CC BY
114
Интернет-журнал «Науковедение» ISSN 2223-5167 http ://naukovedenie.ru/ Том 7, №3 (2015) http ://naukovedenie. ru/index.php?p=vol7-3 URL статьи: http://naukovedenie.ru/PDF/145PVN315.pdf DOI: 10.15862/145PVN315 (http://dx.doi.org/10.15862/145PVN315)
УДК 373.1
Турчен Дмитрий Николаевич
ФГБОУ Санкт-Петербургский государственный педагогический университет им. А.И. Герцена
Россия, Санкт-Петербур1 Докторант Кандидат химических наук E-mail: [email protected]
Количество вещества или просто количество? Новый подход к формированию понятия
Аннотация. В статье поднимается вопрос о необходимости пересмотра и наполнения иным смыслом базовых категорий школьной химии: моль, количества вещества. Особое внимание уделяется обсуждению методики введения данных понятий в курсе школьной и ВУЗовской химии. Проводится анализ самого понятия «количество вещества». Проанализированы области применения этого понятия и возможность использования единицы измерения «количества вещества» для выражения количества не только материальных, но и нематериальных объектов. Обсуждается статус и возможность использования размерности для числа Авагадро. Рассмотрен вопрос осознания физического смысла понятия «количество вещества» у школьников и студентов изучающих химию. Выделены причины низкого уровня осознания физического смысла данного понятия. Предложен образ единицы измерения «количества вещества», а также методика введения самих понятий "количество вещества" и "моль" в понятийное поле учащихся.
Ключевые слова: понятие «количество вещества»; моль; химия; обучение; учащиеся. Ссылка для цитирования этой статьи:
Турчен Д.Н. Количество вещества или просто количество? Новый подход к формированию понятия // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 7, №3 (2015) http://naukovedenie.ru/PDF/145PVN315.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ. DOI: 10.15862/145PVN315
1 394004, г. Воронеж, Ленинский пр., д. 45 1
Понятие "количество вещества" является одним из ключевых как в химии, так и в других естественно-научных разделах знания. Но, как это ни странно, определение данного понятия отсутствует и в большинстве школьных учебников и пособий, и во многих ВУЗовских учебниках по общей химии. В них понятие "количество вещества" вводится через определение единицы его измерения "моль". В результате у большинства людей, изучающих химию, складывается следующая система понятий: "моль - это единица измерения количества вещества", а "количество вещества - это величина, выражающая количество моль (или измеряемая в молях)". Данное представление является типичным примером пары круговых определений. В формальной логике такой вариант определений называется ошибкой "порочного круга", когда в состав определяющего понятия попадает определяемое понятие2. Бессмысленность таких определений исключительно наглядно продемонстрирована в одном из рассказов польского писателя С. Лема: «Сепульки есть объекты, служащие для сепуления. А что такое сепуление? Сепуление - процедура, производимая с помощью сепульки».
Отсутствие определения понятия "количество вещества" в большинстве учебников не случайно! Причина этого скрывается в некотором противоречии между формулировкой определения "количество вещества" и его практическим использованием. Для более четкого выявления существующего противоречия приведем здесь наиболее принятое определение: "количество вещества - физическая величина, характеризующая количество однотипных структурных единиц содержащихся в веществе. Под структурными единицами понимаются любые частицы, из которых состоит вещество (атомы, молекулы, ионы, электроны или любые другие частицы)3.
Одно из ключевых словосочетаний в определении "количества вещества" - это "однотипных структурных единиц". Что же понимается под однотипностью измеряемых структурных единиц? В чем должна проявиться эта однотипность? В одинаковой форме и размере? Нет! Например, все многоатомные молекулы сложных веществ при температуре выше 00К представляют собой осциллирующие системы. В процессе осцилляции размер и форма молекул или других сложных частиц меняется. В органической химии различают конформации молекул. И, тем не менее, это не мешает нам считать их однотипными.
Может быть, имеется в виду одинаковая масса измеряемых частиц? Тоже нет! Например, общепризнанна возможность в единицах количества вещества (в молях) измерять количество дефектов в кристаллах. Так, в научной литературе вполне уместны высказывания: "количество вакансий в данном кристалле составляет п моль" или "концентрация вакансий в кристаллической решетке составляет п моль/г". Но вакансии в кристаллической решетке - это же пустое место. Оно не может иметь массы. "Количество вещества", применимо так же и к фотонам: "можно взять (взвесить, налить или просто представить себе) два моля молекул воды, полмоля ионов натрия, четверть моля электронов или даже 0,3 моль фотонов"4. Фотон так же не имеет массы покоя.
Во всех учебных пособиях в определении единицы количества вещества отражена возможность измерять количества вещества электронов. Но и с массой электрона тоже не все однозначно. Масса покоя электрона вычислена и приводится в справочниках, но в реальности вряд ли существуют электроны в состоянии покоя, особенно в количествах, соизмеримых одному молю. А в не состоянии покоя у них в значительной мере проявляются волновые свойства, и изменяется масса, которая начинает зависеть от скорости.
2 Фатиев Н.И. Логика. Учебное пособие / Н.И. Фатиев. - СПб.: СПбГУП., 2002. - С. 28-29.
3 Электронный ресурс: http: ru.wikipedia.org.
4 Суворов А.В., Никольский А.Б. Общая химия. Учебник для ВУЗов. - СПб: Химия, 1997. - с. 15.
Может быть, однотипность должна проявиться в составе измеряемых структурных единиц? Тоже нет! Во-первых, в двух предыдущих примерах с вакансиями и фотонами о составе говорить вообще не корректно. Во-вторых, современные открытия все новых и новых элементарных частиц заставляют усомниться в однородности по составу большой совокупности (порядка один моль) даже атомов одного элемента. Такие сомнения подкрепляются историческим фактом выделения изотопов среди атомов большинства элементов. Очень вероятно, что в свете новых открытий даже отдельные изотопы смогут проявить неоднородность состава. В-третьих, однородность состава неоднозначно определяется в смеси веществ. Стоп! Но в определении понятия "количество вещества" однозначно указано, что оно применимо к веществу. Здесь нам встречается еще одно противоречие. Оно вытекает из-за отсутствия в химии четкого критерия, позволяющего однозначно различать индивидуальное вещество и смесь. Между этими двумя крайними случаями от абсолютно чистого индивидуального вещества до механической смеси полностью не взаимодействующих веществ5 есть множество переходных состояний, например: твердый, жидкий и газовый растворы; предпочтительные составы в твердых сплавах золота с медью (соединения Курнакова: CuзAu; CuAu; CuAuз); коллоидные растворы; и т.д. Для определения молярной массы атомов какого-либо одного элемента мы используем массовое число из Периодической системы. Но оно также определено не для однотипных частиц, а для смеси изотопов с учетом их распространенности в природе. То есть является средней величиной для смеси изотопов. При вычислении молярной массы образца полимера речь может идти также только о средней молярной массе, т.к. количество мономерных звеньев даже в соседних молекулах полимера с огромной долей вероятности, разное.
В практике решения задач достаточно часто используется такое понятие, как средняя молярная масса смеси. Наиболее ярким является пример использования средней молярной массы воздуха. Использование таких величин предполагает то, что мы вычисляем количество вещества однозначно не однотипных частиц (молекул в примере с воздухом), которые при этом не составляют индивидуальное вещество. Количество вещества смеси газов достаточно часто рассчитывают при использовании уравнения состояния идеального газа для смеси не взаимодействующих газов.
Такое использование средней молярной массы позволяет нам применять понятие количество вещества к растворам (газовым, жидким и твердым) и даже к любым механическим смесям. С этой точки зрения вполне допустимо определять количество вещества 1% раствора соляной кислоты, механической смеси железных опилок и песка, песчинок разного размера, маковых зерен и даже волос, если их будет очень много, например, у всех животных на Земле. А измерение в единицах количества вещества вакансий, фотонов и электронов позволяет применить это понятие и для невещественных, и даже для не материальных объектов6, например байт информации, метров, килограммов, секунд и т.д. Единственное ограничение - обязательное указание типа измеряемых объектов, а так же состава и соотношения, если объекты не однотипные.
Такая трактовка понятия "количества вещества" и его единицы измерения "моль" довольно близко согласуется с мнением авторов учебника "Общей химии" для ВУЗов,
5 Каждый из этих крайних случаев практически не реализуем.
6 В данной статье под объектами понимается вся совокупность как реальных вещественных объектов, так и идеальных нематериальных объектов.
Согласно общепринятому представлению "Объект - вещь, предмет, то что противостоит субъекту, т.е. сознанию. Теперь его более точно называют реальным объектом; мыслительный предмет называют идеальным объектом" // Философский энциклопедический словарь. - М.: Инфра - М., 2004. С. 313-314.
написанном в СПбГУ: "Понятие моля как определенного числа частиц приложимо к любым частицам - как реально существующим, так и воображаемым"7.
Таким образом, получается, что определение физической величины "количество вещества" не охватывает все реальные случаи его использования. Традиция использования данного понятия расширила его границы. Во времена введения данного понятия в науку, она находилась на том уровне, когда все возможные варианты использования его единицы "моль" укладывались в определение. Но понятие "количество вещества" оказалось настолько удачным и удобным, что в "молях" начали считать все объекты, содержащие огромные (порядка 1023) массивы единиц.
В результате единица измерения "количество вещества" утеряла свою "вещественность" и специфичность применения только для объектов микромира и приобрела функции обычного числительного, такого же, как и "сто", "двести семьдесят три", "десять тысяч" и т.д.
В таком контексте число "моль" можно отложить на числовой прямой в виде точки наряду с другими числами и на равных с ними правами. И на этой числовой прямой в цифровой записи это будет выглядеть как 6,02*1023, а в буквенной записи - «моль».
Путем рассуждений мы пришли к довольно неожиданному выводу: применение единицы измерения "количество вещества" допустимо при подсчете абсолютно любых объектов, как однородных, так и неоднородных; как материальных, так и нематериальных!
Но принять такую точку зрения готовы далеко не все. Для многих химиков единица измерения количества вещества является "священной коровой". Именно таинственность и некоторая недоступность обыденному пониманию делает ее такой важной. На самом же деле большинство проблем и непонимание вытекает из противоречий между определением, названием физической величины "количество вещества" и ее применением. Автор замечательного пособия по химии, один из самых креативных преподавателей этой дисциплины Ян Гач во введении к своей книге признается: "посещая в школе уроки химии, я сам думал, что это самый запутанный предмет из всех и только гении могут понять, что такое моль..."8.
Подливает масло в огонь непонимания обсуждение в учебных пособиях вопроса о размерности числа Авогадро. Некоторые авторы пытаются придать ему статус физической величины, такой же, как и другие физические константы, например, универсальная газовая постоянная. [Кузьменко с. 33 и Фримантл М.]. "Отметим, что постоянная Авогадро является физической величиной, имеющей размерность (количество вещества) -1, а не безразмерной численной величиной. поэтому не следует пользоваться устаревшим термином "число Авогадро"9. В качестве доказательства характера физической величины числа Авогадро Фримантл приводит следующие примеры:
"один моль атомов водорода = 6,02 х 1023 атомов водорода
один моль молекул кислорода О2 = 6,02 х 1023 молекул кислорода О2
один моль хлорид-ионов И" = 6,02 х 1023хлорид-ионов О"
один моль электронов = 6,02 х 1023 электронов" 10.
7 Суворов А.В., Никольский А.Б. Общая химия. Учебник для ВУЗов. - СПб.: Химия, 1997. - с. 15.
8 Гач Я. Химия. - М.: АСТ-Астрель, 2007. - с. 10.
9 Фримантл М. Химия в действии. В 2 томах. - М.: Мир, 1998. - Т. 1. - С. 189.
10 Фримантл М. Химия в действии. В 2 томах. - М.: Мир, 1998. - Т. 1. - С. 189.
Если в данном примере автор имел в виду, что слова: "атомов", "молекул", "ионов", "электронов", включаются в размерность, то получается не доказательство, а противоречие. Физическая величина не может иметь размерность не кратных друг другу единиц, тем более константа, каковой является число Авогадро. Если же эти слова не входят в размерность, то -это еще раз доказывает, что число Авогадро - всего лишь число на числовой прямой. На самом же деле оно имеет такую же размерность, как и любое другое число на числовой прямой: штуки или единицы. Например, размерность числа семь: семь объектов или можно сказать, что семерка включает в себя семь единиц чего-либо. Но от наличия такой размерности число семь не превратилось в физическую величину, соответственно число Авогадро так и остается числом, а не физической величиной.
Некоторые авторы аргументируют размерность числа Авогадро (моль-1) необходимостью получить верную размерность молярной массы при умножении числа Авогадро на массу одной частицы. М х m(1 частицы). В качестве контраргумента можно привести следующий пример. Когда мы фасуем конфеты по коробкам и хотим записать характеристику в виде п килограмм/коробка, мы тоже перемножаем число конфет в коробке на массу одной конфеты. Но после этого число конфет в коробке у нас не становится физической величиной. Попытка привязать размерность к числу Авогадро сходно с выражением одного числа через другое: миллион = тысяча тысяч.
Данное противоречие приводит к тому, что довольно часто встречаются студенты химических направлений ВУЗов, которые пытаются определить "размерность моля" и находят его 6,02*1023 частиц, не понимая, что "моль" - это уже единица измерения количества вещества и единиц измерения иметь не может.
Выявленные противоречия могут показаться "бурей в стакане". Существующая ситуация вполне устраивает большинство профессиональных химиков, применяющих данное понятие в разумных, традиционно сложившихся рамках. Казалось бы, зачем тогда поднимать "бурю"?
Но возникает вопрос, как обстоит дело с осознанием физического смысла понятия "количества вещества" у школьников, студентов, только готовящихся стать профессионалами в химии? Для ответа на данный вопрос было решено провести констатирующий педагогический эксперимент, целью которого было выявить, насколько учащиеся средней школы овладели таким основным для изучения химии понятием как "количество вещества", понимают его физический смысл и могут им пользоваться не только при решении теоретических задач, но и в процессе осуществления практической деятельности. Перед началом эксперимента было сформулировано предположение, что большая часть выпускников средней школы не осознает физического смысла данного понятия. Для наибольшего сопротивления сделанному предположению для участия в эксперименте были выбраны 50 учащихся 1 курса химического факультета одного из ведущих региональных классических университетов11. В форме заданий с открытым ответом им были предложены следующие вопросы.
• Дайте определение понятию «количество вещества» и «моль».
• У Вас в распоряжении весы, имеющие точность ±0,0001 г. Можно ли использовать эти весы, для того чтобы отмерить определенное количество атомов золота. Если «да», то с какой точностью, если «нет», то почему?
Педагогический эксперимент проводился автором данной статьи в 2014 году.
Определите количество вещества латуни (сплав 40% (масс.) меди + 60% (масс.) цинка), которое может раствориться в 1 литре 10% раствора азотной кислоты (плотность 1,1 т/м3) (приведите решение).
Имеет ли смысл такое высказывание (мнение обосновать):
а) Некоторая порция воды содержит 3,5 моль электронов;
б) В порции раствора содержится 2,73 моль ионов натрия; Один моль фотонов;
Размер компьютерных винчестверов к 2015 году достигнет 0,05 моль/байт;
д) Небесное тело содержит 0,05 моль песчинок разного размера;
е) Общее количество волос всех живых существ на Земле оценивается в 4,872 моль штук волос;
ж) В стакане содержится 3 моль молекул воды;
з) В образце железа содержится 5 моль.
По результатам анализа работ студентов-химиков 1 курса можно сделать следующие выводы:
• большая часть студентов 94% не знают определение понятия "количество вещества", большинство студентов определило это понятие через его единицу измерения "моль".
• 62% студентов определило применимость понятия "количество вещества" на основании возможности применить соотношение n = m/М. Эти студенты не воспринимают "количество вещества" как одну из 7 основных единиц СИ.
• 44% студентов определило возможность применения количества вещества на основании наличия у измеряемых объектов массы или свойств вещества.
Практически все студенты были готовы считать количество вещества атомов и молекул, но уже 30% не согласились с возможностью подсчета количества вещества электронов. Только 20% согласны считать песчинки разного сорта. Только 10% - фотоны. И только 2 студента из 50 были готовы применить понятия "количество вещества" к абсолютно любым, поддающимся счету объектам. Но предложили руководствоваться здравым смыслом. По их мнению, разумно считать в молях только те объекты, количество которых соизмеримо с 1023 штук.
Многие студенты не смогли посчитать количество вещества ионов. К счастью, все они понимали, что выделить совокупность в виде отдельного объекта количество ионов около 1023 штук практически невозможно. Но они привыкли считать количество вещества обособленно существующих объектов. Некоторые из них аргументировали невозможность использования понятия «количество вещества» тем, что ионы, по их мнению, к веществам не относятся, а в названии величины фигурирует слово вещество.
Если такие результаты показали студенты химического факультета, у которых мотивация изучения химии в школе была одна из самых высоких, то можно утверждать, что их одноклассники освоили и осознанно применяли понятие "количество вещества" значительно хуже. Такие результаты свидетельствуют о неудачной методике введения этого понятия в средней школе.
Попробуем разобраться в причинах сложившейся ситуации.
1. Первую причину несогласованности определения понятия "количества вещества" и практики его применения мы уже обсудили в начале статьи.
2. Данное понятие находит очень ограниченное, можно сказать, однобокое применение в средней школе. Для большинства тренировочных задач и заданий требуется найти количество вещества либо атомов, либо молекул, либо формульных единиц (для немолекулярных веществ). Практически отсутствуют задачи, при решении которых требовалось бы найти количество вещества каких-либо ионов или электронов. С задачей определения количества вещества электронов в определенном кристалле натрий хлор не справилась более половины студентов химического факультета!
3. Единица измерения "количество вещества" вводится практически в самом начале изучения курса химии. И больше к обсуждению ни понятия "количества вещества", ни к его единице не возвращаются.
4. Не совсем удачно использование в 8 классе строгого определения единицы измерения количества вещества по стандарту СЭФ 1052-78: моль- количество вещества системы, содержащее столько структурных единиц, сколько содержится атомов в углероде 12С массой 0,012 кг. Для учащихся 8 класса это определение сформулировано на "марсианском" языке. Для них совершенно не понятно, о какой системе идет речь, зачем нужно сравнивать количество частиц в непонятной системе с каким-то углеродом (далеко не все учащиеся понимают, что это образец вещества), почему возможно сравнивать разные частицы: молекулы в исследуемом образце и атомы углерода в образце сравнения.
Используя такое определение, учителя делают один из решающих шагов к отвращению учащихся от предмета химия.
Во многих учебниках чаще используют более адаптированное определение: «моль - это количества вещества, которое содержит столько частиц (молекул, атомов, ионов, электронов), сколько атомов углерода содержится в 12 г. изотопа 12С». Но и этот вариант определения может быть неверно интерпретирован учащимися 8 класса. Некоторые из них полагают, что необходимо складывать все структурные элементы, которые есть в образце искомого вещества или в 12 г. изотопа 12С. Неудачно для восьмиклассника и сама структура определения. Он в первую очередь начинает сравнивать образец, количество вещества которого необходимо определить, с 12 г. углерода, а не с количеством атомов в нем. А слово "изотопа" еще больше усложняет дело. Для осознания этого определения восьмикласснику потребуется осуществить в уме следующие действия:
а) вспомнить, что такое изотопы;
б) сделать вывод, что расчет ведут относительно одного изотопа с 6 нейтронами в ядре. До этого момента далеко не всякий школьник знал, что у углерода вообще есть изотопы;
в) вычислить количество атомов в 12 г. этого изотопа, вспомнив абсолютную массу в граммах одной атомной единицы массы. Вряд ли он ее до этого момента знал, а если и знал, то уж точно не помнит. А провести вычисления с ней - это вообще мало реалистично;
г) осознать, что 1 моль частиц содержит 6,02*1023 штук этих же частиц;
д) осознать, что 1 моль сложных частиц «А» может содержать другое количество штук (не 6,02*1023 штук ) частиц «Б», входящих в состав вещества «А».
Для осуществления этих действий восьмиклассник должен быть, по меньшей мере, "ботаником", а лучше - студентом химического факультета. И самое важное. Неверно поняв и
интерпретировав это определение, учащийся может сделать ошеломляющий любого преподавателя химии вывод: если образец воды содержит столько же атомов водорода (или суммарно атомов водорода и кислорода12), сколько атомов углерода содержится в 12 г. изотопа углерода 12С, то количество вещества воды равно один моль.
Данный вариант определения не понятен большинству начинающих изучать химию детей и не является функциональным для них.
Наиболее адаптированным для учащихся восьмого класса выглядит следующее определение: "моль - это такое количество вещества, в котором содержится 6,02*1023 молекул этого вещества" 13. Но это определение сильно ограничивает область применения понятия "количество вещества", распространяя его только на молекулы. Справедливости ради следует заметить, что в дальнейшем тексте этого учебника указано, что "в молях измеряют число и других частиц: атомов, ионов, электронов и т.д. Во всех случаях 1 моль содержит 6,02*1023 соответствующих частиц (атомов, электронов и т.д.)"14. Но учащиеся зачастую не обращают внимание на слово "соответствующих" и они также, как и в случае предыдущего определения могут сделать вывод о том, что 1 моль воды - это такое его количество, которое содержит 6,02*1023 атомов водорода.
Не облегчит понимание и использование более строго определения из справочника "Физические величины"15. Там приведено следующее определение этого понятия: «количество вещества n - величина, равная числу структурных элементов, содержащихся в теле, единица измерения - моль.
Многие учащиеся, не задумываясь, дают неверный ответ на следующий неуместный в данный момент открытый вопрос учителя16: какое количество вещества содержится в 18 граммах воды. Стандартный, но неверный, ответ - 1 моль. На самом деле в 18 граммах воды содержится разное количество разных частиц: 2 моль частиц водорода, 1 моль частиц кислорода, 1 моль молекул воды, 10 моль электронов и т.д. Учитель, задавая такой вопрос, конечно же, имел в виду следующий вопрос: какое количество вещества молекул воды содержится в 18 граммах воды? Но учащийся, в голове которого только происходит процесс осознания физического смысла понятия «количество вещества», не может читать мысли учителя! Часто учащиеся подставляют данные в формулу n = m/M и, не задумываясь, дают ответ: 1 моль. Данную ситуацию можно использовать в качестве индикатора осознания учащимися физического смысла понятия «количество вещества».
5. Еще одна причина - это сложность восприятия словосочетания "количество вещества". С точки зрения восьмиклассника, оно состоит из понятных и давно известных слов. Основная проблема заключается в необходимости понять, что два совершенно понятных слова в словосочетании дают новое качество, которое требуется осознать. В обыденном понимании слово "количество" ассоциируется с измеряемыми объектами, причем единицы измерения могут быть разными. До начала изучения химии устойчиво сформировались образы различных единиц измерения количества, например: количество килограммов картофеля, количество литров воды, количество предметов в упаковке, количество квадратных метров и т.д. Учитель химии с помощью количества предлагает измерять вещество, но у школьника уже сложилось восприятие, что количества вещества воды в ведре
12 В практике автора этой статьи встречались и такие трактовки.
13 Габриелян О.С. Химия. Учебник 8 класса. - М.: Дрофа, 2004 - С. 56.
14 Габриелян О.С. Указ. соч.
15 Физические величины. Справочник. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - С. 10.
16 В данном случае этот вопрос представляет собой открытую задачу, имеющую несколько взаимоисключающих ответа.
составляет 10 литров (и эту фразу он слышал не один раз). А учитель химии утверждает, что количество вещества воды в ведре 555,56 моль. В этот момент часто учащиеся делают вывод, что химия абсолютно не связана с реальной действительностью и «только гении могут понять, что такое моль»17. В результате они отгораживают от себя химию стеной не понимания и неприятия.
6. Еще одна проблема, с которой сталкиваются преподаватели химии, - непонимание того, что в одном моле сложных объектов может содержаться 2, 3, 5, 7 и т.д. моль менее сложных объектов. Часто учащиеся далеко не сразу осознают, что в 1 моль Н2О содержится 2 моль частиц (Н) и 1 моль частиц (О). Причина такого затруднения - мышление по аналогии. Все учащиеся осознают, что отмерить п моль вещества путем отсчитывания nx6,02x1023частиц этого вещества - задача практически не выполнимая. Намного удобнее через молярную массу посчитать массу этого количества вещества объектов и отмерить его путем взвешивания. С другой стороны, учащиеся понимают, что в 1 кг воды не может быть 2 кг частиц Н. Аналогия с массой без изменений переносится на измерение количества вещества. В этой ситуации учащимся приходится объяснять невозможность такого переноса, и с помощью бытовых примеров показывать, что если единица измерения - штука, а не единица массы, количество деталей в группе объектов может быть больше количества самих объектов. Для некоторых учащихся привыкших активно использовать сложившиеся стереотипы, такая ситуация вполне реальна. Решается она путем создания другой аналогии, превращающейся в стереотип. В качестве группы сложных объектов предлагается представить себе, например, 60 двухколесных велосипедов и определить общее количество колес. Далее эта аналогия переносится на вещества.
7. Для единицы измерения количеств вещества у учащихся не формируется наглядный образ. Да и какой может быть образ, если в молях можно посчитать такие разные и невидимые объекты как молекулы, атомы, ионы, электроны, фотоны и вакансии. Наиболее хорошо воспринимаются такие величины, для единиц измерения которых в сознании формируется конкретный образ, воплощение которого в реальный объект легко воспринимается человеческими органами чувств. Так, у большинства учащихся сформировался устойчивый образ четырех из семи основных единиц измерения СИ.
17 Гач Я. Химия. - М.: АСТ-Астрель, 2007. - С. XXI.
единица наиболее часто встречающийся образ
метр метровая линейка, лента рулетки длиной 1 метр, рост брата и сестры и т.д.
килограмм килограммовая гиря, один литр воды, порция любимых фруктов и сладостей.
секунда промежуток между делениями на циферблате часов, промежуток времени, необходимый для изменения образа числа на табло электронных часов, промежуток времени, который требуется на медленное проговаривание числа от 1 до 10.
температурный градус(кельвин) одно деление на градуснике.
На уроках химии при изучении темы "Количество вещества" принято демонстрировать по одному молю различных веществ. Но так как атомов, молекул и формульных единиц в этих веществ учащимся не видно, образ моля не формируется. Данной демонстрацией часто добиваются обратного эффекта, многие учащиеся приходят к следующему противоречию: в показываемым учителем емкостям находятся разные вещества и, очевидно, в разных количествах (с точки зрения оценки их объема), а учитель почему то говорит, что количество вещества каждого вещества одинаково. Речь учителя звучит очень нелогично и непонятно, т.к. учащиеся в этот момент еще не могут отличить понятие "количество вещества" от понятия "количество" и понятия "вещество".
Для моля канделы и ампера устойчивого образа не формируется.
Хотя для единицы измерения количества вещества такой образ создать можно: это точка на числовой прямой!
Но любая критика имеет намного больше смысла при наличии конкретных предложений по исправлению ситуации.
Начинать вводить понятие «количество вещества» и его единицу измерения я предлагаю с исторически-психологического аспекта. Можно обсудить с учащимися вопрос, что человечество, как и ребенок в процессе своего развития учится считать объекты окружающего мира не сразу. Сначала было достаточно пальцев на руках, и человек учился считать до десяти, сопоставляя с каждой группой, содержащей большее количество объектов, свое слово-числительное: «один», «два», «три» и т.д. Далее при более успешной охоте, увеличении количества членов в группе, подсчете звезд на небе и т.д. десяти числительных не хватило, и человек научился считать до ста, после до тысячи. С развитием человека росла и потребность в новых словах-числительных. Так появились числительные, миллион, миллиард, триллион. Но с открытием атома появилась потребность обозначать массивы объектов, которые невозможно было обозначить имеющимися словами-числительными. А каждый раз обозначать количество объектов с помощью порядковой записи и проговаривать: «столько-то умножить на десять в такой-то степени», было не удобно. И в практику ввели новое числительное «моль». Такое обсуждение разумно сопровождать рисованием числовой прямой с точками на ней и обозначением этих точек снизу в виде числовой записи (кодирование цифрами), а сверху словами-числительными (кодирование с помощью букв).
После этого этапа разумно предложить учащимся следующие определения:
Количество вещества - это просто количество любых объектов.
Моль - числительное, обозначающее 6,02*1023 объектов.
Далее разумно предложить учащимся посчитать и выразить десятками, например, количество яиц, снесенных курами на птицефабрике, листы в тетради и в учебнике, комаров
на болоте, листьев на дереве. Далее обсудить вопрос, какие количества объектов было более удобно выражать десятками и постараться привести их к мысли, что десятками удобно было считать объекты в количествах до ста, до появления нового удобного слова-числительного. Большее количество объектов разумно считать сотнями, тысячами, миллионами. Необходимо убедить учащихся, что более удобно и понятно звучит «пять миллиардов людей», чем «пять тысяч миллионов людей» или «пятьдесят сотен тысяч людей».
Следующим шагом можно предложить использовать новое слово-числительное «моль», и в молях посчитать количество рублей, листов в тетради и учебнике, муравьев в муравейнике и т.д.18. Снова при обсуждении привести их к мысли, что такие маленькие массивы единиц неудобно считать в молях, хотя и возможно.
Важный тезис для осознания:
Считая объекты, после слова «моль» уместно написать слово «штук» и обязательно название и характеристику объектов.
Например: 4,7*10-12 моль штук черных муравьев живет в Африке.
Следующим этапом в понимании учащихся должно стать осознание того факта, что такие огромные массивы (порядка 1023) объектов встречаются при подсчете атомов, молекул, электронов и т.д. в образцах, видимых невооруженным глазом. Числительное «моль» удобно использовать при подсчете объектов микромира, хотя нельзя забывать, что оно может быть использовано для подсчета любых объектов.
Но здесь с учащимися потребуется обсудить еще одну проблему. Объекты микромира настолько малы, что их практически невозможно отобрать поштучно. Порции веществ на практике отбирают с помощью измерения массы. Встает вопрос: какой смысл считать их количество штук? При обсуждении этого вопроса учащихся необходимо привести к осознанию, что большинство молекулярных веществ образовано атомами, количество которых соотносится друг с другом в молекуле как целые положительные числа. И индексы в записях формул химических веществ, и коэффициенты в уравнениях химических реакций являются характеристикой именно количеств штук более мелких объектов, в составе более крупного. В образце серной кислоты на каждые 2 штуки атомов водорода приходится 1 штука атомов серы и 4 штуки атомов кислорода и поэтому ее формула записывается как H2SlO4.
Далее будет совершенно логично перейти к обсуждению понятия «молярная масса» и его физического смысла.
Предлагаемая методика введения таких принципиальных понятий как «количество вещества» и «моль» в начале изучения химии позволит преодолеть пропасть непонимания и не позволит сформироваться стереотипу, что «только гении могут понять, что такое моль»19. Предлагаемые определения этих понятий не являются строгими и не отвечают современному состоянию развития науки, но такое отступление от строгости компенсируется намного более полным осознанием физического смысла данных понятий школьником.
18 В европейском опыте введения понятия «моль» - это числительное, также в качестве демонстрации его универсальности используется для обозначения количества денег. В шутливой форме демонстрируется банкнота в 1 моль евро / Поль Деповер, О, химия!, М. Техносфера, 2008, с. 18.
19 Гач Я. Химия. - М.: АСТ-Астрель, 2007. - С. XXI.
ЛИТЕРАТУРА
1. Габриелян О.С. Химия. Учебник 8 класса. - М.: Дрофа, 2004.
2. Гач Я. Химия. - М.: АСТ-Астрель, 2007.
3. Гин А.А. Приемы педагогической техники. пособие для учителей / А.А. Гин. -М.:ВИТА-ПРЕСС., 2009.
4. Деповер П. О, химия! - М.: Техносфера, 2008.
5. Журин А.А., Заграничная Н.А. Химия. Метапредметные результаты обучения. 8-11 классы. - М.:ВАКО, 2014.
6. Кузьменко Н.Е., Еремин В.В. Сборник задач и упражнений по химии. - М.: Экзамен, 2001.
7. Пичугина Г.В. Ситуационные задания по химии. 8-11 классы. - М.:ВАКО, 2014.
8. Суворов А.В., Никольский А.Б. Общая химия. Учебник для ВУЗов. - СПб: Химия, 1997.
9. Турчен Д.Н. Химия. Расчетные задачи. - М.: Экзамен, 2009.
10. Фатиев Н.И. Логика. Учебное пособие. - СПб.: СПбГУП., 2002.
11. Фримантл М. Химия в действии. В 2 томах. - М.: Мир, 1998.
Рецензент: Бабаева Анна Владимировна, профессор, доктор философских наук, филиал РГСУ; Ковыгин Юрий Александрович, доцент, кандидат химических наук, «Химический» факультет Воронежского государственного университета.
Turchen Dmitriy Nikolaevich
Herzen State Pedagogical University of Russia
St. Petersburg, Russia E-mail: [email protected]
The amount of substance or is the simply amount?
Abstract. In article the question on the necessity of the revisionof the base school chemistrycategories (such as the mole and the amount of substance) and filling them by the other sense of is brought up. The special attention is given to the discussion of thetrainingtechnique ofthese concepts into the courses of school and higherschool chemistry. The analysis of the concept "amount of substance" is carried out. Scopes of this concept and the possibility of a unit of measure of "amount of substance" using for the expression of quantity material and non-material objects are analyzed. The status and the dimension for Avogadro constantis discussed. The question of the comprehension of the physical sense for the concept "amount of substance" by the schoolboys and the students studying chemistry is considered. The reasons of the poor comprehension of physical sense of the given concept are allocated. The image of a unit of measure for "amount of substance" is offered.
The technique of introduction of concepts "amount of substance" and "mole" into a studentconceptual fieldis offered.
Keywords: concept "amount of substance"; mole; chemistry; training; students. The amount of substance or is the simply amount?
КЕГЕКЕ^Е8
1. ОаЬпе1уап ОБ. КЫш1уа. ИсЬеЬтк 8 к^а. - М.: БгоГа, 2004.
2. ОасЬ Уа. КЫш1уа. - М.: АБТ-Ав^еГ, 2007.
3. вт А.А. Рпешу реёа§о§1сЬевкоу 1екЬшк1. роБоЫе ё1уа исЫ1е1еу / А.А. вт. -М.:У1ТА-РКЕ88., 2009.
4. Бероуег Р. О, кЫш1уа! - М.: ТекЬповГега, 2008.
5. 2Ьипп А.А., 2а§гашсЬпауа КА. КЫш1уа. Ме1аргеёше1;пуе ге2и1Ча1у оЬисЬешуа. 811 к1аББу. - М.:УАКО, 2014.
6. К^'шепко К.Е., Егешт У.У. БЬогшк 2аёасЬ 1 ирга2Ьпешу ро кЫшп. - М.: Ек2ашеп, 2001.
7. РюИи§та О.У. 81Ша18юппуе 2аёашуа ро кЫшп. 8-11 ЫаББу. - М.:УАКО, 2014.
8. Биуогоу А.У., МкоГвЫу А.В. ОЬвЬсЬауа кЫш1уа. исЬеЬшк ё1уа УТОоу. - БРЬ: КЫш1уа, 1997.
9. ТигсЬеп Б.К. КЫш1уа. КаБсИеШуе 2аёасЫ. - М.: Ек2ашеп, 2009.
10. Байеу N.1. Ьо§1ка. ИсЬеЬпое роБоЫе. - БРЬ.: БРЬОЦР., 2002.
11. Бпшапй М. КЫш1уа у ёеув1уп. У 2 ЮшакЬ. - М.: М1г, 1998.
