«Осуществление межпредметных связей в системе профильного обучения» (стр. 33 )

Когда мы говорим о сохранении веществ в процессах, кото­рые происходят в биосфере, в географической оболочке, мы име­ем в виду, что число атомов, участвующих в этих процессах, не меняется, и масса каждого атома как мера его инертных и грави­тационных свойств также остается постоянной.

Может быть, решая задачи, не всегда упоминаем о том, что при плавлении, испарении, химических реакциях, деформации и других подобных процессах масса веществ остается постоянной, но мы этим положением пользуемся.

Вспомните, как решаются задачи, в которых идет речь об агре­гатных переходах вещества: мы считаем, что масса льда, масса воды, из него образовавшейся, масса

УМКД 042-18-38.1.70/03-2014

Редакция № 1 от 25.06. 2014 г.

Страница 2 из 161

пара, в который превра­щается эта вода, одинаковы. И это не противоречит практике. Хотя мы и знаем, что всякое изменение энергии системы сопровож­дается изменением ее массы (вспомните закон взаимосвязи массы и энергии, открытый Эйнштейном). Но если подсчитаем изменение массы, например, для реакции горения 1 моль углеро­да  (С + О2 = СО2 + 4,02Дж), то придем к

выводу, что его учесть никакими весами невозможно - оно равно 0,0000000000044кг.

В химических, биологических, тепловых, механических, элек­трических, магнитных явлениях, т. е. в процессах, где не происхо­дит взаимопревращения элементарных частиц, действует закон сохранения массы вещества. Во всех же процессах, связанных с ядерными превращениями, следует учитывать изменение массы, соответствующей энергии поля - закон сохранения полной массы системы.

В настоящее время, когда науке стало известно, что массой обладают не только частицы, имеющие массу покоя, но и что всякое изменение энергии сопровождается изменением массы системы, считающийся раньше незыблемым и всеобщим закон сохранения массы вещества утратил свой всеобщий характер и стал частным законом более общего закона - закона сохранения массы. Да и этот последний физики объединяют с законом сохранения энергии и считают, что в природе действует закон сохранения массы и энер­гии. В процессе познания человечество открывает все более общие законы, нет абсолютной уверенности, что и этот общий закон оста­нется общим на все времена. Есть только уверенность, что процесс познания тайн природы бесконечен...

Примеры.

Прочитайте рубаи Омара Хайяма, поэта XI в.:

Ты жаждой не страдал, голодным ты не был.

Ты все, чем томишься, от четырех добыл.

И каждому возвратишь ты подарок,

И снова станешь тем, чем ты вначале был.

«От четырех добыл» - имеются в виду четыре стихии - земля, вода, воздух, огонь, из которых, как считали во времена Омара Хайяма, состоит все сущее.

Как это стихотворение сочетается с представлениями о кругово­роте веществ в биосфере, с законом сохранения массы вещества?

2. Какие законы вы будете использовать, чтобы доказать ра­венство удельной теплоты плавления и удельной теплоты кристал­лизации? удельной теплоты испарения и удельной теплоты кон­денсации?

Вода объемом 4 л нагрелась от 20 до 100 °С. Изменилась ли при этом ее масса? В книге Ф. Кривина «Ученые сказки» можно прочитать: «360 000 000 т в сутки теряет Солнце в процессе излучения. Вот прекрасное средство для всех желающих сбросить вес. Отдавайте миру свою теплоту, освещайте мир своими лучами...».

Проверьте, прав ли писатель. Действительно ли масса Солнца на столько уменьшается за сутки? Значение солнечной постоянной можно взять из учебника астрономии.

УМКД 042-18-38.1.70/03-2014

Редакция № 1 от 25.06. 2014 г.

Страница 2 из 161

2.14 Закон сохранения энергии и межпредметные связи в физике

Рассмотрим возможности применения закона сохра­нения и превращения энергии в химии.

Тепловые эффекты химических реакций. Известно, что хими­ческие реакции бывают экзотермическими (с выделением энергии) и эндотермическими (с поглощением энергии). Количество тепло­ты, выделяемое или поглощаемое в процессе реакции, определяет­ся изменением внутренней энергии реагирующих веществ. При хи­мических реакциях происходит перестройка химических связей частиц реагирующих веществ. Во время экзотермических реакций химические связи перестраиваются таким образом, что внутренняя энергия реагирующих веществ уменьшается, на столько же уве­личивается внутренняя энергия тел окружающей среды. При эндотермических реакциях внутренняя энергия реагирующих ве­ществ возрастает за счет уменьшения на такое же значение энергии объектов, окружающих реагирующие вещества. Таким образом, тепловой эффект химической реакции - это изменение внутренней энергии реагирующих веществ.

В качестве примера вычислим тепловой эффект при взаимодействии 1 моль цинка с разбавленной серной кислотой при температуре 20°С. При этом учтем, что вследствие изменения химических свя­зей выделяется энергия, равная 143,092 кДж.

Запишем уравнение химической реакции:

Zn + H2SO4 = ZnS04 + H2 +

Как видим, в процессе реакции выделяется 1 моль водорода, система расширяется, при этом ею совершается работа. Внутрен­няя энергия системы изменяется вследствие выполнения системой работы и выделения энергии:

= А + Q.

Вычислим работу расширения образовавшегося водорода:

А = p(V - Vo);

так как V0 = 0, то А = pV.

Использовав уравнение Менделеева-Клапейрона, можно записать:

pV = RT,

откуда

                       A=RT=8,3131Дж/(мольК)

.

Таким образом, тепловой эффект химической реакции - это изменение внутренней энергии системы реагирующих веществ вследствие перестройки химических связей между частицами и вследствие изменения объема системы.

Но почему при перестройке химических связей между частица­ми происходит изменение внутренней энергии веществ, образован­ных ими?

О химических связях. Всякая перестройка химических связей между атомами и группами атомов связана с изменением взаимо­действия между электронными оболочками реагирующих частиц, при этом изменяется и энергия. Чтобы понять, как это происходит, вспомним, как изменяется энергия при взаимодействии

УМКД 042-18-38.1.70/03-2014

Редакция № 1 от 25.06. 2014 г.

Страница 2 из 161

разноимен­ных электрических зарядов. Электрическое поле при сближении точечных разноименных зарядов изменяется - напряженность его и энергия уменьшаются. То же самое происходит и при образо­вании ионной молекулы.

Образование атомов также сопровождается выделением энер­гии. Энергию, которая выделяется, когда к иону присоединяется электрон или несколько электронов, можно определить по закону сохранения энергии; такую же энергию следует затратить, чтобы электрон оторвать от атома, т. е. энергия молизации равна энергии ионизации.

Наибольшую энергию ионизации имеют завершенные элек­тронные оболочки, аналогичные оболочкам атомов инертных эле­ментов. Вокруг этих атомов электрическое поле характеризуется минимальной энергией взаимодействия, поэтому они «неохотно» взаимодействуют друг с другом. Атомы же остальных элементов достигают конфигурации электронных оболочек инертных элемен­тов, вступая в контакты с другими атомами. Например, при сбли­жении двух атомов водорода их электроны образуют пару (дуб­лет), общую для обоих атомов. Такое обобщение двух электронов позволяет атомам водоро­да иметь электронную оболочку, сходную с оболочкой атома гелия. Отрицательный заряд электронов как бы связывает ядра атомов - при образовании ковалентной связи также происходит сближение электрических зарядов, сопровож­дающееся уменьшением потенциальной энергии взаимодействую­щих атомов.

При сближении ионов противоположного знака возможно образование ионных связей. Для этого они должны сблизиться на такое расстояние, на котором между ними начнут действовать электрические силы притяжения. Ионы под действием этих сил будут притягиваться до тех пор, пока не начнут преобладать силы отталкивания электронных оболочек. При образовании ионных молекул также происходит уменьшение потенциальной энергии ионов, объединяющихся в молекулу.

Образование кристаллов. Энергия выделяется не только при образовании ионных молекул, но и при образовании ионных кристаллов. Наиболее известным ионным кристал­лом является кристалл поваренной соли. В узлах его кристалли­ческой решетки расположены ионы натрия и хлора. Каждый ион натрия окружен шестью ионами хлора, и наоборот, каждый ион хлора окружен шестью ионами натрия. Ионы с достаточным приб­лижением можно считать точечными зарядами, поэтому можно определить силу взаимодействия между ними (по закону Кулона), а также работу, которую необходимо затратить, чтобы разделить ионы хлора и натрия в кристаллической решетке. Эта работа и будет равна той энергии, которая выделяется при образовании кристалла поваренной соли из ионов. Выделяемая энергия в свою очередь должна быть равна энергии, затраченной для превраще­ния кристалла поваренной соли в газ, состоящий из ионов. Опыт показал, что равенство энергий действительно имеет место. Это может быть одним из доказательств того, что в ионной молекуле и ионном кристалле действуют силы электростатического проис­хождения.