8 класс Химия Первоначальные химические понятия Химия — важная область естествознания

Методы изучения химии

Содержание

В этом уроке вы узнаете, с помощью каких инструментов ученые раскрывают тайны окружающих веществ, как правильно планировать научное исследование и зачем химикам нужны уменьшенные копии молекул.

Поиск закономерностей в мире веществ

Каждое утро, прежде чем выйти на улицу, мы совершаем привычное действие — смотрим в окно. Зачем? Чтобы узнать погоду: идет ли дождь, есть ли лужи и насколько тепло одеваться. В этот момент мы используем один из самых доступных и древних способов изучения природы — наблюдение.

Красный динозавр стоит у открытого окна с занавеской и смотрит на прохладную погоду за окном

Химия, как биология, география, физика и астрономия, принадлежит к большой семье естественных наук, и наблюдение является для нее фундаментальным инструментом.

определение

Наблюдение — это концентрация внимания на познаваемых объектах с целью их изучения.

В химии объектом вашего внимания всегда будет само вещество или те изменения, которые происходят с ним в определенных условиях. Как часто мы наблюдаем за химическими процессами в обычной жизни? Оказывается, постоянно. В зависимости от задачи наблюдения бывают очень разными по форме и длительности:

Непосредственное наблюдение — когда вы лично следите за объектом. Например, смотрите, как закипает вода в чайнике или как темнеет разрезанное яблоко.
Опосредованное наблюдение — когда вы используете результаты, которые уже зафиксировал кто-то другой в виде сообщений или видеозаписей. Например, вы изучаете видеозапись редкого опыта, который опасно проводить в классе.
Кратковременное наблюдение — которое длится минуты. Его проводят на уроке при выполнении быстрых лабораторных опытов.
Долговременное наблюдение — которое длится часами, днями и неделями. Яркий пример из жизни: наблюдение за тем, как ржавеет оставленный во влажном гараже велосипед. Ученые неделями отслеживают такую коррозию металлов, чтобы понять, как защитить от разрушения мосты и поезда.

Каждое научное наблюдение в химии должно соответствовать строгому порядку шагов. Попробуйте догадаться, какой шаг должен быть самым первым.

Можно ли начать исследование, если вы еще не выбрали, за чем именно будете следить?

Для начала необходимо выбрать, за чем вы будете наблюдать.

Шаг 1: Определение объекта наблюдения (вещества или изменений, происходящих с ним).
Шаг 2: Формулирование цели наблюдения.
Шаг 3: Выдвижение научной гипотезы.

Слово гипотеза пришло к нам из греческого языка, в котором означает основание.

определение

Гипотеза — научное предположение, объясняющее какое-либо свойство химического объекта и влияние условий на его проявление.

Простыми словами, это ваша догадка. Например: «Если оставить железо в абсолютно сухом месте, оно не покроется ржавчиной». После гипотезы составляется план ее проверки в ходе эксперимента.

{"questions":[{"instruction":"Расставьте шаги научного метода в правильном порядке, который использует исследователь перед началом практической работы","content":"[[sorter-1]]","widgets":{"sorter-1":{"type":"sorter","items":["Определение объекта наблюдения","Формулирование цели наблюдения","Выдвижение научной гипотезы","Составление плана проверки гипотезы"]}},"hints":["Подумайте, можно ли поставить цель или выдвинуть догадку, если вы еще не выбрали конкретный предмет или вещество для изучения.","План действий всегда разрабатывается в самом конце, когда цель уже ясна и догадка сформулирована."],"explanation":"Сначала исследователь выбирает предмет изучения — определяет объект наблюдения. Только после этого можно сформулировать цель работы и высказать догадку — выдвинуть научную гипотезу. Детальный план проверки этой догадки всегда составляется в самом конце, непосредственно перед началом практических опытов."}],"mix":0}

От предположения к контролируемому опыту

Представьте, что вы купили новые кроссовки и хотите проверить, правда ли их подошва не скользит, как обещала реклама. Вы не просто смотрите на них, вы идете и пробуете пробежаться по разным покрытиям. В науке проверка догадок действием называется химическим экспериментом. Это слово происходит от латинского «экспериментум», что переводится как проба, опыт.

определение

Химический эксперимент — исследование, которое проводят с веществами в контролируемых условиях с целью изучения свойств веществ.

Зелёный динозавр-учёный в очках проводит химический опыт в лаборатории

Для таких исследований создается специально оборудованное помещение — лаборатория. В чем ее суперсила? В отличие от наблюдения на улице, где погода меняется сама по себе, в лаборатории условия контролируете именно вы. Вы можете сами задать нужную температуру нагрева на горелке, исключить доступ воздуха или с точностью до миллиграмма отмерить массу веществ.

Если воспроизвести эксперимент многократно в одних и тех же условиях, это позволит выявить точную закономерность, которой подчиняются вещества. По результатам опыта ученый делает вывод — была его гипотеза истинной или ошибочной, и оформляет отчет.

{"questions":[{"content":"Ученики решили выяснить, как меняется цвет медной монеты при сильном нагревании. Они зажгли горелку в лаборатории, закрепили монету в зажиме, раскалили ее в пламени и зафиксировали появление черного налета. Каким методом воспользовались ученики для изучения свойств меди? [[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["Долговременное наблюдение","Химический эксперимент","Опосредованное наблюдение"],"answer":[1]}},"hints":["Обратите внимание: ученики не просто смотрели на монету в естественной среде, а сами активно изменили условия с помощью специального лабораторного оборудования.","Опыт проводился в специально контролируемой среде и занял короткое время урока."],"explanation":"Действия учеников являются химическим экспериментом, так как они проводили исследование с веществом в контролируемых условиях лаборатории на горелке с целью изучения свойств меди."}],"mix":0}

Мир знаков и моделей

Химический эксперимент наглядно показывает нам эффекты: вспышки света, изменение цвета или выделение газа. Но даже под самым сильным микроскопом человеческий глаз не способен рассмотреть, как устроены вещества изнутри, ведь молекулы и атомы ничтожно малы. Как же изучать то, что невозможно увидеть? На помощь приходит моделирование.

определение

Моделирование — это изучение объекта с помощью построения и исследования моделей.

определение

Химическая модель (от латинского «модулус» — мера, образец) — это упрощенный вариант химического объекта, в котором копируются лишь важнейшие свойства объекта с целью его изучения.

Химические модели разделяют на две большие группы:

Материальные или вещественные модели. Это осязаемые предметы. Вспомните глобус на географии — это копия Земли. В химии материальными моделями служат объемные конструкции молекул, собранные из разноцветных шариков. Крупные пластиковые шарики заменяют невидимые атомы водорода, углерода или кислорода, позволяя нам рассмотреть их форму и пространственное строение.
Знаковые или символьные модели. Это модели, которые мы записываем знаками на бумаге или доске. Представьте, как неудобно было бы ученым каждый раз носить с собой коробки с пластиковыми шариками, чтобы объяснить коллегам суть реакции. Поэтому они используют условные обозначения атомов и молекул, химические знаки, формулы и уравнения. Они заменяют реальные вещества символами на бумаге.

Инфографика сравнивает материальные химические модели из шариков со знаковыми моделями в виде символов элементов, формул и уравнений.

{"questions":[{"content":"Распределите указанные примеры химических моделей по двум группам в зависимости от их типа — материальные (вещественные) или знаковые (символьные)[[grouper-1]]","widgets":{"grouper-1":{"type":"grouper","labels":["Материальные модели","Знаковые модели"],"items":[["Объемная конструкция молекулы метана из пластиковых шариков","Собранная из деревянных деталей модель кристаллической решетки"],["Записанное на доске уравнение химической реакции","Формула воды $H_2O$ в школьной тетради"]]}},"hints":["Материальные модели — это реальные предметы, которые можно рассмотреть и потрогать.","Знаковые модели состоят из условных обозначений, букв и цифр, например формул и уравнений."],"explanation":"Конструкции из шариков и деревянных деталей — физические предметы, поэтому это материальные модели. Формула воды и уравнение реакции записаны условными знаками, поэтому это знаковые модели."}],"mix":0}

Знание методов химии дает человеку возможность управлять свойствами окружающего мира. Умение правильно наблюдать, строить точные гипотезы, проверять их в безопасных условиях лабораторий и моделировать скрытые процессы помогает ученым создавать лекарства, новые прочные материалы и защищать планету от загрязнений.

{"questions":[{"content":"Исследователь изучает видеозапись сложного опыта, проведенного его коллегами в другой лаборатории, чтобы зафиксировать изменения, происходящие с веществом при сверхнизких температурах. Каким видом наблюдения пользуется исследователь в данный момент? [[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["Непосредственное наблюдение","Долговременное наблюдение","Опосредованное наблюдение"],"answer":[2]}},"hints":["Обратите внимание на то, проводит ли ученый этот опыт самостоятельно прямо сейчас или он использует данные, которые уже были кем-то записаны.","Когда информация получена через отчеты, сообщения или видеозаписи других людей, наблюдение имеет особое название."],"explanation":"В данном случае исследователь не следит за объектом лично, а использует результаты, которые уже зафиксировал другой человек в виде видеозаписи. Это опосредованное наблюдение."},{"content":"Ученый принес со двора старый заржавевший замок, поместил его в герметичный стеклянный сосуд лаборатории, полностью откачал оттуда воздух и начал отслеживать, продолжится ли разрушение металла без доступа кислорода. Каким методом исследования воспользовался ученый? [[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["Кратковременное наблюдение","Химический эксперимент","Опосредованное наблюдение"],"answer":[1]}},"hints":["Обратите внимание, что исследователь перенес объект в лабораторию и начал самостоятельно и целенаправленно изменять условия окружающей среды.","Создание искусственной, строго контролируемой среды — откачивание воздуха из сосуда — для изучения свойств веществ отличает этот метод от простого наблюдения."],"explanation":"Это химический эксперимент: исследование проводится в контролируемых условиях лаборатории, где ученый сам изменяет среду, чтобы изучить свойства объекта."},{"content":"В ходе беседы один из учеников высказал предположение: «Если сильно нагреть песок с содой, то получится прозрачное стекло». Какое научное понятие точнее всего описывает это высказывание до проведения реального опыта? [[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["Моделирование изучаемого процесса","Объект наблюдения в этом исследовании","Гипотеза до проведения опыта"],"answer":[2]}},"hints":["Вспомните, как называется научное предположение, объясняющее свойства химического объекта и влияние условий на его проявление.","Это слово происходит от греческого корня со значением «основание» и обозначает научную догадку, требующую практической проверки."],"explanation":"Высказывание ученика — гипотеза: научное предположение о возможном свойстве веществ при определенном условии, которое нужно проверить опытом."}],"mix":0}

Часто задаваемые вопросы

С помощью каких инструментов ученые раскрывают тайны окружающих веществ?

Ученые используют комплекс дополняющих друг друга методов. Сначала они собирают первичные данные с помощью непосредственного или долговременного наблюдения. Затем они переносят вещество в контролируемые условия лаборатории и проводят химический эксперимент. А чтобы заглянуть внутрь невидимого микромира веществ, они строят материальные и знаковые модели.

Как правильно планировать научное химическое исследование?

Исследование всегда планируется по строгому алгоритму. Сначала исследователь четко определяет объект наблюдения и формулирует цель. Затем выдвигает гипотезу — научное предположение о свойствах вещества. После этого составляется детальный план проверки гипотезы, проводится контролируемый эксперимент, делается вывод и оформляется отчет.

Зачем химикам нужны уменьшенные копии молекул?

Молекулы и атомы слишком малы, чтобы рассмотреть их устройство напрямую. Упрощенные уменьшенные копии — материальные модели — наглядно копируют форму и строение молекул, помогая изучать их свойства. А знаковые модели (формулы) позволяют компактно записывать химические процессы и вести расчеты на бумаге.

Зачем формулировать гипотезу перед экспериментом, если можно просто смешать вещества и посмотреть на результат?

Без гипотезы эксперимент теряет научный смысл и превращается в хаотичное смешивание. Гипотеза задает вектор исследованию: она определяет, какие именно условия нам нужно изменить и за какими конкретно свойствами вещества необходимо следить, чтобы подтвердить или опровергнуть наше предположение.

В чем главное практическое отличие материальной модели молекулы от знаковой?

Материальная модель (например, собранная из пластилина или пластика) является вещественной, ее можно потрогать и рассмотреть со всех сторон, чтобы понять форму молекулы. Знаковая модель (например, химическая формула на доске) состоит из символов. Она абстрактна, но позволяет быстро и компактно записывать химические процессы и проводить математические расчеты.

Если я смотрю на заржавевший гвоздь на улице, это считается химическим экспериментом?

Нет, это является наблюдением. В данном случае человек никак не влияет на окружающую среду. Эксперимент начнется только тогда, когда вы принесете этот гвоздь в лабораторию и начнете целенаправленно менять контролируемые условия: например, поместите один гвоздь в безвоздушное пространство, а другой — в сосуд с чистым кислородом, чтобы проверить их свойства

Награды за урок