Методика формування і розвитку системи понять про хімічні реакції структура системи понять про хімічну реакцію

Поняття про хімічної реакції складне і багатогранне. Це, як і поняття «речовина», ціла система понять, що має свою структуру. У курсі хімії середньої школи чітко різняться шість компонентів поняття «хімічна реакція», які розглядаються в єдності і формуються поступово: 1)

ознаки, сутність і механізм реакцій; 2)

закономірності виникнення і протікання; 3)

кількісні характеристики; 4)

класифікація; 5)

практичне використання; 6)

методи дослідження (схема 3.11.).

Схема 3.11.

Структура системи понять про хімічну реакцію | |

2!

II? 1

Si

ml

XS 2 S-С

Ф О ж? XX

? О Я)

ш *

с

S

s <

Кількісні характеристики хімічних реакцій

Ознаки, сутність та механізм - хімічної реакції

'1

1 у S

S

3 - ^

зі О)

а

х

S *

о

CD

И і °

\ 5

Закономірності -»? виникнення і протікання хімічної реакції Практичне використання хімічних реакцій

Поєднання цих шести блоків понять не тільки визначає систему знанні, але й дозволяє розкрити філософську сутність поняття «хімічна реакція», дозволяє виявити діалектичну єдність всіх його сторін. Хімічна реакція повинна характеризуватися з позицій всіх шести блоків змісту поняття. Кожен з них має свою структуру, як, наприклад, структура змісту понять про класифікацію хімічних реакцій, наведена в табл. 3.2.

Таблиця 3.2.

Класифікація хімічних реакцій1 Принципи класифікації Характеристика реакцій Приклади реакцій 1 2 3 Вихідний стан реагує системи Гомогенні Гетерогенні Взаємодія азоту з киснем

Взаємодія оксиду кальцію з оксидом вуглецю (IV) 1 Савич Т. 3. Систематизація та узагальнення знань учнів про хімічної реакції в X класі / / Хімія в школі, 1980, № 2.

Ю'Черяобельскйя Г. М. 1 2 3 Наявність окислювально-відновного процесу окислювально-відновні реакції, в яких окислювально-відновного процес відсутній Взаємодія цинку з соляною кислотою

Розкладання карбонату кальцію з утворенням оксиду кальцію та оксиду вуглецю (IV) Участь каталізатора Каталітичні некаталітичного Взаємодія азоту з воднем

Взаємодія оксиду сірки (IV) з водою оборотність реакції Оборотні Необоротні Взаємодія оксиду сірки (IV) з водою

Розкладання дихромата амонію Енергетичний ефект реакції екзотермічні Ендотермічна Горіння магнію Розкладання оксиду ртуті Співвідношення числа вихідних та отриманих речовин З'єднання

Розкладання Заміщення та обмін Взаємодія оксиду кальцію з водою Розкладання оксиду ртуті Взаємодія заліза і хлориду міді (II)

Взаємодія нітрату срібла і хлориду натрію Реакції, що протікають без зміни якісного складу простих і складних речовин Аллотропние перетворення Ізомеризація Перетворення кисню в озон

Освіта одного ізомеру з іншого

Такими повинні бути знання учнів про класифікацію хімічних реакцій після засвоєння шкільного курсу хімії.

Система понять про сутність, механізми і ознаках хімічної реакції може бути представлена??двома сторонами: поняттями про зовнішні ознаки і внутрішньої сутності реакцій. Між ними існує причинно-наслідковий зв'язок.

Поняття про внутрішню сутність реакцій розвивається поступово, ускладнюючи при переході від теорії до теорії. У атомно-молекулярному вченні сутність хімічної реакції пояснюється як перегрупування атомів. При вивченні електронної будови речовин хімічні реакції розглядаються як процес розриву одних зв'язків і утворення інших, на рівні теорії електролітичної дисоціації - як взаємодія іонів, а при вивченні теорії будови органічних речовин аналізується механізм протікання хімічної реакції.

Закономірності виникнення і протікання хімічних реакцій в шкільному курсі хімії виражені окремими взаємопов'язаними поняттями: про енергетику, швидкості хімічної реакції, каталізі та хімічному рівновазі. У розділах про енергетику хімічних реакцій дано поняття про екзо-і ендотермічних реакціях, тепловому ефекті хімічних реакцій, а також про енергію актіваціі.83 Швидкість хімічної реакції розглядається як зміна концентрації в одиницю часу. Формула закону дії мас дається без урахування стехиометрических коефіцієнтів в якості показників ступеня; розбирається лише приклад, коли кожен коефіцієнт дорівнює 1. Хімічна рівновага вивчається як рівність швидкостей прямої і зворотної реакцій, вказуються способи зміщення рівноваги (якісний аспект).

Кількісна сторона хімічних реакцій відображена в розрахунках кількісних відносин речовин в хімічних реакціях і найпростіших термохімічних розрахунках на основі: 1)

закону збереження маси речовини при хімічних реакціях; 2)

молярних відносин реагуючих речовин при хімічних реакціях (масові відносини, об'ємні відносини); 3)

термохімічних розрахунків.

Розвиток цих понять виражається в поступовому ускладненні розрахунків, наприклад, розрахунків практичного виходу продукту: якщо одне з вихідних речовин дано в надлишку, якщо одне з вихідних речовин містить домішки, якщо вихідні речовини дано у вигляді масової частки в розчині і т. д.

При вивченні методів дослідження хімічних процесів учні знайомляться з хімічним посудом, реактивами, матеріалами та обладнанням хімічної лабораторії, освоюють прийоми роботи з хімічним устаткуванням, опановують методами складання хімічних рівнянь та іншими способами моделювання хімічних процесів, осягаючи загальнонаукових підхід до вивчення хімічних реакцій.

Послідовність формування поняття «хімічна реакція»

10 '

27-Щ

Поняття «хімічна реакція»формується на декількох рівнях.

Рівень 1. Поняття про хімічної реакції починається формуватися з самих перших уроків. Спочатку дають поняття про хімічний явищі, тому що термін «явище» понад знаком учням, а потім повідомляють, що хімічне явище - це і є хімічна реакція. На цьому етапі опора робиться на знання, отримані учнями з фізики. На рівні атомно-молекулярного вчення роз'яснюють, як можна за зовнішніми ознаками виявити хімічну реакцію (утворення осаду, зміна забарвлення, виділення газу, виділення або поглинання теплоти і т. д.).

З умов протікання хімічної реакції дається загальне поняття про енергію активації, про роль нагрівання (на прикладі реакції горіння), подрібнення і перемішування (збільшення поверхні реагуючих речовин), поняття про екзо-і ендотермічних реакціях.

Класифікація хімічних реакції дається на рівні порівняння числа вихідних та отриманих речовин. При цьому учні використовують такі розумові прийоми: порівняння, аналіз, синтез, узагальнення. Всі ці відомості про хімічної реакції включені в тему «Початкові хімічні поняття». Далі всі сторони системи понять про хімічну реакцію повинні розширюватися і доповнюватися новими даними, тобто після етапу узагальнення знову починається етап накопичення.

Закономірності протікання реакцій розбираються при вивченні умов виникнення та припинення горіння. Новим тут є поняття про каталізатор і перші, найпростіші, уявлення про швидкість хімічної реакції, про окисленні як з'єднанні з киснем. На цьому рівні дається поняття про реакції обміну на прикладі взаємодії кислот з оксидами, про реакцію нейтралізації кислоти підставою, про відновлення як різновиду реакції заміщення і як про процес відібрання кисню від речовини.

Рівень 2. Поняття про хімічної реакції отримує подальший розвиток. Зокрема, починають формуватися енергетичні уявлення про хімічні процеси. Розглядається поняття про екзотермічних і ендотермічних реакціях, вводиться якісно нове поняття про тепловий ефект хімічних реакцій, термохімічних рівняннях. Розкривається на хімічному матеріалі найважливіший закон природи - закон збереження і перетворення енергії. Так з'являється можливість знову показати, що всі хімічні процеси мають дві сторони - якісну і кількісну. При вивченні енергетики хімічної реакції вчитель обов'язково повинен встановити межпредметную зв'язок з фізикою на основі закону збереження і перетворення енергії. Це створить умови для формування науково-матеріалістична-го світогляду, утвердження ідеї про матеріальну єдність світу і дасть можливість згадати про нову форму енергії - енергії, що виділяється при хімічних реакціях. Кількісні відносини речовин трактуються як молярні відносини реагуючих речовин і продуктів реакції. За допомогою відповідного перерахунку ці відносини можна виразити як масові або об'ємні відносини (якщо мова йде про газах).

Рівень 3. Поняття про хімічної реакції зазнає якісна зміна в темі «Хімічний зв'язок. Будова речовини». Хімічна реакція починає трактуватися як руйнування одних зв'язків і утворення нових. Розглядається це на прикладі окислювально-відновних реакцій. Механізм реакції окислення і відновлення пояснюють з точки зору переходу електронів, піднімаючись на більш високий теоретичний рівень.

На основі нового поняття «ступінь окислення» аналізують відомі учням реакції різних типів, доводячи, що серед реакцій будь-якого типу можна знайти окислювально-відновні. Отже, ступінь окислення елемента - це, як правило, ще один критерій класифікації хімічних реакцій. Тут з'являється можливість показати учням діалектичний характер окислювально-відновних процесів (єдність і боротьба протилежностей), поняття про якісної реакції на прикладі соляної кислоти і хлоридів.

У темі «Підгрупа кисню» вводиться новий тип реакцій - аллотропние перетворення на прикладі озону, сірки.

Рівень 4. У деяких підручниках збережена тема «Закономірності хімічних реакцій», але якщо її немає, то відомості про ці закономірності розподілені по інших темах.

В темі дається поняття про швидкість хімічної реакції і про фактори, що впливають на швидкість (природа реагуючих речовин, їх концентрація, поверхню зіткнення, температура, наявність каталізатора), викладається питання про каталізі і каталізаторі, в дуже популярній формі повідомляється про енергію активації. У цій же темі розглядається поняття про оборотних реакціях і хімічному рівновазі. Це питання дуже важливе для формування світогляду навчаючи-трудящих, для ілюстрації закону діалектики про єдність і боротьбу протилежностей. Необхідно підкреслити динамічний характер хімічної рівноваги, фактори, що викликають зсув хімічної рівноваги. Оборотність реакцій є ще одним принципом класифікації хімічних реакцій, поняття про динамічній рівновазі доповнює картину про механізм хімічної реакції.

Таким чином, в цій темі розвивається і узагальнюється поняття про хімічної реакції.

Рівень 5. Тема «Теорія електролітичної дисоціації», крім світоглядного значення (ілюстрація єдності протилежних процесів - дисоціації і молярізаціі), вносить багато нового в пояснення механізму реакції. На базі поняття про оборотності реакцій можна пояснити сутність процесу дисоціації, а також гідролізу солей.

84 Гідроліз розглядається тільки в іонної формі, щоб не вводити поняття про гідроксосолях. Гідроліз - дуже важливе теоретичне поняття, яке розвивається в наступних темах і в органічній хімії. Його слід вивчати з використанням поняття про хімічний рівновазі.

Далі вивчення хімічних реакцій відбувається дедуктивно. Знання, сформовані на базі перерахованих теорій, застосовуються для пояснення фактів і явищ і прогнозування перебігу процесів. Рівень 6. Подальший розвиток поняття «хімічна реакція» здійснюється в курсі органічної хіміі.85 Поняття про класифікацію хімічних реакцій доповнюється і розширюється. У курсі органічної хімії вводиться новий тип реакції - ізомеризація. Найперша класифікація реакцій на типи набуває якісно нове, більш глибокий зміст. Наприклад, реакція заміщення - галогени-вання алканів призводить не до утворення нового простого і нового складного речовини, а до утворення двох складних речовин. Реакція сполуки включає в себе цілу систему понять органічного синтезу: гідрування, гідратацію, полімеризацію, фотосинтез та ін Реакція розкладання об'єднує таку систему понять, як крекінг, риформінг, гідроліз (омилення) і т. д.

У органічної хімії вноситься якісно новий матеріал і в поняття про механізми реакцій [26, 28]. Вперше дається уявлення про ВІЛЬНОРАДИКАЛЬНОГО механізмі реакцій заміщення і полімеризації і іонному механізмі реакцій приєднання. Вільнорадикальних механізм розглядають на прикладі реакцій заміщення (галогенірова-ня алканів), приєднання (полімеризація), відщеплення (крекінг вуглеводнів). У неорганічної хімії цей механізм не розбирають (ланцюгові реакції виключені з програми). Розширюється поняття про іонному механізмі хімічної реакції: наводяться приклади приєднання неорганічних речовин до алкенів (симетричним і несиметричним), реакцій заміщення при гідролізі галогеналкілов.

Система понять про закономірності хімічних реакцій в органічній хімії наповнюється своїм особливим змістом. Наприклад, при розвитку поняття «швидкість хімічних реакцій», крім впливу вивчених раніше факторів, відзначається ще вплив енергії зв'язку, а також електронного та просторової будови на швидкість реакції. При вивченні каталізу в органічній хімії учням повідомляють про теорію проміжних сполук, про дію ферментів і т. д.

Рівень 7. У темі «Узагальнення знань але неорганічної та органічної хімії» завершується узагальнення поняття «хімічна реакція».86 Наприкінці навчання учень повинен зуміти охарактеризувати запропоновану йому як приклад хімічну реакцію у світлі компонентів змісту.

Методи вивчення хімічних реакцій

Формування системи знань про хімічної реакції вимагає спеціального відбору методів. Насамперед, це проблемне навчання. Наприклад, перед вивченням теплового ефекту хімічної реакції можна запропонувати питання, які будуть стимулювати подальше вивчення матеріалу: чи дотримується в хімії закон збереження і перетворення енергії? Звідки з'являється і в що перетворюється теплота хімічної реакції?

При підготовці учнів до пояснення сутності хімічної реакції як процесу руйнування одних зв'язків і утворення інших можна поставити проблему: як пояснити, чому при протіканні тієї чи іншої реакції спостерігається позитивний або негативний тепловий ефект? Для пояснення цього відомого учням факту їх знайомлять з поняттям енергії зв'язку, поглиблюють уявлення про сутність реакції.

Запропонувавши учням назвати типи хімічних реакцій, класифікованих за принципом співвідношення числа вихідних або отриманих речовин, перед ними ставлять проблему: до якого типу реакцій належать окислювально-відновні реакції:

Zn + 2НС1 = ZnCh + Н2;

2Mg + 02 = 2MgO.

В результаті учні поглиблюють поняття про класифікацію хімічних реакцій.

Проблеми, які потребують узагальнень, пов'язують між собою відразу кілька блоків понять. Розробка методики проблемного навчання стосовно до поняття «хімічна реакція» - дуже серйозна тема дослідження, яка ще недостатньо освоєна.

Необхідною умовою вивчення хімічних реакцій є демонстраційний і учнівський хімічний експеримент. Його методична функція змінюється від рівня до рівня. Якщо на початку навчання експеримент виконує функцію змісту, тобто є об'єктом вивчення, то надалі він все більше набуває функцію засобу навчання, за допомогою якого активізується мислення учнів. Експеримент грає роль непрямого докази існування глибинних механізмів. Наприклад, якщо спочатку реакція окислення міді на повітрі або горіння магнію констатує просто наявність хімічної реакції (мета вивчення - зовнішні ознаки реакції), то в IX класі реакції між електролітами в розчинах є засобом для доказу існування та взаємодії іонів.

При вивченні хімічних реакцій широко застосовується самостійна робота, Е також різноманітні засоби навчання: для спостереження самої реакції - хімічне обладнання, прилади; для вивчення глибинних процесів - моделі, екранні посібники, таблиці. Пошук оптимальних сочено бувань засобів навчання на уроці, що сприяють неформальному засвоєнню понять, - одна з фундаментальних проблем методики викладання хімії.

7.

8.