При высокой температуре амплитуда колебаний атомов вольфрама в кристаллической решетке возрастает настолько, что отдельные атомы отрываются от нити и улетают. Куда? В соответствии с законами физики теплота переносится от более нагретого тела (нити) к менее нагретому (колбе). Как заставить атомы вольфрама вернуться назад и «приземлиться» на старое место, причем не где попало, а именно там, откуда их больше всего вылетает? Физические законы страшнее юридических, их невозможно нарушить даже при очень сильном желании. Перенос вольфрама из холодной зоны в горячую и точная «посадка» на нить накала противоречат законам физики. Здесь поможет химия. Известны так называемые транспортные реакции, при которых твердые или жидкие вещества, взаимодействуя с газообразными, образуют газообразные продукты, а полученные вещества после переноса в другую часть системы при повышении температуры разлагаются с выделением исходного вещества. Такой перенос может происходить как из холодной зоны в горячую, так и в обратном направлении. Параметры заданы. Осталось определить соединение вольфрама, обладающее транспортными функциями. В ртутной лампе используют бром (или хлор). В лампах накаливания в роли «извозчиков» может работать, например, йод. Он взаимодействует с осевшим на колбу вольфрамом, образуя йодид вольфрама(II), который разлагается на раскаленной нити, и вольфрам оседает туда, откуда он испарился. Замечательно то, что этот процесс не потребляет энергию извне, не требует никаких дополнительных обслуживающих систем -- все обеспечивается безупречным поведением «дрессированных» молекул.

7. В одном институте разрабатывали проект не совсем обычного трубопровода: по одним и тем же трубам должны были друг за другом идти разные жидкости. Чтобы они не спешивались, их надо разделить специальным устройством, например, после первой жидкости идет шар, словно поршень, а за шаром другая жидкость. Такая система ненадежна, так как при большом давлении в трубопроводе жидкости будут смешиваться. Можно использовать другие разделители, например пробку из трех резиновых дисков. Но любой разделитель не пройдет через насосы, установленные на насосных станциях. Предложите разделитель, способный проходить через насосы и гарантирующий несмешивание жидкостей.

Решение:

Начнем с дробления: мысленно уменьшаем размеры шара. Вместо одного большого шара - множество футбольных мячей. Или теннисных. Или еще меньше - дробинок, плавающих в жидкости. (На такую «пробку» выдано авторское свидетельство.) Замена жесткой пробки на динамичную соответствует общей тенденции развития технических систем. А если продолжить мысленный эксперимент? Перейдем от дроби к еще более мелким частицам - молекулам. Возникает идея пробки из жидкости или газа. Газовая пробка не сможет быть разделителем: транспортируемая жидкость пройдет сквозь нее. А вот жидкая пробка возможна. Один нефтепродукт, например керосин, затем водяная пробка, а за ней другой нефтепродукт, скажем бензин. У жидкой пробки огромные преимущества: она никогда не застрянет в трубопроводе и свободно пройдет через насосы промежуточных станций. Но и недостаток у этой пробки существенный: нефтепродукты будут проникать в жидкий разделитель, головная и хвостовая части пробки постепенно смешаются с ними. Отделить их от воды трудно, на конечной станции пробку и попавшие в нее нефтепродукты придется выбросить. Но жидкое вещество пробки, прибыв в резервуар на конечной станции, должно само отделиться от нефти. Для этого есть только две возможности: жидкость становится твердым веществом и выпадает в осадок или превращается в газ и улетучивается. Переход в газ заманчивее, так как твердый осадок надо отфильтровывать. Значит, нужно вещество, которое при высоком давлении в нефтепроводе (десятки атмосфер) будет жидким, а при нормальном давлении -- газообразным. Кроме того, учтем, что подобное растворяется в подобном. Чтобы пробка не растворялась в нефти, ее нужно изготовить из полярной жидкости, дешевой, безопасной, инертной по отношению к нефтепродуктам. Имея столь подробный перечень примет, нетрудно найти подходящее вещество по справочнику. Всеми интересующими нас качествами обладает аммиак. Пробка из жидкого аммиака надежно разделит идущие по трубопроводу жидкости. В дороге она частично смешается с нефтепродуктами, но это нестрашно: на конечной станции аммиак превратится в газ, в нефть останется в резервуаре.

8. Для изготовления листового стекла раскаленную стеклянную ленту подают на конвейер. Лента перекатывается с одного металлического ролика на другой, постепенно остывая. При этом не застывшая еще стеклянная лента прогибается, на стекле образуются неровности, поэтому его приходится долго полировать. Впервые столкнувшись с этой проблемой, инженеры предложили сделать ролики как можно тоньше, чтобы стеклянная лента получалась ровнее. Но чем тоньше ролики, тем сложнее изготовить из них огромный - в десятки метров -- конвейер. Если толщина ролика равна толщине спички, на каждый метр конвейера потребуются 500 роликов и устанавливать их придется прямо-таки с ювелирной точностью. Как усовершенствовать процесс изготовления листового стекла?

Решение:

Попробуем опять применить принцип дробления. Уменьшаем диаметр роликов. Минимальная толщина -- один атом. Раскаленная стеклянная лента движется по слою шариков-атомов. Отличный конвейер, идеально ровный.

Итак, под стеклянную ленту надо насыпать шарики-атомы. Это не могут быть атомы газа (они сразу улетучатся) или твердого тела (они не будут свободно двигаться). Остается одна возможность -- использовать атомы жидкости. Какую жидкость взять для такого конвейера? Не будем искать наугад, используем знания по химии (или хотя бы справочники). Прежде всего, нужна жидкость легкоплавкая, но у нее должна быть высокая температура кипения, иначе она легко закипит, и поверхность стекла покроется пузырьками. Плотность жидкости должна значительно превышать плотность стекла (2,5 г/см3), иначе стеклянная лента не будет держаться на ее поверхности. Итак, искомое вещество имеет температуру плавления не выше 200-300°С, температуру кипения не ниже 1500 °С, плотность не менее 5-6 г/см3.

Таким сочетанием свойств обладают только металлы. Если не брать во внимание редкие металлы, претендентов совсем мало: висмут, олово, свинец. Висмут дорог, пары свинца ядовиты, остается олово. Итак, вместо конвейера -- длинная ванна с расплавленным оловом. Вместо роликов -- атомы.

Система перешла на микроуровень, появилась возможность дальнейшего развития. И действительно, сразу после этого изобретения потоком пошли патенты на различные усовершенствования. Например, если через олово пропустить ток, то с помощью магнитов можно придавать его поверхности любую форму - только на эту тему сделано несколько сотен изобретений.

9. При выплавке чугуна в домне образуется ишак. Шлак, имеющий температуру 1000°С, спивают в большие ковши и на железнодорожных платформах отвозят на переработку. Расплав шлака -- ценное сырье для изготовления строительных материалов. Но затвердевший шлак перестает быть таким сырьем. Снова расплавлять его невыгодно. В ковше сначала весь шлак жидкий, однако при транспортировке на его поверхности образуется и быстро нарастает твердая корка. Приходится пробивать ее с помощью специальных (довольно громоздких) устройств. Корка удерживает часть жидкого шлака. В результате из ковша сливают только 2/3 шлака, остальное идет на свалку. К тому же нужно потратить немало труда, чтобы освободить ковш от затвердевшего шлака, а потом вывезти этот шлак с территории завода. Было бы выгодно сделать ковш с хорошей теплоизоляцией, но она займет много места, ковш станет шире, а это недопустимо при железнодорожных перевозках. Если же сделать теплоизолирующую крышку на ковш, который размером с комнату, то и устанавливать, и снимать ее придется с помощью крана. Предложите решение.

Решение:

Модель задачи: есть раскаленный шлак, а над ним холодный воздух. ИКР: холодный воздух сам не дает застыть шлаку. Применяем прием «обратить вред в пользу»: холодный воздух должен защищать шлак от холодного воздуха.

Какая зона воздуха не соответствует этому требованию? Очевидно, та, которая непосредственно соприкасается с горячей поверхностью расплавленного шлака. Теперь видно физическое противоречие: эта зона (там сейчас слой холодного воздуха) должна быть чем-то заполнена, чтобы задерживать тепло, и эта зона не должна быть ничем заполнена, чтобы можно было свободно заливать и выливать шлак. В подобных случаях не вводят посторонние вещества, а видоизменяют уже присутствующие («использовать принцип однородности») - шлак и воздух. Возможны только три ответа.

Изменять воздух - нагревать тот слой, который лежит у поверхности шлака. Это плохое решение: придется ставить горелки, а они будут загрязнять атмосферу.

Изменять шлак - покрыть поверхность жидкого шлака шариками из твердого шлака. Термоизоляция получится неплохая, но возникает масса неудобств: надо изготавливать шарики, как-то удерживать их в ковше, когда сливается шлак.

Использовать смесь шлака и воздуха - смешать компоненты и получить пену. Отличный теплоизолятор. Залили шлак в ковш, сделали слой пены, получили прекрасную теплозащитную крышку. Сливать шлак можно, не обращая внимания на эту крышку, - жидкий шлак свободно пройдет сквозь пену. Крышка есть, и как бы нет. Задача в принципе решена, нужно выяснить чисто технический вопрос: как получить пену? Простейший способ - при заливке шлака подавать одновременно немного воды. Обратите внимание на парадокс: чтобы шлак сохранил тепло его поливают холодной водой.

10. Хороший термос долго (до 2 суток) хранит тепло, но когда жидкость в термосе остыла, то для нагревания ее необходимо вылить из термоса, нагреть и снова залить. А если для этого нет условий? Почему бы воду не нагреть сразу в термосе? Но колба термоса не герметична, в простенках вакуум. Если в колбу ставить еще один металлический цилиндр, чтобы в нем нагревать воду, вес изделия увеличится. Это грубое решение проблемы. Изобретите термос - чайник.

Решение:

Формулируем техническое противоречие: вакуум в колбе должен быть теплопроводным, когда вода нагревается, и не должен проводить тепло, когда нагревание прекращено. Заменяем слово вакуум на словом вещество: вещество в сосуде должно проводить тепло при нагревании сосуда и быть теплоизолятором при прекращении нагревания. Лучший теплоизолятор тепла - вакуум. Уточняем: вещество появляется при нагревании и проводит тепло; вещество исчезает при прекращении нагревания, образуется вакуум. Для решения этой задачи более всего подходят гидриды металлов, т.к. они обладают способностью поглощать водород при охлаждении и выделять при нагревании. А водород хороший проводник тепла. Итак, в термосе между стенками глубокий вакуум, а на дне - горсть гидрида. Если немного нагреть гидрид, то выделившийся водород станет проводником тепла между стенками. Выключим нагрев, и водород полностью поглотится гидридом, восстановится вакуум. Внутри термоса может быть аккумулятор тепла и холода. По энергоемкости водородные термосы в 20 раз превосходят электробатареи.

Выводы

1. Определена тематика задач по теоретическим основам химической технологии в рамках изучения курса прикладная химия.

2. Составлены и подобраны задачи по выбранным темам.

3. Показано, что при решении задач по прикладной химии студенты испытывают затруднения при математических расчетах с использованием дифференциального и интегрального исчисления, разложением сложного многостадийного процесса в условии задачи на отдельные стадии и проведении расчетов по всей совокупности стадий.

4. Разработана методика решения задач, в качестве примера представлены подробные решения типовых задач каждого раздела и приведены задачи для самостоятельного решения.

5. Показано, что курс прикладная химия, изучаемый на завершающем этапе подготовки будущих учителей химии следует рассматривать как курс обобщения, повторения и систематизации ранее приобретенных химических знаний.

Список литературы

1. Абкин Г.Л. Методика решения задач по химии. М.: Просвещение, 1971. - 200 с.

2. Аликберова Л.Ю., Хабарова Е.И. Задачи по химии с экологическим содержанием. М.: Центрхимпресс, 2001. - 70 с.

3. Андреева М.П. Овладение студентами педагогических ВУЗов методическими приемами обучения учащихся решению задач по химии. // Химия и методика преподавания. 2005, № 3. - С. 23-26.

4. Аранская О.С. Сборник задач и упражнений по химической технологии и биотехнологии. Минск: Университетское, 1989. - 296с

5. Аркавенко Л.Н., Гапонцеа В.Л., Белоусова О.А. Для чего классифицировать расчетные задачи. // Химия в школе. 1998, № 3. - С. 60-63.

6. Артемьев В.П. Задание по методике преподавание химии. Тесты и усложненные задачи (задачи экологического содержания). Пенза, 2002. 122 с.

7. Архангельская О.В., Тюльков И.А. Трудная задача? Начнем по порядку…

// Химия в школе. 2003, № 2. - С. 51-55.

8. Ахметов М.А. Конспект лекции по общей химии. Введение в термодинамику химических реакций. // Первое сентября. 2005, № 15. - С. 35-37.

9. Безуевская В.А. Химические задачи с экологическим содержанием. // Химия в школе. 2000, №2. - С. 59-61.

10. Бердоносов С.С. Конспект лекции по общей химии. Тепловые эффекты химических реакций. // Первое сентября. 2005, №20 - С. 11-18.

11. Бердоносов С.С. Конспект лекции по общей химии. Равновесие. // Первое сентября. 2005, №21. - С. 18-23.

12. Бондарь Д.А., Гариев И.А. Трудная задача? Начнем по порядку… // Химия в школе. 1997, № 3. - С. 44-48.

13. Бондарь Д.А., Тюльков И.А. Трудная задача? Начнем по порядку. // Химия в школе. 1999, №2. - С. 31-34.

14. Бондарь Д.А., Гариев И.А. Трудная задача? Начнем по порядку… // Химия в школе. 1997, № 6. - С. 61-64.

15. Веденяпин А.В. Решение расчетных задач по химии. М.: Просвещение, 1972. - 160 с.

16. Гаврусейко Н.П. Наш опыт решения расчетных задач. // Химия в школе. 1981, № 1. - С. 46-50.

17. Гольдфарб Я.Л., Ходаков Ю.В., Додонов Ю.Б. Сборник задач и упражнений по химии. М.: Просвещение, 1988. - 156 с.

18. Гудкова А.С., Ефремова К.М., Магдесиева Н.Н., Мельчакова Н.В. 500 задач по химии. М.: Просвещение, 1977. - 120 с.

19. Гузеев В.В. О системе задач и задачном подходе к обучению. // Химия в школе. 2001, № 8. - С. 12-14.

20. Ерыгин Д.П., Шишкин Е.А. Методика решения задач по химии. М.: Просвещение, 1989. - 176 с.

21. Ерыгин Д.П. Фоминых Н.А. Задачи экологического содержания в курсе органической химии. // Химия в школе. 1992, №5-6. - С. 47-49.

22. Задачи и упражнения по общей химии. Под редакцией профессора Н.В. Коровина. М.: «Высшая школа», 2006. - 155 с.

23. Зуева М.В. Развитие учащихся при обучении химии. М.: Просвещение, 1978. - 184 с.

24. Игнатенков В.И., Бесков В.С. Примеры и задачи по общей химической технологии. М.: ИКЦ «Академкнига», 2005. - 200 с.

25. Керимов Э.Ю. Курс лекций по физической химии: химическая термодинамика. Пенза, 2005. - 104 с.

26. Керимов Э.Ю. Курс лекций по физической химии: химическая кинетика. Пенза, 2004. - 109 с.

27. Кирюшкин Д.М. Методика обучения химии: Просвещение, 1970. 186 с.

28. Климов И.И., Филько А.И. Сборник вопросов и задач по физической и коллоидной химии. М.: Просвещение, 1975. - 190 с.

29. Ключников Н.Г. Практические занятия по химической технологии. М.: Просвещение, 1972. - 165 с.

30. Кудряшов И.В., Каретников Г.С. Сборник примеров и задач по физической химии. М.: Высшая школа, 1991. - 510 с.

31. Кушнарев А.А. Учимся решать задачи по химии. // Химия в школе. 1993,

№ 5. - С. 46-54.

32. Кушнарев А.А. Учимся решать задачи по химии. // Химия в школе. 1994,

№ 2. - С. 44-51.

33. Кушнарев А.А. Учимся решать задачи по химии. // Химия в школе. 1995, № 5. - С. 51-57.

34. Лабий Ю.Н. Решение задач по химии с помощью уравнений и неравенств. М.: Просвещение, 1987. - 80 с.

35. Логинов Н.Я., Ключков Н.Г. Практикум по химической технологии. М.: Просвещение, 1963. - 210 с.

36. Магдесиева Н.Н., Кузменко Н.Е. Учись решать задачи по химии. М.: Просвещение, 1986. - 259 с.

37. Мациевский А.Э. К методике решения задач на тепловые эффекты. // Химия в школе. 1979 № 4. - С. 54-57.

38. Методика преподавания химии. Под редакцией Кузнецовой Н.Е. М.: Просвещение, 1984. - 406 с.

39. Мурзина Т.Б, Оржековский П.А. Новые подходы в обучении решению расчетных задач по химии. // Химия и методика преподавания. 2002, № 8. - С. 28-33.

40. Пичугина Г.В. Задание для самостоятельной работы по курсу прикладной химии. // Химия в школе. 1997, № 3. - С. 29-31.

41. Плетнер Ю.В., Полосин В.С. Практикум по методике преподавания химии. М.: Просвещение, 1981. - 210 с.

42. Протасов П.Н., Цитович И.К. Методика решения расчетных задач по химии. М.: Просвещение, 1978. - 123 с.

43. Радецкий А.М. Задачи с производственным содержанием по органической химии. // Химия в школе. 1996, № 1. - С. 40-41.

44. Соколов Р.С. Химическая технология том 1. М.: ВЛАДОС, 2003. - 363 с.

45. Соколов Р.С. Химическая технология том 2. М.: ВЛАДОС, 2003. - 444 с.

46. Строкатов С.Ф., Майзель В.В., Ильинова Г.Н., Юркъян О.В. Методика решения расчетных химических задач. // Химия в школе. 1999, № 5. С. 60-61.

47. Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия. М.: Высшая школа, 2001. - 516 с.

48. Тюльков И.А. Трудная задача? Начнем по порядку… // Химия в школе. 2000, № 3. - С. 56-60.

49. Хомченко Г.П. Пособие по химии для поступающих в ВУЗы. М.: Новая волна, 1997. - 447 с.

50. Хомченко Г.П., Хомченко И.Г. Сборник задач по химии для поступающих в ВУЗы. М.: Новая волна, 2001. - 271 с.

51. Цитович И.К., Протасов П.Н. Методика решения расчетных задач по химии. М.: Просвещение, 1983. - 245 с.

52. Чернобельская Г.М. Методика обучения химии в средней школе. М.: ВЛАДОС, 2000. - 303 с.

53. Чечевицына М.Б. Использование теории решения изобретательских задач // Химия в школе. 2004, № 4. - С. 26-38.

54. Чунихина Л.Л. Из опыта обучения решению расчетных задач // Химия в школе. 1900, № 3. - С. 33-36.

55. Шаповаленко С.Г. Методика обучения химии, М.: Просвещение, 1963. - 660 с.

56. Шишкин Е.А. Пути решения расчетной задачи. // Химия в школе. 2005, № 4. - С. 46-52.

57. Штремплер Г.И Хохлова А.И. Методика решения расчетных задач по химии. М.: Просвещение, 1998. - 195 с.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11