Человек связан с окружающим миром тысячами незримых нитей, и сам является частью его. Природа дает все необходимое для жизни человека, обеспечивает его повседневные потребности, дарит несказанное удовольствие от общения с ней.

Однако взаимоотношения человека с окружающей средой складываются очень непросто. С одной стороны, человек восторгается природой и воспевает ее в стихах, отражает природу на превосходных картинах и фотографиях (рис. 1).

Рис. 1.
«Как прекрасен этот мир, посмотри!»

С другой стороны, рост экологических проблем - печальная расплата за многочисленные промахи и ошибки человека: вырубку лесов, истребление животных, загрязнение окружающей среды промышленными и бытовыми отходами и др. (рис. 2).

Рис. 2.
А вот так выглядит прекрасный мир в результате деятельности человека:
а - вырубка леса; б - отравление атмосферы промышленными выбросами; в - загрязнение водоемов; г - превращенная в свалку лесная поляна

Чтобы взаимоотношения человека и природы были добрыми и гармоничными, необходимо знать и понимать ее, бережно к ней относиться, разумно и рационально использовать природные богатства. Пониманию окружающего мира, знанию законов его существования призваны обучать предметы естествознания: биология, география, химия, физика (рис. 3). С некоторыми из них вы уже познакомились на предыдущих этапах обучения в школе.

Рис. 3.
Биология, география, физика, химия относятся к естественным наукам

В этом году вы начинаете изучать физику. И только через год, в 8 классе будете знакомиться еще с одним учебным предметом - химией.

Все окружающие нас предметы принято называть физическими телами, а то, из чего они состоят, - веществами (рис. 4).

Рис. 4.
Физические тела и соответствующие им химические вещества:
а - стальные изделия и порошок железа; б - комплектующая часть компьютера и различные пластмассы; в - солнечная батарея и кремний

Всякое тело имеет форму и объем. В свою очередь, каждое вещество индивидуально и неповторимо по своим признакам - свойствам: агрегатному состоянию, плотности, цвету, блеску, запаху, вкусу, твердости, пластичности, растворимости в воде, способности проводить тепло и электрический ток.

Опишем, например, свойства трех веществ в разных агрегатных состояниях при обычных условиях: кислорода, уксусной кислоты и алюминия (табл. 1).

Таблица 1
Свойства кислорода, уксусной кислоты и алюминия

Знание свойств веществ необходимо для их практического применения. Например, на рисунке 5 представлены области применения алюминия, обусловленные свойствами этого металла.

Рис. 5.
Области применения алюминия, обусловленные его свойствами

Многие вещества являются ядовитыми, взрывоопасными, горючими, а поэтому требуют осторожного и грамотного отношения при работе с ними.

Наша книга призвана подготовить вас к изучению этого серьезного и важного предмета и поэтому называется «Химия. Вводный курс».

Является ли химия совершенно новой для вас дисциплиной, вы узнаете из следующих параграфов.

1. Химия - часть естествознания.
2. Взаимоотношения человека и окружающего мира.
3. Физические тела и вещества.
4. Свойства веществ.
5. Применение веществ на основе их свойств.

Вопросы и задания

1. Какие учебные предметы относятся к естественным?
2. Приведите примеры положительного воздействия человека на окружающую среду.
3. Приведите примеры отрицательного воздействия человека на природу.
4. Что изучает химия?
5. Из следующего перечня названий выпишите отдельно тела и вещества: снежинка, капля росы, вода, льдинка, сахар-песок, кусочек сахара, мел, школьный мелок. Сколько тел и сколько веществ названо в этом списке?
6. Сравните свойства веществ (т. е. установите сходство и различие между ними):

   а) углекислого газа и кислорода;
   б) азота и углекислого газа;
   в) сахара и соли;
   г) уксусной и лимонной кислоты.

7. Какие свойства алюминия лежат в основе его применения (см. рис. 5)?

Агрегатное состояние вещества определяется силами, действующими между молекулами, расстоянием между частицами и характером их движения.

В твердом состоянии частицы занимают определенное положение относительно друг друга. Оно обладает низкой сжимаемостью, механической прочностью, поскольку молекулы не обладают свободой движения, а только колебания. Молекулы, атомы или ионы, образующие твердое вещество, называют структурными единицами. Твердые вещества делятся на аморфные и кристаллические (табл. 27).

Таблица 33

Сравнительная характеристика аморфных и кристаллических веществ

Кристаллические вещества плавятся при строго определенной температуре (Т пл), аморфные – не имеют резко выраженной температуры плавления; при нагревании они размягчаются (характеризуются интервалом размягчения) и переходят в жидкое или вязкотекучие состояние. Внутреннее строение аморфных веществ характеризуется беспорядочным расположением молекул. Кристаллическое состояние вещества предполагает правильное расположение в пространстве частиц, составляющих кристалл, и образованием кристаллической (пространственной ) решетки. Основной особенностью кристаллических тел является их анизотропия - неодинаковость свойств (тепло-, электропроводность, механическая прочность, скорость растворения и т.д.) по разным направлениям, в то время как аморфные тела изотропны .

Твердые кристаллы - трехмерные образования, характеризующиеся строгой повторяемостью одного и того же элемента структуры (элементарной ячейки) во всех направлениях. Элементарная ячейка - представляет собой наименьший объем кристалла в виде параллелепипеда, повторяющегося в кристалле бесконечное число раз.

Основные параметры кристаллической решетки :

Энергия кристаллической решетки (Е кр. , кДж/моль) – это энергия, которая выделяется при образовании 1 моль кристалла из микрочастиц (атомов, молекул, ионов), находящихся в газообразном состоянии и удаленных друг от друга на расстояние, исключающее их взаимодействие.

Константа кристаллической решетки ( d , [ A 0 ]) – наименьшее расстояние между центром двух частиц в кристалле, соединенных химической связью.

Координационное число (к.ч.) – число частиц, окружающих в пространстве центральную частицу, связанных с ней химической связью.

Точки, в которых размещены частицы кристалла, называются узлами кристаллической решетки

Несмотря на многообразие форм кристаллов, их можно классифицировать. Систематизация форм кристаллов была введена А. В. Гадолиным (1867 г.), она основана на особенностях их симметрии. В соответствии с геометрической формой кристаллов возможны следующие их системы (сингонии): кубическая, тетрагональная, орторомбическая, моноклинная, триклинная, гексагональная и ромбоэдрическая (рис. 18).

Одно и то же вещество может иметь различные кристаллические формы, которые отличаются по внутреннему строению, а значит, и по физико-химическим свойствам. Такое явление называется полиморфизмом . Изоморфизм – два разных по природе вещества образуют кристаллы одинаковой структуры. Такие вещества могут замещать друг друга в кристаллической решетке, образуя смешанные кристаллы.

Рис. 18. Основные системы кристаллов.

В зависимости от вида частиц, находящихся в узлах кристаллической решетки и типа связей между ними кристаллы бывают четырех типов: ионные, атомные, молекулярные и металлические (рис. 19).

Рис. 19. Виды кристаллов

Характеристика кристаллических решеток представлена в табл. 34.

Знание свойств веществ необходимо для их практического применения. Например, на рисунке 6 представлены области применения алюминия, обусловленные свойствами этого металла.

1. Какие учебные предметы относятся к естественным?

2. Приведите примеры положительного воздействия человека на окружающую среду.

3. Приведите примеры отрицательного воздействия человека на природу.

4. Что изучает химия?

5. Из следующего перечня названий выпишите отдельно тела и вещества: снежинка, капля росы, вода, льдинка, сахар-песок, кусочек сахара, мел, школьный мелок. Сколько тел и сколько веществ названо в этом списке?

6. Сравните свойства веществ (то есть установите общее и различное между ними):

а) углекислого газа и кислорода;

б) азота и углекислого газа;

в) сахара и соли;

г) уксусной и лимонной кислот.

7. Какие свойства алюминия лежат в основе его применения?

8. Почему химию начинают изучать позже, чем биологию, географию, физику?

Новые программы и учебники ориентируют нас на достижение органического единства обучения и развития учащихся. Задача учителя – не только вооружить школьников знаниями и практическими умениями, но и мыслительными операциями.

Одной из важнейших умственных операций, с помощью которых приобретаются знания, является сравнение. В логическом плане сравнение представляется как основа обобщения – с одной стороны, и как единство таких логических операций, как анализ и синтез, с другой. Но чтобы сформировать сравнение у учащихся как прием их умственной деятельности, необходимо использовать сравнение как прием обучения (дидактический прием). Использование сравнения как дидактического приема является непременным условием формирования у школьников аналитико-синтетической деятельности.

Использование сравнения в процессе обучения рассматривалось К.Д.Ушинским, И.Г.Песталоцци, Я.А.Коменским. Российские ученые углубили и конкретизировали понимание роли сравнения и возможности его применения. “Важным дидактическим приемом формирования понятий, - отмечает Г.И.Щукина, - являются сравнения, помогающие глубже понять сходство и различие между предметами и явлениями”. По мнению Л.В.Занкова, сравнение более точно и верно определяет своеобразные черты объекта.

Сравнение, как и каждый прием, формируется поэтапно. Если рассматривать этапы как последовательные, взаимосвязанные действия, то прием сравнения можно определить следующим образом: сравнение – это учебная работа и прием мышления, в процессе осуществления которых умственная деятельность учащихся направлена на:

Выявление признаков, по которым можно сопоставлять явления, вещества или другие заданные объекты;
установление сходства или различия между ними;
обобщение результатов сравнения в виде вывода.

Формирование приема сравнения и простейших видов обобщения я начинаю на одном из первых уроков в 8 классе при изучении физических свойств веществ. Специально выделяю время на уроке для ознакомления учащихся с приемом сравнения, кратко определив его следующим образом: сравнение – это установление сходства или различия между веществами, явлениями или другими заданными объектами. Здесь я рассказываю о значении приема и его видах:

а) при неполном сравнении по признакам сходства или по признакам различия;
б) при полном сравнении с выявлением, как признаков сходства, так и признаков различия.

Знание приема лучше усваивается учащимися, если они пользуются планом действия, который я предлагаю оформить им в виде таблицы:

Для сокращения времени на изображение таблицы в тетрадях при ее неоднократном использовании учащимися предлагаю оформить ее следующим образом:

Сравнение веществ (явлений)

В зависимости от задания вывод учащиеся делают на основе неполного или полного сравнения или наиболее существенных признаков, по которым сопоставляются и противопоставляются изучаемые объекты.

Использование, особенно на первых занятиях, данного плана, в котором отражены все этапы формирования приема сравнения, способствует быстрому запоминанию учащимися необходимого порядка действий.

На этом же уроке сначала с моей помощью, а потом самостоятельно учащиеся выполняют задания, сравнивая свойства хорошо известных им веществ (соли и сахара, мела и угля, воды и подсолнечного масла, железа и серы, меди и алюминия и т.д.), и отвечают по предложенному плану устно или письменно. В необходимых случаях использую средства наглядности и ТСО.

Однако, знание приема еще не есть умение. Умение, по моему мнению, может быть сформированным лишь тогда, когда на последующих занятиях учащиеся легко и с достаточной самостоятельностью, учитывая все этапы действия, могут применять знания и выполнять аналогичные и более сложные задания. В 8 классах в качестве таких заданий я предлагаю сравнение простых и сложных веществ, чистых веществ и смесей, типов химических реакций и т.п., например, водорода и кислорода, озона и кислорода, серы и железа, смеси серы с железом, реакции соединения и разложения и др.

Развитие умения требует более длительного времени, чем формирование его, и осуществляется в основном с помощью заданий нарастающей трудности, в условии которых предусмотрен более глубокий и широкий перенос знаний, а также большая самостоятельность действий в установлении различных видов взаимосвязей в учебном материале. Усложнение заданий с использованием приема сравнения я осуществляю в нескольких направлениях, которые в общем виде выглядят так:

Варианты усложнения на различных этапах
формирования приема сравнения

Я приведу примеры некоторых заданий, приняв для них следующую нумерацию: I-1; I-2; I-3; II-1; II-2; II-3; III-1 и т.д. Римская цифра в данном обозначении соответствует определенному этапу формирования приема, а арабская цифра указывает степень трудности задания, уровень задания и уровень выполняемого при решении задания действия, или, иначе, меньший по значению арабской цифрой обозначен более легкий вариант задания, больший по значению цифрой – задание повышенной трудности. Таким образом, по номеру я легко могу определить степень трудности задания и произвести отбор нужных для работы задач, например:

I-1. Сравните (устно) свойства: а) серы и углы; б) меди и цинка; в) кислорода и углекислого газа. Запишите ответ о сравнении одной пары веществ в таблицу. При выполнении задания учтите, где требуется указать следующие признаки сравнения: агрегатное состояние, кристаллическую или аморфную структуру вещества, плотность, цвет, блеск, прозрачность, запах, растворимость, вкус, температуру плавления или кипения, плотность, тепло- или электропроводность.

I-2. В сосудах без этикеток даны: а) порошок серы и железа; б) сахарная пудра и крахмал; в) поваренная соль и нафталин; г) алюминий (расплавленный) и ртуть. По каким характерным признакам можно различить эти вещества?

I-3. В сахарную пудру попала угольная пыль. Перечислите все операции, которые вы должны были бы последовательно выполнять, чтобы очистить сахар.

II-1. Укажите несколько сходных физических свойств алюминия и меди, благодаря которым эти металлы находят одинаковое применение.

II-2. Прочитайте по учебнику химии материал “Химические элементы”. Сравните свойства металлов и неметаллов. Для этого сначала сопоставьте между собой свойства трех выбранных вами металлов, затем – свойства трех неметаллов (устно); после чего осуществите противопоставление свойств данных групп металлов и неметаллов по наиболее характерным признакам (II-III). Ответ и сделанные вами выводы запишите в таблицу.

При выполнении вышеперечисленных заданий я предлагаю учащимся заполнить следующую таблицу:

Сравнение физических свойств и металлов и неметаллов

III-1. Перечислите признаки: а) сходства; б) отличия реакций соединения и замещения, учитывая количество взятых и полученных веществ, а также являются ли эти вещества простыми или сложными. Сравните реакции разложения и замещения.

III-2. В бесцветный раствор сулемы опустили медную пластинку. Допишите уравнение соответствующей реакции HgCl 2 + Cu > ? если известно, что при этом получаются новые простые и сложные вещества. Какие признаки реакции можно предположить в данном случае?

III-3. Сравните реакции разложения и замещения. Отметьте, в чем некоторое сходство между ними. Какие признаки указывают на существенное отличие данных реакций?

Некоторые из приведенных выше заданий применяю на различных этапах обучения приему. В этом случае и нумерацию заданий делаю тройную и более сложную. Каждый этап формирования сравнения у учащихся, особенно это наблюдается в 8-х классах, имеет свои трудности.

I этап – формирование умения различать признаки, явления. Восьмиклассники еще не умеют выделять существенные признаки. Они нередко производят сравнение по одному (причем несущественному) признаку. Например, указывают на сходство металлов и неметаллов по вкусу, физическому состоянию, а электропроводность и теплопроводность не отмечают. Признаком сходства сахара и поваренной соли называют отсутствие запаха, а о их растворимости и кристаллической структуре забывают.

Довольно часто учащиеся сравнивают вещества или явления по несопоставимым признакам. Так, при сравнении двух предложенных веществ были даны ответы: “Медь красного цвета, а алюминий серебристого” (спутан цвет и блеск); “Вода бесцветная, а подсолнечное масло темное” (цвет и оттенок); “Масло жирное, а вода пресная” (жирность и вкус); “Соль состоит из мелких, как крупа, кристаллов, а сахар бывает кусковой” и т.п.

Избегать подобных ошибок учащимся помогает работа по плану сравнения и упражнения, в которых сначала сравнение осуществляется по готовому перечню признаков с использованием средств наглядности или без них, затем с использованием перечня признаков, который вспоминается и частично устанавливается учащимися, и, наконец, сравнение с использованием перечня признаков, самостоятельно выявленных учащимися, или сравнение по выявленным существенным признакам.

II этап – формирование и развитие умения сравнивать. Учащиеся 8-х классов легко запоминают виды сравнений: сопоставление, противопоставление, полное и неполное сравнение. Они довольно легко овладевают сравнением двух веществ по предложенному плану. Но на уроках химии чаще приходится сравнивать группы веществ или два вещества по нескольким признакам. Этому необходимо обучать учащихся специально.

Если учащиеся испытывают затруднения при сравнении групп веществ, я рекомендую им такой порядок работы. Сначала сравнить между собой 2-3 вещества, принадлежащих к каждой из групп, выявить наиболее характерные признаки сходства между ними, а потом устанавливать признаки сходства и различия между группами. Такие упражнения я предлагаю при изучении металлов и неметаллов, сравнении состава и свойств оксидов, кислот, оснований, а также при обобщении материала и повторении классификации неорганических соединений.

Учащиеся, имеющие недостаточные знания и умения применять приемы умственных действий, осуществляют сравнение не только по несопоставимым признакам, но и тем, которые не предусмотрены в задании. Так, сравнивая физические свойства серы и железа, некоторые учащиеся отвечали: “Сера и железо – простые вещества, твердые, но отличаются цветом” (противопоставление состава и агрегатного состояния физическим свойствам); или: “Большие кусочки серы и железа тонут, а маленькие плавают на воде” (неправильный вывод о плотности веществ в результате ошибочных наблюдений); или: “Сера ядовита, а железо нет, сера горит, а железо нет. Сера применяется в порохе, а железо нет” (вместо противопоставления физических свойств ссылки на химические свойства и применение). В подобных случаях учащимся разъясняю, что их ответ не на вопрос задания и не может быть учтен.

III этап – формирование приемов обобщения. Учащиеся 8-х классов затрудняются в обобщении материала. Нередко вместо вывода после сравнения веществ или явлений они вновь перечисляют установленные ранее признаки сходства или отличия. В этом случае для формирования умения сравнивать и делать обобщения на основе сравнения я использую задания нарастающей трудности; а) задания, в которых выводы являются ответами на контрольные вопросы; б) задания, в которых слово “вывод” напоминает обобщение, и, наконец, в) задания, в которых предусмотрено самостоятельное обобщение учебного материала учащимися.

Умение сделать вывод в результате сравнения по существенным признакам легче формируется, когда в задании четко определен перечень сравниваемых признаков. В отдельных случаях перечень сравниваемых признаков даю учащимся в готовом виде или предварительно составленный учащимися с некоторой моей помощью. Поясняю сказанное примерами заданий и ответов учащихся.

Задание 1. Сопоставьте физические свойства водорода и кислорода, ответ допишите в таблицу.

Сравнение физических свойств водорода и кислорода

Задание 2. Противопоставьте химические свойства водорода и кислорода, запишите ответ в таблицу.

Сравнение химических свойств водорода и кислорода

Таким образом, сравнение как прием мыслительной деятельности может формироваться двумя путями. Первый путь – стихийный, определяемый такой постановкой учебного процесса, когда сравнение не выступает как специальный предмет усвоения, становление этого приема идет по ходу усвоения знаний, в процессе решения задач. Опыт показывает, что обучение идет вторым путем: через систему заданий, требующих от учащихся систематического использования усложняющегося по своему содержанию сравнения.

Любой прием мыслительной деятельности должен быть, прежде всего, многократно использован в объяснении учителя, в учебных текстах. Однако этого мало. Прием формируется только на основе упражнений и творческих заданий, собственной деятельности обучаемых. Вот почему мы не только широко используем данный прием при объяснении, но и разработали систему специальных заданий, в которых сравнение, будучи необходимым способом деятельности, по усвоению конкретного материала, выступало бы и как особый предмет усвоения.

Окружающий мир материален. Материя бывает двух видов: вещество и поле. Объект химии – вещество (в том числе и влияние на вещество различных полей – звуковых, магнитных, электромагнитных и др.)

Вещество - все, что имеет массу покоя (т.е. характеризуется наличием массы тогда, когда не движется) . Так, хотя масса покоя одного электрона (масса не движущегося электрона) очень мала – около 10 -27 г, но даже один электрон – это вещество.

Вещество бывает в трех агрегатных состояниях – газообразном, жидком и твердом. Есть еще одно состояние вещества – плазма (например, плазма есть в грозовой и шаровой молнии), но в школьном курсе химию плазмы почти не рассматривают.

Вещества могут быть чистыми, очень чистыми (нужными, например, для создания волоконной оптики), могут содержать заметные количества примесей, могут быть смесями.

Все вещества состоят из мельчайших частиц – атомов. Вещества, состоящие из атомов одного вида (из атомов одного элемента), называют простыми (например, древесный уголь, кислород, азот, серебро и др.). Вещества, которые содержат связанные между собой атомы разных элементов, называют сложными.

Если в веществе (например, в воздухе) присутствуют два или большее число простых веществ, и их атомы не связаны между собой, то его называют не сложным, а смесью простых веществ. Число простых веществ сравнительно невелико (около пятисот), а число сложных веществ огромно. К настоящему времени известны десятки миллионов разных сложных веществ.

Химические превращения

Вещества способны вступать между собой во взаимодействие, причем возникают новые вещества. Такие превращения называют химическими . Например, простое вещество уголь взаимодействует (химики говорят – реагирует) с другим простым веществом – кислородом, в результате образуется сложное вещество – углекислый газ, в котором атомы углерода и кислорода связаны между собой. Такие превращения одних веществ в другие называют химическими. Химические превращения – это химические реакции. Так, при нагревании сахара на воздухе сложное сладкое вещество – сахароза (из которого состоит сахар) – превращается в простое вещество – уголь и сложное вещество – воду.

Химия изучает превращения одних веществ в другие. Задача химии – выяснить, с какими именно веществами может при данных условиях взаимодействовать (реагировать) то или иное вещество, что при этом образуется. Кроме того, важно выяснить, при каких именно условиях может протекать то или иное превращение и можно получить нужное вещество.

Физические свойства веществ

Каждое вещество характеризуется совокупностью физических и химических свойств. Физические свойства – это свойства, которые можно охарактеризовать с помощью физических приборов . Например, с помощью термометра можно определить температуру плавления и кипения воды. Физическими методами можно охарактеризовать способность вещества проводить электрический ток, определить плотность вещества, его твердость и т.д. При физических процессах вещества остаются неизменными по составу.

Физические свойства веществ подразделяют на счислимые (те, которые можно охарактеризовать с помощью тех или иных физических приборов числом, например, указанием плотности, температур плавления и кипения, растворимости в воде и др.) и несчислимые (те, которые охарактеризовать числом нельзя или очень трудно – такие, как цвет, запах, вкус и др.).

Химические свойства веществ

Химические свойства вещества – это совокупность сведений о том, с какими другими веществами и при каких условиях вступает в химические взаимодействия данное вещество . Важнейшая задача химии – выявление химических свойств веществ.

В химических превращениях участвуют мельчайшие частицы веществ – атомы. При химических превращениях из одних веществ образуются другие вещества, и исходные вещества исчезают, а вместо них образуются новые вещества (продукты реакции). А атомы при всех химических превращениях сохраняются . Происходит их перегруппировка, при химических превращениях старые связи между атомами разрушаются и возникают новые связи.

Химический элемент

Число различных веществ огромно (и у каждого из них своя совокупность физических и химических свойств). Атомов, отличающихся друг от друга по важнейшим характеристикам, в окружающем нас материальном мире сравнительно невелико – около ста. Каждому виду атомов отвечает свой химический элемент. Химический элемент – это совокупность атомов с одинаковыми или близкими характеристиками . В природе встречается около 90 различных химических элементов. К настоящему времени физики научились создавать новые, отсутствующие на Земле виды атомов. Такие атомы (и, соответственно, такие химические элементы) называют искусственными (по-английски – man-made elements). Искусственно полученных элементов к настоящему времени синтезировано более двух десятков.

Каждый элемент имеет латинское название и одно- или двух-буквенный символ. В русскоязычной химической литературе нет четких правил произношения символов химических элементов. Одни произносят так: называют элемент по-русски (символы натрия, магния и др.), другие – по латинским буквам (символы углерода, фосфора, серы), третьи – как звучит название элемента по-латыни (железо, серебро, золото, ртуть). Символ элемента водорода Н у нас принято произносить так, как эту букву произносят по-французски.

Сравнение важнейших характеристик химических элементов и простых веществ приведено в таблице ниже. Одному элементу может отвечать несколько простых веществ (явление аллотропии: углерод, кислород и др.), а может – и одно (аргон и др. инертные газы).