Практическое занятие. 
Естествознание

Все паши знания — прошлые, настоящие и будущие — ничто по сравнению с тем, о чем мы никогда не узнаем.

К. Э. Циолковский

План семинара

• 1. Философское понятие материи и естественно-научные знания о ее строени и свойствах.
• 2. Химия как раздел естествознания. Состав, структура вещества и химически системы.
• 3. Химические процессы, самоорганизация и эволюция химических систем.
• 4. Энергия и ее виды. Законы сохранения и их связь со свойствами пространств и времени.

Методические советы и упражнения Основные понятия

Автокатализ — химические реакции, в которых для синтеза определенного вещества требуется присутствие этого же вещества, которое ускоряет химическу реакцию, играет роль катализатора.

Атомный номер — номер химического элемента в таблице Менделеева.

Аллотропия — способность химического элемента образовывать несколько простых веществ, отличающихся по строению и свойствам (алмаз, графит).

Валентность (лат. «уа1епт» — сила) — способность атома данного химического элемента к образованию химических связей с атомами других элементов. Величин валентности определяется числом атомов водорода, с которыми может соединитьс данный атом (или заменить их в другом соединении). Валентность водорода принят считать равной единице.

Валентность атома связана с его строением, так как в образовании химической связи участвуют электроны внешней электронной оболочки атома. Максимальна валентность элемента обычно равна номеру группы в периодической системе элементов Д. И. Менделеева.

Вещество — вид материи; то, из чего состоит весь окружающий мир.

Вещество простое — состоит из частиц (атомов и молекул), образованных атомами одного химического элемента. Например: 0₂ — кислород, 0₃ — озон, S — сера, Ne — неон.

Вещество сложное — состоит из частиц, образованных атомами различных химических элементов. Например: Н₂ S0₄ — серная кислота, FeS — сульфид железа, С Н₄ — метан.

Вещество чистое — вещество, состоящее из одинаковых частиц (молекул, атомов, ионов), обладающее определенными специфическими свойствами.

Вещество неорганическое — это химические соединения, образуемые всеми химическими элементами (кроме соединений углерода, относящихся к органическим веществам).

Вещество органическое — это соединения углерода с некоторыми другими элементами: водородом, кислородом, азотом, серой. Из соединений углерода к органическим не относятся оксиды углерода, угольная кислота и ее соли, являющиеся неорганическими соединениями. Название «органические» соединения получил в связи с тем, что первые представители этой группы веществ были выделены из тканей организмов. К ним относятся нуклеиновые кислоты, белки, углеводы, липиды гормоны, витамины и др. В настоящее время известно более 10 млн органически соединений, имеющих природное происхождение.

Катализ (греч. «katalysis» — разрушение) — возбуждение химических реакций или изменение скорости их протекания посредством добавления особых веществ —В катализаторов, не участвующих непосредственно в реакции, но изменяющих ход е протекания.

Моль — количество вещества определенной химической формулы, содержащее то же число формульных единиц (атомов, молекул, ионов и др.), какое имеетс в 12 г чистого изотопа ¹²С, а именно 6,02−10²³.

Орбиталь — область в пространстве, в которой вероятность пребывания электрона максимальна.

Кросс-катализ (букв, перекрестный катализ) — химические реакции, при которых два вещества помогают взаимному синтезу друг друга.

Материя (лат. «materia») — все, из чего состоит окружающий мир, множество явлений, объектов и их систем, носитель всех разнообразных свойств, отношений, взаимодействий объектов и форм движения. Все существующее в природе материально Многообразные явления в мире представляют собой различные виды движения материи.

Процесс (лат. «processus» — продвижение) — последовательная смена состояний, тесная связь следующих друг за другом стадий развития, представляющая непрерывное, единое движение.

Синтез (греч. «synthesis» — соединение, сочетание) — в химии — получение сложных органических соединений из более простых.

Химия — наука, изучающая вещества и процессы их превращения, сопровождающиеся изменением состава и структуры.

Химическим элементом называют вещество, все атомы которого обладают одинаковым зарядом ядра.

Молекула наименьшая частица вещества, которая определяет его свойства и может существовать самостоятельно.

Химическая связь — явление взаимодействия между атомами, выражающееся в создании определенной конфигурации атомов, отличающей один тип молекул от другого.

Энергия — способность тела совершить работу.

Изомеры (греч. «изо» + «тегов» — доля, часть) — химические соединения, одинаковые по молекулярной массе и составу, но различающиеся по строению.

Задачи и упражнения

1. Исходя из валентности элементов, установить формулу соединения, которо состоит из атомов двух элементов, например бора и кислорода.

Решение. Бор трехвалентен, кислород двухвалентен. Входящие в состав химического соединения атомы не могут иметь свободных валентностей. Следовательно, сумма валентностей атомов бора должна быть равна общему числу валентносте у атомов кислорода. Таким образом, общее число валентностей как у бора, та и кислорода должно быть равно 6, что соответствует наименьшему кратному. Та как каждый атом бора трехвалентен, то в молекуле должно содержаться 2 атома бора Аналогично находим, что число атомов кислорода равно 3 (6:2 = 3). Следовательно формула соединения бора с кислородом будет В₂0₃

2. Найти энергию, выделяющуюся:

• а) при делении урана ^[1]Ц и (масса урана 1 кг, при каждом акте деления выделяется энергия Е₀ = 200 МэВ);
• б) при реакции термоядерного синтеза гелия из ядер дейтронов
• (масса получившегося гелия 1 кг).

Решение.

а) так как в 1 кг урана содержится ядер атомов урана.

— ~и

б) воспользовавшись уравнением термоядерной реакции, получим.

Тестовые задания.

• 1. Существование химического элемента в виде нескольких простых вещест называется
• а) изотропностью;
• б) изобарностыо;
• в) автокатализом;
• г) аллотропией;
• д) изохорностью.
• 3. Кто установил закон кратных отношений?
• а) Бертолле;
• б) Пруст;
• в) Дальтон;
• г) Бутлеров;
• д) Менделеев.
• 4. Чем характеризуются изотопы?
• а) числом протонов в ядре при данном числе нейтронов;
• б) количеством нейтронов в ядре при данном числе протонов;
• в) числом протонов в ядре при данном числе электронов в атоме;
• г) числом электронов в атоме при данном числе протонов в ядре;
• д) количеством нейтронов в ядре при данном числе электронов в атоме.
• 5. Химический процесс сопровождается
• а) изменением состава вещества;
• б) изменением структуры вещества;
• в) энергетическими изменениями в реагирующей системе;
• г) всеми отмеченными выше изменениями;
• д) только изменениями 1 и 2;В с) только изменениями 1 и 3.
• 6. Какое из квантовых чисел не описывает состояние атома?
• а) главное;
• б) орбитальное;
• в) магнитное;
• г) спиновое;
• д) основное.
• 7. Согласно какому закону происходит заполнение электронами атомов?
• а) закон Эйнштейна;
• б) правилу Ленца;
• в) принципу неопределенности;
• г) принципу Паули;
• д) постулатам Бора.
• 8. Атом элемента имеет порядковый номер 14 и массовое число 28. Число валентных электронов у него равно:
  • а) 4;В 6)5; в) 2; г) 1;В д)3.
• 9. Какой из законов сохранения является следствием изотропности пространства?
• а) закон сохранения массы;
• б) закон сохранения импульса;
• в) закон сохранения заряда;
• г) закон сохранения энергии;
• д) закон сохранения момента импульса.
• 10. Какой из законов сохранения является следствием однородности пространства?
• а) закон сохранения массы;
• б) закон сохранения импульса;
• в) закон сохранения заряда;
• г) закон сохранения энергии;
• д) закон сохранения момента импульса.
• 11. Какой из законов сохранения есть следствие однородности времени?
• а) закон сохранения массы;
• б) закон сохранения импульса;
• в) закон сохранения заряда;
• г) закон сохранения энергии;
• д) закон сохранения момента импульса.
• 12. Во сколько раз уменьшится скорость химической реакции при понижени температуры на 30 °К, если температурный коэффициент равен 3?
• а) 27;В 6)15; в) 3; г) 9;В д)6.
• 13. Во сколько раз возрастает скорость химической реакции при повышени температуры на 20 °К, если температурный коэффициент равен 2?
• а) 4;В 6)3; в) 2; г) 8; д) 16.
• 14. В каком из следующих процессов выделяется больше всего удельной энергии?
• а) деление ядер тяжелых элементов;
• б) термоядерном синтезе легких ядер;
• в) взрыв гексана, тротила, пороха;
• г) аннигиляции частицы и античастицы;
• д) гравитационном коллапсе звезды в «черную дыру»;
• е) радиоактивном распаде элементов.
• 15. Как называются вещества, имеющие одинаковый состав, но различные свойства?
• а) изотопы;
• б) изомеры;
• в) изотропные;
• г) ферменты;
• д) автокатализ.
• 16. Кто сделал первую попытку систематизации химических элементов?
• а) Дебсрейнер;
• б) Ньюлендс;
• в) Ломоносов;
• г) Дальтон;
• д) Менделеев.
• 17. От каких факторов не зависит скорость химических реакций?
• а) температуры;
• б) концентрации;
• в) площади соприкосновения;
• г) катализаторов;
• д) молярной массы.
• 18. Что определяет место химических элементов в периодической системе в соответствии с идеей Д. И. Менделеева?
• а) заряд атома;
• б) число протонов в ядре;
• в) число валентных электронов;
• г) число нейтронов;
• д) атомная масса.
• 19. Сколько химических элементов было известно во времена Д. И. Менделеева?
• а) 59;В 6)70; в) 63; г) 75; д) 114.
• 20. Чем определяются химические свойства вещества?
• а) составом;
• б) структурой;
• в) строением;
• г) всеми отмеченными;
• д) ни одним из них.
• 21. Кто впервые указал на зависимость свойств вещества от их состава?
• а) Пруст;
• б) Бутлеров;
• в) Дальтон;
• г) Авогадро;
• д) Менделеев.
• 22. Чем обусловливаются химические свойства атомов в соединениях?
• а) числом электронов атома;
• б) число протонов в ядре;
• в) количеством валентных электронов;
• г) числом нейтронов в ядре;
• д) всеми указанными факторами.
• 23. Какова роль катализатора в химических реакциях?
• а) скорость химической реакции не меняется;
• б) ускоряет процесс;
• в) замедляет процесс;
• г) останавливает процесс;
• д) не влияет на процесс.
• 24. Как изменяется температура вещества от начала процесса кристаллизаци до его окончания?
• а) понижается;
• б) повышается;
• в) у одних веществ повышается, у других понижается;
• г) остается неизменной;
• д) среди ответов а) — г) нет правильного.
• 25. Общая мощность излучения Солнца составляет около 3,8−10²⁶ Дж/с. На сколько уменьшается масса Солнца за 1 с? (с = 3 10⁸ м/с)
• а) 8,4 — 10 ⁹ кг;
• б) 4,2−10⁹ кг;
• в) 8,4- 10¹⁹ кг;
• г) 4,2 — 10¹⁰ кг;
• д) масса Солнца не изменяется.

Вопросы и задания для обсуждения

• 1. В чем качественная особенность философского определения материи от естественно-научного понимания?
• 2. Какими всеобщими свойствами обладает материя?
• 3. Какие основные формы и виды материи вы знаете?
• 4. Какое вещество называется простым и сложным?
• 5. Какая связь существует между атомным весом и зарядом ядра атома?
• 6. Перечислите основные уровни химических структур.
• 7. От чего зависит динамика химических процессов?
• 8. Какие вещества называют катализаторами?
• 9. Какую роль играет катализ в эволюции химических систем?
• 10. Какие законы физики относятся к великим законам сохранения?
• 11. В чем смысл теоремы Э. Нетер?
• 12. Какие виды энергии вам известны?
• 13. Какова природа химической связи, ее особенности?
• 14. Чем определяются химические свойства вещества?
• 15. Как объяснялись свойства в процессе эволюции химических знаний?
• 16. Кто впервые указал на зависимость свойств вещества от их состава?
• 17. В чем сущность теории Бутлерова?
• 18. Назовите основные направления в развитии учения о составе вещества.
• 19. Кто сделал первую попытку систематизации химических элементов?
• 20. Что такое химический элемент?
• 21. Что определяет место химических элементов в периодической системе в соответствии с идеей Д. И. Менделеева?
• 22. Сколько химических элементов было известно во времена Д. И. Менделеева?
• 23. Сформулируйте закон постоянства состава.
• 24. Чем обусловливаются химические свойства атомов в соединениях?
• 25. Сколько примерно химических соединений известно в настоящее время?
• 26. Что означает структура молекул согласно современным представлениям?
• 27. Каковы основные задачи современной химии?
• 28. Какие функции выполняют ферменты?
• 29. Назовите основные этапы эволюции химических систем.
• 30. Назовите основные перспективные направления развития современной химии.
• 31. Чем обусловливается важность развития энергетики?
• 32. Дайте краткую характеристику традиционных источников энергии.
• 33. Каковы перспективы развития атомной энергетики?
• 34. Какими факторами обусловливается относительно медленное развитие гелиоэнергетики?
• 35. Каковы перспективы широкого использования источников энергии ветра мирового океана и геотермальных источников?
• 36. Почему принято считать, что с образованием всей гаммы химических элементов во Вселенной открылся качественно новый этап в развитии вещества и в формировании ее структур?
• 37. От каких факторов зависит активность химических процессов?
• 38. Как называются химические соединения постоянного состава?
• 39. Какое общее название носят химические соединения переменного состава?
• 40. Чем обусловливается химическая связь и свойства атомов?
• 41. Назовите основные химические элементы, входящие в состав физически доступного слоя Земли.
• 42. Какие химические соединения составляют 99% всей массы земной коры?
• 43. Сколько металла на каждого жителя производится в мире ежегодно?
• 44. Почему замена металла керамикой считается перспективной?
• 45. Каковы свойства керамики?
• 46. Как называется искусственный сверхтвердый материал?

Тематика рефератов

• 1. Основные проблемы современной химии.
• 2. Происхождение и распространенность химических элементов.
• 3. Проблемы соотношения вещества и поля, материи и энергии.
• 4. Роль симметрии и асимметрии в научном познании.
• 5. Проблемы соотношения сохранения и эволюции.
• 6. Естественно-научная концепция развития химических знаний.
• 7. Основные химические свойства вещества.
• 8. Развитие учения о составе вещества.
• 9. Периодическая система Д. И. Менделеева и квантово-механическое объяснени структуры атомов.
• 10. Многообразие химических соединений.
• 11. Катализ в химических процессах.
• 12. Достижения химии экстремальных состояний.
• 13. Роль химии в сохранении окружающей среды.
• 14. Органические и неорганические соединения в живых организмах.
• 15. Химическая сущность процессов жизнедеятельности.
• 16. Основные задачи современной химии.
• 17. Возможности современной химии и химии будущего.

Литература

1. Гусейханов, М. К. Концепции современного естествознания / М. К. Гусейханов, О. Р. Раджабов. — М., 2009. — 540 с.

• 2. Карпенков, С.Х. Концепции современного естествознания. — М., 1997. — 340 с.
• 3. Карапетъянц, М.Х. Строение ещесгва/ М. X. Карапетьянц, С. И. Дракин. — М. 1970.
• 4. Менделееву Д. И. Основы химии. — М., 1947.

• [1] Кто открыл закон постоянства состава? а) Бертолле; б) Пруст; в) Дальтон; г) Бутлеров; д) Менделеев.