Главная страница «Первого сентября» • Главная страница журнала «Химия» • Содержание №29/2004

РЕФОРМА ОБРАЗОВАНИЯ

Школа: время реформ

Методы преподавания химии
в условиях профильного
обучения: гуманитарного и
естественно-научного

Выступление на третьем Московском педагогическом марафоне учебных предметов 8 апреля 2004 г.

Переход к дифференцированному обучению в старших классах предъявляет новые требования к структуре и содержанию большинства учебных дисциплин. Не стала исключением и химия. Этот предмет – профильный в химических, физико-химических, биолого-химических классах. В гуманитарных школах и классах химия и другие естественно-научные дисциплины получают статус общекультурных.
В современных условиях назначение знаний по химии – не столько способствовать развитию химического производства (в последнее время прогрессирует тонкая технология, где требуются высококвалифицированные специалисты), сколько обезопасить себя, окружающих людей и природу от последствий этого развития. И здесь особенно важна общая химическая грамотность, в том числе выпускников нехимических классов. С другой стороны, в рамках естественно-научного профиля важно уделять внимание современному состоянию и перспективам развития химии, а также гуманитарным аспектам химической науки.

Курс химии в школах и классах
гуманитарного профиля

«отбор материала для курса химии в школах и классах гуманитарного профиля должен основываться на потребностях повседневной жизни...» Фото Е.Крылова
«отбор материала для курса химии
в школах и классах гуманитарного профиля
должен основываться на потребностях
повседневной жизни...»

Усилить гуманитарную составляющую традиционного курса химии можно несколькими способами. Один из них – изучение истории химии. Многие современные представления о строении и свойствах веществ можно донести до учащихся именно через исторический подход. Однако курс истории химии не в состоянии полностью заменить курс химии. Такой курс можно предложить в качестве элективного. Хотя элективный курс по истории химии более востребован в классах естественно-научного профиля, но может быть полезен и в классах гуманитарного профиля в том случае, если вместо отдельных естественно-научных дисциплин преподается общий курс естествознания.
Еще один путь усиления гуманитарного аспекта химического образования – философский подход к изучению вещества: от строения атома к строению вещества, затем к его превращениям, воздействию на эти превращения и т. д. Возможно также разностороннее обсуждение таких проблем, как пространственные и временны'е аспекты химических процессов.
Число химических объектов чрезвычайно велико – известны миллионы химических веществ, и каждый день синтезируются сотни новых. В школьном курсе химии невозможно рассмотреть даже классы всех существующих веществ. В то же время не профессиональный химик сталкивается с весьма ограниченным кругом природных и синтетических веществ и процессов с их участием. При этом многие не замечают связи между веществами и материалами, используемыми в повседневной жизни, и химическими знаниями, полученными в школе. Это порой приводит к неумелому использованию различных химических препаратов и даже к нанесению ущерба здоровью и состоянию окружающей среды. Поэтому в курсе химии для учащихся школ и классов гуманитарного профиля (естественно, других профилей тоже) важно не только назвать вещества и рассмотреть их химические свойства, но и показать, где эти вещества встречаются в природе и в быту, как используются в повседневной жизни человека.
Следующий шаг в этом направлении – отказ от традиционного подхода к рассмотрению химических свойств веществ: класс веществ конкретное вещество химические свойства применение. Логическая цепочка становится другой: применение вещество класс веществ химические свойства веществ данного класса. Так, нужно рассматривать моющее действие мыла совсем не потому, что это имеет отношение к солям карбоновых кислот. Соли высших карбоновых кислот и их свойства необходимо изучать, поскольку они являются основой мыла.
То же самое относится и к химическим процессам. Следует сказать учащимся, где в реальной жизни они могут встретиться с этими процессами. Конечно, можно рассматривать реакции образования оксидов азота в теме «Химия азота и его соединений» (так и надо делать в профильных химических классах). Но ученика гуманитарного класса эти реакции, несомненно, заинтересуют гораздо больше, если обратиться к ним в теме «Смог».
Таким образом, отбор материала для курса химии в школах и классах гуманитарного профиля должен основываться на потребностях повседневной жизни человека, не являющегося профессиональным химиком. Вдобавок к этому он должен полностью включать в себя обязательный минимум содержания образования по химии. Основные темы следующие: химические аспекты экологии, энергетики, повседневной жизни человека (бытовая химия, медицина, питание), а также химические материалы (неорганические и органические). Основываясь на принципе усложнения химического содержания этих проблем (особенно это относится к органической химии, которая в основной школе изучается в очень ограниченном объеме), была выработана следующая структура курса химии для школ и классов гуманитарного профиля.

СОДЕРЖАНИЕ КУРСА

10 КЛАСС

ХИМИЯ И ЭКОЛОГИЯ

Тема I. Химия атмосферы.

1. Воздушный океан. Состав воздуха. Изменение атмосферы с высотой. Формирование атмосферы. Атмосфера и климат.
2. Влияние человека на атмосферу. Усиление парникового эффекта. Кислотные дожди. Смог. Предотвращение загрязнения воздуха.

Тема II. Химия гидросферы.

3. Вода – уникальное вещество. Строение воды. Физические и химические свойства воды. Вода как растворитель. Среда водных растворов.
4. Вода в жизни людей. Природные воды. Питьевая вода. Загрязнение воды. Очистка сточных вод.

Тема III. Химия литосферы.

5. Кристаллы. Кристаллические решетки. Образование кристаллов. Применение кристаллов.
6. Полезные ископаемые. Виды полезных ископаемых. Рациональное использование природных ресурсов.

Тема IV. Круговорот химических элементов.

7. Круговорот элементов, преобладающих в атмосфере. Круговорот углерода, кислорода и водорода. Круговорот азота.
8. Круговорот серы и фосфора.

ХИМИЯ И ЭНЕРГЕТИКА

Тема V. Энергия углеродсодержащих веществ.

9. Углеводороды. Строение углеводородов. Предельные, непредельные и ароматические углеводороды.
10. Органические вещества как источники энергии. Образование органических веществ в природе. Виды топлива. Нефть. Переработка нефти. Изменение молекулярной структуры топлив.

Тема VI. Современные проблемы энергетики.

11. Экологические проблемы энергетики. Топливная энергетика. Автотранспорт.
12. Альтернативные источники энергии. Ядерная энергетика. Водородная энергетика. Спирты в качестве топлива. Альтернативное углеводородное топливо.

МЕТАЛЛЫ

Тема VII. Свойства металлов.

13. Химическая связь в металлах. Положение металлов в периодической системе. Физические свойства металлов.
14. Химические свойства металлов. Электрохимический ряд напряжений металлов. Активные металлы. Металлы средней активности. Малоактивные металлы. Коррозия металлов. Защита металлов от коррозии.

Тема VIII. Получение и применение металлов.

15. Получение металлов. Химическое восстановление металлов. Электролиз.
16. Применение металлов и сплавов. Черные металлы. Конструкционные и «неконструкционные» цветные металлы.

11 КЛАСС

ХИМИЯ В БЫТУ И В МЕДИЦИНЕ

Тема I. Неорганические материалы.

1. Соединения кремния. Природные соединения кремния. Керамика. Стекло. Цемент и бетон.
2. Соединения кальция. Соли кальция в природе. Известь. Гипс.

Тема II. Химия в домашнем хозяйстве.

3. Неорганические вещества. Кислоты. Основания. Растворы кислот и оснований. Соли. Пигменты.
4. Органические вещества. Углеводороды и их галогенпроизводные. Спирты и фенолы. Альдегиды и кетоны. Карбоновые кислоты. Соли карбоновых кислот.
5. Препараты бытовой химии. Воздействие на окружающую среду. Хранение и применение.

Тема III. Химия и медицина.

6. Лекарственные средства. Здоровье и лекарства. Поиск новых лекарств.
7. Принципы действия лекарств. Окисление. Нейтрализация. Адсорбция.

ХИМИЯ И ПИТАНИЕ

Тема IV. Жизненно важные вещества.

8. Жиры, углеводы и белки.
9. Витамины и минеральные вещества.

Тема V. Проблемы питания.

10. Пища как источник жизненно важных веществ. Превращения пищи в организме. Энергетический баланс организма. Функции питательных веществ. Макро- и микроэлементы.
11. Пищевые ресурсы. Источники питательных веществ. Возобновление пищевых ресурсов.

ПОЛИМЕРЫ

Тема VI. Полимеры с углеродной цепью.

12. Синтетические полимеры. Получение и свойства полимеров. Пластмассы.
13. Каучуки. Получение, свойства и применение каучуков.

Тема VII. Полимерные углеводы и волокна.

14. Полимерные углеводы. Крахмал и целлюлоза. Древесина и бумага.
15. Волокна. Природные и химические волокна.

Актуальность вопросов экологии в настоящее время не вызывает сомнения. В рамках экологических проблем рассматриваются химические процессы в газовой фазе (химия атмосферы) и в водных растворах (химия гидросферы), кристаллизация (химия литосферы), а также взаимные превращения соединений некоторых химических элементов с переходом из одного агрегатного состояния в другое (круговорот элементов в природе). Наряду с химическими аспектами затрагиваются и общечеловеческие проблемы: загрязнение окружающей среды и способы его предотвращения.
Проблемы энергетики в современном мире вызывают живой интерес. Рассмотрение нефти как важнейшего источника энергии помогает осознанно подойти к изучению строения и свойств углеводородов. Понимание проблем энергетики невозможно без обращения к тепловым эффектам химических реакций. Энергетика является наиболее динамично развивающейся отраслью и главным загрязнителем окружающей среды. Устранение этих загрязнений – одна из задач химии. Приводя примеры альтернативных видов топлива, уместно остановиться на спиртах. Таким образом удается перейти к кислородсодержащим органическим соединениям.
Металлы являются важнейшими химическими материалами. Поэтому необходимо еще раз (после основной школы) систематизировать сведения о физических и химических свойствах металлов, методах их получения и возможностях применения. При этом удобно использовать электрохимический ряд напряжений металлов, согласно которому можно выделить активные, менее активные и малоактивные металлы. Металлы подвержены воздействию окружающей среды, поэтому особое место занимают вопросы коррозии и защиты от нее.
Человек использует немало неорганических материалов. Несмотря на кажущееся разнообразие, практически все неорганические материалы (помимо металлов) являются кислородными соединениями кремния или солями кальция. Это неудивительно, если учесть, что кислород и кремний составляют три четверти земной коры, а кальций является самым распространенным из активных металлов. Поэтому обязательно нужно обратить внимание на состав, строение, свойства и области применения неорганических веществ (используемых не только в строительстве и в быту, но и при создании произведений искусства).
Постоянно увеличивается число препаратов бытовой химии. Грамотное использование химических веществ в домашнем хозяйстве требует понимания их свойств. Здесь уместно еще раз вспомнить химическую классификацию неорганических веществ и рассмотреть препараты бытовой химии с точки зрения химических свойств кислот, оснований, солей. Характеризуя водные растворы кислот и оснований, имеет смысл ввести понятие рН. Для учеников гуманитарных классов, как правило, интересующихся изобразительным искусством, полезна информация о пигментах – представителях разных классов веществ, объединенных общими свойствами – наличием яркой окраски и низкой реакционной способностью. В быту используются представители важнейших классов органических соединений: углеводороды и их галогенпроизводные, спирты и фенолы, альдегиды и кетоны, карбоновые кислоты и их соли. Последовательное рассмотрение этих веществ соответствует традиционной классификации органических веществ с точки зрения строения и наличия определенных функциональных групп.
Химические проблемы медицины разнообразны и сложны и не могут быть в полном объеме рассмотрены в рамках школьной программы. Однако среди многочисленных лекарственных средств можно выбрать несколько веществ, для которых принцип лечебного действия становится ясным из их свойств (окислитель, основание, адсорбент).
Для каждого человека актуальны проблемы питания. Здесь основное место занимает рассмотрение состава, строения и свойств жиров, белков и углеводов, процессов их превращений в организме, а также биологических функций, в первую очередь энергетической. Разбирая вопросы, касающиеся источников питательных веществ, нельзя обойти проблему восстановления и поддержания плодородия почв путем внесения удобрений.
Завершается курс химии для школ и классов гуманитарного профиля рассмотрением важнейших органических материалов – природных и синтетических полимеров, в том числе пластмасс, каучуков и волокон.
Для данного курса химии разработан учебно-методический комплект (10-е и 11-е классы).
Комплект включает учебники, практикумы (описания лабораторных работ, задачи с пояснениями к решению, контрольные работы в форме тестов, творческие задания) и методические рекомендации с поурочным планированием и вариантами экзаменационных вопросов.

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКТ
Савинкина Е.В., Логинова Г.П. Химия. Для школ и классов гуманитарного профиля. Учебник.
10 класс. М.: АСТ-ПРЕСС, 2001, 128 с.;
Савинкина Е.В., Логинова Г.П. Химия. Для школ и классов гуманитарного профиля. Практикум.
10 класс. М.: АСТ-ПРЕСС, 2001, 144 с.;
Савинкина Е.В., Логинова Г.П. Химия. Для школ и классов гуманитарного профиля. Учебник.
11 класс. М.: АСТ-ПРЕСС ШКОЛА, 2002, 144 с.;
Савинкина Е.В., Логинова Г.П. Химия. Для школ и классов гуманитарного профиля. Практикум.
11 класс. М.: АСТ-ПРЕСС ШКОЛА, 2002, 128 с.;
Савинкина Е.В., Логинова Г.П. Химия. Для школ и классов гуманитарного профиля. Методические рекомендации. 10 класс. М.: АСТ-ПРЕСС, 2002, 80 с.;
Савинкина Е.В., Логинова Г.П. Химия. Для школ и классов гуманитарного профиля. Методические рекомендации. 10–11 классы. М.: АСТ-ПРЕСС ШКОЛА (в печати).

Элективный курс «История химии»
для естественно-научного профиля

В газете «Химия» можно найти материал, посвященный истории химии в целом, отдельным историческим периодам, биографиям известных химиков... Фото Е. Крылова
В газете «Химия»
можно найти материал,
посвященный истории химии в целом,
отдельным историческим периодам,
биографиям известных химиков...

Курс истории химии является частью общей истории естествознания и в то же время частью самой химии как одной из естественных наук. Научное направление «история химии» возникло практически одновременно с осознанием химии как самостоятельной науки и продолжает активно развиваться и в наше время. Написано огромное количество монографий, посвященных истории химии в целом, отдельным историческим периодам, важнейшим аспектам истории химии, биографиям известных химиков; накоплен огромный фактологический материал.
Современные школьные учебники по химии обычно включают небольшие исторические и биографические справки о выдающихся открытиях и знаменитых ученых. Однако систематического курса истории химии для школы не существует. Опыт работы со студентами-химиками показывает отсутствие у выпускников школы ясного представления об истории химии.
Усиление гуманитарной составляющей в точных и естественных науках является сегодня одной из важнейших задач образования.
Задача курса – проследить эволюцию основных химических идей. Особое внимание уделено последним достижениям, современному состоянию и перспективам развития химии. Предполагается ознакомить учащихся с основными химическими дисциплинами: общая, неорганическая, органическая, аналитическая, физическая, коллоидная химия, а также с основами химической технологии.
Данный элективный курс базируется на знаниях, полученных учащимися в основной школе. Поэтому его целесообразно изучать параллельно с базовым курсом химии в 10-м или 11-м классе. Курс рассчитан на 70 учебных часов в течение года.

СОДЕРЖАНИЕ КУРСА

Тема I. Ранний период развития химии.

1. Зарождение химии в Древнем мире. Химические представления в древности. Использование биологических процессов (брожение). Использование технических процессов (спекание, сплавление). Развитие ремесел: гончарное и стекольное производства, выплавка металлов, получение красок и эмалей, ядов и лекарств. Первые теоретические обобщения. Древнегреческая натурфилософия.
2. Химия в период Средневековья. Алхимия, ее достижения, значение и влияние на развитие химии. Греко-египетская, арабская и европейская алхимия. Практическая и техническая химия. Ятрохимия.
Персоналии. Ибн Сина (Авиценна), Агрикола, Парацельс.

Тема II. Становление химии как науки.

3. Первые научные представления в химии. Возрождение атомистики. Развитие атомистических представлений. Пневматическая химия. Открытие и исследование диоксида углерода, азота, водорода, кислорода.
4. Первые химические теории. Начало точных измерений в химии. Теория флогистона. Кислородная теория окисления, горения и дыхания.
5. Законы стехиометрии. Количественные измерения в химии. Представления о химическом сродстве. Законы сохранения массы, постоянства состава веществ, кратных и объемных отношений. Закон Авогадро. Новый взгляд на элементы. Атомные веса и символы элементов. Развитие понятий «атом», «молекула», «эквивалент».
6. Основные направления химии. Разделение на ветви: неорганическая, органическая, аналитическая и физическая химия.
Персоналии. Р.Бойль, М.В.Ломоносов, Ф.М.Гельмонт, Дж.Пристли, Дж.Блэк, Г.Кавендиш, К.В.Шееле, Г.Э.Шталь, А.Л.Лавуазье, К.Л.Бертолле, Ж.Л.Пруст, Дж.Дальтон, Ж.Л.Гей-Люссак, А.Авогадро, Й.Я.Берцелиус, С.Канниццаро, Г.Дэви, Р.В.Бунзен, Ф.Вёлер, В.Ф.Оствальд, Я.Х.Вант-Гофф.

Тема III. Развитие неорганической химии.

7. Периодический закон. Первые попытки систематизации элементов. Открытие периодического закона. Заполнение пробелов в периодической системе. Появление новых групп элементов.
8. Новая металлургия. Новые методы получения обычной и легированной стали. Развитие цветной металлургии. Производство алюминия. Порошковая металлургия.
9. Прикладная неорганическая химия. Связывание азота. Появление фотографии. Изобретение спичек. Получение новых синтетических неорганических материалов. Особо твердые вещества, полупроводники, сверхпроводники.
10. Открытие новых классов неорганических соединений. Комплексные соединения. Координационная теория. Русская школа координационной химии. Соединения благородных газов.
Персоналии. Г.И.Гесс, Д.И.Менделеев, У.Рамзай, Н.С.Курнаков, А.Вернер, Л.А.Чугаев.

Тема IV. Развитие органической химии.

11. Первые шаги органической химии. Использование элементного анализа для исследования органических соединений. Развитие синтеза органических веществ. Первые теории в органической химии. Представления о валентности. Теория строения органических веществ.
12. Синтетическая органическая химия. Появление синтетических красителей. Исследование и синтез белков и других биологически важных веществ. Развитие химии высокомолекулярных соединений. Нефтепереработка. Каталитические превращения углеводородов. Синтез элементорганических соединений. Силиконы, фторуглероды. Синтез металлорганических соединений.
13. Физическая органическая химия. Химическая связь в органических веществах. Современные представления о строении органических веществ. Теория резонанса и представления о мезомерии. Обнаружение свободных радикалов. Механизмы химических реакций.
Персоналии. Ю.Либих, П.Э.М.Бертло, Ж.Б.А.Дюма, Ш.Ф.Жерар, О.Лоран, Ф.А.Кекуле, А.М.Бутлеров, Н.Н.Зинин, А.В.Гофман, Ф.А.Байер, Э.Г.Фишер, Ф.Сенгер, Р.Б.Вудворд, В.Н.Ипатьев, С.В.Лебедев, Н.Д.Зелинский, А.Н.Несмеянов, Л.К.Полинг, А.Е.Арбузов.

Тема V. Развитие аналитической химии.

14. Качественный анализ. Зарождение аналитической химии. Появление систематического качественного анализа. Система группового анализа. Использование аналитических реагентов. Спектральный оптический анализ.
15. Количественный анализ. Появление весовых и объемных методов анализа. Развитие анализа ионов в водных растворах.
16. Новые методы анализа. Появление микроанализа. Физико-химические методы разделения смесей. Хроматографический анализ. Экстракция. Использование инструментальных методов в химическом анализе.
Персоналии. Т.Е.Ловиц, М.С.Цвет.

Тема VI. Развитие физической химии.

17. Химическая термодинамика. Появление термохимии. Становление термодинамики. Учение о химическом равновесии.
18. Химическая кинетика. Учение о скорости химической реакции. Возникновение и развитие катализа.
19. Электрохимия. Электрохимические теории. Законы электролиза. Изучение термодинамики электрохимических реакций.
20. Учение о растворах. Теория электролитической диссоциации. Теории кислот и оснований. Коллоидная химия.
21. Строение вещества. Открытие электрона. Открытие радиоактивности. Развитие представлений о строении атома. Появление квантовой химии. Учение о химической связи.
22. Ядерная химия. Исследование ядерных реакций. Синтез новых доурановых и трансурановых элементов.
Персоналии. Дж.У.Гиббс, В.Ф.Г.Нернст, И.Р.Пригожин, С.А.Аррениус, А.Вольта, М.Фарадей, П.Й.В.Дебай, Л.Онсагер, И.Ленгмюр, М.Склодовская-Кюри, Ф.Содди, Р.С.Малликен.

Тема VII. Современная химия.

23. Взаимосвязь химии с другими науками. Математическая химия. Химическая физика. Биохимия и молекулярная биология. Изучение структуры белка, гемоглобина, нуклеиновых кислот. Геохимия. Космохимия.
24. Новые направления в химии. Физические методы в химии. Супрамолекулярная химия. Биотехнология. Нанотехнология.
Персоналии. В.И.Вернадский, Н.Н.Семенов, С.Н.Хиншелвуд, Р.М.Вильштеттер, Дж.Д.Уотсон, Ф.Х.К.Крик.

Предлагаемый курс опирается на знания, полученные учащимися при изучении базового и профильного курса химии. Поэтому на первый план выходит не объяснение материала, а его самостоятельное изучение с последующим обсуждением и обобщением на уроках. При этом вводятся элементы исследования, предполагающие анализ исторических текстов и самостоятельное планирование учебно-исследовательских работ. Основной формой занятий являются уроки-консультации, уроки-дискуссии и уроки-конференции.
Хотя история химии является в сущности описательной наукой, рассмотрение эволюции знаний о строении и свойствах веществ невозможно без проведения химического эксперимента. Учащиеся выполняют лабораторные опыты индивидуально или группой из 2–3 человек в соответствии с выбранной на уроках-консультациях темой. В ходе проведения опытов необходимо записывать наблюдения, обсуждать полученные результаты, а по завершении работы предоставить письменный отчет. Некоторые химические опыты проводит учитель с помощью учащихся в виде демонстраций на уроках-конференциях. Чаще всего это сложные опыты, требующие особой осторожности, или те, для проведения которых используются малодоступные вещества. В ходе выполнения учебно-исследовательской работы учащиеся на практике знакомятся не только с методами получения и свойствами новых соединений, но и отрабатывают навыки и приемы работы с лабораторным оборудованием.
В ходе изучения темы проводятся дискуссии. По каждой теме учащиеся готовят рефераты или доклады, которые могут быть представлены на заключительном уроке-конференции. Источниками информации при выполнении учащимися самостоятельной работы являются учебное пособие, теоретический материал, предоставленный учителем, а также дополнительная литература, в том числе справочники и энциклопедии, сетевые ресурсы, электронные библиотеки и т. д. Учебно-исследовательская работа считается выполненной успешно, если она содержит не только историческую справку об открытии веществ и изучении их состава и свойств, но и описание методов исследования. В рамках элективного курса деятельность учащихся оценивается в виде зачета. Для получения зачета необходимо выполнить лабораторную работу или подготовить демонстрационный опыт с предоставлением письменного отчета и составить письменный доклад или реферат по выбранной теме с последующей их презентацией на уроке-дискуссии или на уроке-конференции.
Для данного курса разработан учебно-методический комплект. Наряду с учебным пособием предусмотрены методические рекомендации для учителя, в которых приводится описание лабораторных и демонстрационных опытов, темы дискуссий и конференций, а также хрестоматия, содержащая выдержки из изданий малодоступных книг, текстов, переводов.

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКТ
Савинкина Е.В., Логинова Г.П., Плоткин С.С. История химии. Элективный курс. 1) Учебное пособие. 2) Хрестоматия. 3) Методическое пособие. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний (в печати).

Элективный курс
«Направление химической реакции»
для естественно-научного профиля

Одной из целей естественно-научного образования в профильных классах является выработка системного подхода к рассмотрению химических процессов. Для категории учащихся, выбравших это направление, уже недостаточно простой констатации фактов, касающихся химических свойств веществ. Важно научиться предсказывать возможность протекания той или иной химической реакции, находить способы управления химическими процессами. Для этого необходимо знать критерии протекания химических реакций в заданном направлении и уметь определять условия достижения химического равновесия. В новом элективном курсе в качестве таких критериев предлагаются энтальпия, энтропия, энергия Гиббса, потенциал. Рассматриваются возможности применения этих критериев в различных системах (в стандартных и нестандартных условиях) и ограничения по их применению.
Школьники учатся определять условия (например, температуру и давление), в которых реакция становится равновероятной в прямом и обратном направлении. Они приходят к пониманию, что можно влиять на направление химической реакции.
Вот некоторые из рассматриваемых вопросов:
• смещение химического равновесия в водных растворах;
• растворимость газов и твердых веществ; гетерогенные равновесия раствор – растворенное вещество;
• энергетика растворения и диаграммы растворимости;
• предсказывание качественных и количественных результатов кристаллизации;
• понятие «произведение растворимости» для малорастворимых сильных электролитов;
• использование протонной теории Брёнстеда–Лаури при изучении кислотно-основных свойств веществ.
Завершают данный курс химии основные понятия химии комплексных соединений, включая равновесия образования и разрушения комплексов в водном растворе, и закономерности рассмотрения сложных химических равновесий.
Элективный курс рассчитан на 70 учебных часов за учебный год.

СОДЕРЖАНИЕ КУРСА

Тема I. Критерии протекания химической реакции.

1. Энтальпия. Тепловой эффект химической реакции. Экзо- и эндотермические реакции. Первое начало термодинамики. Стандартная энтальпия. Энтальпия образования вещества. Закон Гесса. Критерий Бертло–Томсена для определения возможности протекания химического процесса.
2. Энтропия. Изолированные системы. Второе начало термодинамики. Энтропия как «приведенная теплота» и как способ выражения термодинамической вероятности. Стандартная энтропия. Критерий протекания реакции и установления равновесия в изолированный системе. «Тепловая смерть».
3. Энергия Гиббса. Закрытая система. Стандартная энергия Гиббса. Критерий протекания реакции и установления равновесия в закрытой системе.
4. Потенциал. Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций методом электронно-ионных полуреакций. Стандартный водородный электрод. Стандартный потенциал. Электрохимический ряд напряжений металлов. Сравнение силы окислителей и восстановителей. Критерий протекания окислительно-восстановительной реакции и установления равновесия.

Тема II. Изменение направления химической реакции.

5. Влияние температуры. Энтальпийный и энтропийный факторы. Возможность протекания химической реакции в зависимости от знака изменения энтропии и температуры. Температура равновероятности прямой и обратной реакции.
6. Влияние концентрации. Константа равновесия. Связь между концентрацией и парциальным давлением газообразного вещества. Изменение направления реакции путем изменения давления и концентрации веществ – участников реакции.

Тема III. Смещение химического равновесия в водном растворе.

7. Равновесия раствор–растворенное вещество. Растворы газов в жидкостях. Смещение фазового равновесия газ–раствор газа при изменении температуры и давления. Растворы твердых веществ в жидкостях. Диаграмма растворимости. Перекристаллизация. Смещение фазового равновесия электролит–раствор электролита путем изменения концентрации ионов в растворе. Растворы малорастворимых сильных электролитов. Произведение растворимости. Условия выпадения и растворения осадка малорастворимого сильного электролита.
8. Протолитические равновесия. Протонная теория кислот и оснований. Протолиты. Ионное произведение воды. Водородный показатель и шкала рН. Сильные и слабые кислоты и основания, амфолиты. Константы кислотности и основности. Гидролиз бинарных соединений. Обратимый гидролиз солей. Совместный гидролиз. Степень протолиза. Смещение равновесия протолиза (действие температуры, концентрации, одноименных ионов).
9. Равновесия в растворах комплексов. Основные понятия координационной теории (комплексообразователь, лиганды, координационное число, дентатность лиганда). Типы и номенклатура комплексных соединений. Поведение комплексных соединений в растворе. Диссоциация на внешнесферные ионы и ионы координационной сферы. Константы устойчивости. Образование и разрушение комплексных соединений.
10. Сложные равновесия. Переосаждение малорастворимых солей. Растворение осадков при изменении кислотности среды. Взаимные превращения комплексов. Разрушение комплексов в результате образования малорастворимых соединений при изменении кислотности среды.

В качестве основной формы организации учебных занятий предлагается проведение семинаров, на которых дается краткое объяснение теоретического материала, а также решаются задачи по данной теме. Для повышения интереса к теоретическим вопросам, закрепления изученного материала, а также отработки навыков экспериментальной работы предусмотрен лабораторный практикум. Кроме того, можно использовать такие методы работы, как дискуссии и ролевые игры.
Формами контроля за уровнем достижений учащихся служат текущие, рубежные и итоговые контрольные мероприятия, письменные творческие работы, итоговые учебные проекты.

Элективный курс
«Основы строения вещества»
для естественно-научного профиля

Учение о строении вещества является одной из важнейших составляющих химической науки. Учащиеся профильных классов с углубленным изучением химии имеют достаточную подготовку для ознакомления с современными представлениями о строении атома и химической связи, а также о строении вещества в различных агрегатных состояниях.
Рассмотрение строения атома с точки зрения квантовой механики не только вводит в сложный мир микрочастиц, но и облегчает понимание периодического закона, структуры периодической системы, свойств отдельных атомов и закономерное изменение свойств элементов с ростом порядкового номера атома.
При рассмотрении химической связи следует подчеркнуть единство природы химической связи, условность ее классификации и ограничения отдельных ее моделей. Для предсказания геометрии и химических свойств отдельных молекул целесообразно использовать метод валентных связей с привлечением гипотезы гибридизации атомных орбиталей центрального атома. При описании свойств веществ, находящихся в конденсированном состоянии, необходимо использовать все модели химической связи, а также представления о межмолекулярных взаимодействиях. Наряду со свойствами индивидуальных веществ полезно рассмотреть свойства некоторых дисперсных систем, а также нестехиометрические соединения.
Данный элективный курс рассчитан на 35 ч.

СОДЕРЖАНИЕ КУРСА

Тема I. Строение атома.

1. Понятие о квантовой механике. Квантование энергии электрона в атоме. Двойственная природа электрона. Соотношение неопределенностей Гейзенберга.
2. Строение атома водорода. Электронная плотность. Квантовые числа. Энергетические уровни.
3. Строение многоэлектронных атомов. Энергетические подуровни. Принцип минимума энергии. Принцип Паули. Правило Хунда. Электронные конфигурации атомов.
4. Периодический закон. Структура периодической системы элементов. Заселение электронами уровней и подуровней энергии. Энергетические характеристики атома. Периодическое изменение свойств элементов.

Тема II. Химическая связь.

5. Ионная связь. Взаимодействие ионов. Ионные радиусы. Энергия ионной связи.
6. Ковалентная связь. Параметры и методы описания ковалентной связи. Представление о методе молекулярных орбиталей.
7. Особые виды связей. Металлическая связь. Водородная связь.
8. Межмолекулярное взаимодействие. Силы Ван-дер-Ваальса. Ориентационное, индукционное и дисперсионное взаимодействия. Межмолекулярное отталкивание.

Тема III. Строение молекул.

9. Метод валентных связей. Перекрывание атомных орбиталей. Механизмы образования ковалентных связей.
10. Геометрия молекул. Гибридизация атомных орбиталей. Дипольные моменты молекул.

Тема IV. Конденсированное вещество.

11. Жидкости. Строение жидкой воды. Жидкие кристаллы
12. Твердые вещества. Аморфные и кристаллические вещества. Типы кристаллических решеток. Изоморфизм и полиморфизм.
13. Дисперсные системы. Взвеси. Коллоидные системы. Твердые растворы. Нестехиометрические соединения.

Основными формами ведения занятий являются семинары с элементами лекционного изложения материала. Изучение отдельных тем сопровождается выполнением упражнений и решением задач.
Строение вещества и его химические свойства – две стороны характеристики химического вещества, находящиеся в некотором противоречии. Если вещество вступает в химическую реакцию, его строение изменяется. Тем не менее курс «Основы строения вещества» полезно сопровождать экспериментальными работами, в которых рассматривается влияние строения вещества на его свойства.
Данный курс завершается контрольной работой.

Учебно-методический комплекс
«Школа – академия»

Один из вариантов профильного обучения старшеклассников разработан в Московской государственной академии тонкой химической технологии (МГАТХТ) им. М.В.Ломоносова. Новый подход призван ликвидировать барьер между обучением в школе и вузе. Для этого был создан особый поток студентов «Школа – академия». Студенты этого потока (поток А) обучаются одновременно в 11-м классе средней школы и на 1-м курсе МГАТХТ – по три раза в неделю в каждом учебном заведении.
Учащиеся поступают в академию, имея лишь 10-летнее образование. Таким образом, химию эти студенты учили лишь три года. При подготовке к поступлению в МГАТХТ преподаватели химии в школах, которые заключили соответствующие договоры с академией, уделяют особое внимание основам общей химии. Кроме этого, преподаватели МГАТХТ несколько раз в течение учебного года проводят тестирование школьников в процессе обучения в 10-м классе. В конце года проводится итоговое тестирование и зачисление в качестве студентов потока А академии.
Такая предвузовская подготовка дает свой положительный результат: студенты потока А обычно не испытывают трудностей в начале обучения на кафедре неорганической химии. Тем не менее учебный план основного потока оказался неприемлемым для данной категории учащихся. Специально для студентов потока А разработана особая учебная программа курса общей и неорганической химии. За счет переноса части учебного материала во второй семестр увеличено время для изучения основ экспериментальной и неорганической химии в первом семестре.
Билеты письменного экзамена по общей химии, завершающего I семестр, были пересмотрены с тем, чтобы усилить дифференциацию успевающих студентов. Наряду с основными вопросами, без ответа на которые невозможно получить положительную оценку, они включают более сложные вопросы, требующие умения творчески применять полученные знания. Это по силам лишь тем студентам, которые имеют хорошие и отличные знания по предмету.
Во II весеннем семестре экзамен по химии s- и р-элементов проводится по билетам основного потока. Исключением является лишь теория комплексных соединений, подробное рассмотрение которой пришлось удалить из учебной программы потока А из-за дефицита времени. В лекционном курсе рассматриваются лишь некоторые положения теории Вернера.
В академии обучение ведется по «трехсеместровой» системе. Поскольку учащиеся потока А не имеют возможности посещать занятия в академии в III летнем семестре (ведь они одновременно являются учениками выпускного класса и должны в это время сдавать выпускные экзамены), лабораторные работы по химии проводятся по сокращенной программе. Пришлось исключить из лабораторного практикума химию d-элементов. На лекциях читаются лишь обзорные лекции по химии d-элементов, а на практике отработать эти темы, к сожалению, пока не представляется возможным.

СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОЙ ПРОГРАММЫ ДИСЦИПЛИНЫ
"ОБЩАЯ И НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

ОБЩАЯ ХИМИЯ

1. Классификация и номенклатура неорганических веществ.

Простые вещества – металлы, неметаллы, вещества с амфотерными свойствами, благородные газы. Сложные вещества – гидроксиды, соли, оксиды, бинарные соединения. Названия, химические свойства, способы получения.

2. Закономерности протекания химических реакций.

2.1. Химически обратимые процессы. Истинное и метастабильное состояния равновесия. Константа равновесия, ее физический смысл. Закон действующих масс для гомогенных и гетерогенных систем. Смещение химического равновесия. Принцип Ле Шателье. Влияние концентрации, температуры и давления на состояние равновесия.
2.2. Виды окислительно-восстановительных реакций (ОВР). Типичные окислители и восстановители. Роль среды для ОВР в водном растворе. Составление уравнений ОВР. Закон эквивалентов в применении к ОВР. Электрохимический ряд напряжений металлов. Стандартные потенциалы окислительно-восстановительных пар, предсказание направления ОВР. Практика проведения ОВР в нестандартных условиях.

3. Растворы.

3.1. Понятие о растворах, способы выражения состава. Ненасыщенные, насыщенные и пересыщенные растворы. Растворимость веществ, ее зависимость от природы растворяемого вещества и растворителя, температуры и давления. Механизм и энергетика процесса растворения.
3.2. Теория и механизм электролитической диссоциации. Сильные и слабые электролиты. Закон разбавления. Направление обменных реакций в растворах, правило Бертолле. Смещение ионных равновесий, влияние одноименных ионов. Малорастворимые сильные электролиты, произведение растворимости, условие образования осадков.
3.3. Протонная теория кислот и оснований. Сопряженные пары. Автопротолиз растворителей. Ионное произведение растворителя. Сильные и слабые кислоты и основания. Константы кислотности и основности, связь между ними. Шкала кислотности. Автопротолиз воды, ионное произведение воды. Среда водного раствора, водородный показатель. Кислоты и основания в водном растворе. Гидролиз солей и бинарных соединений.

4. Периодический закон и строение атома.

4.1. Квантово-механическая теория строения атома. Сущность идеи дискретности, уравнение Планка. Атомный спектр. Корпускулярно-волновой дуализм, уравнение де Бройля. Принцип неопределенности. Волновое уравнение, волновая функция, ее физический смысл. Атом водорода. Квантовые числа, атомные орбитали, энергетические уровни и подуровни.
4.2. Многоэлектронные атомы. Порядок заполнения электронами уровней, подуровней и атомных орбиталей, принцип минимума энергии, принцип Паули, правило Хунда. Электронные конфигурации атомов и ионов. Энергия ионизации, сродство к электрону. Магнитные свойства атомов.
4.3. Открытие Д.И.Менделеевым периодического закона, предсказание существования неизвестных элементов, перестановки элементов. Современная формулировка периодического закона, физический смысл порядкового номера.
4.4. Структура периодической системы, коротко- и длиннопериодный варианты. Секции, периоды и группы элементов, обозначения, число элементов в группе и периоде. Периодическое изменение свойств элементов, виды периодичности. Современные проблемы и границы периодической системы.

5. Химическая связь и строение молекул.

5.1. Понятие о химической связи. Виды частиц, участвующих в связывании. Электроотрицательность элементов. Основные типы химической связи. Длина и энергия химической связи.
5.2. Основные положения метода валентных связей. Модель локализованных электронных пар, области связывания и разрыхления. Равноценный, донорно-акцепторный и дативный механизмы образования связи. Валентное состояние атома. Насыщаемость и направленность связи. Кратность связи. Гибридизация атомных орбиталей, ее виды и предсказание геометрии молекул. Полярность связи, эффективные заряды атомов. Дипольные моменты связей и молекул. Строение молекул и реакционная способность. Ионная связь.
5.3. Природа межмолекулярного взаимодействия. Ориентационное, индукционное и дисперсионное взаимодействия. Водородная связь, ее виды и влияние на свойства веществ. Агрегатные состояния вещества.

6. Комплексные соединения.

6.1. Координационная теория, центральный атом, лиганды, координационное число. Дентатность лигандов, комплексы с мостиковыми лигандами, хелаты, кластеры, невернеровские комплексы. Номенклатура комплексных соединений. Общие методы синтеза комплексов. Виды изомерии комплексных соединений.
6.2. Комплексообразование в растворе, константа устойчивости. Реакции обмена лигандов. Смещение равновесия при образовании комплексов.
6.3. Типы комплексных соединений, классификация по виду лиганда. Образование и разрушение аква-, гидроксо-, аммин- и ацидокомплексов. Гидридо- и карбонилкомплексы.
6.4. Образование химических связей в комплексах, их состав и строение. Теория кристаллического поля. Параметр расщепления. Высоко- и низкоспиновые комплексы. Спектрохимический ряд лигандов. Окраска и магнитные свойства комплексов.

ХИМИЯ ЭЛЕМЕНТОВ

7. Химия s-элементов.

Общая характеристика элементов Ia- и IIa-групп. Щелочные и щелочно-земельные элементы. Электронная конфигурация атомов, степени окисления. Металлы, гидриды, оксиды, гидроксиды, пероксиды; природа химической связи, свойства и получение. Соли – галогениды, карбонаты и гидрокарбонаты, растворимость в воде. Особенности химии лития, бериллия и магния. Водород, типичные степени окисления, свойства, получение. Распространение в природе. Применение.

8. Химия р-элементов.

8.1. Общая характеристика элементов, особенности строения атомов, типичные степени окисления. Свойства, склонность к катенации, простые и сложные анионы.
8.2. Общая характеристика элементов VIIа-группы (галогены), электронная конфигурация атомов, степени окисления. Фтор, взаимодействие с простыми веществами, водой и щелочами, получение и хранение. Фтороводород, свойства, получение и хранение. Фториды, химическая связь и свойства. Фториды кислорода. Хлор, бром и йод, взаимодействие с простыми веществами, реакции дисмутации в растворе. Лабораторные и промышленные способы получения. Водородные соединения и галогениды, получение, свойства. Оксиды и кислоты, устойчивость, окислительные свойства. Оксосоли, термическая устойчивость, окислительная активность. Распространение в природе. Применение. Экология соединений галогенов.
8.3. Общая характеристика элементов VIа-группы (халькогены), электронная конфигурация атомов, степени окисления. Простые вещества, важнейшие соединения. Кислород и озон, строение, свойства, получение. Пероксид водорода и пероксиды металлов, строение, окислительно-восстановительные свойства, получение. Вода, аномалии физических свойств, кристаллогидраты, роль воды в природе, очистка природных вод. Сера, аллотропия, взаимодействие с простыми веществами, кислотами, щелочами. Сульфаны. Сероводород, кислотные и восстановительные свойства. Сульфиды металлов, растворимость, гидролиз. Диоксид и триоксид серы, строение молекул, свойства, получение. Серная кислота, сульфаты, пероксосульфаты, тиосульфаты, получение и свойства. Распространение в природе. Применение. Экология соединений серы.
8.4. Общая характеристика элементов Va-группы, электронная конфигурация атомов, степени окисления. Простые вещества, важнейшие соединения. Азот, связь в молекуле и причина инертности, свойства, получение. Проблема связывания азота. Аммиак, строение молекулы, свойства, получение. Гидрат аммиака, соли аммония, нитриды металлов. Гидразин и гидроксиламин, строение молекул, взаимодействие с водой и кислотами, окислительно-восстановительные свойства. Азидоводород, азиды.
Оксиды азота, строение молекул, свойства. Азотноватистая кислота и гипонитриты, азотистая кислота и нитриты. Азотная кислота, строение молекулы, свойства, получение. Царская водка. Нитраты, термическая устойчивость. Фосфор, полиморфные модификации, получение в промышленности, фосфин и фосфиды, фосфиновая и фосфоновая кислоты, их соли, строение, восстановительные свойства. Фосфорные кислоты и фосфаты. Распространение в природе. Применение. Экология соединений азота и фосфора.
8.5. Общая характеристика элементов IVa-группы, электронная конфигурация атомов, степени окисления. Простые вещества, важнейшие соединения. Углерод, аллотропия (алмаз, графит, карбин, фуллерен), свойства. Карбиды. Оксиды углерода, строение молекул, свойства. Угольная кислота, карбонаты и гидрокарбонаты. Кремний, свойства, получение, силан. Диоксид кремния, полиморфные модификации. Кремниевые кислоты, силикаты. Карбид кремния, силициды.
Олово и свинец, свойства, получение, сплавы. Оксиды олова и свинца. Амфотерность гидроксидов, гидроксостаннаты, гидроксоплюмбаты. Малорастворимые соли свинца. Галогениды кремния, олова и свинца, строение, гидролиз. Окислительно-восстановительные свойства соединений олова и свинца. Распространение в природе. Применение. Экология соединений свинца.
8.6. Общая характеристика элементов IIIa-группы, электронная конфигурация атомов, степени окисления. Простые вещества, важнейшие соединения. Особенности химии алюминия, взаимодействие с кислотами и щелочами, пассивирование. Гидридные комплексы бора и алюминия. Оксид и гидроксид алюминия, свойства, получение. Соли, гидролиз. Галогениды, сульфид и квасцы. Промышленное получение алюминия. Распространение в природе. Применение.

9. Химия d-элементов.

9.1. Общая характеристика d-элементов, особенности электронного строения атомов, характерные степени окисления. Склонность к комплексообразованию. Закономерности изменения кислотно-основных и окислительно-восстановительных свойств. Понятие о лантаноидах и актиноидах.
9.2. Общая характеристика элементов Iб-группы, электронная конфигурация атомов, степени окисления. Металлы, отношение к водным растворам кислот, аммиака и цианидов, получение. Оксиды, гидроксиды, соли, комплексные соединения. Особенности химии меди, распространение в природе, применение, экология.
9.3. Общая характеристика элементов IIб-группы, электронная конфигурация атомов, степени окисления. Металлы, отношение к кислотам и щелочам, получение. Оксиды, гидроксиды, соли, комплексные соединения. Особенности химии ртути, распространение в природе, применение, экология.
9.4. Общая характеристика элементов VIб-группы, электронная конфигурация атомов, степени окисления. Простые вещества, свойства и получение. Оксиды, гидроксиды, соли. Особенности химии хрома, распространение в природе, применение, экология.
9.5. Общая характеристика элементов VIIб-группы, электронная конфигурация атомов, степени окисления. Простые вещества, свойства, получение. Оксиды, гидроксиды, соли. Особенности химии марганца, распространение в природе, применение, экология, промышленное получение перманганата калия.
9.6. Общая характеристика элементов VIIIб-группы, электронная конфигурация атомов, степени окисления. Семейства железа и платины, закономерности в изменении свойств. Простые вещества, свойства и получение. Оксиды, гидроксиды, соли, комплексные соединения. Особенности химии железа, кобальта и никеля, распространение в природе, применение, экология.

Во время второго года обучения продолжается выравнивание учебных программ основного потока и потока А, поэтому и на II курсе студенты потока А обучаются отдельно.
Такая система работы с учениками старших классов проводится в МГАТХТ уже в течение 10 лет. Практика показывает, что отсев студентов потока А во время первого года обучения соизмерим с отсевом на основном потоке. По мере взросления к III курсу студенты потока А вполне адаптируются к условиям обучения в МГАТХТ и в дальнейшем со значительно меньшими потерями продолжают обучение в вузе.

Е.В.САВИНКИНА,
Московская государственная академия
тонкой химической технологии им. М.В.Ломоносова (Москва)

Рейтинг@Mail.ru