скачать Интегрированный урок по теме:

«Законы сохранения в природе»

11 класс
Сведение множества к единому –

в этом первооснова Красоты

Пифагор.

Цель: соединить знания о законах сохранения массы, энергии и электрического заряда из разных учебных предметов в систему.
Задачи:

Познавательные:

• 
  обобщить знания о законах сохранения массы, энергии, электрического заряда;
  
• 
  показать специфику действия этих законов в химии, физике, биологии.
  

Развивающие:

• 
  развивать познавательный интерес, реализуя межпредметные связи курсов химии, физики, биологии;
  
• 
  развивать умения обобщать и систематизировать информацию;
  
• 
  научить применять знания в новой ситуации.
  

Воспитательные:

• 
  формировать научное мировоззрение, целостную картину мира.
  

Тип урока: урок обобщения знаний.
Форма урока: урок-лекция с элементами беседы и самостоятельной работы.
План урока:

1. 
   Вступительное слово учителя, постановка целей.
   
2. 
   Закон сохранения массы в химических, физических и биологических процессах.
   
3. 
   Закон сохранения и превращения энергии в природе.
   
4. 
   Закон сохранения электрического заряда.
   
5. 
   Заключение.
   

Подготовительная работа

Готовясь к обзорной лекции по законам сохра­нения, нужно иметь в виду, что успешное ее про­ведение и эффективность во многом зависят от того, насколько активно учащиеся включатся в ра­боту во время лекции.

Поскольку на этой лекции обобщается материал уже известный учащимся, полезно перед лекцией предложить учащимся вопросы, ответы на которые требуют повторения материала из курсов химии, физики и биологии:

1.Объясните смысл законов сохранения массы, энергии и электрического заряда. Проиллюстрируйте действие этих законов примерами из физики, химии и биологии.

2. 
   Проанализируйте с точки зрения первого за­кона термодинамики реакцию между цинком и раствором серной кислоты, осуществляемую в за­крытой колбе, во время которой происходит вы­талкивание пробки из колбы (или разрыв колбы).
   
3. 
   Подчиняются ли законам сохранения энергии, массы и заряда электрохимические процессы (электролиз, гальванический элемент)? Дайте обоснованный ответ.
   

4. 
   Сохраняется ли энергия, образующаяся в клетках тела человека при окислении глюкозы и других веществ?
   
5. 
   Превращается ли масса в энергию или нао­борот — энергия в массу?
   

Ход урока
I. Вступительное слово учителя, постановка целей.

Мир для человека существует в качественной и количественной определенности. Понимание мира достигается благодаря открытию единых устойчивых структур, которые лежат в основе многообразия изменяющихся явлений. Открыть эти структуры помогают законы сохранения, в этом их важнейшая роль в науке.

По словам швейцарского психолога Жана Пиаже, «всякое знание, независимо от того, является ли оно научным или просто вытекающим из здравого смысла, предполагает явно или скрыто – систему принципов сохранения».

Сегодня мы предлагаем вам убедиться, что законы сохранения – это фундаментальные законы природы; они лежат в основе объяснения частных законов и самых разнообразных явлений природы.

Наша общая задача – научиться применять небольшое число законов сохранения к неограниченному числу явлений и фактов, свести множество к единому и увидеть простоту и красоту мира!

Мы постараемся законы сохранения энергии и электрического заряда, которые изучались на уроках физики, применить в других ситуациях, например в химии и биологии; а закон сохранения массы вещества, который изучался на уроках химии, применить для объяснения физических и биологических явлений.

II. Закон сохранения массы в химических, физических и биологических процессах.
Учитель химии:

Этот закон – первый закон сохранения в истории науки, он утверждал важнейшую научную идею – идею сохранения. Это сейчас, когда открыты и утвердились в науке другие законы сохра­нения, он называется основным законом химии, вначале же он служил основой всего естествознания – ведь закон сохранений энергии был открыт только через 150 лет после открытия закона сохранения массы вещества. Этот закон неразрывно связан с име­нем выдающегося русского ученого М. В. Ломоносова.

К закону сохранения материи и движения Ломоносов пришел на основе общих теоретико-философских рассуждений, развивая и конкретизируя идеи античных атомистов. Впервые мы встречаем формулировку этого закона в его письме к Л. Эйлеру от 5 июли 1748 г.: «...все встречающиеся в природе изменения происходят так, что если к чему-либо нечто прибавилось, то это отнимется у чего-то другого. Так, сколько материи прибавляется какому-либо телу, столько же теряется у другого, сколько часов я затрачиваю на сон, столько же отнимаю у бодрствования» и дальше «Так как это всеобщий закон природы, то он распространяется и на правила движения: тело, которое своим толчком возбуждает другое к движению, столько же теряет своего движения, сколько сообщает другому, им двинутому».

Закон сохранения массы вещества был доказан М. В. Ломоно­совым экспериментально на основе опытов по обжигу металлов в запаянных сосудах.

Всестороннее же экспериментальное обоснование этому за­кону дал Антуан Лоран Лавуазье, сын парижского адвоката.

В 1772 г. Лавуазье, выполнив серию опытов, пришел к правиль­ному выводу о процессах горения, к открытию сложного состава воздуха, закона сохранения массы вещества.

Лавуазье поместил алмаз в изолированный сосуд и сжег его с помощью солнечных лучей. Для этого он изготовил линзу рекорд­ных по тем временам размеров — диаметром 75 см. Тщательно исследовав образовавшийся газ, Лавуазье пришел к выводу, что он состоит из 23,5—28,9 части углерода и 71,1—76,5 части кисло­рода. Из этих цифр была выведена привычная теперь для нас формула оксида углерода (IV) СО₂. Лавуазье произвел анализ воды и ее синтез, доказал сложный состав воздуха. Выполнив множество опытов, связанных с окислением веществ, Лавуазье установил, что масса подвергшихся окислению тел увеличивается за счет кислорода воздуха на столько, на сколько уменьшается масса последнего, а масса реагирующих веществ остается постоян­ной. Так был открыт закон сохранения массы вещества.

Лавуазье считал установленный им закон опытным обоснова­нием принципа сохранения материи, который им был сформулиро­ван так: «Ничто не создается ни при искусственных, ни при естественных операциях, и можно принять за правило принцип, что в каждом процессе в начальный и конечный момент времени находится неизменное количество материи».

Так закон сохранения массы вещества стал основой для утвер­ждения одной из древнейших и важнейших научных идей – идеи сохранения.
Учитель биологии:

Именно представления о сохранении массы вещества, которые бытовали в науке еще до открытия закона сохранения массы вещества, помогли опровергнуть господствовавшее на протяжении многих веков в науке мнение, что земля – единственная пища растений. Сделал это голландский естествоиспытатель Гельмонт. Его знаменитый опыт длился 5 лет. В горшок насыпали тщатель­но просушенную и взвешенную землю. В нее посадили тщательно взвешенную ветку ивы. Горшок был накрыт крышкой, чтобы в него не попадали пыль и сор; иву поливали дождевой водой. Через 5 лет растение увеличило свою массу на 65,675 кг, а масса земли в гор­шке уменьшилась только на 60 г. Таким образом, земля никак не могла являться единственной пищей растений. Этот опыт дал тол­чок к проведению множества других опытов, благодаря которым была раскрыта сущность фотосинтеза.

Фотосинтез... Деревья, цветы, травы, птицы, муравьи и мы с вами – все это существует благодаря фотосинтезу. Также бла­годаря ему происходит накопление живого вещества в биосфере. Сейчас ее биомасса составляет примерно 10 000 млрд. т. Сравнив эту массу с массой Земли (около 6 • 10²¹ т), мы увидим, что она много меньше массы Земли. Но, как сказал В. И. Вернадский, «на земной поверхности нет химической силы, более постоянно дей­ствующей, а потому более могущественной по своим последствиям, чем живые организмы, взятые в целом».

Расчеты показывают, что примерно через миллиард лет вслед­ствие жизнедеятельности живых организмов биомасса должна была бы превысить массу Земли. Жизнь существует на Земле примерно около 3 млрд. лет. Почему же этого не произошло? В биосфере происходит круговорот веществ: атомы каждого из элементов, из которых построены организмы, воспринимаются из веществ, образовавшихся вследствие разложения тел организмов, окончивших свою жизнь. Но нельзя сказать, что масса всех веществ, участвующих в жизнедеятельности организмов, остается постоянной. И не потому, что в биологических процессах не дей­ствует закон сохранения массы вещества, а потому, что био­сфера – открытая система.

Степень воспроизводства циклов в биогеохимическом кругово­роте веществ в биосфере достигает 90—98%. Часть атомов уходит в космическое пространство. Часть накапливается в земной коре. То, что мы считаем биогенными полезными ископаемыми (залежи железа, мела, угля, нефти и др.), не что иное, как бесполезные с точки зрения жизнедеятельности продукты, прошедшие цикл под­земных превращений. «Открытость» биогеохимического кругово­рота обусловлена также и тем, что в него поступает оксид угле­рода (IV) из недр Земли. Этот круговорот открыт еще и потому, что он совершается с использованием солнечной энергии. Каждый год в процессе фотосинтеза растения поглощают около 1,6 • 10²¹ Дж энергии. А ведь энергия приходит не сама по себе, ее приносят фотоны, которые обладают массой. Воспользовавшись формулой взаимосвязи массы и энергии Е=тс² (где Е — энергия, т — соот­ветствующая ей масса, с — скорость света), можно вычислить, на сколько увеличится масса биосферы за счет поглощенной расте­ниями энергии.

Круговорот веществ в биосфере происходит не только вслед­ствие жизнедеятельности организмов. Например, вода по своему процентному содержанию в теле живого организма занимает пер­вое место. Ее молекулы служат источником кислорода, выделяе­мого зелеными растениями в процессе фотосинтеза. При дыхании же происходит образование новых молекул воды. За время сущест­вования биосферы вся свободная вода в географической оболочке прошла несколько циклов разложения растительными организма­ми и регенерации в дыхательных системах всех живых организмов биосферы. Конечно, эти процессы происходили в соответствии с законом сохранения массы вещества. Однако в круговороте воды в биосфере основную роль играет не живое вещество, а солнечное излучение (рис. 1).

Рисунок 1.

Благодаря ему вода испаряется с поверхности водных бассейнов и суши, атмосферная влага конденсируется, образуются облака, которые ветром перемещаются в атмосфере. При охлаждении облаков выпадают осадки, причем над сушей их выпадает больше, чем над Мировым океаном. Баланс влаги между сушей и водными бассейнами поддерживается реками. Таким обра­зом, масса воды в географической оболочке, несмотря на агрегат­ные переходы, остается постоянной.


Учитель химии:

Но вернемся к закону сохранения массы вещества. Рассмот­рим с этой точки зрения один из важнейших процессов, который происходит в каждом живом организме, в том числе и в нашем, — обмен веществ. Он представляет собой единство двух процессов: ассимиляции и диссимиляции – совокупность изменений, которые претерпевают вещества от момента их поступления в пищевари­тельный тракт до образования конечных продуктов распада, вы­деляемых из организма.

Химические превращения пищевых веществ начинаются в пи­щеварительном тракте, где белки, жиры, углеводы расщепляются на более простые химические соединения, способные всосаться через слизистую оболочку кишечника и стать строительным мате­риалом в процессах ассимиляции. Поступив в кровь и лимфу, эти вещества приносятся в клетки, где с ними в результате процессов ассимиляции и диссимиляции происходят различные изменения. Образовавшиеся сложные органические вещества входят в состав клеток, а энергия, выделившаяся при распаде веществ в клетках, используется для процессов жизнедеятельности организма. Те продукты обмена, которые не используются организмом, выводят­ся из него. Все химические и биохимические процессы происходят в согласии с законом сохранения массы вещества – ни один атом не исчезает при этом и не появляется из ничего.
Учитель биологии:

Покажем, какое значение имеет этот закон, на примере обмена белков. Синтез белковых веществ в организме идет непрерывно, так как непрерывно идет их разрушение. Организм, в особенности молодой и растущий, обязательно в составе пищи должен полу­чать белки. Уровень белкового обмена можно определить по балансу азота. «Баланс» же веществ составляется на основе закона сохранения массы вещества. Объясним термин «азотистый ба­ланс»: азотистым балансом называется отношение массы азота, поступившего в организм с пищей, к массе азота, выведенного из него. Если массы одинаковы, то в организме наблюдается азоти­стое равновесие. Если белка распадается меньше, чем его посту­пает в организм, то создается положительный азотистый баланс, который характерен для растущего организма. Отрицательный же баланс наблюдается при заболеваниях, старении, а также при отсутствии в организме некоторых необходимых аминокислот.

Учитель физики:

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

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

Вспомните, как решаются задачи, в которых идет речь об агре­гатных переходах вещества: мы считаем, что масса льда, масса воды, из него образовавшейся, масса пара, в который превра­щается эта вода, одинаковы. И это не противоречит практике. Хотя мы и знаем, что всякое изменение энергии системы сопровож­дается изменением ее массы — вспомните закон взаимосвязи массы и энергии, открытый Эйнштейном. Но если мы подсчитаем изменение массы, например, для реакции горения 1 моль углерода (С + О₂ = СО₂ + 4,02 • 10⁵ Дж), то придем к выводу, что его учесть никакими весами невозможно – оно равно 0,0000000000044 кг.

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

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

Учитель химии:

А теперь ответьте на вопросы и выполните задания по закону сохранения массы.

Вопросы и задания по закону сохранения массы

1. Можно ли использовать для доказательства закона сохранения массы такие приборы:

а) на одной чаше весов – горящая свеча, на другой – гири;

б) на одной чаше весов в колбе идет реакция получения водорода из соляной кислоты и цинка, на колбу одет легко растяжимый резиновый шарик, на другой чаше – гири.

Почему?

Ответ: а) нет, так как продукты улетучиваются;

б) нет, так как водород собирается в шарике, увеличивается объем, уменьшается плотность системы.

2. Покажите справедливость закона сохранения массы на следующих явлениях:

а) масса продуктов крекинга нефти не может быть больше массы взятой нефти, а масса продуктов сгорания нефти всегда больше массы сгорания нефти.

б) превращение белого фосфора в красный и обратно не сопровождается изменением массы.
3. Вода объемом 4 л нагрелась от 20 до 100⁰С. Изменилась ли при этом ее масса?
4. Задача. В толстостенной стеклянной запаянной ампуле нагрели смесь, состоящую из 2,17г оксида ртути (II) и 0,64г серы. Какие вещества и в каком количестве образовались в ампуле? Изменилась ли общая масса?
5. Прочитайте рубаи Омара Хайяма, поэта XI в.:

Ты жаждой не страдал, голодным ты не был.

Ты все, чем томишься, от четырех добыл. I

И каждому возвратишь ты подарок,

И снова станешь тем, чем ты вначале был.

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

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

III. Закон сохранения и превращения энергии в природе.
Учитель физики:

Закон сохранения энергии (его называют также первым законом термодинамики) — один из наиболее важных законов природы. Он гласит: энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно, а только переходит из одной формы в другую. Энергия может проявляться в самых разных видах. Например, в механике это может быть энергия летящей пули или потенциальная энергия груза, поднятого на некоторую высоту. В физике мы встреча емся также со световой, электрической, магнитной и другими видами энергии. В общем случае энергия складывается из трех основных видов: кинетической энергии движения системы в целом; потенциальной энергии, обусловленной положением системы в каком-либо внешнем поле (например, гравитационном пол Земли); внутренней энергии.

При рассмотрении химических реакций, как правило, несущественны потенциальная и кинетическая энергия системы в целом. Действительно, химики не швыряют пробирки и колбы с ре агентами, чтобы заставить реакции идти, а используют другие способы. Но даже если кинуть колбу со всей силой со скоростью 10 м/с, то при массе реагентов 1 кг они приобретут дополнительно энергию, равную всего лишь

mu² = 50 Дж = 0,05 кДж.

Это по сравнению с изменением внутренней энергии в ходе химической реакции ничтожно малая величина.

Видов внутренней энергии довольно много. Это и кинетическая энергия движения атомов, молекул, ионов, и энергия их взаимно­го притяжения и отталкивания, и внутримолекулярная энергия взаимодействия ядер и электронов друг с другом, и внутриядер­ная энергия... Мы даже не знаем всех видов внутренней энергии тел. Для химических реакций наиболее важна энергия, связанная с движением электронов в атомах. Именно этот вид энергии (вер­нее, лишь небольшая его часть) отвечает за образование химических связей, за протекание разнообразных химических реак­ций и обычно называется просто химической энергией. Она, например, определяет, почему фтор или нитроглицерин химичес­ки более реакционноспособны, чем азот или метан.

Кинетическую энергию движения молекул в целом, а также энергию колебаний атомов в молекуле называют тепловой энер­гией. Мерой тепловой энергии является температура тела. Раз­личные виды энергии сравнительно легко могут переходить в тепловую энергию (приведите примеры). Если химическая энергий продуктов реакции меньше энергии исходных веществ, то избы­точная энергия может выделиться, например, в виде световой энергии, но чаще она выделяется в виде теплоты.

Внутренняя энергия атомных ядер еще больше. Например, в ядерной реакции, в которой один атом лития и один атом водоро­да превращаются в два атома гелия:

⁷Li + ¹Н -> 2 ⁴He,

превращение 1 г лития сопровождается выделением 240 милли­онов килоджоулей тепловой энергии, что эквивалентно энергии, выделяющейся при сжигании 8 т каменного угля!

Учитель химии:

Рассмотрим возможности применения закона сохра­нения и превращения энергии в химии.

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

Учитель решает на доске задачу:

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

Запишем уравнение химической реакции:

Zn + H₂SO₄ = ZnSO₄ + H₂↑ + ∆Е

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

∆Е = А + Q.

Вычислим работу расширения образовавшегося водорода:

А = p(V — Vо); так как vq = 0, то А = pV.

Использовав уравнение Менделеева — Клапейрона, можно записать:

pV = RT,

откуда

F = RT = 8,31Дж/(моль-К)-293 К-1 моль = 2,438 кДж;

∆Е = 143,092 кДж +2,438 кДж = 145,53 кДж.

Таким образом, тепловой эффект химической реакции – это изменение внутренней энергии системы реагирующих веществ вследствие перестройки химических связей между частицами и вследствие изменения объема системы.
Об органических соединениях. Образование, например, фибри­на, который закупоривает кровеносные сосуды при царапинах или других повреждениях, из молекул фибриногена сопровождается выделением энергии, потому что в этом процессе происходят те же химические взаимодействия, которые были рассмотрены выше. В начале этого процесса из молекул фибриногена образуется фибрин-мономер; затем он превращается в фибрин-агрегат; при его образовании проявляются электростатические взаимодействия, приводящие к образованию различных связей (ионных, гидрофоб­ных и др.); при этом энергия взаимодействующих частиц уменьшается. На последней стадии под действием ферментов между молекулами фибрин-агрегата образуются прочные ковалентные связи, вследствие чего он превращается в фибрин-полимер.


Учитель биологии:

Энергия и питание

Мы рассмотрели закон сохранения энергии применительно к химическим реакциям. Этот же всеобщий закон приложим и к другим процессам, в том числе к жизнедеятельности человека. В течение всей жизни человек непрерывно совершает работу. Даже в тот момент, когда он ничего не делает, за него «работают» многочисленные органы: мышцы ритмично расширяют грудную клетку, наполняя ее воздухом, другие мышцы заставляют пульсиро­вать сердце и кровеносные сосуды, много энергии расходуется и на работу других органов и особенно – на поддержание постоянной температуры тела. Так, теплоотдача даже спящего человека соответствует примерно мощности около 100 Вт.

Из закона сохранения энергии следует, что человеку нужно иметь некоторый «запас» энергии и постоянно пополнять его. Как известно, расход энергии у человека восполняется единствен­ным образом – питанием. Попробуем хотя бы приблизительно разобраться, сколько энергии запасено в продуктах питания и как она тратится.

Организм человека — это уникальный «химический комби­нат», в котором идет множество разнообразных химических ре­акций. Их главное отличие от тех процессов, которые протекают в колбах и промышленных реакторах, состоит в том, что в организ­ме все реакции идут в «мягких» условиях (атмосферное давление, невысокая температура), с высоким выходом и селективностью, т.е. образуется мало вредных побочных продуктов.

Пища в организме расходуется как на построение тканей, так и для выработки энергии. Три главных компонента пищи — это углеводы, белки и жиры. В результате пищеварения эти вещества превращаются в более простые, кото­рые и разносятся кровью во все клетки. Туда же кровь доставляет кислород из легких. Окисление органических веществ в клетках организма кислородом и является основным источником энер­гии; конечные продукты этих реакций окисления — вода и угле­кислый газ (в организме образуется также и множество продук­тов неполного окисления, которые выводятся из него).

Рассмотрим тепловой эффект лишь одной реакции — окисления обычного сахара. Поскольку мы умеем рассчиты­вать тепловые эффекты разнообразных реакций, не составит труда рассчитать и тепловой эффект полного окисления сахарозы до газообразного диоксида угле­рода и жидкой воды (так как реакция идет при темпе­ратуре около 37 °С):

С₁₂Н₂₂О₁₁ + 12О₂ → 12СО₂ + 11Н₂О (ж).

Необходимые для расчета теплоты образования всех участников реакции берем из таблицы и получаем, что тепловой эффект этой реакции составляет -5650 кДж (на один 1 моль сахарозы). Это очень большое значение: энергии, выделяющейся при полном окислении 1 моль сахарозы (меньше двух стаканов сахарного леска), достаточно, чтобы вскипятить большой 17-литровый бак с водой! Теперь понятно, что если бы пища окис­лялась в организме быстро и полностью, то уже не­сколько съеденных кусочков сахара вызвали бы не­допустимое перегревание организма. Этого, однако, не происходит, поскольку биохимические процессы «растянуты» во времени. Так, сахароза при пищева­рении сначала расщепляется на более простые саха­ра — глюкозу и фруктозу, которые поступают в кровь (фруктоза в печени может затем переходить в глю­козу). Уровень глюкозы в крови организм поддер­живает постоянным – около 1 г/л. Если глюкоза поступает в кровь в избыточном количестве, она за­пасается в организме в виде гликогена и других соединений — человек прибавляет в весе. При интен­сивной физической работе идет обратный процесс — недостающая глюкоза вновь поступает в кровь, а ее окисление в клетках дает энергию, которая расхо­дуется на сокращение мышц.

Превращение энергии в биосфере. Круговорот вещества в биосфере, движущей силой которого является энергия Солнца, сравнивается с колесом водя­ной мельницы, которое крутится под напором воды. Как же распре­деляется энергия Солнца, попадающая на Землю? Около 30% этой энергии отражается облаками и поверхностью Земли в космичес­кое пространство и рассеивается в атмосфере; около 20% погло­щается облаками в верхних слоях атмосферы; около 50% до­стигает поверхности Земли. За счет этой энергии происходит нагревание поверхности Земли, возникают ветры и текут реки, идет дождь и разрушаются горы; только десятые доли процен­та достигающей Земли солнечной энергии улавливаются зеле­ными растениями. Благодаря этой энергии и совершается круго­ворот веществ в биосфере. Вы обращали когда-нибудь внимание, как расположены листья на деревьях в верхних ярусах леса и на травянистых растениях под пологом леса, а также на вет­вях нижнего яруса?

На растениях, которые растут под сенью деревьев, и на ниж­них ветвях листья расположены в большинстве случаев гори­зонтально. Наверное, это для того, чтобы полнее использовать энергию излучения, которое попадает на них. Листья на ветвях деревьев в верхних ярусах леса расположены совершенно произ­вольно. Когда же солнце сильно припекает, они располагаются почти вертикально, чтобы их освещенность была как можно мень­ше. Листья от перегрева спасает также усиленное испарение. Энергия солнечного излучения превращается в листьях во внутрен­нюю энергию органических веществ, которые служат пищей как для самих растений, так и для всех живущих на Земле животных организмов.

Энергетические процессы в клетке. Энергия квантов солнечно­го излучения, использованная зелеными растениями в процессе фо­тосинтеза, днем превращается в химическую энергию универсаль­ного энергетического вещества АТФ — аденозинтрифосфорной кислоты. Эта энергия в свою очередь во время темновой фазы фотосинтеза используется для синтеза органических соединений, из которых строится тело растения. В организме жи­вотного, которое питается растениями, органические соединения окисляются. Выделяющаяся при этом процессе энергия частично превращается в энергию молекул АТФ (55%), частично во вну­треннюю энергию. В процессе жизнедеятельности клетки моле­кулы АТФ расщепляются. За счет выделяющейся при этом энергии и происходят все процессы в клетке: передача нервных им­пульсов, биосинтез веществ, мышечное сокращение, перенос веществ через мембраны и др. Молекулы АТФ обычно расщепляют­ся до молекул АДФ — аденозиндифосфорной кислоты,— которые не выводятся из организма, а поступают на митохондрии (в клет­ках животных организмов) или хлоропласты (в клетках расти­тельных организмов) и снова служат для синтеза молекул АТФ. Образование молекул АТФ в хлоропластах можно представить в виде такой схемы:

свет

А
хлоропласт
ДФ + Н₃Р0₄ АТФ

Учитель физики:

Учитель предлагает учащимся вопросы и задания для письменного ответа в тетрадях.
Вопросы и задания по закону сохранения энергии
1. Как доказал связь массы и энергии А. Эйнштейн? Запишите это математическое уравнение.
2. В книге И. Халифмана «Пароль скрещенных антенн» много
полезных примеров из области биологических явлений, над кото­рыми стоит подумать. Например: чем сильнее семья пчел и чем
больше объем улья, тем значительнее разность температур между
центром улья и по его краям. Благодаря этому возникает движе­ние воздуха, которое поддерживается и направляется пчелами-вентиляторницами. Почему возникает разность температур между
центром улья и его крайними точками? Почему она зависит от
численности пчелиной семьи?
3. В известном произведении И. Ильфа и Е. Петрова «Двена­дцать стульев» среди многих полезных советов можно найти и такой: «Дышите глубже, вы взволнованы». Попробуйте обосно­вать этот совет с точки зрения происходящих в организме энерге­тических процессов.
4. Задача. Рассчитайте, насколько нагреется камень массой 1кг при его падении с высоты 1км если половина потенциальной энергии камня пойдет на его нагрев. Теплоемкость камня принять равной 1Дж / (г • К).

Ответ:

Потенциальная энергия камня

Е = mgh = 1кг •98 м/с²•10³ м = 9,8 • 10³ кг • м²/ с² = 9,8 • 10³Дж = 9,8кДж.

При падении камня эта энергия переходит в кинетическую, а затем – в тепловую Q, причем Q = Е.

Из равенства:

0,5 Q = cm ∆t

находим, что нагрев камня

∆t = 0,5Q/cm = 0,5•9,8•10³/10³ = 4,9К =4,9К

Итак, камень нагреется примерно на 5 °С.

5. Задача. Рассчитайте, как поднялась бы температура вашего тела после стакана сладкого чая, если бы весь сахар из чая сразу бы окислился в организме до СО₂ и Н₂О. Считайте, что 1 чайная ложка сахара – это 10г. Теплоемкость тела примите равной теплоемкости воды.

Ответ:

Если положить в стакан с чаем 3 чайные ложки сахара (30г), то в организм попадет 30/342 = 0,088 моль сахарозы, полное окисление которой сопровождается выделением 5650 кДж/моль • 0,088 моль = 497 кДж. Если вся эта энергии немедленно пойдет на нагрев тела человека (примем его массу равной 60кг, а теплоемкость равной 4,2 кДж /(кг•К)), то оно нагреется на 497/60 • 4,2 = 2 градуса, т. е. с 36,6 до 38,6 °С. Реально мы перегревания после съеденной пищи (а ее может быть намного больше) не чувствуем, так как выделение тепловой энергии в организме идет медленно и компенсирует естественные затраты, в том числе и на поддержание постоянной температуры тела.

IV. Закон сохранения электрического заряда
Учитель физики:

Закон сохранения электрического заряда был открыт Фарадеем в связи с исследованием электро­статической индукции. Но Фарадей не дал четкой формулировки этого закона. Впервые утверждение о неуничтожимости и несотворимости электрического заряда встречается у Максвелла. С разви­тием электродинамики было найдено и математическое обосно­вание закона. Современная его формулировка такова: алгебраиче­ская сумма электрических зарядов в замкнутой системе остается постоянной при любых процессах, происходящих в ней.

Во всех процессах, связанных с самыми разнообразными явле­ниями — механическими, тепловыми, электрическими, магнитны­ми, внутриатомными и внутриядерными, химическими, биохими­ческими, — закон сохранения электрического заряда действует без ограничения. Науке неизвестно ни одного случая нарушения этого закона.
Учитель химии:

Химические реакции сводятся к перераспределению электронов между частицами реагирующих веществ. Поэтому вся химия — органическая и неорганическая — сфера действия закона сохра­нения электрического заряда, и следует уметь применять его как при объяснении теоретического материала, так и при решении практических задач. Например, нужно составить формулу какого-либо соединения по валентности. Пусть это будет тот же оксид алюминия. Составленная формула будет справедлива в том случае, если «сумма единиц валентности атомов алюминия будет равна сумме единиц валентности атомов кислорода».

Валентность — это способность атома химического элемента или группы атомов образовывать химические связи с другими ато­мами (группами атомов). Валентность атома определяется числом неспаренных электронов, которые способны вступать во взаимо­действия с электронами других атомов, вследствие чего обра­зуются химические связи.

В молекулах, состоящих из одинаковых атомов, например в молекуле водорода, электронная пара, посредством которой и об­разуется ковалентная связь, в равной мере принадлежит обо­им атомам. Если же электронная пара связывает два разных атома, она всегда оказывается «оттянутой» от одного атома к другому — это полярная ковалентная связь. При образовании таких связей, как и при образовании ионных связей, происходит завершение электронного слоя атомов одного элемента за счет оттягивания электронов от атомов другого элемента. Одни атомы теряют элек­троны, другие их принимают, но в молекуле соединения число электронов, потерянных одной группой атомов, равно числу элек­тронов, принятых другой группой атомов: ни один электрон при их перераспределении во время образования соединения не может «потеряться» или появиться ниоткуда.

При образовании оксида алюминия из кислорода и алюминия перераспределение электронов между атомами этих элементов происходит следующим образом: атом алюминия может потерять три электрона, атом кислорода — приобрести два электрона. «Мо­лекула» АlO невозможна, так как она будет иметь общий положи­тельный заряд и притягивать к себе отрицательные ионы кислоро­да. Невозможна и «молекула» А1О₂, так как она будет иметь общий отрицательный заряд. Соединение будет устойчивым (не будет к себе притягивать положительные или отрицательные ионы) только в том случае, если его общий заряд станет равным нулю. А это условие будет выполнено, если число электронов, потерянных одной группой атомов в соединении, будет равняться числу элек­тронов, принятых другой группой атомов в том же соединении. Образование химических веществ подчиняется одному из фунда­ментальных законов природы — закону сохранения электрическо­го заряда.

Атом нейтрален. Одно из условий его устойчивости — равен­ство числа положительных и отрицательных зарядов. Это равен­ство не нарушается до тех пор, пока атом — замкнутая система. Нарушение его запрещается законом сохранения электрического заряда. Если происходят какие-то химические изменения, вследст­вие которых из одних веществ образуются другие, то проявляется действие этого закона. Например, при смешивании раствора хло­рида кальция и нитрата серебра образуются новые вещества. Как записать уравнение этой реакции и расставить в нем коэффи­циенты?

Са²⁺ + Сl^- + Ag⁺ + NO₃^- → Ag Сl↓ + Са²⁺ + NO₃^-

Рассуждаем так: раствор образуется из нейтральных веществ, значит, до и после реакции его общий заряд должен быть равен нулю (в замкнутой системе при любых процессах алгебраическая сумма электрических зарядов остается неизменной). Если в левой части уравнения перед ионом хлора не поставить коэффициент 2, то согласно уравнению раствор до реакции будет иметь положительный заряд. Из тех же соображений следует поставить коэффи­циент 2 перед ионом NO₃^- в правой части уравнения. Согласно закону сохранения массы вещества следует поставить коэффи­циенты перед ионом Ag+ и молекулой AgCl:

Са²⁺ + 2С1^- + 2Ag⁺ + 2NO₃^- = Ca²⁺ + 2NO₃^- + 2AgCl

Окислительно-восстановительные реакции во время электроли­за также происходят с учетом законов сохранения электрического заряда и массы вещества. С помощью этих законов можно объяснить формулу закона Фарадея:

т, где q — заряд, про­шедший через раствор, М — молярная масса вещества, п — ва­лентность атома, F — постоянная Фарадея.

Согласно закону сохранения электрического заряда через электролитическую ванну за время t прошел такой же заряд, как и через провод, соединяющий ее с источником тока, поэтому заряд можно определить по формуле q = It, измерив силу тока амперметром. Постоянную Фарадея можно выразить следующимобразом:

, где q_n — заряд иона, n_a — постоянная Авогадро, п — валентность элемента.

Подставив постоянную Фарадея в формулу закона Фарадея, получим:

; .

Здесь - масса одного атома, - число ионов, прошедших через раствор электролита за время электролиза и превративших­ся на электродах в нейтральные атомы. Таким образом, масса ве­щества, которое выделяется на одном из электродов при электроли­зе, определяется числом ионов, прошедших через электролит, и равна массе атомов, выделяющихся на электроде. При рассужде­ниях мы исходили из законов сохранения электрического заряда и массы вещества: заряд каждого иона при прохождении тока через раствор электролита остался неизменным и масса атомов при раз­ливных реакциях, которые происходят в растворах электролитов, также не меняется.

Рассмотрим более подробно процессы, которые происходят во время электролиза, например, расплава поваренной соли. При диссоциации хлорида натрия NaCl образуются ионы, общий заряд которых равен нулю:

NaCl →Na⁺ + Cl^-

Ионы хлора перемещаются к положительному электроду, где, «отдав» по одному электрону, окисляются, образуя нейтральные атомы, соединяющиеся в молекулы:

С1^- - lē= С1⁰; С1° + С1°= С1₂↑(2C1^- —2ē→Cl₂ ⁰↑)

Ионы натрия перемещаются к отрицательному электроду и, получив от него по одному электрону, восстанавливаются до нейтральных атомов:

Na⁺ + ē→Na°

Число электронов, которые перешли на анод от ионов хлора, равно числу электронов, которые забрали ионы натрия от катода. Из нейтрального вещества снова образовались нейтральные ве­щества.

Учитель биологии:

Зубы покрыты эмалью — самой твердой тканью человеческого тела; по твердости она приближает­ся к кварцу. На 93% эмаль состоит из неорганического вещества апатита Са₅(РО4)зОН. В кристаллическую решетку этого вещест­ва могут проникать посторонние ионы, оно не кислотоупорно. И хо­тя мы не употребляем с пищей сильных кислот, но если не выпол­нять правила гигиены ротовой полости, на зубах появляется кисло­та, которая и разъедает эмаль. Кислота вырабатывается микро­организмами, для них ротовая полость — «настоящий рай». Здесь тепло, влажно и много пищи. На неухоженных зубах появляются бактериальные наросты — кариозные бляшки. Они и начинают свою разрушительную работу. Микроорганизмы составляют более половины зубного налета, в одном его грамме находится около 300 млрд. живых существ — бактерий, микроскопических грибков, амеб. Под действием бактерий сахар, попадающий в ротовую полость, сбраживается и превращается в кислоту, после чего начинается разрушение зуба.

Учитель химии:

Ионы водорода, которые появляются в слюне вследствие дис­социации кислот, вытесняют из молекулы апатита ионы кальция, в результате чего эмаль растворяется:

Са₅(Р0₄)з ОН + Н⁺ → Са²⁺ + НРО₄^2- + Н₂О

Чтобы увидеть, каково соотношение между разрушающей кисло­той и эмалью, следует в этом уравнении расставить коэффициенты. Учитываем, что при любых перераспределениях ионов в замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов должна оставаться по­стоянной. Знак равенства в уравнении можно поставить в том случае, если заряд ионов водорода, заместивших ионы кальция в Са₅(РО₄)₃ОН, будет равен алгебраической сумме зарядов ионов Са²⁺ и НРО₄^2-, образовавшихся после реакции:

Са₅(РО₄)₃ОН + 4Н⁺ = 5Са²⁺ + 3 НРО₄^2- + Н₂О;

+ 4 = ( + 10) + (—6); +4= +4

Алгебраическая сумма электрических зарядов в растворе, окру­жающем зуб, до и после реакции остается одной и той же: в нем уменьшилось число ионов водорода, но увеличилось число ионов кальция. С точки зрения закона сохранения электрического заряда все осталось по-прежнему, но с точки зрения человека, страдаю­щего кариесом, произошли существенные изменения: ведь кислота, содержащаяся в слюне, частично растворила эмаль (соотноше­ние 4:1): на зубе появились белые пятнышки. Но не все еще поте­ряно: если бляшки регулярно удалять зубной щеткой и не «кор­мить» бактерии сладостями, вымытые из эмали ионы кальция Са²⁺ и НРО₄^2- снова будут проникать в кристаллическую решетку эмали зуба:

Са²⁺ + НРО₄^2-+ Н₂О→Са₅(Р0₄)₃ОН + Н⁺

Если бляшки не удалять, то бактерии проникнут под эмаль, где находится дентин — менее твердое вещество, чем эмаль, и менее сопротивляющееся действию кислот.

Можно сказать, что все превращения в микромире происходят с учетом закона сохранения электрического заряда (рис. 2, 3).

Рисунок 2.

Рисунок 3.

Учитель биологии:

Известный ученый Альберт Сент-Дьердьи, автор книг «Биоэнерге­тика» и «Биоэлектроника», говорит, что удивительно тонкие био­химические реакции, по всей вероятности, представляют собой реакции очень мелких, лабильных частиц, каковыми являются электроны. Вспомните хотя бы реакции фотосинтеза. Посмотрите, сколько вокруг зелени, сколько электронов покидают молекулы хлорофилла в этот миг, получив квант света! Что было бы, если бы некоторые из них «потерялись»? Молекулы хлорофилла выключи­лись бы из «работы». Но такого не случается, так как действует закон сохранения электрического заряда. Молекула хлорофилла, потеряв электрон, приобретает положительный электрический заряд, иначе говоря, в ней есть место для электрона, называемое в физике дыркой. Долго оно не остается вакантным. Его занимает электрон иона гидроксила, образовавшегося при диссоциации молекулы воды, и молекула хлорофилла снова готова принять следующий квант. Покинувший ее электрон и ион водорода, образовавшийся вместе с ионом гидроксила при диссоциации молекулы воды, попадают в ферментную систему, где происходят реакции фотосинтеза. Ни один электрический заряд из бесчислен­ного множества участвующих в биохимических реакциях зарядов не пропадает. Вот у кого учиться бережливости — у природы...

И снова умрешь, и появишься снова,

Год ли спустя, миллион ли годов —

Частный случай на вечной основе,

Который мгновенно возникнуть готов.

Да, я родился, проживу до ста,

Чтобы затем навсегда умереть.

Но я — электронов случайная доза,

А эта случайность возможна и впредь.

И. Сельвинский
Учитель физики:

А теперь ответьте на вопросы:

1. Как применить закон сохранения электрического заряда
к объяснению законов последовательного и параллельного соеди­нения проводников?
2. Какова роль источника электрического тока? Образуются ли
в нем электрические заряды?
3. Примените закон сохранения электрического заряда при
решении задачи: «Почему два проводника с токами одинакового
направления притягиваются, а два параллельных электронных
пучка отталкиваются?»
V. Заключение.

Сегодня на уроке мы обсудили возможности применения законов сохранения для объяснения явлений природы. Давайте попытаемся проанализировать работу на занятии (памятка самоанализа)

Самоанализ деятельности

1. Сегодня на уроке мне удалось…

2. При выполнении заданий мне пригодились знания…

3. В ходе работы на уроке мне пригодились умения…

4. При ответах на вопросы я испытывал затруднения…

5. Ценность знаний, полученных на уроке, для меня заключается в…

Литература
1. Ильченко В. Р. Перекрестки физики, химии и биологии: Книга для учащихся. – М.: Просвещение, 1986.

2. Химия в школе, №1-2, 1992.

3. Леенсон И. А. Химические реакции: Тепловой эффект, равновесие, скорость. – М.: ООО «Издательство Астрель»: ООО «Издательство АСТ», 2002.
скачать