WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 12 |
Н.Ф. СТАСЬ ВВЕДЕНИЕ В ХИМИЮ Томск 2007 УДК 546 (076.5) ББК Стась Н.Ф.

Введение в химию: Учебное пособие. – Томск: СТАНИФ, 2007. – 155 с.

В пособии рассматриваются понятия и закономерности атомно-молекулярного учения, классификация и номенклатура неорганических соединений, структура и закономерности Периодической системы Д.И. Менделеева, типы химических реакций. Предназначено для студентов с недостаточной базовой подготовкой по химии.

Рецензенты Кандидат химических наук, доцент кафедры общей и неорганической химии Томского политехнического университета Л.Д. Свинцова Кандидат химических наук, доцент кафедры общей и неорганической химии Томского политехнического университета А.В. Коршунов Николай Фдорович Стась, 2007 ПРЕДИСЛОВИЕ Уровень базовых знаний по химии выпускников наших школ из года в год снижается. Причин этого явления много: уменьшение числа уроков, выделяемых на изучение химии, плохое материальное снабжение химических кабинетов, снижение профессиональной компетенции учителей и т.д. Но главная причина, как мы считаем, – это отмена обязательного выпускного экзамена в школах по химии. Поступив в технический университет, многие студенты испытывают поистине шоковое состояние, когда узнают о том, что в университете изучается химия, на которую в школе они не обращали внимания, считая е второстепенным предметом.

Преподаватели химии в технических университетах вынуждены решать проблему ликвидации пробелов в школьном химическом образовании студентов в условиях, когда аудиторное время не выделяется, так как в Государственных образовательных стандартах высшего профессионального образования изучение базового химического материала не предусмотрено. На входном контроле, который мы проводим ежегодно, и на первых же занятиях выявляются огромные пробелы в базовых знаниях по химии. Отметим самые типичные пробелы первокурсников в школьных знаниях по химии.

1. Они не знают атомно-молекулярное учение (это фундамент химии) и простейшие соотношения между количеством, массой и молярной массой вещества.

2. Из школьной химии «вытравлено» понятие стехиометрической валентности; не зная валентность элементов, они часто ошибаются при составлении формул химических соединений.

3. Пониманию состава соединений способствуют их структурные формулы, но о структурных формулах «что-то слышали» лишь отдельные студенты.

4. Они не знают разницы между схемой и уравнением реакции.

5. Стехиометрия как раздел химии, изучающий количественные соотношения между элементами в соединениях и между соединениями в реакциях, большей части поступившим в университет неизвестна.

6. Практически все первокурсники не могут привести объем газа к нормальным условиям и проводить без ошибок вычисления по уравнению уравнению Клапейрона – Менделева.

7. Основные классы неорганических соединений абитуриенты знают, но показать уравнениями реакций химические свойства – это проблема для многих, а показать свойства амфотерного оксида или основания – проблема для всех.

8. Абитуриенты не демонстрируют глубины понимания периодического закона и закономерностей Периодической системы, например, как изменяются в периодах и группах свойства элементов и однотипных соединений. Поэтому они не могут прогнозировать свойства элемента и его соединений по его месту в Периодической системе.

9. Они имеют слабое представление о способах получения и практическом применении даже самых распространенных соединений: серной кислоты, гидроксида натрия и кальция, карбоната натрия. Практически никто не знает доменный процесс получения железа.

10. При объяснении закономерности химической кинетики абитуриенты любую реакцию рассматривают как простую, тогда как большинство реакций – сложные, кинетический порядок которых не равен молекулярности.

11. Они не знают, что кислые и основные соли диссоциируют ступенчато, не умеют правильно записывать схемы диссоциации.

12. Гидролиз солей: по этой теме из года в год повторяется проблема его ступенчатости; у абитуриентов гидролиз всех солей протекает необратимо по всем ступеням одновременно.

13. Они плохо решают задачи, связанные с массовой долей растворенного вещества, и совсем не знают молярной концентрации, которая является основным способом выражения состава растворов.

14. Трудно поверить, но многие абитуриенты не знают соотношения между граммом и килограммом, миллилитром и литром и т.д.

15. Они не умеют вычислять логарифмы и антилогарифмы чисел, хотя в химических расчтах такие математические действия приходится проводить, например в расчтах по уравнениям Аррениуса и Нернста.

Немало и таких студентов, которые до поступления в университет химию вообще не изучали.

Например, на машиностроительный факультет Томского политехнического университета принимаются выпускники машиностроительного колледжа, которым в качестве вступительных экзаменов засчитываются итоговые оценки колледжа. В этом колледже изучение химии учебным планом не предусмотрено, и она не изучается.

В Томском политехническом университете преподаватели кафедры общей и неорганической химии в течение 5–6 недель в начале семестра вынуждены обучать студентов школьной химии, из-за чего часть вузовского материала, предусмотренного Государственным образовательным стандартом, не изучается. Но они должны это делать, так как без этой вынужденной меры химические знания студентов не будут иметь прочного фундамента.

Можно ли изменить эту ситуацию Какими методическими примами можно сократить время изучения «начал» химии Возможности имеются: дополнительные занятия, консультации, обучение в компьютерных классах и по Интернету, обучение с помощью компакт-дисков, репетиторство и т.д. Но эти возможности студенты не используют. Адаптация к суровым вузовским требованиям идт медленно, синдром школьника (пусть меня научат) сопровождает студента на протяжении всего первого курса.



Ещ одна возможность – самостоятельное изучение основных понятий и законов химии. Самостоятельная работа студентов является сейчас основным методом в системе высшего профессионального образования. Эффективность самостоятельной работы зависит в первую очередь от самого студента, от его умения самостоятельно учиться. Но преподаватели должны обеспечивать студентов хорошим учебным материалом: учебными пособиями, примерами использования теоретического материала при решении практических задач, средствами самоконтроля и внешнего объективного контроля.

Данное пособие предназначено для самостоятельного изучения «начал» химии. Это атомномолекулярное учение, стехиометрия, классификация и номенклатура неорганических соединений, структура и закономерности Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, типы и уравнения химических реакций, основные способы выражения концентрации растворов, электролитическая диссоциация, ионообменные реакции, гидролиз солей.

Содержание дисциплины «Химия», которую изучают студенты общетехнических (нехимических) направлений в Томском политехническом университете и усвоение которого контролируется на экзамене (на некоторых факультетах – на зачте) распределено по 12 темам, каждая из которых включает от 5 до 14 элементов содержания (приложение 1). Материал данного пособия соответствует полному содержанию темы 1 (Атомно-молекулярное учение и стехиометрия), 2 (Классификация и номенклатура неорганических соединений), 11 (Окислительно-восстановительные реакции) и части содержания темы 3 (Строение атома и Периодическая система химических элементов), 8 (Концентрация растворов), 9 (Свойства растворов) и 10 (Реакции в растворах электролитов). Данным пособием охвачено 20 элементов содержания, то есть пятая часть всего материала химии (общее число элементов содержания равно 100). Усвоив этот материал, студент значительно облегчает себе работу по изучению других, более сложных тем.

Изложение теоретического материала в данном пособии сопровождается примерами решения задач и упражнений, которые способствуют лучшему восприятию теоретического материала. После изучения каждой главы необходимо (для самоконтроля) выполнить тест и задания для самостоятельного решения. Полученные ответы самостоятельно сверяются с правильными (приложение 2). После полного изучения пособия (на это выделяется примерно один месяц от начала занятий) необходимо сдать зачт по всему материалу. Пример зачтного задания, которое выполняется на двухчасовом аудиторном занятии, приведен в приложении 3.

ВВЕДЕНИЕ 1. Предмет химии Человека окружает огромный мир разнообразных веществ и явлений. Естественные науки изучают этот мир и закономерности происходящих в нем явлений. Природные явления и технические процессы подразделяются на физические и химические. В физических явлениях и процессах вещества не изменяют своего состава; в химических процессах из одних веществ образуются другие вещества с другими свойствами. Химические процессы называются химическими реакциями.

Химия изучает состав, строение и свойства веществ, закономерности химических реакций и явления, которыми они сопровождаются.

Химические вещества и химические реакции используются в металлургии, энергетике, химических источниках электроэнергии, в медицине, при приготовлении продуктов питания, при уходе за автомобилем, в сельском хозяйстве, в быту и т.д. Химия вносит большой вклад в решение самых главных проблем человечества: получение новых веществ, энергетика, продовольственная и экологические проблемы. Поэтому каждый специалист, работающий в сфере материального производства, должен знать основы химии.

2. Этапы развития химии Вставка Глава 1. АТОМНО-МОЛЕКУЛЯРНОЕ УЧЕНИЕ И СТЕХИОМЕТРИЯ Атомно-молекулярное учение – фундаментальная основа химии и физики. Представление о том, что вещество состоит из отдельных очень малых неделимых частиц атомов, возникло еще в Древней Греции (атомная гипотеза). Но научное обоснование этой гипотезы стало возможным лишь в конце 18 – начале 19 вв., когда при изучении химических и физических процессов стали использовать все более точные количественные методы исследования.

Основные положения атомно-молекулярного учения были сформулированы М.В. Ломоносовым (1741) в разработанной им корпускулярной теории строения вещества. Работы Ломоносова на многие десятилетия опередили свою эпоху, его корпускулярная теория не была понята и не была воспринята современниками. Но количественные методы исследований, которые стали применяться в химии, привели к появлению и быстрому развитию стехиометрии.

1. Стехиометрические законы Стехиометрией называется раздел химии, который изучает количественный состав веществ и количественные соотношения между взаимодействующими веществами. Основой этого раздела химии являются стехиометрические законы: сохранения массы, постоянства состава, кратных отношений, объемных отношений и эквивалентов.

Закон сохранения массы: масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции. Этот закон сформулировал (1748) и экспериментально подтвердил (1756) Ломоносов. Независимо от него этот закон установил позже (1789) Лавуазье, который показал, что при химических реакциях сохраняется не только общая масса веществ, но и масса каждого из элементов, входящих в состав взаимодействующих веществ.





Закон постоянства состава (Пруст, 1808): вещества имеют постоянный состав независимо от способа их получения.

Закон кратных отношений (Дальтон, 1803): если два элемента образуют между собой несколько соединений, то массы одного элемента, соединяющиеся с одной и той же массой другого элемента, относятся между собой как небольшие целые числа.

Для объяснения этих законов Дальтон в (1803) предложил атомную теорию строения вещества, сущность которой сводится к следующему:

1) элементы состоят из мельчайших частиц – атомов; все атомы одного элемента одинаковы;

2) атомы разных элементов имеют разную массу и обладают разными свойствами;

3) в химических реакциях атомы одного элемента не превращаются в атомы других элементов;

4) химические соединения состоят из атомов двух или нескольких элементов, при этом количества атомов различных элементов в соединении всегда постоянны.

Теория Дальтона объяснила законы сохранения массы, постоянства состава и кратных отношений, но не закон простых объемных отношений, установленный Гей-Люссаком (1805): объемы вступающих в реакцию газов относятся друг к другу и к объемам образующихся газообразных продуктов реакции как небольшие целые числа.

Для объяснения этого закона Авогадро (1811) выдвинул гипотезу, которая теперь называется законом Авогадро: в равных объемах любых газов, взятых при одной и той же температуре и при одинаковом давлении, содержится одно и то же число молекул. Этот закон ввел в науку понятие о молекуле как о частице вещества; при этом понятие атома как мельчайшей частицы элемента сохранялось.

Все наши представления о строении и свойствах веществ, о природе физических и химических явлений базируется на атомно-молекулярном учении. Реальность атомов и молекул доказана не только косвенными данными, но и прямыми исследованиями их внутреннего строения.

С развитием науки выяснилось, что мир веществ сложен и разнообразен. Не все вещества состоят из молекул; например, соли имеют ионную структуру. В начале 20 в. были открыты соединения переменного состава, на которые не распространяется закон постоянства состава и кратных отношений. Такие вещества объединяются общим названием бертоллиды, тогда как вещества постоянного состава имеют название дальтониды.

Но самое главное открытие в конце 19-го–начале 20 века – открытие сложного внутреннего строения атома. Установлено, что атом имеет положительно заряженное ядро, которое состоит из элементарных частиц – протонов и нейтронов, и электронной оболочки, которая состоит из валентных и невалентных, спаренных и неспаренных электронов. Открыты и экспериментально освоены процессы разложения и образования ядер атомов, решены проблемы использования внутриядерной энергии и синтеза новых химических элементов, которых нет в природе. Но новые открытия не «отменяют», а лишь развивают и углубляют атомно-молекулярное учение.

2. Химические элементы Химическим элементом называется вид атомов с определенной величиной положительного заряда ядра и определенной совокупностью свойств.

В настоящее время известно 112 химических элементов. Одни элементы используются человеком с древних времен, другие открыты в природе в 18 – 20 вв. Около 20 элементов в природе не существуют, они получены искусственно с помощью ядерных реакций.

Все элементы имеют названия и символы. Символ элемента – это его обозначение первой буквой или двумя первыми буквами латинского названия химического элемента.

Великий русский химик Д.И. Менделеев установил, что между всеми химическими элементами существует закономерная связь, которую он назвал периодическим законом (1869). Наглядным отображением этого закона является известная всем таблица – Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева. В ней приведены символы, названия и важнейшие характеристики элементов.

Примечание. Символы многих химических элементов понятны, потому что их русские и латинские названия созвучны, например Са – кальций (Calzium), Na – натрий (Natrium) и т.д. Но у некоторых элементов русские и латинские названия сильно отличаются, например, Fe – железо (Ferrum), Au – золото (Aurum), Ag – серебро (Argentum), O – кислород (Oxigenium), H – водород (Hidrogenium), C – углерод (Carboneum) и т.д. В справочнике, который рекомендуется использовать при изучении химии (Стась Н.Ф. Справочник по общей и неорганической химии), приведены две формы Периодической системы (8-клеточная и 18-клеточная) и таблица с русскими, латинскими, английскими, немецкими и французскими названиями химических элементов.

Если число химических элементов 112, а элемент – это вид атома, то должно существовать видов атома. В действительности это не так. Установлено, что почти каждый химический элемент является совокупностью нескольких изотопов. Изотопами называются атомы, обладающие одинаковым зарядом ядра, но разным числом нейтронов в ядре. Изотопы обозначаются символами химических элементов с индексом слева вверху, который показывает массовое число. Массовым числом атома (изотопа) называется сумма протонов и нейтронов, содержащихся в ядре атома, например:

35 37 29 29 Cl, Cl, Mg, Mg, Mg и т.д.

Масса ядра атома (изотопа) всегда несколько меньше, чем массовое число. Уменьшение массы при образовании атомных ядер (дефект массы) объясняется тем, что в ядрах атомов действуют огромные силы притяжения между протонами и нейтронами. Возникновение этих сил сопровождается дефектом массы согласно теории относительности Эйнштейна.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 12 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.