1 курс / Химия / Uchebnik_Osnovy_analiticheskoy_khimii

(профильный уровень образования в старшей школе). В какой-то степени методы количественного анализа должны быть предметом рассмотрения и при изучении элементного состава органических соединений. В нормативных документах по изучению химии в X классе прямо упоминается тема «Определение элементного состава органических веществ». Целесообразно рассматривать ее и на качественном, и на количественном уровнях.

Школа должна систематически знакомить учащихся и с результа-

тами применения отдельных методов анализа. Ими могут быть данные о наличии в структуре молекул (чаще всего, органических соединений) определенных функциональных групп, о качественном и количественном составе важнейших природных и техногенных смесей, о состоянии окружающей среды и техногенных выбросах, о промежуточных и конечных продуктах отдельных химических реакций. На результаты химического анализа нужно ссылаться и при изучении смежных курсов, например, на уроках биологии. Отметим попутно, что в аспекте химического анализа межпредметные связи реализуются и на уроках физики, если там рассматриваются спектры атомов или явление электролиза.

Таким образом, к числу «химико-аналитических» задач, решаемых на обычных уроках химии, следует отнести: формирование общих представлений о химическом анализе и двух его основных видах (качественный и количественный анализ), осознание значимости анализа как способа научного познания природы, первое знакомство с некоторыми методами анализа и, в частности, с некоторыми качественными реакциями. Одна-

ко нельзя переоценивать возможности базового курса химии. Сформировать развернутые представления о методах, объектах, методиках анализа в рамках этого курса нельзя, хотя бы из-за недостатка времени. Да такие представления и незачем формировать на обычных уроках. Это можно и нужно делать при изучении элективов и факультативов, реализуя (в какойто степени) индивидуальную программу обучения.

Химический анализ в рамках элективных и факультативных курсов. Как уже отмечалось, общеобразовательная подготовка по химии предусматривает не только инвариантную, но и вариативную составляющую. Последняя, представленная элективными и факультативными курсами, призвана обеспечить профильное обучение в старшей школе. Естественно, содержание элективов по химии должно отражать специфические особенности химии как области научного знания. Элективы, посвященные химическому анализу веществ, удовлетворяют всем методическим требованиям. Еще в 1935 г. Л.М. Сморгонский, автор одного из первых методических сборников по изучению и применению качественного анализа в средней школе, отмечал, что правильно поставленное

581

изучение анализа приводит к развитию так называемого химического мышления. Развитие представлений о химическом анализе позволяет расширять кругозор учащихся, повышать уровень их знаний, формировать естественнонаучное мировоззрение, формировать грамотное поведение в быту, природе, на производстве. Дополнительные занятия по химическому анализу способствуют изменению общего отношения к химии как к учебной дисциплине.

На практике «химические элективы» часто направлены на изучение качественного состава веществ и знакомят школьника с методами качественного анализа. Примером может быть курс «Вещества в моем доме»1. Основная идея курса – изучение химического состава жизненного пространства жилого дома. Курс рассчитан на 64 часа (2 часа в неделю); основные разделы: «Вещества на кухне», «Вещества в аптечке», «Вещества в ванной», «Вещества в кладовой». В каждом из разделов предусмотрено использование химического эксперимента для подтверждения качественного (а иногда и количественного) состава вещества. Например, в разделе «Вещества на кухне» при знакомстве с питьевой содой учащиеся проводят лабораторные опыты по приготовлению растворов питьевой соды, определению значений рН этих растворов, термическому разложению соды. При этом необходимо опознать продукты разложения.

Можно, но вовсе не обязательно целиком посвящать электив химическому анализу. Так, в опубликованных программах ряда элективов «аналитический» характер имеют лишь отдельные занятия. В частности, учителя-методисты знакомят школьников с методами идентификации веществ при выполнении следующих лабораторных опытов и практических заданий: «Распознавание растворов электролитов», «Получение и обнаружение кислорода», «Определение элементного состав углеводородов», «Обнаружение непредельных соединений в жидких нефтепродуктах», «Распознавание пластмасс и волокон» и др. Некоторые авторы рекомендуют проводить подобные занятия в классической логике вузовского практикума по аналитической химии, но с использованием простых и знакомых школьникам объектов, например, исследуя состав школьных мелков.

Наиболее существенными отличиями элективных курсов, реализуемых в старшей школе, должны стать усложнение используемых методик – речь идет о переходе к количественному анализу! – и исследование объектов более сложного состава. Выполнение таких практических работ, как «Анализ почвы и воды», «Приготовление растворов с опреде-

1 Айметова Г.Я. // Химия в школе. – 2005. – № 5. – С. 19.

582

ленной массовой долей растворенного вещества», позволяет приобрести некоторые навыки использования методов разделения и концентрирования. Программы соответствующих элективов могут быть связаны с профессиональной деятельностью в области медицины, экологической экспертизы, стандартизации и сертификации.

Типовых программ элективных курсов химико-аналитической направленности нет, каждую программу разрабатывает сам учитель (вспоминая при этом свой вузовский курс АХ). Можно использовать регулярно публикуемые в научно-методических журналах методики исследования разнообразных природных и техногенных смесей, а также стандартные методики, заимствованные в контрольно-аналитических лабораториях. Примерами могут быть программы «Изучение методов очистки сточных вод в школьном курсе химии»1 и «Определение качества молока и молочных продуктов»2. Существуют и книги по методике преподавания химического анализа в школе и других образовательных учреждениях, а также пособия для учащихся (к сожалению, они издавались довольно давно). Содержание и методика проведения элективов могут соответствовать общей логике вузовского курса аналитической химии, либо использовать отдельные фрагменты этого курса, углубляющие и дополняющие школьный материал по неорганической и органической химии.

Несколько элективов могут объединяться в практикумы обобщаюшего характера. Цикл элективов может быть следующим: общая и неорганическая химия (9, 10 кл.), качественный анализ неорганических веществ (9, 10 кл.), классический количественный анализ (11 кл.), работы по изучению кинетических закономерностей и характеристик химического равновесия (11 кл.), синтетические задачи (11 кл.). При этом из качественного анализа неорганических веществ в обобщающий практикум предлагается3 включать следующие вопросы: классификация катионов по кислотно-щелочной схеме анализа, использование реакций осаждения в качественном анализе (катионы), групповые и селективные реакции анионов. В практикум по количественному анализу предлагается вводить перманганатометрию – определение концентрации H2O2; иодометрию – определение концентрации соли меди; фотометрия – определение железа(III) с помощью сульфосалициловой кислоты. Предполага-

1По материалам журналов Journal of Chemical Education. – 1993. – № 5. – Р. 395; Химия в школе. – 2002. – № 8. – С. 68.

2Волков В.Н., Солодова Р.И., Волкова Л.А. // Химия в школе. – 2002. – № 1.

–С. 57.

3Астафуров В.И. Основы химического анализа. – М.: Просвещение, 1986.

583

ется самостоятельное приготовление стандартных растворов для титрования, построения градуировочного графика и т. п.

Другой обобщающий практикум «Изучение состава и свойств веществ» позволяет формировать знания, умения и навыки химико-ана- литической направленности на более высоком уровне. Этот курс1 включает следующие занятия:

584

Логике построения курса аналитической химии лучше соответствуют факультативы. Они могут и должны отражать современное состояние химической науки и промышленности, способствуя развитию устойчивого интереса к химии, выбору профессии, формированию химической картины мира как составляющей естественно-научной картины мира. Объем факультатива (в часах) обычно несколько больше, чем объем электива.

Одним из традиционных и хорошо разработанных в методическом отношении курсов является факультатив «Основы химического анализа»1, рассчитанный на школьников 9–11 классов. Его объем может составлять до 136 часов, т. е. 2 часа в неделю в 10–11 классах. Основные элементы курса: правила работы в химической лаборатории, аппаратура и техника проведения полумикроанализа, теоретические основы химического анализа, качественный анализ, количественный анализ. Таким образом, структура факультатива изоморфна структуре классического курса аналитической химии. Содержание раздела «качественный анализ» включает обнаружение катионов (кислотно–щелочной метод), обнаружение анионов на основе различной растворимости солей бария и серебра, анализ раствора или твердого вещества неизвестного состава. Раздел «количественный анализ» представлен гравиметрическим, титриметрическим, колориметрическим и хроматографическим методами анализа. Итогом освоения программы факультатива является способность учащихся провести анализ пищевых продуктов, нефтепродуктов, твердого топлива. Альтернативой этому факультативному курсу может быть курс «Идентификация органических соединений»2. Он позволяет расширить представления учащихся об органических соединениях и о методах их обнаружении, приобрести экспериментальные навыки работы в химической лаборатории, повысить интерес и к органической, и к аналитической химии.

Принципиальное отличие элективных и факультативных курсов, построенных на основе химического анализа, от курсов, используемых в профессиональной подготовке (колледжи, техникумы, вузы), – это иная цель преподавания этих курсов. Ознакомление учащихся с методами анализа делается не только ради расширения их кругозора, а, главным образом, ради возможности повторить, углубить и лучше осмыслить материал из общей, неорганической и органической химии. Именно поэтому практические работы по качественному анализу в школе обычно строят не как последовательное изучение реакций ионов разных аналитических групп, а

1Факультативные занятия по химии в средней школе / Под ред. Д.А. Эпштейна. – М.: Просвещение, 1971.

2Назаренко Н.Г., Ельчанинова Н.Ф. // Химия в школе. – 2001. – № 2. – С. 79.

585

по видам применяемых реакций (реакции осаждения, комплексообразования, окислительно-восстановительные и т. п.). Такой подход дает возможность учителю варьировать объем и глубину теоретического рассмотрения материала в зависимости от подготовки учащихся при одном и том же практическом наполнении занятий. Если рассматривать элективы и факультативы химико-аналитической направленности как средство повышения качества знаний по химии, следует прийти к выводу, что рассматривать современные физические методы анализа здесь не следует, как бы они ни были интересны и важны. Правильнее было бы рассматривать такие методы в ходе внеклассных занятий. Однако вряд ли названная выше главная цель «химико-аналитических» элективов и факультативов может считаться единственной. Важной задачей (она характерна и для внеклассных занятий) является выработка профессионально ориентированных умений и навыков. Речь идет об умении взвешивать вещества, измерять объем растворов, готовить растворы заданной концентрации, проводить операции с ними, не допуская потерь вещества и нарушений техники безопасности, и т. п.

Очевидно, «химико-аналитические» задачи, решаемые в ходе предпрофильной и профильной подготовки школьников (в рамках элективов и факультативов), отличаются от аналогичных задач, решаемых на обычных уроках, при освоении инвариантной части школьного курса химии. При изучении элективов и факультативов химико-аналитической направленности должны быть сформированы представления о важнейших методах и некоторых методиках качественного и количественного анализа с применением химических реакций, развиты общие представления о химическом анализе и его объектах, выработаны некоторые профессионально ориентированные умения и навыки.

Химический анализ на внеклассных занятиях. Проявления ин-

дивидуального интереса к предмету и склонности к деятельности в области химии, не предусмотренные программами обычных уроков, элективов и факультативов, должны реализовываться на внеклассных занятиях. Можно выделить следующие направления внеклассной работы:

теоретическое (доклады, рефераты, решение задач повышенной трудности);

экспериментальное (лабораторный практикум, учебно-исследо- вательская работа учащихся);

конструкторское (конструирование приборов, макетов, моделей, изготовление наглядных пособий, сбор коллекций).

Одна из лучших форм внеклассных занятий – кружок по аналитической химии, который охватывает все три этих направления. Программа занятий в таком кружке может быть аналогична содержанию выше-

586

рассмотренного факультативного курса «Основы химического анализа», хотя это не лучший вариант. Программа кружка должна отличаться от программы факультатива, быть менее сложной в теоретическом отношении, но более ориентированной на практику, на самостоятельную работу учащихся. Объем программы может составлять от 70 до 140 часов. В этом случае школьники осваивают технику лабораторных работ, изучают теоретическое введение в аналитическую химию, методы качественного анализа веществ (не только качественные реакции), методы количественного анализа веществ (гравиметрический, титриметрический, фотометрия, ТСХ и т. п.). Основное внимание должно уделяться самостоятельному выполнению анализов, разумеется, речь идет о несложных методиках анализа реальных объектов. Выполняемые в рамках кружка практические работы исследовательского характера вводят учащихся в увлекательный профессиональный мир аналитика и раскрывают общественную значимость этой профессии.

Какие же именно реальные объекты можно исследовать на занятиях кружка? Не только авторы этой книги, но и многие другие руководители кружков и профориентационных школ убедились, на своем опыте, что «лучшими объектами анализа» для школьников являются природные и сточные воды. Налицо следующие преимущества объекта:

непосредственно ощущаемая школьниками значимость соответствующих анализов, их очевидная связь с жизнью;

повсеместная доступность объекта и легкость пробоотбора;

отсутствие трудоемких и сложных операций пробоподготовки, благоприятная возможность концентрирования микропримесей (упаривание, экстракция);

разнообразие методов качественного и количественного анализа, которые могут быть использованы (а значит, и освоены) в ходе исследования состава воды;

относительная легкость выполнения методик анализа (по сравнению, например, с анализами воздуха, сталей или лекарственных препаратов), возможность обойтись простейшим оборудованием для проведения анализа;

непосредственная связь результатов анализа с материалом учебных дисциплин, прежде всего с курсом химии (темы «Растворы», «Диссоциация», «Гидролиз» и т. п.);

громадное экологическое значение результатов анализа природных и сточных вод, ознакомление школьников с такими понятиями, как

ПДК, техногенные выбросы, самоочищение водоемов;

587

возможность использования самостоятельно полученных данных для оценки состояния окружающей среды в разных пунктах или в разное время (мониторинг).

Школьники легко могут определить органолептические показатели воды, ее минерализацию, жесткость, величину рН, показатели ХПК или БПК. Можно обнаружить, а потом и определить катионы некоторых металлов, хлор, хлориды, соединения железа(III). Интересно попытаться обнаружить в воде тяжелые металлы, фосфаты, нефтепродукты, фенолы. Соответствующие методики доступны1, понятны школьникам и дают хорошо воспроизводимые результаты. Анализы выполняются в основном методами титриметрии и фотометрии. Если фотоэлектроколориметр достать не сумели (хотя это очень распространенный прибор), его вполне можно заменить, применяя для определения железа и фенолов визу- ально-колориметрический метод стандартной шкалы. Интересным объектом определения может быть растворенный в воде кислород (показатель возможности замора рыбы подо льдом, показатель скорости коррозии металлических изделий и т. п.). Однако определение этого показателя – химическое или электрохимическое (второе предпочтительнее) – часто ведет к плохо воспроизводимым результатам.

Втечение одного учебного года в кружке могут быть освоены все указанные методики, определены и сопоставлены с соответствующими ПДК перечисленные показатели, причем не для одной пробы, а для нескольких (например, сточной, речной и водопроводной воды).

Разумеется, наши рекомендации по выбору объекта анализа и набора определяемых компонентов могут быть пересмотрены с учетом местных условий и интересов учителя.

Врамках кружка по химии нередко ведется и подготовка учащихся к практической части олимпиад областного, зонального, всероссийского уровня. Нередко задания практического тура олимпиад включают материал вузовского курса аналитической химии, здесь требуются знания и умения в использовании самых разных методов качественного и количественного анализа. Примером может быть задание экспериментального тура одной из таких олимпиад (зональный уровень, 2000 г.)

10 класс. Определите, карбонат какого металла находится в выданной Вам пробе. Напишите методику определения и необходимые уравнения реакций, учитывая, что выданное вещество плохо растворимо в воде. Обоснуйте выбор индикатора на каждом этапе определения. Реагенты:

1Лучше всего они изложены в книге: Лурье Ю.Ю. Анализ природных вод. –

М.: Химия, 1976.

588

0,1 М НС1, 0,1М NaOH, индикатор метиловый оранжевый. Оборудование: стакан термостойкий, 2 бюретки, пипетка Мора, электроплитка.

11 класс. Определите содержание дихромата калия (в г) в выданном растворе методом перманганатометрического титрования. Составьте краткую методику проведения анализа. Приведите уравнения соответствующих реакций и расчетные формулы. Объясните необходимость использования серной и фосфорной кислот. Реагенты: 0,01М KMnO4, титрованный 0,05 М FeSO4, 1M H2SO4 , 2M H3PO4. Оборудование: мерная колба, пипетка Мора, бюретка, конические колбы (для титрования), воронка.

Очевидно, составители подобных заданий рассчитывают на школьников, серьезно отличающихся по уровню своей химико-аналитической подготовки от среднего школьника. Действительно, тематика и содержание некоторых докладов на научно-практические конференции школьников, организуемых внешкольными образовательными учреждениями, подтверждают высокий уровень знаний, творческую активность и профессиональную ориентированность соответствующих школьников, хотя таких докладов обычно немного. Примером может быть доклад «Токсичные вещества в природных водоемах города Омска», подготовленный двумя школьницами по материалам собственноручно выполненных анализов (на базе городского Дворца творчества школьников) или доклад «Состояние многоосновных кислот в водных растворах при разных рН», в котором приводятся результаты соответствующих компьютерных расчетов. Второй доклад был подготовлен в рамках профориентационной школы «Юный химик» ОмГУ, причем школьник сам составил программу расчета мольных долей разных форм кислот. В успехе этих школьников несомненны заслуги их учителей и руководителей, которые таким образом реализовали свои знания в области аналитической химии

иметодики ее преподавания.

Входе внеклассных занятий хорошо подготовленный преподаватель может рассказать своим учащимся о возникновении и развитии химического анализа, о научных исследованиях, которые привели к открытию химических элементов и выявлению их характеристических свойств, о современных физических и физико-химических методах анализа, об особенностях анализа разных объектов, особенно объектов окружающей среды. В какой-то степени эти вопросы могут затрагиваться и в рамках факультативов и элективов, поскольку они прописаны и в структуре ныне действующих стандартов школьного образования. Так, в обязательный минимум содержания среднего общего образования (профильный уровень) теперь включены «современные физико-химические методы установления структуры веществ», «химические методы разделения смесей», «физические методы разделения смесей и очистки ве-

589

ществ» (включая экстракцию!) и даже «химическое загрязнение окружающей среды». Ничего этого в школьных программах 20–30-летней давности не было. Проблема лишь в том, чтобы такие – очень непростые для учителя! – темы излагались на должном научном уровне с использованием фактического материала, накопленного исследователями, в частности профессиональными аналитиками.

Конечно, высокий уровень химико-аналитических знаний школьников – не самоцель. Но его достижение способствует и эффективному усвоению всего учебного материала по химии, и развитию творческих способностей и личностных качеств учащихся. Последнюю цель в ка- кой-то степени конкретизируют «Требования к уровню подготовки выпускников (федеральный компонент, среднее общее образование)». В этом документе в число задач включены: «Самостоятельное создание алгоритмов познавательной деятельности для решения задач творческого и поискового характера», «Выдвижение гипотез и осуществление их проверки» и даже «Критическая оценка достоверности химической информации». Химический анализ, как никакая другая область химии, открывает широкие возможности для развития творческих способностей, поскольку в ходе анализа постоянно возникают и разрешаются проблемные ситуации, выдвигаются гипотезы о составе вещества и возможных способах его определения. Готовых, раз навсегда заданных ответов здесь не бывает, любую методику приходится проверять, оптимизировать и снова проверять.

Естественно, для развития профессиональных творческих способностей нужен личный опыт, активная и в достаточной мере самостоятельная деятельность в избранной области. Обеспечить все это могут только внеклассные занятия. Нам представляется, что для развития творческих способностей и личностных качеств наиболее полезным видом деятельности может быть разработка методики анализа некоторого реального объекта, не «вообще», а для решения какой-то конкретной аналитической задачи. Разработка подходящей методики требует не столько детальных и глубоких химических знаний, сколько наличия общехимической эрудиции, логики и четкости самостоятельного мышления, даже в какой-то степени интуиции – все эти качества для химикованалитиков профессионально значимы. Вовсе не случайно, что многие в будущем знаменитые химики (например, Либих) в свои школьные годы втайне от взрослых или с их помощью организовывали собственные химические лаборатории и анализировали в них разные вещества. Оценка достоверности полученных результатов требует (и вырабатывает!) определенные личностные качества. В этой связи стоит привести характерное высказывание одного из основателей аналитической химии Карла

590