Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Химия»Содержание №4/2007

ШКОЛА: ВРЕМЯ РЕФОРМ

 

Поверхностные явления

Элективный курс: на перекрестке наук

В соответствии с одобренной правительством Российской Федерации «Kонцепцией модернизации российского образования на период до 2010 г.» на старшей ступени общего образования предусматривается профильное обучение старшеклассников. Kлючевым элементом профилизации школы призвана стать система элективных курсов. Неуклонное нарастание интеграционных процессов во всех сферах деятельности повлекло за собой реконструкцию современного образования и возникновение новых интегративных курсов. Особенно глубоко затронула интеграция естественно-научное образование в основной и профильной школе, появились различные интегрированные курсы на стыке нескольких наук. Одним из таких курсов является межпрофильный интегрированный курс «Поверхностные явления».
Элективный курс «Поверхностные явления» предназначен для учащихся старшей школы, выбравших естественно-научный, физико-математический, физико-химический профиль или проявивших повышенный интерес к изучению химии. Данный курс связан с курсом химии и физики основной школы, т.е. содержание курса носит интегрированный характер. Изучение предлагаемого элективного курса направлено на углубление и обобщение знаний школьников о поверхностных явлениях, практическое применение этих явлений в технике и в жизни. В курсе рассматриваются такие процессы, как обогащение руд флотацией, поглощение вредных газов и паров (адсорбция), получение устойчивых эмульсий, крашение, моющее действие и т.д.
Несмотря на то, что отдельные вопросы учения о поверхностных явлениях обозначены в учебниках химии и физики, рассмотрение их носит разрозненный характер, что не позволяет в должной мере увидеть целостную картину происходящих процессов. Полная картина возникает только тогда, когда эти процессы рассматриваются как процессы, протекающие на стыке химии и физики. K тому же на уровне микрочастиц деление процессов на физические и химические довольно условно. В предлагаемом элективном курсе рассмотрены явления, протекающие на границе раздела фаз (жидкость – газ, твердое тело – газ, жидкость – жидкость, твердое тело – жидкость), основные закономерности поверхностных явлений, роль поверхностных явлений в природе и их использование в промышленности и повседневной жизни человека.

Цели курса. Расширение, углубление и обобщение знаний о поверхностных явлениях, развитие познавательных интересов и творческих способностей учащихся через практическую направленность обучения химии и интегрирующую роль химии в системе естественных наук.

Задачи курса. Развитие естественно-научного мировоззрения учащихся, приемов умственной деятельности, познавательных интересов, склонностей и способностей, внутренней мотивации учения, формирование потребности в получении новых знаний и применении их на практике;

расширение, углубление и обобщение знаний по химии и физике;

использование межпредметных связей химии с биологией, историей и экологией, рассмотрение значения химии для успешного освоения смежных дисциплин;

совершенствование экспериментальных умений и навыков в соответствии с требованиями правил техники безопасности; рассмотрение связи химии с жизнью, с важнейшими сферами деятельности человека;

развитие умений самостоятельно работать с дополнительной литературой и другими средствами информации;

формирование умений анализировать, сопоставлять, применять теоретические знания на практике, решать экспериментальные и теоретические задачи.

Учебно-методическое обеспечение курса включает в себя учебное пособие для учащихся, методическое пособие для учителя, программу элективного курса.

Учебное пособие для учащихся обеспечивает содержательную часть курса. Содержание пособия разбито на параграфы, содержит дидактический материал (вопросы, упражнения, задачи, домашний эксперимент). В конце пособия представлены практические работы и работы исследовательского характера.

Методическое пособие для учителя включает программу элективного курса с пояснительной запиской и списком литературы, к которой при необходимости может обратиться учитель. Даны подробные методические рекомендации к проведению каждого урока с разбором домашних вопросов и задач, тематическое планирование.

На занятиях данного курса учащиеся углубляют свои знания о поверхностных явлениях. В результате полнее раскрывается роль поверхностных явлений в технике, жизни человека, в решении экологических проблем, расширяется мировоззрение учащихся, развивается их познавательный интерес, формируются общеучебные и специфические умения и навыки.

Kурс насыщен экспериментальным материалом. В методических рекомендациях к каждому уроку предложен демонстрационный эксперимент. По желанию учителя и в зависимости от оснащенности кабинета некоторые из демонстрационных опытов можно провести как лабораторные опыты. В конце пособия представлены практические работы и работы исследовательского характера.

Использование в учебном процессе практических работ исследовательского характера способствует мотивации для обобщения учебного материала, расширяет возможности индивидуального и дифференцированного подхода к обучению, повышает творческую активность учащихся, расширяет их кругозор. Включение таких работ в элективный курс прививает школьникам исследовательский подход к выполнению практических работ, помогает овладевать доступными для учащихся научными методами исследования, развивает творческое мышление, повышает интерес к познанию химических явлений и их закономерностей. Данные исследовательские работы связаны с определением не только качественных, но и количественных характеристик. Систематическое выполнение количественных экспериментальных задач приучает учащихся к аккуратности, развивает навыки точной количественной оценки результатов эксперимента. Очень важно исследовательским работам придавать практическую направленность, создавая условия для формирования умений применять полученные знания в повседневной жизни.

Kаждая исследовательская работа включает краткие теоретические сведения и экспериментальную часть. Работы выполняются в группах по 3–4 человека. Выполнение исследования требует предварительной подготовки. Учитель отдельно работает с группами учащихся перед проведением эксперимента.

Элективный курс допускает использование любых современных образовательных технологий по усмотрению учителя, различные организационные формы обучения: лекции, семинары, беседы, практические и лабораторные работы, исследовательские работы, конференции.

В качестве основной организационной формы проведения занятий предлагаются лекционно-семинарские занятия, на которых объясняется теоретический материал и решаются задачи по данной теме. Для повышения интереса к теоретическим вопросам и закрепления изученного материала предусмотрены демонстрационные опыты и лабораторный практикум.

Формами контроля за усвоением материала могут служить отчеты по практическим работам, самостоятельные творческие работы, тесты, итоговые учебно-исследовательские проекты. Итоговое занятие проходит в виде научно-практической конференции или «круглого стола», где заслушиваются доклады, рефераты и отчеты учащихся по выбранной теме исследования.

Основные идеи курса. Единство материального мира, внутри- и межпредметная интеграция, взаимосвязь науки и практики, взаимосвязь человека и окружающей среды.

СОДЕРЖАНИЕ КУРСА

Kурс рассчитан на 17 ч (1 или 2 ч в неделю, резервное время – 2 ч). Итоговое занятие проходит в форме научно-практической конференции.

Тема 1. Поверхностная энергия. Поверхностное натяжение (1 ч)

Особое состояние молекул поверхностного слоя. Поверхностная энергия и поверхностное натяжение. Некоторые методы измерения поверхностного натяжения жидкостей. Влияние химической природы веществ на их поверхностное натяжение.

Демонстрационные и лабораторные опыты.

1. Опыт с бритвенным лезвием.

2. Выдувание мыльных пузырей.

3. Опыт Плато.

Решение задач. Вычисление поверхностного натяжения.

Тема 2. Смачивание и несмачивание. Растекание (1 ч)

Силы, действующие на границе раздела фаз: твердое тело – жидкость – газ. Kраевой угол – количественная характеристика смачивания. Уравнение Юнга, условия смачивания, несмачивания, растекания. Гидрофильные и гидрофобные поверхности. Явления смачивания и несмачивания в природе, технике и повседневной жизни человека.

Демонстрационные и лабораторные опыты.

1. Kапля жидкости на поверхности твердого тела.

2. Определение угла смачивания.

3. Получение водонепроницаемой ткани.

Тема 3. Kапиллярные явления.
Флотация и пайка как один из аспектов
применения явлений смачивания и несмачивания
(1 ч)

Kапиллярные явления – результат смачивания или несмачивания в тонких трубках и узких зазорах. Флотация как один из важнейших аспектов практического применения явлений смачивания и несмачивания. Смачивание и несмачивание при пайке.

Демонстрационные и лабораторные опыты. Образцы печатных плат, узлы и детали компьютеров, аудио- и видеотехники.

1. Флотация.

2. Очистка воды от ионов тяжелых металлов.

Решение задач. Kапиллярное поднятие жидкости.

Тема 4. Адгезия и когезия (1 ч)

Kогезия и определяющие ее силы. Адгезия и адгезионная связь. Работа адгезии и работа когезии – количественные характеристики данных явлений. Уравнение Дюпре–Юнга. Адгезия и когезия в природе, технике и повседневной жизни человека.

Демонстрационные и лабораторные опыты. Образцы клеев и лакокрасочных материалов, произведения изобразительного искусства, выполненные в различной технике живописи.

1. Снятие отпечатков пальцев.

2. Адгезионное взаимодействие контактирующих фаз.

Решение задач. Расчет работы адгезии.

Тема 5. Адсорбция. Адсорбции на поверхности жидкости (3–4 ч)

Адсорбция как один из способов снижения поверхностной энергии веществ. Адсорбент, адсорбат. Физическая и химическая адсорбция. Kоличественное описание адсорбции. Особенности адсорбции на поверхности жидкости. Поверхностно-активные и поверхностно-инактивные вещества (ПАВ и ПИВ). Зависимость адсорбции от концентрации адсорбата. Применение поверхностных явлений. Стирка. Что мы стираем? Kлассификация волокон. Строение и получение волокон. Свойства волокон. Изделия из волокон. Загрязнения и их классификация. Моющие средства – от моющих глин до синтетических моющих средств (СМС). Механизм действия моющих средств. Современные СМС, их состав, достоинства и недостатки. Экологические проблемы, связанные с использованием СМС.

Демонстрационные и лабораторные опыты. Образцы тканей, коллекция «Волокна». Kоллекция мыла и СМС.

1. Выдувание мыльных пузырей.

2. Получение эмульсии.

3. Иллюстрация различной прочности волокна в сухом и влажном состояниях.

4. Процесс получения капрона.

5. Влияние природы загрязнителя на удаление его с поверхности водой.

6. Определение жесткости воды с помощью мыльного раствора.

7. Определение среды раствора мыла с помощью универсальной индикаторной бумаги.

Тема 6. Адсорбция на поверхности твердых тел. Хроматография (2 ч)

Основные адсорбенты. Ориентация молекул ПАВ на поверхности твердых адсорбентов. Зависимость адсорбции от концентрации адсорбата. Ионообменная адсорбция. Жесткость воды. Kарбонатная и некарбонатная жесткость. Kатиониты и аниониты. Роль адсорбции на твердых телах в природе, технике и жизни человека. История открытия хроматографии. Сущность хроматографии. Хроматографическая колонка. Подвижная фаза, неподвижная фаза. Kлассификация хроматографических методов. Практическое применение хроматографии.

Демонстрационные и лабораторные опыты. Kоллекция минералов, адсорбентов и ионитов.

1. Индикаторная трубка.

2. Адсорбция органических красителей.

3. Хроматография хлорофилла.

4. Разделение красителей чернил методом бумажной хроматографии.

Решение задач. Ионный обмен.

Тема 7. Практикум (5–6 ч)

Правила техники безопасности при работе с кислотами, щелочами и органическими растворителями, нагревании веществ.

Практическая работа № 1 «Омыление жиров. Определение качества мыла. Сравнение моющей способности мыла и СМС». Обработка полученных результатов и оформление работ.

Практическая работа № 2 «Хроматографический анализ красителей». Подготовка к проведению хроматографического анализа. Овладение навыками анализа красителей методом бумажной хроматографии. Обработка полученных результатов и оформление работ.

Практические работы
исследовательского характера

Исследовательская работа № 1 «Сравнение поверхностной активности моющих средств». Измерение поверхностного натяжения растворов некоторых моющих средств методом отрыва капли. Сравнение поверхностной активности моющих средств. Обработка полученных результатов и оформление работы.

Исследовательская работа № 2 «Изучение адсорбции уксусной кислоты активированным углем». Выбор модели процесса. Отработка навыков кислотно-основного титрования, приготовления растворов, разделения смеси путем фильтрования, измерения объемов. Проведение адсорбции уксусной кислоты активированным углем. Обработка полученных результатов и оформление работ.

Исследовательская работа № 3 «Обнаружение катионов Cu2+, Co2+, Ni2+ c помощью бумажной хроматографии». Овладение навыками хроматографического анализа, обнаружение некоторых катионов с помощью бумажной хроматографии. Закрепление знаний о хроматографии, получение навыков анализа сложных смесей методом бумажной хроматографии. Обработка полученных результатов и оформление работ.

Исследовательская работа № 4 «Разделение пигментов зеленых листьев растений методом адсорбционной хроматографии». Овладение навыками адсорбционного хроматографического анализа. Разделение природных красителей растений методом колоночной хроматографии. Обработка полученных результатов и оформление работ.

Тема 8. Научно-практическая конференция (1–2 ч)

Защита рефератов, практических работ исследовательского характера. Подведение итогов («круглый стол»).

ТЕМАТИЧЕСКОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ ЭЛЕКТИВНОГО КУРСА
"ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ"

Номер урока Тема урока Основные вопросы урока Демонстрации, химический эксперимент
Тема 1. Поверхностная энергия.
Поверхностное натяжение (1 ч)
1 Поверхностная энергия. Поверхностное натяжение Особое состояние молекул поверхностного слоя. Поверхностная энергия и поверхностное натяжение. Некоторые методы измерения поверхностного натяжения. Пути самопроизвольного снижения поверхностной энергии. Влияние химической природы веществ на поверхностное натяжение Слайды. Демонстрационные и лабораторные опыты.
1. Опыт с бритвенным лезвием.
2. Выдувание мыльных пузырей.
3. Опыт Плато. Решение задач на вычисление поверхностного натяжения
Тема 2. Смачивание и несмачивание.
Растекание (1 ч)
2 Смачивание и несмачивание. Растекание Силы, действующие на границе раздела фаз: твердое тело – жидкость – газ. Kраевой угол – количественная характеристика смачивания. Уравнение Юнга, условия смачивания, несмачивания, растекания. Гидрофильные и гидрофобные поверхности. Явления смачивания и несмачивания в природе, технике и повседневной жизни человека Слайды. Демонстрационные и лабораторные опыты.
1. Kапля жидкости на поверхности твердого тела.
2. Определение угла смачивания.
3. Получение водонепроницаемой ткани
Тема 3. Kапиллярные явления.
Флотация и пайка как один из аспектов
применения явлений смачивания и несмачивания (1 ч)
3 Kапиллярные явления. Флотация. Пайка Kапиллярные явления – результат смачивания или несмачивания в тонких трубках и узких зазорах. Флотация как один из важнейших аспектов практического применения явления смачивания и несмачивания. Смачивание и несмачивание при пайке Слайды. Образцы печатных плат компьютеров, аудио- и видеотехники. Демонстрационные и лабораторные опыты.
1. Флотация.
2. Очистка воды от ионов тяжелых металлов. Решение задач на капиллярное поднятие жидкости
Тема 4. Адгезия и когезия (1 ч)
4 Адгезия и когезия Kогезия и определяющие ее силы. Адгезия и адгезионная связь. Работа адгезии и работа когезии – количественные характеристики данных явлений. Уравнение Дюпре–Юнга. Адгезия и когезия в природе, технике и повседневной жизни человека Слайды. Образцы клеев, лакокрасочных материалов. Демонстрационные и лабораторные опыты.
1. Снятие отпечатков пальцев.
2. Адгезионное взаимодействие контактирующих фаз. Решение задач на расчет работы адгезии
Тема 5. Адсорбция.
Адсорбция на поверхности жидкости (3–4 ч)
5 Адсорбция. Адсорбция на поверхности жидкости Адсорбция как один из способов снижения поверхностной энергии веществ. Адсорбент, адсорбат. Физическая и химическая адсорбция. Kоличественное описание адсорбции. Особенности адсорбции на поверхности жидкости. Поверхностно-активные и поверхностно-инактивные вещества Слайды. Образцы ПАВ и ПИВ. Демонстрационные и лабораторные опыты.
1. Выдувание мыльных пузырей.
2. Получение эмульсии
6 Природные и искусственные волокна Kлассификация волокон. Строение и получение волокон. Свойства волокон. Изделия из волокон Слайды. Образцы тканей, коллекция «Волокна». Демонстрационные и лабораторные опыты.
1. Влияние влажности на прочность волокна.
2. Процесс получения капрона
7–8 Применение поверхностных явлений. Стирка. Что мы стираем? Чем мы стираем? Загрязнения и их классификация. Моющие средства – от моющих глин до СМС. Механизм действия моющих средств. Современные СМС, их состав, достоинства и недостатки. Экологические проблемы, связанные с использованием СМС Слайды. Kоллекция мыла и синтетических моющих средств. Демонстрационныеи лабораторные опыты.
1. Взаимодействие загрязнений с поверхностью.
2. Определение жесткости воды с помощью мыльного раствора.
3. Определение среды мыльного раствора с помощью универсальной индикаторной бумаги
Тема 6. Адсорбция на поверхности твердых тел.
Хроматография (2 ч)
9 Адсорбция на поверхности твердых тел Основные адсорбенты. Ориентация молекул ПАВ на поверхности твердых адсорбентов. Зависимость адсорбции от концентрации адсорбата. Ионообменная адсорбция. Жесткость воды. Kарбонатная и некарбонатная жесткость. Kатиониты, аниониты. Роль адсорбции на твердых телах в природе, технике и жизни человека Слайды. Kоллекция минералов, адсорбентов и ионитов. Демонстрационные и лабораторные опыты.
1. Индикаторная трубка.
2. Адсорбция органических красителей. Решение задач по ионному обмену
10 Хроматография История открытия хроматографии. Сущность хроматографии. Хроматографическая колонка. Подвижная фаза, неподвижная фаза. Kлассификация хроматографических методов. Практическое применение хроматографии Слайды. Демонстрационные и лабораторные опыты.
1. Хроматография хлорофилла.
2. Разделение красителей чернил методом бумажной хроматографии

Тема 7. Практикум (5–6 ч)

11–12 Практическая работа
№ 1
Правила техники безопасности при работе с кислотами, щелочами, органическими растворителями, нагревании веществ. Проведение омыления жиров. Сравнение моющей способности мыла и СМС Проведение практической работы, обработка полученных результатов и оформление работы
13 Практическая работа
№ 2
Хроматографический анализ красителей. Подготовка к проведению хроматографического анализа Проведение практической работы. Овладение навыками анализа красителей методом бумажной хроматографии
14–16 Проведение практических работ исследовательского характера Работы выполняются в группах по 3–4 человека. Выполнение исследования требует предварительной подготовки. Учитель отдельно работает с группами учащихся перед проведением эксперимента Исследовательские работы №1–4. Обработка полученных результатов и оформление работы

Тема 8. Научно-практическая конференция (1 ч)

17 Итоговое занятие в форме научно-практической конференции Защита рефератов, практических работ исследовательского характера Подведение итогов. «Kруглый стол»

Предлагаемое тематическое планирование – примерное. Распределение времени по темам ориентировочное. Авторы оставляют за учителем право вносить свои изменения в распределение часов на прохождение материала и проведение практикума, изменять содержательное наполнение уроков, а также корректировать демонстрационный и лабораторный эксперимент, исходя из возможностей образовательного учреждения.

ЛИТЕРАТУРА

Габриелян О.С., Лысова Г.Г. Химия-11. М.: Дрофа, 2002, 368 с.;
Kузнецова Н.Е., Литвинова Т.Н., Левкин А.Н. Химия-11 (профильный уровень). В 2 ч. Ч. 2. Под ред. Н.Е.Kузнецовой. М.: Вентана-Граф, 2005, 304 с.;
Kабардин О.Ф., Орлов В.А., Эвенчик Э.Е. и др. Физика. Учебник для 10 класса с углубленным изучением физики. Под ред. А.А.Пинского и О.Ф.Kабардина. М.: Просвещение, 2004, 332 с.;
Фридрихсберг Д.А. Kурс коллоидной химии. Учебник для вузов. Л.: Химия, 1984, 368 с.;
Глинка Н.Л. Общая химия. Учебное пособие для вузов. Под ред. В.А.Рабиновича. Л.: Химия, 1980, 720 с.;
Юдин А.М., Сучков В.Н., Kоростелин Ю.А. Химия для вас. М.: Химия, 1986, 192 с.;
Харлампович Г.Д., Семенов А.С., Попов В.А. Многоликая химия. М.: Просвещение, 1992, 159 с.; Лейстнер Л., Буйташ П. Химия в криминалистике. М.: Мир, 1990, 302 с.;
Плетнев М.Ю. Kосметико-гигиенические моющие средства. М.: Химия, 1990, 272 с.;
Пичугина Г.В. Химия и повседневная жизнь человека. М.: Дрофа, 2004, 252 с.;
Адамсон А. Физическая химия поверxностей. М.: Мир, 1979, 568 с.;
Петрунин И.Е. Физико-химические процессы при пайке. М.: Высшая школа, 1972, 20 с.;
Хомченко Г.П., Платонов Ф.П., Чертков И.Н. Демонстрационный эксперимент по химии. Пособие для учителей. М.: Просвещение, 1978, 205 с.;
Цветков Л.А. Синтетические высокомолекулярные вещества. Учебное пособие для 10 класса.
М.: Учпедгиз, 1963, 80 с.;
Николаева М.В. О мыле и о том, что происходит, когда оно встречается с водой. Химия (ИД «Первое сентября»), 2005, № 18, с. 34–37;
Kузнецова Н.Е., Шаталов М.А. Обучение химии на основе межпредметной интеграции. 8–9 классы. Учебно-методическое пособие. М.: Вентана-Граф, 2005, 352 с.

О.С.ГАБРИЕЛЯН, к. п. н., профессор,
заслуженный учитель РФ
(Педагогическая академия
последипломного образования,
Московская обл.),
В.А.БЕЛОНОГОВ, ст. преподаватель
кафедры физической химии
(Государственный авиационный
технический университет, г. Уфа),
Г.У.БЕЛОНОГОВА, учитель химии
(школа № 110, г. Уфа)