, способствовали, прежде всего, потребности практики. Люди постепенно накапливали сведения о различных химических процессах и широко их применяли. Разработку и использование различных методов, приемов и рецептов в практических целях можно назвать «практической химией».

Одновременно возникали и теоретические обобщения. В XII веке до нашей эры в древнем Китае была сформирована система «основных элементов»: вода, огонь, дерево, золото и земля.

Атомистическое учение древнегреческих философов Левкиппа (V в. до н.э.) и Демокрита (ок. 470 лет до н.э.) является, по существу, моделью строения вещества.

В IV в. до н.э. древнегреческий философ и естествоиспытатель Аристотель создал химическую систему, основывающуюся на принципах: сухость − влажность и холод − тепло. С помощью их попарных комбинаций в «первичной материи» он выводил четыре основных элемента: земля, воздух, вода и огонь.

После древнегреческих философов лидерство в химических знаниях постепенно перешло в международный торговый и культурный центр Востока, который был основан Александром Македонским.

В IV−V в. до н.э. химические знания проникают в Малую Азию. Арабские исследователи химических веществ начали использовать вместо названия «химия» иное − «алхимия».

2.4.2 Химия в период Средневековья (III, IVXVI вв.)

Алхимический период принято считать застойным в развитии науки. Но наивные алхимические идеи и их таинственные действа были окутаны таким густым ореолом средневековой романтики, что мы остановимся на них подробнее.

...Итак, «алхимия» − арабское слово. Алхимия возникла почти одновременно в Египте, Китае, Индии за несколько веков до нашей эры. Затем перекинулась на Ближний Восток, а в III−IV веках нашей эры «золотая лихорадка» достигла и Европы. Концом алхимии следует считать XVI−XVII века, хотя некоторые идеи алхимиков жили и в XVIII столетии. Что же такое алхимия? Это − направление химии в средние века, в основе которого лежало ложное представление о возможности превращения неблагородных металлов в золото с помощью фантастического вещества − философского камня. Путеводной звездой алхимиков были слова Аристотеля: «Все металлы могут переходить друг в друга, будучи по составу близки один к другому».

Алхимики занимались, по крайней мере, еще двумя проблемами первостепенной важности: поисками эликсира долголетия и универсального растворителя.

Несмотря на наивность и фантастичность многих представлений алхимиков, наиболее передовые из них все же были настоящими учеными. Знаменитым алхимиком был крупнейший ученый средневековья Роджер Бэкон.

В мистическом дыму средневековых священнодействий алхимиков зарождались и оттачивались основы лабораторного химического искусства, совершенствовалась аппаратура, по крупицам накапливались зачатки подлинно научных знаний. Алхимиками были впервые получены многие химические элементы – кислород, хлор, водород.

В 1620 году при сжигании дубовых углей был получен углекислый газ, названный сначала «лесным духом».

Постепенно, хоть и очень медленно, алхимики отходили от своего «фетиша» − получения золота, по пути увлекаясь исследованием вполне реальных процессов и задач, поставленных практикой.

Важную роль в повороте алхимии к нуждам практики сыграл знаменитый врач Теофраст Парацельс (1493−1541, рисунок 2.2). Парацельс ясно определил новую цель химии − приготовление лекарств.

Рисунок 2.2 − Теофраст Парацельс

Другими направлениями, вышедшими из алхимии, были методы исследования и обработки различных руд (Г. Агрикола, XVI в., рисунок 2.3), методы производства красителей, селитры, стекла (И. Глаубер, XVII в., рисунок 2.4).

Рисунок 2.3 − Георг Агрикола

Рисунок 2.4 − Иоганн Глаубер

  1. Учебное пособие для модульно-рейтинговой технологии обучения Бийск (1)

    Учебное пособие
    В данном учебном пособии представлена система методической документации для модульно-рейтинговой технологии изучения раздела «Растворы. Дисперсные системы» курса «Химия», а также для изучения дисциплин, рабочие программы которых предусматривают
  2. Методические рекомендации к изучению дисциплины и к организации самостоятельной работы студентов для модульно-рейтинговой технологии обучения Бийск

    Методические рекомендации
    Основные процессы и аппараты химической технологии. В 2-х ч.: Часть 1. Теоретические основы процессов химической технологии: методические рекомендации к изучению дисциплины и к организации самостоятельной работы студентов для модульно-рейтинговой
  3. Методические рекомендации к курсовому проекту по процессам и аппаратам химических и пищевых технологий для студентов специальностей 240706, 260601, 240701, 240702, 260204, 240901 дневной, вечерней и заочной форм обучения

    Методические рекомендации
    Резанов К.Р. Общие требования к содержанию, организации выполнения и оформлению курсового проекта (работы) по курсам процессов и аппаратов химических и пищевых технологий: методические рекомендации к курсовому проекту по процессам
  4. Процессы и аппараты пищевых производств Бийск Издательство Алтайского государственного технического университета им. И. И. Ползунова 2010

    Документ
    Рекомендовано Сибирским региональным учебно-методическим центром высшего профессионального образования для межвузовского использования в качестве учебного пособия для студентов специальностей 240701 «Химическая технология органических соединений азота»,
  5. Самостоятельная работа студентов методические рекомендации по изучению дисциплины «Химия» для студентов, обучающихся по направлению подготовки 260106 всех форм обучения

    Самостоятельная работа
    Разработано в соответствии с Государственным образовательным стандартом ВПО для направления подготовки 260106 на основе рабочей программы дисциплины «Химия»
  6. Учебное пособие Для студентов высших педагогических учебных заведений Рекомендовано

    Учебное пособие
    В учебном пособии представлены современные теоретические подходы к процессу обучения, в том числе концепции развивающего и личностно-ориентированного обучения.
  7. Самостоятельная работа студентов методические рекомендации по выполнению самостоятельной работы и изучению дисциплины «Общая биология и микробиология» для студентов очной формы обучения специальности 240901 «Биотехнология»

    Самостоятельная работа
    Разработаны в соответствии с Государственными образовательными стандартами ВПО для направлений подготовки специальности 240901 «Биотехнология» на основе образовательного стандарта учебной дисциплины «Общая биология и микробиология».
  8. Методические рекомендации по выполнению самостоятельной работы и изучению дисциплины «Технология отрасли (пиво)» для студентов специальности 260204 «Технология бродильных производств и виноделие» очной формы обучения Бийск

    Методические рекомендации
    работы и изучению дисциплины «Технология отрасли (пиво)» для студентов специальности 260204 «Технология бродильных производств и виноделие» очной формы обучения
  9. Методические рекомендации по выполнению самостоятельной работы и изучению дисциплины «Безопасность жизнедеятельности» для студентов всех специальностей дневной формы обучения Бийск

    Методические рекомендации
    Безопасность жизнедеятельности: методические рекомендации по выполнению самостоятельной работы и изучению дисциплины «Безопасность жизнедеятельности» для студентов всех специальностей дневной формы обучения / А.

Другие похожие документы..