РАЗВИТИЕ ПОЗНАВАТЕЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ УЧАЩИХСЯ
ПРИ ИЗУЧЕНИИ
ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

Новый взгляд на возможность использования
понятия «степень окисления» в школьной практике

В процессе обучения довольно часто не принимается в расчет соотношение логического и методического подходов. А это очень важно, т.к. вопросы логики имеют только однозначное толкование в отличие от вопросов методики, характеризующихся альтернативными возможностями (подходами). Например, Ю.В.Ходаков в своей брошюре [1] справедливо указывал на это еще в 1958 г. В частности, он так поясняет вышесказанное: законы логики требуют изучать реакции замещения (в отличие от реакций соединений и разложения) только после того, как ученики познакомились с атомно-молекулярным учением (теорией); другая последовательность в изучении будет противоречить логике развития этого понятия. Что же касается места изучения этого понятия, то этот вопрос неоднозначен: после изучения атомно-молекулярной теории подходить к изучению реакций замещения можно в разделе «Первоначальные химические понятия», а можно в разделе «Водород. Кислоты. Соли».
С точки зрения логики понятие «степень окисления» не может быть рассмотрено, пока не сформированы такие понятия, как «валентность», «строение атома», «химическая связь» («ионная», «ковалентная»), «электроотрицательность».
В отечественной методической литературе понятие «степень окисления» стало активно использоваться с середины 1950-х гг. Подробно методика использования этого понятия при изучении закономерностей химии была дана одним из авторов данной статьи в своей кандидатской диссертации [2]. Приятно отметить, что теоретические аспекты понятия «степень окисления» были рассмотрены в России еще раньше [3–5].
В современных школьных российских учебниках по химии это понятие рассматривается только как инструмент для подбора коэффициентов в окислительно-восстановительных реакциях. В данной статье мы попытаемся обратиться к рассмотрению более важной стороны понятия «степень окисления», которое можно использовать для развития и активизации мыслительной деятельности учащихся на протяжении последующего изучения курса химии.
Мы рекомендуем учителю так организовать процесс обучения, чтобы ученики могли четко усвоить (и понять) следующее важное положение: классификация химических реакций на основе изменения/неизменения степени окисления атомных частиц* является наиболее общей из всех известных. (Впоследствии школьники познакомятся с другой глобальной классификацией: самопроизвольное и несамопроизвольное протекание химических реакций.)
Поэтому в своей практике при изучении элементов мы рассматриваем учебный материал о простых и сложных веществах в такой последовательности: а) реакции, происходящие с изменением степени окисления; б) реакции, происходящие без изменения степени окисления. Тогда для простых веществ будут прежде всего характерны реакции, сопровождающиеся изменением степени окисления (процессы окисления и восстановления), т.к. степень окисления в простых веществах равна нулю. Для сложных же веществ возможны как реакции с изменением степени окисления атомных частиц, так и без изменения степени окисления.
Из этого следует, что учителю необходимо не отступать от логики при изучении всего курса химии [1, 6, 7]. Придерживаться логики следует научить и своих учеников при рассмотрении любых вопросов, касающихся свойств простых и сложных веществ.
Уточним, какой смысл мы вкладываем в основные термины, используемые при обучении.
В отличие от несколько запутанных и поэтому малопонятных для школьников определений степени окисления мы предлагаем следующую формулировку: степень окисления – это число смещенных электронов от одной атомной частицы к другой в химическом соединении (независимо от того, частично или полностью смещены электроны). Наиболее часто понятие «степень окисления» используется в тех случаях, когда речь идет о соединениях с ковалентной полярной связью, т.к. степень окисления в ионных соединениях равна заряду иона.
Тогда окисление – это повышение величины степени окисления, а восстановление – ее понижение (в зависимости от числа смещенных электронов).
Восстановитель – это вещество, содержащее атомную частицу, у которой в реакции повышается величина степени окисления.
Окислитель – вещество, содержащее атомную частицу, у которой в реакции понижается величина степени окисления.
Покажем теперь на некоторых примерах (часть из них учитель может использовать при работе с сильными учениками) основы используемой нами методики.

Пример 1. Тема «Сера и ее соединения»

Пример 2. Тема «Подгруппа азота»

Какие выводы можно сделать из рассмотренных примеров? (Хорошо, если выводы смогли бы сделать сами ученики!)
Первый вывод. Простые вещества – неметаллы – могут участвовать в окислительно-восстановительных реакциях как в качестве окислителей, так и в качестве восстановителей.
Второй вывод. Соединения неметаллов, т.е. сложные вещества, в зависимости от партнеров могут выступать в трех разных ролях: а) как восстановители; б) как окислители; в) как вещества, не изменяющие степень окисления.
Ученики при этом могут попытаться самостоятельно определить направление реакции между заданными веществами, а также окислитель и восстановитель на основе вычисленных значений степеней окисления атомов.
Покажем это на следующем задании. Пусть классу предложено определить, может ли произойти химическая реакция между сероводородом и бромом. Примерный ход рассуждений учащихся следующий.
1) Сначала записать формулы исходных веществ и указать степени окисления атомных частиц в заданных веществах:

2) Поскольку атомная частица серы в соединении H₂S находится в самой низшей степени окисления, то она будет окисляться. Значение величины степени окисления будет повышаться не менее чем до 0.
3) Бром Br₂ как галоген может окислять сероводород. При этом бром будет окислителем, в реакции он понижает степень окисления от 0 до –1.
4) Реакция между этими веществами может быть оценена как возможная и записана в следующем виде:

5) Затем расставляются коэффициенты:

(С сильными учениками можно рассмотреть вариант этой реакции, происходящий при участии воды:

Аналогичным образом можно подводить учащихся и к решению других примеров.
Обратим внимание, что единственным однозначным критерием, определяющим возможность осуществления той или иной реакции в конкретном направлении, является значение свободной энергии, или энергии Гиббса
. Поэтому примеры, в которых можно определить возможность осуществления той или иной реакции только по значениям степеней окисления, следует подбирать, руководствуясь вышеизложенным положением.
Изучение раздела «Неметаллы» показывает учащимся, что неметаллы – простые вещества – выступают как в роли окислителей, так и в роли восстановителей. При этом чем правее и выше в таблице периодической системы химических элементов расположен элемент-неметалл, образующий данное простое вещество, тем большими окислительными свойствами обладают его атомные частицы. Другими словами, чем больше значение электроотрицательности элемента по шкале Л.Полинга, тем выше его окислительные свойства. Поэтому в бинарных соединениях, содержащих атомные частицы металлических и неметаллических элементов, степень окисления неметалла – отрицательная. В аналогичных соединениях, содержащих атомные частицы разных неметаллов, положительное значение величины степени окисления имеет элемент, расположенный в таблице Менделеева левее и ниже.

* Атомные частицы – это свободные атомы, ионы и ковалентно связанные атомы в химических соединениях.

Окончание следует

Г.И.ШЕЛИНСКИЙ,
доктор педагогических наук, профессор,
С.В.ТЕЛЕШОВ,
учитель, кандидат педагогических наук
(Санкт-Петербург)