Межпредметные связи химии с физикой

Важными в преподавании химии являются межпредметные связи с физикой. Проблема взаимосвязи школьных курсов химии и физики обсуждается в психолого-педагогической и методической литературе, а также на страницах периодической печати более шестидесяти лет. Однако до сих пор состояние теоретических исследований данной проблемы и, особенно, её практическое решение оставляют желать лучшего.

Выделены следующие основные направления осуществления межпредметных связей химии и физики в процессе обучения химии.

1) Рассмотрение одних и тех же объектов. Химия и физика изучают много общих объектов, но с разных сторон и в разных аспектах. К главным из них относят вещество, его строение и свойства.

2) Формирование фундаментальных, общих для химии и физики понятий. Сопоставление систем понятий в курсах химии и физики показывает, что общими для этих предметов являются понятия об атомах и молекулах, об энергии и её видах и др.

3) Изучение общих для химии и физики законов и теорий. Общими для химии и физики являются такие фундаментальные законы как закон сохранения и превращения энергии, закон сохранения массы веществ, периодический закон, закон сохранения электрических зарядов, законы электролиза и др. При изучении химии и физики учащиеся знакомятся с рядом теорий, к числу важнейших из которых принадлежат атомно-молекулярное учение, теория строения атома, теория строения вещества, теория электролитической диссоциации и др.

Детальный анализ путей реализации межпредметных связей неорганической химии и физики при изучении общих для этих предметов объектов, понятий, законов и теорий обоснован в работах Е.Я. Аршанского,     А.А. Макарени, А.Э. Мациевского, Е.Е. Минченкова, Л.М. Тукмачева, Д.А. Эпштейна и др. Возможности осуществления данных направлений межпредметных связей в процессе преподавания органической химии во взаимосвязи с физикой изложены в трудах Л.З. Дюсюповой и Г.Н. Осокиной.

4) Взаимный перенос на уроках химии и физики методов, применяемых физическими и химическими науками. Развитие современной химии невозможно без использования физических методов исследования вещества. Так, спектроскопия, ядерный магнитный резонанс и многие другие, будучи физическими методами, широко используются химиками.

Сегодня много внимания уделяется проблеме физико-химических методов исследования в высшей школе. К сожалению, в учебной литературе для средней школы вопрос об использовании физических методов в химии освещается недостаточно. Этот недостаток можно устранить с помощью организации и постановки на уроках химии опытов физико-химического содержания.

Возможности интеграции школьных курсов химии и физики при осуществлении химического эксперимента анализируется в работах Е.Я. Аршанского, Ю.М. Григорьева, А.К. Ризванова, Л.М. Тукмачева, В.Ф. Шилова,  и др.  

5) Применение физических величин на уроках химии. При решении задач по химии широко используются физические величины и единицы их измерения ─ необходимо согласованное их использование. В работах П.А. Глориозова, Р.Г. Ивановой, а также А.С. Тихонова и Д.И. Мычко даны рекомендации по применению физических величин и их единиц в процессе обучения химии.

6) Решение химических задач с опорой на знание физики. Достаточно эффективным направлением реализации межпредметных связей химии и физики следует признать решение задач межпредметного физико-химического содержания. Методика решения таких задач представлена в работах Е.Я. Аршанского, О.В. Петунина, В.Я. Шевцова, Е.А. Шишкина, В.Н. Янцена,  и др.

Межпредметный химико-физический эксперимент

1 . Электропроводность раствора серной кислоты

Цель: показать на опыте, что раствор серной кислоты в воде — проводник электрического тока.

Объекты и оборудование: дистиллированная вода, питьевая вода, раствор серной кислоты H₂SO₄, пипетка, вольтметр, выпрямитель тока, лампа накаливания.

Проведение опыта: с помощью пипетки вносят в дистиллированную воду несколь­ко капель раствора серной кислоты. Лампа начинает светиться, причем ее свечение усиливается по мере добавления серной кислоты, т. е. проводимость раствора серной кислоты зависит от ее концентрации .

Объясняют причины электропроводности раствора серной кис­лоты.

 Говоря об электролитической диссоциации, следует подчерк­нуть, что диссоциируют не все вещества. Для диссоциации необ­ходимы особые свойства растворителя и полярность молекул ра­створяемого вещества. У учащихся не должно создаваться непра­вильных представлений, что вода не проводит электрический ток. Этим свойством обладает только дистиллированная вода. Вода, взятая из водопровода или из колодца (будем ее называть питье­вой водой), содержит в растворенном виде различные соли и по­тому является проводником электрического тока. Убеждаются в этом на опыте.

В вольтаметр наливают питьевую воду и опускают угольные электроды. При замыкании цепи лампа светится неполным нака­лом.

Вывод. Питьевая вода проводит ток, но значительно хуже, чем раствор серной кислоты и многие дру­гие растворы. Это объясняется малой концентрацией солей, раст­воренных в воде.[Шахмаев , Н. М. Физический эксперимент в средней школе : Механика. Молекулярная физика. Электродинамика. – М. : Просвещение, 1989. – 255 с.]

2. Электролиз раствора сульфата меди

Цель:познакомить учащихся на опыте с явлением электролиза.

Объекты и оборудование: раствор сульфата меди, стеклянный сосуд, два электрода, соединительный проводник, амперметр, весы.

Для опыта приготавливают раствор сульфата меди. Концент­рация его может быть различной. Лучше всего сульфат меди растворить при комнатной температуре, взяв его в избытке и слив раствор.

Проведение опыта. Наливают раствор в стеклянный сосуд. Один угольный элект­род укрепляют в специальном держателе и опускают его в раст­вор. Другой электрод вместе с соединительными проводниками подвешивают к коромыслу весов и уравновешивают их. Элект­род при этом тоже погружен в раствор (рис. 4).

Собирают электрическую цепь. В качестве источника тока применяют батарею аккумуляторов, демонстрационный амперметр берут с шунтом на 3 А, переключив его на постоянный ток. Подвешенный к коромыслу весов электрод соединяют с отрица­тельным полюсом батареи аккумуляторов.

В опыте, во-первых, показывается сам факт отложения метал­ла на катоде, во-вторых, качественно демонстрируется зависи­мость массы выделившегося на катоде вещества от силы тока и времени его прохождения.

Замечают время и включают собранную цепь, реостатом устанавливают силу тока порядка 1-2 А. Столь большой ток необходим, чтобы сократить время демонстрации. По мере выделения меди на катоде равновесие весов нарушается. Через некоторое время (несколько минут) выключают цепь и уравновешивают весы.

Процесс на катоде: Cu²⁺ +2ē → Cu – восстановление.

Процесс на аноде: 2 H₂O - 4ē → O₂↑+ 4H⁺ – окисление .

Суммарно: Cu²⁺ + 2 H₂O → Cu + O₂↑+ 4H⁺

CuSO₄ + 2 H₂O → 2 H₂SO₄ + Cu + O₂↑

Масса выделившегося вещества равна массе дополнительных гирь. Вынимают на время электрод и показывают, что он покрыт слоем отложившейся меди. [Шахмаев , Н. М. Физический эксперимент в средней школе : Механика. Молекулярная физика. Электродинамика. – М. : Просвещение, 1989. – 255 с.]

3.Тепловой эффект взаимодействия серной кислоты с водой

Цель: познакомить учащихся с тепловым эффектом химических реакций.

Материалы и оборудования: концентрированная серная кислота, дистиллированная вода, химический стакан, кристаллизатор, термометр.

Проведение опыта: стакан емкостью 200 мл наполовину наполняем дистиллированной водой и помещаем в кристаллизатор. Термометр, закрепленный в штативе, опускаем в стакан с водой так, чтобы шарик с ртутью не касался дна стакана (рис. 5). Отмечаем комнатную температуру. Затем медленно при помешивании стеклянной палочкой приливаем концентрированную серную кислоту из стакана на 100 мл. Температура, постепенно поднимаясь, превышает 150 "С, но раствор не кипит. Происходит гидратация молекул серной кислоты, образуются гидраты состава

H₂SO₄ ∙ H₂O, H₂SO₄ ∙ 2 H₂O, H₂SO₄ ∙ 4 H₂O

Аршанский Е.Я. Обучение химии в разнопрофильных классах. – М.:Центрхимпрес, 2004

4.Наблюдение за движением ионов в электрическом поле.

Цель: рассмотреть движение ионов в электрическом поле.

Реактивы и оборудование: приставка в виде прямоугольной пластинки из фольгированного пластика, шнур-выпрямитель, фильтровальная бумага,   5%-ный раствор нитрата калия, раствор хромата калия, раствор хлорида меди, 25%-ный раствор аммиака.

Проведение опыта: применяют приставку к НЛШ в виде прямоугольной пластины из фольгированного пластика. В средней части пластины медная фольга удалена на расстояние 8 мм и выре­зано окно для визуального наблюдения явления на просвет. Медная фольга по краям пластины выполняет функцию электродов. На при­ставку подают напряжение 6 В с помощью шнура-выпрямителя от одной из розеток НЛШ или выпрямителя «Практикум». Полем для движения ионов является полоска из фильтровальной бумаги, смо­ченная 5%-ным раствором нитрата калия. В опыте используют раствор комплексной соли [Сu(NН₃)₄]СrO₄. Ее получают следующим образом. Готовят по 10-15 мл насыщенных растворов хромата калия и хлорида меди.

После сливания растворов образуется коричневый листовидный осадок, его растворяют постепенным добавлением 25%-ного раствора аммиака, избегая" избытка. Перед проведением опыта учащимся демонстрируют хромат калия и хлорид меди (II) в растворах для наблюдения цвета ионов. Раствор комплексной соли выдают в объеме нескольких капель на доски для капельного ана­лиза. При проведении опыта на пластину подают напряжение, накладывают смоченную фильтровальную бумагу. Затем смачивают белую хлопчатобумажную нитку раствором комплексной соли и накладывают на фильтр посредине отверстия и поперек пластины между электродами.

Рис.6. Прибор для наблюдения явления движения ионов в электрическом поле:

а – электронная планка для фольгированного стеклотекстолита, на которую укладывают фильтровальную бумагу, смоченную электролитом, а затем нитку, смоченную раствором комплексной соли; б – наблюдение явления.

В течение первой минуты наблюдается смещение от нитки в сторону электродов желтой и синей полос. Учащиеся сопоставляют полюса электродов с зарядами и цветностью ионов.[Полосин В.С. Практикум по методике преподавания химии. – М.: Просвещение, 1989 ]

Вывод: в среде электролита под действием электрического тока ионы движутся следующим образом: медь – к катоду, хром – к аноду.

5.Тепловой эффект растворения нитрата аммония

      Цель: изучить тепловой эффект, на примере нитрата аммония.

      Реактивы и оборудование:  химический стакан, пробирка, термометр, фанера, стеклянная палочка, нитрат аммония, вода.

      Проведение опыта: в стакан почти до дна опускаем укрепленный в штативе демонстрационный термометр. Взвешиваем 120 г нитрата ам­мония и пересыпаем его в стакан так, чтобы шарик термо­метра был закрыт (рис.7). Под дно стакана кладем кусок фа­неры, заблаговременно смо­ченный водой. Затем вливаем в стакан 200 мл воды и помеща­ем в раствор пробирку, на 1/4 наполненную водой. Осторож­но помешиваем жидкость стек­лянной палочкой. При раство­рении нитрата аммония в воде температура опускается до -20°С и ниже. Стакан снаружи покрывается инеем, смоченная водой фанера примерзает к дну стакана, а вода в пробирке за­мерзает.

Аршанский Е.Я. Обучение химии в разнопрофильных классах. – М.:Центрхимпрес, 2004

6.Закон сохранения массы веществ при химических реакциях.

Цель: доказать закон сохранения массы веществ при химических реакциях.

Реактивы и оборудование: круглодонная колба, электроды, спираль от электроплитки, магниевая лента, стеклянная трубка, технохимические весы.

Проведение опыта: круглодонную колбу закрываем пробкой с двумя электро­дами. Их можно сделать из ложечек для сжигания ве­ществ. Между электродами укреплена короткая спираль от электроплитки; в спираль вставлен ку­сочек магниевой ленты (размер ее за­висит от величины колбы). Кроме того, в пробку вставлена стеклянная трубка, заканчивающаяся резиновой трубкой с зажимом. Перед началом эксперимента прибор взвешиваем на технохимических весах. При включе­нии тока (через реостат) магний за­горается. После охлаждения снова взвешиваем прибор: масса остается прежней.

Этот эксперимент также дает возможность сделать заключение о составе воздуха. Если опустить резиновую трубку в воду и открыть зажим, вода проникнет в колбу, занимая место вступившего в реакцию кислорода. С помощью мерного цилиндра определяем объем кислорода и его отношение к общему объему.

Аршанский Е.Я. Обучение химии в разнопрофильных классах. – М.:Центрхимпрес, 2004

7. Гальванический элемент как химический источник тока.

       Цель: экспериментально показать принцип действия гальванического элемента.

Реактивы и оборудование: гальванометр, U-образная трубка, графитовый стержень, железная пластинка или гвоздь, 0,2 М раствор серной кислоты.

       При изучении окислительно-восстановительных реакций важно, чтобы учащиеся понимали, что теоретически любая из таких реакций может быть использована для получения электрического тока. Для этого необходимо пространственно разделить процессы окисления восстановителя и восстановления окислителя. Подобные устройства называются гальваническими элементами.

      Проведение опыта: в U-образную трубку наливаем 0,2 М раствор серной кислоты, опускаем в одно колено трубки графитовый стержень от батареи электрического фонаря, а в другое – железную пластинку или гвоздь(рис.9). Оба электрода присоединяем проводами к гальванометру. Учащиеся наблюдают отклонения стрелки гальванометра от нулевого деления. Это доказывает, что по цепи проходит электрический ток. На графитном стержне собираются пузырьки газа. Это водород.

Суммарное уравнение химической реакции:

Fe + H₂SO₄ = FeSO₄ + H₂↑;

Fe⁰ - 2ē → Fe²⁺ -- восстановитель  окисление

2H₂⁺¹ + 2ē → H₂⁰ – окислитель  восстановление.