Методические подходы к формированию знаний о химических реакциях

Данный вывод необходимо подтвердить экспериментально: рассмотрим реакцию взаимодействия растворов тиосульфата натрия разных концентраций и соляной кислоты (0,1М). Заранее приготовленный раствор 0,1М тиосульфата натрия разбавляем: в первом стакане 2,5 мл. раствора Na₂S₂O₃ + 5 мл. воды; во втором 5 мл. раствора Na₂S₂O₃ + 2,5 мл. воды; в третий наливаем 7,5 мл. неразбавленного раствора Na₂S₂O₃.

При проведении опыта один из учеников ассистирует учителю. Метроном запускают одновременно с приливанием в каждый стаканчик 2,5 мл. соляной кислоты. Момент сливания растворов считают нулевым, далее отсчитывают время от начала реакции до помутнения. Ассистент записывает на доске время протекания реакции в каждом стаканчике.

1-й стакан - 23с.

2-й стакан - 15с.

3-й стакан - 7с.

По изменению концентрации соляной кислоты вычисляем скорости реакции и чертим график:

W ₁ = 0,043моль/л * с W ₂ = 0,067моль/л * с W ₄ = 0,143моль/л * с

Рис. 4. Зависимость скорости реакции от концентрации.

Вычерчивание графика отнимает время, но зато дает незаменимые навыки научного исследования, а значит, развивает мышление учащихся.Таким образом, учащиеся, анализируя график, делают вывод, что скорость химической реакции зависит от концентрацииреагирующих веществ. После этого учитель задает вопрос: будет ли влиять на скорость реакции газообразных и твердых веществ концентрация? Концентрация газа пропорциональна давлению, поэтому изменение давления (а значит и концентрации) изменяет скорость реакции. Твердые вещества под эту зависимость не попадают, так как давление на них существенного влияния не оказывает (за исключением очень больших). Таким образом, учащиеся начинают осознавать, что скоростью химических процессов можно управлять. Учитель должен сделать акцент на то, что это особенно важно для химических производств (наиболее рентабельны те производства, в основе которых лежат реакции протекающие наиболее быстро). В то же время некоторые реакции нежелательны и их скорость необходимо замедлить (например, процессы коррозии металлов). Поэтому так важно знать от чего зависит скорость химической реакции.

Далее обсуждается, как влияет природа вещества (его состав, вид, прочность связей) на скорость химической реакции. Учащимся предлагается рассмотреть пример: взаимодействие кислорода и водорода происходит моментально, а взаимодействие азота и водорода очень медленно. Учитель приводит следующие данные: для разрушения связей в молекулах азота требуется энергия 942 кДж/моль, а в молекулах кислорода - 494 кДж/моль. Теперь учащимся понятно, что более прочные молекулы азота труднее вступают в реакцию и скорость такой реакции очень мала. То есть, учащиеся подводятся к выводу, что скорость химической реакции зависит от природы реагирующих веществ.

Затем обсуждается влияние агрегатного состояния вещества на скорость реакции. Учащиеся самостоятельно проводят реакцию взаимодействия PbNO₃ и KJ в кристаллическом виде и в растворе и делают вывод, что скорость химической реакции зависит от агрегатного состояния вещества. Следует добавить, что реакции между газообразными веществами идут еще быстрее и часто сопровождаются взрывом. Столкновения между частицами газов и в растворе происходят во всем объеме, а реакции с участием твердых веществ только на поверхности.

Тогда как же можно увеличить скорость химических реакций с участием твердых веществ? Учитель наводит учащихся на мысль, что необходимо увеличить поверхность соприкосновения, т.е раздробить вещество. Влияние этого фактора учащиеся исследуют на примере взаимодействия куска мрамора с соляной кислотой и мраморной крошки с соляной кислотой. Вновь формулируется вывод: скорость реакции зависит от степени измельчения твердого вещества.

Урок 3. Влияние температуры на скорость реакции

Обсуждение нового материала начинается с демонстрации взаимодействия 0,1М растворов тиосульфата натрия и соляной кислоты. При комнатной температуре и при температуре на 10?С выше комнатной. Для этого растворы нагревают на водяной бане при постоянном помешивании. Опыт показывает, что при комнатной температуре помутнение раствора появляется через 11с., а при повышенной - через 5с. Учащиеся самостоятельно рассчитывают скорости обоих процессов:

W ₁ == 0,009моль/л * с W ₂ == 0,02моль/л * с

Таким образом, скорость реакции прямо пропорциональна температуре. Далее учащиеся совместно с учителем вычисляют, во сколько раз возросла скорость реакции при повышении температуры на 10?С

? = .

Число ? - это температурный коэффициент скорости данной реакции. Температурный коэффициент показывает, во сколько раз возрастает скорость реакции при повышении температуры на 10?С.

Для закрепления понятия о температурном коэффициенте скорости реакции учащиеся решают ряд заданий по возрастанию сложности. Примером задачи более сложного уровня может быть следующая: температурный коэффициент скорости реакции равен 3, во сколько раз возрастает скорость реакции при повышении температуры от 20 до 50?С? Для решения этой задачи можно дать готовую формулу, но тогда учащиеся не уловят сущности. Поэтому лучше вывести формулу логическим путем. Предположим, что первоначальная скорость химической реакции равна 1моль/л?с, т.е при температуре 30?С скорость реакции равна:

Теперь вычислим скорость реакции при 40?С

(W ₃) и при 50?С (W ₄):

W ₃ = W ₂ * ? = 9 моль/л * с

W ₄ = W ₃ * ? = 27 моль/л * с

По этим данным видно, что можно вывести формулу для вычисления скорости реакции при повышении температуры на несколько десятков градусов. Из расчетов видно, что температурный коэффициент должен быть возведен в степень равную разности между начальной и конечной температуры деленную на 10:

,т.е раз.

Эта формула является математическим выражением правила Вант-Гоффа. Можно рассказать учащимся, что известный нидерландский ученый Я. Вант-Гофф пришел к выводу, что скорость большинства реакций при повышении температуры на каждые 10?С повышается в 2-4 раза на основе экспериментальных исследований.

W ₂ = W ₁ * ? = 3 моль/л * с

Теперь необходимо разобраться, почему температура влияет на скорость реакции. Учитель подводит учащихся к мысли о том, что энергия, сообщаемая веществу при нагревании, расходуется на разрушение химических связей исходных веществ.

Демонстрируя следующий рисунок, учитель показывает, как изменяется электронная плотность химических связей при взаимодействии йода с водородом:

Рис. 5 Схема образования ПАК на примере взаимодействия йода и водорода.

Когда молекулы сталкиваются, образуется общее для 4-х атомов электронное облако. Оно неустойчиво: электронная плотность из области между атомами исходных веществ как бы перетекает в область между атомами йода и водорода.

Такое промежуточное соединение образованное двумя молекулами называется промежуточным активированным комплексом (ПАК). Он существует короткое время и распадается на две молекулы (в данном случае HJ). Для образования ПАК необходима энергия, которая бы разрушала химические связи внутри столкнувшихся молекул. Эту энергию называют энергией активации.

Энергия активации - эта энергия, необходимая частицам в количестве 1 моль для образования активированного комплекса.

Графически этот процесс выглядит следующим образом:

Таким образом, энергия активации - это энергетический барьер, который должны преодолеть исходные вещества, чтобы превратиться в продукты реакции: чем меньше энергия активации, тем выше скорость химической реакции.

Подводя итог урока, учитель формулирует вывод: при нагревании скорость химической реакции возрастает, потому что увеличивается число молекул способных преодолеть энергетический барьер.

Урок 4. Катализ

Понятие «катализ» формируется также на основе эксперимента. Учащимся показывают склянку с пероксидом водорода. Они видят, что никаких признаков течения реакции нет. Но учащимся известно, что со временем пероксид водорода разлагается. Тогда учитель спрашивает: как можно ускорить процесс разложения. Скорее всего, последуют ответы об увеличении температуры до той, при которой разложение будет заметно. Учитель демонстрирует опыт нагревания пероксида водорода. При поднесении тлеющей лучинки, учащиеся видят, что она тухнет (значит выделяющегося кислорода явно недостаточно для поддержания горения). То есть нагревание мало увеличивает скорость химической реакции. Затем в склянку с пероксидом водорода учитель вносит диоксид марганца MnO₂. Даже без тлеющей лучинки учащиеся наблюдают мгновенное выделение газа. Затем вместо MnO₂ учитель вносит оксид кобальта (II) CoO (реакция идет еще более бурно), а после проводит тот же опыт с CuO (в данном случае реакция идет очень медленно).

Учитель сообщает, что вещества, способные увеличивать скорость химической реакции называются катализаторами.

На опыте школьники убедились, что не каждое вещество может быть катализатором и ускорять химический процесс. Отсюда вывод - действие катализаторов избирательно.

Затем учитель обращает внимание учащихся на такой факт, что вещества, которые ускоряли ход реакции, сами не расходовались. Если их отфильтровать и высушить, то окажется, что масса их не изменилась [7]. Для объяснения этого факта учитель схематично показывает процесс каталитической реакции:

А + В = АВ.

1 стадия. А + К = АК

2 стадия. АК + В = АВ + К.

Таким образом, вещество К остается количественно без изменения.

Теперь необходимо разобраться в причине увеличения катализаторами скорости химической реакции. Увеличение скорости реакции под действием катализатора объясняется тем, что каждая из двух стадий с катализатором имеет меньший энергетический барьер по сравнению с непосредственной реакцией взаимодействия исходных веществ.

Урок 5-6. Химическое равновесие и его смещение

Урок начинается с актуализации знаний полученных на прошлых уроках, в частности об энергетическом барьере и образовании ПАК.

Переходя к новой теме, учитель выясняет, во что превращается ПАК: в продукты реакции или исходные вещества. Школьники приходят к выводу, что на самом деле возможны оба процесса.

Учащимся демонстрируют схему:

Превращение исходных веществ в продукты реакции называют прямой реакцией, а продуктов в исходные вещества - обратной. Учитель сообщает учащимся, что взятое в качестве примера взаимодействие йода с водородом - обратимый процесс, и на самом деле большинство реакций обратимы.

Далее учащимся сообщается, что со временем скорость прямой реакции уменьшается, а скорость обратной реакции сначала равна 0, а затем возрастает. Для более наглядной иллюстрации сказанного учитель демонстрирует учащимся график, который они переносят в тетрадь.

Анализируя график, ученики приходят к выводу, что в какой то момент времени скорость прямой и обратной реакции выравниваются. Этот факт свидетельствует о наступлении равновесия. Учащимся задается вопрос: прекращаются ли при наступлении химического равновесия обе реакции?.

Если реакции прекращаются, то при изменении условий влияющих на скорость прямой или обратной реакции ничего не произойдет.

Чтобы проверить этот факт, учащимся демонстрируют следующий опыт: две пробирки, закрытые пробками и соединенные стеклянной трубкой, заполнены диоксидом азота. NO₂ при охлаждении димеризуется, а при нагревании происходит обратная реакция:

NO₂ (бурый) N₂O₄ (бесцветный)

Одну пробирку опускаем в горячую воду, другую в стакан с кусочками льда. При охлаждении усиливается димеризация, и окраска смеси становится менее интенсивной. При нагревании происходит разложение N₂O₄ и окраска смеси усиливается. Изменение окраски газа при изменении условий свидетельствует о том, что реакции продолжают протекать. Если вынуть пробирки из стакана, то через некоторое время окраска в них выровняется. Наступает равновесие. Учащимся вновь задается вопрос: идут ли при этом реакции, и почему не наблюдается видимых изменений (реакции идут, т.к их скорости можно изменить, видимых изменений нет, потому что наступило равновесие).

Таким образом, учащиеся осознают, что равновесие можно изменять (смещать) меняя условия протекания процесса.

После этого приступают к изучению принципа Ле-Шателье. В качестве эпиграфа к изучению учитель приводит слова французского ученого: «Изменение любого фактора, могущего влиять на состояние химического равновесия системы вызывает в ней реакцию, стремящуюся противодействовать произведенному изменению». То есть, изменяя какую-либо характеристику системы, равновесие смещается так, чтобы уменьшить это изменение.

Учитель предлагает подумать, какие факторы влияют на смещение равновесия. В ответах учащихся выделяют концентрацию, температуру и давление. Причем влияние температуры они уже наблюдали в опыте с оксидом азота. Изучение влияния концентрации проводят в опыте взаимодействия роданида калия с хлоридом железа (III):

KCNS + FeCl₃ = Fe(CNS)₃ + KCl

Увеличивая концентрацию исходных веществ, окраска раствора становится более интенсивной, а при добавлении к прореагировавшему раствору KCl окраска становится менее насыщенной. Таким образом, учащиеся видят, что увеличение концентрации исходных веществ ведет к большему образованию продуктов реакции (увеличение скорости прямой реакции), а значит к смещению равновесия вправо и наоборот.

Влияние следующего фактора - давления учащиеся уже изучают не опытным путем, а при помощи моделирования процесса реакции. Учащиеся уже знают, что давление в первую очередь влияет на реакции между газами. Учитель формулирует общий принцип Ле-Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии, подействовать, изменяя концентрацию, давление, температуру, то равновесие сместится в направлении той реакции, которая уменьшит это воздействие.

Влияние давления обычно рассматривают на примере реакции синтеза аммиака:

N₂ + 3H₂ = 2NH₃.

Учащимся напоминают о зависимости давления от температуры. Так как зависимость прямо пропорциональна, то увеличение давления, а значит и объема исходных газовых компонентов смещает равновесие в сторону образования аммиака (в сторону уменьшения объема). Также обсуждается вопрос смещения равновесия в условиях понижения давления. Схематически оба вывода можно записать так:

N₂ + 3H₂ = 2NH₃.

Уменьшение р.

Увеличение р. .

Учитель формулирует вывод: повышение давления вызывает смещение равновесия в сторону той реакции, которая приводит к образованию меньшего количества газов, следовательно, к понижению давления. Понижение давления вызывает смещение равновесия в сторону той реакции, которая приводит к образованию большего количества газов, следовательно, к повышению давления.

Затем учащиеся выполняют ряд упражнений по этим правилам.

Влияние температуры еще раз предлагается рассмотреть на примере следующей реакции:

CaCO_{3 (тв)} = CaO_(тв) + CO_2(г) - Q.

Самостоятельно анализируя данное уравнение, учащиеся осознают, что если прямая реакция эндотермична, то обратная ей экзотермична. Учащиеся могут испытывать трудности с выполнением этих реакций, поэтому учитель может задавать наводящие вопросы: как изменяется температура системы, если тепло поглощается (понижается), и как она изменяется при выделении тепла (повышается). Придя к таким выводам, учащиеся уже сами формулируют вывод: равновесие при повышении температуры смещается в сторону эндотермической (прямой), а при понижении - в сторону экзотермической (в данном случае обратной).

Полнота предлагаемого материала в данном методе соответствует образовательным стандартам. Данный метод позволяет активизировать мышление учащихся.

Заключение

В заключении хотелось бы еще раз отметить те методы и приемы, которые используются при формировании основных разделов понятия химическая реакция.

Главная роль при изучении каждой составляющей понятия «химическая реакция» отводится химическому эксперименту. Он наиболее наглядно отражает внешние признаки и явления, происходящие при взаимодействии, а также отражает влияние внешних факторов воздействия на реагирующие вещества. Он решает многообразные задачи воспитания (трудового, культурологического, этического, мировоззренческого, экологического); развития (памяти, мышления, воображения, творческой самостоятельности); обучения. В процессе обучения он служит источником познания [5], выполняет функцию метода (познания химических объектов, проверки учебных гипотез, решения учебных проблем), а также функцию средства обучения (доказательности истинности суждений, иллюстрации, применения знаний и умений), средства воспитания и развития учащихся. При изучении многих тем химический эксперимент применяется параллельно с моделированием: написание химических формул веществ, составление из них моделей процессов, вычерчивание графических иллюстраций процессов. Моделирование позволяет более полно отразить те изменения, которые происходят в ходе химических реакций. Использовать моделирование, в частности составляя уравнения химических реакций, нужно так, чтобы максимально избежать формализма знаний учащихся [14]: составляя формулы веществ, моделируя процессы, происходящие с ними они четко должны понимать, что за химическими формулами стоят конкретные вещества (в реакцию вступает не формула, а вещество). В этой связи и толкование уравнений реакций должно быть грамотным. Например, в реакции: 2H₂ + O₂ = 2H₂O формулировка процесса должна быть следующей: 2моль водорода реагируют с 1молем кислорода и образуется 2моль воды (а не два аш-два плюс о-два равно два аш-два-о).

Применение различных схем-конспектов облегчает учащимся запоминание объемного материала. Например, использование схемы «Скорость химической реакции и ее зависимость от различных факторов» [8] (см. приложение) помогает усвоению, запоминанию и воспроизведению накопленных знаний по данной теме. Такие схемы могут состоять из нескольких блоков и составляться поэтапно по мере изучении, каждого блока.

При изучении различных классов простых и сложных соединений учитель может использовать коллекции минералов [15]. Так, например, при изучении темы «Сера и ее соединения» необходимо ознакомить учащихся с самим минералом для изучения его физических свойств, что позволяет также преодолеть формализм знаний. Кроме того, с этой же целью провести экскурсию для учащихся, в ходе которой они могут наблюдать образование пленки серы на лужах, камнях, траве после дождя вблизи сероводородных источников. На примере серосодержащих минералов (сульфатов, сульфидов) можно дополнить знания учащихся об окислительно-восстановительных процессах происходящих в природе.

Особое внимание отводится методам позволяющим активизировать самостоятельную деятельность учащихся. Известно, что время начала изучения химии в школе (8 класс) соответствует подростковому периоду развития личности учеников (11-12 - 14-15 лет). В этом возрасте для подростка наиболее привлекательными становятся формы проведения занятий, позволяющие проявить самостоятельность и инициативу. Он легче осваивает способы действия, когда учитель лишь помогает ему [4]. Примеры занятий активно использующих данный принцип более подробно рассмотрены в параграфах «Введение понятия о химической реакции», «Формирование знаний о кинетике химических реакций».

Итак, в рассмотренных методических подходах применяются следующие методы:

1. общелогические: абстрагирование, индуктивный подход выведения понятий, обобщение, конкретизация и другие.

2. общепедагогические: рассказ, рассуждение, беседа и другие.

3. специфические: химический эксперимент, наблюдение и объяснение химических объектов.

Данные методы применяются в совокупности, так как часто применение какой-либо одной группы методов не приводит к эффективным положительным результатам. Интеграция этих методов в определенном сочетании приводит к появлению метода обучения химии.

Интерес к учебному предмету во многом зависит от того, в какой именно форме учитель подаст изучаемый материал, насколько увлекательно и доходчиво объяснит его. Именно эти качества и необходимо учитывать при выборе методов обучения, ведь только правильно выбранный метод позволит активизировать интерес к учению, усилит мотивацию учения.

Список литературы

1. Кузнецова Л. М., Дронова Н. Ю., Евстигнеева Т. А. К методике изучения химической кинетики и химического равновесия // Химия в школе. - 2001. - № 9. - с.7.

2. Кузнецова Н. Е. Методика преподавания химии: Учеб. пособие для студентов пед. ин-тов по хим. и биол. спец. - М.: Просвещение, 1984. -415 с., ил.

3. Кузнецова Н. Е. Формирование систем понятий при обучении химии. - М.: Просвещение, 1989. - 144 с.

4. Мухина В. С. Возрастная психология: феноменология развития, детство, отрочество: Учебник для студ. вузов. - 9-е изд., стереотип. -М.: Издательский центр «Академия», 2004. - 456 с.

5. Пак М. С. Основы дидактики химии: учебное пособие. - СПб.: Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 2004. -307 с.

6. Стабалдина С. Т. Принципы и законы диалектики в обучении химии // Химия в школе. - 2003. - № 7. - с.16.

7. Трофимова И. В. Реакции ионного обмена в водных растворах // Химия в школе. - 2005. - № 10. - с.10-16.

8. Турлакова Е. В. Использование схем-конспектов при изучении закономерностей химических реакций. // Химия в школе. - 1997. - № 1. - с.6.

9. Химия. 8 класс: Поурочные планы (по учебнику Л. С. Гузея и др.). I полугодие / Авт. - сост. С. Ю. Дибленко. - Волгоград: Учитель, 2004. - 144 с.

10. Химия. 8 класс: Поурочные планы (по учебнику Л. С. Гузея и др.). II полугодие / Авт. - сост. С. Ю. Дибленко. - Волгоград: Учитель, 2004. - 168 с.

11. Химия. 9 класс: Поурочные планы (по учебнику Л. С. Гузея и др.). I полугодие / Авт. - сост. С. Ю. Дибленко, Е. А. Смирнова, С. М. Колмыкова. - Волгоград: Учитель, 2005. - 169 с.

12. Ходаков Ю. В., Эпштейн Д. А., Глориозов П. А. и др. Преподавание химии в 7-8 классах: Метод. пособие для учителей. - М.: Просвещение, 1969. - 318 с.

13. Чернобельская Г. М. Методика обучения химии в средней школе: Учеб. для студ. высш. учеб. заведений. - М.: .: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 2000. - 336 с.

14. Шелинский Г. И. Насущные вопросы формирования важнейших химических понятий химии на начальном этапе обучения // Химия в школе. - 2001. - № 5. - с.17.

15. Шилов В. И. Использование минералов при формировании химических понятий // Химия в школе. - 2006. - №3. - с.32.

Приложение

Вытеснительная таблица кислот.

Ряды кислот, расположенных в порядке убывания значений констант диссоциации.