Актуальные проблемы
методики обучения химии
в школьном курсе

УЧЕБНЫЙ ПЛАН КУРСА

П.И.БЕСПАЛОВ

ЛЕКЦИЯ № 6
Химический эксперимент в современной школе

План лекции

• Виды эксперимента и методика его использования.

• Функции химического эксперимента.

• Проблемный эксперимент.

Есть три источника знания: авторитет, разум, опыт.
Однако авторитет недостаточен, если у него нет
разумного основания, без которого он производит не понимание,
а лишь приятие на веру; и разум один не может отличить софизма
от настоящего доказательства, если он не может оправдать
свои выводы опытом.

Роджер Бэкон

ВВЕДЕНИЕ

Химический эксперимент – важнейший метод и средство обучения химии. Методика применения химического эксперимента на уроках химии достаточно исследована и разработана учеными-методистами. Однако в настоящее время вновь возникает интерес к данной тематике. Это связано прежде всего с тем, что происходит резкое изменение содержания учебного предмета, появление пропедевтических и элективных курсов. Все это требует поиска новых опытов, вписывающихся в современное содержание обучения химии в школе.

В целом как учебное содержание, так и отбор химического эксперимента зависит от социального заказа общества. Это можно пронаблюдать по публикациям журнала «Химия в школе». Например, в послевоенное время, когда восстанавливалось разрушенное войной народное хозяйство, большое число статей было посвящено химическим производствам. В рубриках «Химический эксперимент» и «Внеклассная работа» описывались действующие лабораторные установки по получению различных веществ. Позже приоритетным направлением стало сельское хозяйство. Сельскохозяйственная тематика проявилась в синтезе гербицидов, пестицидов, различных стимуляторов роста и т.д.

ВИДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И МЕТОДИКА ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

Общеизвестно, что школьный химический эксперимент классифицируют на демонстрационный и ученический. В зависимости от цели и способа организации ученический эксперимент подразделяют на лабораторные опыты, практические занятия и домашние опыты.

Демонстрационный эксперимент

Демонстрационный химический эксперимент – главное средство наглядности на уроке. Это определяется спецификой химии как экспериментальной науки. Поэтому эксперимент занимает одно из ведущих мест. Он позволяет не только выявлять факты, но и знакомить с методами химической науки.

Демонстрационный эксперимент проводит учитель или лаборант. В отдельных случаях несложный эксперимент может быть показан и учеником.

Когда применяется демонстрационный эксперимент на уроке?

• В начале школьного курса – для привития экспериментальных умений и навыков, интереса к химии, ознакомления с посудой, веществами, оборудованием.

• Когда он сложен для самостоятельного выполнения учащимися (получение озона).

• Когда он опасен для учащихся (взрыв водорода с кислородом).

• Нет соответствующего оборудования и реактивов.

Общеизвестны и требования к демонстрационному эксперименту.

1. Н а г л я д н о с т ь – большой объем реактивов и посуды, виден с последних рядов, на столе не должно быть лишних деталей. Для усиления наглядности могут быть использованы кодоскоп, компьютер, предметный столик, цветные экраны.

2. П р о с т о т а – в приборах не должно быть нагромождения лишних деталей. Следует помнить, что объект изучения не прибор, а химический процесс, происходящий в нем. Чем проще прибор, тем легче объяснить опыт. Поэтому при использовании аппарата Киппа, газометра, прибора Кирюшкина необходимо объяснить принцип работы прибора.

3. Б е з о п а с н о с т ь – учитель химии несет ответственность за жизнь учащихся. Поэтому все опыты должны проводиться с соблюдением правил техники безопасности. При демонстрации опытов со взрывами необходимо использовать защитный экран; при получении и демонстрации ядовитых газов – принудительную вентиляцию (вытяжку) и т.д.

4. Н а д е ж н о с т ь – неудавшийся опыт вызывает разочарование у учащихся. Поэтому необходима отработка эксперимента до урока. При этом уточняется время, которое затрачивается на его проведение.

5. Т е х н и к а в ы п о л н е н и я о п ы т а должна быть безукоризненная. Поэтому если осваивается новый эксперимент, то он должен быть хорошо отработан. Ошибки, допущенные учителем, легко переносятся на учеников.

6. Н е о б х о д и м о с т ь  о б ъ я с н е н и я  д е м о н с т р а ц и о н н о г о  э к с п е р и м е н т а. Перед демонстрацией опыта необходимо указать на цель эксперимента, сориентировать наблюдения эксперимента учащимися, после проведения опыта сделать выводы.

1. Постановка цели опыта: для чего проводится данный опыт, в чем должны убедиться учащиеся, что понять.

2. Описание прибора, где проводится опыт, и условий его проведения.

3. Организация наблюдений учащихся: учитель должен сориентировать учеников, за какой частью прибора должны вестись наблюдения.

4. Выводы.

Бывает, что при проведении урока используется серия демонстрационных опытов. Как определить последовательность их демонстрации? Рассмотрим, чем нужно руководствоваться при этом на примере темы «Кислород».

При изучении темы «Кислород» учитель демонстрирует учащимся горение в кислороде серы, угля, фосфора и железа. Правильной будет следующая последовательность демонстраций: горение угля, горение серы, горение фосфора, горение железа. Такой порядок объясняется внешним эффектом, сопровождающим горение данных веществ. Уголь горит более энергично в кислороде, чем на воздухе. Горение серы в кислороде сопровождается появлением большого синего пламени. Фосфор ослепительно сгорает в кислороде. И наконец, горение железа похоже на горение бенгальских огней.

При изменении данного порядка эффект последующих реакций будет ниже предыдущих, что, несомненно, вызывает разочарование учащихся. Кроме того, мы демонстрируем сначала горение в кислороде веществ, горючих на воздухе (С, S, Р), и только потом горение негорючего вещества железа. Наконец, первые три процесса – это взаимодействие кислорода с неметаллами, а последняя демонстрация – взаимодействие кислорода с металлами. Если учитель акцентирует внимание на этом, то он формирует системность знаний учащихся.

Таким образом, при отборе опытов необходимо оптимально и гармонично включать их в канву урока.

Ученический эксперимент

Ученический эксперимент разделяют на лабораторные опыты и практические работы. Некоторые методисты выделяют еще и практикум, который проводится на заключительном этапе изучения химии.

Дидактическая цель лабораторных опытов состоит в приобретении новых знаний, т.к. они проводятся при изучении нового материала. Практические работы обычно проводятся в конце изучения темы, и их целью является закрепление и систематизация знаний, формирование и развитие экспериментальных умений учащихся.

При выполнении ученического эксперимента необходимо учитывать следующие этапы:

1) осознание цели опыта;

2) изучение веществ;

3) монтаж прибора (где это необходимо);

4) выполнение опыта;

5) анализ результатов;

6) объяснение полученных результатов, написание химических уравнений;

7) формулировка выводов и составление отчета.

По форме организации лабораторные опыты могут быть индивидуальными, групповыми и коллективными. Очень важно правильно организовать деятельность учащихся, чтобы на выполнение опыта затрачивалось лишь отведенное время. Для этого необходима тщательная подготовка учебного оборудования и реактивов. Склянки с реактивами должны иметь этикетки. Если реактивы выдаются в пробирках, то они должны быть пронумерованы, а на доске или на листочках сделаны соответствующие записи. Во время выполнения опытов необходимо руководить действиями учащихся. После выполнения работы нужно организовать обсуждение результатов. Оформление результатов опытов следует вести в рабочих тетрадях. Недостатком лабораторных опытов является то, что при их выполнении невозможно формировать экспериментальные умения и навыки. Эту задачу выполняют практические занятия.

Практические занятия делятся на два вида: проводимые по инструкции и экспериментальные задачи. Инструкция для практической работы представляет собой ориентировочную основу деятельности учащихся. На начальном этапе изучения химии даются подробные инструкции с детальным описанием выполняемых операций. По мере выполнения практических работ и усвоения экспериментальных умений инструкции делаются более свернутыми. Экспериментальные задачи не содержат инструкций, в них есть только условия. Разрабатывать план решения задачи и осуществлять его ученик должен самостоятельно.

Перед началом любой практической работы учитель знакомит учащихся с правилами безопасной работы в кабинете химии, обращает внимание на выполнение сложных операций. При выполнении первых практических работ учитель приводит примерную форму отчета, помогает учащимся сделать выводы.

Подготовка к решению экспериментальных задач проводится поэтапно. Сначала задачи решают всем классом теоретически. Для этого анализируется условие задачи, формулируются вопросы, на которые необходимо дать ответы, предлагаются опыты. Затем один ученик решает задачу у доски теоретически, экспериментально доказывает правильность своих предположений. После этого класс приступает к выполнению аналогичных задач на рабочих местах. Опытные учителя постепенно вводят экспериментальные задачи в учебный процесс. Так, например, при проведении практической работы «Получение кислорода и изучение его свойств» учитель предлагает хорошо успевающим ученикам задачу: «Какие из предложенных веществ (КNО₃, К₂SО₄, МnО₂) можно использовать для получения кислорода?»

Практическое занятие – сложный вид урока. Учителю нужно вести наблюдение за всем классом, корректировать действия учащихся. Большую помощь педагогу могут оказать специально подготовленные ученики класса – прокторы. Это может быть член кружка, ученик, интересующийся химией, или просто желающий.

Учитель приглашает прокторов во внеурочное время в кабинет химии и предлагает им выполнить предстоящую практическую работу под своим наблюдением, обращая внимание на возможные ошибки и тонкости.

Затем каждому проктору выдается лист учета и разъясняется, как его следует заполнять. Приведем фрагмент такого листа для практической работы «Получение медного купороса».

Лист учета

Прокторов нужно учить еще и общению, стилю поведения. Важно, чтобы к порученному заданию они относились ответственно, были коммуникабельны и не вели себя высокомерно.

После этого уже на уроке прокторам поручается курировать микрогруппу из 3–4 учеников, сидящих за соседними столами, во время выполнения ими практической работы. Если ученик правильно и самостоятельно, без вмешательства проктора выполнит операцию, то он получит за нее 1 балл, если при выполнении операции он допустит ошибку, то не получает баллов.

Заполненный лист учета сдается учителю по окончании работы и обязательно учитывается вместе с проверкой отчета в тетрадях. Если от учеников поступает жалоба на проктора, то учитель должен в ней обязательно разобраться и вынести справедливое решение. Прокторы не только контролируют работу учащихся, но и оказывают им необходимую помощь, поясняют то, что непонятно, т.е. выполняют некоторые функции учителя в своей группе.

Опыт использования данной методики на начальном этапе изучения химии показал ее высокую результативность.

Домашний эксперимент

Домашний химический эксперимент является одним из видов самостоятельной работы учащихся, имеющей большое значение как для развития интереса к химии, так и для закрепления знаний и многих практических умений и навыков. При выполнении некоторых домашних опытов ученик выступает в роли исследователя, который должен самостоятельно решать стоящие перед ним проблемы. Поэтому важна не только дидактическая ценность этого вида ученического эксперимента, но и воспитывающая, развивающая.

С первых уроков изучения химии необходимо нацелить учащихся на то, что они будут выполнять опыты не только в школе, но и дома. В домашний эксперимент включают опыты, для выполнения которых не нужны сложные установки и дорогие реактивы. Используемые реактивы должны быть безопасными и приобретаться в хозяйственных магазинах или аптеках. Однако и при использовании этих реактивов необходима консультация учителя.

Предлагаемые опыты могут носить разнообразный характер. Одни связаны с наблюдением явлений (сливание растворов соды и уксуса), другие – с разделением смеси веществ, при постановке третьих нужно объяснить наблюдаемые явления, используя свои знания по химии. Включаются и экспериментальные задачи, при выполнении которых ученики не получают от учителя готовых инструкций по технике выполнения опыта, например экспериментально доказать наличие солей в питьевой воде.

Желательно, чтобы при проведении эксперимента присутствовали старшие члены семьи ребенка.

Учителю полезно создать к каждой теме инструкции по выполнению опытов. Тогда это направление будет носить системный характер.

Не менее важным моментом в работе учащихся является составление письменных отчетов о результатах домашнего химического эксперимента. Можно рекомендовать учащимся составлять отчеты по той форме, которую они используют при выполнении практических работ.

Учитель может систематически просматривать домашние отчеты в рабочих тетрадях учащихся, а также заслушивать выступления учеников о результатах проделанной работы.

ФУНКЦИИ ХИМИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

В процессе обучения химический эксперимент выполняет различные функции¹. Рассмотрим некоторые из них.

Эвристическая функция химического эксперимента проявляется в установлении новых
а) фактов; б) понятий и в) закономерностей.

а) В качестве примера можно привести реакцию взаимодействия газообразного водорода с оксидом меди(II). Наблюдая данную демонстрацию, ученики устанавливают, что водород при определенных условиях может реагировать с оксидами металлов, восстанавливая металл до простого вещества.

б) Химический эксперимент обладает большими потенциальными возможностями для формирования новых понятий. Например, при изучении темы «Кислород» учитель демонстрирует способ получения кислорода из пероксида водорода. Для ускорения процесса разложения пероксида водорода в пробирку вводится диоксид марганца. После завершения реакции учитель дает определение катализатора.

в) Особенно ярко функция выявления зависимостей и закономерностей проявляется при изучении темы «Закономерности протекания химических реакций». Демонстрационный эксперимент позволяет выявить зависимость скорости химической реакции от природы реагирующих веществ, концентрации, поверхности соприкосновения реагирующих веществ и т.д.

Корректирующая функция химического эксперимента проявляется в преодолении трудностей освоения теоретического материала и исправлении ошибок учащихся. Очень часто учащиеся считают, что при взаимодействии растворов хлороводорода и серной кислоты с медью выделяется водород. Для исправления таких ошибок полезно продемонстрировать следующий опыт. В пробирки с соляной кислотой и раствором серной кислоты прибавляют кусочки меди. Учащиеся наблюдают, что при обычных условиях и при нагревании водород не выделяется.

Корректировке процесса приобретения экспериментальных умений способствуют эксперименты, которые демонстрируют последствия неправильного выполнения некоторых химических операций. Например, как проводить разбавление концентрированной серной кислоты водой. Для этого в высокий химический стакан наливают концентрированную серную кислоту. Стакан закрывают листом фильтровальной бумаги и через отверстие в бумаге приливают пипеткой горячую воду. При соприкосновении воды с кислотой происходит образование паров и разбрызгивание раствора. При приливании серной кислоты в воду и перемешивании раствора растворение протекает спокойно.

Обобщающая функция химического эксперимента позволяет выработать предпосылки для построения различных типов эмпирических обобщений. С помощью серии опытов можно сделать обобщенный вывод, например, о принадлежности различных классов веществ к электролитам.

Исследовательская функция химического эксперимента наиболее ярко проявляется в проблемном обучении. Рассмотрим этот вопрос более подробно.

ПРОБЛЕМНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ

Как известно, исходным пунктом любого направленного исследования является проблема. Поиск путей решения проблемы приводит исследователя к выдвижению той или иной идеи – первоначального предположения. С момента рождения первоначального предположения и начинается процесс формирования гипотезы. Первоначальные предположения рождаются в форме догадки, т.е. интуитивно. Поиск идеи о возможном решении проблемы – процесс глубоко творческий, и единого решения здесь не существует. Тем не менее первоначальное предположение не возникает из ничего. Оно есть результат изучения исследователем новых фактических данных на основе знаний, накопленных в науке. Подкрепление идеи все новыми и новыми аргументами ведет к созданию обоснованного предположения – гипотезы.

Существует несколько путей подтверждения истинности гипотезы. Основным и наиболее распространенным способом является выведение вытекающих из нее следствий и их верификация, т.е. установление соответствия фактическим данным, согласуемости с ними. В данном случае рассуждение строится по такой схеме: если основное предположение гипотезы истинно, то в действительности должны иметь место такие-то и такие-то конкретные явления. Если данные явления будут обнаружены путем целенаправленного наблюдения, в научных экспериментах или же в практической деятельности, то гипотеза будет подтверждена. Именно таким способом подтвердилась в свое время гипотеза о существовании в растворах ионов.

Другой способ подтверждения гипотезы – непосредственное обнаружение объектов, мысль о существовании которых была основным содержанием гипотезы. Данный способ широко использовался Д.И.Менделеевым для предсказания свойств еще не открытых элементов.

И наконец, гипотеза может быть подтверждена путем дедуктивного выведения ее из другого, но уже достоверного знания – научной теории, закона. Для этого необходимо, чтобы с развитием науки был достоверно установлен такой закон, из которого данная гипотеза была бы выводима. Примером может служить открытие соединений инертных газов. До 1940-х гг. считалось, что инертные газы не способны образовывать химических соединений. Развитие теоретических представлений, оценка значений энергий связи электронов в атоме, ионизационных потенциалов и ионных радиусов позволили выдвинуть гипотезу, что электронные октеты в атомах инертных газов не являются столь уж стабильными. В 1933 г. американский ученый Л.Полинг достаточно убедительно показал принципиальную возможность образования химических соединений ксенона и криптона со фтором. Но прошло почти 30 лет, прежде чем на свет появились первые в мире соединения благородных газов Хе(РtF₆) и Kr(РtF₆).

Применение гипотез в учебном процессе не исчерпывается только реализацией принципа историзма. Большие возможности по использованию учебных гипотез заложены в организации учебного процесса. При этом сам ученик может быть поставлен в роль исследователя, генератора идей.

Большой потенциал заложен в использовании на уроке химического эксперимента. Выполнение стандартных, предусмотренных школьной программой опытов мало стимулирует творческую работу учащихся на уроках и не вполне соответствует специфике самой химической науки. Для нее характерен эксперимент, который носит исследовательский и проблемный характер. Такие эксперименты целесообразно включать в беседы эвристического характера или в процесс проблемного изложения материала.

В качестве иллюстрации можно провести проблемные опыты, разработанные Ю.В.Суриным². Хорошо известно, что учащиеся часто допускают ошибки в написании уравнений реакций металлов с азотной кислотой, считая допустимым выделение водорода. Эту ошибку можно предотвратить, проведя эксперимент, включенный в беседу проблемного характера. Приступая к изучению вопроса о взаимодействии металлов с азотной кислотой, учитель сначала предлагает учащимся высказать предположение о возможных продуктах такого взаимодействия.

Учащиеся часто считают, что металлы выделяют водород не только из растворов хлороводородной и серной кислот, но и из азотной кислоты. Для создания проблемной ситуации учитель предлагает провести исследовательский эксперимент и дать объяснение результатов опыта.

В пробирку с соляной кислотой помещают несколько гранул цинка. После того как начинается реакция с выделением водорода, добавляют 1–2 капли концентрированной азотной кислоты. Учащиеся наблюдают, что выделение водорода практически прекращается, но через некоторое время возобновляется. Такой результат опыта кажется учащимся непонятным и ставит их в тупик. Эксперимент заставляет задуматься над рядом вопросов:

1. В чем причина наблюдаемого явления?

2. Почему добавление азотной кислоты влияет на выделение водорода из раствора соляной кислоты?

3. Почему через определенное время выделение водорода возобновляется?

Учащиеся выдвигают предположения, объясняющие этот необычный факт. К решению проблемы они вполне подготовлены, т.к. имеют достаточный запас знаний о свойствах кислот, знакомы с составлением уравнений окислительно-восстановительных реакций. Выдвигается рабочая гипотеза: водород, выделяющийся из соляной кислоты, затрачивается на восстановление азотной кислоты. Данной гипотезе учащиеся могут дать обоснование, актуализировав свои знания о восстановительных свойствах водорода. Вспомнив, что водород в момент выделения является очень сильным восстановителем, а азотная кислота – окислитель, учащиеся записывают уравнение реакции восстановления азотной кислоты:

HNO₃ + 8H = NH₃ + 3H₂O.

Рассуждая дальше, ученики приходят к заключению, что образующийся аммиак связывается соляной кислотой в хлорид аммония, остающийся в растворе, поэтому выделения водорода не происходит:

NH₃ + HCl = NH₄Cl.

То, что это действительно так, учащиеся могут доказать, проведя исследование раствора на содержание иона аммония. Полученный в ходе исследовательского эксперимента вывод ученики могут использовать для правильной записи уравнения реакции цинка с сильно разбавленной азотной кислотой:

4Zn + 10HNO₃ = 4Zn(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O.

Теперь учащиеся смогут ответить на все вопросы, поставленные при выделении рабочей гипотезы. Водород не выделяется из азотной кислоты и растворов других кислот в присутствии азотной кислоты потому, что расходуется на восстановление азотной кислоты. Возобновляется же выделение водорода в данном опыте потому, что происходит восстановление всей азотной кислоты.

Ученик выступает в роли исследователя и при решении экспериментальных задач. Так, при исследовании свойств веществ схема исследования может быть следующей:

актуализация знаний;

постановка целей исследования;

проведение теоретического анализа;

построение гипотезы;

составление плана экспериментальной проверки гипотезы;

выполнение эксперимента;

обсуждение результатов и формулировка выводов.

Эксперимент – важнейший путь осуществления связи теории с практикой при обучении химии, путь превращения знаний в убеждения. Химический эксперимент, применяемый в школьной практике, обычно не противоречит существующим закономерностям и служит подтверждением определенных теоретических положений. Однако результаты некоторых химических опытов являются неожиданными 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? Ответ кажется однозначным – нет. Тем не менее такие примеры существуют и имеют научное подтверждение. Подобные опыты – благодатная почва для введения в учебный процесс проблемного обучения, формирования диалектического и системного мышления школьника.

Приведем описание нескольких примеров таких парадоксальных опытов.

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.

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. При перемешивании раствора осадок оседает на дне чашки. Осадок промывают, вынимают гранулы непрореагировавшего цинка; полученную медь, не высушивая, используют для опыта.

Объяснение опыта. Взаимодействие меди с бромоводородной кислотой можно объяснить тем, что в результате реакции образуется комплексное соединение Н[CuBr₂]:

4HBr + 2Cu = 2H[CuBr₂] + H₂.

Комплексный ион [CuBr₂]^– достаточно прочный, вследствие чего концентрация ионов меди Cu⁺ в растворе оказывается ничтожно малой, 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 (произведение растворимости ПР(AgI) = 8,3•10^–17). Поэтому в данном случае концентрация ионов серебра в растворе ничтожна, и потенциал серебра становится отрицательным.

Реактивы. Борная кислота, хлорид натрия, универсальная индикаторная или синяя лакмусовая бумага.

Проведение опыта. В пробирку помещают тонко измельченную 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 бы 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.

Вычислим изменение энтальпии химической реакции (Н⁰(р-ции)), используя стандартные энтальпии образования участвующих в реакции веществ:

Согласно следствию из закона Гесса:

Аналогично вычислим изменение энтропии химической реакции (S⁰(р-ции)), используя стандартные энтропии образования веществ:

На основе полученных данных рассчитаем изменение энергии Гиббса:

G = H – TS,

G⁰ = 486,6 – 298•1 = 188,6 кДж.

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

Т = Н/S = 486,6/1 = 486,6 К, или 213,6 °С.

Данная химическая реакция протекает при сравнительно небольшом нагревании.

Реактивы. Свежеосажденная медь, 10%-й раствор хлорида железа(III).

Проведение опыта. В пробирку помещают немного свежеосажденной меди и приливают раствор хлорида железа(III). В течение минуты происходит растворение меди, 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 процесс, описываемый следующим химическим процессом:

Cu + FeCl₃ = CuCl₂ + FeCl₂.

Реакция является окислительно-восстановительной. Ион железа Fe³⁺ – окислитель, атом меди – восстановитель. Мерой окислительно-восстановительной способности веществ служат их окислительно-восстановительные потенциалы. 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 ЭДС элемента, образованного из данного окислителя и восстановителя. ЭДС (Е) окислительно-восстановительного элемента равна:

Е = Е(ок-ля ) – Е(вос-ля).

Если Е > 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.

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⁺ + 4OH^–.

Поскольку реакция является окислительно-восстановительной, можно рассчитать ее ЭДС:

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

O₂ + 2H₂O + 4е = 4OH^–, Е⁰ = 0,401 В,

ЭДС = 0,401 – (–0,07) = 0,408 В.

Положительное значение ЭДС, как и в предыдущем опыте, свидетельствует о возможности ее протекания.

Учебный химический эксперимент относится к числу методов обучения, специфика которого заключается в отражении неотъемлемой компоненты науки. Важнейшая особенность химического эксперимента как средства познания состоит в том, что в процессе наблюдения и при самостоятельном выполнении опытов учащиеся не только общаются с конкретными объектами химической науки, но могут видеть и осуществлять процессы качественного изменения веществ. Тем самым учащиеся познают многообразную природу веществ, накапливают факты для сравнений, обобщений, выводов, убеждаются в возможности управления сложными химическими процессами.

Вопросы и задания для самостоятельной работы

1. Какие функции выполняет эксперимент в учебном процессе?

Ответ. Эвристическую, корректирующую, обобщающую и исследовательскую.

2. Какие пути подтверждения гипотезы вам известны?

Ответ. Выведение вытекающих из нее следствий и их верификация, непосредственное обнаружение объектов, дедуктивное выведение из научной теории или закона.

3. В чем заключается основной дидактический недостаток лабораторных опытов?

Ответ. В невозможности полноценного формирования экспериментальных химических умений учащихся.

4. Какие критерии отбора демонстрационного эксперимента к уроку вы используете в своей практике?

(Возможны различные варианты ответа на данный вопрос. Здесь проявляется творческий подход учителя к постановке химического эксперимента.)

¹ Злотников Э.Г. О содержании понятия «учебный химический эксперимент» в системе интенсивного обучения. В кн.: Совершенствование содержания и методов обучения химии в средней школе.
Л.: ЛГПИ им. А.И.Герцена, 1990.

² Сурин Ю.В. Методика проведения проблемных опытов по химии. Развивающий эксперимент.
М.: Школа-Пресс, 1998.