Formato de actividad: debate
Proceso de actividad:
1. Distribución del personal: dividido en moderador, lado positivo (para aprender bien química, debes aprender bien matemáticas). ), El lado negativo (aprender bien química no tiene nada que ver con aprender matemáticas). Hay tres polemistas cada uno para los que están a favor y los que están en contra.
2. Qué pasó: (1) El moderador habló, explicando a las personas de ambos lados del debate y sus puntos de vista; (2) El primer debate duró 3 minutos (3) La otra parte habló; 3 minutos; (Este es el discurso de apertura de ambas partes. )(4) Los pros y los contras se harán preguntas entre uno y diez minutos. . (5) Hacer una declaración en los últimos 2 minutos; (6) La otra parte hace una declaración en los últimos 2 minutos; (7) El anfitrión invita a los jueces a comentar;
Descripción de la actividad, cada discurso requiere el consentimiento del anfitrión, y el anfitrión debe mantener el orden.
Materiales de referencia:
Las aplicaciones químicas requieren más matemáticas.
La química es una ciencia muy amplia. Si se divide por alcance de la investigación, incluye química orgánica, química inorgánica, bioquímica, química física y química analítica. Junto con las aplicaciones de ingeniería, la ingeniería química es un campo muy amplio.
Estas materias se aplican más o menos a algunas matemáticas; por lo que cuando le preguntas a un químico para qué sirven las matemáticas en química, es probable que obtengas muchas respuestas completamente diferentes, casi todas basadas en. experiencia personal. En este caso, las opiniones del autor estarán naturalmente influenciadas por opiniones y preferencias personales. Pero el propósito de "Science Monthly" no es sólo arraigar en la ciencia, sino también prestar atención a la relación entre la educación en matemáticas y química. En particular, la política actual de educación química en colegios y universidades parece centrarse en cultivar químicos generalistas, por lo que cuando hablemos de este tema, intentaremos encontrar las matemáticas que todos creen que son necesarias en el campo de la química moderna. .
La química siempre ha sido una ciencia experimental y, en el futuro previsible, los experimentos seguirán siendo el pilar. ¿Qué tienen que ver las matemáticas con esto? Este problema tiene dos caras.
Por un lado, la química moderna explora paulatinamente la composición, estructura y reacciones de las sustancias desde la dirección microscópica, es decir, desde la perspectiva de los átomos, por lo que está muy influenciada por la física moderna (tanto teórica como experimentalmente). Grande, principalmente la aplicación de la mecánica cuántica y la mecánica estadística, el lenguaje tiende a ser más matemático.
Por otro lado, las aplicaciones prácticas de la química requieren hoy en día conocimientos cuantitativos cada vez más rigurosos. Por ejemplo, en química analítica e incluso en cálculos de ingeniería química, necesitamos cálculos químicos cada vez más precisos, lo que implica más matemáticas aplicadas.
Así que la aplicación de las matemáticas en la química se puede dividir a grandes rasgos en dos niveles, uno es el nivel lingüístico y el otro es el nivel técnico. El primero utiliza lenguaje matemático para discutir problemas químicos, centrándose en conceptos, mientras que el segundo utiliza técnicas matemáticas para realizar cálculos más complejos. Este artículo discutirá cada ejemplo con ejemplos y resumirá sus problemas existentes en la educación química. Por supuesto, la clasificación anterior no es muy estricta. Muchas cosas (como las estadísticas) se utilizan en ambos niveles. La aplicación de las matemáticas está viva en sí misma y su clasificación es sólo para facilitar la discusión en este artículo.
¿En cuanto a si aprender bien matemáticas puede convertirte en un buen químico? Mi opinión es negativa. Ya sea lenguaje matemático o técnicas matemáticas, es sólo una herramienta en química y no puede reemplazar a la química misma. Esto es como si una persona que pudiera hablar diez idiomas no fuera necesariamente un lingüista, y un maestro soplador de vidrio no fuera necesariamente un buen experimentador químico. Por otra parte, un químico muy capaz no necesariamente es bueno en matemáticas. Lo importante es una comprensión y aplicación integrales del conocimiento químico, y las matemáticas deberían ser sólo una de las herramientas auxiliares. Pero es innegable que cuanto mayor sea la capacidad matemática de un químico, más problemas podrá resolver. En una futura integración interdisciplinaria, las matemáticas serán sin duda un arma más importante.
Matematización del lenguaje químico
Un tema muy importante en química es discutir la relación entre la formación de enlaces químicos y la estructura molecular. Desde finales del siglo XIX se viene discutiendo sobre los enlaces entre átomos.
Al principio, la gente simplemente dibujaba el diagrama de estructura de la molécula, por ejemplo, la estructura del cloruro de mercurio es Cl-Hg-Cl, y el enlace químico entre el mercurio y el cloro solo está representado por una línea, por lo que la estructura de la sustancia química; El enlace es completamente diferente a la configuración de los electrones en el átomo claro. La verdadera forma tridimensional del cloruro de mercurio tampoco está clara. El cloruro formado a partir del bario divalente (Ba), similar, es obviamente muy diferente en propiedades químicas y físicas del cloruro de mercurio, pero no está claro por qué es diferente, y los químicos carecen de una teoría completa para comprenderlo. Después de 1925, debido al desarrollo de la mecánica cuántica, hubo rápidas aplicaciones en química. Incluso los libros de texto de química de la escuela secundaria introducen ahora dominios orbitales, dominios orbitales mixtos y estructuras atómicas.
Tome el ejemplo anterior. Las configuraciones electrónicas más externas de los átomos de mercurio y de bario son 6s2. La diferencia es que el dominio orbital desocupado más bajo de los átomos de mercurio es 6p. Cuando los átomos de mercurio y cloro forman moléculas de cloruro de mercurio, el dominio orbital mixto utilizado por el mercurio es sp y la estructura del cloruro de mercurio es lineal. El dominio orbital desocupado más bajo del bario es 5d. Cuando las moléculas de cloruro de bario se forman con átomos de cloro, una parte considerable del dominio orbital D también se mezcla con el dominio orbital mixto utilizado por el bario, por lo que el cloruro de bario tiene una estructura no lineal y el ángulo entre los dos enlaces Ba-Cl es menor. de 180 (Nota 1). Ejemplos como este son comunes en la química moderna. Para comprenderlos es necesario conocer la representación matemática del dominio orbital, sus simetrías, etc. Esto implica la aplicación de álgebra lineal, ecuaciones diferenciales parciales y teoría de grupos en matemáticas. Es importante señalar que en los ejemplos anteriores, las matemáticas generalmente no se utilizan como herramienta de cálculo (Nota 2), sino como método de discusión cualitativa.
Como otro ejemplo, desde la década de 1960, la química de los polímeros ha logrado grandes avances y continuamente se han inventado nuevos polímeros, que se han convertido en una parte importante de nuestra vida diaria. Estos polímeros tienen las mismas propiedades en solución, es decir, los átomos pueden existir en múltiples disposiciones consecutivas en el espacio, aunque sus pesos moleculares y estructuras químicas sean exactamente iguales. Como se muestra en la Figura 1, hay dos conformaciones diferentes); seis partes de carbono en la molécula de polietileno. El número de configuraciones diferentes para un polímero completo puede ser astronómico, por lo que tenemos que utilizar métodos estadísticos para representar su forma o tamaño.
Por ejemplo, una cantidad que se utiliza a menudo para analizar las propiedades de los polímeros es el promedio de los cuadrados de la distancia r entre los dos extremos del polímero, que suele ser proporcional al peso molecular. Muchas propiedades de los polímeros, como la elasticidad, el coeficiente de difusión, el coeficiente de astigmatismo, etc., están estrechamente relacionadas con sus valores, por lo que para interpretar sus resultados, el experimentador debe utilizar un lenguaje estadístico para expresar las propiedades físicas y químicas del polímero. Cálculos más detallados de polímeros a partir de la estructura química básica de la molécula requieren más datos estadísticos. Una de las razones por las que P.J. Flory, ganador del Premio Nobel de Química en años anteriores, ganó el premio es por su contribución a la estadística de polímeros.
Técnicas matemáticas para cálculos químicos
Los ejemplos anteriores ilustran que muchas cuestiones importantes en química se han expresado en lenguaje matemático y la atención se centra principalmente en establecer ideas. La química tradicional, por otro lado, implica cálculos en investigación y aplicaciones. Aunque estos cálculos se aplican a diferentes niveles de matemáticas según la complejidad del problema, básicamente, las matemáticas son solo una herramienta para ayudarnos a resolver problemas y tienen poco que ver con el problema químico en sí. Por ejemplo, si queremos saber la velocidad de la siguiente reacción,
Ver texto original (1)
donde K1 es la constante de velocidad de la reacción correcta y K2 es la velocidad constante de la reacción inversa. La velocidad de reacción se puede expresar mediante la siguiente ecuación diferencial:
d[AC]/dt = k 1[AB][CD]-K2[AC][BD](2)
d[AB]/dt =-k 1[AB][CD]-K2[AC][BD]
Junto con la relación de equilibrio entre sustancias, se puede calcular la velocidad de reacción. El problema matemático es simple, pero la respuesta en el mundo real suele ser mucho más compleja.
Si la reacción anterior se ve afectada por la temperatura, debemos considerar la conducción de calor de la reacción, y la difusión de la sustancia en sí también afecta la concentración. Si el mecanismo de reacción se vuelve más complejo y las ecuaciones escritas suelen ser no lineales, entonces resolver la velocidad de reacción se convierte en un problema matemático muy difícil, que requiere el procesamiento de ecuaciones diferenciales parciales no lineales multivariables.
Estos problemas los enfrentan a menudo los ingenieros químicos. No es de extrañar que el contenido de matemáticas en los cursos de ingeniería química se haya profundizado gradualmente en los últimos años.
Educación Matemática en Química
Anteriormente se han mencionado varios ejemplos de problemas matemáticos en química y sus características. Incluso a partir de estos pocos ejemplos, podemos ver que las matemáticas se utilizan ampliamente en química, como ecuaciones diferenciales, álgebra lineal, análisis vectorial, teoría de grupos, estadística, etc. Entonces, ¿todos los que se especializan en química necesitan aprenderla? ¿Quién enseñará? Creo que esto debe basarse en la experiencia humana.
China cuenta con el Departamento de Química Aplicada y el Departamento de Química Agrícola relacionado con el Departamento de Química. De hecho, en los estándares curriculares universitarios es difícil ofrecer el curso especializado "Matemáticas Químicas" para satisfacer las mismas necesidades. En la actualidad, según el reglamento del Ministerio de Educación, los estudiantes del Departamento de Química deben cursar la asignatura "Matemática Química". Este reglamento acaba de implementarse. Ésta podría ser una buena oportunidad. También podríamos discutir la necesidad y el contenido de este curso.
¿Quién enseñará las preguntas primero, el profesor del departamento de matemáticas o el profesor del departamento de química? Luego está la cuestión del alcance del contenido. Hoy en día, otros departamentos que utilizan matemáticas, como ingeniería eléctrica e ingeniería química, generalmente tienen sus propios profesores enseñando matemáticas, dejando de lado a los matemáticos profesionales, el curso de "Matemáticas Químicas" parece seguir esta tendencia; Pero cuando se trata de química, la mayoría de los químicos son, en el mejor de los casos, matemáticos aficionados. ¿Lograría esto muchos de los objetivos de la educación matemática? Como se mencionó anteriormente, la aplicación de las matemáticas en la química es conceptual y lingüística. Cuando aprendemos un idioma, no nos importa demasiado su ámbito de aplicación, por lo que la enseñanza de las matemáticas no parece preocuparse demasiado por a qué se debe aplicar.
En cuanto al contenido de matemáticas químicas, creo que debería incluir al menos algunos conceptos de ecuaciones diferenciales, análisis vectorial y álgebra lineal. En cuanto a otras cosas, depende de las necesidades de cada sujeto. Por ejemplo, en química aplicada, es necesario hacer más análisis numéricos y fortalecer las ecuaciones diferenciales parciales. En química física o química inorgánica, la teoría de grupos es una herramienta muy importante.
Nota 1: Se trata de la molécula gaseosa de cloruro de bario.
Nota 2: Los cálculos detallados son obra de químicos teóricos profesionales y las matemáticas utilizadas son más complejas.
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En la actualidad, el examen de ingreso a la universidad tiende a restar importancia a los cálculos en las materias de ciencias (por supuesto, la geometría analítica es inevitable).
Por lo tanto, las malas matemáticas no afectan el estudio de la física química.
Especialmente química.
Cuando la física implica preguntas integrales después del tercer año de la escuela secundaria, puede haber algunos cálculos que requieran la ayuda de habilidades matemáticas, pero los requisitos nunca alcanzarán el nivel de "no puedo hacerlo debido a malas matemáticas". " - es simplemente difícil. Solo lo pensé.
No te desanimes.
Simplemente me gustan las matemáticas, ¡pero soy más alto que los que son buenos en matemáticas! ¡Levanta la barbilla!
La química no usa demasiado las matemáticas. La física usa más matemáticas en el proceso de cálculo, pero la mayoría usa muchos cálculos, por lo que resolver el problema osetio no será difícil, pero si así lo deseas. Minimice los efectos negativos, haga más cálculos. Después de todo, aunque estas tres disciplinas están estrechamente relacionadas, siguen siendo de naturaleza diferente.
Esto es importante, pero las matemáticas están más alejadas de la química y más cerca de la física.