Методика формирования понятия "Цепная реакция"

Методика формирования понятия "цепная реакция"

Глубока взаимность физической и химической наук не может не учитываться при изучении физики и химии.

Реализация межпредметных связей требует согласованности в тракторе общих понятий и законов. Однако до сих пор в методической литературе не обсуждалась возможность формирования универсального понятия "цепная реакция", характеризующего единый механизм протекания ряда физических и химических явлений, изучаемых в названных школьных дисциплинах. Вместе с тем рассмотрение этого понятия на "межпредметном уровне" способствует генерализации учебного материала, преодолению его фактологической разобщенности, систематизации знаний учащихся и, кроме того, имеет большую практическую значимость для современных химических технологий и для ядерной энергетики.

Ниже проанализированы представленные в курсах физики и химии сведения, относящиеся к цепным реакциям, и даны рекомендации по их обобщению в интересах обучения физике на основе углубленного повторения знаний по химии.

Из широкого класса цепных реакций в школьном курсе физики традиционно рассматривают лишь цепные ядерные реакции деление урана нейтронами. Приводится описание данного процесса как самоподдерживающейся( при определённых условиях) цепи расщеплений ядер в результате высвобождения нейтронов в каждом элементарном акте деления. Однако в методике преподавания этого вопроса не учитывается, что с примерами цепных реакций школьники уже встречались в курсе химии дважды - при изучении свойств хлора и механизма реакций замещения. Учащиеся рассматривали цепные фотохимические реакции хлорирования водорода , хотя при этом формирование понятия "цепная химическая реакция" не проводилось.

Рекомендуем использовать эти знания по химии прежде всего на уроке физики, где изучается химическое действие света и его применения , поскольку в учебнике "Физика-11" нет конкретных примеров химических реакций, происходящих под действием света, и нуждается в разъяснении фраза "Часто после расщепления молекул светом начинается целая цепочка химических превращений". Привлекая материал о фотохимических реакциях хлорирования водорода и метана, следует учесть, что известен свободнорадикальный механизм их протекания, подробно изложенный в учебнике химии Х класса. Полезным дополнением к этому уроку станет рассказ об истории открытия цепного механизма протекания химических реакций; этот материал непосредственно связан с исследованиями квантовых свойств света.

В 1913 г. немецкий учёный М. Боденштейн, изучая химические реакции под действием света, обнаружил, что в газообразной смеси Н2 и С12 один из поглощенный световой квант вызывает образование до 10*6 молекул НС1. Это наблюдение взгляд явно противоречило вытекающему из квантовых постулатов А. Эйнштейна закону протекания фотохимических реакций, согласно которому один квант света, поглощенный молекулой вещества, должен вызывать один акт химического превращения, т.е. в данном случае порождать две молекулы НС1. Возникшее несоответствие опытных фактов и теоретических предсказаний заставило пересмотреть представления о механизме химических процессов. Данный пример служит воспитанию научного мышления, поскольку наглядно иллюстрирует диалектику развития наших знаний о природе как процесс выявления и разрешения противоречий.

Целесообразно заинтересовать учащихся творческой биографией одного создателей теории цепных реакций - советского физико-химика Н.Н. Семенова (1896-1986), который был удостоен в 1956 г. первым из учёных нашей страны Нобелевской премии. Можно предложить им реферат доклад о жизни и деятельности этого выдающегося исследователя и крупного организатора советской науки.

Использование сведений из химии о цепях хлорирования представляет собой первый этап формирования в курсе физики понятия о цепной реакции - активизацию и актуализацию знаний о цепных процессах. Здесь мы имеем с ретроспективной фактической межпредметной связью [4].

Объясняя в курсе физики особенности расщепления урана нейтронами, учитель физики прежде всего привлекает внимание к термину "цепной процесс", знакомому им из курса химии. Рекомендуется провести сравнение цепных реакций деления урана и образования хлороводорода. Учащиеся без труда обнаружат общие черты в развитии этих процессов: ту и другую реакцию можно представать в виде последовательности типовых звеньев; в каждом таком звене возникает, по крайней мере, одна активная частица, инициирующая последующее аналогичное звено. Различие механизмов протекания указанных реакций состоит в том, что в звене цепи деление урана возникает в среднем 2-3 активные частицы, тогда как цепь хлорирования осуществляется путём последовательных высвобождений одной активной частицы.

Звено деления урана имеет вид:

U+n осколки деления +n+n...,

звено хлорирования выглядит следующим образом:

1) С1+Н2=НС1+Н,

2) Н+С12=НС1+С1

Затем следует позаботиться о расширении знаний о круге явлений, протекающих по типу цепных процессов, с тем чтобы учащиеся могли оценить распространенность цепных реакций в природе. Анализ явлений целесообразно проводить, опираясь на определение цепной реакции3: цепные реакции - это химические или физические процессы, в которых появление промежуточной активной частицы в каждом элементарном акте реакции. Разобрав это определение, можно предложить учащимся задание: "Объясните, как вы понимаете термин "звено цепи". Далее говорим: реакции с расширенным воспроизводством активных частиц в одном звене получили название разветвленных. В развитии цепной реакции различают три стадии: зарождение, продолжение и обрыв. Например, зарождение цепи хлорирования водорода или метана происходит при фотодиссоциации молекулы хлора, т.е. в результате расщепления последней под действием света:

С12 22С1,а причиной обрыва цепи может стать захват атома С1 стенкой сосуда, содержащего газовую смесь, или молекулой примеси. Зарождение цепной ядерной реакции деления может осуществляться, например, в результате высвобождения нейтронов при спонтанном делении ядер урана; потери же нейтронов, обусловленные их захватом примеси либо вылетом за пределы активной зоны реактора, приводят к обрыву реакции. Количество активных частиц, возникающих в каждом звене, определяет кинетику цепной реакции. Если в звене цепи возникает одна активная частица, то реакция будет неразветвленной и протекать она будет с постоянной скоростью. Разветвленная реакция может развиваться лавинообразно, если баланс между рождением и гибелью активных частиц складывается в пользу процессов первого типа. Для торможения развития цепи используют в небольших количествах специальные вещества - замедлители, которые поглощают часть активных частиц. Разветвленные цепные химические реакции принято характеризовать скоростями реакций появления активных частиц k1 и их гибели К2 Отношение k1/k2 имеет для развития химической цепи такое же значение, как коэффициент размножения нейтронов k для ядерной цепной реакции. Очевидно, что в случаях k1/k2 k

С моей точки зрения, целесообразно на уроках химии более детально рассмотреть отдельные цепные химические реакции. Дело в том, что в школьных учебниках химии для ряда цепных процессов даны лишь итоговые уравнения, из которых ясно только то, какие вещества и в каком количественном соотношении вступает в реакцию; механизм же реакций в них не отражен. Его раскрытие - существенный резерв для осмысления знаний. Приведем расшифровку нескольких итоговых уравнений, доступную пониманию десятиклассников во второй половине учебного года. Возможно обзорное сообщение на эту тему.

Окисление водорода. Реакция инициируется при появлении смеси Н2 и О2 свободных атомов водорода. Эти атомы возникают за счет диссоциации молекул Н2 либо в условиях высоких температур, либо под воздействием электронов, образующихся при электрическом разряде в газе. После этого реакция идет по схеме:

1)Н+О2=ОН+О,

2)ОН+Н2=Н2О+Н,

3)О+Н2=ОН+Н и т.д.

Возникший в третьей реакции радикал ОН будет участвовать в реакции типа 2, образуя при этом Н, а высвободившиеся атомы Н вступают в реакции типа 1. Ввиду разветвленного характера реакции окисления водорода возможно лавинообразные развитие этого процесса, воспринимаемые как вспышка или взрыв [2, с. 68-69, 185]. Однако вспышка не произойдет, если сосуд, содержащий взрывоопасную смесь, внести стержень из графита: зарождающиеся атомы водорода адсорбируются поверхностью графита и поэтому не успеют накопиться в системе. Если стержень удалить, смесь моментально воспламеняется. Управление горения водорода очень напоминает управление процессом расщепления уранового топлива в ядерных реакторах при помощи стержней из борсодержащего материала или кадмия. При взаимодействии фтора с водородом (2, с. 138) тоже имеет место цепная реакция. Разветвление цепи происходит за счет образования возбужденных молекул HF*, которые при столкновениях с молекулами Н2 передают им избыточную энергию:

1) F2 2F,

2) F+H2=HF*+H,

3)H+F2=HF*+F,

_____________________________________

4)HF*+H2=HF+Нf, }так называемое энергетическое

5)H2*+F2=HF+H+F- }разветвление

Окисление азота - еще одна цепная реакция. Идёт при высоких температурах. Реакция зарождается при диссоциации молекул кислорода и осуществляется по неразветвленному цепному механизму, звено которого имеет вид:

1)O+N2=NO+N

2)N+O2=NO+O

На примере хлорирования метана в учебнике химии разъясняется свободно-радикальный механизм химических реакций. Этот учебный материал, согласно программе по химии, относится к вопросу "Образование и разрыв связей" или "Теория химического строения органических соединений". Схема данного процесса в приятных нами обозначениях, более удобных для использования на уроках физики, имеет вид:

1)С12 2С1,

2)С1+СН4=НС1+СН3,

3)СН+С12=СН3С1+С1 и т.д.

Полимеризация также происходит по типу неразветвленных цепных процессов и обусловлена, как и все предшествующие химические реакции, способностью радикалов к регенерации. В учебнике химии для Х класса подробно описан процесс синтеза полиэтилена. Реакции полимеризации отличаются тем, что в ходе их развития осуществляется рост макромолекулы, которая может содержать до сотен тысяч типовых звеньев. Полимеризацию можно инициировать путем добавления специальных веществ, воздействием на исходные молекулы мономера ионизирующих излучений, света или электрического тока. С помощью полимеризации получают синтетический каучук, пластические массы, исскуственные волокна.

Термический крекинг - тоже цепная реакция. Под действием высоких температур происходит разложение тяжёлых углеводородов на свободные радикалы, которые инициируют развитие неразветвленных цепных реакций распада органических молекул. В учебнике химии для Х класса рассмотрены реакции образования и гибели свободных радикалов при термическом разложении пентана.

Завершая обзор примеров химических цепных реакций, следует сообщить, что по "цепному механизму" протекают так же процессы окисления паров серы, окиси углерода, сероуглерода, фосфора, углеводородов, процесс введения галогенов в состав органических молекул. Необходимо подвести десятиклассников к выводу о том, что создание теории ценных реакций в химии явилось обобщением крупного масштаба. Целесообразно подчеркнуть, что, разработанная первоначально для химических реакций, эта теория впоследствии оказалась пригодной для описания и разнообразных физических явлений.

Рассмотрим теперь неиспользованные возможности преподавании физики для развития представлений о цепных реакциях. Укажем развивающиеся по "цепному механизму" те физические явления, изучение которых предусмотрено школьной программой. Все они относятся к разветвленным реакциям.

Развитие электронной лавины при самостоятельном разряде в газе или электрическом пробое диэлектрика. Рассматривая этот пример цепной реакции, нужно подчеркнуть: активными частицами в данном процессе являются электроны, ускоренные электрическим полем. Дополнительно можно рассказать о применении лавинного размножения электронов в устройстве фотоэлектронного умножителя, используемого для преобразования слабых вспышек света в электрические сигналы и усиления последних.

Лазеры. Рассказывая о типах лазеров, желательно упомянуть о химических лазерах, излучение которых возникает в результате протекания в рабочем веществе химических реакций, приводящих к образованию возбужденных молекул. Однако наличия возбужденных молекул недостаточно для лазерной генерации. Необходимо, чтобы время химической накачки было меньше времени жизни возбужденной молекулы. Указанные условия могут возникать при протекании цепных разветвленных цепных реакций, которые после первичного инициирования развиваются лавинообразно и за очень короткое время охватывает весь объём реагирующего вещества. Так, во фтороводородных лазерах импульсного действия используется подробно рассмотренная выше реакция в смеси Н2 и F2, приводящая к образованию возбужденных молекул НF*. Отметим интересную особенность химических импульсных лазеров: в них "химическая цепь" создаёт предпосылку развития "физической цепи" - лавины фотонов.

Индуцированное излучение возбужденной среды - тоже цепной процесс; именно он обеспечивает когерентное излучение лазера. В качестве активных частиц здесь выступают фотоны, которые вызывают квантовые переходы молекул и атомов метастабильного возбужденного состояния в основе. Для иллюстрации цепного механизма лазерной генерации можно обратиться к кадру 23 цветного учебного диафильма "Квантовые генераторы".

Цепная реакция деления ядер. Помимо рассмотрения процессов деления тяжелых ядер

₉₂²³³U, ₉₂²³⁵U, ₉₂²³⁸U, ₉₄²³⁹Pu

под действием нейтронов целесообразно привлечь внимание учеников к еще одной ядерной реакции: ₄⁹Be+₀¹n ₂⁴H+2₀¹n; в ней так же происходит размножение нейтронов и

выделяется большое количество энергии. И хотя практическое осуществление цепного процесса деления бериллия-9 оказалось невозможным, эта реакция представляет интерес с точки зрения проблемы воспроизводство трития, решение которой важно для термоядерной энергетики. Поясним сказанное.

Как известно, наиболее перспективной в отношении высвобождения ядерной энергетики является реакция:

₁²H+₁³H ₂⁴He+₀¹n.

Участвующий в ней дейтерий присутствует в природном водороде в концентрации 0,015% и может быть выделен в процессе переработки морской воды. Тритий же имеет ничтожно малую распространенность в природе; к тому же он нестабилен, однако его можно получить при облучении лития-6 нейтронами:

₃⁶Li+₀¹n ₁³H+₂⁴He

Необходимые для этого нейтроны возникают в ходе самой термоядерной реакции, но для увеличения выхода нейтронов с целью расширенного воспроизводства трития в реакторе можно применить бериллий-9. Возникла идея: окружить активную зону реактора, в которой происходит основное энерговыделение, оболочкой из бериллия-9, за которой расположить оболочку из лития-6. Первая должна служить для размножения "термоядерных" нейтронов, во второй будет накапливаться тритий. Извлеченный из литиевой оболочки тритий можно вновь использовать для "приготовления" термоядерного топлива. Так выглядит тритиевый производственно-технологический цикл, напоминающий звено цепной реакции.

Синтез элементов. Изучая термоядерные реакции на уроках физики, учащиеся знакомятся на качественном уровне с синтезом элементов в недрах звезд: "... на ранней стадии развития звезды она в основном состоит из водорода. Температура внутри звезды столь велика, что в ней протекают реакции слияния протонов с образованием гелия. Затем при слияния ядер гелия образуются и более сложные элементы...". Этот учебный материал входит так же в курс астрономии; он соответствует вопросам программы "Химический состав звездной плазмы" и "... Источники энергии звезд".

Процессы "горения" водорода в звёздах так же идут по типу цепных реакций. Целесообразно ознакомить учащихся с протон-протонным циклом, о котором упоминается в учебнике "Физика-10" на с. 285. Этот цикл образует термоядерные реакции, в ходе которых выделяется основная необходимая для существования Солнца энергия:

₁¹H+₁¹H ₁²H+₁⁰e+v,

₁¹H+₁²H ₂³He+y,

₂³He+₂³He ₂⁴He+₁¹H+₁¹H,

На этой стадии, однако, цикл термоядерных реакций не заканчивается; он может продолжаться дальше:

₂³ He+₂⁴He ₄⁷Be+y,

₄⁷Be+...₁⁰e ₃⁷Li+v, ₃⁷Li+₁¹H ₂⁴He+₂⁴He.

Лучевая болезнь (вопрос "Поглощенная доза излучения и ее биологическое действие. Защита от излучений" темы "Атом и атомное ядро"). При работе этого материала разъясняют учащимся, что лучевая болезнь возникает после действия на организм человека ядерных излучений и развивается в результате цепных химических реакций в биологических тканях. Радиация является лишь инициатором этих реакций, поскольку развивает химические реакции связи сложных органических молекул и порождает свободные радикалы, обладающие высокой способностью вступать в реакции и свойством регенерации. Поэтому терапевтическое лечение лучевой болезни основано на "связывании" или выведении из организма этих опасных радикалов, что приостанавливает развитие губительных для здоровья человека цепных реакций.

Согласно исследованиям психологов, понятие можно считать сформированным лишь тогда, когда оно обобщено и не сковано единичными образами, служащие опорами при его образовании, когда выявлены его существенные связи с другими понятиями. Совокупность учебных материалов по физике и химии позволяет сформировать понятие о цепных реакциях. Поэтому помогаем дополнить раздел "Межпредметные связи" программы по физике выпускного класса такой рекомендацией: "После завершения темы "Атом и атомное ядро" целесообразно обобщить знания учащихся о цепных физических и химических процессах, опираясь на сведения из курса неорганической и органической химии". При подготовке такого обобщающего занятия подбор необходимых сведения из курса химии могут самостоятельно выполнить отдельные учащиеся, им поручают написание рефератов и выступления с краткими сообщениями. Оптимальным вариантом нам представляется вынесение заключительного обсуждения вопроса о цепных реакциях на объединенный физико-химический семинар. Возможны 1) факультативное или кружковое занятие, 2) межпредметная конференция на тему "Цепные реакции в химии и физике". Важно подчеркнуть, что сегодня выражение "цепная реакция" употребляется не только в науке и промышленных технологиях, оно перешло в бытовой и политический лексикон, в художественную литературу и на страницы газет; интересующимся физикой можно порекомендовать книгу Ф. Кедрова "Цепная реакция идей".

В заключении подчеркнем, что рассмотренная методика - от конкретных примеров к абстрактному понятию "цепная реакция" - станет значительно эффективной, если будет создано новое, назовем его универсальным, учебно-наглядное пособие, в котором от знакомства с отдельными примерами цепных процессов будет сделан переход к выяснению их общих признаков. Отметим также: имеющиеся на сегодня средства наглядности недостаточны для формирования этого обобщенного понятия; по-видимому, стоит использовать персональные компьютеры, которые обладают возможностями для моделирования цепных реакций.