Новое в методике химического эксперимента

Выступление на втором
Московском педагогическом марафоне учебных предметов,
9 апреля 2003 г.

Использование химического эксперимента в обучении является, пожалуй, наиболее исследованным вопросом методики, т. к. только в эксперименте осуществляется прямой контакт ученика с веществом и химической реакцией. В дальнейшем в профессиональном химическом образовании для исследования веществ и процессов применяют сложные приборы, раскрывающие в основном количественную сторону. Сами по себе внешние проявления свойств веществ и особенностей химических реакций отодвигаются на второй план, предполагается, что это уже давно пройденный этап.
Тем не менее эксперимент как таковой в химической науке выполняет важную методологическую функцию: определяет достоверность научных данных, с одной стороны, и способствует накоплению фактов – с другой. И это обязательно должно найти отражение в учебном процессе. О том, что изучение химии нужно сопровождать экспериментом, стало ясно задолго до формирования методики обучения химии как науки. Подтверждение этому мы находим в трудах всех великих химиков, имевших многочисленных учеников и уделявших время преподавательской деятельности. Все они подчеркивали необходимость проверки любого утверждения с помощью эксперимента.
Это быстро поняли методисты, внимание которых в первую очередь было обращено на химический эксперимент. В школьной химии, в особенности на начальном этапе ее изучения, визуальные наблюдения, органолептические исследования веществ приобретают порой решающее значение в возбуждении интереса учащихся к предмету.
У истоков методики химического эксперимента стояли такие крупнейшие методисты, как В.Н.Верховский, К.Я.Парменов, В.С.Полосин, А.Д.Смирнов, Л.А.Цветков, И.Н.Чертков, А.А.Грабецкий, Т.С.Назарова, И.Л.Дрижун и многие другие.
Методика проведения школьного химического эксперимента вырабатывалась по естественной схеме.
Прежде всего внимание было обращено на отбор опытов, которые можно показать учащимся на уроке (или предоставить им для самостоятельного выполнения) без ущерба для здоровья и которые обеспечивали бы убедительное изложение содержания.
На следующем этапе внимание было обращено на технику выполнения опытов. Специально для учебных целей был создан целый комплекс учебного оборудования для демонстрационных опытов, а также для их практического выполнения самими учениками (А.А.Грабецкий, Т.С.Назарова, В.Б.Райский, В.Г.Прокопенко) с тем, чтобы обеспечить наглядность и безопасность опытов, а также эргономическую^* комфортность для учителя.
Одновременно совершенствовалась методическая обработка опытов. К.Я.Парменовым были определены общеизвестные сейчас требования к демонстрационному химическому эксперименту: наглядность, простота, безопасность, надежность, филигранная техника выполнения, необходимость его объяснения, организация наблюдения, обучение учеников делать выводы из опыта. В.С.Полосиным были разработаны способы сочетания опыта с комментариями учителя. Ю.В.Сурин подробно исследовал методику использования проблемного обучения при демонстрации опытов.
Эти ученые делали все возможное, чтобы химический эксперимент занимал подобающее ему ведущее место в обучении химии. Большое внимание было уделено разработке опытов для внеклассной работы как занимательных (В.Н.Алексинский, И.И.Зайковский, Е.Л.Куликова, Л.Е.Сомин, Л.Ф.Ходос и др.), так и приобщающих к исследовательской работе прикладного характера в химическом кружке (Э.Е.Нифантьев, П.А.Оржековский, Н.И.Титов, М.К.Верзилина и др.).
Все чаще раздающиеся голоса в пользу видеопоказа и компьютерного моделирования химических опытов пока встречают резкие возражения учителей и методистов. Главные возражения заключаются в том, что наука работает с реальными веществами, содержание учебного предмета – это своеобразный дидактический эквивалент науки. Мы придерживаемся такого же мнения, считая, что применительно к химическим опытам эти средства являются своего рода суррогатом! Их надо использовать там и тогда, когда они выполняют свою незаменимую функцию.
В настоящее время методические исследования в области школьного химического эксперимента сильно замедлились в силу того, что эта проблема в значительной мере исчерпана. Стимулом к ее дальнейшему развитию может послужить:
– резкое изменение содержания учебного предмета, в котором появятся новые темы, требующие включения качественно новых опытов;
– поиск новых необычных опытов, вписывающихся в современное содержание обучения химии в школе;
– разработка новых химических опытов для младшей возрастной категории учащихся (например, для начальной школы, где сейчас активизируется кружковая работа по химии) или для пропедевтического курса 7-го класса. Два последних направления разрабатывают П.И.Беспалов, Д.М.Тонких, И.В.Тригубчак.

^*Эргономика – научная дисциплина, комплексно изучающая человека в конкретных условиях его деятельности. (Примеч. ред.)

Г.М.ЧЕРНОБЕЛЬСКАЯ,
профессор Московского педагогического
государственного университета

ПРОБЛЕМНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ
НА УРОКАХ ХИМИИ

Учебный химический эксперимент – метод обучения, специфика которого состоит в способе познания истины. При самостоятельном выполнении опытов и наблюдениях за ними учащиеся осуществляют качественные изменения веществ. Они познают многообразную природу веществ, накапливают факты для сравнений, обобщений, выводов, убеждаются в возможности управлять сложными химическими процессами.
Эксперимент – важнейший путь связи теории с практикой при обучении химии, путь превращения знаний в убеждения. Химический эксперимент, применяемый в школьной практике, обычно служит подтверждением определенных теоретических положений.
Однако результаты некоторых химических опытов неожиданны и не вписываются в традиционные представления о свойствах веществ или закономерностях протекания химических реакций. Например, возможна ли химическая реакция между бромоводородной кислотой и металлом, стоящим в электрохимическом ряду напряжений металлов после водорода, или может ли слабая кислота вытеснить более сильную кислоту из ее соли? Ответы в этих случаях кажутся однозначными – нет. Тем не менее такие примеры существуют и имеют научное объяснение. Подобные опыты – благодатная почва для введения в учебный процесс проблемного обучения, формирования диалектического и системного мышления учащихся.
Объяснение некоторых опытов выходит за рамки школьной программы, поэтому эти опыты адресованы учащимся, которые проявляют повышенный интерес к химической науке.

Растворение меди в бромоводородной кислоте

Техника проведения опытов очень проста и в большинстве случаев не требует больших затрат времени на подготовку и проведение эксперимента.

Реактивы. Свежеосажденная медь, крепкий раствор бромоводородной кислоты.
Проведение опыта. В пробирку с небольшим количеством свежеосажденной меди приливают
3–5 мл бромоводородной кислоты и осторожно нагревают на пламени спиртовки. Начинается энергичное взаимодействие меди с кислотой. Выделяющийся водород собирают в небольшую пробирку или непосредственно поджигают у отверстия пробирки. Водород горит зеленоватым пламенем.
Объяснение опыта. Взаимодействие меди с бромоводородной кислотой можно объяснить тем, что в результате реакции образуется комплексное соединение Н[CuBr₂]:

4HBr + 2Сu = 2H[CuBr₂] + H₂.

Комплексный ион [CuBr₂]– достаточно прочный, вследствие чего концентрация ионов меди Cu⁺ в растворе оказывается ничтожно малой.
Поэтому электродный потенциал меди становится отрицательным и происходит выделение водорода.
Аналогичный опыт можно провести с серебром и йодистоводородной кислотой. С порошком серебра реакция идет очень бурно. Образующийся йодид серебра практически нерастворим в воде (ПР^*(AgI) = 8,3•10^–17). Поэтому и в данном случае концентрация ионов серебра в растворе ничтожна и потенциал серебра становится отрицательным.
Получение свежеосажденной меди. В фарфоровую чашку наливают насыщенный раствор сульфата меди(II) и вносят гранулы цинка. Выделяющаяся медь осаждается на цинке в виде рыхлой массы:

CuSO₄ (р-р) + Zn = ZnSO₄ (р-р) + Сu.

При перемешивании раствора металлическая медь оседает на дне чашки. Осадок отфильтровывают, промывают, выбирают непрореагировавший цинк, а полученную медь, не высушивая, используют для опыта.

^*ПР – обозначение произведения растворимости – постоянной величины для насыщенного раствора труднорастворимого электролита. Так, произведение растворимости для йодида серебра равно произведению концентраций ионов (в моль/л): ПР(AgI) = c(Ag⁺)•c(I^–) = 8,3•10^–17.

Получение бромоводородной кислоты.

1-й способ

Взаимодействие разбавленной серной кислоты с бромидами. При действии на бромиды натрия или калия раствором, полученным из трех объемов концентрированной серной кислоты ( = 1,84 г/см³) и одного объема воды, выделяется бромоводород:

NaBr + H₂SO₄ (р-р) = NaHSO₄ + HBr.

Реакцию можно проводить на холоду или при легком нагревании.
Использовать для опыта концентрированную серную кислоту нельзя, т. к. происходит окисление бромоводорода:

2HBr + H₂SO₄ (конц.) = Br₂ + SO₂ + 2H₂O.

14 г бромида натрия или эквивалентное количество бромида калия помещают в небольшую колбу или в большую пробирку, смачивают раствором серной кислоты и быстро закрывают корковой пробкой с газоотводной трубкой. Опускают конец газоотводной трубки в пробирку с 5 мл воды, при этом газоотводная трубка не должна касаться воды. Пробирку с водой закрывают небольшим комочком ваты и охлаждают снегом или льдом. При замедлении реакции колбу подогревают горячей водой. В результате получается достаточно концентрированный раствор кислоты.

2-й способ

Взаимодействие красного фосфора с бромом. При наличии брома можно применить более удобный способ получения бромоводорода. В пробирку с боковым отростком и газоотводной трубкой (от прибора Кирюшкина) помещают 1 г красного фосфора и 2 мл воды. Пробирку закрывают корковой пробкой со вставленным в нее одноразовым шприцем (иглу удаляют), предварительно наполненным 3 мл брома. Нажатием на поршень шприца медленно капают бром в смесь фосфора и воды. При этом протекает бурная реакция взаимодействия фосфора и брома, не требующая нагревания (cмесь даже приходится охлаждать):

2P + 5Br₂ + 6H₂O = 2HPO₃ + 10HBr.

Выделяющийся бромоводород направляют в пробирку с 5 мл воды, которую также охлаждают. Получающаяся при этом кислота окрашена в желтый цвет (примесь брома), однако это не влияет на ход реакции.

Фенолфталеиновый в щелочах не всегда малиновый

Реактивы. 0,1%-й спиртовой раствор фенолфталеина, 1%-й раствор гидроксида натрия или калия, 10%-й раствор гидроксида натрия или калия, 5%-й раствор серной кислоты.
Проведение опыта. К 2–3 мл воды прибавляют 2 капли раствора фенолфталеина, при этом образуется слабая муть. При приливании капли 1%-го раствора щелочи муть исчезает и жидкость окрашивается в малиновый цвет. Если прибавить еще несколько капель 10%-го раствора щелочи, то смесь обесцвечивается. К полученной бесцветной сильнощелочной жидкости добавляют по каплям 5%-й раствор серной кислоты. Раствор сначала окрашивается в малиновый цвет, а затем вновь обесцвечивается.
Объяснение опыта. Лактонное кольцо молекулы фенолфталеина в щелочном растворе гидролизуется. Образующаяся кислота (n,n'-диокситрифенилкарбинол-о-карбоновая) дает соль, причем ионизируются атомы водорода карбоксила и одного из фенольных гидроксилов, а от другого фенольного гидроксила и спиртового гидроксила отщепляется молекула воды. Образующийся при этом в растворе двухзарядный анион имеет хиноидное строение и сообщает раствору интенсивно-малиновую окраску.
При избытке щелочи ионизируется и нейтрализуется также и второй фенольный гидроксил, что исключает возможность образования хиноидной структуры. Поэтому трехзарядный анион трехзамещенной соли фенолфталеина бесцветен. При постепенном подкислении раствора эти превращения идут в обратной последовательности.
Химизм протекающих процессов следующий:

Слабая кислота вытесняет сильную из ее соли

Реактивы. Борная кислота, хлорид натрия, универсальная индикаторная бумага или синяя лакмусовая.
Проведение опыта. В пробирку помещают тонкоизмельченную смесь, состоящую из 1 г хлорида натрия и 3 г борной кислоты. Закрепляют пробирку в лапке пробиркодержателя и нагревают на пламени спиртовки. Через некоторое время у отверстия пробирки появляется белый дым. Подносят к отверстию пробирки универсальную индикаторную бумагу, смоченную водой. Наблюдается покраснение бумаги. (При проведении опыта учителю необходимо отметить нелетучесть борной кислоты.)
Объяснение опыта. При нагревании смеси протекает следующая реакция:

2NaCl + 4H₃BO₃ = Na₂B₄O₇ + 5H₂O + 2HCl.

В растворе реакция протекала бы в обратную сторону – соляная кислота вытеснила борную из ее соли. При нагревании же происходит смещение равновесия в сторону образования летучих продуктов – хлороводорода и водяных паров. При этом также образуется устойчивый к нагреванию тетраборат натрия. Возможность протекания данного химического процесса можно подтвердить и термодинамическими расчетами.

Подобные опыты – благодатная почва для введения в учебный процесс проблемного обучения

Вычислим изменение энтальпии химической реакции , используя стандартные энтальпии образования участвующих в реакции веществ.

Согласно следствию из закона Гесса:

Аналогично вычислим изменение энтропии химической реакции , используя стандартные энтропии образования веществ.

На основе полученных данных рассчитаем изменение энергии Гиббса, используя уравнение:

Положительное значение энергии Гиббса говорит о невозможности протекания химической реакции в стандартных условиях. Рассчитаем, при какой температуре возможно протекание данной реакции:

Данная химическая реакция протекает при небольшом нагревании.

Неожиданные превращения

Реактивы. Тетраборат натрия, сахароза, раствор фенолфталеина.
Проведение опыта. В пробирку наливают 5–6 мл дистиллированной воды, растворяют в ней несколько кристаллов тетрабората натрия (буры) и добавляют 2–3 капли спиртового раствора фенолфталеина. Раствор окрашивается в малиновый цвет. К окрашенному раствору при помешивании добавляют около 1 г сахарозы. Малиновая окраска раствора исчезает. При нагревании раствора на пламени спиртовки малиновая окраска появляется, при остывании окраска исчезает.
Объяснение опыта. В растворе тетраборат натрия подвергается гидролизу:

поэтому фенолфталеин окрашивается в малиновый цвет.
Борная кислота легко образует эфиры со спиртами и органическими соединениями, содержащими гидроксильные группы. Например, сахароза образует с борной кислотой эфир, обладающий сильными кислотными свойствами, поэтому малиновая окраска исчезает:

При нагревании эфир распадается, поэтому малиновая окраска появляется. При охлаждении окраска исчезает, т. к. снова образуется эфир.

Растворение меди в растворе хлорида железа(III)

Реактивы. Cвежеосажденная медь, 10%-й раствор хлорида железа(III).
Проведение опыта. В пробирку помещают немного свежеосажденной меди и приливают раствор хлорида железа(III). В течение минуты медь растворяется и раствор окрашивается в зеленый цвет. Для увеличения скорости реакции раствор можно немного подогреть. При использовании медных опилок, стружек или медной проволоки реакция идет слишком медленно.
Объяснение опыта. Данная химическая реакция используется в радиотехнике для травления плат. При этом протекает следующий химический процесс:

Cu + FeCl₃ = CuCl₂ + FeCl₂.

Реакция является окислительно-восстановительной. Ион железа Fe³⁺ – окислитель, атом меди – восстановитель. Мерой окислительно-восстановительной способности веществ служат их окислительно-восстановительные (электродные) потенциалы (E⁰). Чем больше алгебраическая величина стандартного окислительно-восстановительного потенциала данного атома или иона, тем больше его окислительные свойства, а чем меньше алгебраическое значение окислительно-восстановительного потенциала атома или иона, тем больше его восстановительные свойства.
Для определения направления окислительно-восстановительной реакции необходимо найти электродвижущую силу (ЭДС) элемента, образованного из данного окислителя и восстановителя. ЭДС окислительно-восстановительного элемента равна разности двух электродных потенциалов:

ЭДС = Е⁰ (окислителя) – Е⁰ (восстановителя).

Если ЭДС > 0, то данная реакция возможна. Окислительно-восстановительные потенциалы пар Е⁰(Fe³⁺/Fe²⁺) = 0,771 В, Е⁰(Cu²⁺/Cu⁰) = 0,338 В. Найдем электродвижущую силу реакции:

ЭДС = 0,771 – 0,338 = 0,433 В.

Положительное значение ЭДС подтверждает возможность протекания данной реакции в стандартных условиях (температура 25 °С и давление 101,325 кПа).

Растворение меди в растворе аммиака

Реактивы. 15–25%-й раствор аммиака, свежеосажденная медь.
Проведение опыта. В колбу объемом 250–300 мл помещают несколько крупинок свежеосажденной меди и приливают 15–20 мл крепкого раствора аммиака. Колбу закрывают пробкой и сильно встряхивают в течение нескольких секунд. Раствор приобретает голубую окраску.
Объяснение опыта. Растворение меди в растворе аммиака можно объяснить тем, что при окислении меди кислородом воздуха в присутствии аммиака образуется устойчивый комплексный ион, который и определяет направление химической реакции:

2Cu + 8NH₃ + O₂ + 2H₂O = 2[Cu(NH₃)₄]²⁺ + 4ОH^–.

Поскольку реакция окислительно-восстановительная, можно рассчитать ЭДС реакции:

Cu + 4NH₃ – 2e = [Cu(NH₃)₄]²⁺, Е⁰ = –0,07 В;

O₂ + 2H₂O + 4е = 4OH^–, Е⁰ = 0,401 В.

ЭДС = 0,401 – (–0,07) = 0,471 В. Положительное значение ЭДС, как и в предыдущем опыте, говорит о возможности протекания реакции.

Превращение тиомочевины в роданид аммония

Реактивы. Тиомочевина, 5%-й раствор хлорида железа(III).
Проведение опыта. Несколько кристаллов тиомочевины растворяют в воде и к полученному раствору приливают несколько капель раствора хлорида железа(III). Заметных изменений в смеси не происходит. Затем в сухую пробирку насыпают немного тиомочевины, нагревают ее в пламени спиртовки до плавления. Плав охлаждают, растворяют в воде и к полученному раствору приливают несколько капель раствора хлорида железа(III). Появляется кроваво-красное окрашивание.
Объяснение опыта. При нагревании тиомочевины выше 70 °С начинается изомеризация данного вещества в роданид аммония, который и обнаруживается ионами трехвалентного железа:

Этот опыт можно демонстрировать при изучении реакции изомеризации.

П.И.БЕСПАЛОВ,
доцент Московского педагогического
государственного университета