Учебные пособия и методические указания / Химия в строительстве. Курс лекций. Григорьева Л.С
Григорьева Л.С. Химия в строительстве: Курс лекций. /Моск. гос. строит. ун-т. М.: МГСУ, 2010. – 104 с.
Конспект лекций по дисциплине «Химия в строительстве» составлен в соответствии с программой курса. В учебном пособии рассмотрены основы химической термодинамики, термохимии, поверхностных явлений. Даны классификации дисперсных систем. Представлены теоретические основы коррозионных процессов. Учебное пособие предназначено для студентов строительных вузов.
Р е ц е н з е н т ы
проф., канд. техн. наук А.М. Орлова, проф., д-р техн. наук, зав. лаб ИНЭОС РАН А.А. Аскадский
Компьютерная правка и верстка О.В. Суховой
Лицензия ЛР №020675 от 09.12.97 г.
Подписано в печать 25.01. 2010 г.
ГОУ ВПО Московский государственный строительный университет.
Ред.-изд. отдел. Тел. (499) 183-97-95, e-mail rio@mgsu.ru. Типография МГСУ. Тел. (499) 183-91-90, (499) 183-67-92, (499) 183-91-44
Л е к ц и я 1. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ
ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ. ЗАКОН ГЕССА
Современное строительство использует великое множество самых разнообразных строительных материалов, из которых при помощи определенных строительных технологий и строится здание или сооружение. Основой технологических процессов, как производства строительных материалов, так и собственно технологии строительного производства являются основные законы природы. Поэтому при возведении любого здания необходимо учитывать самые разнообразные химические и физические процессы, происходящие в материалах при строительстве, сразу же после него или в процессе эксплуатации.
Теоретическим фундаментом таких процессов, прежде всего, являются основные положения термодинамики и, в частности, химической термодинамики.
Основываясь на теоретических положениях химической термодинамики можно рассчитывать и прогнозировать прочность твердых тел, устойчивость гидратных образований, определяющих прочность бетонов, обосновывать направление, по которому протекают процессы гидратации минеральных вяжущих. Знание максимального тепловыделения, скорости этого процесса необходимо при выборе цемента для гидротехнических и иных видов строительства. Без термодинамического анализа трудно оценить процессы коррозии строительных материалов и их защиты.
Классическая термодинамика первоначально занималась изучением теплоты, но в дальнейшем, она включила изучение превращений энергии во всех её формах.
Химическая термодинамика изучает:
1. Соотношения между теплотой и другими формами энергии в процессе химических реакций;
2. Возможность самопроизвольного протекания химических реакций в данных условиях;
3. Условия, при которых реакция находится в состоянии химического равновесия.
Термодинамика оперирует понятиями система, термодинамический процесс. Система – совокупность тел, выделенных фактически
или мысленно из окружающей среды и находящихся во взаимодействии с окружающей средой. Если между этой системой и средой отсутствует какой-либо обмен энергией и веществом, то она называется изолированной (объем и энергия такой системы постоянны). Система называется закрытой, если между системой, и средой взаимодействие осуществляется только за счет обмена энергией, но без обмена веществом.
Система называется открытой, если взаимодействие между системой и средой выражается как в обмене энергией, так и в обмене веществом.
Термодинамический процесс – совокупность последовательных состояний, через которые проходит термодинамическая система при её взаимодействии с окружающей средой.
Состояние системы характеризуют параметрами: объемом V, давлением р, температурой Т, концентрацией С и т. д.
Параметры, не зависящие от пути перехода системы из одного состояния в другое, а зависящие только от начального и конечного состояний, называют функциями состояния, например, внутренняя энергия тела. Эта энергия складывается из кинетической энергии молекул, энергии колебательного движения атомов, энергии электронов, внутриядерной энергии, энергии взаимодействия молекул и т.д., за исключением кинетической энергии системы в целом и потенциальной энергии ее положения в пространстве.
Все изменения внутренней энергии при ее переходе от одного тела к другому можно разбить на две группы. В первую группу входит форма перехода энергии за счет хаотического столкновения молекул двух соприкасающихся тел. Мерой передаваемой таким способом энергии является теплота.
Теплота представлена интенсивным хаотическим движением молекул и атомов, из которых это вещество состоит, т.е неупорядоченным движением микрочастиц.
Во вторую группу входят многие формы перехода энергии при перемещении масс, состоящих из большого числа частиц, под дейст-
вием каких-либо сил. Общей мерой, передаваемой таким образом энергии является работа, т.е. работа включает в себя упорядоченную макроскопическую форму движения.
Теплота Q и работа А в общем виде не являются функциями состояния и характеризуют способы передачи энергии.
Взаимосвязь между внутренней энергией, теплотой и работой устанавливается на основе первого начала термодинамики.
Первое начало (закон) термодинамики непосредственно связано с законом сохранения и превращения энергии, который устанавливает эквивалентность ее форм. Этот закон является универсальным и подтверждается всем опытом человечества
«Во всех явлениях природы энергия не может исчезнуть бесследно или возникнуть из ничего. Энергия только превращается из одной формы в другую в строго эквивалентных соотношениях». Иногда этот закон формулируют в другой форме:
«Вечный двигатель первого рода невозможен, т.е. невозможно построить машину, которая выполняла бы механическую работу, не затрачивая на это соответствующего количества молекулярной энергии».
«В изолированной системе внутренняя энергия постоянна и определяется природой составляющих ее веществ, их массой и условиями существования».
Внутренняя энергия может изменяться только под влиянием внешних воздействий, то есть в результате сообщения системе количества теплоты Q и совершения над ней работы (А).
Условились считать положительными величинами теплоту, полученную системой, и работу, совершенную системой. Тогда из первого начала термодинамики следует, что теплота, подводимая к системе, идет на приращение внутренней энергии системы и на совер-
шение работы против внешних сил:
Данное уравнение представляет собой математическую форму-
лировку первого закона термодинамики.
При изохорном процессе (V = const)
теплота равна прираще-
нию внутренней энергии
т.е. все тепло расходуется на изменение внутренней энергии. Уравнение первого начала термодинамики применительно к изобарным процессам, в которых совершается только работа расши-
Особенности преподавания курса «химия» студентам строительных специальностей Текст научной статьи по специальности « Науки об образовании»
Аннотация научной статьи по наукам об образовании, автор научной работы — Тур Элина Аркадьевна, Халецкий Виталий Анатольевич
Peculiar Features of Teaching a Course in Chemistry to Students of Building Profession
The structure of General chemistry curriculum unit offered to students of engineering profession in Brest State Technical University is described in the article. It was shown that incorporation of the information about modern civil engineering and building materials into the lecture course and laboratory works significantly increases motivation of students. Examples of lecture experiments are given in the article.
Текст научной работы на тему «Особенности преподавания курса «химия» студентам строительных специальностей»
© Старицына И. А., Старицына Н. А., 2017
ОСОБЕННОСТИ ПРЕПОДАВАНИЯ КУРСА «ХИМИЯ» СТУДЕНТАМ СТРОИТЕЛЬНЫХ СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ
Э. А. Тур, В. А. Халецкий
Брестский государственный технический университет
В статье рассматривается структура курса химии, предлагаемая для студентов инженерных строительных специальностей, обучающихся в Брестском государственном техническом университете. Показано, что включение в лекционный курс и в лабораторный практикум профильных сведений, связанных со специальностью студентов, значительно увеличивает их мотивацию. Приведены примеры опытов в лекционном эксперименте.
Ключевые слова: химия в строительстве, лекционный эксперимент, учебно-методическое обеспечение, дидактические принципы в преподавании химии.
Требования к современному инженеру-строителю постоянно меняются, а объём необходимых профессиональных знаний, напротив, возрастает. Он определяется социальным заказом общества на высококвалифицированного специалиста, способного активно и профессионально участвовать в решении задач реставрации и охраны памятников, реконструкции и строительства зданий административного и жилищного фонда, строительства и ремонта транспортных магистралей и городских автомобильных дорог, различных коммуникаций; проектирования и возведения атомных и тепловых электростанций, химических комбинатов, силосных башен, заводов по производству строительных материалов, сельскохозяйственных объектов. К молодому инженеру в строительной сфере предъявляются особые требования, к которым, в частнрости, относятся: комплексное техническое мышление, логика, способность быстро принимать верные технические решения, хорошая теоретическая база знаний, рациональное понимание не только проблем проектирования и строительства объектов, но и экологических проблем современного общества.
В настоящее время осуществление процесса обучения химии студентов-первокурсников представляет собой трудную задачу, так как на строительный факультет поступают абитуриенты, имеющие порой достаточно низкий уровень школьной подготовки в области химии. Большой объём получаемой в процессе обучения информации требует введения новых технологий обучения, позволяющих не только усвоить, но и систематизировать полученные знания. Универсальных эффективных технологий и методов обучения не существует. Процесс обучения может быть как активным (обучаемый участвует в нём как субъект собственного обучения), так и пассивным (обучаемый играет роль только объекта воздействия преподавателя). К основным формам и методам обучения, способствующим повышению его качества, относятся лекции, основанные на современном научно-техническом материале, конференции, диспуты, обобщающие занятия, семинары, деловые и ролевые игры, защита рефератов, самостоятельная работа, а также практические занятия и лабораторный практикум.
Для студентов дневного обучения при устном изложении учебного материала в основном используются словесные методы обучения. Среди них важное место занимают вузовские лекции, а также лабораторные и практические занятия. Кроме того, значительное место занимают также самостоятельная работа студентов. Лекции в данном случае не выступают в качестве ведущего звена всего курса обучения, а представляют собой способ изложения важнейших разделов теоретического материала, обеспечивающий целостность и законченность его в восприятии обучающимися. Лекции должны давать систематизированные основы научных знаний по химии, раскрывать состояние и перспективы развития современной строительной науки и химической технологии, стимулировать активную познавательную деятельность студентов и способствовать формированию творческого мышления [2].
Некоторые учёные считают, что лекции нужны в том случае, если в наличии нет современной литературы по изучаемой дисциплине или её недостаточно для обеспечения всех студентов [3]. Однако опыт работы со
студентами строительного факультета свидетельствует о том, что отказ от лекции снижает научный уровень подготовки обучающихся. Недостатки краткости лекционного курса в значительной степени могут быть преодолены правильной методикой и рациональным построением изучаемого материала.
Практика показывает, что следует постоянно подчёркивать практическое применение того или иного раздела химии. Например, исследование химического состава грунтовых вод важно в процессе проектирования, строительства и эксплуатации зданий и сооружений. Грунтовые воды определённого химического состава постоянно воздействуют на строительные конструкции, вызывая их коррозию (повышенное содержание углекислого газа в воде способствует углекислотной коррозии бетона, а высокое содержание кислорода увеличивает скорость коррозии металлических конструкций) [4]. Поэтому разделам «Коррозия металлов и сплавов», «Коррозия бетона» и «Меры по борьбе с коррозией», а также «Проблема кислотных дождей в строительстве» придаётся особое значение.
Изучая на первом курсе химию как непрофильную дисциплину, студенты строительных специальностей узнают много нового. Такие темы, как «Химическая термодинамика», «Химическая кинетика», «Теория растворов», «Гальванический элемент», «Коррозия металлов и сплавов», «Электролиз водных растворов и расплавов электролитов», «Коррозия бетона», «Полимеры и полимерные материалы в строительстве», являются крайне важными и непосредственно связанными с будущей профессиональной деятельностью выпускников университета [6]. Большинство из вышеперечисленных тем изучались с использованием лекционного эксперимента.
Демонстрационный эксперимент лекции приведён в таблице 1.
Факторы, влияющие на скорость химических реакций Эксперимент
а) 2Н2О2 ^ 2Н2О + 02! + Q
5. Катализатор (проверяем тлеющей лучиной) без катализатора не наблюдается внешних эффектов б) 2Н2О2 ^ 2Н2О + 02! + Q в раствор вносим Мп02 (проверяем тлеющей лучиной) наблюдаем интенсивное горение
Каждый демонстрационный опыт подробно комментировался лектором и был тесно связан с текстом лекции.
Для оценки эффективности лекционного эксперимента студентам строительного факультета была предложена анкета, приведённая в таблице 2.
Анкета лекционного эксперимента
1. Был ли данный эксперимент показан на одной из лекций? а) реакция между карбонатом кальция и соляной кислотой: СаСО3 + 2НС1 ^ СаС12 + СО2| + Н2О; б) реакция между цинком и соляной кислотой: Zn + 2НС1 ^ ZnCl2 + Н2Т; в) реакция между оксидом меди (II) и серной кислотой: СиО + H2SO4 ^ ^04 + Н2О
2. Какие внешние эффекты вы наблюдали (в случае, если эксперимент демонстрировался)?
3. Назовите тему лекции, на которой демонстрировался эксперимент (в случае, если он демонстрировался)
Анкетирование проводилось в конце учебного семестра, примерно через два месяца после чтения лекции на тему «Влияние различных факторов на скорость химических реакций» с использованием лекционного эксперимента. Заполнение студентами анкеты производилось анонимно. Результаты анкетирования приведены в таблице 3.
Вопрос Количество студентов, ответивших верно, %
Анализируя результаты исследования, можно сделать вывод, что вышеперечисленные эксперименты узнали 80 % студентов, внешние эффекты вспомнили 75 %, а тему лекции запомнили 72 %. Следует отметить, что для анкетирования были предложены достаточно простые лекционные опыты, сопровождающиеся значительными визуальными сигналами. Кроме того, на лекции данные эксперименты были подробно обсуждены, что повысило запоминаемость темы лекции.
Таким образом, лекционный эксперимент значительно повышает усвоение материала, вызывает живой интерес студентов, делает лекцию более эффективной, несмотря на то, что является вторичным по отношению к тексту лекции. Для студентов строительных специальности зрелищный и подробно обсуждённый лекционный эксперимент в значительно мере способствует формирование основных понятий и законов курса химии. Теоретические знания в области химии помогают инженеру-выпускнику в его практической деятельности. Создание и применение новых конструкционных материалов, разработка современных ресурсосберегающих и безотходных технологий, освоение возобновляемых источников энергии невозможно в настоящее время без глубоких химических знаний.
Наряду с лекциями, отвечающими высоким научно-методическим требованиям, современные обучающие технологии предусматривают для студентов строительных специальностей решение задач, выполнение практических и лабораторных заданий. Например, при работе над темами «Химия металлов», «Коррозия металлов», «Электрохимия», «Коррозия бетона и минеральных материалов» рекомендуется рассмотреть следующие задания:
— на строительной площадке имеются изделия из железа, цинка и меди. Какие из металлов ^е, Zn, Си) будут разрушаться в атмосфере влажного воздуха? (определить на основании вычисления изменения энергии Гиб-бса (ЛG) соответствующих процессов);
— назвать различные (химические и электрохимические) способы получения металлов, привести конкретные примеры и составить уравнения реакций;
— с целью повышения коррозионной стойкости покрытия металлических изделий пассивируют. Для этого детали или части металлических строительных конструкций погружают в раствор, содержащий 150 г/л хромового ангидрида и серной кислоты. После пассивации изделия промывают водой и сушат горячим воздухом, после чего они считаются готовыми к эксплуатации. Составьте схемы соответствующих химических реакций. Предложите свой способ пассивации железных изделий;
— рассчитайте электродный потенциал цинка, опущенного в раствор его соли с концентрацией ионов цинка 0,001 моль/л;
— в строительстве и промышленности очень часто возникают ситуации контактирования двух металлов. Например, алюминий иногда соединяют с медью. Какой из металлов будет подвергаться коррозии, если образованная гальванопара попадёт в кислоту, воду или щёлочь? Составьте схему гальванического элемента, образующегося при этом. Подсчитайте ЭДС и ЛG этого элемента для стандартных условий;
— в канализационный коллектор, ошибочно построенный из силикатного кирпича, попадают промышленные сточные воды, содержащие HCl в количестве 13 г на 1 м3 воды. Рассчитать, какое количество гашёной извести растворится из кирпичных стен коллектора за месяц его эксплуатации, если за сутки через него проходит 100 м3 сточных кислых вод, а в реакцию вступает 40 % содержащейся в них кислоты 11. Применение комбинированных форм обучения, рассмотрение на практических занятиях разноуровневых задач и развивающих заданий, ориентированных на закрепление химических знаний, обеспечивает повышение интеллектуального уровня студентов и повышает качество обучения химии. Через весь курс обучения должна проходить идея, сущность которой заключается в том, что изучение химии способствует познанию окружающей действительности, что знание её законов неразрывно связано с практической деятельностью будущих выпускников строительных специальностей [1].
Кроме того, в процессе преподавания химии на строительном факультете, большой резонанс у студентов получили мини-конференции, проводимые во время лекционных занятий на больших потоках. Студенты строительных специальностей готовили рефераты и презентации на следующие актуальные темы:
— защита от коррозии памятников историко-культурного наследия Республики Беларусь;
— биокоррозия минеральных поверхностей строительных конструкций и меры борьбы с ней;
— современные экологичные материалы для защиты древесины;
— антикоррозионая защита стальных конструкций лакокрасочными материалами;
— защита строительных конструкций от коррозии современными полимерными материалами;
— современные краски для горизонтальной разметки автомобильных дорог;
— холодные пластики и термопластики для горизонтальной разметки автомобильных дорог;
— современные фасадные краски на основе стиролакриловых и акриловых сополимеров;
— минеральные пигменты в производстве красок для внутренних и наружных работ;
— экологизация производств и охрана окружающей среды в строительстве;
— проблема «кислотных» дождей в современном строительстве;
— виды художественной обработки металлов. Скульптурные композиции из металлов и сплавов в областных центрах Республики Беларусь;
— роль металлов и сплавов в истории цивилизации.
Процесс подготовки рефератов проходил при постоянном контакте преподавателей со студентами, предварительно рассматривались все разделы рефератов, вносились корректировки, производилась ориентация студентов на рецензируемую научную и научно-методическую литературу.
После заслушивания студенческих рефератов на больших лекционных потоках обсуждались вопросы и современные технологии защиты биосферы от промышленных выбросов, технологические схемы очистки сточных вод различных производств, в том числе и строительных. Несомненно, что данный блок знаний будущие инженеры-строители будут использовать в своей профессиональной деятельности.
Опыт проведения студенческих мини-конференций по курсу «Химия» положителен: поднялся теоретический уровень курса, более обоснованным и осознанным стал подход студентов к решению практических задач, повысился интерес к курсу. После проведённого опроса выяснилось, что более 80 % студентов изменили своё мнение о будущей профессии, задумались о роли инженера-строителя в современном обществе. Изложенный выше подход к управляемой самостоятельной работе позволяет формировать у студентов строительных специальностей современное естественнонаучное мировоззрение, показывать связь науки, строительного производства и экологических проблем современного общества, готовить инженеров, идущих в ногу со временем.
Современный инженер-строитель в процессе своей деятельности решает задачи как крупномасштабного (проектирование и возведение объектов тяжёлой промышленности: атомных и тепловых электростанций, химических комбинатов, силосных башен, экструдеров, заводов по производству строительных материалов; сельскохозяйственных объектов, административных и жилых зданий), так и «малого» строительства (реставрация и охрана памятников и историко-культурных объектов, реконструкция зданий здравоохранения, административного и жилищного фонда, строительство и ремонт транспортных магистралей и городских автомобильных дорог, строительство и реконструкция различных коммуникаций и гидротехнических сооружений) [15; 16].
Руководители строительных организаций и проектных институтов требуют, чтобы молодые специалисты обладали комплексным техническим мышлением и способностью к логическим рассуждениям, хорошей теоретической базой знаний, рациональным пониманием не только проблем проектирования и строительства объектов, производства строительных материалов и изделий, но и других связанных с этим проблем, в том числе экологических. Глубокие знания в области фундаментальных естественнонаучных дисциплин, в том числе в области химии, помогают инженеру-выпускнику в его практической деятельности. Таким образом, химии принадлежит важная роль в формировании академических и профессиональных компетенций будущего инженера-строителя.
© Тур Э. А., Халецкий В. А., 2017
РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОФЕССИОНАЛЬНЫХ СТАНДАРТОВ ПРИ ПОДГОТОВКЕ ЭКОЛОГОВ В ВУЗЕ
Е. В. Шанина1, Е. В. Игнатова2
‘Хакасский государственный университет им. Н. Ф. Катанова 2Сибирский государственный университет науки и технологий им. академика М. Ф. Решетникова
В статье раскрывается проблема внедрения в образовательный процесс профессиональных стандартов при обучении бакалавров-экологов. Показана возможность внедрения профессиональных умений и навыков, которые названы в профессиональном стандарте, в основную образовательную программу высшего образования. Рассмотрены предпосылки создания профессиональных стандартов и их внедрение на практике в учебный процесс бакалавров.
Ключевые слова: профессиональный стандарт, техносферная безопасность, экология, студенты, высшее образование, трудовые функции.
Выходом из сложившейся ситуации стала потребность изменения действующей системы квалификаций, а также приближение образовательных программ к запросам реальных секторов экономики, то есть возникла необходимость в разработке и принятии профессиональных стандартов, в которых будут чётко сформулированы и согласованы современные требования к «новому» специалисту.
В статье № 195.1 Трудового кодекса Российской Федерации даются следующие определения профессионального стандарта и квалификации работника:
Внедрение профессиональных стандартов в производство имеет ряд положительных моментов, например, для кадровой службы наличие профессиональных стандартов позволит целенаправленно формировать кадро-