Межпредметные связи физики и химиии

Зинихина Ю.А., Баженов В.М.

Межпредметные связи при обучении химии

Наряду с процессами дифференциации самой химической науки, в настоящее время идут и интеграционные процессы химии с другими отраслями естествознания. Особенно интенсивно развиваются взаимосвязи между физикой и химией. Этот процесс сопровождается возникновением все новых и новых смежных физико-химических отраслей знания.

Вся история взаимодействия химии и физики полна примеров обмена идеями, объектами и методами исследования. На разных этапах своего развития физика снабжала химию понятиями и теоретическими концепциями, оказавшими сильное воздействие на развитие химии. При этом, чем больше усложнялись химические исследования, тем больше аппаратура и методы расчетов физики проникали в химию. Необходимость измерения тепловых эффектов реакции, развитие спектрального и рентгеноструктурного анализа, изучение изотопов и радиоактивных химических элементов, кристаллических решеток вещества, молекулярных структур потребовали создания и привели к использованию сложнейших физических приборов спектроскопов, дифракционных решеток, электронных микроскопов и т.д.

Развитие современной науки подтвердило глубокую связь между физикой и химией. Связь эта носит генетический характер, то есть образование атомов химических элементов, соединение их в молекулы вещества произошло на определенном этапе развития неорганического мира. Также эта связь основывается на общности строения конкретных видов материи, в том числе и молекул веществ, состоящих в конечном итоге из одних и тех же химических элементов, атомов и элементарных частиц. Возникновение химической формы движения в природе вызвало дальнейшее развитие представлений об электромагнитном взаимодействии, изучаемом физикой. На основе периодического закона ныне осуществляется прогресс не только в химии, но и в ядерной физике, на границе которой возникли такие смешанные физико-химические теории, как химия изотопов, радиационная химия.
Химия и физика изучают практически одни и те же объекты, но только каждая из них видит в этих объектах свою сторону, свой предмет изучения. Так, молекула является предметом изучения не только химии, но и молекулярной физики. Если первая изучает ее с точки зрения закономерностей образования, состава, химических свойств, связей, условий ее диссоциации на составляющие атомы, то последняя статистически изучает поведение масс молекул, обуславливающее тепловые явления, различные агрегатные состояния, переходы из газообразной в жидкую и твердую фазы и обратно, явления, не связанные с изменением состава молекул и их внутреннего химического строения.

Сопровождение каждой химической реакции механическим перемещением масс молекул реагентов, выделение или поглощение тепла за счет разрыва или образования связей в новых молекулах убедительно свидетельствуют о тесной связи химических и физических явлений. Так, энергетика химических процессов тесно связана с законами термодинамики. Химические реакции, протекающие с выделением энергии обычно в виде тепла и света, называются экзотермическими. Существуют также эндотермические реакции, протекающие с поглощением энергии. Все сказанное не противоречит законам термодинамики: в случае горения энергия высвобождается одновременно с уменьшением внутренней энергии системы. В эндотермических реакциях идет повышение внутренней энергии системы за счет притока тепла. Измеряя количество энергии, выделяющейся при реакции (тепловой эффект химической реакции), можно судить об изменении внутренней энергии системы. Они измеряется в килоджоулях на моль (кДж/моль).

С возникновением теории относительности, квантовой механики и учения об элементарных частицах раскрылись еще более глубокие связи между физикой и химией. Оказалось, что разгадка объяснения существа свойств химических соединений, самого механизма превращения веществ лежит в строении атомов, в квантово-механических процессах его элементарных частиц и особенно электронов внешней оболочки. Именно новейшая физика сумела решить такие вопросы химии, как природа химической связи, особенности химического строения молекул органических и неорганических соединений и т.д. В сфере соприкосновения физики и химии возник и успешно развивается такой сравнительно молодой раздел из числа основных разделов химии как физическая химия, которая оформилась в конце XIX в. в результате успешных попыток количественного изучения физических свойств химических веществ и смесей, теоретического объяснения молекулярных структур. Экспериментальной и теоретической базой для этого послужили работы Д.И. Менделеева (открытие Периодического закона), Вант-Гоффа (термодинамика химических процессов), С. Аррениуса (теория электролитической диссоциации) и т.д. Предметом ее изучения стали общетеоретические вопросы, касающиеся строения и свойств молекул химических соединений, процессов превращения веществ в связи с взаимной обусловленностью их физическими свойствами, изучение условий протекания химических реакций и совершающихся при этом физических явлений. Сейчас физхимия - это разносторонне разветвленная наука, тесно связывающая физику и химию. В самой физической химии к настоящему времени выделились и вполне сложились в качестве самостоятельных разделов, обладающих своими особыми методами и объектами исследования, электрохимия, учение о растворах, фотохимия, кристаллохимия. В начале XX в. выделилась также в самостоятельную науку выросшая в недрах физической химии коллоидная химия. Со второй половины XX в. в связи с интенсивной разработкой проблем ядерной энергии возникли и получили большое развитие новейшие отрасли физической химии - химия высоких энергий, радиационная химия (предметом ее изучения являются реакции, протекающие под действием ионизирующего излучения), химия изотопов. Оглядываясь на историю взаимоотношений физики и химии, мы видим, что физика играла важную, подчас решающую роль в развитии теоретических концепций и методов исследования в химии. Степень признания этой роли можно оценить, просмотрев, например, список лауреатов Нобелевской премии по химии. Не менее трети в этом списке авторы крупнейших достижений в области физической химии. Среди них - те, кто открыл радиоактивность и изотопы (Резерфорд, М. Кюри, Содди, Астон, Жолио-Кюри и др.), заложил основы квантовой химии (Полинг и Малликен) и современной химической кинетики (Хиншелвуд и Семенов), развил новые физические методы (Дебай, Гейеровский, Эйген, Норриш и Портер, Герцберг). Наконец, следует иметь в виду и то решающее значение, которое начинает играть в развитии науки производительность труда ученого. Физические методы сыграли и продолжают играть в этом отношении в химии революционизирующую роль. Достаточно сравнить, например, время, которое затрачивал химик-органик на установление строения синтезированного соединения химическими средствами и которое он затрачивает теперь, владея арсеналом физических методов. Несомненно, что этот резерв применения достижений физики используется далеко не достаточно. Подведем некоторые итоги. Мы видим, что физика во все большем масштабе и все более плодотворно вторгается в химию. Физика вскрывает сущность качественных химических закономерностей, снабжает химию совершенными инструментами исследования. Растет относительный объем физической химии, и не видно причин, которые могут замедлить этот рост.

Общеизвестно, что химия и биология долгое время шли каждая своим собственным путем, хотя давней мечтой химиков было создание в лабораторных условиях живого организма. Резкое укрепление взаимосвязи химии с биологией произошло в результате создания A.M. Бутлеровым теория химического строения органических соединений. Руководствуясь этой теорией, химики-органики вступили в соревнование с природой. Последующие поколения химиков проявили большую изобретательность, труд, фантазию и творческий поиск в направленном синтезе вещества. Их замыслом было не только подражать природе, они хотели превзойти ее. И сегодня мы можем уверенно заявить, что во многих случаях это удалось.
Поступательное развитие науки XIX в., приведшее к раскрытию структуры атома и детальному познанию строения и состава клетки, открыло перед химиками и биологами практические возможности совместной работы над химическими проблемами учения о клетке, над вопросами о характере химических процессов в живых тканях, об обусловленности биологических функций химическими реакциями. Если посмотреть на обмен веществ в организме с чисто химической точки зрения, как это сделал А.И. Опарин, мы увидим совокупность большого числа сравнительно простых и однообразных химических реакций, которые сочетаются между собой во времени, протекают не случайно, а в строгой последовательности, в результате чего образуются длинные цепи реакций. И этот порядок закономерно направлен, к постоянному самосохранению и самовоспроизведению всей живой системы в целом в данных условиях окружающей среды. Словом, такие специфические свойства живого, как рост, размножение, подвижность, возбудимость, способность реагировать на изменения внешней среды, связаны с определенными комплексами химических превращений. Значение химии среди наук, изучающих жизнь, исключительно велико. Именно химией выявлена важнейшая роль хлорофилла как химической основы фотосинтеза, гемоглобина как основы процесса дыхания, установлена химическая природа передачи нервного возбуждения, определена структура нуклеиновых кислот и т.д. Но главное заключается в том, что объективно в самой основе биологических процессов, функций живого лежат химические механизмы. Все функции и процессы, происходящие в живом организме, оказывается возможным изложить на языке химии, в виде конкретных химических процессов. Разумеется, было бы неверным сводить явления жизни к химическим процессам. Это было бы грубым механистическим упрощением. И ярким свидетельством этого выступает специфика химических процессов в живых системах по сравнению с неживыми. Изучение этой специфики раскрывает единство и взаимосвязь химической и биологической форм движения материи. Об этом же говорят и другие науки, возникшие на стыке биологии, химии и физики: биохимия - наука об обмене веществ и химических процессов в живых организмах; биоорганическая химия - наука о строении, функциях и путях синтеза соединений, составляющих живые организмы; физико-химическая биология как наука о функционировании сложных систем передачи информации и регулировании биологических процессов на молекулярном уровне, а также биофизика, биофизическая химия и радиационная биология. Крупнейшими достижениями этого процесса стали определение химических продуктов клеточного метаболизма (обмена веществ в растениях, животных, микроорганизмах), установление биологических путей и циклов биосинтеза этих продуктов; был реализован их искусственный синтез, сделано открытие материальных основ регулятивного и наследственного молекулярного механизма, а также в значительной степени выяснено значение химических процессов» энергетике процессов клетки и вообще живых организмов. Ныне для химии особенно важным становится применение биологических принципов, в которых сконцентрирован опыт приспособления живых организмов к условиям Земли в течение многих миллионов лет, опыт создания наиболее совершенных механизмов и процессов. На этом пути есть уже определенные достижения. Более столетия назад ученые поняли, что основой исключительной эффективности биологических процессов является биокатализ. Поэтому химики ставят своей целью создать новую химию, основанную на каталитическом опыте живой природы. В ней появится новое управление химическими процессами, где начнут применяться принципы, синтеза себе подобных молекул, по принципу ферментов будут созданы катализаторы с таким разнообразием качеств, которые далеко превзойдут существующие в нашей промышленности. Правда, пока все же полученные модели не в состоянии заменить природные биокатализаторы живых систем. На данном этапе развития химических знании проблема эта решается чрезвычайно сложно. Фермент выделяется из живой системы, определяется его структура, он вводится в реакцию для осуществления каталитических функций. Но работает непродолжительное время и быстро разрушается, поскольку является выделенным из целого, из клетки. Цельная клетка со всем ее ферментным аппаратом ~ более важный объект, чем одна, выделенная из нее деталь. Ученые утверждают, что это движение химической науки к принципиально новой химической технологии с перспективой создания аналогов живых систем. Решение названной задачи займет важнейшее место в создании химии будущего.

Для реализации экологического подходя к изучению школьного курса химии предлагает ознакомление учащихся с химическими проблемами экологии.

1. Изучая состав строение и свойство веществ химия должна ответить как ведет себя то или иное вещество в атмосфере, почве водной среде и какие воздействие оказывают на биологические системы.

2. . Раскрывая механизмы биогеохимических процессов в природном круговороте элементов, химия способствует решению задачи наиболее естественного и безболезненного» вхождения промышленного производства в природные циклы, делая его частью какой - либо экосистемы.

3. Используя разнообразные методики химико-аналитического контроля состояния объектов окружающей среды или качества готовой продукции химия позволяет получить информацию, необходимую для последующего принятия решений о предотвращений поступлений вредных веществ в атмосферу.

4. Связь с экологией дает возможность раскрыть особую роль этой науки в борьбе с экологическим невежеством, проявляющемся в укоренившемся представлении о «виновности» химии в сложившейся экологической ситуации, привлечь школьников к исследовательской работе по изучению состояния природной среды, воспитать у них чувство личной ответственности за ее сохранение.

В последние годы в целях повышения интереса к обучению, образного восприятия изучаемого материала все чаще и чаще прибегают к художественному слову. Работа на уроках и внеклассных занятиях с использованием художественной и научно-популярной литературы организация домашнего чтения, служит прочному освоению учащимися основ химии, ознакомлению их с ролью химии в подготовке к труду, помогает учащимся понять, что произошли существенные изменения в характере и содержании труда рабочих. Современное производство требует от человека большого умственного напряжения, хорошей общей и профессиональной подготовки. Помимо вопросов, непосредственно связанных с содержанием произведения художественной и научно-популярной литературы, следует предлагать вопросы побуждающие учащихся использовать и местные печатные материалы, газеты, брошюры. В результате систематического проведения такой работы у учащихся формируется интерес к чтению, умение работать с книгой, проявляется стремление больше читать, жить в мире книг. В.А. Сухомлинский писал: «Жизнь в мире книг - это приобщение к красоте мысли, наслаждения культурными богатствами, возвышение самого себя». Химия связана и с другими науками: математикой, географией, экономикой и другими.

Рассмотрим конкретные примеры.

Тема. "ПРИРОДНЫЕ ИСТОЧНИКИ УГЛЕВОДОРОДОВ».

Связь с экологией. Проблема №1 - возникновение «парникового эффекта». Существует серьезная проблема, непосредственно связанная со сжиганием топлива - это проблема парникового эффекта. Ежегодно в атмосферу поступает около 20 млрд. тонн углекислого газа. В последние десятилетия содержание его в атмосфере стало заметно увеличиваться и сегодня уже на 15-20% превысило уровень 40-х годов. В атмосфере задерживается примерно половина поступающего в нее углекислого газа, вторую поглощают мировой океан и растительность. Углекислый газ существенно влияет на тепловой баланс Земли. Он пропускает большую часть солнечного излучения, но непроницаем для инфракрасного, теплового излучения поверхности Земли. Не давая этому излучению выйти за пределы земной атмосферы, углекислый газ действует как стекло или полиэтиленовая пленка в парниках. Предполагают, что повышение температуры даже на 1 градус может привести к значительному изменению атмосферной циркуляции и условий увлажнения почвы и , как следствие, к сильному смещению зон, оптимальных для земледелия и других видов хозяйственной деятельности. Проблема № 2. - разрушение слоя озона в атмосфере - «озоновая дыра». Содержание озона в атмосфере не достигает и 1/1000000-й доли от содержания остальных газов, однако именно озон поглощает большую часть солнечной ультрафиолетовой радиации, не давая ей достигнуть земной поверхности. Снижение концентрации стратосферного озона опасно, поскольку следующее за этим увеличение интенсивности ультрафиолетового излучения влечет за собой много неприятных последствий. Оно повышает частоту раковых заболеваний и катаракты, повреждает сельскохозяйственные культуры, разрушает фитопланктон. Главным виновником снижения концентрации озона в атмосфере являются фторхлоруглероды. Атомы хлора, входящие в состав фторхлоруглеродов разрушают слой озона. « Озоновая дыра» - это область резко-пониженной концентрации озона в стратосфере. Она наблюдается над Антарктикой, где в последнее десятилетие содержание озона снизилось на 50%. Проблема № 3 - "кислотные дожди". При сжигании топлива выпадают еще и «кислотные дожди» (к которым относятся также «кислотные» снега, туман и роса). Это побочные продукты химических реакций в атмосфере, в которых участвуют оксиды азота и диоксид серы. В ходе таких реакций, эти газы соединятся с водой, и превращаются в азотную и серную кислоты. Капельки такого раствора, падающие на землю и представляют собой «кислотный» дождь. Они наносят колоссальный ущерб здоровью людей и материальным средствам. Под их влиянием гибнут озера, вместе со своими обитателями, коррозирует почва, массивы лессов превращаются в мертвые леса. «Кислотные» дожди разъедают не только легкие человека, но и металлы, краски и даже камень. Проблема №4 - разлив нефти. При катастрофах танкеров . нефть покрывает огромные пространства тончайшей пленкой. Кислород не поступает в воду и как следствие, в воде гибнет все живое.

Связь с историей. На основе бензина изготавливают напалм - зажигательное оружие, предназначенное для поражения живой силы и объектов. Оно состоит из жидкого горючего (бензина, керосина) и порошка-загустителя. Напалм был одним из главных видов химического оружия армии США в Корее и Вьетнаме. На земли Южного Вьетнама американские наемники сбросили 200 тысяч тонн напалма, где и до настоящего времени многие районы представляют из себя пустыни.

Связь с географией. Основные месторождения природного газа, нефти, каменного угля, антрацита.

Тема "УГЛЕВОДОРОДЫ».

Связь с историей. При изучении химических свойств алканов, следует рассказать, что в химической войне против Вьетнама армия США применила более 96 тыс. тонн, гербицидов и дефолиантов трех разновидностей рецептур, получивших наименования «оранжевая», «белая», «голубая». Гербициды американское командование применяло с целью демаскировки партизанских баз, складов и коммуникаций, ликвидации продовольственных баз, уничтожения посевов риса и других культур в густонаселенных районах Вьетнама. Гербициды использовались в колоссальных дозах - рассеивались десятками и даже сотнями килограммов на гектар. Такая дефолиация полностью уничтожает фауну и флору. При изучении полиэтилена и полипропилена довести до понимания учащихся, что они очень медленно разрушаются. Время разложения около ста лет. Наносят вред природе, препятствуют газообмену в почвах и водоемах. Могут быть проглочены животными, что приводит к гибели последних. Необходимо вторичное использование продукта в больших масштабах, а не сжигание. Изделия из хлорсодержащих пластмасс (изоляция провода, полихлорвинил) выделяют токсичные для многих организмов вещества, выделяют при разложении ядовитые вещества. Время разложения на земле и в пресной воде несколько сотен лет, в соленой воде - несколько десятков лет. Вторичного способа использования не существует. Наименее безопасный способ обезвреживания - захоронение на свалках. При разложении образуется углекислый газ, вода, хлороводород, ядовитые хлорорганические соединения.

Связь с биологией. При изучении ароматических углеводородов материал темы помогает вести борьбу с курением на научной основе, показывая что вещества, образующиеся при курении и являющиеся одной из составных частей табачного дыма обладают раздражающим и выраженным канцерогенным действием, приводящим к развитию рака губы или легких. Табачный деготь, содержащий химические стимуляторы роста злокачественных опухолей, также вызывает рак губы, языка, гортани, пищевода, желудка и мочевых путей. Около 50% ядовитых веществ курильщик выделяет в окружающее пространство, создавая вокруг себя кольцо пассивных курильщиков, у которых быстро появляется головная боль, тошнота, общее недомогание, а затем развиваются и хронические заболевания.

Связь с экономикой. При изучении каучуков можно поднять вопрос экономики. На производство шин идет 60% общего объема С.К. При этом ассортимент шин охватывает довольно широкий диапазон - от легких велосипедных шин, до шин диаметром 3,5 метра и весом 3,5 тонны (для 50-и тонных самосвалов). Себестоимость комплекта шин в грузовом автомобиле ЗИЛ-130 составляет 25% от всей стоимости машины. По производству С.К. наша страна занимает 2-е место в мире. А по производству стереорегулярных каучуков - 1 -е. Экономика отрасли напрямую зависит от решения проблемы рационального использования сырья, снижения ее расхода, использования технологических процессов большей единичной мощности.