Химия (стр. 1 )

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«Алтайский государственный технический университет

имени »

ХИМИЯ

Модуль 1

СТРОЕНИЕ АТОМА И ВЕЩЕСТВА

Учебное пособие

для модульно-рейтинговой технологии обучения

Бийск

2007

УДК

Макрушина, Т. И. ХИМИЯ. Модуль 1. Строение атома и вещества: учебное пособие для модульно-рейтинговой технологии обучения / .

Алт. гос. тех. ун-т БТИ. – Бийск.

Изд-во Алт. гос. тех. ун-та, 2007. – 202 с.

В данном учебном пособии представлена система методической документации для модульно-рейтинговой технологии изучения раздела «Строение атома и вещества» курса «Химии», а также для изучения дисциплин, рабочие программы которых предусматривают изучение разделов, рассмотренных в данном пособии.

Учебное пособие разработано в соответствии с Государственным образовательным стандартом УМО высшего профессионального образования по направлениям подготовки дипломированных специалистов специальностей 200106 всех форм обучения.

Учебное пособие предназначено для преподавателей и студентов технических и химико-технологических вузов.

Рассмотрено и одобрено на заседании

кафедры общей химии и экспертизы товаров.

Протокол № 44 от 01.01.01 г.

.

Рецензенты: доцент, к. х.н.

кафедры ХТОСА БТИ Алт ГТУ

© , 2007

© БТИ Алт ГТУ, 2007

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ	5
МОДУЛЬ 1. СТРОЕНИЕ АТОМА И ВЕЩЕСТВА	11
Глава первая. Общие положения	11
1.1 Цели обучения	12
1.2 Программа модуля «Строение атома и вещества»	12
1.3 Тематический план модуля	15
1.4 Перечень необходимых средств для выполнения программы модуля	15
1.5 План-график изучения модуля «Строение атома и вещества»	15
1.6 Планы лабораторных занятий	18
1.7 Индивидуальное расчетное задание	20
1.8 Самостоятельная работа студентов	23
1.9 Модульный экзамен	24
Глава вторая. Наука химия	25
2.1 Цели изучения главы	25
2.2 Методические рекомендации по изучению материала	25
2.3 Предмет и задачи химии	26
2.4 История возникновения и развития химии	30
2.5 Значение химии в изучении природы и развитии техники	44
2.6 Вопросы для самоконтроля	47
Глава третья. Основные понятия и законы химии	48
3.1 Цели изучения главы	48
3.2 Методические рекомендации по изучению материала	48
3.3 Основные понятия химии	49
3.4 Основные стехиометрические законы химии	55
3.5 Вопросы для самоконтроля	71
Глава четвертая. Строение атома	72
4.1 Цели изучения главы	72
4.2 Методические рекомендации по изучению материала	72
4.3 Представление о строении материи в древности	73
4.4 Открытие субатомных частиц. Первые модели строения атома	75
4.5 Теория строения атома по Н. Бору	80
4.6 Представления о корпускулярно-волновом дуализме электрона	82
4.7 Принцип неопределенности Гейзенберга	84
4.8 Шрёдингера. Квантовые числа	85
4.9 Энергетические уровни и подуровни	89
4.10 Принципы заполнения атомных орбиталей	90
4.11 Современные представления о строении атома	93
4.12 Вопросы для самоконтроля	99
Глава пятая. Периодический закон	100
5.1 Цели изучения главы	100
5.2 Методические рекомендации по изучению материала	100
5.3 История открытия периодического закона	101
5.4 Периодический закон	103
5.5 Структура периодической системы химических элементов и ее связь с электронной структурой атомов	104
5.6 Основные понятия, необходимые для изучения реакционной способности химических соединений	107
5.7 Периодичность атомных характеристик	111
5.8 Естественные границы периодической системы	114
5.9 Вопросы для самопроверки	115
Глава шестая. Химическая связь	117
6.1 Цели изучения главы	117
6.2 Методические рекомендации по изучению материала	117
6.3 Понятие химической связи	118
6.4 Классификация химических связей	120
6.5 Основные виды химической связи	122
6.6 Метод валентных связей	128
6.7 Метод молекулярных орбиталей	135
6.8 Вандерваальсовы силы	139
6.9 Водородная связь	144
6.10 Комплексные соединения	147
6.11 Вопросы для самоконтроля	154
Глава седьмая. Агрегатные состояния вещества	156
7.1 Цели изучения темы	156
7.2 Методические рекомендации по изучению материала	156
7.3 Характерные особенности веществ в различных агрегатных состояниях	157
7.4 Газообразное состояние вещества	158
7.5 Плазма	159
7.6 Жидкое состояние вещества	160
7.7 Твердое состояние вещества	161
7.8 Вопросы для самоконтроля	168
Заключение по первому модулю «Строение атома и вещества»	170
Литература	173
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Модульно-рейтинговая технология изучения курса «Химия»	174
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Основные термины и понятия	177
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Тестовые задания	184

ВВЕДЕНИЕ

Химия является не только общетехнической, но и общеобразовательной наукой. Поэтому инженер любой специальности должен обладать достаточными знаниями в области химии.

Цель учебного процесса заключается в передаче знаний и умений от преподавателя к студенту. Средствами достижения этой цели являются, во-первых, регулярная работа студента в течение всего семестра и, во-вторых, систематический контроль полученных знаний. Задача курса не в том, чтобы студенты усвоили подробные знания из тех или иных разделов химии, а в том, чтобы усвоили общие подходы и приемы, чтобы смогли подойти к описанию любого химического явления, провести его анализ-синтез.

Для реализации поставленной цели в качестве основного методологического принципа выбран процессный подход. Все виды действий, совершаемых в процессе изучения, рассматриваются как процессы — логически упорядоченные последовательности этапов, преобразующих входы в выходы.

Процессный подход открывает широкие возможности для вовлечения обучающихся в образовательный процесс. Применение принципа процессного подхода предполагает определение такого процесса, с помощью которого достигается желаемый результат.

Переход на многоуровневую систему высшего образования и, как следствие, усложнение учебного материала в связи с изменениями принципов построения учебных планов и курсов потребовало в последние годы интенсификации обучения и существенного развития самостоятельной учебной деятельности студентов.

Определенный вклад в решение этих задач должна внести разработка и внедрение в учебный процесс научно обоснованных, современных образовательных технологий, среди которых особое место занимает модульно-рейтинговая технология обучения (МРТО).

Изучение курса «Химия» строится на базе интеграции принципа процессного подхода и модульно-рейтинговой технологии обучения, основанной на образовательном стандарте высшего профессионального образования АлтГТУ им. «Положение о модульно-рейтинговой системе квалиметрии учебной деятельности студентов. СМК ОПД ».

В соответствии с процессным анализом курса первым этапом его изучения является рассмотрение всей дисциплины как единой системы знаний и выявление ее роли в общеинженерной подготовке специалистов.

Химия относится к естественным наукам, которые изучают окружающий нас мир. Химия, физика, биология только на первый взгляд могут показаться далекими друг от друга науками. Хотя лаборатории физика, химика и биолога очень не похожи, все эти исследователи имеют дело с природными (естественными) объектами. Это отличает естественные науки от гуманитарных наук: истории, психологии, обществоведения и многих других наук, изучающих то, что создано не природой, а, прежде всего, самим человеком.

Многие разделы современной науки возникли на стыке наук: физическая химия, геохимия, биохимия. Химия тесно связана также с другими отраслями науки и техники. В ней широко применяются математические методы, используются расчеты и моделирование процессов на электронно-вычислительных машинах. В современной химии выделилось много самостоятельных разделов, наиболее важные из которых, кроме отмеченных выше, неорганическая химия, органическая химия, химия полимеров, аналитическая химия, электрохимия, коллоидная химия и другие.

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 (рисунок 1).

Рисунок 1 – Место химии в среде других наук

Рисунок 2 − Межпредметные связи химии с другими дисциплинами

Курс «Химия» как учебная дисциплина связан с другими естественнонаучными, общепрофессиональными и специальными дисциплинами межпредметными связями: с предшествующими – математикой, физикой, информатикой, биологией и другими общенаучными дисциплинами; последующими – материаловедением, технологией конструкционных материалов, термодинамикой, теплопередачей, механикой жидкостей и газов и др. (рисунок 2).

Вторым этапом изучения является рассмотрение структуры самого курса общей химии и иерархии его подсистем. Химия включает в себя две подсистемы:

– теоретическую, в которой рассматриваются основные законы и закономерности химических процессов, их классификация, методы изучения;

– практическую, в которой осваиваются химические методы расчета и лабораторный практикум.

В теоретической части подсистемы рассматриваются общие законы и концепции химии, включая периодический закон, теорию химической связи, основные закономерности химических процессов, учение о растворах, окислительно-восстановительные реакции, основы органической химии, свойства полимеров, олигомеров, метода исследования веществ.

В практической части подсистемы приобретаются умения применять полученные теоретические знания для решения практических задач: выполняются индивидуальные расчетные задания, осваивается химический эксперимент, проводятся научно-исследовательские работы (рисунок 3).

Рисунок 3 – Структура курса «Химия»

В качестве основного методического материала при изучении модуля «Строение атома и веществ» рекомендуется использовать приведенные далее структурно-логические схемы, отвечающие системному анализу раздела. Структурно-логические схемы курса, разделов отражают не только внешние и внутренние связи, но и дают четкое представление о последовательности работы с учебным материалом. Структурно-логические схемы также фиксируют внимание студентов на наиболее важных положениях и понятиях каждого раздела курса, то есть они помогают формированию стержневых идей курса и опорных знаний. При использовании структурно-логических схем следует иметь в виду, что изучаемый раздел рассматривается на схеме как единая система, имеющая подразделы, иерархически связанные между собой.

Решающей стадией и итогом любого обучения является самообучение как самоосознание собственного умения делать или понимать (знать) что-либо. В настоящее время становится важным обучение умению самостоятельно добывать нужную информацию, определять проблемы и искать пути их рационального решения, уметь критически анализировать получаемые знания и применять их для решения все новых задач. Индивидуальная творческая работа позволяет достичь стратегической цели системы образования в современном обществе: интеллектуальное и нравственное развитие человека.

Изучение модуля завершается выполнением индивидуального расчетного задания (ИРЗ). Умение мобилизовать все накопленные знания и опыт для решения конкретной задачи, тщательно обосновывать любое решение, критически относиться к полученным результатам, постоянно искать оптимальное, «лучшее» решение – это то, что нужно и необходимо всегда, в любых ситуациях, это то, что в себе надо всегда и постоянно тренировать. И это то, что нужно и необходимо для успешного выполнения ИРЗ.

План-график изучения модуля составлен исходя из того, что студент еженедельно 4-5 часов самостоятельно выполняет задания, предусмотренные этим планом. Содержательная и методическая сторона учебных заданий предполагает, что самостоятельная работа должна протекать по ряду параллельных направлений, отличных друг от друга по своим образовательным и формирующим целям: работа с учебной и научной литературой, выполнение лабораторных работ, тестовых заданий, решение типовых задач, выполнение индивидуальных заданий, написание докладов, сообщений, рефератов, подготовка к промежуточным экзаменам и т. д.

Данное учебное пособие и предназначено для того, чтобы обеспечить методическое руководство самостоятельной работой студентов, изучающих курс «Химия», ее целенаправленность, планомерность, многогранность, систематичность.

Предлагаемая модульная технология обучения (Приложение А) применяется более 5 лет на кафедре «Общей химии и экспертизы товаров» Бийского технологического института АлтГТУ им. и показала свою эффективность.

Модуль 1

СТРОЕНИЕ АТОМА И ВЕЩЕСТВА

Глава первая. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Изучение курса «Химия» ведется по единой схеме, включающей в себя два уровня:

·  на I уровне изучаются физическая сущность химических явлений, осваиваются основные понятия, принятая терминология, рассматриваются основные закономерности химических явлений, их классификация;

·  на II уровне изучаются практические вопросы, методы расчета и применение химических процессов.

Преследуя цель повышения качества подготовки специалистов, необходимо активно осуществлять управление процессом получения и усвоения знаний студентами, особенно при их самостоятельной работе.

Применяемая в данном учебном пособии модульно-рейтинговая технология обучения (Приложение А) имеет целью поставить студента перед необходимостью регулярной самостоятельной учебной работы в течение всего семестра, обеспечить «мягкое» управление педагогическим процессом, стимулировать процессы самоорганизации учебной деятельности студента.

При изучении курса по учебникам, учебным пособиям и конспекту лекций студентам необходимо пользоваться содержанием разделов и тем, предварительно ознакомившись с кратким содержание тем по рабочей программе дисциплины. При первом чтении не надо задерживаться на математических выводах, составлении уравнений реакций; нужно стараться получить общее представление об излагаемых вопросах, а также отметить трудные или неясные места. Внимательно читайте текст, напечатанный особым шрифтом. При повторном изучении темы усвойте все теоретические положения, математические зависимости и их выводы, а также принципы составления уравнений реакций.

Вникайте в сущность того или иного вопроса, а не пытайтесь запомнить отдельные факты и явления. Изучение любого вопроса на уровне сущности, а не на уровне отдельных явлений способствует более глубокому и прочному усвоению материала. Чтобы лучше запомнить и усвоить изучаемый материал, надо обязательно иметь рабочую тетрадь и заносить в нее формулировки законов и основных понятий химии, новые незнакомые термины и названия, формулы и уравнения реакций, математические зависимости и их выводы. Во всех случаях, когда материал поддается систематизации, составляйте графики, схемы, диаграммы, таблицы. Они очень облегчают запоминание и уменьшают объем конспектируемого материала. Пока тот или иной раздел не усвоен, переходить к изучению новых разделов не следует. Краткий конспект курса будет полезен при повторении материала в период подготовки к экзамену. Изучение курса должно обязательно сопровождаться выполнением упражнений и решением задач.

1.1 Цели обучения

Изучение модуля «Строение атома и вещества» должно способствовать достижению студентами следующих целей:

– освоению химической науки как составляющей естественно-научной картины мира;

– усвоению основных химических понятий и стехиометрических законов химии; современных представлений о строении атома;

– формированию представлений о химической связи, о строении и свойствах вещества, а также зависимости реакционной способности химических соединений от их электронного строения;

– овладению умениями применять полученные знания для объяснения разнообразных химических явлений и свойств веществ, оценки роли химии в развитии современных технологий и получении новых материалов.

1.2 Программа модуля «Строение атома и вещества»

Введение

Предмет и задачи химии. Формы существования материи: вещество, поле и информация. Материя и движение. Химическая форма движения материи. Основные парадигмы современной химии. Место химии среди других наук. Наука и научные знания. Структура курса общей химии. История возникновения и развития химии. Значение химии в изучении природы и развития техники [1, c. 10-14].

Основные понятия и законы химии

Основные понятия химии (атом, молекула, химический элемент, простые, сложные вещества). Стехиометрические законы химии и их роль в современной химии: закон сохранения массы и энергии; закон постоянства состава, закон эквивалентов; закон кратных отношений; закон объемных отношений; закон Авогадро и следствия из него; газовые законы [1, c. 14-16].

Строение атома

Представление о строении материи в древности. Открытие субатомных частиц. Первые модели строения атома. Теория строения атома по Н. Бору. Представления о корпускулярно-волновом дуализме электрона. Принцип неопределенности Гейзенберга. Шрёдингера. Квантовые числа. Энергетические уровни и подуровни. Атомные орбитали s-, p-, d-, f-типа. Принципы заполнения атомных орбиталей: принцип минимума энергии, принцип Паули, правило Гунда, правило Клечковского. Современные представления о строении атома. Кварковая модель строения атома [1, c. 17-26].

Периодический закон

История открытия периодического закона. Периодический закон . Структура периодической системы химических элементов и ее связь с электронной структурой атомов. Основные понятия, необходимые для изучения реакционной способности химических соединений. Периодичность атомных характеристик. Естественные границы периодической системы [1, c. 27-34].

Химическая связь

Понятие химической связи. Классификация химических связей. Основные виды химической связи: ковалентная химическая связь, ионная химическая связь, металлическая связь

Метод валентных связей: основные положения метода валентных связей; перекрывание атомных орбиталей; гибридизация атомных орбиталей [1, c. 35-56].

Метод молекулярных орбиталей: основные положения; двухатомные молекулы элементов первого периода [1, c. 57-65].

Взаимодействие между молекулами. Вандерваальсовы силы: ориентационное взаимодействие; индукционное взаимодействие; дисперсионное притяжение; межмолекулярное отталкивание.

Водородная связь: общие понятия; межмолекулярная водородная связь; внутримолекулярная водородная связь; энергия и длина водородной связи; влияние водородных связей на свойства веществ; значение водородных связей.

Комплексные соединения. Донорно-акцепторное взаимодействие молекул. Комплексы: комплесообразователи, лиганды; номенклатура комплексных соединений; природа химической связи в комплексах; роль комплексных соединений в природе и технике [1, c. 65-81].

Агрегатные состояния вещества

Химические системы. Газообразное состояние вещества. Плазма. Жидкое состояние вещества. Твердое состояние вещества. Вещества в аморфном состоянии. Вещества в кристаллическом состоянии: основные определения, кристаллические структуры, зонная теория кристаллов.

Повторить материал из школьного курса:

Номенклатура неорганических веществ. Классификация неорганических соединений. Классификация химических реакций в неорганической химии.

Атом. Изотопы. Атомные орбитали. Электронная классификация элементов (s-, p-элементы). Особенности строения электронных оболочек атомов переходных элементов. Периодический закон и периодическая система химических элементов , их мировоззренческое и научное значение.

Химическая связь. Ковалентная связь, ее разновидности и механизмы образования. Степень окисления и валентность химических элементов.

Ионная связь. Катионы и анионы. Металлическая связь. Водородная связь, ее роль в формировании структур биополимеров. Единая природа химических связей.

Вещество. Качественный и количественный состав вещества. Вещества молекулярного и немолекулярного строения. Кристаллические решетки.

Причины многообразия веществ: изомерия, гомология, аллотропия. Чистые вещества и смеси.

1.3 Тематический план модуля

Тематический план модуля представлен таблицей 1.1.

Таблица 1.1 − Тематический план и количество часов на изучение модуля

Наименование тем и разделов	Количество часов на изучение
Всего	в том числе
лекции	лабораторные работы	самостоятельная работа
Модуль 1 Строение атома и вещества	43	12	10	21
Введение	5,5	1,5	2	2
1.1 Основные понятия и законы химии	11,5	1,5	8	2
1.2 Строение атома	7	3	-	4
1.3 Периодический закон	5,5	1,5	-	4
1.4 Химическая связь	8	3	-	5
1.5 Агрегатные состояния вещества	5,5	1,5	-	4

1.4 Перечень необходимых средств для выполнения программы модуля