Проблемный подход к изучению теории электролитической диссоциации

Учебная проблема (проблема 1) может быть предложена при изучении материала об электролитах и неэлектролитах. Проблемная ситуация возникает при повторении вопросов о природе электрического тока и причине прохождения его в металлах (этот материал учащиеся изучали в курсе физики). На ряде опытов ученики убеждаются в том, что растворы солей, например:

— проводят электрический ток. Учитель сообщает, что способность проводить электрический ток растворами этих солей зависит от появления в них заряженных частиц-ионов, которые образуются при растворении солей. Чтобы доказать это, учитель показывает ряд веществ в сухом виде, например гидроксидов:

Записывает их формулы на доске, растворяет в воде (для опытов надо взять гидроксиды, металлы которых не входят в состав взятых солей). Учитель практически доказывает наличие ионов в растворах этих гидроксидов. При обобщении рассмотренных опытов он акцентирует внимание на противоречии, заключающемся в том, что разные по составу, а следовательно, и свойствам вещества проявляют общие свойство, их растворы проводят электрический ток. Создавшаяся ситуация позволяет сформулировать проблему: исходя из строения молекул солей и гидроксидов, определить, что у них общее, и на основании этого сделать вывод об электропроводности их растворов.

Подготовкой к выдвижению гипотезы служит повторение вопросов о строении молекул солей и гидроксидов. В обоих случаях учитель акцентирует внимание на видах связи. Гипотезу выдвигают ученики: общим в строении этих веществ является наличие ионной связи, которая, видимо, и разрывается при попадании подобных веществ в воду. В результате разрыва ионной связи в растворе появляются ионы — заряженные частицы. Они проводят электрический ток.

Подтвердив правильность гипотезы, учитель предлагает перейти к ее решению. Для этого просит учеников подготовить таблицу «Растворимость солей, кислот и оснований в воде». В ходе фронтального опроса выясняют такие вопросы: «Приведите примеры солей, растворы которых будут проводить электрический ток. Будет ли электропроводной система, образованная путем смешивания с водой:

Закрепив знания о том, что не все вещества, имеющие ионную связь, растворяются в воде (это зависит от энергии связи между частицами), учитель вместе с учениками делает обобщающий вывод: если вещество имеет ионную связь и оно растворимо в воде, образующийся раствор будет проводить электрический ток, так как в нем имеются заряженные частицы — ионы. На этом завершается решение проблемы 1.

Следующую проблему (проблему 2) можно предложить на этом же уроке при раскрытии вопроса об электропроводности кислот. Для подготовки к созданию проблемной ситуации учитель предлагает рассмотреть строение молекулы кислоты. Отмечает отсутствие ионной связи. Предлагает ученикам растворить выданную в пробирках кислоту (напоминает, как надо растворять серную кислоту в воде). Делает вывод о хорошем растворении кислоты в воде. В процессе беседы учитель подводит учеников предположению о том, что отсутствие ионной связи должно бы привести к распаду кислот на отдельные молекулы, которые не имеют заряда. Предлагает проверить это предложение практически. Опустив электроды в раствор кислоты, демонстрирует свечение лампочки. Формулирует проблему: как доказать, что водная среда способствует переходу ковалентной полярной связи в ионную в результате чего кислоты и распадаются на ионы.

Чтобы помочь ученикам самостоятельно выдвинуть гипотезу, повторяют вопросы о сущности ковалентной полярной связи, природе ионной связи, роли воды в процессе растворения. Ученики выдвигают гипотезу: в водной среде, где притяжение между частицами растворяющегося вещества уменьшается и проявляется значительное действие молекул воды на вещество, происходит, очевидно, полный переход электрона водорода к кислотному остатку. В результате этого связь из ковалентной полярной переходит в ионную, вещество распадается на ионы, что наблюдается при растворении серной кислоты.

Подтвердив правильность гипотезы, учитель закрепляет его знание на примере демонстрации электропроводности других кислот. Указывает на знакомство с еще одной закономерностью — переходом ковалентной сильно полярной связи в ионную под влиянием водной среды, на чем и заканчивается решение проблемы. Обобщив рассмотренный материал о растворении солей, гидроксидов и кислот, следует указать, что вещества, растворы которых проводят электрический ток, называются электролитами или проводниками второго рода (к проводникам первого рода относят металлы).

Сформулированное знание об электролитах позволяет предложить ученикам еще одну проблему. Вводом в проблемную ситуацию служит постановка вопроса: «Можно ли дать следующее обобщающее определение электролитам — все растворяющиеся в воде вещества являются электролитами?». Получив различные ответы (практика показала, что в основном ученики отвечают, что можно), учитель растворяет в воде сахар и спирт и исследует электропроводность этих веществ. Новое противоречие создает еще одну проблемную ситуацию, которая приводит к определению проблемы: можно ли на основании строения молекул сахара и спирта установить, почему их растворы не проводят электрический ток.

Рассмотрев строение этих веществ, ученики высказывают предположение: сахар и спирт растворяются в воде и образуют истинные растворы, которые не являются электропроводными. Это дает право предположить наличие непрочных связей между молекулами веществ и довольно прочных внутримолекулярных связей. Такая особенность строения веществ приводит к распаду их в воде на отдельные молекулы, а не на ионы. Поэтому растворы подобных веществ не являются электропроводными.

При закреплении изученного учитель исследует электропроводность растворов других веществ, например глицерина, и указывает на существование довольно большой группы веществ — не электролитов. Этим обобщением завершается решение проблемы 3.

Проблему 4 можно предложить при изучении электролитической диссоциации. Чтобы подвести учащихся к проблемной ситуации, следует кратко остановиться на вопросе об открытии этого явления. Учитель сообщает, что между учеными в первые годы открытия этого явления происходили споры. Одни утверждали, что ионы в растворе образуются при растворении веществ в воде; другие ученые считали, что ионы образуются под действием электрического тока, когда электроды опущены в раствор. Ставится вопрос: «Кто же из ученых был прав и как это можно доказать?». Так создается проблемная ситуация. Далее формулируется проблема: как объяснить, исходя из особенностей процесса растворения и сущности химических реакций, происходящих между растворами веществ, имеются ли ионы в растворе до опускания в него электродов, или они появляются под действием электрического тока.

Ученики выдвигают гипотезу: вещества, имеющие ионную или ковалентную полярную связь, в водных растворах распадаются на ионы, что мы практически доказали при решении предыдущих проблем. Химические же реакции, происходящие между веществами, находящимися в растворенном состоянии, еще раз подтверждают наличие ионов в растворах, так как образование новых веществ есть процесс взаимодействия частиц с различными зарядами. Следовательно, правы были те ученые, которые утверждали, что ионы образуются при растворении веществ в воде.

Подтверждением гипотезы являются опыты, которые проводят ученики: сливают растворы веществ и получают осадки. Затем записывают уравнения химических реакций и объясняют их с позиций поставленной проблемы, на чем и завершают ее решение.

Проблемы 5, 6 и 7 можно предложить при изучении свойств ионов. Подготовкой к созданию проблемной ситуации служит проведение учениками опытов, в процессе которых они наблюдают растворение гидроксида натрия в воде. Записывают уравнения реакций диссоциации этих веществ. Затем наблюдают реакцию энергичного взаимодействия металлического натрия с водой, которую демонстрирует учитель. Обобщая рассмотренное, учитель акцентирует внимание на том, что при диссоциации веществ происходило накопление ионов натрия в воде, но при этом не наблюдалось бурной реакции, как при взаимодействии металлического натрия с водой. Указав на наличие противоречия, учитель формирует проблему: как на основании строения атома и иона натрия объяснить причину энергичного течения реакции в одном случае и отсутствие ее в другом.

Для выдвижения гипотезы надо рассмотреть схемы строения атома и иона натрия. После чего ученики отмечают: бурное взаимодействие металлического натрия с водой объясняется, по-видимому, строением последнего энергетического уровня атома натрия. В нем находится один электрон, который натрий легко теряет при химических процессах. Ионы же натрия, образующиеся при растворении соответствующих веществ в воде, имеют завершенный последний уровень, что и обуславливает их пассивность. Подтвердив правильность выдвинутой гипотезы, можно не продолжать решение этой проблемы, а предложить другую, решение которой даст возможность сделать обобщающий вывод. Для создания проблемной ситуации учитель кратко напоминает учащимся свойства свободного хлора, акцентируя внимание на его ядовитости. Затем указывает на противоречие, которое заключается в том, что человек постоянно употребляет в пищу растворы веществ, и особенно хлорида натрия (поваренной соли), которые содержат значительное количество, но в то же время отравляющего действия не замечает. Формулируется проблема: можно ли на основании строения молекулярного и атомарного хлора, а также хлора в виде ионов объяснить его активное действие в одном случае и его пассивность в другом. Рассмотрев строение атома хлора, ученики могут высказать предположение о его активности. Ионы же хлора, как и раньше рассмотренные ионы натрия, имеют завершенный внешний уровень, что говорит об их пассивности.

Подтвердив правильность гипотезы, учитель разъясняет учащимся, с чем связана химическая активность свободного хлора, в частности его ядовитость. Сопоставление последующих энергетических уровней ионов натрия и хлора с благородными газами позволяет сделать обобщающий вывод об особенностях ионов, имеющих завершенные внешние уровни.

На этом же уроке может быть предложена еще одна проблема. Для создания проблемной ситуации учитель демонстрирует учащимся бесцветные кристаллы. Предлагает растворить их в воде. Обращает внимание на противоречие, которое заключается в том, что соль бесцветна, а раствор голубой. Формулируется проблема: как исходя из процесса растворения объяснить, почему бесцветные кристаллы изменили цвет раствора и наличием, каких ионов он объясняется: Си²⁺ или SO₄^2-, или тех и других вместе. Подготовкой к выдвижению гипотезы служит обсуждение таких вопросов: «В чем заключается природа растворения веществ?», «В каком состоянии находятся ионы в растворе?», «Приведите примеры веществ, которые в своем составе имеют элемент меди, и веществ, в состав которых входит ион SO₄^2-».

Ученики высказывают гипотезу: вещество в сухом виде бесцветно. Цвет раствора, по-видимому, зависит от образовавшихся соединений ионов с водой. Что бы установить, наличием каких ионов обусловливается цвет раствора, подбирают ряд веществ, одни из которых включают ионы Си2+, в состав других входят ионы растворяют каждую соль отдельно и делают вывод, от каких ионов зависит цвет раствора.

Проверкой гипотезы являются опыты, которые проводят ученики. Они растворяют в воде соли. После установления того, что носителями голубой окраски являются гидратированные ионы меди, учитель продолжает решение проблемы. Разъясняет сущность процесса гидратации и изменение цвета раствора в связи с гидратацией ионов меди. Указывает, что в нашем примере гидратированные ион меди — голубой, не гидратированный Си²⁺ — бесцветный. После этого, сформировав понятия «кристаллизационная вода» и «кристаллогидрат», учитель заканчивает решение проблемы 7.

Проблему 8 можно предложить при изучении степени электролитической диссоциации сильных и слабых электролитов. Подготовкой к созданию проблемной ситуации явится повторение таких вопросов: «От каких ионов зависит цвет раствора соли меди?», «В каком состоянии находятся ионы в растворе?».

Затем учитель демонстрирует безводную соль СuСl₂, которая имеет коричневый цвет с небольшой желтизной. Ставится вопрос: «Какой цвет имеет кристаллогидрат этой соли?». Обычно ученики указывают на голубой цвет. Учитель добавляет к соли небольшое количество воды (смачивая соль). Демонстрирует зеленый цвет.

Отмечается противоречие и формируется проблема: можно ли доказать, что зеленый цвет зависит от совокупности гидратированных ионов и не распавшихся молекул меди.

Для подготовки учащихся проводится беседа, в процессе которой выясняют вопросы: «Какой цвет имеют гидративованные ионы меди?», «Какой цвет имеют молекулы хлорида меди (II)?» Затем на лист белой бумаги учитель наносит желтым карандашом густые штрихи, а поверх них — штрихи голубым карандашом. Демонстрирует зеленоватый оттенок. Ученики по аналогии высказывают предположение: зеленый цвет кристаллогидрата, очевидно, зависит от совокупности небольшой части гидратированных ионов меди и не распавшихся молекул соли. Если же раствор довести до такой концентрации, чтобы все молекулы распались на ионы, цвет раствора будет, по-видимому, голубым. Предложив проверить гипотезу, учитель добавляет воду до получения голубого цвета раствора. Заканчивается решение проблемы раскрытием вопросов о степени диссоциации и обратимости этого процесса.

Следующую, проблему 9 можно предложить при изучении реакций ионного обмена. После того как ученики познакомились с сущностью ионных реакций и особенно с характерными реакциями на анионы Сlи SO₄ ^2- и закрепили знания на основании опытов и уравнений реакций, учитель демонстрирует два жидких вещества, не называя их (хлорид углерода (IV), раствор хлорида магния в воде). Указывает, что в состав этих веществ входит хлор. Ставит вопрос: «Можно ли определить наличие хлора в этих веществах и как практически это сделать?».

Получив утвердительный ответ, он добавляет раствор нитрата серебра и демонстрирует отсутствие осадка в одной из пробирок. Возникает противоречие. Далее учитель записывает на доске формулы указанных веществ ССl₄ и MgCl₂ и показывает, что хлорид углерода (IV) не растворяется в воде. Формируется проблема: в каком случае отсутствует осадок и можно ли утверждать, что его отсутствие зависит от строения веществ.

Исходя из строения молекулы хлорида углерода (IV) и нитрата серебра, ученики выдвигают гипотезу: в связи с тем, что у хлорида углерода молекула образована ковалентной малополярной связью, она не распадается на ионы. Следовательно, реакции между этим веществом и нитратом серебра не произойдет, что мы и наблюдали во время опыта. Подтвердив правильность гипотезы, учитель продолжает решение проблемы. Он убедительно доказывает, в каких случаях будет образовываться осадок, в каких — нет. Для закрепления знаний проводится фронтальный опрос по таблице растворимости Проблему 10 можно предложить при изучении оксидов и гидроксидов. Подготовкой к проблемной ситуации служит рассказ учителя о том, что энергия химической связи в молекулах оксидов такова, что в водной среде они не могут диссоциировать на составляющие их элементы. Затем высказывается предположение: если оксиды металлов Na₂O и CaO при смешивании с водой образуют растворы, то можно допустить, что их распад происходит на отдельные нейтральные молекулы. Установив, как это можно проверить, учитель испытывает растворы этих веществ на электропроводность. Демонстрирует свечение лампочки. Возникшее противоречие позволяет определить проблему: как с позиций химической реакции объяснить появление ионов в растворе при смешивании сухих оксидов натрия или калия с водой? Предлагает учащимся выдвинуть гипотезу. Они указывают: если оксид металла при смешивании с водой образует истинный раствор, то можно сделать предположение, что в процессе их взаимодействии образуется новое вещество, которое распадается на ионы. Подтверждением гипотезы является исследование электропроводности растворов, образованных при смешивании других оксидов металлов с водой, и рассмотрение сущности этого процесса на примере соответствующих уравнений химических реакций. Заканчивается решение проблемы объяснением сущности процесса гидратации оксидов неметаллов.

Проблему 11 можно предложить при изучении вопроса о кислотах, основаниях и солях в свете теории электролитической диссоциации. Проблемную ситуацию учитель создает на основании опыта: получение хлороводорода путем взаимодействия концентрированной серной кислоты с хлоридом натрия. Сухую лакмусовую бумажку осторожно подносит к газоотводной трубе (выделяющийся газ должен быть сухим). Обращает внимание учащихся на отсутствие изменения окраски. После этого учитель собирает хлороводород в пробирку, растворяет его в воде и раствор испытывает лакмусом. Ученики отмечают наличие кислой среды. Указав противоречие, учитель формулирует проблему: как объяснить, что хлороводород в воздушной среде не проявляет кислотных свойств, а в водной — проявляет? К выдвижению гипотезы ученики уже подготовлены и поэтому могут указать: в воздухе хлороводород выделяется в виде молекул, в которых водород прочно связан с хлором. В воде происходит диссоциация его молекул на ионы, которые вступают в соединения с молекулами воды и образуют ионы гидроксония, от наличия которых зависит кислая среда. Продолжением решения проблемы служит написание уравнения реакции диссоциации хлороводорода в воде и объяснение сущности образования кислой среды в подобных случаях. На этом завершается решение данной проблемы.

Проблему 12 можно поставить при изучении гидролиза солей. Учитель предлагает учащимся взять две имеющихся у них на столах соли (называет их: хлорид натрия и карбонат натрия) и растворить их в воде. Указать какой должна быть среда растворов.

Получив ответ о нейтральной среде (просит ученика проверить предположение индикаторами). Обнаружив щелочную среду в пробирке с раствором карбоната натрия, ученики встречаются с противоречием. Формулируется проблема: как объяснить наблюдаемое явление, исходя из состава веществ и особенностей процесса их растворения. Подготовкой к выдвижению гипотезы служит рассмотрение вопроса о составе солей и установление их образование вопроса о составе солей и установление их образования из сильного основания и слабой кислоты. Учащиеся предлагают: соль, изменившая среду раствора, — карбонат натрия. Она образована слабой кислотой и сильным основанием. Исходя из особенностей слабых кислот, возможно, что кислотный остаток — связывает ионы водорода, образующиеся при диссоциации воды. В результате этого происходит накопление гидроксид ионов, и раствор приобретает щелочную среду. Ученикам предлагается проверить гипотезу практически — испытать индикатором растворы других подобных солей. После чего делается вывод: если соль образована слабой кислотой и сильным основанием, ее раствор будет щелочным.

На этом же уроке можно предложить проблему 13. С противоречием ученики встречаются при исследовании индикаторами раствора сульфата меди и установлении наличия кислой среды. Ставиться проблема: как, исходя из состава этой соли и особенностей процесса растворения, объяснить образование кислой среды? Предложив использовать рассмотрено выше решение проблемы как опорное для выдвижения гипотезы, учитель только руководит рассуждениями учеников, выбирая наиболее удачное, которое может быть таким: соль образована сильной кислотой и слабым основанием. В этом случае идет связывание гидроксид ионов ионами меди. В растворе накапливаются протоны, которые с молекулами воды образуют ионы гидроксония, что и обусловливает образование кислой среды. Для проверки гипотезы предлагает повторить опыты с растворами солей FeSO₄, СиСl₂ и др., после чего ученики делают обобщающий вывод: если соль образована сильной кислотой и слабым основанием, ее раствор будет кислым. В заключение рассматривается материал о гидролизе солей, образованных слабой кислотой и слабым основанием.

Рассмотренные учебные проблемы не исчерпывают всех возможностей проблемного изучения раздела «Теория электролитической диссоциации». Многое будет зависеть от творческой работы учителя.