Вопрос №1 История возникновения химии как науки. Роль химии в пожарном деле (25 мин.)

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА

Проведения лекционного занятия

по дисциплине «Химия»

для курсантов 1 курса по специальности 280705.65 –

«Пожарная безопасность»

 

РАЗДЕЛ I

ВВЕДЕНИЕ В ОБЩУЮ ХИМИЮ

ТЕМА 1

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ХИМИИ.

РОЛЬ ХИМИИ В ПОЖАРНОМ ДЕЛЕ.

ЗАНЯТИЕ № 1.1.

ВВЕДЕНИЕ В ПРЕДМЕТ.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ХИМИИ.

 

 

Обсуждена на заседании ПМК

протокол №____ от «___»________2015 г.

 

Владивосток

2015 г.

I. Цели занятия

Учебная: ознакомить с историей возникновения химии как науки, ввести основные понятия химической науки, основные стехиометрические законы;

Воспитательная: воспитывать у обучаемых ответственность за подготовку к практической деятельности.

 

II. Расчет учебного времени

Содержание и порядок проведения занятия	Время, мин
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Учебные вопросы
1. История возникновения химии как науки. Роль химии в пожарном деле
2. Основные понятия химии
3. Стехиометрические законы химии
ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

 

III. Литература

Основная

1. Глинка Н.Л. Общая химия: Учебное пособие для вузов/ Под ред. А.И. Ермакова. – изд. 30-е, исправленное-М.: Интеграл-Пресс, 2007.-728 с.

2.Е.Г. Коробейникова, А.П. Чуприян, В.Р. Малинин, Г.К. Ивахнюк, Н.Ю. Кожевникова. Химия. Курс лекций Учебное пособие по спец. 280104.65 – Пожарная безопасность. /Под ред. Проф. В.С.Артамонова /СПб.: Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 2011 г. – 425 с.

3. Некрасов Б.В. Основы общей химии. – 4-е изд.,- СПб: Изд-во «Лань», 2003. - 656 с.

 

Дополнительная

1. Суворов А.В., Никольский А.Б. Вопросы и задачи по общей химии., - СПб: Химиздат, 2002.- 304 с.

Нормативно-правовые документы

1. ГОСТ 12.1.004 – 91 ^*. Пожарная безопасность. Общие требования

 

IV. Учебно-материальное обеспечение

1. Технические средства обучения: телевизор, графопроектор, видеомагнитофон, DVD-проигрыватель, компьютерная техника, интерактивная доска.

2. Периодическая система элементов Д.И. Менделеева, демонстрационные плакаты, схемы.

 

V. Текст лекции

Тема 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ХИМИИ

 

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ (3 мин.)

Преподаватель проверяет наличие слушателей (курсантов), объявляет тему, учебные цели и вопросы занятия.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ (85 мин)

 

Вопрос №1 История возникновения химии как науки. Роль химии в пожарном деле (25 мин.)

Химия – наука о веществах и их превращениях.

В общей системе наук химию относят к естественным наукам, т.к. она занимается изучением явлений и объектов природы.

Существует несколько толкований названия “химия”.

Согласно одному ‘chymeia” – наливание, настаивание. Это можно связать с древней практикой восточных врачей и фармацевтов, извлекавших соки лекарственных растений.

Согласно другому “khem” или “khame” означает черную страну, чернозем. Так называли Древний Египет.

Химики занимались и изучением земных недр, латинское слово “humus” означает “земля“.

Но есть еще и греческие слова “хюмос” – сок; “хюма” – литье, поток река; “химевсис” – смешивание.

А древнекитайское слово “ким” означает золото. Золотоделие – одно из первых занятий химиков.

И хотя мы не знаем точного происхождения слова “химия”, можно восстановить основные этапы развития этой науки.

 

1 этап: Древний мир – конец XVII века

 

Считается, что химия зародилась в Древнем Египте в III – IV веках до н.э. – технически передовой стране древнего мира. Обработка металлов, крашение, стеклоделие, бальзамирование достигли там значительного развития. Химия в Египте считалась наукой божественной, находилась в руках жрецов и тщательно скрывалась от всех посвященных.

Однако некоторые химические сведения все же просачивались за пределы Египта. Именно арабы прибавили к первоначальному слову характерную приставку “ал”. Понятие “алхимия” стало впоследствии характеризовать целую эпоху в развитии химической науки.

Само название “алхимия” появилось лишь в XII веке и существовало вплоть до конца XVII века. Основателем алхимии считают Гермеса Трисмегиста (Гермеса Трижды Величайшего). Он владел так называемыми герметическими знаниями – астрологией, кабалой (учением о магическом значении чисел) и алхимией, причем алхимию он считал искусством.

Вся работа алхимиков была направлена на поиски философского камня, превращающего любой металл в золото, и на поиски эликсира молодости.

Алхимический этап был важным этапом накопления химических знаний. В процессе поиска несуществующего философского камня алхимики освоили методику основных химических операций (перегонка, фильтрование, возгонка, кристаллизация), получили ряд новых веществ (мышьяк, сурьма, фосфор, серную и азотную кислоты, множество солей).

К сожалению, алхимики сохраняли результаты своих работ в строжайшей тайне, поэтому многие из их открытий были утеряны и открывались позднее вновь. Коренная перестройка алхимии произошла в начале XVI века. Реформаторами алхимии выступили Парацельс и Агрикола.

Врач Парацельс (Теофаст Гогенгейм) считал, что “цель химии состоит не в изготовлении золота и серебра, а в изготовлении лекарств”. Многие врачи примкнули к теории Парацельса и занялись химией.

Георгий Агрикола работал в области горного дела и металлургии. Книги Агриколы дошли до наших дней, и некоторые описанные им методы не потеряли своего значения до сих пор.

В начале XVI века работал и Ванноччо Бирингуччо - автор известного труда “Пиротехния”, в котором описаны состав пороха, его свойства, рассмотрено действие огня на металлы.

Все сколько-нибудь заметные химики XVI – XVII века были еще и алхимиками. Знание алхимии – признак тогдашней учености.

На Руси критически относились к попыткам получения золота из металлов. Здесь развивалась так называемая ремесленная химия: кожевенное дело, крашение, изготовление лекарств, металлургия. В XV веке было налажено производство селитры, в XVI веке в Туле – производство железа, а в Костроме – мыла. В начале XVII века при содействии Петра I начал работу первый стекольный завод. Петр I рассматривал все проекты, кроме алхимических, поскольку был уверен, что “тот, кто выдает себя делателем золота, должен быть или обманщиком, или невежей в химии”.

 

II этап: середина XVII - середина XIX века

 

В XVII веке химическая практика настолько переросла алхимическую теорию, что положение стало тормозящим для дальнейшего развития науки.

В 1660 году появляется первая теория – флогистонная теория Георга-Эрнеста Шталя – придворного врача короля Фридриха-Вильгельма I.

Так случилось, что первая химическая теория была ошибочной. Согласно этой теории во всех телах, способных гореть и окисляться, содержится особое вещество – флогистон. Чем больше флогистона в веществе, тем оно более способно к горению. По мнению Шталя, уголь целиком состоял из флогистона, а металлы – сложные вещества, теряя флогистон, превращались в простые вещества – оксиды. Единственное, что смущало исследователей, что металлы, теряя флогистон, увеличивали свой вес, но и этому нашли “объяснение”: решили, что флогистон имел отрицательный вес.

Поиски самого флогистона ни к чему не привели. Первый удар по этой теории нанес в 1775 году французский химик Лавуазье после открытия им кислорода. Он показал, что никакого флогистона в природе не существует, металлы под воздействием кислорода превращаются в оксиды, увеличивая свой вес, а уголь – в углекислый газ.

Датой рождения химии как точной науки можно считать сороковые годы XVIII века, когда великий русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов изложил основы атомно-молекулярного учения (1741 г.) и впервые сформулировал закон сохранения массы (1748 г.).

Через 40 лет в 1789 году закон сохранения массы был независимо от Ломоносова открыт Лавуазье.

Именно на этом этапе химия формируется как самостоятельная наука, у которой имеются в наличии все признаки точных наук: наличие отвлеченных рассуждений (теории, гипотезы, законы); воспроизводимость фактов; применимость на практике.

Второй этап развития химии был связан с изучением свойств и технологией получения главным образом неорганических веществ. Было установлено, что свойства веществ определяются его составом.

 

III этап: середина XIX века – начало XX века

 

Третий этап развития химии ознаменовался формированием фундаментальных теоретических основ этой науки. Это открытие Д.И. Менделеевым в 1869 году Периодического закона и открытие А.М. Бутлеровым в 1861 году теории строения органических соединений.

Именно на этом этапе были заложены основы промышленной технологии органических веществ, началось “ триумфальное шествие органической химии”. Было доказано, что свойства веществ определяются не только составом, но и химическим строением.

 

IV этап: XX век – современный период

 

В начале XX века были сделаны фундаментальные открытия, прежде всего открытие сложного строения атома. На основе этих открытий были осуществлен синтез новых элементов. На этом этапе развития химии получило развитие учение о процессе – основе нефтехимического синтеза, а также теория и практика катализа. Огромные достижения были достигнуты в области биологической химии, которая изучает превращение химических веществ в живых организмах.

Но развитие науки и техники поставило перед человечеством и вопрос о безопасности и самих веществ, и технологии их производств. Здесь уместно привести слова академика В.А. Легасова: “Человечество в своем промышленном развитии достигло такого уровня использования энергии всех видов, построили инфраструктуру с высоким уровнем концентрации энергетических мощностей, что беды от их аварийного разрушения стали соизмеримы с бедами от военных действий и стихийных бедствий”.

Эти слова в полной мере могут быть отнесены и к состоянию пожарной безопасности в стране и в мире.

На Земле каждый час происходит около 600 пожаров, каждые 30 минут в нашей стране в огне погибает человек.

Развитие науки, в том числе и достижения химии, с одной стороны, делают мир более пожароопасным, а с другой стороны, создают все более совершенные способы, методы и средства борьбы с огнем. Важно сделать так, чтобы второй процесс не отставал от первого. Именно это – стратегическая задача любой системы обеспечения пожарной и промышленной безопасности.

(Все определения, формулы, графики и уравнения реакций даются под запись.)

 

Вопрос № 2 Основные понятия химии (30 мин.)

По определению М.В. Ломоносова, “Химическая наука рассматривает свойства и изменения тел, состав тел, объясняет причину того, что с веществами при химических превращениях происходит”.

Вещество – конкретный вид материи, обладающий массой покоя и определенными физическими свойствами. Из различных веществ состоят все окружающие нас тела.

Свойства веществ проявляются в их изменениях. Изменения эти очень разнообразны. Снег под воздействием солнечных лучей тает, металл на открытом воздухе ржавеет, дрова сгорают в печи, пролитая жидкость испаряется. В одних случаях в результате превращений вещества остаются теми же самыми, а в результате других превращений образуются новые вещества. В этом различие химических и физических явлений (превращений).

 

Явления (превращения)
физические	химические
Явления, при которых вещества не изменяются.	Явления, при которых из одних веществ образуются другие, новые вещества.
Примеры: изменения агрегатного состояния твердое вещество ® жидкость ® газ; изменение температуры, плотности.	Примеры: реакция горения, коррозия металлов.

В 1741 году в книге “Элементы математической химии” великий русский ученый М.В. Ломоносов изложил основы атомно-молекулярного учения. Сущность учения Ломоносова сводится к следующему:

1. Все вещества состоят из корпускул (молекул).

2. Молекулы состоят из элементов (атомов).

3. Молекулы и атомы находятся в непрерывном движении. Теплота состоит во внутреннем движении этих частиц.

4. Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов. Молекулы сложных веществ - из разных атомов.

Через 67 лет после указанной работы Ломоносова вышла книга английского ученого Джона Дальтона «Новая система химической философии» (1808) в которой были изложены основные положения химической атомистики. Дальтон впервые определил атомные массы известных и ввел свои знаки для обозначения атомов. Для обозначения атомов Дальтон использовал кружки, в которых помещались точки, черточки, начальные буквы английских названий металлов и другие условные знаки. Широкое распространение эта символика не получила. В 1814 году шведский химик Якоб Берцелиус предложил буквенные химические знаки.

Атомно-молекулярное учение в химии окончательно утвердилось лишь в середине XIX века, на международном съезде химиков в Карлсруэ в 1860 году впервые были приняты определения понятий молекулы и атома.

Молекула - это наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами. Химические свойства молекулы определяются ее составом и химическим строением.

Атом - наименьшая частица химического элемента, обладающая его химическими свойствами. Химические свойства атома определяются его

строением.

Молекулы могут состоять из разного числа атомов.

 

Из 1 атома:	благородные газы Не, Ne, Ar, Kr, Xe
Из 2 атомов	Н2, О2, N2, F2, Cl2, Br2, I2, CO
Из 3 атомов	Н2О, СО2, HCN, O3
Из 4 атомов	NH3, H2O2
…
Самая большая молекула (2000 г.) (не полимер) 19913 атомов	С5750Н7227N2215O4131S590
Сотни тысяч атомов	Полимерные молекулы

 

 

Химический элемент – вид атомов с одинаковым зарядом ядра.

Химические элементы могут существовать в различных формах: одиночные атомы, простые вещества и сложные вещества.

Простые вещества образованы атомами одного элемента (например, Н₂, Р, О₃).

Сложные вещества образованы атомами различных элементов (например, Н₂О, СаСО₃).

С точки зрения пожарной опасности гореть могут как простые, так и сложные вещества. Приведем несколько примеров простых и сложных веществ с различными пожароопасными свойствами.

 

Характеристики веществ	Вещества
простые	сложные
Горючие вещества	Н2, С, Р, S, Na, Fe	CO, NH3, CH3COOH
Негорючие вещества	N2, Ar, He	H2O, HCl, NaOH, H2SO4
Негорючие вещества, представляющие пожарную опасность	O2, O3, галогены – F2, Cl2, Br2, I2	CaC2, сильные окислители – HNO3, KMnO4, NH4NO3, CrO3
Вещества, представляющие опасность при взаимодействии с водой	Na, K, Ca	CaC2, SiH4, BH3, NaH
Огнетушащие вещества	N2, Ar, He	H2O, CO2, хладоны –галогенпроизводные метана и этана (CF2Br2)

 

Чуть более 100 химических элементов, известных на сегодняшний день, образуют около 400 простых веществ. Это объясняется тем, что многие химические элементы образуют несколько простых веществ.

Аллотропия – явление существования простых веществ в нескольких формах, различных по строению и свойствам. Сами формы называются аллотропными модификациями.

Явление аллотропии вызывается двумя основными причинами.

1. Различное число атомов в молекуле, например в кислороде О₂ и озоне О_3.

2. Различная структура молекул. Так, например, углерод образует четыре аллотропные модификации: алмаз, графит, карбин и фуллерены (шарообразные структуры, содержащие 60, 70 и более атомов углерода).

 

Рассмотрим понятия относительной атомной и молекулярной массы.

Масса атома чрезвычайно мала и составляет 10^-27 – 10^{-25 кг. Для большинства элементов масса атомов определена достаточно точно. Например,}

Н	1,674 × 10-27 кг
О	2,667 × 10-26 кг
С	1,993 × 10-26 кг

 

При расчетах пользоваться такими числами чрезвычайно неудобно. И еще в 1804 году Дальтон ввел представление об относительной атомной массе как числе, показывающем во сколько раз атом какого-либо элемента тяжелее атома другого элемента, взятого в качестве единицы измерения.

С 1961 года за единицу относительных атомных масс принята атомная единица массы, равная 1/12 части массы изотопа углерода ¹²С.

 

1 а.е.м. = × 1,993 × 10^-26 = 1,667 × 10^{-27 кг}

 

Относительной атомной массой (А_r) элемента называется отношение массы его атома m_a(Э) к 1/12 массы атома ¹²С.

Индекс r – “relative” - относительный.

 

А_r = , безразмерная величина

 

Для примера рассчитаем относительные атомные массы водорода и кислорода.

 

А_r (Н) = = 1,0079 А_r (О) = = 15,9994

 

Полученные значения численно равны величинам, указанным в периодической системе элементов Д.И. Менделеева.

 

Относительной молекулярной массой М_r называется отношение массы молекулы вещества m_м(в-ва) к 1/12 массы атома ¹²С.

 

М_r = , безразмерная величина

 

Рассчитаем по этой формуле относительную молекулярную массу воды. Масса молекулы воды m_м(Н₂О) = 3,002 × 10^{-26 кг.}

 

М_r (Н₂О) = = 18,007» 18

 

Чаще относительную молекулярную массу определяют более простым способом. Молекулярная масса численно равна сумме атомных масс всех атомов, входящих в молекулу вещества (а эти данные указаны в периодической системе элементов Д.И. Менделеева). В качестве примера еще раз рассчитаем относительную молекулярную массу воды:

 

М_r(Н₂О) = 2А_r(Н) + А_r(О) = 2× 1,0079 + 15,9994 = 18,01» 18

 

В химии часто необходимо сравнивать абсолютные количества вещества. С этой целью была введена единица измерения количества вещества, которая называется “моль”.

Количеством вещества (n) называется физическая величина, определяемая числом структурных элементов системы (атомов, молекул, ионов).

Моль вещества – это такое его количество, которое содержит одно и то же число частиц. В моле любого вещества содержится число частиц, равное числу Авогадро N_A, т.е. 6,02 × 10²³.

N_A = 6,02 × 10²³ 1/моль.

 

Молярная масса (М) – это масса одного моля вещества. Численно она равна относительной молекулярной массе, но в отличие от безразмерной относительной молекулярной массы молярная масса имеет размерность г/моль или кг/кмоль.

Рассчитаем молярную массу воды:

 

М(Н₂О) = m_м(Н₂О) × N_А = 3,002 × 10^-26 × 6,02 × 10²³ = 0,018 кг/моль =

= 18 г/моль = 18 кг/кмоль.

 

Число моль (n) может быть рассчитано несколькими способами:

 

n = n = n =

m – масса вещества, г (кг);

M – молярная масса г/моль (кг/кмоль);

V – объем газа или пара, л (м³);

V_M – молярный объем газа или пара, л/моль (м³/кмоль);

N – число частиц в образце вещества;

N_A – число Авогадро, 1/моль.

 

Одна из важнейших характеристик атома – это валентность. Связь между валентностью элемента и его положением в периодической системе была установлена Менделеевым. С развитием теории строения атомов и молекул понятие валентности получило физическое обоснование.

Валентность – способность атомов соединяться с другими атомами в определенных соотношениях, т.е. образовывать химические связи. Число связей равно валентности.

За единицу валентности принята валентность атома водорода: он во всех соединениях одновалентен. Если атом элемента присоединяет 1 атом водорода – элемент в этом соединении одновалентен (НCl), если 2 атома водорода – двухвалентен (Н₂S) и т.д. Валентность элемента можно определять и по другим элементам, валентность которых известна.

В каждой химической реакции участвуют исходные вещества (реагенты) и образуются продукты реакции (конечные вещества).

 

С₂Н₅СООСН₃ + 5О₂ ® 4СО₂ + 4Н₂О

исходные вещества конечные вещества

(реагенты) (продукты реакции)

 

Коэффициенты, стоящие перед веществами в уравнении реакции, называются стехиометрическими коэффициентами.

(Все определения, формулы, графики и уравнения реакций даются под запись.)