him-2012-06-2499

между школьниками распределяются разные темы изучаемой программы; каждый ученик одну или несколько тем изучает индивидуально, а остальные ему объясняют другие ученики. Соответственно, темы, которые учащийся освоил самостоятельно, он передает своим товарищам. Командир из числа ребят ведет табло учета и координирует деятельность сводной группы.

Учебные тексты для изучения по методике взаимопередачи тем оформляются специальным образом. Текстделитсяначасти, состоящиеизинформационных фрагментов и сопровождающих их вопросов (задания первой группы). Иногда вопросов может и не быть, но только в тех случаях, когда для понимания достаточно озаглавить абзац. Кроме того, для учеников, имеющих высокий уровень работы по методике взаимопередачи тем, можно предлагать тексты без вопросов и задач, посколькуони сами в состояниисоставить нужныевопросы, которые затем предложат при обучении своих партнеров. В конце текста даются вопросы и задачи более сложные, относящиеся ко всему тексту (задания второй группы).

При индивидуальном изучении темы ученик старается разобраться в теоретической части, озаглавливает каждый фрагмент, выполняет задания первой группы. Проработав таким образом все пункты, он переходит к заданиям второй группы, после чего самостоятельно изученную тему в обязательном порядке сдает учителю, который дает допуск для ее передачи другим учащимся.

Теперь задача школьника – объяснить эту тему напарнику. Он воспроизводит содержание первого фрагмента, проверяет уровень понимания (т.е. задает вопросы, предлагает решить задачи первой группы), просит напарника воспроизвести текст и сформулировать свои вопросы на понимание абзаца, а потом записать заголовок этой части. И так по каждому фрагменту. В результате совместной работы у напарника в тетради появляется подробнейший план темы.

После этого партнеры меняются ролями. Тот, кто обучал, становится теперь учеником и получает от партнера новую для себя тему по такому же алгоритму.

Обучив друг друга, напарники меняются текстами и индивидуально выполняют задания второй группы. Проверив друг друга, они отмечаются у командира в табло учета и переходят в другие пáры, чтобы обучать той теме, которую каждый только что освоил.

Для обеспечения плодотворной учебной деятельности на основе методики взаимопередачи тем важно проверять не только уровень знаний, но и готовить школьника к роли «учителя», формировать умения задавать вопросы напарнику, контролировать его, соблюдать алгоритм взаимодействия, быть требователь-

ным [5].

Тексты для изучения по методике взаимопередачи тем

1. Коррозия металлов

Коррозия – самопроизвольное разрушение (окисление) металлов под действием факторов окружающей среды.

1. Рассмотрим, что произойдет со стальным гвоздем в воде. Он поржавеет большей частью у поверхности воды. Почему?

Следы коррозии на корпусе старого судна

В коррозии одновременно участвуют кислород и вода:

2Fе + 2Н2О + О2 = 2Fе(ОН)2.

Получившийся гидроксид железа(II) окисляется дальше:

4Fe(ОH)2 + 2Н2О + О2 = 4Fe(OH)3 .

(«ржавый» цвет )

2.В случае наличия в растворе ионов железа +2 и +3 их можно обнаружить по синей окраске с помощью красной и желтой кровяных солей.

Возьмем воду на пробу из стакана, где проходила коррозия. Синяя окраска не появляется, значит, ионов железа в воде нет. В случае коррозии под действием кислорода и воды образуются нерастворимые соединения железа.

3.В стакане, где вода была подкислена, ржавчины не образовалось. Проведем пробу на ионы железа. Ионы присутствуют. В кислой среде идет реакция:

Fе + 2H+ = Fе2+ + Н2,

а потом ион железа +2 окисляется кислородом воздуха:

4Fe2+ + 4H+ + О2 = 4Fe3+ + 2H2О.

4. Проведем пробу на ионы железа в случае, когда гвоздь контактировал с цинковой пластинкой, также

опущенной в раствор. Ионов железа мало, об этом можно судить по светло-синей окраске.

Цинк более активный металл, чем железо, он отдает свои электроны железу и окисляется:

Zn0 – 2e = Zn2+.

При этом цинк переходит в раствор, в паре Zn – Fе он является анодом. На поверхности железа скапливаются электроны, и идет процесс восстановления водорода:

2H+ + 2е = Н2.

Железо выступает катодом и сохраняется от разрушения.

5. В паре Fе – Сu железо выступает анодом и разрушается:

Fе0 – 2е = Fе2+.

Поэтому проба на ионы железа показывает высокую их концентрацию.

6. Какой металл будет анодом, а какой катодом при контактированиидвухметаллов, можноопределитьпо электрохимическому ряду напряжений. Более активные металлы являются анодами и разрушаются, менее активные – катодами и сохраняются от разрушения.

Вопросы и задания

•Какой процесс называется коррозией?

•Почему стальной гвоздь, помещенный в стакан с водой, ржавеет большей частью у поверхности воды?

•Образуютсялиионыжелезавслучаекоррозии? Как это доказать на опыте?

•Будет ли протекать коррозия, если гвоздь поместить в подкисленную воду? Почему?

•Будет ли железный гвоздь подвергаться коррозии в случае контакта с цинковой пластинкой? Почему?

•Определите, какой металл будет разрушаться

вследующих парах: медь – цинк; медь – серебро; магний – олово.

•Из учебника (Габриелян О.С. Химия. 9 класс. М.: Дрофа, 2007, с. 50–51) выпишите способы защиты металлов от коррозии.

Домашнее задание: § 10, упр. 1, 2.

2.Сплавы

1.Сплавы – это материалы, состоящие из нескольких компонентов, хотя бы один из которых – металл.

В настоящее время используется более 5000 сплавов, среди них наибольшее значение имеют сплавы железа (черные металлы), алюминия, меди, цинка (цветные металлы).

Задания

•Рассмотрите в коллекции сплавы этих метал-

лов.

•По учебнику (с. 34–35, табл. 4) ознакомьтесь со свойствами чугуна и стали.

2. Одна из возможных классификаций сплавов приведена в таблице (табл. 3).

Таблица 3

Вопросы

•Какие сплавы называют твердыми растворами?

•Какими свойствами обладают твердые растворы?

•Какиесплавыназываютмеханическимисмесями?

•Какими свойствами обладают механические смеси?

•Какие сплавы называют интерметаллическими соединениями?

•Какими свойствами обладают интерметаллические соединения?

Задание

• Прочтите приведенные ниже высказывания и установите их соответствия с видом сплава:

а) твердые растворы; б) механические смеси;

в) интерметаллические соединения.

1.Соединения, вкоторыхприсутствуетковалентная связь.

2.При охлаждении расплава образуется смесь кристаллов разных металлов.

3.При охлаждении расплава в узлах кристаллической решетки располагаются атомы и ионы обоих металлов.

4.Металлы имеют разные кристаллические решетки.

5.Металлы имеют близкие по размерам атомы и однотипные кристаллические решетки.

6.Металлывзаимодействуютмеждусобой, образуя соединения переменного состава.

От в е т. а – 3, 5; б – 2, 4; в – 1, 6.

Домашнее задание: § 7, упр. 2.

3. Металлы в природе. Способы получения металлов

1.В зависимости от того, где расположен металл

вряду напряжений, можно судить о его нахождении в природе:

–металлы, стоящие в ряду напряжений до алюминия, встречаются в природе в виде солей (хлоридов, сульфатов, нитратов, карбонатов);

–металлы от алюминия до ртути встречаются в виде оксидов и сульфидов, реже – в виде карбонатов;

–металлы, располагающиеся в ряду напряжений после водорода, могут встречаться в самородном виде (золото, серебро, платина, реже – ртуть и медь).

Задание

• Пользуясь электрохимическим рядом напряжений металлов, приведите 1–2 примера металлов, которые встречаются в виде хлоридов, сульфатов, нитратов, карбонатов, сульфидов, оксидов, в самородном виде. Примеры запишите в тетрадь.

2. Природные образования, содержащие минералы металлов, пригодные для промышленного получения из них металлов, называют рудами.

Наука о получении металлов из руд называется металлургией.

В зависимости от способа извлечения металла из руды выделяют несколько видов металлургических процессов.

3. Пирометаллургия – методы переработки руд под действием высоких температур.

а) Сульфидные руды подвергают обжигу:

2СuS + 3O2 = 2СuО + 2SО2.

Вопросы и задания

•Какие природные образования называются рудами?

•Как называется наука о получении металлов из

руд?

•Какой процесс называется пирометаллургией?

•Запишите уравнение реакции обжига сульфида железа(II).

б) Оксидные руды и оксиды восстанавливают углем, угарным газом, более активными металлами – алюминием (алюминотермия), магнием (магнийтермия), натрием (натрийтермия):

СuО + С = Сu + СО,

2Аl + Сr2О3 = 2Сr + Аl2О3.

Пирометаллургия – методы переработки руд под действием высоких температур

Вопросы и задания

•С помощью каких веществ восстанавливают оксидные руды?

•Запишите уравнение реакции восстановления железа из оксида железа(III).

4.Гидрометаллургия – получение металлов на основе химических реакций, происходящих в растворах:

СuS + 4Н2SO4 (конц.) = СuSО4 + 4SО2 + 4Н2О,

СuSО4 + Fe = FeSO4 + Cu.

Вопросы и задания

•Какой процесс называется гидрометаллургией?

•Запишитевтетрадьприведенныеуравненияреакций. Расставьте коэффициенты.

5.Электрометаллургия – выделение металлов из их солей и оксидов под действием электрического тока:

электролиз

2Аl2О3 ====== 4Al + 3O2,

расплав

электролиз

2NaCl ====== 2Na + Cl2.

расплав

Вопрос

• Какой процесс называется электрометаллургией?

Задание

• Установите соответствие между уравнениями реакции, приведенными ниже, и названием способа получения металлов:

а) пирометаллургия, б) гидрометаллургия, в) электрометаллургия.

1.2KCl = 2K + Cl2.

2.2СuО + С = 2Сu + СО2.

3.СuSО4 + Fe = FeSO4 + Cu.

4.Cr2O3 + 2Аl = Аl2О3 + 2Cr.

5.2Аl2О3 = 4Al + 3O2.

6.Cu + HgCl2 = Hg + CuCl2.

От в е т. а – 2, 4; б – 3, 6; в – 1, 5.

Домашнее задание: § 9, упр. 4, 5.

4.Щелочные металлы

Вопросы и задания

•Перечислите металлы первой группы главной подгруппы.

•Сколько электронов находится на внешнем энергетическом уровне их атомов?

•Как это должно отразиться на их химических свойствах?

•Как изменяются радиусы атомов от лития к францию?

•Какое это оказывает влияние на химическую активность металлов?

•Сравните химическую активность лития с натрием.

•Почемуданныеметаллыназываютщелочными?

1.Обобщим информацию.

2. Оксиды и пероксиды щелочных металлов при реакции с водой образуют щелочи:

Li2О + Н2О = 2LiОН,

2Na2О2 + 2H2О = 4NaOH + О2,

следовательно, имеют основный характер и могут реагировать с кислотами и кислотными оксидами:

Li2O + 2HCl = 2LiCl + H2O,

Li2O + CO2 = Li2CO3,

Na2O2 + 2HCl = 2NaCl + H2O2.

Пероксид натрия используют для регенерации кислорода воздуха в замкнутых помещениях:

2Na2O2 + 2CO2 = 2Na2CO3 + O2.

Оксид натрия можно получить восстановлением пероксида натрия:

2Nа + Nа2О2 = 2Na2O.

Вопросы и задания

•Запишите формулу оксида лития. Напишите уравнения реакций оксида лития с водой, соляной кислотой, оксидом углерода(IV).

•Запишите формулу пероксида натрия. Напишите уравнения реакций пероксида натрия с водой, соляной кислотой, оксидом углерода(IV).

•Как получить оксид натрия из пероксида натрия?

3.Гидроксиды щелочных металлов (щелочи) – это растворимые основания.

Задания

•Вспомните, с какими веществами взаимодействуют щелочи.

•Закончите уравнения реакций:

KОН + FeCl3 = …………………….. ;

NaOH + СuSО4 = …………………….. .

Гидроксид натрия вступает в реакцию с оксидом углерода, образуя следующие вещества:

сода

Задание

• Какие вещества образуются в результате взаимодействия гидроксида натрия и оксида углерода(IV)? Запишитеуравненияреакцийвтетрадь.

4. Соли натрия и калия имеют большое значение в химическом производстве: из хлорида натрия электролизом раствора получают водород (он выделяется на катоде), хлор (выделяется на аноде) и гидроксид натрия (остается в растворе):

Электролизом расплава хлорида натрия получают хлор и натрий:

электролиз

расплава

2NaCl ====== 2Na + Сl2.

6. Распознавание ионов K+ и Na+ проводится по окраске пламени, которую придают ему соединения, внесенные в пламя на нихромовой проволоке: Na+ – желтое пламя; K+ – фиолетовое пламя.

Вопросы и задания

•Какое значение в химическом производстве имеют соли натрия и калия?

•Какможнораспознатьионыкалияиионынатрия?

•Пользуясь дополнительной литературой или Интернетом, ответьте на вопрос: какое применение получили поваренная соль, карбонат натрия, глауберова соль?

Задание

•Дана схема превращений: Na → X → Na2O →

→NaOH → NaCl. Напишите молекулярные уравненияреакций, спомощьюкоторыхможноосуществить указанные превращения. Последнее уравнение запишите в ионном полном и сокращенном видах.

Домашнее задание: § 11, упр. 1 (с. 58).

5.Щелочно-земельные металлы

1.Элементы главной подгруппы II группы – это бериллий– переходныйэлемент(егосвойстваисвойства его соединений сходны с алюминием и образованными им веществами); магний и щелочно-земельные металлы: кальций, стронций, барий, радий.

Вопросы

•Сколько электронов на внешнем энергетическом уровне в атомах металлов II группы главной подгруппы?

•Как изменяются строение атомов и химические свойства металлов от магния до радия?

•С какими веществами могут реагировать металлы II группы главной подгруппы?

Обобщим информацию.

2. Проведем реакции, подтверждающие основные свойства перечисленных веществ:

СаО + Н2О = Са(ОН)2,

Са(ОН)2 = Са2+ + 2ОН– (фенолфталеин окрашивается в малиновый цвет),

Са(ОН)2 + СО2 = СаСО3 + Н2О,

MgО + 2HCl = МgС12 +Н2О,

Са(ОН)2 +2НСl = СаС12 + 2Н2О.

Вопросы и задания

•Какимисвойствамиобладаютоксидыигидроксиды кальция и магния?

•Как доказать основность свойств оксидов, гидроксидов? Приведите примеры.

3.Распознать ионы Mg2+, Са2+ и Ва2+ можно, используя карбонат-ион. Во всех случаях образуется бе-

лый осадок (проведите опыт):

М2+ + СO32– = МСО3↓.

Ионбариядаетнерастворимыйвкислотахосадокс сульфат-ионом (проведите опыт):

Ва2+ + SО24– = ВаSО4↓.

Ион кальция образует с сульфат-ионом осадок СаSО4 тольковслучаедостаточноконцентрированных растворов реагентов.

Ионы кальция окрашивают пламя в кирпичнокрасный цвет, а ионы бария – в желто-зеленый.

Вопросы и задания

• Какой ион используют в качестве реагента для определения ионов магния, кальция и бария? Запишите уравнения реакции в молекулярном и ионном видах для всех случаев.

Ионы разных металлов окрашивают пламя в разные цвета. Это издавна использовалось в фейерверках

•С каким ионом ион бария дает нерастворимый

вкислотах осадок? Запишите уравнение реакции в молекулярном и ионном видах.

•Целесообразноливкачествереагентадляопределения ионов кальция использовать сульфат-ион?

•Как окрашивается пламя при внесении в него соли кальция? Соли бария?

4.Заполните таблицу (табл. 4), используя информацию о значении соединений кальция и магния в природе и жизни человека (с. 62–66 учебника).

Задание

•Дана схема превращений: Сa → СаО → Х →

→СаСО3 → СaCl2 → Са3(РО4)2. Напишите молекулярные уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить указанные превращения. Последнее уравнение запишите в полном и сокращенном ионном видах.

Домашнее задание: § 12, упр. 4, 5.

6. Алюминий

Вопросы и задания

•Охарактеризуйте строение атома алюминия по его положению в периодической системе.

•Почему алюминий проявляет переходные свойства?

•Опишите физические свойства алюминия.

1. Алюминий химически активен, он может реагировать с неметаллами, водой, кислотами. Почему же тогдаизалюминияделаютпосуду? Оказывается, наего поверхности образуется очень прочная оксидная пленка, которая предохраняет алюминий от воздействия факторов внешней среды. Для того чтобы алюминий начал реагировать, с его поверхности нужно удалить оксидную пленку.

2. Уравнение окисления алюминия кислородом воздуха:

4Аl + 3О2 = 2Аl2О3.

Порошок алюминия реагирует с йодом в присутствии влаги (вода – катализатор):

кат.

2Аl + 3I2 == 2АlI3.

При взаимодействии алюминия с водой образуется гидроксид алюминия и выделяется водород:

2Аl + 6Н2О = 2Аl(ОН)3 + 3Н2.

Алюминий реагирует с кислотами:

2Аl + 6НСl = 2АlСl3 + 3Н2.

Алюминий реагирует со щелочами:

2Аl + 2NаОН + 2Н2О =t 2NаАlО2 + 3H2,

2Аl + 2NаОН + 6Н2О = 2Na[Аl(ОН)4] + 3Н2.

Приведенные реакции подтверждают переходные (амфотерные) свойства алюминия.

Вопросы и задания

•Что понимается под переходными свойствами металлов?

•В чем проявляются переходные свойства алюминия? Приведите доказательства (уравнения реакций запишите в тетрадь).

3.Алюминий способен вытеснять менее активные металлы из оксидов. Это свойство алюминия используют в алюминотермии:

3Fе3О4 + 8Аl =t 4Аl2О3 + 9Fе.

Алюминий может вытеснять металлы из растворов их солей:

2Al + 3СuСl2 = 3Сu + 2AlСl3.

4. Гидроксид алюминия – это амфотерное соединение.

Вопросы и задания

•Вспомните, какие соединения называют амфотерными?

•Как можно получить гидроксид алюминия?

Доказать амфотерные свойства можно следующими реакциями.

Al(OH)3 + 3HCl = AlCl3 + 3H2O,

Al(OH)3 + NaOH = Na[Аl(ОН)4].

Гидроксид алюминия разлагается при нагревании: 2Al(ОH)3 =t Аl2О3 + 3H2O.

Вопросы и задания

•Запишите уравнения реакций, подтверждающих амфотерность алюминия.

•Какие вещества образуются в результате разложения гидроксида алюминия? Запишите уравнение реакции.

5.Оксид алюминия химически пассивен, с концентрированными кислотами и щелочами реагирует при нагревании:

Аl2О3 + 6HCl =t 2AlCl3 + 3H2О; Аl2О3 + 2NаОН =t 2NаАlO2 + Н2О.

Металлический алюминий получают при электролизе расплава его оксида (при 900 °С, в расплаве

Nа3АlF6):

электролиз

расплава

2Аl2О3 ====== 4Аl + 3О2.

6. Распознать ионы алюминия можно двумя способами:

1)при добавлении к соли алюминия щелочи выпадает белый осадок, растворяющийся в избытке щелочи;

2)при добавлении к соли алюминия карбоната на-

трия выпадает осадок Al(OH)3 и выделяется углекислый газ:

3Na2СО3 + 2АlСl3 + 3Н2О = = 6NaCl +2Al(OH)3↓ + 3СО2↑.

Вопросы и задания

•При каких условиях оксид алюминия реагирует

скислотами и щелочами? Запишите уравнения реакций.

•Какимспособомполучаюталюминийизегооксида? Запишите уравнение реакции.

•Как распознают ионы алюминия? Запишите уравнения реакций.

Задание

•Дана схема превращений: Al → AlCl3 → Х →

→Al2O3 → NaAlO2. Напишите молекулярные уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить указанные превращения. Второе уравнение запишите в ионном полном и сокращенном видах.

Домашнее задание: § 13 (с. 75), упр. 5, 6.

ЛИ Т Е Р А Т У Р А

1.Мкртчян М.А. Становление коллективного способа обучения. Красноярск: ККИПК, 2010, 228 с.

2.Лебединцев В.Б., Горленко Н.М., Запятая О.В.,

Клепец Г.В. Новые модели обучения в малочисленных сельских школах: институциональные системы обучения на основе индивидуальных учебных маршрутов и индивидуальных образовательных программ учащихся. Красноярск: ККИПК, 2010, 152 с.

3.Мкртчян М.А. Методики коллективных учебных занятий. Справочник заместителя директора школы, 2010, № 12, c. 50–63. (http://menobr.ru).

4.Лебединцев В.Б. Виды учебной деятельности в па рах. Школьные технологии, 2005, № 4, c. 102–112.

5.Лебединцев В.Б., Горленко Н.М. Позиции педа-

гогов при обучении по индивидуальным образовательным программам. Народное образование, 2011, № 9,

с. 224–231.

См. также № 15, 16, 17/2011; 1–5/2012.

§17. Жизнь, признаки живого и их относительность.

§18. Уровни организации жизни на Земле.

§19. Многообразие живых организмов. Клетка и неклеточные формы жизни.

§20. Экологические системы.

§21. Биосфера.

§22. Эволюционная теория.

§23. Климат и приспособленность живых организмов к его условиям.

§24. Свет и приспособленность к нему живых организмов. Электромагнитнаяприродасвета.

§25. Внутренняя энергия макроскопической системы. Тепловое равновесие.

§26. Температура и приспособленность к ней живых организмов.

§27. Вода. Физические и химические свойства воды.

§28. Роль воды в биосфере.

§29. Соленость и почва как абиотические факторы.

§30. Биотические факторы.

§31. Жизнь и время. Биоритмы.

§32. Обмен информацией.

Практическая работа 6. Распознавание органических соединений.

Практическаяработа7. Изучениерастительнойи животной клеток.

Практическая работа 8. Изучение микроскопического строения животных тканей.

Практическая работа 9. Изучение простейших. Практическая работа 10. Изучение взаимосвязей в искусственной экосистеме – аквариуме и

составление цепей питания. Практическая работа 11. Изучение бытовых от-

ходов.

Полное содержание курса см. на компакт-диске, прилагаемом к данному номеру.

Практическая работа 12. Изучение приспособленности организмов к среде обитания.

Практическая работа 13. Изучение света. Практическая работа 14. Исследование среды

раствора солей и сока растений. Практическая работа 15. Изучение состава по-

чвы.

§ 17. ЖИЗНЬ, ПРИЗНАКИ ЖИВОГО

И ИХ ОТНОСИТЕЛЬНОСТЬ

Чем живое отличается от неживого?

Следует подчеркнуть, что проблема различия междуживыминеживымненова. Онасуществуетстолько же лет, сколько существует человеческий разум. Какой же признак является определяющим в разделении живого и неживого? Сравним два папоротника: живой лесной папоротник, например орляк, и сказочный, нарисованный художником-морозом на оконном стекле (рис. 1). Если на нарисованный морозом на стекле папоротник упадет солнечный луч, то он растает. А вот

Рис. 1. Лесной папоротник (а) и нарисованный морозом (б) на стекле: похожие и разные

лесной папоротник благодаря энергии солнечного светабудетрасти, развиватьсяиразмножатьсяспомощью спор.

С точки зрения химии, живой и неживой мир построены из одних и тех же химических элементов. Может быть, признаком живого является его способность к движению? Но ведь движутся вода в реке, воздух (в виде ветра), пески пустынных барханов. Живое обладает способностью к росту. Но ведь растут в пещерах сталактиты и сталагмиты навстречу друг другу, соединяясь в причудливые колонны; растут снежные узоры на окне; растут кристаллы в пересыщенном растворе… Живое воспроизводит себя, т.е. размножается. Но ведь «самовоспроизводится» и огонь, являясь причиной многочисленных лесных пожаров. Следовательно, отдельные признаки, присущие живому, не могут служить критериями жизни. Очевидно, необходимо рассматривать совокупность таких признаков: способность к движению, росту, питанию и выделению продуктов жизнедеятельности, дыханию, размножению; а также раздражимость, приспособленностькокружающейсреде, наследственностьиизменчивость.

Прежде всего живое от неживого отличает способ восприятия энергии. Внутреннюю энергию живых и неживых систем можно изменить путем теплопередачи или совершения работы.

Количество теплоты, сообщенное системе, расходуется на совершение системой работы против внешних сил и на увеличение ее внутренней энергии:

Q = U + A.

Приведенную формулировку и математическое вы-

ражениеназываютпервымначаломтермодинамики, или законом сохранения энергии в механических и

тепловых процессах.

Работа и количество теплоты являются мерами изменениявнутреннейэнергиисистемыприразныхпроцессах:

U = Q – A.

Внутренняя энергия системы может быть изменена на одно и то же значение или при передаче ей некоторого количества теплоты, или при совершении над нейработыбезтеплообмена. Этоположениевыражает

принцип эквивалентности теплоты и работы.

Из первого закона термодинамики следует вывод о том, что невозможно создать вечный двигатель. Действительно, если к системе не подводят энергию, т.е. Q = 0, то работа будет совершаться только за счет внутренней энергии системы, которая с течением времени будет уменьшаться, в конце концов станет равной нулю, и двигатель перестанет работать.

Все изменения в неживой природе, например: испарениеводы, конденсацияпараиобъединениекапель в облака, выпадение дождя, образование ручьев, рек и

т.д. – связаны с превращением энергии. Согласно важнейшему фундаментальному закону природы – перво-

му началу термодинамики:

энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно, а только превращается из одной формы в другую.

Так, под действием солнечной энергии вода испаряется, а энергия воды, падающей с речных плотин ГЭС, превращается в электрическую.

Причиной всех изменений воды в природе является соблюдение еще одного фундаментального закона природы, известного под названием второго начала термодинамики. Познакомимся с ним подробнее.

Вам известно, что при теплообмене тело, имеющее более высокую температуру, отдает некоторое количество теплоты и остывает, а тело, имеющее более низкую температуру, получает некоторое количество теплоты и нагревается.

В соответствии с первым началом термодинамики теоретически возможен и такой процесс, при котором менее нагретое тело отдает некоторое количество теплоты и еще сильнее остывает, а более нагретое тело получает некоторое количество теплоты и еще сильнее нагревается. При этом полная энергия замкнутой и теплоизолированной системы сохраняется. Первое начало термодинамики ничего не говорит о направлении процесса теплообмена, т.е. о том, какое тело отдает энергию, а какое ее получает, и не запрещает самопроизвольную передачу энергии от холодного тела к горячему. Этот запрет накладывает второе началотермодинамики, котороесодержитутверждениео направленности процессов теплообмена. Прежде чем обсуждать второе начало термодинамики, рассмотрим понятие необратимости.

Итак, при теплообмене энергия переходит от более нагретого тела к менее нагретому. Обратный процесс самопроизвольно происходить не может, теплопередача – необратимый процесс.

Если поместить в сосуд кристаллы медного купороса и прилить воды, то через некоторое время вследствие диффузии вещества перемешаются и образуется однородный раствор. Диффузия произошла самопроизвольно. Обратный процесс, т.е. разделение раствора на вещества, самопроизвольно произойти не может. Диффузия – также пример необратимого процесса

(рис. 2, см. с. 30).

Еще одним примером подобного процесса является движение шарика, упавшего на твердый пол и отскочившего обратно. При этом шарик сам не поднимется натужевысоту, скоторойонупал, посколькучастьмеханической энергии превратится во внутреннюю энергию воздуха, шарика и пола. Если бы отсутствовало сопротивление воздуха и удар шарика о пол был абсолютно упругим, то шарик после удара поднялся бы на прежнюю высоту и его движение было бы обратимым.

Рис 2. Красочный пример необратимого процесса диффузии

В живой природе необратимым является процесс старения.

Необратимые процессы – это процессы, которые протекают самопроизвольно только в одном направлении.

Понятие необратимости процессов составляет содержание второго начала термодинамики. Оно указывает направление энергетических превращений в природе и имеет несколько эквивалентных формулировок. Немецкий ученый Р.Ю.Э.Клаузиус (1822–1888) сформулировал второе начало термодинамики следующим образом:

невозможен процесс, единственным результатом которого был бы переход энергии от холодного тела к горячему.

Из приведенной формулировки следует, что, если процесс передачи энергии от холодного тела к горячему осуществляется, то при этом происходят определенные изменения в окружающих телах. В частности, такой процесс происходит в холодильнике: энергия передается от холодильной камеры среде, имеющей более высокую температуру, но этот процесс осуществляется при совершении работы над рабочим веществом (хладагентом), и при этом

происходят определенные изменения в окружающей среде.

Вода и медный купорос в сосуде в начальный моментвременинаходилисьвупорядоченномсостоянии: внижней частисосударазмещалиськристаллымедного купороса CuSO4æ5H2O (состоящие из ионов Cu2+, SO24– и молекул воды), в верхней – молекулы воды. Стечениемвременимолекулыводыиионыперемешалисьипорядокнарушился, т.е. система«медныйкупорос – вода» перешла из упорядоченного состояния в неупорядоченное. Обратный переход невозможен сам по себе.

Мерой неупорядоченности термодинамической системы является физическая величина, называемая энтропией (от греч. entropia — поворот, превращение).

Энтропия системы тем больше, чем больший беспорядок соответствует ее состоянию. Энтропия неупорядоченного состояния системы больше, чем упорядоченного. Теплоизолированная система самопроизвольно переходит из состояния с меньшей энтропией в состояние с большей энтропией; обратный самопроизвольныйпереходневозможен. Вэтомизаключенасуть

второго начала термодинамики.

Все системы в неживой природе, предоставленные сами себе, стремятся к состоянию максимальной неупорядоченности.

В живом мире происходит наоборот. Живое стремится к упорядоченности или организованности. Так, сперматозоид, сливаясь с яйцеклеткой, образует более сложную живую систему – одноклеточный зародыш, который, в свою очередь, усложняется (дробится, растет и дифференцирует образующиеся клетки в ткани и затем – в органы), превращаясь в целостный организм, столь похожий на родительский.

Жизнь – процесс существования сложных систем (основу которых составляют биополимеры, прежде всего белки и нуклеиновые кислоты), способных самовоспроизводиться и поддерживать свое существование в результате обмена энергией, веществом и информацией с окружающей средой.

Откуда и как возникла сама жизнь на «планете малой, затерянной в пространстве мировом» (В.Брюсов)?

Существует несколько взглядов на происхождение жизни на Земле.

Глубокая вера в божественное сотворение Земли и жизни на ней, а также высочайшее мастерство позволили Микеланджело создать гениальную роспись Сикстинской капеллы в Ватикане (рис. 3, см. с. 31).

Другого мнения придерживались многие авторитетные ученые. Например, известный вам из курса химии С.Аррениус считал, что жизнь имеет внеземное происхождение, т.е. принесена на Землю из космоса. Однако точных доказательств этому нет. Следует