МЕТОДИКА  ИНТЕГРАЦИИ  И  УЧЕТА  МЕЖПРЕДМЕТНЫХ  СВЯЗЕЙ  ПРИ  ПРЕПОДАВАНИИ  НЕКОТОРЫХ  РАЗДЕЛОВ  КВАНТОВОЙ  МЕХАНИКИ  И  ХИМИИ

Шевченко  Светлана  Сергеевна

канд.  физ.-мат.  наук,  доцент 
Череповецкого  высшего  военного  училища  радиоэлектроники, 

РФ,  г.  Череповец

Шайдулина  Гульнара  Хайдаровна

ст.  преподаватель 
Череповецкого  высшего  военного  училища  радиоэлектроники, 

РФ,  г.  Череповец

Нилова  Людмила  Ивановна

доцент 
Череповецкого  высшего  военного  училища  радиоэлектроники, 

РФ,  г.  Череповец

E-mail:  sveta-shev@yandex.ru

METHODOLOGY  OF  INTEGRATION  AND  CONSIDERATION  OF  INTERSUBJECT  COMMUNICATIONS  WHEN  TEACHING  SOME  SECTIONS  OF  QUANTUM  PHYSICS  AND  CHEMISTRY

Svetlana  Shevchenko

candidate  of  Physical  and  Mathematical  Sciences,  Associate  Professor, 
Cherepovets  Higher  Military  School  of  Radio  Electronics, 
Russia,  Cherepovets

Gulnara  Shaydulina

senior  Lecturer, 
Cherepovets  Higher  Military  School  of  Radio  Electronics, 
Russia,  Cherepovets

Ludmila  Nilova

associate  Professor, 
Cherepovets  Higher  Military  School  of  Radio  Electronics, 
Russia,  Cherepovets

АННОТАЦИЯ

В  работе  предлагается  методика  построения  интегрированного  курса  на  стыке  физики  и  химии  с  целью  более  глубокого,  детального  и  качественного  изучения  в  высших  технических  учебных  заведениях  квантово-механического  описания  строения  и  свойств  атомов  и  молекул  и  теории  химической  связи.

ABSTRACT

In  the  article  a  methodology  of  the  integrated  course  formation  at  the  intersection  of  physics  and  chemistry  is  offered  for  the  purpose  of  deeper,  more  detailed  and  qualitative  study  of  quantum-mechanical  description  of  the  structure  and  properties  of  atoms  and  molecules  and  chemical  bond  theory  in  higher  technical  schools.

Ключевые  слова:  уравнение  Шредингера;  строение  атома;  правила  отбора;  теория  химической  связи.

Keywords:  Schrodinger  equation;  atomic  structure;  sample  procedure;  theory  of  chemical  bond. 

В  настоящее  время  в  рамках  перехода  от  традиционной  к  компетентностной  системе  обучения  на  первый  план  выходит  проблема  межпредметных  связей  преподаваемых  дисциплин.  Проблема  эта  не  новая  для  высшей  школы,  но  когда  результатом  обучения  должна  являться  сформированность  на  должном  уровне  у  обучаемого  определенных  компетенций,  она  приобретает  совершенно  новый  качественный  характер.  Формирование  компетенций  априори  должно  происходить  в  рамках  нескольких  изучаемых  дисциплин,  и  в  этой  связи  межпредметное  взаимодействие  является  основополагающим.  Кроме  того  в  условиях  временных  ограничений,  накладываемых  на  дисциплины  естественного  цикла,  на  первый  план  выходит  задача  обеспечения  высокой  связности  содержания  естественнонаучных  дисциплин,  что,  безусловно,  влияет  на  эффективность  обучения.

Межпредметная  интеграция  в  учебном  процессе  позволяет  обеспечить  системность  знаний,  выработать  целостное  мировоззрение,  единый  взгляд  на  учебную  и  профессиональную  деятельность,  способствует  формированию  у  обучаемых  умения  устанавливать  всесторонние  связи  между  научными  фактами,  понятиями,  законами,  теориями  из  различных  областей  естественнонаучных  знаний.

В  педагогической  литературе  имеется  более  сорока  определений  понятия  «межпредметные  связи»,  существуют  различные  классификации  и  самые  разнообразные  подходы  к  их  педагогической  оценке.  Наиболее  полным  определением  межпредметных  связей  в  учебном  процессе,  на  наш  взгляд,  представляется  определение,  данное  Г.Ф.  Федорцом:  «межпредметные  связи  есть  педагогическая  категория  для  обозначения  синтезирующих,  интегративных  отношений  между  объектами,  явлениями  и  процессами  реальной  действительности,  нашедших  свое  отражение  в  содержании,  формах  и  методах  учебно-воспитательного  процесса  и  выполняющих  образовательную,  развивающую  и  воспитывающую  функции  в  их  органическом  единстве»  [2].

В  данной  работе  предлагается  достаточно  эффективная  методика  интеграции  и  углубления  межпредметных  связей  на  стыке  химии  и  квантовой  механики,  которая  может  быть  применена  для  любой  технической  специальности  высших  учебных  заведений.  При  традиционном  подходе  оба  предмета  изучаются  «в  параллельных  плоскостях»,  нередко  в  разных  семестрах,  абсолютно  не  пересекаясь,  что  негативно  сказывается  на  восприятии  и  так  достаточно  сложного  материала  студентами,  и,  как  следствие,  на  выходе  мы  получаем  низкий  уровень  освоения  таких  разделов,  как  принцип  неопределенности,  уравнение  Шредингера,  правила  отбора,  строение  атомов  и  молекул,  теория  химической  связи.  Мы  предлагаем  построить  учебный  и  календарный  планы  проведения  занятий  так,  чтобы  данные  разделы  физики  и  химии  преподавались  параллельно,  а  в  некоторых  случаях  целесообразно  проводить  интегрированные  занятия  двумя  преподавателями.

Рассмотрим  более  подробно,  как  нужно  для  этого  видоизменить  содержательную  часть  стандартных  курсов  общей  физики  и  общей  химии  в  той  их  части,  которая  касается  квантовой  механики,  строения  и  свойств  атомов  и  молекул.

Итак,  в  основе  современного  учения  о  природе  и  свойствах  химической  связи  лежит  квантовая  механика,  которая  в  свою  очередь  базируется  на  принципе  неопределенности,  уравнении  Шредингера  и  следствиях  из  него.

,

где:    —  оператор  Гамильтона, 

Е  —  полная  энергия  электрона  в  заданном  силовом  поле  (стационарном  или  нестационарном); 

ψ  —  волновая  функция  электрона,  определяяющая  волновой  характер  его  движения  и  являющаяся  основной  характеристикой  квантово-механического  описания  движения  электрона.

Решение  данного  уравнения  заключается  в  нахождении  волновой  функции,  отражающей  наиболее  вероятное  или  стационарное  состояние  системы.  На  данном  этапе  предлагается  сначала  в  курсе  физики  ввести  основы  квантово-механического  описания  поведения  частиц,  содержащие  принцип  неопределенности  Гейзенберга,  физический  смысл  волновой  функции,  простейшие  случаи  решения  уравнения  Шредингера,  и  сразу  же  параллельно  перейти  к  теории  химической  связи.  Остановимся  более  подробно  на  самых  важных  аспектах  этой  теории.

В  физическом  смысле  нет  разницы  между  атомом  и  молекулой.  Нет  особых  сил  химического  взаимодействия.  Природа  химической  связи  —  едина.  Химическая  связь  образуется  в  результате  электростатического  притяжения  противоположно  заряженных  ядер  и  электронов  атомов,  перекрывания  атомных  электронных  облаков  и  действия  квантовомеханических  эффектов  интерференции  волновых  функций,  электронной  делокализации  и  обмена  [1].

Вследствие  того,  что  для  межатомных  и  межмолекулярных  взаимодействий  характерен  довольно  широкий  диапазон  энергий  (1—1100  кДж/моль),  их  принято  делить  по  типам  химических  связей,  среди  которых  различают  ковалентные,  ионные,  металлические,  водородные  и  т.  д.  связи.  Однако  такая  классификация  носит  приближенный  характер,  и  ее  обоснование  является  весьма  важным  при  изучении  химии.

Не  существует  точного  решения  уравнения  Шредингера  для  системы  из  трех  частиц,  поэтому  для  расчетов  сложных  атомов  и  молекул  вводятся  упрощающие  предположения. 

Из  всех  существующих  на  данный  момент  способов  приближенного  решения  уравнения  Шредингера  и  разработанных  на  их  основе  методов  для  описания  химической  связи,  целесообразно  рассмотреть  два  взаимодополняющих  метода:  валентных  связей  (МВС)  и  молекулярных  орбиталей  (ММО). 

В  методе  ВС  волновая  функция  молекулы  составляется  из  волновых  функций  атомов,  составляющих  эту  молекулу.  Суть  метода  заключается  в  следующем:  при  образовании  молекулы  атомы  в  значительной  степени  сохраняют  свою  электронную  конфигурацию  (электроны  внутренних  оболочек),  а  силы  связывания  между  атомами  обусловлены  обменом  электронов  внешних  оболочек  в  результате  спаривания  спинов.

Для  лучшего  соответствия  опытным  данным  в  метод  ВС  вводят  допущения  об  участии  в  химической  связи  атомов  в  возбужденном  состоянии  и  о  гибридизации  атомных  орбиталей  (АО).  При  этом  необходимо  учитывать,  что  реальная  гибридизация  как  механизм,  а  не  как  модель,  проявляется  только  у  элементов  второго  периода.

В  методе  МО  полная  волновая  функция  молекулы  строится  из  волновых  функций,  описывающих  поведение  отдельных  электронов  в  поле  действия  всех  ядер  и  остальных  электронов  атомов,  образующих  молекулу.  Таким  образом,  концепция  МО  близка  к  концепции  АО.  Разница  лишь  в  том,  что  МО  являются  многоцентровыми.  Поэтому  молекулярные  орбитали,  как  и  атомные  можно  характеризовать  тремя  квантовыми  числами,  определяющими  их  энергию,  число  и  ориентацию  в  пространстве.  Электроны  заполняют  МО  в  соответствии  с  теми  же  принципами,  что  и  атомные:  принцип  Паули,  принцип  минимальной  энергии,  правило  Гунда.

Имеются  различные  варианты  метода  МО.  В  частности,  метод  линейной  комбинации  атомных  орбиталей,  сущность  которого  заключается  в  том,  что  молекулярную  орбиталь  можно  представить  как  результат  сложения  и  вычитания  волновых  функций  электронов  исходных  АО.  В  случае  одинакового  знака  амплитуд  ψ  двух  электронов  происходит  сложение  (связывающая  МО),  при  разном  знаке  амплитуд  —  вычитание  (разрыхляющая  МО). 

При  сложении  волновых  функций  электронов  исходных  АО  в  пространстве  между  ядрами  возрастает  значение  молекулярной  волновой  функции.  Это  означает,  что  при  образовании  МО  плотность  электронного  облака  в  межъядерном  пространстве  увеличивается.  В  итоге  происходит  существенное  понижение  энергии  электрона  в  поле  двух  ядер  молекулы  по  сравнению  с  энергией  электрона  в  атоме.  Возникает  химическая  связь.

Разрыхляющая  молекулярная  орбиталь  характеризуется  уменьшением  абсолютной  величины  волновой  функции  в  межъядерном  пространстве  по  сравнению  с  ее  значением  в  исходных  атомах.  Вследствие  уменьшения  плотности  электронного  облака  в  пространстве  между  атомами,  возникают  силы,  приводящие  к  взаимному  отталкиванию  ядер.  В  этом  случае  химическая  связь  не  образуется.

До  того,  как  в  процессе  изучения  курса  химии  начнут  раскрываться  эти  понятия,  предлагаем  провести  интегрированную  лекцию,  посвященную  квантово-механической  базе  таблицы  Менделеева,  правилам  отбора  и  заполнения  электронных  оболочек.  Содержание  этой  лекции  должно  быть  проработано  и  подготовлено  совместно  преподавателями  физики  и  химии  и  логичным  продолжением  ее  является  комплекс  интегрированных  семинаров,  лабораторных  работ  и  практических  занятий,  который  завершится  выполнением  комплексного  интегрированного  проекта  «Квантово-механическое  обоснование  теории  химической  связи  и  строения  атомов  и  молекул».

Предлагаемая  в  данной  работе  методика  апробирована  на  кафедре  физики  Череповецкого  высшего  военного  инженерного  училища  радиоэлектроники.  Результаты  итогового  тестирования  курсантов  показали,  что  в  целом  такая  интеграция  физики  и  химии  при  изучении  данного  раздела  имеет  ряд  существенных  плюсов  и  может  быть  рекомендована  всем  техническим  специальностям.

Список  литературы:

1. Коровин  Н.В.  Общая  химия.  М.:  Высшая  школа,  2003.  —  559  с.
2. Синяков  А.П.  Дидактические  подходы  к  определению  понятия  «межпредметные  связи»  //  Известия  РГПУ  им.  А.И.  Герцена.  —  2009.  —  №  113.  —  с.  197—202.