Приглашаем к участию
Федеральное агентство по образованию
УГТУ - УПИ
Кафедра «Теория металлургических процессов»
Л.А. Жукова, А.А. Жуков
ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
Учебное электронное текстовое издание Подготовлено кафедрой «Теория металлургических процессов»
Конспект лекций по дисциплине «Физическая химия» для студентов направлений 150100 – Металлургия, 150600 – Материаловедение и технологии материалов
Екатеринбург
Раздел 1. Введение и основные термины…………… |
…………….………………………… |
|||||
Лекция 1………………… |
…………………………… |
…………………………… |
||||
Раздел 2. Применение первого закона термодинамики к расчету тепловых эффектов |
||||||
процессов……………………………… |
……………………………………………………… |
|||||
Лекция 2……………………………… |
…………………………………………………… |
|||||
Раздел 3. Применение второго закона термодинамики к определению направления процессов |
||||||
и условий равновесия…………………………………………………………………………………… |
||||||
Лекция 3…………………… |
…………………………………………………………… |
|||||
Лекция 4………… |
………………………………………………………………………… |
|||||
Лекция 5…… |
……………………………………………………………………………… |
|||||
Раздел 4. Термодинамика растворов…………… |
……………………………………………….44 |
|||||
Лекция 6…………………………………………………………………………………… |
||||||
Лекция 7……… |
…………………………………………………………………………… |
|||||
Лекция 8…… |
…………………………………………………………………………… |
|||||
Раздел 5. Фазовые равновесия и диаграммы состояния……… |
…………………………..……59 |
|||||
Лекция 9……………………………………………………… |
…………………………… |
|||||
Лекция 10………………………………………………………………………………… |
||||||
Лекция 11…………………………………………………………………………………… |
||||||
Лекция 12………………………………………………………………………………… |
||||||
Раздел 6. Поверхностные явления……………………………………………………………… |
||||||
Лекция 13………………………………………………………………………………… |
||||||
Лекция 14………………………………………………………………………………… |
||||||
Раздел 7. Кинетика гомогенных химических реакций………………… |
...………………… |
|||||
Лекция 15…………………………………………………………………………… |
||||||
Раздел 8. Кинетика гетерогенных химических реакций……………………………………… |
||||||
Лекция 16…………………………………………… |
………………………………… |
|||||
Лекция 17……………………………………………………………………………… |
||||||
Раздел 9. Строение и свойства жидких и аморфных металлов……………………………….147 |
||||||
Лекция 18………………………………………………………………………………… |
Раздел 1. Введение и основные термины
Из самого названия дисциплины следует, что она является пограничной наукой между химией и физикой. Основная задача физической химии – изучение взаимосвязи разнообразных физических и химических явлений. Поскольку всякое реальное явление сложно, выделение в нем отдельных сторон – физической или химической – достаточно условно. Поэтому порой бывает трудно провести границу между вопросами, изучаемыми физической химией, и отдельными разделами физики и химии. Как наука физическая химия начала складываться во второй половине XIX-го столетия, хотя название и общее определение содержания физической химии впервые дано М.В. Ломоносовым (1752 г.): «Физическая химия – наука, которая должна на основании положений и опытов физических объяснить причину того, что происходит через химические операции в сложных телах».
Физическая химия занимается многосторонним исследованием химических процессов
и сопутствующих им физических явлений, используя теоретические и экспериментальные методы обеих наук, а также свои собственные. Это дает возможность предсказывать ход химического процесса и его результат, и, следовательно, управлять им с целью получения оптимального результата. Область приложения физической химии охватывает все вопросы химических и фазовых превращений, влияния физических параметров на химические процессы, химического состава – на физические свойства. На основании многостороннего исследования различных свойств веществ и характеристик разнообразных процессов с их участием физическая химия решает две важнейшие задачи – устанавливает возможность протекания процесса и его скорость, определяет факторы, позволяющие управлять им.
Металлургия издавна опирается на достижения физической химии, позволившей разработать теорию процессов, протекающих в металлургических агрегатах. Обосновывая возможность различных процессов в заданных условиях, научный подход позволяет выявить условия наиболее полного их протекания, рассчитать скорости этих процессов, учесть количество поглощаемого или выделяемого при их протекании тепла и в результате оптимизировать технологические режимы получения высококачественного металла.
Производство металлов и сплавов – сложный и многостадийный процесс, на каждом этапе которого, включая жидкое состояние, формируются необходимая структура и требуемые свойства будущего конструкционного материала. Методы физической химии используются при обосновании химического состава сплава с заданными свойствами и определении путей его получения, оптимизации процессов, протекающих при его кристаллизации, определении скорости охлаждения слитка, способствующей формированию заданного фазового состава и структуры и при анализе многих других процессов в металлургии. Таким образом, физическая химия – это теоретическая основа получения металлов, сплавов и других материалов с заданными свойствами.
В настоящее время физическая химия представляет собой самостоятельную дисциплину с собственными методами исследования и является теоретической базой ряда прикладных дисциплин.
Физическая химия играет ведущую роль в формировании научного мировоззрения специалиста-металлурга, позволяя с самых общих позиций анализировать и прогнозировать течение процессов получения и обработки металлов и сплавов.
Целью изучения физической химии является ознакомление студентов с основными закономерностями этой научной дисциплины и их следствиями, некоторыми теоретическими
и экспериментальными методами исследования параметров равновесного состояния систем и кинетики протекающих процессов, выработка умений и навыков физико-химического анализа, необходимых для углубленного изучения металлургических процессов и технологий в специальных курсах.
Многообразие изучаемых физической химией явлений привело к выделению внутри
нее ряда разделов, из которых к основным можно отнести следующие.
Химическая термодинамика занимается рассмотрением энергетических балансов, вопросами химических и фазовых равновесий, а также выяснением направления протекания процессов в системах, где отсутствует равновесие.
Строение вещества включает изучение строения атомов, молекул и их взаимодействие в различных агрегатных состояниях вещества.
Теория растворов ставит целью объяснение и предсказание свойств растворов и их компонентов по свойствам чистых веществ, из которых составлен раствор.
Химическая кинетика изучает скорость и механизм химических реакций, их зависимость от условий протекания.
Поверхностные явления рассматривают специфические свойств поверхностных слоев жидкостей и твердых тел и их влияние на характеристики системы в целом.
Электрохимия изучает химические процессы, в которых участвуют заряженные частицы – ионы.
Между перечисленными разделами нет четких границ. При изучении любого явления приходится использовать представления из различных разделов.
Исследования в области физической химии опираются на три основных метода, каждому из которых отвечает свой круг понятий, законов и экспериментальных способов исследования.
Методы физической химии
Термодинамический метод . Все полученные с его помощью понятия и законы формулируются как результат описания опыта, без проникновения в молекулярный механизм процессов. В силу этого данный метод формален, что несколько ограничивает область его применения. Однако это же и облегчает практические расчеты.
Статистический метод. В основу положено рассмотрение тел как больших ансамблей частиц, что позволяет обосновать понятия и законы термодинамики и расширить круг описываемых явлений. Этот метод связывает макроскопические свойства веществ с микроскопическими свойствами молекул.
Молекулярно-кинетический метод. Позволяет описать свойства веществ и характеристики процессов с их участием, в том числе скорость, на основе законов движения и взаимодействия составляющих эти вещества частиц.
Природа изучаемых физической химией явлений сложна, поэтому их теоретическое описание, несмотря на неуклонное совершенствование теоретических и экспериментальных методик исследования, нельзя считать исчерпывающим. Всестороннее осмысление сути явлений идет по пути создания модельных представлений с постепенным их усложнением и детализацией по мере накопления новых экспериментальных фактов. Любая модель – это более или менее упрощенный, заведомо идеализированный образ реальности. Наиболее известными простейшими абстракциями, широко используемыми в физической химии, являются модели идеального газа, идеального кристалла, идеального раствора и др. Математические выражения, описывающие явления и процессы на основе простейших моделей, не содержат трудно определяемых величин, что упрощает вычисления. Как правило, расчеты на их основе не дают удовлетворительного согласия с экспериментально измеренными значениями свойств реальных систем. Однако даже такое сопоставление полезно. Оно позволяет по характеру и величине отклонений теоретических предсказаний от экспериментальных данных выявить неучтенные в идеализированной модели особенности реального объекта и ввести дополнительные параметры в более совершенные варианты модельной теории.
Основные понятия и определения
Базовым разделом физической химии является химическая термодинамика. Вводимый в ее рамках понятийный аппарат используется и в других разделах физической химии
Термодинамическая система – это тело или совокупность тел, выделенная из окружающего пространства посредством воображаемой или реальной границы раздела. Масса термодинамической системы неизменна, и взаимодействие ее с окружающей средой осуществляется только посредством обмена энергией в виде теплоты и работы. В случае обмена системы со средой веществом, она называется открытой. Мы будем рассматривать только такие термодинамические системы, которые обмениваются с окружающей средой энергией, но не обменивающиеся веществом (закрытые), называя их просто «система».
Энергия – это характеристика движения материи, как с количественной, так и с качественной стороны, т.е. мера этого движения. Любая система обладает энергией, причем формы ее многообразны, как и формы движения материи.
Система называется замкнутой , или изолированной , если она не обменивается энергией с окружающей средой ни в форме теплоты, ни в форме работы. Если обмен энергией происходит только в форме работы, то систему называют адиабатически замкнутой . Система называется гомогенной , если каждое ее свойство имеет в различных частях системы одно и то же значение или непрерывно изменяется от точки к точке. Система гетерогенна , если она состоит из нескольких частей, отделенных друг от друга физическими границами раздела, при переходе через которые свойства и структура могут изменяться скачком. Гомогенная часть системы, отделенная от остальных частей физической границей раздела, называется фазой . Примером гетерогенной системы может служить жидкость с паром над ней, находящиеся в закрытом сосуде. Эта система состоит их двух частей (фаз), при переходе через границу между которыми скачком изменяется, например, плотность.
Совокупность всех физических и химических свойств системы характеризует ее состояние . Изменение каких-либо свойств приводит к изменению ее состояния. При этом не все свойства системы являются независимыми. Некоторые из них можно выразить через другие. Например, состояние идеального газа можно задать тремя его свойствами: температурой T , объемом V и давлением P . Достаточно выбрать два из них, чтобы определить третий из известного уравнения состояния идеального газа – уравнения Менделеева-Клапейрона:
где R – универсальная газовая постоянная (R = 8,314 Дж/(моль× К)), n – количество молей газа.
Однако для большинства реальных систем общие уравнения состояния f(P,V,T) = 0 неизвестны, либо слишком сложны и недостаточно точны, что вынуждает использовать частные взаимосвязи отдельных свойств при постоянстве других.
Обычно за независимые переменные принимают те, значения которых в заданных условиях легче определить и изменить. Очень часто таковыми является температура и давление. В многокомпонентных системах к ним добавляются концентрации компонентов.
Различают свойства экстенсивные , т.е. зависящие от количества вещества, или массы системы (например, объем), и интенсивные , не зависящие от массы (например, температура). Многие интенсивные свойства легко получаются из экстенсивных. Так, мольный (или молярный) объем V m , являющийся интенсивным свойством, может быть получен делением общего объема системы (экстенсивное свойство) на число молей составляющих ее веществ. Плотность – масса единицы объема вещества – также интенсивное свойство. В термодинамике в основном оперируют мольными свойствами, т.к. их величины в состоянии равновесия одинаковы для всей системы и для любой ее части.
Независимые интенсивными свойства системы называют параметрами состояния . Другие свойства рассматривают как функции этих параметров.
Значение любого свойства системы не зависит от тех состояний, в которых она находилась ранее, т.е. не зависит от термодинамического пути, по которому система пришла в данное состояние. Всякое изменение, происходящее в системе, и связанное с изменением ее свойств, называется процессом . Таким образом, изменение свойства не зависит от пути процесса, а определяется только начальным и конечным состояниями системы. В
дальнейшем будем использовать для отображения конечного изменения свойства греческую букву (например, V ), а для бесконечно малого изменения этого свойства – латинские буквы d или (в частных производных).
Процесс, в котором система, выйдя из начального состояния и претерпев ряд изменений, возвращается в него, называется круговым . Очевидно, что изменения свойств системы в круговом процессе равны нулю. Процессы, происходящие при постоянной температуре (Т = const ), называются изотермическими , при постоянном давлении (P = const ) – изобарными, или изобарическими, при постоянном объеме системы (V = const ) –
изохорными, или изохорическими . Процессы, в ходе которых обмен энергией между системой и окружающей средой происходит только в форме работы, называют
адиабатическими.
Состояние системы, в котором все ее параметры в любой точке приняли постоянные значения и не изменяются во времени, называется равновесным . Процесс, при котором система проходит ряд равновесных состояний, называется равновесным процессом . Им может быть только бесконечно медленный процесс. Понятие «равновесный» в данном случае совпадает с понятием «обратимый». Обратимым называется такой термодинамический процесс, который допускает возможность возвращения системы в первоначальное состояние без того, чтобы в окружающей среде остались какие-либо изменения. Любой равновесный процесс является обратимым и, наоборот, в ходе обратимого процесса система проходит через ряд равновесных состояний. После протекания необратимого процесса система не может самостоятельно, т.е. без внешнего воздействия, вернуться в исходное состояние. Все реальные, самопроизвольно протекающие, процессы необратимы и могут лишь в той или иной степени приближаться к понятию обратимого процесса.
Как отмечалось выше, термодинамическая система может обмениваться с окружающей средой энергией в двух формах: работы (макрофизическая форма) и теплоты (микрофизическая форма).
Работой называется количественная мера такого вида передачи движения (энергии), которая осуществляется путем перемещения конечных масс, т.е. системы в целом или ее частей под действием каких-либо сил.
Наиболее часто используемыми единицами измерения энергии и работы, в частности, в термодинамике являются джоуль (Дж) в системе СИ и внесистемная единица – калория (1
кал = 4,18 Дж).
В качестве примера процесса, сопровождающегося совершением работы, рассмотрим расширение газа, находящегося в цилиндре под поршнем, на который действует давление Р (рисунок 1).
Если газ под поршнем (движущимся без трения) расширяется от состояния с объемом V 1 до состояния с объемом V 2 , он совершает работу А против внешнего давления. Сила F , с которой газ действует на поршень
F = PS,
где S – площадь сечения цилиндра. Бесконечно малая работа δA, совершаемая при подъеме
Рисунок 1 – Совершение работы газом, находящимся под давлением, в процессе расширения
поршня на высоту dh , составляет
δ A = F dh = PS dh,
δ A = P dV.
Для конечного изменения объема газа, проинтегрировав полученное уравнение, получим:
A = ∫ PdV .
Рассмотренный пример можно проиллюстрировать графически для двух различных путей (a и b ) перехода системы из состояния 1 в состояние 2 (рисунок 2).
Рисунок 2 – Различие величины работы, совершаемой газом, расширяющимся от объема V 1 до объема V 2 , в процессах, протекающих по пути a и по пути b
Поскольку работа численно равна площади под кривой, являющейся графиком подынтегральной функции (P ), очевидно, что A a A b , хотя начальное и конечное состояния системы в обоих случаях, а также изменения свойств (P и V ), одни и те же.
Следовательно, работа зависит от пути процесса, а значит, не является свойством системы. Работа есть характеристика процесса. Поэтому в отличие от изменений свойств (, d и ) для работы и ее бесконечно малого количества приняты обозначения A и δ A соответственно.
Если газ расширяется при неизменном внешнем давлении (P = const ), то, как показано на рисунке 3, работа вычисляется умножением давления на изменение объема в результате перехода системы из начального состояния в конечное.
3 – Работа расширения газа в |
||
изобарическом процессе |
A = P(V2 – V1 )
Теплотой называется количественная мера такого вида передачи движения (энергии), которая осуществляется путем хаотического столкновения молекул двух соприкасающихся тел.
Теплота, как и работа, не является свойством системы, а есть характеристика процесса, и зависит от его пути. Поэтому нельзя говорить о запасе теплоты в системе. Обозначение теплоты – Q или для бесконечно малого ее количества – δ Q . Система может, как поглощать, так и выделять теплоту в связи с протеканием в ней процессов. Поглощение теплоты, условно считающейся при этом положительной (Q > 0), происходит в эндотермических процессах. Выделение системой теплоты, учитываемой со знаком «минус» (Q < 0), связано с протеканием экзотермических процессов (рисунок 4). Работа, совершаемая системой, рассматривается как положительная (A > 0). Работа, совершаемая над системой под действием внешних сил, считается отрицательной (A < 0).
A < 0 |
Термодинамическ
Q > 0 |
|
Эндо термические |
Экзо термические |
процессы |
процессы |
Рисунок 4 – Правило знаков, принятое в термодинамике для теплоты и работы
В качестве одной из важнейших величин в термодинамике рассматривается внутренняя энергия (U ) системы, являющаяся ее свойством. Она характеризует запас энергии системы, включающий энергию поступательного и вращательного движения молекул, энергию внутримолекулярного колебательного движения атомов, энергию движения электронов, внутриядерную энергию. Во внутреннюю энергию не входят кинетическая энергия движения системы в целом и потенциальная энергия ее положения.
Внутренняя энергия является функцией температуры и объема системы. Зависимость
U от температуры обусловлена зависимостью от нее кинетической энергии движения молекул. Влияние объема, занимаемого системой, на величину внутренней энергии связано с тем, что потенциальная энергия взаимодействия молекул зависит от расстояний между ними.
Абсолютное значение внутренней энергии системы в настоящее время не может быть рассчитано или измерено, поскольку отсутствуют сведения о величине внутриядерной энергии. Однако можно рассчитывать изменения внутренней энергии в различных процессах:
U = U2 – U1 .
Раздел 2. Применение первого закона термодинамики к расчету тепловых эффектов процессов
Первый закон термодинамики
Этот закон – частный случай общего закона сохранения энергии применительно к термическим явлениям. Он не доказывается теоретически, а является результатом обобщения опытных фактов. Справедливость его подтверждается тем, что ни одно из следствий закона не противоречит опыту. Формулируется он следующим образом.
Первый закон : в любом процессе увеличение внутренней энергии системы равно количеству сообщенной системе теплоты за вычетом количества работы, совершенной системой.
Математической записью первого закона термодинамики служит выражение
если совершаемая системой работа связана только с ее расширением. В общем же случае, когда работа может производиться не только против внешнего давления, но также против электрических, магнитных и других сил, следует записать
du = δ Q – PdV – δ A′ ,
где величину δA ′ называют «полезной» работой. Будем далее учитывать δA ′ только там, где это необходимо.
Примеры применения первого закона к различным процессам
1 Круговой процесс (U = const ) . Очевидно, что в результате такого процесса dU = 0, значит, δQ = δA, или Q = A. В круговом процессе вся работа совершается системой за счет подведения к ней теплоты.
2 Изотермический процесс (T = const ). Для упрощения вывода рассмотрим применение уравнения dU = δQ T – PdV к процессу, протекающему в идеальном газе. В этом случае внутренняя энергия системы не зависит от объема, поэтому U = f (T ). При постоянстве температуры dU = 0. Следовательно, все подводимое к системе тепло, расходуется на совершение ею работы:
δ Q = δ A = PdV.
Вся работа с учетом уравнения состояния идеального газа PV = nRT равна
A = V 2 |
PdV = V 2 |
dV = nRT ln |
|||||
Изохорический процесс (V = const ). Поскольку dV = 0, то |
|||||||
dU = δ QV – |
δ A = δ QV – PdV = δ QV , |
||||||
или dU = δ QV . |
|||||||
Вся теплота, подводимая к системе, идет на увеличение внутренней энергии: Q V = U . |
|||||||
Адиабатический процесс (δ Q = 0). Уравнение dU = δQ – δA преобразуется к виду dU = |
|||||||
δA, или δA = – dU . Система совершает работу за счет убыли своей внутренней энергии. |
|||||||
Изобарический процесс (P = const ). Представим уравнение первого закона dU = δQ P – PdV |
|||||||
δ QP = dU + PdV, |
|||||||
где, используя свойства дифференциала, проведем следующие преобразования:
δ QP = dU + d(PV) = d(U + PV).
Величину в скобках U + PV обозначают буквой H и называют энтальпией системы. Тогда
δ QP = dH; Q = H = H2 – H1 .
Таким образом, теплота, получаемая системой в изобарическом процессе, расходуется на приращение энтальпии. Энтальпия является свойством, или функцией состояния системы, и ее изменение не зависит от пути процесса, т.к. изменения всех трех величин U , P и V определяются только начальным и конечным состояниями системы. Абсолютная величина энтальпии, как и внутренней энергии, не может быть определена. На основе экспериментальных данных определяют лишь изменения энтальпии Н рассматриваемого вещества при изменении внешних условий или Н рассматриваемой системы при протекании в ней процесса.
Мы видим, что в двух частных случаях, а именно при V = const и P = const , теплота, получаемая системой, идет на увеличение величин функций состояния, соответственно U
Теоретическая и математическая химия для школьников. Еремин В.В.
М.: 2007 - 392 с.
На школьном уровне показаны межпредметные связи химии с другими науками. Рассмотрены основные области применения элементарной математики и теоретической физики к химическим явлениям. Каждый раздел книги содержит подробный теоретический материал, разобранные задачи и задачи для самостоятельного решения. Ко всем задачам даны ответы. Книга предназначена для углубленного изучения химии в средней школе, а также для подготовки к химическим олимпиадам различного уровня - от школьных до международных. Она может быть полезна всем интересующимся химией и ее многочисленными приложениями.
Формат: pdf
Размер: 8,1 Мб
Смотреть, скачать: drive.google
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие 4
Глава 1. Элементарная математика в химии 5
§ 1. Роль математики в химии 5
§ 2. Расчеты и оценки 6
§ 3. Алгебра 12
§ 4. Геометрия 20
§ 5. Элементы математического анализа 26
§ 6. Элементы комбинаторики 35
§ 7. Компьютерная математика в химии 40
Литература 43
Глава 2. Строение атомов и молекул 45
§ 1. Происхождение атомов и молекул 45
§ 2. Строение ядер атомов. Ядерные реакции 50
§ 3. Элементарные понятия квантовой механики 63
§ 4. Электронные конфигурации атомов 90
§ 5. Химическая связь и строение молекул 120
Литература 143
Глава 3. Химическая термодинамика 145
§ 1. Тепловые эффекты химических реакций 147
§ 2. Второй закон термодинамики 160
§ 3. Фазовое равновесие и фазовые переходы 178
§ 4. Химическое равновесие 186
§ 5. Распределения по энергии и скорости 226
§ 6. Электрохимические цепи 232
§ 7. Термодинамические свойства растворов 250
Литература 262
Глава 4. Химическая кинетика 263
§ 1. Закон действующих масс 264
§ 2. Зависимость скорости реакции от температуры 276
§ 3. Сложные реакции 291
§ 4. Катализ 340
§ 5. Фотохимия 366
Литература 392
Перед вами необычная книга о химии. В ней довольно мало химических формул, зато
в изобилии встречаются математические символы, уравнения и графики функций.
Здесь можно найти множество физических понятий, например «квант», «фотон»,
«теплота». И все-таки на первом месте в книге стоит химия. Математические методы
и физические теории здесь играют только утилитарную роль: они помогают описывать
химические вещества и реакции между ними.
Основная задача книги - показать, что химия неотделима от математики и физики. У
химии нет своих собственных законов. Все законы химии, например периодический
или закон сохранения массы, имеют физическую природу. Основные теории химии
также родом из физики, это - квантовая механика, кинетика и термодинамика
(последние две употребляются со словом «химическая»); все они на элементарном
уровне рассмотрены в этой книге. И все-таки химия - самостоятельная наука.
Главное, что отличает ее от других наук - разнообразие изучаемых объектов:
только индивидуальных веществ известно более 20 миллионов, не считая
многочисленных смесей. Физика изучает то, что дала природа, а химия - то, что
создает сама, то есть новые вещества, которых в природе не существовало.
Современная химия самым тесным образом взаимодействует с другими областями
естествознания. Самое интересное в науке сегодня происходит на междисциплинарном
уровне, на границах между химией, физикой, математикой и биологией. Об этом наша
книга.
Предназначена она для школьников, имеющих склонность к естественным наукам. В
основе книги - олимпиадные задачи разного уровня, от областного до
международного. Многие задачи приведены с подробными решениями, ко всем
расчетным задачам даны ответы. Каждый параграф начинается с теоретического
материала, который может быть интересен и сам по себе, а не только в связи с
решением задач. Книгу можно использовать для дополнительных занятий по химии,
самостоятельной работы, подготовки к химическим олимпиадам. Она имеет яркий
физико-математический характер, но рассчитана все-таки на юных химиков - тех,
кто будет определять лицо химической науки через пару десятилетий.
Очень хочется, чтобы это были эрудированные и широко мыслящие люди, способные
применить в химии все лучшее, что создано дружественными науками. Для этого и
написана данная книга.
Но это не единственная наука, над популяризацией которой сегодня трудятся разработчики. И, конечно, их внимание не прошло мимо химии – интереснейшей науки о строении веществ, которая обычно вызывает у детей ужас перед непонятными элементами и формулами. Но, кажется, дело, как всегда, в подходе. Возможно, если разнообразить изучение таблицы Менделеева использованием различных игр и познакомить детей с понятием химической валентности с помощью красочного и понятного приложения, то и сам предмет не будет им казаться скучным или недоступным. Так что предлагаем вашему вниманию подборку приложений и игр для изучения химии.
Приложение для знакомства с химическими элементами, о котором однажды английский писатель и актёр Стивен Фрай отозвался следующим образом: «Ради этого приложения стоит купить iPad!». The Elements – это своеобразная база данных основных химических элементов, представленных в виде высококлассных 3D-моделей. Приложение основано на книге «Элементы» Теодора Грея, автора рубрики Gray Matter в журнале Popular Science Magazine , но возможности The Elements выходят далеко за пределы печатного издания.
Для каждого элемента подобран пример, который представлен в виде вращающейся 3D-модели (например, оловянный солдатик – для олова, слиток золота для золота и т.д.), которую можно самостоятельно запускать, переворачивать, увеличивать – в общем, исследовать со всех сторон. Рядом с каждым элементом представлена колонка данных и фактов, детально рассказывающих о его особенностях. Разработчики так характеризуют свой продукт:
The Elements не является приложением-справкой; это богатая и увлекательная история любви к периодической таблице, пересказанная в словах и картинках и позволяющая вам, как никогда ранее, испытать красоту и величество кирпичиков, из которых состоит наша Вселенная.
Многократно признанная одной из лучших программ для изучения химии, The Elements стоит всего лишь $4,99. Приложение можно скачать на iTunes . К сожалению, видео-обзор доступен только на английском, но даже визуального ряда достаточно, чтобы понять, насколько хороша эта программа.
В этом бесплатном приложении вы найдёте трёхмерные модели различных веществ. В Molecules есть несколько режимов визуализации, которые позволяют пользователям вращать модели, изменять масштаб молекулы, увеличивать/уменьшать размер и т.д. Само приложение обладает весьма приличной базой молекулярных моделей, но в то же время у пользователя есть возможность загружать примеры со специализированных сайтов международных хранилищ биологических молекул и их трехмерных моделей. Для этого необходимо в строке поиска ввести название вещества (Water, Gold, Insulin и т.д.). Конечно же, о каждой молекуле и молекулярном соединении здесь представлена исчерпывающая информация: полное название молекулярной структуры (а помните ли вы, что чаще всего вещества называются сокращённо, а полное название обычно известно только специалистам?), количество и виды аминокислот в случае белков, нуклеотидные последовательности для ДНК и РНК, имена исследователей соединения и многое другое. Приложение доступно на iTunes .
Созданное профессором химии из Мичигана, это приложение помогает понять пользователям принцип соединения молекул. Геймплей состоит из пяти уровней, на каждом из которых игроку необходимо составлять 2D-точечные структуры Льюиса . Тот, кто справился с заданием, будет вознаграждён превращением 2D-структуры в 3D-модель. Кроме того, в конце каждого уровня приложение выдаст вам философский риторический вопрос об устройстве Вселенной и её веществ, так что даже если не удастся постигнуть валентность, философия химии станет вам немного ближе. Скачать Chemical Valence можно в в App Store за $0,99.
Это своеобразная виртуальная химическая лаборатория в вашем мобильном устройстве. Здесь можно проводить опыты с различными веществами и наблюдать самые неожиданные реакции. Как вы понимаете, в виртуальном пространстве можно экспериментировать даже со взрывчатыми и радиоактивными веществами. Результаты опытов моделируются в реальном времени, при этом программа учитывает кучу параметров: состав воздуха, температуру окружающей среды, массу и объёмы смешиваемых веществ и т.д. Чтобы облегчить задачу начинающему химику, в приложении доступна база основных реакций по каждому веществу из таблицы Менделеева. Впрочем, можно «химичить» и открывать свои собственные реакции. Лаборатория Chemist доступна на iTunes , её цена - $4,99. Но есть и бесплатная ознакомительная версия.
Думаете, ещё одна химическая лаборатория? Не угадали! Chem Lab – это забавный тест, который проверит ваше знание базовых химических формул. Пользователю предлагается выполнить поочерёдно 5 заданий (перетянуть в пробирку нужные элементы для получения газа или соединить подходящие вещества и т.д.). В конце экспериментов показываются требуемые результаты по каждому заданию и сравниваются с вашими достижениями. Будьте осторожны – при неудачной реакции может что-нибудь взорваться или загореться. Конечно, работа в приложении безопасна, но взрыв как минимум говорит о том, что в реальности не стоит повторять подобный опыт. Приложение есть в App Store и стоит всего лишь $0,99.
Talking Ben the Dog – игра для самых маленьких. Говорящий пёс Бен – профессор химии на пенсии, который порядком подустал от жизни. Всё, что он делает – ест, пьёт и читает газеты. Можно пытаться расшевелить его, а можно просто нажать на кнопочку «Химия» и отправить старого профессора в лабораторию, чтобы проводить с ним простейшие химические опыты (смешать две жидкости и наблюдать за реакцией). Ничего особо познавательного, зато ребёнок как минимум узнает, что смешивание двух веществ может привести к неожиданной реакции. Кажется, неплохое начало для рассказа ребёнку о химии как науке. Приложение бесплатно доступно в iTunes и в Google Play .
Ещё один инструмент для изучения химии, который позволяет знакомиться с активностью элементов, изучать окислительно-восстановительные реакции, решать задачи по химии, получать конечные продукты реакции и уравнивать коэффициенты. В приложении есть описание реакций более полутора тысяч химических соединений. Интерфейс приложения предельно прост, впрочем, как и работа в нём: для реакции достаточно выбрать из таблицы необходимые элементы и соединить их. Приложение можно скачать в Google Play бесплатно.
Приложение-игра для изучения химии. Теперь не нужно заставлять вашего ребёнка зубрить химические элементы, достаточно установить ему Elements Quiz , где таблица Менделеева изучается в простой игровой форме. Основные правила игры – искать в таблице предлагаемые программой химические элементы. Что может быть проще? Зато ребёнок в процессе такого поиска постепенно запоминает название элемента, его символ и место в таблице – те основы, которые необходимы для дальнейшего успешного изучения предмета. Для более продвинутых пользователей в приложение встроены викторины, с которыми не так-то легко справиться. Кроме того, приложение связано с Википедией, так что всегда можно получить дополнительную информацию о том или ином элементе в бесплатной энциклопедии.
Это приложение, которое позволяет без лишнего труда рисовать формулы органических соединений. Но, как отмечают пользователи, в программе невозможно описывать и изображать полноценные реакции, так что MolPrime+ можно пока использовать только в качестве редактора формул. Кстати, своими достижениями в приложении легко делиться с друзьями через твиттер и электронную почту, так что можно соревноваться в мастерстве. MolPrime+ легко скачать с