Методические страницы

Об интеграции при изучении понятий в курсах физики и химии

Ясность, связность, согласованность содержания учебных дисциплин – главные требования к содержанию образования, которые выдвинул ещё Я.Коменский. Особую остроту необходимости выполнения этих положений имеет нынешнее состояние дидактики. Дело в том, что современная школа переживает период, когда мотивация к обучению катастрофически падает, а объём учебного материала, катастрофически же растёт. Наступает время ревизии с целью уменьшения объёмов учебных материалов и уровня трудности.

Настоящая работа посвящена анализу представления в курсах физики и химии понятий «относительная атомная (молекулярная) масса» и «количество вещества».

Понятия «относительная атомная (молекулярная) масса», «молярная масса», «количество вещества» вводятся и в курсе химии, и в курсе физики. Первый позволяет: • определить количественные отношения элементов в молекулах; • раскрыть возможность количественного анализа химических реакций; • заложить основы понимания периодического закона (периодической системы Менделеева).

Курс физики опирается на те же понятия в процессе изложения двух фрагментов молекулярной физики: масса и размеры молекул и уравнение состояния идеального газа.

В результате оказывается возможным: раскрыть связь между структурой атомов, молекул и некоторыми легко измеряемыми величинами (объём, масса); решить ряд важных задач (например, определить расстояние между молекулами); записать уравнения состояния идеального газа. Фундаментальное значение этого обстоятельства в том, что таким образом учащиеся знакомятся с особенностями макроскопического подхода к анализу систем, состоящих из большого количества элементов.

В целом же на основании рассмотрения указанных понятий происходит формирование следующих представлений, которые, с нашей точки зрения, являются элементами основ школьного образования: об основных физических величинах и о структуре и основных характеристиках атомов.

Определение указанных величин приводится в огромном количестве учебников, учебных пособий, справочников и т.п. Однако логическая структура учебного материала и сами определения имеют существенные отличия в учебниках физики и химии.

Ниже излагается единая схема, которая может рассматриваться как логическое основание для изложения учебного материала как в курсе химии, так и в курсе физики.

1. «Грубая» структура атома

Предполагается раннее ознакомление учащихся со структурой атома, наличием заряженных и незаряженных частиц в составе атомов, существование электрического взаимодействия. С одной стороны, это позволяет разъяснить возможность химических реакций и образование новых веществ. С другой, позволяет изложить понятия «относительная атомная масса» и «количество вещества» просто и ясно.

Мы сообщаем, что атом состоит из трёх типов частиц. всё химическое многообразие мира определяется количеством частиц одного типа – протонов – в составе каждого атома. Важная особенность: массы протонов и нейтронов в атоме примерно равны (эти частицы называют нуклонами), масса электрона значительно меньше.

«Грубость» модели проявляется в том, что в дальнейшем мы будем считать массы протона и нейтрона равными, а массой электрона вообще пренебрежём.

2. Относительная атомная масса

Решение количественных задач в курсе химии, а также использование уравнения состояния идеального газа в курсе физики предполагает знание соотношения между количеством частиц и массой вещества. Представленная в предыдущем пункте модель атома даёт естественную возможность установить необходимое соотношение. Для этого и вводится понятие «относительная атомная масса». Никакого принципиального отличия от обычной относительная атомная масса не имеет. Известно, что массу выражают в различных единицах. Это значит, что процедура измерения состоит в сравнении массы измеряемого объекта с различными эталонами. При измерении масс атомов и молекул удобно в качестве эталона использовать естественный объект – нуклон. Использование соответствующей единицы (а.е.м.) приводит к целочисленным соотношениям между массами атомов в диапазоне от 1 до примерно 200.

Масса вещества, независимо от выбора эталона (единицы) – размерная величина. Введение безразмерной, так называемой относительной атомной (молекулярной) массы, совпадающей с количеством нуклонов в атоме, связано с удобством соответствующих обозначений в таблице Менделеева (расположение числа в каждой ячейке указывает его значение).

3. Число Авогадро. Количество вещества

Существует множество способов сосчитать количество нуклонов в 1 г нуклонов (атомов водорода). Число это называют числом Авогадро.

Понятие «количество вещества» вводится для того, чтобы установить связь между массой вещества и количеством частиц. Следует отметить, что прямой необходимости введения этой величины для решения расчётных задач школьного курса химии (количественный анализ химических реакций) нет. Для вычислений достаточно знать относительные атомные массы участников реакции. С другой стороны, молярные физико-химические параметры – неотъемлемый элемент курса общей химии и школьного курса физики (например, молярные теплоёмкости). Этим обстоятельством можно в некоторой степени оправдать решение количественных задач курса химии «на языке количества вещества».

Никакой проблемы определения этой физической величины не существует. Количество вещества – это количество порций структурных элементов (атомов, молекул). Процедура эталонирования (указания единиц количества вещества) предполагает указание количества элементов в каждой порции.

Если каждая порция содержит число Авогадро элементов, то измерение количества вещества производится в молях. Особенность физической величины «количество вещества» в ряду других величин состоит лишь в том, что в силу ряда обстоятельств других единиц (кроме указанной) нет.

Поскольку относительная атомная масса совпадает с количеством нуклонов в атоме N, молярная масса (масса моля), выражаемая в г/моль, также совпадает численно с относительной атомной массой (число Авогадро нуклонов, по определению, имеет массу 1 г, если каждый нуклон заменить атомом, состоящим из N нуклонов, масса увеличится ровно в N раз).

Необходимо отметить следующее. Масса единицы количества вещества всегда совпадает численно с относительной атомной массой при любом выборе эталона для определения относительной атомной массы, если только масса эталонных частиц в единице количества вещества равна единице массы. Действительно, относительная атомная масса при этом

Обозначим N₀ число эталонных частиц в единице массы. Примем это число в качестве эталона для определения единицы количества вещества. Тогда, умножив на N₀ числитель и знаменатель, получим в числителе массу единицы количества вещества, а в знаменателе – единицу массы: что и требовалось доказать).

Итак, «грубая модель» атома позволяет ввести указанные величины естественным (а значит, и самым простым) образом.

4. Точные определения

Чтобы привести точные определения, необходимо указать «точную» модель атома взамен «грубой». На самом деле: • нуклоны имеют не совсем одинаковую массу; • масса электронов конечна;

• существует дефект массы. Для спасения близости относительных атомных масс и приведению их к целочисленным значениям необходимо учесть все эти (а также и другие) обстоятельства. В результате появляется кислородный (1/16 массы атома кислорода), а затем углеродный (1/12 массы атома углерода) эталон. Значения масс при использовании этих эталонов различаются мало (на 0,03%). При использовании протонного (водородного) эталона отличие относительных атомных масс в сравнении с углеродным – 0,78%.

Итак, если говорить о решении количественных задач по школьному курсу химии, то существенное различие вообще не обнаруживается. И лишь в курсе ядерной физики количественные задачи требуют точного определения относительной атомной массы. Но и в этом случае школьные задачи «чувствуют» различие в употреблении лишь водородного эталона, а отличие кислородного эталона от углеродного требуемая точность вычислений «не замечает».

Выбор «кислородного» или «углеродного» эталона, а точнее, отказ от «водородного», «нуклонного» (среднее значение между массой протона и нейтрона) эталона, продиктован ещё одним весьма существенным обстоятельством – дефектом массы. Дело в том, что при образовании многонуклонных ядер происходит своего рода «утряска»: масса ядра оказывается меньше суммы масс свободных нуклонов. Этот эффект накапливается при увеличении количества нуклонов в ядре. Для изотопа урана U-238, к примеру, разница (т.е. «утряска») соответствует потере двух нуклонов. Это значит, что в случае принятия «нуклонного» эталона округлённое значение а.е.м. изотопа урана на две единицы отличалось бы от количества нуклонов. Но тогда вообще теряются преимущества «естественного» выбора эталона. При выборе «кислородного», «углеродного» или вообще любого эталона на основе относительно тяжёлых ядер достигается компромисс: численное значение массы (а.е.м.) лёгких и тяжёлых атомов несколько больше количества нуклонов, а средних – несколько меньше этого числа. Такую ситуацию легко понять, учитывая известное распределение удельной энергии связи по элементам таблицы Менделеева (удельная энергия связи пропорциональна удельному дефекту массы).

Заключение

Многочисленные «межпредметные» и «внутрипредметные» несогласованности различных дисциплин, как правило, не учитываются при последующих изданиях учебников. Это ясно свидетельствует о том, что господствует следующая точка зрения: основа знания приобретается решением практических задач; учащиеся с повышенной мотивацией к изучению данного предмета получают доступ к различным пособиям. С нашей точки зрения, указанная позиция порочна.