Деятельностный подход - ru-RU

Использование современных образовательных технологий
ДЕЯТЕЛЬНОСТНЫЙ ПОДХОД
при изучении реакций ионного обмена
Значительную долю изучаемых в средней школе химических процессов составляют реакции,
протекающие в растворах в направлении связывания ионов и не cопровождающиеся изменением
степеней окисления атомов. Обычно их называют реакциями ионного обмена (несмотря на то что
некоторые из них по формальным признакам нельзя отнести к реакциям обмена). Большая часть таких
реакций приводит к получению единственно возможного набора продуктов, однако встречаются пары
реагентов, которые в зависимости от мольного соотношения при взаимодействии могут образовывать
различные комбинации веществ.
Нами разработана методика формирования у учащихся умения составлять уравнения реакций ионного
обмена в растворах электролитов на основе теории поэтапного (планомерного) усвоения умственных
действий и понятий, реализующей деятельностный подход к процессу обучения. Для этого определены
все компоненты данного умения, составлен учебно-методический комплект, который включает схемы
ориентировочной основы деятельности (ООД), содержащие соответствующие про граммы деятельности
и ориентировочные знания, а также систему упражнений для формирования умения с требуемыми
характеристиками. Опишем разработанные методические материал.
Для составления уравнений реакций ионного обмена (РИО) необходимо знать условия, при которых они
идут. В учебной литературе в качестве таких условий обычно выделяют наличие среди продуктов осадка,
газа или более слабого по сравнению с исходными веществами электролита (реакции, протекающие в
направлении связывания ионов в комплексное соединение, в школьном курсе не изучают). Часто
отмечается, что такие реакции идут только в водных растворах (такое ограничение неверно, однако в
школьном курсе химии, как нам кажется, допустимо).
Анализ уравнений протекающих химических процессов показал, что учёт только этих условий
недостаточен для правильного распознавания тех случаев, при которых возможны РИО. Поэтому нами
были описаны наиболее типичные комбинации реагентов, которые могут вступать в РИО (растворимый
электролит + растворимый электролит; нерастворимое основание или амфотерный гидроксид +
растворимая кислота; нерастворимый карбонат или сульфит + кислота более сильная, чем угольная или,
соответственно, сернистая; нерастворимый сульфид (кроме Ag 2S и CuS) + кислота более сильная, чем
сероводородная), указаны формулы газообразных веществ, которые могут образоваться в РИО
непосредственно (H 2S) или опосредованно (Н 2СОз С0 2 + Н 2О, Н 2SОз- S0 2 + H 2O, NНз + H 2O -NНз + H
2C), и особо отмечено, что вещества, вступающие в окислительно-восстановительные взаимодействия,
ионами не обмениваются (см. схему) .
Условия протекания реакций ионного обмена в растворах электролитов (электролиты - кислоты,
основания, амфотерные гидроксиды, соли)
Очевидно, что для распознавания тех ситуаций, при которых возможны РИО, учащиеся должны уметь
определять растворимость веществ и сравнивать силу электролитов-кислот.
Таким образом, умение составлять уравнения реакций ионного обмена включает в себя умения:
• определять растворимость веществ и сравнивать силу кислот с помощью справочных таблиц;
• определять, соблюдаются ли условия, при которых протекают РИО:
• составлять молекулярные, полные ионные и краткие ионные равнения РИО для реакционных систем с
единственно возможным набором продуктов:
• составлять молекулярные, полные ионные и краткие ионные уравнения РИО для реакционных систем с
альтернативными наборами продуктов.
Для формирования первого из перечисленных умений мы предлагаем учащимся выполнить
разнообразные упражнения с помощью справочных таблиц: таблицы растворимости кислот, оснований и
солей в воде и ряда активности (силы) кислот. Как показывает наш опыт, это обеспечивает также
непроизвольное запоминание учениками растворимости наиболее часто встречающиеся электролитов и
силы самых распространённых кис.l0Т, что впоследствии создаёт условия для быстрого и успешного
овладения умением определять, соблюдаются ли в каждом конкретном случае условия, при которых
возможно протекание РИО. Приведём примеры таких упражнений.
Упражнение 1. Пользуясь таблицей растворимости, дополните формулы катионов или анионов таким
образом, чтобы получились формулы веществ, не растворимых или малорастворимых в воде. Подпишите
необходимые индексы:
Далее знакомим учащихся с программой деятельности 1 «Составление уравнений РИО» и показываем,
как, пользуясь этой программой и схемой «Условия протекания реакций ионного об мена в растворах
электролитов» (вместе они образуют схему ООД), составлять молекулярное, полное ионное и краткое
ионное уравнения РИО. Предупреждаем учеников, что предлагаемые далее вещества-реагенты
соединяются друг с другом в водной среде и не вступают в окислительно-восстановительные реакции.
Необходимо, чтобы после ознакомления с формируемой деятельностью учащиеся самостоятельно
выполнили несколько упражнений. Предлагаемые нами упражнения различны по форме представления
исходной информации (для веществ - участников реакций могут бытъ указаны формула, название, класс,
к которому относится вещество или частично описан состав) по предметному содержанию ( по реагентам
определить продукты, по продуктам определить реагенты, по известному реагенту и продукту сделать
предположение о неизвестных участниках реакции, по краткому ионному уравнению составить
молекулярное и др.), по типам ответов ( с положительным ответом- взаимодействие происходит, с
отрицательным ответом – не происходит, с неопределенным ответом- неизвестно, происходит ли
взаимодействие) и др.
Упражнение 20. Приведите примеры четырёх веществ-электролитов, не содержащих одинаковые ионы,
при перемешивании растворов которых: а) одно вещество выпадает в осадок; б) два вещества выпадают
в осадок; в) три вещества выпадают в осадок; г) осадок не образуется. Приведите пример реакции, в
результате которой образуется малорастворимое вещество и при этом осадок не выпадает.
Наибольшие трудности учащиеся испытывают при написании уравнений реакций, про¬текающих с
образованием более слабого электролита. В первую очередь это связано с тем, что данное условие
предполагает определение не абсолютной характеристики продуктов (растворимость в воде, агрегатное
состояние), а относительной (более/менее слабый электролит, чем реагенты), т. е. требует сравнения
свойств реагентов и продуктов. Формально такие ситуации встречаются в двух случаях: при
взаимодействии соли с основанием с получением более слабого основания и с кислотой с получением
более слабой кислоты. Однако, поскольку к слабым растворимым основаниям относится лишь гидрат
аммиака («гидроксид аммония»), а все остальные растворимые основания (щёлочи) являются сильными,
этот тип реакций фактически вырождается в единственный случай и реального сравнения свойств не
требует:
для определения возможности протекания реакций второго вида необходимо сравнить силу кислот.
Считается, что все соли - сильные электролиты, поэтому учащимся часто предлагают запомнить
следующее правило: более сильные кислоты вытесняют более слабые из растворов их солей:
для проверки этого условия учащимся традиционно предлагают использовать ряд актив¬ности кислот,
где формулы кислот записаны слева направо в порядке убывания их силы, например:
HI > HCI > H2S04 > НЗРО4 > HF > СНзСООН > Н2СОз.
Однако такой ряд, во-первых, фактически учитывает силу кислот только по первой ступени диссоциации,
и его нельзя использовать для определения продуктов взаимодействия кислот и солей, если кислотареагент или кислота-продукт многоосновна, и, во-вторых, часто не содержит формулу воды и тех
органических соединений, чьи кислотные свойства рассматривают в школьном курсе, из-за чего
закономерности, изученные на материале неорганической химии, учащиеся не могут использовать при
прогнозировании химических свойств органических веществ,
Для того чтобы расширить возможности использования ряда активности кислот, мы предлагаем:
а) добавить в него формулы воды и наиболее важных органических соединений, обладающих
кислотными свойствами (уксусная кислота, фенол, этанол);
б) учесть силу многоосновных кислот отдельно по каждой ступени диссоциации, для чего расположить
формулы кислот и их кислых солей в соответствующих местах ряда;
в) выделить тот атом водорода, который отрывается при диссоциации по данной ступени;
г) под формулами кислот записать формулы соответствующих им солей.
Рекомендуем составлять такой ряд совместно с учащимися, в этом случае они сами с помощью значений
констант диссоциации устанавливают соотношения между силой различных кислот и для каждой кислоты
определяют соответствующую ей соль. Самостоятельное составление ряда активности (силы) кислот и
дальнейшее его использование при написании соответствующих уравнений способствует также
непроизвольному запоминанию силы важнейших кислот (сильная/средняя/слабая). Это особенно важно
для тех учащихся, которые планируют сдавать Единый государственный экзамен по химии, поскольку
использование справочных материалов, содержащих информацию о сравнительной силе кислот, на ЕГЭ
запрещено.
При обсуждении этого ряда активности (силы) кислот и соответствующих им солей (далее - ряд
активности) следует обратить внимание школьников на то, что кислые соли обладают двумя функциями:
их можно рассматривать как кислоты, и тогда записывать их формулы в первой строке ряда, либо как
соли, в этом случае формулы располагают во второй строке. Также несколько необычным для учащихся
является то, что щёлочь представлена как соль воды.
Покажем, как использовать этот ряд для установления возможности протекания реакций и определения
формул образующихся продуктов.
При взаимодействии кислоты и соли возможны три варианта:
а) кислота-реагент сильнее кислоты, которая соответствует соли-реагенту;
б) кислота-реагент слабее кислоты, которая соответствует соли-реагенту;
в) обе кислоты равны по силе, либо соль-реагент соответствует кислоте-реагенту.
Ниже представлены схемы, показывающие варианты взаимного расположения веществ¬реагентов
(отмечены заливкой) в ряду активности кислот.
Реакция идёт только в первом случае, и лишь при условии, что кислота 2 не является сильной.
Продуктами будут новая соль и новая кислота (продукты заключены в овал).
для определения продуктов РИО данного типа удобно пользоваться программой деятельности 2
«Определение продуктов РИО с участием кислот и солей с помощью ряда активности кислот»
Упражнение 22. Составьте уравнения реакций водных растворов фосфата, гидрофосфата и
дигидрофосфата калия с: а) уксусной кислотой; б) углекислым газом; в) фенолом; г) фенолятом натрия.
Упражнение 23. Какие вещества могут одновременно находиться в водном растворе, полученном при
постепенном добавлении: а) серной кислоты к раствору фосфата калия; б) фосфорной кислоты к раствору
фосфата натрия; в) соляной кислоты к раствору сульфата лития? Приведите все возможные комбинации.
Упражнение 24. Приведите четыре уравнения РИО, не заканчивающихся образованием осадка, которые
могут протекать в водном растворе между следующими веществами:
а) NaOH, LiCI, LiNОз, HCI, NaHp04, BaS04;
б) К2СОз, Ва(ОН)2,ДlClз, НNОз. Сu(NОЗ)2, NaF;
в) НВг, NH4CI, FeCI2, NaOH, АI(NОз)з, NaHS.
Упражнение 25. Составьте уравнения реакций, соответствующих схемам:
а) серная кислота ----- фосфорная кислота ----- дигидрофосфат цинка ----- дигидрофосфат
кальция ----- фосфат калия;
б) СО2 ----- Д ----- В ----- С ----- О ----- Е (зашифрованные вещества - соли угольной кислоты);
в) NaOH ----- Д ----- В ----- С ----- О ----- Е (зашифрованные вещества - соли натрия).
Упражнение 26. Ответьте на вопросы. В случае положительного ответа приведите примеры реакций.
Могут ли в результате РИО образоваться:
а) одно вещество; б) два вещества; в) три вещества?
Могут ли в результате РИО образоваться:
а) одна кислая соль; б) две кислые соли; в) одна кислая и одна средняя соль; г) две средние
соли; д) одна средняя и одна основная соль; е) одна основная и одна кислая соль?
Могут ли в результате РИО среди продуктов оказаться:
а) один оксид; б) два оксида; в) три оксида?
Может ли вода принимать участие в РИО в качестве:
а) реагента; б) продукта; в) катализатора; г) растворителя?
Предложенный нами ряд позволяет определить продукты взаимодействия и других пар реагентов, таких,
как основание и одноосновная кислота, основание и многоосновная кислота, основание и кислая соль, а
также рассмотреть реакционные системы с альтернативными наборами продуктов (кислая/средняя соль,
средняя/основная соль, основная соль/осно¬ание), возможность образования которых связана со
ступенчатостью РИО. При изучении органической химии учащиеся с помощью такого ряда смогут сами
определить, что в водном растворе при взаимодействии карбоната натрия с уксусной кислотой
образуется углекислый газ (угольная кислота), а при его взаимодействии с фенолом - только
гидрокарбонат натрия, что этанол не реагирует со щёлочью, а фенол реагирует и, соответственно, что
алкоголяты гидролизуются необратимо, а феноляты - обратимо.
Следует также указать, что на основании значений констант кислотности предложенный нами ряд можно
дополнить формулами других неорганических или органических кислот и соответствующих им солей, что
даст возможность учащимся, освоившим с помощью описанной методики соответствующие умения,
составлять уравнения реакций с более широким кругом реагентов.