На чтение: ≈ 17 мин.Учитель: В ходе этого урока я предполагаю открыть вам тайну. Тайну, которую сознательно скрывают от вас в школе, преподавая естественные науки. Иногда ее открывают тем, кто учится в профильных институтах. Но и то не всегда. Но те, кто собрался здесь сегодня, узнают эту тайну.
ы по группам. демонстрирует модель решетки. ы ребят. ы ы учитель записывает на доске в виде формул. ы с реакциями разложения. : На слайде в три колонки записаны формулы твердых веществ в первых двух – вещества в третьей – органические. комментирует указывая на правильные варианты разложения и показывая что значение имеет число моль газа – коэффициенты! Энтропия является причиной процесса которому подвержено все живое – старения. Старение – результат стремления сложноорганизованных систем – клеток к распаду и превращению в более и менее упорядоченные формы. Пока организм успевает производить новые клетки он способен сопротивляться энтропии но старение неизбежно. ы детей. учитель химии школы №159 Москвы лауреат Московского конкурса « года-1997»
Просмотр видео (учитель комментирует).
Задание для работы в группах: что является причиной происходящих явлений? Первая группа – первое явление, вторая группа – второе, третья группа – третье. Работа в группах. Высказывания представителей групп.
Учитель: Запомните свои ответы, но сначала мы поговорим о другом. Что объединяет все три сюжета? Что там происходит? Выразите максимально простыми словами…
Ответ: разрушение.
Учитель: Верно. Но кроме того, хочу обратить ваше внимание. Сравним начальные и конечные состояния систем на слайде. Из, условно говоря, одного объекта получается много компонентов. Смоделируем похожую ситуацию. Приведите систему, стоящую у вас на столе, в состояние разрушенности с максимальным числом отдельных компонентов.
Лабораторный опыт (разрушение кристаллической решетки).
Обсуждение.
Учитель: Что потребовалось, чтобы выполнить задание и разрушить систему?
Ответ: разъединить.
Учитель: Верно, разъединить, разрушить связи. Таким образом, от системы, в которой много связей, пришли к системе, в которой связей мало или нет вообще.
Еще: большое число связей предполагает мало возможностей для движения. Малое число связей – много движения.
Можно сказать и так: от сложноорганизованной системы пришли к простой.
Зафиксируем все найденные различия между начальным и конечным состоянием систем.
На доске (в две колонки):
Начальное состояние Конечное состояние
Целостность Разрушенность
Малое число компонентов Большое число компонентов
Связей много Связей мало
Сложная организация Простая организация
Упорядоченная система Неупорядоченная система
Мало возможностей Много возможностей
движения движения
А теперь я должен вас познакомить с величайшим понятием. Это энтропия.
Энтропия – это степень неупорядоченности системы.
Вот это я прошу вас записать. А больше почти ничего записывать не будем, так как задача – получить качественное представление.
Исходя из определения энтропии, можем записать в колонки:
Энтропия мала Энтропия велика
Теперь вспомним, как вы объясняли причины наблюдаемых явлений?
Ответы по группам.
Учитель: Получается, у этих явлений разные причины. Хотя явления родственные, мы это уже видели. Так вот, можно объяснить их все одной причиной. Всякая система стремиться к максимуму энтропии.
Собственно, вот я вам и открыл величайшую тайну. Сформулируем это в виде закона и запишем. Он носит название «закон неубывания энтропии»:
В замкнутых системах самопроизвольно могут идти только процессы, приводящие к возрастанию энтропии.
Энтропия – это и есть та сила, которая правит миром.
Иными словами, самопроизвольно могут идти только процессы, приводящие к систему в более неупорядоченное состояние.
И не могут идти процессы, приводящие систему в менее упорядоченное состояние, например, такие.
Видео: вулкан наоборот.
Учитель: Теперь посмотрим с позиций энтропии на вещество, поскольку у нас все-таки урок химии.
Вещество – это система из взаимосвязанных частиц: молекул, атомов или ионов. Кстати, модель, которую вы разрушали, как раз была моделью кристаллической решетки, показывающей внутренне строение вещества.
Учитель демонстрирует модель решетки.
Учитель: Вещество может находиться в трех основных агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном.
Сравним эти состояние с позиций энтропии.
В твердом состоянии частицы, образующие вещество, находятся в узлах кристаллической решетки и располагаются упорядоченно (демонстрирует модель). Однако они не неподвижны.
При любой температуре, отличной от абсолютного нуля, частицы в узлах кристаллической решетки совершают так называемые тепловые колебания. Здесь перед нами вода в твердом состоянии, то есть лед.
Демонстрация видео.
В жидком состоянии связь между частицами становится менее прочной, частицы намного более подвижны.
В газообразном состоянии частицы практически не связаны между собой и свободно двигаются. Мы видим модель пара.
Вопрос: какое из состояний вещества характеризуется наибольшей энтропией?
Ответ: газ.
Слайд: фрагменты трех агрегатных состояний.
Вопрос: А наименьшей энтропией?
Ответ: твердое.
Верно, в твердом состоянии частицы связаны, система сложноорганизована.
Теперь, когда вы знаете, какая сила правит миром, посмотрим с новых позиций на привычные явления.
Сейчас каждой группе предлагается выполнить несложный опыт, обсудить его внутри группы, а затем рассказать и объяснить остальным.
Лабораторные опыты.
Учитель: Послушаем рассказ об опытах.
Отчеты групп.
Учитель: Итак, вы научились объяснять явления с энтропийных позиций. Вы понимаете, что движет миром. Но это были физические явления, в них не изменялись вещества, а только менялось их состояние.
А теперь посмотрим с энтропийных позиций на химические явления, то есть на реакции.
Реакция – это процесс, а по закону неубывания энтропии возможны только те процессы, которые…?
Ответ: сопровождаются возрастанием энтропии.
Учитель: На слайде в виде схем записаны четыре известных вам типа химических реакций. Назовите эти типы…
Ответы ребят.
Учитель: А теперь вопрос: какая из реакций однозначно приводит к возрастанию энтропии?
Ответ: разложения.
На слайде остается только реакция разложения.
Учитель: Значит, согласно закону неубывания энтропии должны идти только реакции разложения.
Давайте попробуем смоделировать своего рода идеальную реакцию разложения. То есть такую, в которой увеличение энтропии будет максимальным.
Очевидно, для этого исходное вещество должно иметь минимальную энтропию, а продукты – максимальную.
Догадайтесь, каким тогда должно быть исходное вещество, и каким – продукты?
Ответы: исходное – твердое, продукты – газы.
Учитель: Вспомните известные вам неорганические простые вещества – газы.
Ответы учитель записывает на доске в виде формул.
Ответы: кислород, водород, азот, хлор, фтор…
Учитель: Теперь давайте будем условно считать, что сложные вещества могут разлагаться до простых веществ. Например, из сульфида меди при разложении получатся медь и сера, а из карбоната цинка – цинк, углерод и кислород.
Слайд с реакциями разложения.
Учитель: На слайде в три колонки записаны формулы твердых веществ, в первых двух – неорганические вещества, в третьей – органические.
Первая группа работает с первой колонкой, вторая – со второй, третья – с третьей.
Найдите вещество, разложение которого приведет к максимальному возрастанию энтропии системы.
Учитель комментирует, указывая на правильные варианты разложения и показывая, что значение имеет число моль газа – коэффициенты!
Параллельно демонстрируются опыты:
Разложение дихромата аммония (результат первой группы)
Разложение бертолетовой соли (результат второй группы)
Разложение нитроглицерина (только теоретически) – третья группа.
Попутно обсуждаются разрушительные силы этих реакций.
Если есть время, обсудить идеальную энтропийную реакцию: исходное вещество составлено только из тех элементов, которые после разложения входят в состав газов. Вариант: нитрат аммония. От него выход на взрывчатые смеси на основе аммиачной селитры.
Учитель: Сегодня я приоткрыл вам великую тайну природы и познакомил вас с величайшей природной силой, которая движет всем мирозданием. Возможно, я был убедителен. Кому из вас все сказанное показалось истиной? Кого я смог убедить, что энтропия правит миром? А у кого остались сомнения? Проведем небольшой диспут между сторонниками и противниками энтропийного подхода.
Делимся на две группы и проводим обсуждение. Возможные вопросы для диспута даны в приложении 3.
Учитель: Мы можем придерживаться разных точек зрения. Но закон неубывания энтропии справедлив. Именно энтропия является причиной важнейших природных явлений. Сейчас увидим некоторые из них.
Комментарий к видео:
Горы – огромные мощные системы из твердых пород. Но и они подвластны энтропии. Процесс, который вы сейчас видите, называется выветриванием. Можно сказать, что внешние силы разрушают горы: вода, ветер, сход снежных лавин. Но это только инструменты в руках более мощной силы – стремлению к росту энтропии. А вот и результат действия этой силы – жалкие остатки некогда могучих гор.
Энтропия является причиной процесса, которому подвержено все живое – старения. Старение – результат стремления сложноорганизованных систем – клеток к распаду и превращению в более простые и менее упорядоченные формы. Пока организм успевает производить новые клетки, он способен сопротивляться энтропии, но старение неизбежно.
Сейчас мы станем свидетелями страшного энтропийного события: появление сверхновой звезды. Появление сверхновой – это на самом деле катастрофической силы взрыв, который завершает эволюцию звезды, то есть приводит ее к гибели, разрывая на миллиарды частей.
Если закон неубывания энтропии верен, то он приводит нас к неутешительному глобальному выводу. Какому – догадайтесь?
Ответ: что мир движется к разрушению…
Учитель: Верно. Это идея носит название гипотезы тепловой смерти Вселенной. Согласно этой гипотезе, постепенно все сложноорганизованные системы Вселенной должны превратиться в простейшие, то есть разрушиться.
Так ли это?
Возможные решения: Вселенная не представляет собой замкнутую систему, так как бесконечна. Кроме того, имеется вторая сила – энтальпия, которая заставляет идти невыгодные энтропийно процессы.
Учитель: Нет. Почему нет – на этот вопрос я сегодня отвечать не буду. Скажу только, чтобы создать интригу, что энтропии противостоит другая, не менее значимая сила. В противоборстве этих двух сил и решаются, на самом деле, судьбы мира. Называть эту вторую силу не стану. Покажу только одно из ее проявлений.
Перед вами уравнение химической реакции, которая категорически противоречит принципу неубывания энтропии. Со всех позиций эта реакция должна быть невозможна. Эта реакция не является реакцией разложения, в ней энтропия резко убывает, так как из газа и жидкости образуется твердое вещество. Эта реакция и энергетически крайне невыгодная, сопровождается поглощением большого количества энергии.
Демонстрируется слайд с фотосинтезом.
Учитель: Кто-нибудь узнал эту реакцию?
Ответы детей.
Верно, это фотосинтез. Именно таким образом зеленые растения из углекислого газа и воды производят вещества жизни – углеводы (здесь глюкозу). Фотосинтез – основа жизни на Земле.
Что же делает эту реакцию возможной, несмотря на убывание энтропии. Это то, что не показано в уравнении реакции.
6CO2 + 6H2O = C6H12O6 +6 O2
Газ жидк тверд газ
Ответ: солнечный свет.
Учитель: Верно. Это солнечный свет. Он и есть часть той силы, которая противостоит энтропии.
Подведем итоги. Возможно, вы догадались, что закон неубывания энтропии применим не только к системам молекул или горным грядам, заставляя их упрощать свою организацию, а потому разрушаться.
С энтропийных позиций можно объяснить и социальные потрясения, и стремление людей разрушать то, что создано усилиями целых цивилизаций. За всем этим стоит энтропия.
Еще древние интуитивно чувствовали эту силу и инстинктивно боялись ее. Древние греки называли эту силу Хаос и обожествляли ее. Хаос – одно из самых страшных божеств. Он не имеет лица, и он все способен превращать в ничто.
Можно ли противостоять Хаосу – энтропии? Да. Я не назвал эту силу, но показал одно из ее проявлений – солнечный свет. Она есть и в каждом из нас. Ищите ее и найдите ее в себе. Это заставит энтропию отступить. Хотя бы ненадолго.
А наш урок окончен.
Владимир Головнер, учитель химии школы №1259 Москвы, лауреат Московского конкурса «Учитель года-1997»
В прикрепленном файле – приложения.
Выбор читателей
Комментарии