Базовые науки естествознания и их взаимосвязь. Контрольная работа Взаимодействие естественных наук

В современном мире существуют тысячи самых разных наук, образовательных дисциплин, разделов и прочих структурных звеньев. Однако особое место среди всех занимают те, что касаются непосредственно человека и всего, что его окружает. Это система естественных наук. Конечно, все остальные дисциплины тоже важны. Но именно эта группа имеет самое древнее происхождение, а потому и особенное значение в жизни людей.

Что такое естественные науки?

Ответ на этот вопрос прост. Это такие дисциплины, которые занимаются изучением человека, его здоровья, а также всей окружающей среды: почвы, в целом, космоса, природы, веществ, составляющих все живые и неживые тела, их превращений.

Изучение естественных наук было интересно людям с древности. Как избавиться от болезни, из чего состоит тело изнутри, и что они собой представляют, а также миллионы подобных вопросов - это то, что интересовало человечество с самых истоков его возникновения. Ответы на них и дают рассматриваемые дисциплины.

Поэтому на вопрос о том, что такое естественные науки, ответ однозначен. Это дисциплины, которые изучают природу и все живое.

Классификация

Можно выделить несколько основных групп, которые относятся к естественным наукам:

1. Химические (аналитическая, органическая, неорганическая, квантовая, элементоорганических соединений).
2. Биологические (анатомия, физиология, ботаника, зоология, генетика).
3. химия, физико-математические науки).
4. Науки о Земле (астрономия, астрофизика, космология, астрохимия,
5. Науки о земных оболочках (гидрология, метеорология, минералогия, палеонтология, физическая география, геология).

Здесь представлены только основные естественные науки. Однако следует понимать, что каждая из них имеет свои подразделы, отрасли, побочные и дочерние дисциплины. И если объединить все их в единое целое, то можно получить целый естественный комплекс наук, исчисляемый сотнями единиц.

При этом его можно разделить на три большие группы дисциплин:

• прикладные;
• описательные;
• точные.

Взаимодействие дисциплин между собой

Разумеется, ни одна дисциплина не может существовать изолированно от других. Все они находятся в тесном гармоничном взаимодействии друг с другом, формируя единый комплекс. Так, например, знания по биологии были бы невозможны без использования технических средств, сконструированных на основах физики.

При этом превращения внутри живых существ изучить невозможно без знаний по химии, ведь каждый организм - это целая фабрика реакций, происходящих с колоссальной скоростью.

Взаимосвязь естественных наук прослеживалась всегда. Исторически сложилось так, что развитие одной из них влекло за собой интенсивный рост и накопление знаний в другой. Как только стали осваиваться новые земли, открываться острова, участки суши, так сразу получили развитие и зоология, и ботаника. Ведь новые места обитания были заселены (пусть и не все) неизвестными ранее представителями рода человеческого. Таким образом, тесно связались воедино география и биология.

Если говорить об астрономии и смежных с ней дисциплинах, то невозможно не отметить тот факт, что развивались они благодаря научным открытиям в области физики, химии. Конструирование телескопа во многом определило успехи в данной области.

Подобных примеров можно привести массу. Все они иллюстрируют тесную взаимосвязь между всеми естественными дисциплинами, составляющими одну огромную группу. Ниже рассмотрим методы естественных наук.

Методы исследования

Прежде чем остановиться на методах исследования, которыми пользуются рассматриваемые науки, следует обозначить объекты их изучения. Ими являются:

• человек;
• жизнь;
• Вселенная;
• материя;
• Земля.

Каждый из этих объектов имеет свои особенности, и для их изучения необходимо подбирать тот или иной метод. Среди таковых, как правило, выделяют следующие:

1. Наблюдение - один из самых простых, эффективных и древних способов познать мир.
2. Эксперимент - основа химических наук, большинства биологических и физических дисциплин. Позволяет получить результат и по нему сделать вывод о
3. Сравнение - данный метод основан на использовании исторически накопленных знаний по тому или иному вопросу и сравнении их с полученными результатами. На основании анализа делается вывод о новшестве, качестве и прочих характеристиках объекта.
4. Анализ. Данный метод может включать в себя математическое моделирование, систематику, обобщение, результативность. Чаще всего является итоговым после ряда других исследований.
5. Измерение - используется для оценки параметров конкретных объектов живой и неживой природы.

Также существуют самые последние, современные методы исследований, которые применяются в физике, химии, медицине, биохимии и генной инженерии, генетике и прочих важных науках. Это:

• электронная и лазерная микроскопия;
• центрифугирование;
• биохимический анализ;
• рентгено-структурный анализ;
• спектрометрия;
• хроматография и прочие.

Конечно, это далеко не полный список. Существует множество самых различных приспособлений для работы в каждой области научного знания. Ко всему необходим индивидуальный подход, а значит, формируется свой комплекс методик, подбирается аппаратура и оборудование.

Современные проблемы естествознания

Основные проблемы естественных наук на современном этапе развития - это поиск новой информации, накопление теоретической базы знаний в более углубленном, насыщенном формате. До начала XX века главной проблемой рассматриваемых дисциплин было противостояние гуманитарным отраслям.

Однако сегодня данное препятствие уже не актуально, поскольку человечество осознало важность междисциплинарной интеграции в овладевании знаниями о человеке, природе, космосе и прочих вещах.

Теперь перед дисциплинами естественнонаучного цикла стоит иная задача: как сохранить природу и оградить ее от воздействия самого человека и его хозяйственной деятельности? И проблемы здесь самые злободневные:

• кислотные дожди;
• парниковый эффект;
• разрушение озонового слоя;
• исчезновение видов растений и животных;
• загрязнение атмосферы и прочие.

Биология

В большинстве случаев в ответ на вопрос "Что такое естественные науки?" в голову приходит сразу одно слово - биология. Такое мнение у большинства людей, не связанных с наукой. И это совершенно верное мнение. Ведь что, как не биология, напрямую и очень тесно связывает между собой природу и человека?

Все дисциплины, составляющие данную науку, нацелены на изучение живых систем, их взаимодействия между собой и с окружающей средой. Поэтому вполне нормально, что именно биологию считают основоположницей естественных наук.

Кроме того, она является еще и одной из самых древних. Ведь к себе, своему телу, окружающим растениям и животным зародился вместе с человеком. С этой же дисциплиной тесно связаны генетика, медицина, ботаника, зоология, анатомия. Все эти отрасли составляют биологию в целом. Они же дают нам полное представление и о природе, и о человеке, и обо всех живых системах и организмах.

Химия и физика

Эти основополагающие в развитии знаний о телах, веществах и природных явлениях науки являются не менее древними, чем биология. Они также развивались вместе с развитием человека, становлением его в социальной среде. Основными задачами данных наук является изучение всех тел неживой и живой природы с точки зрения протекающих в них процессов, их связи с окружающей средой.

Так, физика рассматривает природные явления, механизмы и причины их возникновения. Химия же базируется на знании веществ и их взаимопревращений друг в друга.

Вот что такое естественные науки.

Науки о Земле

И напоследок перечислим дисциплины, позволяющие узнать больше о нашем доме, имя которому - Земля. К таковым можно отнести:

• геологию;
• метеорологию;
• климатологию;
• геодезию;
• гидрохимию;
• картографию;
• минералогию;
• сейсмологию;
• почвоведение;
• палеонтологию;
• тектонику и прочие.

Всего насчитывается около 35 различных дисциплин. Все вместе они изучают нашу планету, ее строение, свойства и особенности, что так необходимо для жизни людей и развития хозяйства.

Весь окружающий нас многообразный мир – это материя , которая проявляется в двух формах: вещества и поля . Вещество состоит из частиц, имеющих собственную массу. Поле – такая форма существования материи, которая характеризуется энергией.

Свойством материи является движение . Формы движения материи изучаются различными естественными науками: физикой, химией, биологией и т.д.

Не следует считать, что существует однозначное строгое соответствие между науками с одной стороны, и формами движения материи с другой. Необходимо иметь в виду, что вообще нет такой формы движения материи, которая существовала бы в чистом виде, отдельно от других форм. Все это подчеркивает трудность классификации наук.

Химию можно определить как науку, изучающую химическую форму движения материи, под которой понимают качественное изменение веществ: Химия изучает строение, свойства и превращения веществ.

К химическим явлениям относят такие явления, при которых одни вещества превращаются в другие. Химические явления называют иначе химическими реакциями. Физические явления не сопровождаются превращением одних веществ в другие.

В основе каждой науки лежит некоторый набор предварительных убеждений, фундаментальных философских установок и ответов на вопрос о природе реальности и человеческого знания. Этот набор убеждений, ценностей, разделяемых членами данного научного сообщества называется парадигмами.

Основные парадигмы современной химии:

1. Атомно-молекулярное строение вещества

2. Закон сохранения материи

3. Электронная природа химической связи

4. Однозначная связь строения вещества и его химических свойств (периодический закон)

Химия, физика, биология только на первый взгляд могут показаться далекими друг от друга науками. Хотя лаборатории физика, химика и биолога очень непохожи, все эти исследователи имеют дело с природными (естественными) объектами. Это отличает естественные науки от математики, истории, экономики и многих других наук, изучающих то, что создано не природой, а прежде всего самим человеком.

Близко к естественным наукам примыкает экология. Не следует думать, будто экология - это "хорошая" химия, в отличие от классической "плохой" химии, которая загрязняет окружающую среду. Нет "плохой" химии или "плохой" ядерной физики - есть научный и технический прогресс или его недостаток в какой-нибудь области деятельности. Задача эколога - использовать новые достижения естественных наук для того, чтобы при максимальной выгоде свести к минимуму риск нарушения среды обитания живых существ. Баланс "риск-выгода" является предметом изучения экологов.

Между естественными науками нет строгих границ. Например, открытие и изучение свойств новых видов атомов когда-то было принято считать задачей химиков. Однако получилось так, что из известных на сегодняшний день видов атомов часть открыта химиками, а часть - физиками. Это лишь один из многих примеров "открытых границ" между физикой и химией.

Жизнь является сложной цепью химических превращений. Все живые организмы поглощают из окружающей среды одни вещества и выделяют другие. Значит, серьезному биологу (ботанику, зоологу, врачу) не обойтись без знания химии.

Позже мы убедимся в том, что нет совершенно точной границы между превращениями физическими и химическими. Природа едина, поэтому мы всегда должны помнить о том, что невозможно разобраться в устройстве окружающего нас мира, углубившись только в одну из областей человеческого знания.

Дисциплина "Химия" связана с другими естественнонаучными дисциплинами межпредметными связями: предшествующими – с математикой, физикой, биологией, геологией и другими дисциплинами.

Современная химия – это разветвленная система многих наук: неорганической, органической, физической, аналитической химии, электрохимии, биохимии, которые осваиваются студентами на последующих курсах.

Знание курса химии необходимо для успешного изучения других общенаучных и специальных дисциплин.

Рисунок 1.2.1 – Место химии в системе естественных наук

Совершенствование методов исследования, прежде всего экспериментальной техники, привело к разделению науки на все более узкие направления. В результате количество и «качество», т.е. надежность информации возросли. Однако невозможность для одного человека обладать полными знаниями даже для смежных научных областей породила новые проблемы. Как в военной стратегии самые слабые места обороны и наступления оказываются на стыке фронтов, в науке наименее разработанными остаются области, не поддающиеся однозначной классификации. Среди прочих причин можно отметить и сложность с получением соответствующей квалификационной ступени (ученой степени) для ученых, работающих в областях «стыка наук». Но там же делаются и основные открытия современности.

Качество подготовки инженеров существенно зависит от уровня их образования в области фундаментальных наук: математики, физики и химии. Роль и место химии в системе естественнонаучных дисциплин определяется тем, что в области материального производства человеку всегда приходится иметь дело с веществом.

В повседневной жизни мы наблюдаем, что вещества подвергаются различным изменениям: стальной предмет во влажном воздухе покрывается ржавчиной; дрова в печи сгорают, оставляя лишь небольшую кучку золы; бензин в двигателе автомобиля сгорает, при этом в окружающую среду поступает около двухсот различных веществ, в том числе токсичных и канцерогенных; опавшие листья деревьев постепенно истлевают, превращаясь в перегной, и т.д.

Познание свойств вещества, строения, химической природы его частиц, механизмов их взаимодействия, возможных путей превращения одного вещества в другое, - эти проблемы составляют предмет химии.

Химия – это наука о веществах и законах их превращений.

Как одна из отраслей естествознания, химия связана с другими естественными науками. Химические изменения всегда сопровождаются изменениями физическими. Широкое применение физических методов исследования и математического аппарата в химии сблизило её с физикой и математикой. Химия также связана и с биологией, поскольку биологические процессы сопровождаются непрерывными химическими превращениями. Химические методы используют для решения проблем геологии. Связь между различными естественными науками очень тесная, на стыках наук возникают новые науки, например, ядерная химия, биохимия, геохимия, космохимия и т.д.

Изучение химическими методами ряда технических проблем связывает химию с инженерно – техническими и специальными дисциплинами, необходимыми для практической деятельности инженера. Так, производство стали и других сплавов, чистых металлов и полупроводников, выработка из них изделий и их дальнейшее использование, эксплуатация различных механизмов в соответствующих газовых и жидких средах – всё это требует конкретных химических знаний и умения применить их на практике.

Нет почти ни одной отрасли производства, не связанной с применением химии. Природа даёт нам исходное сырьё: дерево, руду, нефть, газ и др. Подвергая природные материалы химической переработке, человек получает разнообразные вещества, необходимые для сельского хозяйства, промышленности, домашнего обихода: удобрения, металлы, пластические массы, краски, лекарственные вещества, мыло, соду и т.д. Химия нужна человечеству для того, чтобы получить из природных веществ, всё необходимое – металлы, цемент и бетон, керамику, фарфор и стекло, каучук, пластмассы, искусственные волокна, фармацевтические средства. Для химической переработки природного сырья необходимо знать общие законы превращения веществ, а эти знания даёт химия.

В современных условиях, когда стало ясно, что запасы многих природных ресурсов ограничены и не восстанавливаются, когда нагрузка на окружающую среду со стороны человека стала столь велика, а способность природы к самоочищению ограничена, на первый план выдвигается ряд принципиально новых проблем, решение которых невозможно без химических знаний. К ним в первую очередь относятся вопросы охраны окружающей среды и соблюдение экологических требований в новых технологических процессах, создание замкнутых производственных циклов и безотходных технологий, теоретическое обоснование и разработка энерго- и ресурсосберегающих технологий. Реализация требований к высокому качеству продукции и её долговечности немыслима без понимания того, что контроль за химическим составом является важнейшим этапом технологического цикла. Борьба с коррозией материалов, изделий из них, новые методы обработки поверхностей требуют от инженера глубокого понимания сущности химических процессов.

Указанные выше проблемы по силам решить всесторонне грамотным инженерам, способным наряду с другими задачами разбираться и самостоятельно ориентироваться в химических вопросах.

Основные понятия химии

Объектом изучения в химии являются химические элементы и их соединения.

Химическим элементом называют вид атомов с одинаковым зарядом ядер. Атом – наименьшая частица элемента, обладающая его химическими свойствами.

Молекулой называют наименьшую частицу индивидуального вещества, способную к самостоятельному существованию, обладающую его основными химическими свойствами и состоящую из одинаковых или различных атомов.

Если молекулы состоят из одинаковых атомов, то вещество называют простым или элементарным , например He, Ar, H 2 , O 2 , S 4 . Простое вещество является формой существования химического элемента в свободном состоянии. Если молекула вещества состоит из разных атомов, то вещество называют сложным (или химическим соединением) , например CO, H 2 O , H 3 PO 4 .

Химические свойства вещества характеризуют его способность участвовать в химических реакциях, т. е. в процессах превращения одних веществ в другие.

Массы атомов, молекул очень малы. Например, массы отдельных атомов составляют 10 -24 - 10 -22 г. Массы атомов, молекул выражают или в относительных единицах (через массу какого-либо одного определенного вида атома), или в атомных единицах массы (а.е.м.).

1а.е.м.-это 1/12 часть массы атома изотопа углерода С. 1а.е.м.=1.66053*10 -24 г.

Значение относительной атомной (A r) или молекулярной массы (M r) показывает, во сколько раз масса атома или молекулы больше чем 1/12 часть массы атома изотопа углерода С (углеродная шкала атомных масс) . A r и М r – безразмерны. Значения А r приводятся в периодической системе элементов Д.И. Менделеева под символом элемента. Численно А r и А (а.е.м.) совпадают. Зная относительную атомную массу, легко можно найти и массу атома, выраженную в граммах. Так, масса атома углерода-12 в г равна: 12* 1.66053*10 -24 = 1.992636*10 -23 г . Масса молекулы равна сумме масс атомов, входящих в ее состав.

Количество вещества (n;n) – это число структурных единиц (атомов, молекул, ионов, эквивалентов, электронов и т.д.) в системе. Единицей измерения количества вещества является моль. Моль – количество вещества, которое содержит столько определенных структурных единиц, сколько атомов содержится в 12 г изотопа углерода 12 С. Число структурных единиц, содержащихся в 1 моле любого вещества в любом агрегатном состоянии, есть постоянная Авогадро: N A= 6,02*10 23 моль -1 .

Количество вещества (n) равно отношению числа структурных единиц (атомов, молекул, ионов, эквивалентов, электронов и т.д.) в системе (N) к их числу в 1 моле вещества (N А):

Молярная масса (М) – это масса 1 моль вещества, равная отношению массы вещества (m) к его количеству (n):

Основной единицей измерения молярной массы является г/моль (кг/моль). Молярная масса вещества, выраженная в граммах, численно равна относительной молекулярной массе этого вещества.

Молярный объем (V м) – это объем, занимаемый 1 моль газообразного вещества, равный отношению объема газообразного вещества (V) к его количеству():

При н.у. (273,15 К и 101,325 кПа) для любого вещества в газообразном состоянии V м = 22,4 л/моль.

Эквивалент (Э) – это реальная или условная частица вещества, которая может замещать, присоединять, высвобождать или быть каким-либо другим образом эквивалентна (равноценна) одному иону водорода в кислотно-основных или ионно-обменных реакциях или одному электрону в окислительно-восстановительных реакциях (ОВР). Эквивалент безразмерен, его состав выражают с помощью знаков и формул так же, как в случае молекул, атомов или ионов.

Для того чтобы определить формулы эквивалента вещества и правильно записать его химическую формулу, надо исходить из конкретной реакции, в которой участвует данное вещество.

Рассмотрим несколько примеров определения формулы эквивалента:

А. 2NaOH+H 2 SO 4 =2H 2 O+Na 2 SO 4 .

Краткое ионно-молекулярное уравнение процесса:

2OH - +2H + =2H 2 O.

В данной ионообменной реакции участвуют два иона водорода. На один ион водорода приходится:

NaOH+1/2H 2 SO 4 =H 2 O+1/2Na 2 SO 4 ,

т.е. одному иону водорода соответствует: одна молекула NaOH, 1/2 молекулы H 2 SO 4 , одна молекула H 2 O, 1/2 молекулы Na 2 SO 4 , поэтому Э(NaOH)=NaOH; Э(H 2 SO 4)=1/2H 2 SO 4 ; Э(H 2 O)=H 2 O; Э(Na 2 SO 4)=1/2Na 2 SO 4 .

Б. Zn+2HCl=ZnCl 2 +H 2

Ионно-электронные уравнения процессов окисления, восстановления:

В данной ОВР участвуют два электрона. На один электрон приходится:

1/2Zn+HCl=1/2ZnCl 2 +1/2H 2 ,

т.е. одному электрону соответствует 1/2 атома Zn, одна молекула HСl,1/2 молекулы ZnCl 2 и 1/2 молекулы Н 2 , поэтому Э(Zn) = 1/2Zn; Э(HCl) = HCl; Э(ZnCl 2) = 1/2ZnCl 2 ; Э(H 2) = 1/2H 2 .

Число, обозначающее, какая доля от реальной частицы эквивалентна одному иону водорода или одному электрону, получило название фактора эквивалентности f э . Например, в рассматриваемых реакциях f э (Zn)=1/2, f э (NaOH)=1.

Для окислительно-восстановительных реакций используют понятие «эквивалентное число» (Z), которое равно числу электронов, присоединенных одной молекулой окислителя или отданных одной молекулой восстановителя.

Моль эквивалента – количество вещества, cодержащего 6,02*10 23 эквивалентов. Массу одного моля эквивалента вещества называют молярной массой эквивалента вещества (М э), измеряют в г/моль и рассчитывают по формулам:

М э =m/n э; М э =f э *М,

где М – молярная масса вещества, г/моль; ν э – количество эквивалента вещества, моль.

Для расчета молярной массы эквивалента вещества можно использовать следующие формулы:

1. Для простого вещества:

М э =М А /В, f э = 1/В,

где М А – молярная масса атомов данного вещества; В – валентность атома, например, М э (Al)=27/3=9 г/моль.

2. Для сложного вещества:

М э =М/В*n, f э = 1/В*n,

где В – валентность функциональной группы; n – число функциональных групп в формуле молекулы вещества.

Для кислот функциональной группой является ион водорода, для оснований – ион гидроксила, для солей – ион металла, для оксидов – оксидообразующий элемент.

М э кислоты =М кислоты /основность кислоты.

Основность кислоты определяется числом протонов, которое отдает молекула кислоты, реагируя с основанием .

Например, М э (H 2 SO 4)=98/2=49 г/моль.

М э основания = М основания /кислотность основания.

Кислотность основания определяется числом протонов, присоединяемых молекулой основания при взаимодействии его с кислотой.

Например, М э (NaOH)=40/1=40 г/моль.

М э соли =М соли /(число атомов металла*валентность металла).

Например, М э (Al 2 (SO 4) 3)=342/(2*3)=57 г/моль.

М э оксида =М оксида /(число атомов оксидообразующего элемента * валентность элемента).

Например, М э (Al 2 O 3)=102/(2*3)=17 г/моль.

В общем случае молярная масса эквивалента химического соединения равна сумме молярных масс эквивалентов составляющих его частей.

3. Для окислителя, восстановителя:

где Z – эквивалентное число (Z=1/f э).

Как известно, моль любого газа при нормальных условиях (Т=273,15 К, Р=101,325 кПа или 760 мм рт. ст.) занимает объем, равный 22,4 л; этот объем называется молярным объемом V м. Исходя из этой величины, можно рассчитать объем одного моля эквивалента газа (V э, л/моль) при нормальных условиях. Например, для водорода Э(Н 2)=1/2Н 2 , моль эквивалента водорода в два раза меньше его моля молекул и поэтому объем одного моля эквивалента водорода также в два раза меньше его молярного объема: 22,4 л/2=11,2 л. Для кислорода Э(О 2)=1/4 О 2 , отсюда объем одного моля эквивалента кислорода в четыре раза меньше его молярного объема: 22,4 л/4=5,6 л.

В общем случае: V э =f э *V м; V э = V/ .

Основные законы химии

1. Закон сохранения массы веществ (М.В. Ломоносов; 1756 г.):

масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе веществ, образовавшихся в результате реакции.

2. Закон постоянства состава.

Имеет различные формулировки:

Состав соединений молекулярной структуры является постоянным независимо от способа получения (более точная современная формулировка);

- любое сложное вещество независимо от способа его получения имеет постоянный качественный и количественный состав ;

Соотношения между массами элементов, входящих в состав данного соединения, постоянны и не зависят от способа получения этого соединения.

3. Закон кратных отношений (Дальтон, 1803 г.):

если два элемента образуют друг с другом несколько химических соединений, то массы одного из элементов, приходящиеся в этих соединениях на одну и ту же массу другого, относятся между собой как небольшие целые числа.

Закон свидетельствовал о том, что элементы входят в состав соединений лишь определенными порциями, подтвердил атомистические представления. Наименьшее количество элемента, вступающее в соединение, - это атом. Следовательно, в соединение может вступать только целое число атомов, а не дробное. Например, массовые соотношения С:О в оксидах СО 2 и СО равны 12:32 и 12:16. Следовательно, массовое отношение кислорода, связанное с постоянной массой углерода в СО 2 и СО, равно 2:1.

4. Закон объемных отношений (закон Гей-Люссака):

объемы вступающих в реакцию газов относятся друг к другу и к объемам образующихся газообразных продуктов реакции как небольшие целые числа.

5.Закон Авогадро (1811 г.):

в равных объемах любых газов, взятых при одной и той же температуре и при одинаковом давлении, содержится одно и то же число молекул. Постоянная Авогадро N A = 6,02*10 23 моль -1 – число структурных единиц в одном моле вещества.

Следствия из закона Авогадро:

а) при определенных температуре и давлении 1 моль любого вещества в газообразном состоянии занимает один и тот же объем;

б) при н.у. (273,15 К и 101,325 кПа) молярный объем (V м) любого газа равен 22,4 л моль.

6. Уравнениесостояния идеального газа – Менделеева-Клапейрона:

где Р – давление газа, Па; V – объем газа, м 3 ; m – масса вещества, г; М – его молярная масса, г/моль; Т – абсолютная температура, К; R – универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/моль*К.

7. Закон парциальных давлений (закон Дальтона):

Давление смеси газов, химически не взаимодействующих друг с другом, равно сумме парциальных давлений газов, составляющих смесь .

8. Закон эквивалентов.

Имеет несколько формулировок:

1) массы участвующих в реакции веществ пропорциональны их молярным массам эквивалента :

m 1 / m 2 = M Э1 / M Э2 = …;

2) все вещества реагируют между собой в эквивалентных количествах, т.е. количества молей эквивалента веществ, участвующих в реакции, равны между собой:

ν э1 =ν э2 = …;

m 1 / M Э1 = m 2 / M Э2 =… . .

3) для реагирующих веществ, находящихся в растворе, закон эквивалентов записывают следующим образом:

С Э 1 *V 1 =C Э 2 *V 2 ,

где С Э 1 , С Э 2 – нормальные концентрации или молярные концентрации эквивалента первого и второго растворов, моль/л; V 1 и V 2 – объемы реагирующих растворов, л.

У них отсутствует научное понимание закономерностей развития окружающего мира, умение комплексно применять знания, полученные ими при изучении основ естественных наук в школе. В преодолении этих недостатков в условиях традиционно сложившейся системы изучения основ естественных наук в школе большая роль отводится межпредметным связям.

В большинстве случаев учителя ограничиваются лишь фрагментарным включением МПС. Учителя редко включают учащихся в самостоятельную работу по применению межпредметных знаний и умений при изучении программного материала, а также в процессе самостоятельного переноса ранее усвоенных знаний в новую ситуацию. Следствие - неумение ребят осуществлять перенос и синтез знаний из смежных предметов.

Нет и преемственности в обучении. Так, учителя биологии непрерывно "забегают вперед", знакомя учащихся с различными физико-химическими процессами, протекающими в живых организмах, без опоры на физические и химические понятия.

Решение межпредметных задач требует особых умений: связывать между собой и обобщать предметные знания, видеть объект в единстве его многообразных свойств и отношений, оценивать частное с позиций общего, что обеспечивает формирование научного мировоззрения школьников.

Умения комплексной многосторонней характеристики объекта — это наиболее сложный вид умений. Это умения учащихся осуществлять комплексные межпредметные связи. Специфичным для них является познавательное действие широкого переноса предметных знаний и умений в новые условия их комплексного применения. Такие умения в своей содержательной основе опираются на знания из разных учебных предметов и обобщенные идеи, а их операционная сторона имеет сложную структуру действий разной степени обобщенности.

Межпредметные связи усложняют содержание и процесс познавательной деятельности учащихся. Поэтому необходимо постепенное введение как элементов проблемности, так и объема и сложности межпредметных связей. Важно обеспечить рост познавательных умений и учебных успехов, укрепляющих самостоятельность и интерес учащихся к познанию связей между знаниями из разных предметов. Методика организации процесса обучения осуществляется следующими этапами:

1. односторонние МПС на уроках по смежным предметам на основе репродуктивного обучения и элементов проблемности;
2. усложнение межпредметных познавательных задач и усиление самостоятельности учащихся в поиске их решения;
3. включение двусторонних, а затем и многосторонних связей между предметами путем координации деятельности учителей (выдвижение общих учебных проблем, их поэтапное решение в системе уроков);
4. разработка широкой системы в работе учителей, осуществляющих МПС как в содержании и методах, так и в формах организации обучения (комплексные домашние задания, уроки, семинары, экскурсии, конференции), включая внеклассную работу и расширяя рамки учебной программы.

Для тех учеников, которые не имеют прочной системы знаний, решение межпредметных задач может оказаться непосильным, а их интерес к обучению снизится. Для учащихся с высоким уровнем знаний по предметам опора на межпредметные связи является необходимым условием их дальнейшего развития в процессе обучения. Поэтому в организации творческой деятельности учащихся на основе МПС ведущее место занимает учебная работа, направленная на усвоение системы предметных знаний и овладение способами их переноса и обобщения.

«Научение» учащихся достигается с помощью системы тренировочных самостоятельных работ, отрабатывающих отдельные элементы умений комплексного применения знаний: распознавание МПС в учебных текстах, в отрывках из научных статей, в первоисточниках отбор фактического предметного материала для подтверждения, доказательства законов диалектики, общенаучных идей, понятий; анализ конкретных примеров (из области биологии, физики, химии, истории) с позиций общих закономерностей, категорий; осознание межпредметного характера познавательных учебных задач; самостоятельная постановка (видение) межпредметных задач, проблем на основе сравнения и анализа научных фактов пограничных предметов (биохимических, физико-химических, биофизических и т. п.); составление плана для решения межпредметной проблемы и др.

Важную роль играют показ образца выполнения таких заданий, проведение установочных бесед, определяющих логику рассуждения, доводящих до осознания последовательность выполняемых действий, дифференцированный подход с учетом познавательных интересов и возможностей учащихся. Необходимы последовательные стадии в формировании умений осуществлять межпредметные связи:

1. пробуждение познавательного интереса учащихся к решению межпредметных задач, их распознавание и осознание ими необходимости использовать знания из разных дисциплин;
2. отработка отдельных способов творческой деятельности на основе межпредметных связей;
3. синтез частных умений в целостное умение комплексного применения знаний при решении межпредметных задач. Основным условием успешного переноса предметных знаний выступают сходство, аналогичность структуры содержательных и процессуальных элементов в серии межпредметных познавательных задач определенного типа. На уроках необходимо побуждать учащихся к самостоятельному решению таких задач с выполнением ими действий по образцу и усвоением обобщенных ориентиров в синтезе знаний.

Взаимодействие интереса и умений в процессе решения межпредметных задач.

Развитие познавательных интересов зависит от овладения учащимися обобщенными умениями поисковой деятельности и умениями осуществлять МПС. Изучение психологии мышления доказало, что в качестве внутреннего побудителя поисковой деятельности, действующего сопряжено со знаниями и способами, выступает осознание цели, познавательной потребности, которая регулирует процесс поиска, отражаясь и на его эмоциональной насыщенности. Принятие межпредметной задачи в значительной мере зависит от теоретической направленности познавательных интересов ученика, его стремления к познанию философских, мировоззренческих аспектов в предметных знаниях.

Осознанное вычленение межпредметной задачи, являясь одним из проявлений творческих действий учащихся, способствует тесной корреляции знаний и способов действий в структуре умений ее решать. Вычисление коэффициентов корреляции показало тесную связь между уровнями знаний и способов действий в работах учащихся, самостоятельно выделивших межпредметную познавательную задачу.

В процесс решения межпредметной познавательной задачи учащиеся включают предметные умения, их активность зависит и от мотива интереса к соответствующим учебным дисциплинам. Здесь также наблюдается тесная связь между уровнем интереса к предмету, широтой и успешностью использования знаний из него. Учащиеся привлекают новые сведения из дополнительных источников информации, находят оригинальные способы их анализа и связи с программным материалом. Отсутствие устойчивых предметных интересов и знаний лишает ученика основы в «межпредметной» деятельности, вызывая подчас негативное отношение к ней.

Межпредметные связи на первых этапах включения в познавательную деятельность изменяют соответствие уровней умений и интересов учащихся по предметам. Умения, проявляемые при решении межпредметных задач, начинают в большей степени зависеть от опыта переноса, овладения его способами, чем от ранее сложившегося, но тем не менее подвижного интереса к тому или иному предмету. У одних учащихся под влиянием межпредметных связей повышается интерес к ранее не интересовавшим их предметам, а уровень знаний и умений еще остается невысоким. У других, наоборот, значительно возрастают умения межпредметного переноса, но заметных изменений в развитии предметных интересов не наблюдается. Они сохраняют устойчивость. Это объясняется тем, что МПС не являются единственным фактором, формирующим познавательные интересы учащихся.

Познавательный опыт, ограниченный узкопредметными рамками, мешает увидеть хорошо известное в новом, необычном аспекте, необходимом для творческого решения межпредметной задачи. Возникающее на первых этапах познавательной деятельности на основе межпредметных связей рассогласование между ранее сформировавшимися умениями и интересами учащихся в последующем нивелируется, происходит усиление взаимосвязей умений и интереса на качественно новой обобщенной содержательной основе. Систематически включаемые в учебное познание МПС положительно изменяют широту и диапазон применения знаний и умений. Это способствует умственному развитию школьников и формированию широких познавательных интересов как одному из показателей развития личности. В деятельности на основе МПС возникает устойчивая зависимость: широта познавательных интересов - осознанное восприятие межпредметных задач - потребность в познании межпредметных связей - творческий подход - умение мыслить системно - познавательная самостоятельность ученика.

Формирование мировоззренческой направленности познавательных интересов старшеклассников.

Включение в процесс обучения межпредметных связей как стимула познавательного интереса качественно преобразует другие его стимулы. Это происходит в силу того, что учебный процесс представляет собой систему, в которой все компоненты находятся в структурно-функциональной связи и изменение одного из них нарушает эти связи и вызывает необходимость системного подхода к организации всего процесса. Включаемые в содержание урока межпредметные связи усиливают его новизну, вызывают обновление уже известного материала, объединяют новые и прежние знания в систему.

Связи смежных курсов позволяют глубже проникнуть в сущность предметов, раскрыть, например, причинно-следственные, физико-химические связи в биологических процессах. Это дает возможность полнее показать историю науки, методы и достижения современной науки, в которой усиливаются интеграция знаний и системный подход к познанию. Укрепляя стимулирующее содержание уроков, межпредметные связи активизируют и процесс усвоения знаний, основанный на их постоянном применении. Становится наглядной практическая нужность и полезность знаний по всем предметам. Осознание нужности знаний надежно укрепляет интерес к их углублению и расширению. Сам процесс познания, обогащенный межпредметными связями, активизируя мыслительные процессы, служит источником устойчивого" интереса школьников. Межпредметные связи усиливают обобщающий характер содержания учебного материала, который требует изменения и методов обучения.

Межпредметные связи приводят в действие все стимулы познавательного интереса, связанные с учебной деятельностью: вносят проблемность, элементы исследования и творчества, разнообразят формы самостоятельной работы, побуждают к овладению новыми умениями. Преобразуя методы обучения, МПС оказывают влияние на изменение и его организационных форм. Возникает потребность в коллективных формах организации учебной работы, которые наилучшим образом обеспечивают решение межпредметных проблем, создавая условия для проявления знаний и интересов учащихся по другим предметам. При этом возможен успех для каждого.

Успешность деятельности, как известно, важнейший побудитель активности и интереса к ней. В коллективных формах учебной работы активно действуют стимулы познавательного интереса, связанные с отношениями между участниками учебного процесса: эмоциональный тонус, доверие к познавательным возможностям учащихся, взаимная поддержка в деятельности, элементы соревнования, поощрение и другие (Г. И. Щукина).

В процессе формирования познавательных интересов учащихся межпредметные связи (содержательные, операционно - деятельностные, организационно - методические) выполняют многоплановые функции. Прежде всего, они выступают как стимул интересов учащихся к урокам, преломляясь во всех других положительных стимулах, идущих от содержания, деятельности и отношений. Учебная деятельность с опорой на межпредметные связи вызывает непосредственный интерес к урокам. Осуществляясь систематически, они становятся условием формирования устойчивых познавательных интересов школьников. Такие умения формируются на основе установления межпредметных связей, когда учитель предлагает задачи типа «дать критику», «доказать», «обосновать», «аргументировать вывод» и т. п. Оценочный фактор в познании стимулирует интерес и активность учащихся.

Итак, обучение на основе разносторонних межпредметных связей активно формирует устойчивые широкие мировоззренческие познавательные интересы, что особенно ценно для всестороннего развития личности старшеклассника.

Мировоззренческая направленность познавательных интересов — это устойчивое стремление школьника к пониманию и обоснованию существенных связей, объясняющих отношения «личность и общество», «природа и общество», «человек и труд». Процесс формирования мировоззренческой направленности познавательных интересов включает этапы:

1. пробуждение интереса и желания опираться на межпредметные связи при усвоении общепредметных мировоззренческих идей с помощью элементов проблемности;
2. развитие и расширение интереса к усвоению мировоззренческих идей, формирование познавательной самостоятельности при решении межпредметных задач;
3. укрепление и углубление интереса к мировоззренческим проблемам в процессе постоянно развиваемой активности и самостоятельной деятельности учащихся (система творческих работ и внеклассной работы межпредметного содержания).

Развитие познавательной самостоятельности старшеклассников в деятельности на основе межпредметных связей происходит в тесной взаимосвязи с формированием мировоззренческих, ценностных ориентаций личности, регулирующих ее социальную активность.

Средства реализации межпредметных связей могут быть различны:

• вопросы межпредметного содержания: направляющие деятельность школьников на воспроизведение ранее изученных в других учебных курсах и темах знаний и их применение при усвоении нового материала.
• межпредметные задачи, которые требуют подключения знаний из различных предметов или составлены на материале одного предмета, но используемые с определенной познавательной целью в преподавании одного другого предмета. Они способствуют более глубокому и осмысленному усвоению программного материла, совершенствованию умений выявить причинно-следственные связи между явлениями.
• домашнее задание межпредметного характера - постановка вопросов на размышление, подготовка сообщений, рефератов, изготовление наглядных пособий, составление таблиц, схем, кроссвордов, требующих знаний межпредметного характера.
• межпредметные наглядные пособия - обобщающие таблицы, схемы, диаграммы, плакаты. Они позволяют учащимся наглядно увидеть совокупность знаний из разных предметов, раскрывающую вопросы межпредметного содержания.
• химический эксперимент - если предметом его являются биологические объекты и химические явления, происходящие в них.

Использование межпредметных связей вызвало появление новых форм организации учебного процесса: урок с межпредметными связями, комплексный семинар, комплексная экскурсия, межпредметная экскурсия и др.

Уроки с межпредметным содержанием могут быть следующих видов: урок-лекция; урок-семинар; урок-конференция; урок-ролевая игра; урок-консультация и др.

Необходимость межпредметных связей в обучении бесспорна. Последовательное и систематическое их осуществление значительно усиливает эффективность учебно-воспитательного процесса, формирует диалектический способ мышления учащихся. К тому же межпредметные связи - непременное дидактическое условие развития у них интереса к знаниям основ наук, в том числе и естественных.

ЛИТЕРАТУРА

1. Данилюк Д.Я. Учебный предмет как интегрированная система / Д.Я. Данилюк // Педагогика. - 1997. - № 4. - С. 24 - 28.
2. Ильченко В. Р. Перекрестки физики, химии и биологии. - М.: Просвещение, 1986.
3. Максимова В. Н. Межпредметные связи и совершенствование процесса обучения. - М.: Просвещение, 1984. -143с.
4. Максимова В. Н. Межпредметные связи в учебно-воспитательном процессе средней школе. - М.: Просвещение, 1986.

Новикова Ирина Петровна
учитель химии
МОУ Совхозная сош
Тамбовский район

Химия – наука о превращениях веществ, связанных с изменением электронного окружения атомных ядер. В данном определении необходимо дополнительно уточнить термины «вещество» и «наука».

Согласно Химической энциклопедии:

Вещество – вид материи, которая обладает массой покоя. Состоит из элементарных частиц: электронов, протонов, нейтронов, мезонов и др. Химия изучает главным образом вещество, организованное в атомы, молекулы, ионы и радикалы. Такие вещества принято подразделять на простые и сложные (хим. соединения). Простые вещества образованы атомами одного хим. элемента и потому являются формой его существования в свободном состоянии, например, сера, железо, озон, алмаз. Сложные вещества образованы разными элементами и могут иметь состав постоянный.

В трактовке термина «наука» существует множество разногласий. Здесь вполне приложимо высказывание Рене Декарта (1596-1650): «Определите значение слов, и вы избавите человечество от половины его заблуждений». Наукой принято называть сферу человеческой деятельности, функцией которой является выработка и теоретическая схематизация объективных знаний о действительности; отрасль культуры, которая существовала не во все времена и не у всех народов. Канадский философ Уильям Хетчер определяет современную науку, как «способ познания реального мира, включающего в себя как ощущаемую органами чувств человека реальность, так и реальность невидимую, способ познания, основанный на построении проверяемых моделей этой реальности». Такое определение близко к пониманию науки академиком В.И.Вернадским, английским математиком А.Уайтхедом, другими известными учеными.

В научных моделях мира обычно выделяются три уровня, которые в конкретной дисциплине могут быть представлены в различном соотношении:

* эмпирический материал (экспериментальные данные);

* идеализированные образы (физические модели);

*математическое описание (формулы и уравнения).

Наглядно-модельное рассмотрение мира неизбежно ведет к приблизительности любой модели. А.Эйнштейн (1879-1955) говорил «Пока математические законы описывают действительность, они неопределенны, а когда они перестают быть неопределенными, они теряют связь с действительностью».

Химия относится к числу естественных наук, изучающих окружающий нас мир со всем богатством его форм и многообразием происходящих в нем явлений. Специфику естественнонаучного знания можно определить тремя признаками: истинность, интерсубъективность и системность. Истинность научных истин определяется принципом достаточного основания: всякая истинная мысль должна быть обоснована другими мыслями, истинность которых доказана. Интерсубъективность означает, что каждый исследователь должен получать одинаковые результаты при изучении одного и того же объекта в одних и тех же условиях. Системность научного знания подразумевает его строгую индуктивно-дедуктивную структуру.

Химия – это наука о превращениях веществ. Она изучает состав и строение веществ, зависимость свойств веществ от их состава и строения, условия и пути превращения одних веществ в другие. Химические изменения всегда связаны с изменениями физическими. Поэтому химия тесно связана с физикой. Химия также связана с биологией, поскольку биологические процессы сопровождаются непрерывными химическими превращениями.

Совершенствование методов исследования, прежде всего экспериментальной техники, привело к разделению науки на все более узкие направления. В результате количество и «качество», т.е. надежность информации возросли. Однако невозможность для одного человека обладать полными знаниями даже для смежных научных областей породила новые проблемы. Как в военной стратегии самые слабые места обороны и наступления оказываются на стыках фронтов, в науке наименее разработанными остаются области, не поддающиеся однозначной классификации. Среди прочих причин можно отметить и сложность с получением соответствующей квалификационной ступени (ученой степени) для ученых, работающих в областях «стыка наук». Но там же делаются и основные открытия современности.

В современной жизни, особенно в производственной деятельности человека, химия играет исключительно важную роль. Нет почти ни одной отрасли производства, не связанной с применением химии. Природа дает нам лишь исходное сырье – дерево, руду, нефть и др. Подвергая природные материалы химической переработке, получают различные вещества, необходимые для сельского хозяйства, промышленного производства, медицины, быта – удобрения, металлы, пластические массы, лаки, краски, лекарственные вещества, мыло и т.д. Для переработки природного сырья необходимо знать законы превращения веществ, а эти знания дает химия. Развитие химической промышленности – одно из важнейших условий технического прогресса.

Химические системы

Объект изучения в химии – химическая система . Химическая система – это совокупность веществ, находящихся во взаимодействии и мысленно или фактически обособленно от окружающей среды. Примерами системы могут служить совершенно разные объекты.

Простейшим носителем химических свойств служит атом – система, состоящая из ядра и движущихся вокруг него электронов. В результате химического взаимодействия атомов образуются молекулы (радикалы, ионы, атомные кристаллы) –системы, состоящие из нескольких ядер, в общем поле которых движутся электроны. Макросистемы состоят из совокупности большого количества молекул – растворы различных солей, смесь газов над поверхностью катализатора в химической реакции и т.д.

В зависимости от характера взаимодействия системы с окружающей средой различают открытые, закрытые и изолированные системы. Открытой системой называется система, способная обмениваться с окружающей средой энергией и массой. Например, при смешении в открытом сосуде соды с раствором соляной кислоты протекает реакция:

Na 2 CO 3 + 2HCl → 2NaCl + CO 2 + H 2 O.

Масса этой системы уменьшается (улетучивается углекислый газ и частично пары воды), часть выделившейся теплоты тратится на нагрев окружающего воздуха.

Закрытой называется система, которая может обмениваться с окружающей средой только энергией. Рассмотренная выше система, находящаяся в закрытом сосуде, будет примером закрытой системы. В этом случае обмен массой невозможен и масса системы остается постоянной, но теплота реакции через стенки пробирки передается окружающей среде.

Изолированной системой называется система постоянного объема, в которой не происходит обмена с окружающей средой ни массой, ни энергией. Понятие изолированной системы является абстрактным, т.к. на практике абсолютно изолированной системы не существует.

Рис.1.1 – Многофазная система.

Не всегда фаза на всем протяжении одинаковые физические свойства и однородный химический состав. Примером может служить атмосфера земли. В нижних слоях атмосфера концентрация газов выше, выше и температура воздуха, в верхних же слоях происходит разрежение воздуха и понижение температуры. Т.е. однородность химического состава и физических свойств на протяжении всей фазы в данном случае не соблюдается. Также фаза может быть прерывной, например, кусочки льда, плавающие на поверхности воды, туман, дым, пена – двухфазные системы, в которых одна фаза является прерывной.

Система, состоящая из веществ, находящихся в одной фазе, называется гомогенной . Система, состоящая из веществ в разных фазах и имеющая хотя бы одну границу раздела, называется гетерогенной .

Вещества, из которых состоит химическая система – компоненты. Компонент может быть выделен из системы и существовать вне ее. Например, известно, что при растворении хлорида натрия в воде он распадается на ионы Na + и Cl – , однако эти ионы не могут считаться компонентами системы – раствора соли в воде, т.к. они не могут быть выделены из данного раствора и существовать по отдельности. Компонентами будут вода и хлорид натрия.

Состояние системы определяется ее параметрами. Параметра могут быть заданы как на молекулярном уровне (координаты, количество движения каждой из молекул, валентные углы и пр.), так и на макроуровне (например, давление, температура).

Строение атома.

Похожая информация.