Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Химия»Содержание №13/2005

В ПОМОЩЬ МОЛОДОМУ УЧИТЕЛЮ

Из опыта работы

Использование сводных сравнительно-обобщающих таблиц
при изучении важнейших классов
неорганических соединений

В статье рассмотрен один из способов обобщения, систематизации и сравнения знаний учащихся по темам «Оксиды», «Гидроксиды (кислоты и основания)». Обобщение предполагает использование сводных таблиц и эксперимента (учительского и ученического), поставленного в проблемном стиле, а также многообразных упражнений. Предлагаемый способ обобщения в течение нескольких лет проверялся в школах Смоленска и приносил положительные результаты в классах разного профиля, причем уроки проходили живо, с большим интересом учащихся, и выполнялось все на описанном материале, который кажется на первый взгляд невыполнимым.

Таблицы составляют при первичном знакомстве с каждым классом неорганических веществ, особенно с их химическими свойствами. Таблицы будут полезны и при обобщении, систематизации и сравнении свойств веществ разных классов. Рассмотрим работу с таблицами на двух уроках. Тема первого – «Химические свойства оксидов», второго – «Химические свойства кислот и оснований». Эти уроки составлены в соответствии с идеей доктора педагогических наук, профессора математики П.М.Эрдниева о необходимости укрупнения дидактических единиц при обучении.

Химические свойства оксидов

Цели. Обобщить сведения о составе и классификации оксидов, систематизировать и сравнить свойства основных и кислотных оксидов, рассмотреть амфотерные оксиды, их химические свойства, уточнить условия протекания реакций, их типы, классы образующихся веществ.

Для достижения целей использовалась придуманная нами табл. 1 из семи колонок и четырех строк. До начала обобщения свойств в табл. 1 была заполнена первая строка, первая и вторая колонки.

Таблица 1

Химические свойства оксидов

Элемент
(валентность)
Характер
оксида
Реагент
Вода Kислота Щелочь Основный
оксид
Kислотный
оксид

1

2 3 4 5 6 7
Металл (I, II) Основный +, – + +
Металл (II–IV) Амфотерный + + + +
Неметалл или
металл (IV–VII)
Kислотный +, – + +

Остальные клетки таблицы по ходу урока заполнялись знаками «плюс» и «минус». Знаки были сделаны на квадратиках из плотной бумаги и вставлялись в горизонтальные прорези пятнадцати клеток таблицы.

Сначала учащиеся приводили примеры разных элементов и оксидов четырех классов, схематически обозначенных в 1-й и 2-й колонках. Металлам одно- и двухвалентным соответствуют основные оксиды. Неметаллам одно- и двухвалентным нередко соответствуют безразличные оксиды. Учащиеся выводили формулы оксидов одно- и двухвалентных элементов Li, Мg, Са, Fе(II), Сu(II), N(II), С(II), называли оксиды, составляли формулы основных оксидов и оснований.

Учащиеся сообщали, что металлы и неметаллы с валентностью IV–VII образуют кислотные оксиды. Они выводили формулы оксидов элементов S(IV), С(IV), Р(V), S(VI), Cr(VI), Cl(VII), Mn(VII), называли оксиды, указывали их характер, приводили примеры соответствующих им кислот и подписывали под формулами кислотных оксидов формулы кислот.

Отмечалось, что металлы с валентностью II–IV часто дают оксиды с двойственной реакционной способностью. В одних условиях они ведут себя как основные, в других – как кислотные оксиды. Знаки и валентности некоторых таких металлов: Zn(II), Al(III), Cr(III), Fe(III). Их оксиды получили название амфотерные. Учащиеся выводили формулы амфотерных оксидов, давали им названия, составляли формулы гидроксидов – оснований, соответствующих оксидам, а по ним – формулы кислот, соответствующих этим же оксидам. Интересно определить положение в периодической таблице Д.И.Менделеева элементов, дающих основные, амфотерные и кислотные оксиды.

Учащиеся давали определения основным, кислотным, амфотерным и безразличным оксидам, используя несколько признаков: а) вид элемента и его валентность; б) характер гидроксида.

Возможные определения:

Оксиды металлов с малой валентностью (I, II) – основные оксиды; оксиды металлов, из которых прямо или косвенно можно получить основания, называют основными.

Оксиды металлов и неметаллов с большой валентностью (чаще всего IV–VI) – кислотные оксиды; оксиды металлов и неметаллов, из которых прямо или косвенно получаются кислородные кислоты, – это кислотные оксиды.

Оксиды неметаллов с малой валентностью (I, II) – редкие оксиды, которым не соответствуют ни кислоты, ни основания, – безразличные оксиды.

Оксиды металлов с валентностью II–IV – амфотерные оксиды.

Рис. 1. Колба, в которой сожгли фосфор

Рис. 1.
Колба, в которой
сожгли фосфор

Общее химическое свойство для некоторых основных и кислотных оксидов – взаимодействие с водой. В 3-й колонке табл. 1 напротив основных и кислотных оксидов укрепляли значки «+», «–». В лабораторных опытах учащиеся определяли, что некоторые из основных и кислотных оксидов взаимодействуют с водой, а другие не обладают этим свойством. Для опытов они брали Li2О, СаО, СuО, SiO2 в равных объемах, отмеченных восковым карандашом на стенках пробирок. В пробирки приливали по 3 мл воды, закрывали их пробками, встряхивали и дожидались отстаивания. В колбе на ложечке сжигали фосфор. После заполнения колбы белым дымом (рис. 1) приливали в нее
3 мл воды и встряхивали. В пробирки и колбу приливали по 5 капель раствора фиолетового лакмуса. По изменению окраски индикатора делали вывод о составе продуктов и типе реакции.

Затем систематизировали свойства основных оксидов. В зависимости от того, реагируют ли они с кислотами, щелочами, ставили соответственно знаки «+» и «–» в табл. 1. Обращали внимание, что основные оксиды не реагируют с основаниями. Основные оксиды также не реагируют между собой, зато реагируют с кислотами и кислотными оксидами.

Учащиеся дописывали правые части уравнений реакций:

а) CuO + H2SO4 = … ;

б) CaO + HCl = … ;

в) Na2O + SiO2 = … ;

г) СaO + SiO2 = … .

Они проводили экспериментально опыты а) и б), при этом обращали внимание, что реакция с кислотами часто идет без нагревания. Реакции сопровождаются растворением твердых основных оксидов, нередко изменением цвета раствора из-за появления окрашенных солей. Для взаимодействия основных оксидов с кислотными оксидами во многих случаях требуется нагревание, например реакции в) и г) протекают при сплавлении веществ.

Следует отметить сходство продуктов реакций основных оксидов с кислотами и кислотными оксидами. В обоих случаях получается соль. Различие следующее: в первом случае дополнительно образуется вода – это реакция обмена, вторая реакция – соединение.

При рассмотрении свойств кислотных оксидов ученики сами ставили в табл. 1 плюсы для реакций со щелочами и основными оксидами. Учитель уточнял, что кислотные оксиды не реагируют с кислотами и кислотными оксидами. Учащиеся ставили минусы в 4-й и 7-й колонках.

Демонстрационный опыт 1. Реакция оксида СО2 с щелочью. В большую демонстрационную пробирку с углекислым газом помещали твердый гидроксид калия. Пробирку закрывали пробкой с газоотводной трубкой, опущенной в подкрашенную воду. О вступлении газа в реакцию судили по подъему воды в этой трубке (рис. 2). Выделение воды в ходе реакции обнаруживали по прилипанию гранул едкого кали к стенкам пробирки. Образование еще одного нового продукта заметно по изменению поверхности исходных гранул КОН. Этот продукт – соль K2CO3, ее название – карбонат калия. Тип реакции – замещение:

СО2 + 2KOH = K2CO3 + H2O.

Обращается внимание на сходство и различие продуктов реакций кислотных оксидов со щелочами и с основными оксидами. В первом случае образуется два продукта – соль и вода, во втором случае продукт один – соль.

Рис. 2. Прибор для реакции газа СО2 с твердым КОН
Рис. 2.
Прибор для реакции газа СО2
с твердым КОН

Далее сравнивали свойства кислотных и основных оксидов, для этого рассматривали знаки в соответствующих строках табл. 1. Общее свойство:

• реакция с водой;

• реакция с противоположными по названию классом;

• отсутствие реакции с классом сходного названия.

Амфотерные оксиды вступают в реакции с теми веществами, с которыми взаимодействуют и кислотные, и основные оксиды. Часто реакции амфотерных оксидов идут при сплавлении. Учащиеся ставили в табл. 1 четыре плюса в 4–7-й колонках соответствующей строки. А вот с водой амфотерные оксиды, подобно некоторым основным и кислотным оксидам, не реагируют. В 3-ю колонку ставится знак «минус». Учащимся предлагается дописать уравнения реакций:

а) PbO + SiO2 = … ;

б) Na2O + PbO2 = … ;

в) Al2O3 + HNO3 = … ;

г) NaOH + Al2O3 = … .

Химические свойства кислот и оснований

Цели. Обобщить в сравнении свойства кислот и оснований, расширить круг известных ученикам свойств, выделить общие, сходные и особые свойства веществ этих классов, сравнить продукты и типы реакций.

На этом уроке использовали табл. 2 из семи колонок и четырех строк. До урока в этой таблице была заполнена 1-я колонка и 1-я и 3-я строки. Как видно, реагенты для оснований и кислот в одних и тех же колонках не всегда совпадают. Пропуски в таблице заполняли по ходу урока. В горизонтальные прорези двенадцати клеток вставляли квадратики из плотной бумаги с изображениями.

Таблица 2

Химические свойства кислот и оснований

Исследуемое
вещество

Реагент, воздействие на исследуемое вещество

Индикатор
(для раство-
римых
осно-
ваний)
Kислота Kислот-
ный
оксид
Нагревание,
t
(для
нераство-
римых
основа-
ний)
Соль
(для раствори-
мых
основа-
ний)
Металлы
Zn и Al
(для раствори-
мых
основа-
ний)
1 2 3 4 5 6 7
Основание
(раствормое или нераство-
римое)

Результат реакции

МО – желтый,
ФФ –
мали-
новый,
Л – синий
Соль + вода Соль +
вода

Основание

MxOy H2O
Cоль'+
основание'
Cоль + Н2
Исследуемое
вещество

Реагент, воздействие на исследуемое вещество

Индикатор Основание Основный оксид Нагревание, t Соль Металл
Kислота

Результат реакции

МО – розовый,
ФФ – ц,
Л – красный
Соль +
вода
Соль +
вода

Гидроксид

оксид
неме-
талла

вода

Cоль' +
кислота'
Cоль + Н2

Примечание. МО – метилоранж, ФФ – фенолфталеин, Л – лакмус.

Работу вели последовательно, по колонкам. Сначала отметили общее свойство кислот и оснований – их действие на индикаторы. Демонстрировали на экране с подсветом цвет трех индикаторов (метилового оранжевого, фенолфталеина, лакмуса) в девяти пробирках в разной среде:
а) нейтральной; б) кислой; в) щелочной.

Учащиеся описывали действие кислот и щелочей на индикторы (рис. 3). При этом они вставляли в прорези табл. 2 карточки, где указывали сокращенные названия и окраску индикаторов.

Рис. 3. Добавление фенолфталеина к раствору щелочи NaOH

Рис. 3.
Добавление
фенолфталеина
к раствору
щелочи NaOH

Затем изучали действие оснований на кислоты, а кислот – на основания, т.е. при разном порядке смешивания. Выяснили, что это одна и та же реакция с одинаковыми продуктами. Названия продуктов реакции (классов веществ) вставляли в прорези таблицы. Вспоминали типы реакций. Уточняли, какими частицами обмениваются вещества в реакциях обмена. Учащиеся дали определение, что реакцию обмена между кислотой и основанием называют реакцией нейтрализации. Они проводили демонстрационные опыты по указаниям учителя.

Демонстрационный опыт 2. Взаимодействие кислот и оснований.

Опыт а. В качестве растворимого основания брали гидроксид калия KOH. Чтобы доказать присутствие в колбе раствора щелочи, прибавляли к этому раствору две капли раствора фенолфталеина. В качестве кислоты использовали серную кислоту H2SO4. Учащиеся знали, что кислоту следует прибавлять до исчезновения окраски индикатора. Раствор кислоты набрали шприцем и по каплям приливали в колбу. После приливания каждой капли содержимое колбы перемешивали. Далее учащиеся отвечали на вопросы учителя и выполняли его указания по плану.

Какое вещество образовалось? Запишите формулы исходных веществ.

Укажите стрелочками частицы, поменявшиеся местами.

Запишите формулу воды.

Уточните состав соли, валентность ее составных частей, их число, название соли.

Расставьте коэффициенты, начиная с формулы соли. Запишите названия типа реакции и соли:

Опыт б. Докажите, что и нерастворимые основания вступают в реакцию с растворами кислот. Возьмите для опыта гидроксид железа(III) и раствор соляной кислоты. По какому признаку можно будет судить, что реакция произошла? (Посмотрите в таблице растворимости, растворима ли соль FeCl3.) Если осадок не исчезнет полностью, подогрейте смесь веществ до полного растворения. Опишите проделанное по ранее приведенному плану.

На следующем этапе работы выясняли, реагируют ли основания с кислотными оксидами, а кислоты – с основными оксидами. Отмечали, что и те, и другие вступают в реакцию. Обращали внимание, что при этом, подобно взаимодействию оснований и кислот, образуются соль и вода. Отмечали, что в реакции между щелочью и кислотным оксидом металл берется из щелочи, а кислотный остаток возникает из кислоты, соответствующей кислотному оксиду. Кислотный остаток следует установить, обратившись к формуле кислоты. При реакции между кислотой и основным оксидом металл берется из оксида, а кислотный остаток – из кислоты, он уже задан. Остается только вывести формулу соли, пользуясь правилом валентности.

Демонстрационный опыт 3. Взаимодействие раствора гидроксида кальция с оксидом фосфора(V). Оксид Р2О5 получали при сжигании фосфора над поверхностью известковой воды, налитой в колбу. Учащиеся получали задание предположить состав образующейся соли, выяснить по таблице ее растворимость, назвать признаки реакции.

Учащиеся самостоятельно проводили лабораторный опыт по растворению оксида кальция под действием азотной кислоты. Опыт, как и демонстрация, шел с предварительной постановкой гипотезы.

Затем вспоминали, что есть еще одно общее свойство оснований и кислот – их отношение к нагреванию. Термическая неустойчивость характерна для некоторых оснований (нерастворимых и малорастворимых, в том числе амфотерных оснований) и части кислот (кислородсодержащих). Учащиеся называли классы веществ, образующихся из гидроксидов (кислот и оснований) при нагревании, и вставляли в прорези табл. 2 эти названия.

Для подтверждения термической неустойчивости этих веществ проводили разложение полученных перед уроком, хорошо промытых и высушенных осадков Cu(OH)2, Cr(OH)3 и H2SO3. Трое учащихся, вызванных к доске, одновременно выполняли три опыта. В каждой реакции наблюдали выделение паров воды и образование твердых остатков меньшего объема, чем было у исходного вещества. Окраска полученных оксидов: CuO – черный, Сr2O3 – серо-зеленый, SiO2 – почти бесцветный. Каждый ученик записывал уравнение проделанной реакции, название оксида и тип реакции.

Еще одно общее свойство у веществ этих классов – отношение к солям: взаимодействие растворов оснований или кислот с растворами солей, а также реакции некоторых безводных кислот с сухими солями. Реакции относятся к типу обмена. Отсюда есть и общее, и различия в составе образующихся продуктов – один из продуктов всегда новая соль, второй же продукт разный: в первом случае – это новое основание, во втором – новая кислота. Названия классов продуктов реакций помещали в прорези табл. 2.

Необходимо уточнить, что реакция между растворами основания и соли идет тогда, когда выпадает в осадок либо новая соль, либо новое основание. Аналогично реакция между растворами кислоты и соли идет тогда, когда в осадок выпадает либо новая соль, либо новая кислота. Для кислот есть и другие условия, благоприятствующие их реакции с солями. Например, когда получающаяся кислота разлагается на кислотный оксид и воду, причем оксид летучий и уходит из сферы реакции в виде газа. Реакция безводной кислоты с твердой солью протекает, если она сопровождается образованием летучей кислоты.

Учащиеся получают задание дописать уравнения реакций а)–ж), пользуясь таблицей растворимости и вытеснительным рядом кислот (каждая предыдущая кислота в этом ряду может вытеснить из соли последующую), указать причины их протекания:

а) CuCl2 (р-р) + NaOH (р-р) = … ;

б) CrCl3 (р-р) + NaOH (р-р) = … ;

в) BaCl2 (р-р) + H2SO4 (р-р) = … ;

г) Na2CO3 (р-р) + HNO3 (р-р) = … ;

д) Na2CO3 (тв.) + HСl (конц.) = … ;

е) Na2CO3 (тв.) + H2SO4 (конц.) = … ;

ж) NaCl (тв.) + H2SO4 (конц.) = … .

Чтобы подтвердить истинность своих предположений, учащиеся, работая капельным методом, проводили эти реакции.

Опыты д), е), ж) делал учитель, остальные – учащиеся.

Особое свойство кислот – их отношение к металлам. (Учащиеся вспоминают условия протекания и продукты реакции.) Карточку с обозначением продуктов реакции вставляют в прорезь табл. 2.

Важно уточнить, что не все металлы реагируют с кислотами, а только те, которые стоят в ряду Н.Н.Бекетова до водорода. Активные металлы вытесняют водород из растворов кислот, за исключением азотной и концентрированной серной. Учащимся предлагалось понаблюдать за опытом и объяснить увиденное.

Рис. 4. Соляная кислота взаимодействует с цинком

Рис. 4.
Соляная кислота
взаимодействует
с цинком

Демонстрационный опыт 4. Реакция кислот с металлами. В три пробирки помещали:
а) стружки магния; б) гранулы цинка; в) кусочки меди. Приливали в пробирки равные объемы соляной кислоты одной и той же концентрации. Выясняли состав газа в пузырьках, выделяющихся из кислоты (рис. 4), сравнивали интенсивность выделения газа в случаях а) и б). Учащиеся объясняли, как можно обнаружить соль в случаях а) и б), составляли уравнения идущих реакций.

В завершение урока учащиеся рассматривали табл. 2, запоминали общие и особые свойства веществ двух классов – кислот и оснований. Они приводили примеры реакций замещения, обмена, разложения, отмечали реакции, идущие с образованием только солей, с образованием соли и воды, соли и кислоты, соли и основания, соли и водорода, оксидов.

Домашнее задание. Подобрать свои примеры реакций на каждое рассмотренное свойство. Составить уравнения реакций получения из оснований солей тремя способами и оксида одним способом, из кислот – солей четырьмя способами и оксида – одним способом.

Г.И.ГРУЧЕНКО,
доцент кафедры
химии Смоленского государственного
педагогического института