| РЕФОРМА ОБРАЗОВАНИЯ Школа: время реформ |
Учим мыслить, а не пересказывать!
Модернизация школьного образования, направленная на повышение качества знаний учащихся, требует от учителя высокого уровня профессиональной подготовки. Современному учителю химии недостаточно знать свой предмет, он должен владеть целым арсеналом методических подходов и технологий обучения по формированию системных знаний о веществе и химической реакции. В своей статье хочу затронуть проблему, которая волнует любого педагога: как добиться успешного усвоения предмета с наименьшими затратами физического и психологического здоровья учащихся, как выстроить процесс обучения так, чтобы ученик чувствовал себя успешным на пути познания, чтобы полученные им знания и умения носили не краткосрочный, а долговременный и устойчивый характер. Курс химии содержит очень много фактического материала о составе, свойствах и применении веществ. И, согласитесь, что запомнить эту информацию без знания закономерностей и без умения перенести эти закономерности на конкретные факты невозможно. Завершив изучение школьного курса химии, выпускники умеют: составлять формулы веществ по валентности элементов, определять класс соединений, давать характеристику физическим и химическим свойствам (полную или неполную, в зависимости от свойств памяти), расставлять коэффициенты в уравнениях реакций. Однако большинство из них испытывают затруднения, как только сталкиваются с проблемой прогнозирования свойств веществ или продуктов их взаимодействия, а также с проблемой применения химических знаний на практике. При подготовке открытых уроков учитель обязательно одному из учеников дает задание на дом: подготовить характеристику физических свойств веществ, изучаемых на уроке, пользуясь справочной литературой. И вот, как стихотворение, мы слушаем сообщение ученика, который наизусть выучил и агрегатное состояние вещества, и температуру кипения, и температуру плавления. А на следующий день более половины одноклассников даже не вспомнят, о чем он говорил! А когда наш бывший ученик в повседневной жизни сталкивается с трудной ситуацией: “Сахар это или цианистый калий?” (извините за грубый пример) тогда все – даже память и шпаргалка – не помогут! Ведь ни для кого не секрет, что ученики, усвоившие готовые формальные знания, не способны применять эти знания при решении реальных нестандартных задач. |
Кристаллические решетки и типы химических реакций
Я хочу обратить ваше внимание на эти понятия, которые обычно изучают в школьном курсе формально, не раскрывая их глубинной содержательной сущности.
Вспомним программу по химии для 8-го класса. Познакомив учащихся с простыми веществами и основными классами соединений химических элементов, учитель переходит к теме “Кристаллические решетки”. Учебники пестрят красивыми рисунками, изображающими атомную, металлическую, ионную и молекулярную решетки. Появляется возможность для самостоятельного разбора темы учащимися, поэтому, я думаю, большинство учителей или задают работу на дом: заполнить таблицу по характеристике всех типов кристаллических решеток, или посвящают самостоятельной работе целый урок. А далее – при изучении физических свойств кислот, оксидов, оснований и солей в курсе 8-го класса – этот термин больше не используется!
Понятие “кристаллическая решетка” появляется только в 9-м классе при характеристике простых веществ. Физические свойства металлов объясняют на основе их строения, а про неметаллы констатируют факт, что для них характерны кристаллические решетки двух типов: атомная (алмаз, графит, кремний) и молекулярная, и поэтому среди них встречаются как газообразные (азот, кислород), жидкие (бром) вещества, так и твердые (йод, сера, фосфор). И если найдется любознательный ученик, на уроке может возникнуть вопрос: “А почему тип кристаллической решетки один, но кислород – газ, а сера – твердое вещество?” Хорошо, если такой вопрос появится, а если нет, так и пройдет обычной информацией. При знакомстве с химическими соединениями металлов и неметаллов физические свойства данных веществ изучаются очень подробно, но причина многообразия веществ и проявляемых ими свойств в зависимости от строения даже не затрагивается!
В 10-м классе зависимость физических свойств от строения молекул подробно рассматривается только в теме “Спирты”, поэтому физические свойства других органических веществ ученики формально переписывают из учебника и далее эта информация из памяти “улетучивается”.
Рассмотрим еще одно важное понятие – “типы химических реакций”. Практически все учащиеся знают наизусть определения типов реакций и без ошибок могут определить, что Аl + Сl2 —> AlCl3 – реакция соединения (взаимодействуют два простых вещества и образуется одно сложное), а Al + HCl —> AlСl3 + Н2 – реакция замещения (взаимодействует простое вещество со сложным и образуются новые простое и сложное вещества). А если изменить немного задание и предложить закончить уравнения реакций: N2O5 + K2O —> … , CuО + Н2 —> … , то начинается путаница и знание определений реакций замещения и соединения не помогает.
Неумение применять фактические знания на практике четко прослеживается при составлении уравнений реакций, характеризующих превращения веществ: А —> Б —> В и т.д., т.е. “цепочек реакций”. При выполнении заданий такого типа знание определений типов реакций и их закономерностей учащиеся практически не применяют.
Тогда спрашивается: зачем же нужны знания типов химических реакций, кристаллических решеток и многое другое? Получается, что мы занимаемся тренировкой памяти по запоминанию учащимися определений, понятий, данных в учебнике, вместо самостоятельного вывода их под руководством учителя и дальнейшего их применения.
Такие “нелюбимые” физические свойства!
Не секрет, что изучение физических свойств веществ обычно сопровождается следующими фразами учителя: “А физические свойства вещества выпишите из учебника”, “Характеристику физических свойств по учебнику нам зачитает Петров, а вы запишите их под его диктовку”. Поэтому на протяжении всего курса химии процесс изучения физических свойств приобретает формальный характер.
А если изменить ситуацию и предоставить ученикам возможность самостоятельно объяснять свойства веществ!
Давайте сравним два варианта построения процесса обучения.
• Учитель: “А теперь, ребята, запишите физические свойства алканов: от С1 до С4 – это газы, от С5 до С15 – жидкости, а более С15 – твердые вещества. Все предельные углеводороды плохо растворяются в воде”.
• Учитель: “Ребята, для характеристики физических свойств алканов давайте обратимся к составу данных углеводородов”.
Ученики: “Молекулы состоят из атомов неметаллов – углерода и водорода, между которыми образуется ковалентная, практически неполярная связь”.
Учитель: “Следовательно, молекулы алканов неполярны и силы притяжения между ними очень малы. Давайте попытаемся предположить: какими же физическими свойствами должны обладать алканы?”
Ученики: “Алканы, состоящие из небольших неполярных молекул, должны быть газообразными веществами, с увеличением размера молекул силы взаимодействия между ними будут увеличиваться, следовательно, алканы с большими молекулами могут быть и жидкими, и твердыми. В воде растворяться предельные углеводороды не должны, так как их молекулы неполярны”.
В первом случае учащийся получает информацию о свойствах алканов из уст учителя или из учебника в готовом виде, во втором – учитель создает условия для самостоятельного прогнозирования и объяснения учеником этих свойств. В дальнейшем учащимся нет необходимости запоминать все многообразие свойств, достаточно знать состав вещества и зависимость физических свойств от его строения (табл. 1, 2).
Зависимость физических свойств
простых веществ
от строения атомов и типа кристаллической
решетки
Зависимость физических свойств
химических
соединений от строения вещества
Рассмотрим ход рассуждения при прогнозировании или объяснении физических свойств различных веществ (табл. 3).
При изучении спиртов очень наглядно прослеживается взаимосвязь между строением молекул и физическими свойствами. Урок начинаю с демонстрации таблицы (табл. 4).
Физические свойства спиртов
Следующий этап – анализ данных табл. 4 учащимися, формулировка закономерностей в изменении свойств спиртов и объяснение их на основе строения молекул (табл. 5).
Объяснение закономерностей
в изменении свойств спиртов
Усвоение логики рассуждений, отражающей зависимость свойств от состава и строения веществ, доведение ее до автоматизма избавит учащихся от бессмысленного переписывания и запоминания физических свойств различных неорганических и органических веществ, особенно тех, которые не используются ими в повседневной жизни.
А как же специфические свойства веществ, спросите вы – цвет, запах, воздействие на организм человека? Да, это уже информация, рассчитанная на запоминание. Но если кабинет химии образовательного учреждения оснащен химическими реактивами и коллекциями химических веществ, то непосредственное восприятие на уроках будет способствовать не формальному, а осмысленному усвоению данной информации.
Все дело в типе химической реакции!
В курсе неорганической химии для 8–9-х классов изучают классификацию химических реакций по составу реагирующих веществ и продуктов их взаимодействия. Заучивание определений типов реакций происходит чисто механически, при этом понятия отрабатываются на уравнениях реакций, в которых известны и реагенты, и продукты реакций. Учащимся достаточно уметь определять тип вещества (простое или сложное) и знать определения реакций соединения, разложения и др. Но ведь именно знания сущности взаимодействия веществ должны быть востребованы при самостоятельном составлении учащимися уравнений реакций, отражающих химические свойства основных классов соединений!
Для того чтобы изучение химических свойств не казалось ученикам простым заучиванием большого объема информации, учащиеся должны усвоить химические закономерности.
• Взаимодействие происходит между веществами, которые относятся к классам соединений, обладающих противоположными свойствами, одним из продуктов взаимодействия будет соль (схема).
Схема
(Данную схему составляем с учениками не в конце изучения и обобщения материала о химических свойствах кислот, оксидов, солей и оснований, а в начале, и далее используем при объяснении свойств.)
• Протекание реакций соединения, замещения и обмена.
· Р е а к ц и и с о е д и н е н и я. Это взаимодействие двух веществ с образованием одного сложного. А почему мы не делаем акцента на том, что в реакции соединения могут вступать только простые веществ и оксиды?
Аl + Сl2 —> … взаимодействуют два простых вещества – металл и неметалл, следовательно, это – реакция соединения, продуктом которой будет соль – хлорид алюминия;
N2O5 + K2O —> … взаимодействуют два оксида, противоположные по характеру – кислотный и основный, это также реакция соединения, образуется соль – нитрат калия;
СО2 + SO3
взаимодействуют два оксида, но одинаковые по характеру (кислотные), следовательно, реакция не идет;
CuO + НСl —> … взаимодействуют оксид и кислота, следовательно, это уже не реакция соединения.
Многие оксиды металлов и неметаллов вступают в реакцию соединения с водой, при этом сразу необходимо акцентировать внимание учащихся на том, что должен образоваться растворимый гидроксид (“гидро” (вода) + оксид), в случае металлов – это щелочь – растворимое основание, в случае неметаллов – это кислота:
1) Н2О + SO3 —> H2SО4 (образуется растворимая кислота);
2) SiO2 + Н2О
3) K2О + Н2О —> 2KОН (образуется растворимое основание);
4) FeO + Н2О
· Р е а к ц и и з а м е щ е н и я. При составлении таких уравнений реакций ученики допускают ошибки при определении продуктов реакции и записи их формул, например: CuО + Н2 —> СuH2 + О2. Поэтому необходимо делать акцент на то, что в реакцию замещения из простых веществ обычно вступают водород и металлы, атомы которых в химических формулах соединений пишутся вначале, следовательно, они могут заместить только тот элемент в сложном веществе, который находится в начале формулы:
· Р е а к ц и и о б м е н а. При изучении таких реакций ученики должны понять принцип обмена атомами или ионами сложных веществ – оксидов, солей, кислот и оснований и условия их протекания:
В органической химии существуют определенные закономерности во взаимодействии веществ, усвоение которых поможет учащимся без затруднений составлять неизвестные им уравнения реакций.
• При взаимодействии органических веществ, молекулы которых содержат кратные связи (двойные и тройные), с водородом, водой, галогенами и галогеноводородами происходит только присоединение данных молекул к атомам углерода, которые образуют кратную связь (не забываем про правило Марковникова).
• Если галогенпроизводные органические вещества вступают в реакции с металлами, то это – реакции отщепления (одновалентные металлы отщепляют один атом галогена (реакция Вюрца), двухвалентные – два атома) или реакции присоединения, если используют раствор в эфире.
• Органические вещества, в молекулах которых отсутствуют кратные связи, обычно вступают в реакции замещения, при этом побочными продуктами реакции являются такие неорганические вещества, как НСl, H2O, NH3, MCl.
• Окисление органических веществ происходит по схеме:
углеводороды —> спирты —> альдегиды —> карбоновые кислоты —> СO2,
при этом в качестве окислителей выступают KМnО4, K2Сr2О7, СuО, Аg2О, Сu(ОН)2.
В качестве примера рассмотрим ход рассуждений при выполнении заданий по химии для абитуриентов Волгоградского медицинского университета, используя знания о типах химических реакции и закономерностях их протекания.
Задание 1. Составьте уравнения реакций, соответствующих следующей последовательности превращений. Определите неизвестные соединения и напишите их структурные формулы.
1) Цепочка уравнений реакций начинается с пропина, представителя алкинов – углеводородов с кратной связью, для которых характерны реакции присоединения, в данном случае гидратации. Пропин – несимметричный углеводород, поэтому присоединение протекает по правилу Марковникова. В результате реакции первоначально образуется непредельный спирт, в котором гидроксильная группа находится у атома углерода при двойной связи. Такие спирты неустойчивы и в момент образования изомеризуются в более стабильные карбонильные соединения, в данном случае образуется представитель кетонов – ацетон.
2) Взаимодействие органических веществ с водородом относится к реакциям присоединения, которое возможно только по кратной связи, в данном случае по связи С=О; при этом образуется вторичный спирт – пропанол-2.
3) Взаимодействие спиртов с галогеноводородами относится к реакциям замещения, в результате которых, наряду с органическим веществом, образуется низкомолекулярное неорганическое, в данном случае это может быть только вода; следовательно, продуктом реакции является 2-бромпропан.
4) и 5) При добавлении раствора галогеналкана в диэтиловом эфире к магниевой стружке происходит присоединение атомов магния с образованием реактива Гриньяра, который в следующей реакции, присоединяя молекулу углекислого газа, образует продукт, при гидролизе которого получается карбоновая кислота – 2-метилпропановая кислота.
Задание 2. Напишите уравнения реакций, соответствующие такой последовательности превращений:
1) Исходя из сравнения состава молекул первого и второго вещества, можно сделать вывод, что в реакции (1) произошло присоединение двух атомов брома; следовательно, соединение С4Н8О содержит двойную связь.
2) В реакции (2) происходит замещение гидроксильной группы на атом брома; следовательно, первое и второе соединения – спирты.
3) В последней реакции (3) три атома брома замещаются на три гидроксильные группы с образованием трехатомного спирта.
4) Первое вещество является непредельным одноатомным спиртом, при этом возможно составить несколько структурных формул спирта, отвечающих составу С4Н8О, но необходимо помнить, что:
– непредельные спирты, в молекулах которых гидроксильная группа находится у атома углерода при двойной связи, неустойчивы и в момент образования изомеризуются в более стабильные карбонильные соединения;
– в реакциях замещения вторичные спирты легче первичных замещают гидроксильную группу на атом галогена.
5) Первое вещество – это бутен-3-ол-2
Если при изучении химии учитель постоянно будет искать с учениками закономерности и логические связи в огромном объеме теоретической информации, учащиеся самостоятельно смогут прогнозировать физические и химические свойства веществ и без ошибок составлять уравнения реакций, иллюстрирующие их.
Желаю успеха, дорогие учителя, вам и вашим ученикам!