К методике изучения классов неорганических соединений
Классификация — общенаучный метод познания, позволяющий систематизировать какое-либо разнообразие предметов или явлений. На обучение учащихся этому методу в соответствии с продуктивной моделью обучения химии направлен учебник.На первом этапе обучения необходимо вызвать у учащихся потребность разобраться в многообразии веществ. Для этого они должны в процессе познания столкнуться с веществами, отличающимися по составу и свойствам. Это происходит при изучении свойств веществ, с которыми школьники соприкасались в повседневной жизни, или при изучении курса естествознания. К таким веществам относятся, например, металлы.
Рассмотрим уроки по изучению свойств металлов.
МЕТАЛЛЫ И НЕМЕТАЛЛЫ
Первое знакомство с металлами начинаем с противопоставления существенных признаков металлов и неметаллов, выявляемых в ходе опытов. Один из вариантов — предложить учащимся исследовать вещества — металлы и неметаллы, сравнить их по определённым признакам и оформить результаты в виде табл. 1.
Выполнение этого экспериментального задания вызывает определённые вопросы у учащихся. Например, как, не имея никаких приборов, измерить теплопроводность, или как проверить электропроводность. Важно не отвечать сразу на возникающие вопросы, а выслушать все суждения, позволить учащимся поспорить и порассуждать, услышать их аргументы — именно это является неким индикатором включённости учащихся в активную познавательную деятельность. Если нужных версий не будет, предложить найти ответы на страницах учебника.
Дальнейшее обсуждение данных таблицы подводит учащихся к выводу, что у металлов имеются общие свойства, а сходство графита и серы трудно выявить. Затем предлагаем следующие вопросы.
Вещество | Агрегатное состояние | Цвет | Блеск | Пластичность (ковкость) | Электропроводность | Теплопроводность |
Сера | ||||||
Графит | ||||||
Медь | ||||||
Алюминий | ||||||
Железо |
-
Что такое существенные и несущественные признаки?
-
Какие признаки (свойства) металлов можно отнести к существенным?
Подводим учащихся к классификации простых веществ и химических элементов. В завершение предлагаем задание на выявление существенных признаков вещества и определение его принадлежности к металлам или неметаллам.
Определите, к металлам или неметаллам относится вещество, указав его существенные признаки
1. Данное вещество — самая тяжёлая жидкость на Земле при обычных условиях. Температура плавления —38 °С, температура кипения 356,6 °С. Такая разница температур позволяет применять вещество в термометрах. Движение столбика термометра хорошо заметно, так как вещество обладает серебристо-серым цветом и характерным блеском. Интересно, что даже в жидком состоянии оно обладает хорошей тепло- и электропроводностью. (Ртуть, металл.)
2. Это простое вещество используют в быту в качестве дезинфицирующего средства. В аптеках можно приобрести его 5%-ную спиртовую настойку. Для приготовления настойки тёмно-фиолетовые, слегка блестящие кристаллы растворяют в спирте. Стоит отметить, что кристаллы очень хрупкие. При поднесении к кристаллу электродов лампочка, включённая в цепь, не загорается. (Иод, неметалл.)
3. Это самое твёрдое на Земле вещество природного происхождения. Представляет собой прозрачные кристаллы, которые в результате огранки приобретают красивый блеск и используются в ювелирном деле. Не проводит электрический ток, плохо проводит тепло. (Алмаз, неметалл.)
4. Своим названием вещество обязано одному из свойств — способности светиться в темноте. Это свойство описал Артур Конан Дойл в произведении «Собака Баскервилей». Однако автор не учёл, что это белое пластичное вещество легко испаряется, чрезвычайно ядовито и легко самовоспламеняется на воздухе, а потому не могло быть использовано описанным способом. Вещество не проводит электричество и плохо проводит тепло. (Фосфор белый, неметалл.)
5. Это вещество имеет жёлтый цвет и красивый блеск. Высокая пластичность позволяет вытягивать очень тонкие нити. Такими нитями расшивали праздничные одежды царских особ и служителей церкви. Вещество обладает высокой электро- и теплопроводностью, однако в электротехнике почти не используется из-за высокой стоимости. (Золото, металл.)
6. Это вещество имеет очень высокую температуру плавления — 3422 °C. Именно это свойство, а также пластичность и электропроводность определяют возможность использования вещества для изготовления нитей в лампах накаливания. Вещество имеет серебристо-серый цвет и характерный блеск. (Вольфрам, металл.)
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ
Следующий урок логически продолжает первый — раскрывает общность в химических свойствах металлов.
Одно из важных условий включения учащихся в активную познавательную деятельность — выполнение связанных с их личным опытом заданий, которые выявляют предел имеющихся знаний или вызывают вопросы и потребность в изучении нового. Начинаем с обсуждения этимологии слова «металлы», обратившись к любому источнику: словарю, Интернету и т. п. Выясняем, что такое руды и минералы. Затем предлагаем задание по теме «Металлы в природе».
Согласны или не согласны вы со следующими утверждениями:
1. Золото, серебро, медь, платина, ртуть встречаются в природе в самородном состоянии ввиду химической пассивности.
2. Рудами называют природные смеси, состоящие из металлов и их соединений.
3. Медь входит в состав примерно двухсот минералов.
4. Малахит — это минерал, содержащий железо.
5. Минерал алюминия — корунд (оксид алюминия) — отличается большой прочностью. Из него делают наждачную бумагу и наждачные круги.
6. Глина представляет собой сложное соединение, состав которого можно описать посредством химических формул оксидов алюминия, кремния и воды.
7. Среди металлов самый распространённый в земной коре — железо.
8. В природе встречаются минералы, растворимые в воде.
9. Иногда плёнки из оксида металла, образующиеся на поверхности, например, меди или алюминия, защищают металл от окисления или разрушения.
Как правило, учащиеся высказывают различные точки зрения, и обсуждение результатов выполнения задания даёт возможность сформировать интерес к новому материалу и сформулировать цель урока — выявление общности химических свойств металлов.
Проводим и обсуждаем демонстрационные опыты: «Горение железной проволоки в кислороде», «Окисление меди в кислороде», «Горение магниевой ленты», «Взаимодействие серы с железом», а также демонстрируем и обсуждаем видеофрагмент «Горение медной проволоки в хлоре». Все эти реакции экспериментально подтверждают общность химических свойств металлов — способность реагировать с кислородом, хлором и серой. Учащиеся заполняют табл. 2. Заключительный этап урока — заполнение последней строки табл. 2, а также выполнение заданий из учебника на закрепление знаний и умений.
Описание | Опыт | ||
Взаимодействие с кислородом | Взаимодействие с хлором | Взаимодействие с серой | |
Схема опыта и наблюдения | |||
Уравнение реакции | |||
Примеры аналогичных реакций натрия, кальция и алюминия |
Таким образом, учащиеся выясняют, что у металлов есть общие физические и химические свойства. Наряду с этим они узнают, что все простые вещества подразделяют на металлы и неметаллы. Такое разделение простых веществ на два класса естественным образом вытекает из познавательного опыта учеников.
При изучении состава природных соединений металлов школьники убеждаются, что среди руд встречаются оксиды, гидроксиды, сульфиды и хлориды, т. е. состав руд во многом связан с общими химическими свойствами металлов — способностью реагировать с кислородом, серой, хлором и другими неметаллами.
КИСЛОРОД. ВОДОРОД
При изучении кислорода учащиеся в результате ряда опытов убеждаются, что кислород реагирует с металлами и неметаллами. Это в дальнейшем позволяет изучить свойства оксидов и подразделить их на две группы — кислотные и основные. При рассмотрении способов получения кислорода школьники узнают состав хорошо знакомой им с детства марганцовки и научное название этого вещества.
Изучение методов получения водорода позволяет расширить и углубить представление учащихся о кислотах. В быту они сталкивались с лимонной и уксусной кислотами. Им известно, что эти вещества кислые на вкус. На уроке они узнают, что в состав кислот входит водород, который способен замещаться металлами. Таким образом, на последующих уроках учащиеся могут среди сложных веществ выделить класс кислот.
УГЛЕКИСЛЫЙ ГАЗ. ОКСИД КАЛЬЦИЯ
Изучение этих веществ имеет большое значение для формирования познавательного опыта, необходимого для построения классификации веществ. Интерес к свойствам оксида кальция у учащихся возникает в связи с историей его использования в строительстве как связующего материала.
В начале урока предлагаем учащимся разобраться в терминах. На доске карточки с названиями: негашёная известь, кипелка, обожжённая известь, гашёная известь, пушонка, известковый раствор, известняк, мел, ракушечник, мрамор, а также карточки с химическими формулами: CaO, CaCO3, Ca(OH)2. Обсуждаем соответствие названий и химических формул. Из предыдущего урока
учащимся знакомы известняк, ракушечник, мрамор. Новые термины — негашёная известь, кипелка, обожжённая известь, гашёная известь, пушонка и известковый раствор. Возможно, жизненный опыт некоторых учащихся позволит идентифицировать и эти понятия.
Организуем дискуссию, которая позволяет определить задачи урока в виде вопросов учащихся, например: почему несколько разных названий соответствуют одной химической формуле? С чем связаны названия этих веществ?
Далее демонстрируем опыты: гашением извести получаем известковый раствор, фильтрованием получаем из него известковую воду и пропускаем через неё углекислый газ. Таким образом учащиеся знакомятся с основными свойствами и существенными признаками оксида и гидрокида кальция. Затем предлагаем задание.
Расшифруйте суть и, составив уравнения реакций, объясните химическую сущность древнего рецепта приготовления известкового теста: «Возьми немного кипелки и добавь к ней воду. Гаси её лучше. Когда она обрастёт пухом, добавь ещё воды так, чтобы тебе подошло для дела. Скрепляй тестом камни».
При изучении химических процессов, протекающих при затвердевании известкового раствора, учащиеся узнают, что в результате реакции оксида кальция с водой получается гидроксид кальция. Гидроксид кальция способен реагировать с углекислым газом с образованием сложного вещества такого же состава, как известняк, из которого получают оксид кальция.
При изучении свойств углекислого газа учащиеся узнают, что хорошо знакомая им газированная вода — это раствор углекислого газа и угольной кислоты — продукта реакции углекислого газа с водой. На последующих уроках они убедятся в том, что с водой реагируют также оксиды фосфора
и серы. Во всех случаях образуются кислоты. Эти знания позволяют среди всех оксидов выделить класс кислотных оксидов, которым соответствуют кислоты. Соответствие кислоте учащиеся определяют экспериментально: кислота получается при растворении оксида в воде или оксид образуется при разложении кислоты.
ОСНОВНЫЕ ОКСИДЫ
Изучение свойств оксидов металлов с низкой валентностью основано на проведении лабораторных опытов в соответствии со схемой: предположение -> экспериментальное подтверждение -> вывод.
Обсуждаем с учащимися возможный ход урока, ставим его задачи. В ходе обсуждения начинаем заполнение табл. 3.
+ кислота | + вода | + кислотный оксид | |
Оксид металла с низкой валентностью (I, II) | + | ? | ? |
Схема взаимодействия | MeO + HX -> MeX + H2O | ? | ? |
О возможности реакции оксидов металлов с кислотами учащиеся знают с предыдущего урока. Предлагаем им подтвердить это экспериментально, используя инструкцию 1, а затем в ходе самостоятельной деятельности по инструкции 2 изучить способность основных оксидов реагировать с водой.
Инструкция 1
К выданным образцам оксидов добавьте кислоту. Перемешайте. Если в растворе присутствуют частички нерастворённого вещества, осторожно нагрейте. Составьте уравнения реакций, укажите их тип и условия протекания. Сделайте вывод о способности основного оксида взаимодействовать с кислотой.
Инструкция 2
К выданным образцам оксидов добавьте воду. Перемешайте. Если в растворе присутствуют частички нерастворённого вещества, отфильтруйте их. К фильтрату добавьте индикатор фенолфталеин.
Если окраска индикатора изменилась, то оксид с водой взаимодействует, если не изменилась, значит, реакция между оксидом и водой невозможна.
В случае, если реакция возможна. Найдите уравнение происходящей реакции в учебнике
или составьте по аналогии с теми уравнениями, которые там представлены; укажите условия протекания реакции и её тип.
Объясните, почему изменилась окраска индикатора. Какое вещество обусловливает данную окраску? Какова среда полученного раствора? Запишите результат опыта и наблюдения в табл. 4.
Действие | Результаты в пробирке с | |
оксидом кальция | оксидом меди | |
Добавление воды | ||
Добавление индикатора |
Результаты эксперимента анализируем в ходе фронтального обсуждения или предлагаем учащимся самостоятельно ответить на вопросы.
-
Какой из выданных оксидов вступил в реакцию с водой?
-
Пользуясь таблицей растворимости, определите, является ли полученный гидроксид растворимым веществом.
-
Соответствуют ли результаты эксперимента данным таблицы растворимости?
-
Составьте формулу гидроксида того металла, оксид которого не вступил в реакцию с водой.
-
Растворимо ли это вещество?
-
Сформулируйте вывод: оксид взаимодействует с водой, если в результате получается ... гидроксид. Данная реакция относится реакциям ... .
Изучение взаимодействия оксидов металлов с кислотными оксидами строим как обсуждение результата опыта. На дно пластиковой бутылки, заполненной углекислым газом, помещаем оксид кальция и плотно закрываем бутылку. Через некоторое время бутылка деформируется.
-
Почему произошло сжатие бутылки?
-
Какие изменения с веществами способствовали сжатию и почему?
Если учащиеся затрудняются ответить на этот вопрос, предлагаем им обратиться к учебнику.
-
Напишите уравнение реакции, укажите её тип.
-
Сформулируйте вывод о взаимодействии кислотного и основного оксидов.
Таким образом, класс основных оксидов изучается на основе опыта познания свойств этих веществ. Создаются объективные условия для объединения веществ в группу (класс).
Аналогичный подход используем при изучении солей. С представителями этого класса учащиеся уже сталкивались ранее (свойства оксидов и гидроксидов). При рассмотрении реакции нейтрализации они узнали, что в результате реакции кислоты с основанием образуются соль и вода. Тем самым созданы условия для подробного анализа состава и свойств солей и объединения этих соединений в класс неорганических веществ.
СОЛИ И ИХ СВОЙСТВА
Свойства солей школьники изучают в ходе выполнения практической работы. Учащиеся выполняют предложенные в дидактической карточке задания, результаты обсуждаем фронтально. Важно не упустить возникающие у них вопросы, предположения, делать акценты на их умозаключениях и фиксировать, например на доске, в виде таблицы или схемы, основные выводы.
Дидактическая карточка
1. Рассмотрите выданные вам растворы солей. Возьмите для исследования соли меди, натрия, железа, кальция, калия. Запишите в тетрадь формулы выбранных солей и дайте им названия, используя табл. 30 или табл. 42.
2. Из чего состоят соли? Запишите в тетрадь определение солей, исходя из их состава. Как можно сформулировать определение понятия «соли», исходя из способа их получения? Продолжите в тетради фразу: соли — это продукт реакции ... с ... .
Составьте уравнение химической реакции, позволяющей получить любую соль согласно составленному определению.
3. Лабораторный опыт 1. Проведите реакцию нейтрализации, которая приводит к образованию нерастворимой соли. Подберите реагенты из имеющихся реактивов, обсудите с учителем ваш выбор и проверьте его на практике.
4. Лабораторный опыт 2. Соли взаимодействуют с металлами, которые активнее чем металл, который входит в состав соли. Проведите опыты 1 и 2. Зафиксируйте наблюдения и напишите уравнения химических реакций.
5. Лабораторный опыт 3. Проверьте, способны ли соли реагировать друг с другом. Для этого попарно сливайте выбранные вами растворы солей. Составьте уравнения возможных реакций.
6. Лабораторный опыт 4. Проверьте, способны ли соли реагировать с щелочами. Составьте схему эксперимента, позволяющего ответить на поставленный вопрос, используя растворы солей железа, меди, калия и гидроксида натрия. Напишите уравнения возможных реакций.
7. Лабораторный опыт 5. Проверьте, способны ли соли реагировать с кислотами. Составьте схему эксперимента, позволяющего ответить на поставленный вопрос, используя растворы силиката натрия, карбоната натрия, сульфата натрия и соляную кислоту. Напишите уравнения возможных реакций.
8. Сформулируйте вывод о свойствах солей.
Таким образом, изучение классов веществ осуществляется индуктивным путём. Учащиеся с интересом изучают вещества, с которыми они ранее сталкивались на уроках или в повседневной жизни, в результате у них расширяется представление об их составе и свойствах, что служит в дальнейшем основой для обобщения знаний при построении схемы «Классификация неорганических веществ». Обучающиеся узнают о классификации как методе познания и сами выделяют признак, позволяющий классифицировать вещества.
КЛАССИФИКАЦИЯ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ
Начинаем с простой игры, в ходе которой на доске появляется достаточное количество формул веществ, относящихся к различным классам. Приведём примеры заданий.
-
Напишите химическую формулу вещества, состоящего из металла и неметалла.
-
Напишите формулу гашёной извести.
-
Составьте формулу вещества, входящего в состав любой газированной воды, и т. п.
Источник получения информации о веществе может быть любым — карточка, которую вытаскивает выходящий к доске, задание учителя, слайд, составленные самими учащимися загадки о веществах с описанием их состава, способа получения или химического свойства и т. п. Важно подвести обучающихся к представлению о многообразии веществ и вместе с тем обсудить выявленную в ходе предыдущих уроков общность в их свойствах.
Затем предлагаем учащимся самостоятельно разделить записанные на доске формулы веществ на группы с указанием признака формирования групп. Это создаст почву для организации обсуждения различных подходов к классификации и выявлению признаков, которые могут служить основанием для классификации. Подобное задание удобно выполнять на интерактивной доске.
Результат обсуждения — обобщённая схема «Классификация неорганических веществ» (рис. 1). В данной схеме состав веществ выступает как основной признак построения классификации.
Дополнение данной схемы примерами формул веществ, имеющих практическую значимость, даёт возможность показать несовершенство данной классификации. Например, угарный газ не может быть отнесён ни к одному из указанных классов. В результате учащиеся приходят к пониманию того, что природа намного многообразнее любой схемы.
ГЕНЕТИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ ВЕЩЕСТВ РАЗЛИЧНЫХ КЛАССОВ
На этом уроке завершаем изучение классификации веществ. По своей сути это урок обобщения сведений о свойствах и превращениях веществ.
Вначале предлагаем учащимся, опираясь на схему классификации веществ, привести примеры различных соединений, имеющих в своём составе, например, натрий, серу, фосфор и т. п. Затем на основе изученных свойств веществ устанавливаем связь между предложенными соединениями. Подводим к определению генетической взаимосвязи веществ как взаимозависимости веществ различных классов: из веществ одного класса можно получить вещества, относящиеся к другим классам. Учащиеся приводят примеры уравнений химических реакций, доказывающих наличие генетической связи между классами.
Включение в систему генетических связей простого вещества позволяет ввести понятие генетического ряда. Рассмотрение этого вопроса сопровождаем демонстрационными опытами, иллюстрирующими генетические ряды фосфора и кальция. Составляем схемы генетических рядов кальция и фосфора, а как итог — обобщающие схемы генетических рядов металлов и неметаллов. Подчёркиваем местоположение соли как связующей двух генетических рядов (рис. 2).
Учащиеся проявляют большой интерес к изучению классов веществ. Этот интерес позволяет им преодолевать познавательные трудности, что является необходимым условием развивающего обучения.
Е. Ю. Васюкова, кандидат педагогических наук.