Студентка 4 курса ФПМКТиФ
ФГБОУ ВО «Вологодский государственный университет»
Научный руководитель:
СОЗДАНИЕ ПРОБЛЕМНЫХ СИТУАЦИЙ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ В КУРСЕ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ И ТЕРМОДИНАМИКИ
Цель проблемного обучения – усвоение не только основ науки, но и самого процесса получения знаний и научных фактов, развитие познавательных и творческих способностей студентов. Проблемное обучение не универсально, но представляет собой важную составную часть современной системы обучения физике и его необходимо сочетать с другими методами.
При изложении и объяснении нового материала обычно используют две формы проблемного обучения: проблемное изложение и поисковая беседа. В первом случае лектор, используя специально выбранные факты из истории физики и другие проблемные вопросы, демонстрационные и мыслительные эксперименты, задачи и т. п., сам формулирует, решает или показывает, каким образом проблема была решена в науке. Здесь важное значение имеет правильность формулировки вопроса, логическая связь между раннее усвоенным материалом, а также между границами известного и неизвестного. Смысл же поисковой беседы заключается в привлечении студентов к решению выдвигаемых проблем с помощью сформулированных заранее вопросов. Но, поисковая беседа может быть использована в том случае, когда студенты обладают определенным уровнем знаний, позволяющим активно участвовать в решении обозначенных проблем.
Тема «Равновесие фаз и фазовые переходы» является одной из важных и актуальных тем курса молекулярной физики и термодинамики. При изложении материала после рассмотрения основных понятий, таких как фаза, система, равновесие фаз, диаграмма состояния вещества, уравнение Клапейрона - Клаузиуса, ее рассмотрение продолжается путем перехода от обычного традиционного способа изложения материала к проблемному изложению.
Приведем некоторые возможные варианты проблемного изложения материала в рамках изучения темы «Равновесие фаз и фазовые переходы» [1].
Вариант 1. Полиморфные превращения олова
В конце XIX века в Санкт-Петербурге на одном из складов военного обмундирования находился большой запас солдатских пуговиц, которые в то время изготавливались из белого олова [2]. Склад не отапливался и пуговицы «простудились» и «заболели» «оловянной чумой». Что произошло? Сначала слегка потемнели несколько пуговиц, быстро теряя блеск, через несколько дней рассыпались в порошок. «Заболевшие» пуговицы «заражали» своих соседей из белого олова. «Болезнь» распространялась быстро как чума и в течение нескольких дней горы блестящих оловянных пуговиц превратились в бесформенную массу серого порошка. Кроме того, «оловянная чума» явилась одной из основных причин гибели антарктической экспедиции Роберта Скотта. Разрушились емкости с горючим топливом и полярники остались без горячей пищи. Достигнув южного полюса, они уже не смогли вернуться на свою базу.
Почему это произошло? Попробуем рассуждать следующим образом. Существуют две модификации олова – обыкновенное (серебристо-белое олово), которое получается при температурах, превышающих 13,2ОС, хрупкое неметаллическое (серое олово), получаемое при температурах ниже 13,2ОС. Физические свойства данных модификаций олова являются различными, а именно, плотность белого олова 7290 кг/м3, а серого 5850 кг/м3, коэффициент объемного расширения серого олова в 4 раза больше, чем у белого. При атмосферном давлении эти модификации находятся в равновесии при температуре 13,2ОС. При температурах выше 13,2ОС обыкновенное олово является более устойчивым, а при температурах ниже 13,2ОС более устойчивым является серое олово. Переход олова из обыкновенной разновидности в «хрупкую» сопровождается разрушением кристаллической решетки. Какова же причина различия модификаций?
Причина различия модификаций олова скрывается в расположении атомов кристаллической решетки. Расположение атомов в кристалле определяется температурой, т. е. силы, удерживающие атомы олова на своих местах в решетке, зависят от температуры. При понижении температуры кристаллическая решетка белого олова становится неустойчивой, происходит перестройка атомов и в результате образуется серое олово.
Если в оловянных предметах имеется необходимый зародыш, то данные предметы могут рассыпаться в порошок. Но обычно при нормальных условиях таких зародышей нет, самопроизвольно они образуются только при очень низких температурах и являются недейственными по причине ничтожной скорости превращения. При повышении температуры скорость разрушения кристаллической решетки резко возрастает и оловянный предмет рассыпается.
Явление «оловянная чума» встречается очень редко. Почему? В физике существует явление переохлаждения твердого тела, при обычных температурах белое олово – переохлажденный кристалл. Если же олово значительно охладить да еще и деформировать, то в результате начнется бурный переход из неустойчивой белой модификации в более устойчивую серую, т. е. начнется «оловянная чума».
Каким образом можно предотвратить «оловянную чуму»? Что может помешать разрушению кристаллической решетки? К чистому металлическому олову нужно добавить примеси, например, висмут. Атомы висмута мешают перестройке атомов олова, и в результате белое олово остается металлом даже при низких температурах. Таким образом, ничтожная добавка примеси совершенно может изменить свойства металла и предотвратить явление «оловянной чумы».
Вариант 2. Полиморфные превращения углерода
Кристаллический углерод в природе встречается в виде двух модификаций – графита и алмаза. Алмазы, являясь сверхпрочными материалами, находят широкое применение в технике, приборостроении, материалообработке. Запасы естественных алмазов недостаточны для удовлетворения технических потребностей и поэтому возникает проблема получения алмазов искусственным путем.
Рассмотрим модели кристаллических решеток графита и алмаза, представленных на рисунках 1а, 1б. Атомы углерода в графите (рис.1а) находятся в вершинах правильных шестигранных призм. Между атомами углерода в слоях имеют место очень сильные связи, направленные под углом в 120
друг к другу.
Атомы углерода соседних слоев находятся на расстоянии, примерно в 2,5 раза большем, чем атомы одного слоя. Естественно, слои графита связаны друг с другом несравненно слабее, чем атомы внутри слоя. Атомные слои легко перемещаются (скользят) друг относительно друга и поэтому графит мягок. В кристалле же алмаза (рис.1б) атомы расположены в вершинах и в центре тетраэдров, каждый атом углерода имеет всего лишь четырех соседей и связаны они между собой исключительно крепко, так как их электронные оболочки перекрываются. Силы связи имеют направленный характер, а именно идут в четырех направлениях, образующих углы 10930
друг с другом. В структуре алмаза нет выделенных плоскостей легкого проскальзывания и поэтому алмаз прочен и тверд.
Рассмотрим диаграмму состояния углерода, представленную на рис.2. Здесь имеет место тройная точка (p
130 кбар, T4000К), соответствующая равновесию двух твердых фаз: I – графит, II – алмаз и жидкой фазы III. Из анализа фазовой диаграммы следует, что при низких давлениях и температурах устойчивой модификацией углерода является графит, а алмаз устойчив при высоких давлениях не ниже 150 тысяч атмосфер. Однако данный факт не означает, что алмаз не может существовать при давлениях и температурах соответствующих области I. Известно, что алмаз не только существует при нормальном давлении и температуре, а как будто бы является и вполне устойчивым. Но в действительности алмаз в данных условиях метастабилен, то есть находится в состоянии неустойчивого равновесия. Однако его “неустойчивость” такова, что он в нормальных условиях может существовать неограниченно долго и лишь при нагревании до температуры свыше 1000 K начинает переходить в устойчивую фазу графита.
Таким образом, при давлениях около 100 тысяч атмосфер и температурах до 2000K графит (или другое углеродосодержащее вещество) превращается в алмаз, но непременно в присутствии катализаторов. В качестве катализаторов могут использоваться некоторые металлы, например, железо, тантал, никель и другие. Изложение изучаемого материала путем создания проблемных ситуаций позволяет развивать познавательные и творческие способности студентов, повышать качество и эффективность образовательного процесса.
Литература:
1. Погожев проблемного обучения при изучении полиморфных превращений вещества в курсе молекулярной физики. Сб. трудов XIII Всероссийской научно-практической конференции преподавателей физики учреждений общего среднего и профессионального образования. Иркутск: ИГПУ, 2009. С.131-133.
2. Шаскольская о свойствах кристаллов. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987. С.87.
