| ИЗ ОПЫТА РАБОТЫ |
Проведение практических работ
в форме количественного
химического эксперимента
Мы постоянно говорим, утверждаем и доказываем, что химия – наука экспериментальная, точная (количественная). Программой обучения химии предусмотрено решение задач определенного содержания, проведение лабораторных и практических работ, демонстрационных экспериментов (все это в идеале!).
Одна из разновидностей количественных задач школьного уровня – расчет выхода продукта реакции (исходные данные могут быть разными). Обычно эти задачи являются комбинированными, т.е. включают расчетные действия, предусмотренные в более простых ситуациях [1, 2].
Есть прекрасная возможность оптимизировать преподавание химии, соединив в единый процесс количественное получение органического вещества и осуществление необходимых расчетных действий. При этом достигаются различные учебные ц е л и: формирование у учащихся представлений о лабораторном химическом синтезе, умений и навыков в проведении химического эксперимента; формирование потребности в химических знаниях, ориентация на химические профессии; и – реализация программных требований – проведение конкретной практической работы.
Проиллюстрируем сказанное на примере практической работы «Получение сложного эфира».
Учащиеся заранее получают задание подготовиться к практической работе (по учебнику Л.А.Цветкова [3], учебникам Г.Е.Рудзитиса и Ф.Г.Фельдмана или Н.Н.Буринской и Л.П.Величко) и решить задачу.
Задача. Смешали 30 г этанола с 30 г уксусной кислоты. Рассчитать массу образовавшегося сложного эфира, если выход продукта составил 85%.
Решение
Уравнение реакции:
Допустив, что кислота полностью вступила в реакцию, рассчитываем по уравнению химической реакции массу спирта:
Анализ показывает, что спирт взят в избытке. По массе кислоты рассчитываем теоретический выход продукта (эфира):
Подставив в формулу относительного выхода продукта имеющиеся физические величины, находим массу эфира, которая составляет практический выход продукта:
откуда
При проверке тетрадей по химии [4] учитель смотрит, как решена эта задача, сверяя ход решения и результат со своими записями в конспекте к уроку.
Практическая работа
В устойчивый штатив помещены (заблаговременно, трудами лаборанта) три пробирки. Первая пробирка – реактор с 2 мл ледяной уксусной кислоты – закрыта пробкой с газоотводной трубкой. Во вторую пробирку налито 2 мл изоамилового спирта (использование этого спирта объясняется тем, что он был доступен: в городе функционировал молокозавод; кроме того, упрощалась технология, и не менее важно – получался продукт с очень приятным запахом). Третья пробирка с 1 мл концентрированной серной кислоты закрыта пробкой или плотным комком технической ваты.
Изоамиловый спирт переливают в пробирку-реактор, смесь перемешивают легкими ударами большого или указательного пальца одной руки, при этом другая рука держит у горла пробирку тремя пальцами (учитель все показывает, и только после этого учащиеся повторяют за ним описанные действия – независимо от того, что у учащихся имеется личный опыт, сформированы умения и навыки при обращении с химическим оборудованием).
Аккуратно, по стенке, в смесь приливают серную кислоту, после чего к реактору присоединяют газоотводную трубку (рис. 1). Она выполняет роль воздушного холодильника и служит физическим препятствием при маловероятном, но все же возможном выбросе агрессивной реакционной массы. Теперь уже смесь трех веществ, с еще большей осторожностью, перемешивают, а выделяющуюся теплоту отводят рукой, охватывающей реактор в зоне протекания химической реакции.
 |
Рис. 1. Пробирка-реактор для получения
|
Далее реактор несколько секунд нагревают в горячей зоне пламени, помешивают при помощи руки и контролируют температуру (около 50 °С). Это прикидка, проверенная многолетней практикой. Если горячо, плотным кольцевым поглаживанием тепло отводится. Если рука чувствует только тепло, нагревание продолжается. Перемешивание – нагревание – охлаждение с непостоянной периодичностью длится 5 мин. Весь этот период пробку с газоотводной трубкой придерживают указательным пальцем руки (если этого не делать, она может отделиться).
В химический стакан вместимостью 100–150 мл на
1/3 объема наливают водопроводную (еще лучше
колодезную) воду. Осторожно выливают туда
реакционную массу. Для уменьшения потерь
продукта реакции в освобожденный реактор
наливают воду (не больше половины по высоте
пробирки), после чего содержимое пробирки также
выливают в химический стакан. (В пробирку
Содержимое химического стакана перемешивают стеклянной палочкой, после чего системе дают возможность отстояться (рис. 2). Уже на этом этапе ощущается специфический запах (груши) продукта реакции.
 |
Рис. 2. Химический стакан
|
Для отделения эфирного слоя от остальной части смеси используют делительную воронку. Это очень ответственный этап практической работы, т.к. можно потерять часть продукта реакции этерификации.
Полученный эфир сливают в «мерник» (рис. 3).
 |
Рис. 3. Пробирка-мерник для
определения
|
Учащиеся работают в па'рах, они подходят к учителю и показывают, какой объем эфира получен; учитель фиксирует их результат в своем конспекте.
На демонстрационном столе стоит склянка с чистым изоамилацетатом. Учитель обращает внимание на цвет продукта синтеза (слабокоричневый) и образца (бесцветный). Различие в окрашивании объясняется осмолением; для получения чистого продукта необходима перегонка.
Результаты опытов учащиеся заносят в информационную таблицу, которая нарисована на доске (табл. 1).
Таблица 1
Данные по процессу получения изоамилацетата
| Вещество | Плотность, г/мл |
Объем, мл |
Молярная масса, г/моль |
Выход продукта, % |
| 1. Изоамиловый спирт | 0,814 | 2 | 88 | – |
| 2. Уксусная кислота | 1,049 | 2 | 60 | – |
| 3. Изоамилацетат | 0,872 | ? опыт |
130 | ? расчет |
Для осуществления расчетных действий учащиеся записывают уравнение реакции:
Учащимся разрешается пользоваться округленными значениями плотностей. Они должны определить массу исходных веществ и перевести эти массы в количество вещества:
m(кислоты) = 
•V = 1,049•2 = 2,098 г,
(кислоты)
= 2,098/60 = 0,035 моль;
m(спирта) = 0,814•2 = 1,628 г,
(спирта)
= 1,628/88 = 0,0185 
0,02 моль.
Из анализа полученных данных и уравнения
реакции вытекает, что кислота дана в избытке.
Расчеты выхода продукта реакции ведем по спирту.
По уравнению химический реакции теоретически
должно получиться 0,02 моль
эфира.
mтеор(эфира) = 0,02•130 2,6 г,
V(эфира) = 2,6/0,872 3 мл.
А сколько получилось на самом деле эфира? За каждым столом – свой результат, который во многом зависит от экспериментальных навыков юных химиков.
Практически учащиеся получают приблизительно от 1 мл до 2 мл эфира и более.
По формуле выхода продукта рассчитывают относительный выход продукта в процентах:
Чтобы облегчить себе работу при проверке правильности расчетов, удобно пользоваться таблицей (табл. 2).
Таблица 2
Определение относительного выхода изоамилацетата по его объему
| Объем, мл | Выход, % | Объем, мл | Выход, % | Объем, мл | Выход, % |
| 0,1 | ~ 4 | 1,1 | ~ 44 | 2,1 | ~ 84 |
| 0,2 | ~ 8 | 1,2 | ~ 48 | 2,2 | ~ 88 |
| 0,3 | ~ 12 | 1,3 | ~ 52 | 2,3 | ~ 92 |
| 0,4 | ~ 16 | 1,4 | ~ 56 | 2,4 | ~ 96 |
| 0,5 | ~ 20 | 1,5 | ~ 60 | 2,5 | 100 |
| 0,6 | ~ 24 | 1,6 | ~ 64 | – | |
| 0,7 | ~ 28 | 1,7 | ~ 68 | – | |
| 0,8 | ~ 32 | 1,8 | ~ 72 | – | |
| 0,9 | ~ 36 | 1,9 | ~ 76 | – | |
| 1,0 | ~ 40 | 2,0 | ~ 80 | – |
За данную практическую работу учащиеся получают две оценки: одна – за экспериментальную часть, вторая – за знание теории. Во время проведения практической работы соблюдаются все правила поведения на уроке, и поскольку этот урок обучающий, учащиеся не ограничены в использовании информационного материала, в общении с соседом, они могут полностью проявить свою творческую самостоятельность. При проверке тетрадей учитель (в силу своей педагогической зоркости) учитывает все нюансы – все, что позволяет сделать правильное умозаключение, справедливое и объективное.
* * *
Автор знаком практически со всеми публикациями в методической литературе, предназначенной учителю химии, за последние 40 лет, но не встречался с аналогом данного материала. Это дает моральное право претендовать на новизну идеи, которая десятилетиями «прокручивалась» в личном опыте и начиналась с практической работы по получению нитробензола и бромэтана.
Считаю своим долгом публично поделиться опытом. Не исключаю, что этот опыт – не единственное явление в реальном обучении химии.
Л и т е р а т у р а
1. Шмуклер Е.Г. Решение многоходовых количественных задач. Химия (ИД «Первое сентября»), 2004, № 42, с. 10–13.
2. Шмуклер Е.Г. Развитие у учащихся умений и навыков в решении типовых задач в IХ и X классах. Химия в школе, 1989, № 2, с. 64–74.
3. Цветков Л.А. Органическая химия. Учебник для 10 класса средней школы. М.: Просвещение, 1988, с. 137–139, 231.
4. Шмуклер Е.Г. К вопросу об ученических тетрадях по химии. Химия (ИД «Первое сентября»), 2006, № 5, с. 26–29.