Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методика обучения химии в вузе. Учебное пособие
.pdf
Хорошозарекомендовалсебяметодрешенияучебныхзадач
наосновеанализаконкретныхситуаций.Рассмотримегонапримере
типичныхучебныхрасчетныхзадачпомереусложнениядеятель
ности.
1)Решение учебных задач на основе анализа конкретных (извест-
ных) ситуаций,тоестьситуаций,длярешениякоторыхимеются
конкретныеобразцы,выявленалгоритмдеятельности,разобраны
примерырешения.
ЗаконКольраушаl∞=l
∞К
+l
выражаетважноесвойствоэлектри
∞А
ческойпроводимости— еёаддитивность,позволяющееполучитьl∞
растворарасчетнымпутем,используясправочныезначенияl∞ионов.
Алгоритмвычислений:
1.Определитьна какиеионы диссоциируетданныйэлектролит
врастворе.
2.Найтисправочныеданныеобэлектропроводностиионов,обращая
вниманиенарастворитель,итемпературураствора.
3.Записатьуравнениедлявычисленияэлектропроводностираствора
прибесконечномразбавлениисучетомфактораэквивалентностикаж
догоиона.
4.Подставитьчисленныезначенияl∞ионоввуравнениеКольрауша
ипроизвестивычисления,записатьразмерностьполученнойвеличины.
Пример:
l∞(ВаSO4)=l∞(Ва2+)+l∞(SO
2
)=2·l∞(1/2Ba2+)+2·(1/2SO
4
4
2
)=
=2·55,0+2·68,0=264,0(см2Ом1моль1).
Задача.Вычислитеl∞растворахлоридаалюминия,используяспра
вочныезначенияl∞ионов.
Решение.
Вычислениепообразцу,тоестьиспользуясправочныезначенияl∞
ионовClиAl3+.
l∞(AlCl3)=l∞(Al3+)+3l∞(Cl)=3l∞(1/3Al3+)+3l∞(Cl)=
=3·63,0+3·76,3=417,9(см2Ом1моль1).
2)Решение учебных задач на основе анализа конкретных (подоб-
ных) ситуаций.Длярешениязадачиситуациюнужнопроанализиро
вать,сравнитьсдругимиподобнымиситуациями,видоизменитьих,
приближаякрассматриваемойситуации.
Задача.При25ºСудельнаяэлектропроводностьнасыщенногорас
творабромистогосеребраравна2,241106Ом1см1,аc воды,вкоторой
растворенасоль1,251106Ом1см1.Молярныеэлектропроводностиионов
61
BrиAg+прибесконечномразбавлениисоответственноравны78,14
и61,90см2Ом1моль1.Определитерастворимостьи произведение
растворимостиAgBr.
Решение.
1.Анализ подобной ситуации «малорастворимый электролит».Так
какконцентрациямалорастворимыхсолейвраствореоченьнезначи
тельна,ихможносчитатьдиссоциированныминацело. Концентрация
насыщенногорастворамалорастворимогоэлектролита,находящегося
вравновесииствердойфазой,определяетсявеличинойрастворимостиS.
Длянасыщенногораствора малорастворимогобинарногоэлектро
литатипаКА,ккоторымотноситсяизучаемоевещество,можнозаписать:
КА ⇔ К++А,[К+]=[A]=[KA]=S,[K+][A]=S2=ПР,S=(ПР)
2.Анализ подобной ситуации «электропроводность раствора».Мо
лярнаяэлектропроводностьрастворасвязанасудельнойэлектропровод
ностьючерезвеличинуконцентрации,вслучаемалорастворимогоэлектро
лита—растворимости,сучетомразмерностиданныхвусловиивеличин:
Привычисленииэлектропроводностинасыщенногорастворанеоб
ходимоучесть,чтоприведеннаявтекстезадачиудельнаяэлектропровод
ностьнасыщенногораствораχ включаетэлектропроводностьсобствен
но AgBrиэлектропроводностьводы: .
3.Видоизменение ситуаций «малорастворимый электролит» и «элект-
ропроводность раствора» до конкретной ситуации.Насыщенныйрас
твормалорастворимоговещества,соприкасающийсяствердойфазой
бываетвэтомслучаенастолькоразбавленным,чтоλ
λ∞можетбытьвычисленапосправочнымданнымλ∞ионов.
Такимобразом,можнорассчитатьрастворимостьипроизведение
растворимостиAgBr:
≈λ∞.Величина
нас
1/2
.
3)Решениеучебныхзадачнаосновеанализаконкретных(неизвест
ных)ситуаций,тоестьситуаций,длякоторыхотсутствуютпрямые
указанияпоеерешению;задачарешаетсяпутемпереносаосвоенных
знанийиумений.Этомогутбытьзадачи,связанныессамостоятель
нымуглубленнымизучениемкакоголиборазделаилитемы,задачи
практическогоиликонтекстногосодержания(имеющиепрофессио
нальнуюпедагогическуюнаправленность).Входерешениятаких
задачстудентунеобходимосамостоятельносформулироватьпробле
му,выработатьстратегиюитактикурешения,найтидополнительную
62
необходимуюинформацию,позволяющуюиспользовать,анализи
ровать,интерпретироватьподобныеиизвестные ситуации,чтов
обязательномвидепредусматриваетобращениекдополнительным
источникаминформацииитворчество.Вприведенномнижепри
мерестудентпосредствомзадачипобуждаетсяксамостоятельному
изучениюавтоколебательныхреакцийиодногоизметодовопреде
ленияэнергииактивации—методатрансформациикинетических
кривых.
Задача.Всерединепрошлоговекаоткрыткрайнеинтересныйкласс
химическихреакций—автоколебательныереакции.Однойизпервых
былареакцияБелоусова— Жаботинского,гдевсистеме«малоновая
кислота—KBrO3KBrH2SO4Ce(SO4)2»наблюдаютсяпериодические
измененияокраски,обусловленныепереходамикатализатораСе
тый)/Ce
4+
(бесцветный).Затемподобнуюреакцию сталипроводить
сдругимиорганическимикислотами(лимонная,яблочная,винная)ика
тализаторами(Fe2+/Fe3+,Mn2+/Mn3+ит.д.).Самостоятельноизучитеэтот
классреакций,опишитемеханизмавтоколебательнойреакции,составь
тесвоемнениеовозможностииспользованияматериалаоколебательных
реакцияхвработеучителяхимии.Определитеэнергиюактивациире
акцийБелоусова—Жаботинского,используяприведенныевтаблице5
данныеовремениколебаний(реакции проводилиприразличных на
чальныхконцентрацияхреагентов).
3+
(жел
Таблица5
а)Малоноваякислота 5мин21с(20оС) 2мин32с(30оС)
б)Лимоннаякислота 5мин40с(20
в)Виннаякислота 6мин1с(25
о
С) 3мин14с(30оС)
о
С) 2мин22с(35оС)
Решение.
1. Постановка проблем.Имеющиесязнанияне достаточныдля
описаниямеханизмаавтоколебательнойреакции. Известныйспособ
расчетаэнергииактивациитребуетсведенийотемпературнойзависи
мостиконстантскоростей,вданномслучаеконстантыскоростинеиз
вестны.
2.Стратегия. Составитьпредставлениеобавтоколебательныхре
акцияхиперспективахиспользованиясведенийонихв профессии
63
учителяхимии.Изучитьвозможностиопределенияэнергииактивации,
помимоспособов,основанныхнатеорииАррениуса.
3.Тактика.
1)Поискинформацииобавтоколебательныхреакциях,изучениеих
особенностейимеханизма,составлениеконспекта;
2)поискинформацииоспособахрасчетаэнергииактивацииреакций
приотсутствиисведенийотемпературнойзависимостиконстантскоро
стей;
3)выборвозможногоспособарасчетаэнергииактивациииегоис
пользованиедлявычислений;
4)заключениеоперспективахиспользованияполученныхзнаний
вработеучителяхимии.
4.Результат.
Автоколебательные реакции. ВклассическомвариантереакцияБело
усова—Жаботинского—этопротекающеевавтоколебательномрежи
мекаталитическоеокислениеразличныхвосстановителейбромноватой
кислотойНВrO3.Приэтомнаблюдаютсяколебанияконцентрацийокис
леннойивосстановленнойформкатализатораинекоторыхпромежуточ
ныхпродуктов.
Внастоящеевремяподэтимназваниемобъединяетсяцелыйкласс
родственныххимическихсистем,близкихпомеханизму,но разли
чающихсяиспользуемымикатализаторами(ионы металловпере
меннойвалентностиCe3+,Mn2+икомплексыFe2+,Ru2+),органиче
скимивосстановителями(малоноваякислота, броммалоноваякис
лота,лимоннаякислота,яблочнаякислотаидр.)и окислителями
(броматы,иодатыи др.).Приопределенныхусловияхэтисистемы
могутдемонстрироватьоченьсложныеформыповеденияотрегу
лярныхпериодическихдохаотическихколебанийиявляютсяважным
объектомисследованияуниверсальныхзакономерностейнелинейных
систем.
Упрощеннаясхемареакциивключаетстадии:
1.Разветвленнаяцепнаяреакцияокислителясавтокатализатором
НВrO2;врезультатеобеспечиваетсясамоускоряющеесяокислениека
тализатораМn+:HBrO3+HBrO2=2BrO
BrO
2
*
+Mn++H+=M
(n+1)+
+HBrO
*
+H2O
2
2
2.Ингибированиеокисленияврезультатебыстройреакции,обрыва
ющейразветвленнуюцепь:H++Br+HBrO2=2HOBr
3.Бромированиевосстановителя:
HOBr+СH2(COOH)2→СHBr(COOH)2+H2O
4.ВосстановлениеокисленнойформыкатализатораМ
(п+1)+
иодно
временноеобразованиеингибитора—Вr:
64
(п+1)+
М
+СHBr(COOH)2=СBr(COOH)2+Mn++H
СBr(COOH)2+H2O→СOH(COOH)2+H++Br
СOH(COOH)2+СHBr(COOH)2=СHOH(COOH)2+СBr(COOH)
(п+1)+
М
+СOH(COOH)2→СO(COOH)2+Mn++H
Колебательныйциклможнокачественноописатьследующимоб
разом.КогдаконцентрацияМ
(п+1)+
всистемедостаточновелика,скорость
образованияВrиегоконцентрацияврастворетакжевысоки.Врезуль
татецепнаяреакцияокисленияМn+заторможенаиконцентрацияМ
+
+
2
(п+1)+
падает,стремяськсвоемупороговомузначению,придостижениико
торогоконцентрацияВrрезкопадает,аконцентрацияНВrО2возрас
тает.РазветвленнаяцепнаяреакцияускоряетсяиконцентрацияМ
(п+1)+
начинаетрасти,стремяськ верхнемупорогу,придостижениикото
рогоконцентрацияВrсноварезковозрастает,обрывая разветвлен
нуюцепь,ициклповторяется.Колебанияконцентрацийокисленнойи
восстановленнойформкатализаторасопровождаютсяколебаниями
окраскиотбесцветнойкжелтой,есликатализатор—ионыцерия,или
отголубойккраснойвслучаефенантролиновогокомплексажелеза
[Fe(phen)3].
РеакцияБелоусова—Жаботинскогостала однойизсамых из
вестныхвнаукехимических реакций,еёисследованиямизанима
ютсямножествоучёныхигруппразличныхнаучныхдисциплинина
правленийвовсёммире:математике,химии,физике,биологии.Обна
руженыеемногочисленныеаналогивразныххимическихсистемах
(например,твердофазныйаналог—самораспространяющийсявысоко
температурныйсинтез).Опубликованытысячистатейикниг,защище
номножествокандидатскихидокторскихдиссертаций.Открытие
реакциифактическидалотолчоккразвитиютакихразделовсовремен
нойнауки,каксинергетика,теориядинамическихсистемидетерми
нированногохаоса.
Расчетэнергии активации.РеакцияБелоусова—Жаботинского—
многостадийнаяреакциясосложныммеханизмом,константыскорости
этихстадийнеизвестны.Длявычисленияэнергииактивациипригоден
методтрансформациикинетическихкривых,расчетпокоторомунетре
буетзнанияконстантскоростиимеханизмапроцесса.Еслипридвух
температурахТ1иТ2всмесяходногоитогоженачальногосоставареак
цияпроходитнаодинаковуюглубину,тоотношениескоростейреакции
приэтихдвухтемпературахбудетравно:
65
Поскольку,всоответствиисзакономдействующихмасс
,
тоэнергиюактивацииреакцииможноопределитьпоформуле:
Выводыврамкахучебной дисциплины«Физическая химия»:
Автоколебательныереакции—сложныемногостадийныереакции,
включающиеразветвленныеиавтокаталитическиестадии.Вкласси
ческомварианте—этопротекающеевавтоколебательномрежиме
каталитическоеокислениеразличныхвосстановителейбромноватой
кислотойНВrO3.Приэтомнаблюдаютсяколебанияконцентраций
окисленнойивосстановленнойформкатализатора,имеющихразную
окраску.
Длявычисленияэнергииактивациисложныхмногостадийныхреак
цийпригоденметодтрансформациикинетическихкривых.Расчетпо
этомуметодунетребуетзнания константскоростиимеханизмапро
цесса.Энергияактивацииавтоавтоколебательнойреакциисмалоновой
кислотойсоставит:
,
слимонной ,
свинной .
Однакотольконавыкврешенииопределенноготипарасчетных
химическихзадачнесоответствуетовладениюсоответствующей
компетенцией,котораясостоитещеивдемонстрациизнанийипо
ниманияважнейшихфактов,концепций,принциповитеорийхимии,
ихинтерпретации,творческомприменениииоценивании.Поэтому
нарядуссовременнымиметодикамиобучениярешениюхимических
задачнасеминарахобязательноколлективноеобсуждениеизучаемых
фактовитеорий,проблем,связанныхсрешениемзадач,применени
емхимическихявленийит.п.
Напрактическихилабораторныхзанятияхучебноеобщение
ивзаимодействиесубъектовобученияпроисходиткакповертикали
(студент—преподаватель),такипогоризонтали(междустудентами),
чтонаиболееяркопроявляетсяприпроведенииколлоквиумов.
66
Коллоквиумпредставляетсобойобсуждениеопределенногофраг
ментаучебногосодержанияобучениягруппойстудентовсобязатель
нымучастиемкаждогоизних,вприсутствиипреподавателя.Коллок
виумявляетсяоднойизвнутреннихформобученияиодновременно
формойобязательноготекущегоконтроля,посколькуучастиевнем
студентаучитываетсяиоцениваетсяпреподавателем.Вобщениипо
горизонталипроисходитвзаимныйконтрольречипокритериямна
учностиидоступности,развиваетсяумениедоноситьмысльдосо
беседникаивнимательнослушать,чтодлябудущегоучителяявля
етсяпрофессиональнозначимымкачеством.Важнейшимиэтапами
обсужденияявляютсяпостановкапроблемы(нахождениепротиво
речия),обменмнениями,созданиеусловийдлястолкновенияразных
точекзрения.Конкретныйпримерпроведенияиндивидуальногруп
повогоколлоквиумаприведенвразделе4.3приописанииметодики
интерактивногообученияхимическимдисциплинам.
Напрактическихилабораторныхзанятияхдолжнаразвиваться
научнаяречьстудента.Пропусквнешнеречевогоэтапасущественно
затрудняетформированиеумственныхдействий,тормозяперевод
действиявпонятийнуюформу,атакжеингибируетразвитиекомпе
тенций.Наначальныхэтапахобучения(дидактическогоцикла)пред
метомобсужденияслужитсообщаемыйпреподавателемматериал,
надальнейшихэтапах—подготовленныйстудентамивходесамо
стоятельнойработы,а такжеспособыдеятельностипоовладению
компетенциями.
Вкачествепримера приведемфрагментзанятия,вкоторомоб
суждаютсяобъектыизученияколлоиднойхимиииособенности
коллоидногосостояниявеществавконтекстевозникновенияколло
иднойхимиикаксамостоятельнойнауки:
Современнуюколлоиднуюхимиюопределяюткакнаукуодисперс
ныхсистемахиповерхностныхявлениях.Причинатакогонесоответствия
названияисодержаниякроетсявисторииеевозникновениякаксамо
стоятельногоразделафизическойхимии.
Своимназваниемколлоиднаяхимияобязанашотландскомухимику
ТомасуГрэму,которыйв60хгг.XIXв.использовалтермин«коллоид»
(отгреческогоkolla—клей)при описанииклееподобных«псевдора
створов»крахмала,желатина,альбумина,нанеобычныесвойствакото
рыхиранееобращаливнимание.Оказалось,чторастворенныевводе
коллоидынепроходятчерезтонкопористуюмембрану из пергамента
вотличиеотрастворов,например,солиилисахара.
67
(ДокладоТ.Грэме,подготовленныйстудентомвкачествезадания
внеаудиторнойсамостоятельнойработы.)
(Докладодиализеиегоприменении,вчастностиогемодиализе+
презентацияPowerPoint,подготовленныйвкачествезаданиявнеауди
торнойсамостоятельнойработы.)
Кромеспособностикдиализубылиотмеченыещенекоторыеосо
бенностиколлоидныхрастворовпосравнениюсистиннымираство
рами:
—низкаяскоростьдиффузии(обращениек знаниям одиффузии,
дисциплины«Физика»,«Физическаяхимия»);
—оченьнизкое,практическинеопределяемоеосмотическоедавле
ние(обращениекзнаниямобосмотическомдавлении,дисциплины
«Физическаяхимия»,«Общаяхимия»);
—неокрашенныеколлоидныерастворырассеиваютсвет(опалесцен
ция)(обращениекзнанияморассеяниисвета,дисциплина«Физика»);
—коллоидныерастворылегкообразуютосадокпридобавлениидаже
небольшихколичествсолей,невзаимодействующихсрастворенным
веществом(коагуляция,внутридисциплинарнаясвязьспоследующим
разделом);
—вколлоидныхрастворахчастообнаруживаетсяспособность
кпередвижениюколлоидныхчастицвэлектрическомполе(электро
форез,внутридисциплинарнаясвязьспоследующимразделом).
Создание учебно-исследовательской ситуации:используяизвестные
особенностиколлоидныхрастворовпосравнениюсистиннымираство
рами,опишитесвойстваколлоидныхчастиц.
Обсуждениекаждогоотдельногосвойствапроводитсявмалыхгруп
пах(3–4человека),затемкаждаягруппапредставляетегоинтерпретацию
ивыводополученныхсведениях.
Результатыобсуждениязаносятсявтаблицу(таблица6).
Таблица6
Способность
кдиализу
Низкая
скорость
диффузии
Коллоидныечастицынепро
ходятвпорымембранывот
личиеотобычныхмалыхмо
лекул
Коэффициентдиффузииоб
ратнопропорционаленрадиу
сучастицы
Коллоидныечастицыкрупнее
обычныхмалыхмолекул
Коллоидныечастицыкрупнее
обычныхмалыхмолекул
68
Практически
неопределяе
моеосмотиче
скоедавление
Рассеяние
света
Коагуляция Выпадениеосадкапридобав
Передвиже
ниечастиц
вэлектриче
скомполе
Осмотическоедавлениепро
порциональномолярнойкон
центрации.Реальнаяконцен
трацияколлоидныхчастиц
значительноменьшефор
мальнойконцентрациирас
творенноговещества
Рассеяниесветапроисходит
еслиразмерчастицменьше
илисоизмеримсдлинойсве
товойволны.Длинаволны
видимогосвета400–750нм
лениивеществ,невзаимодей
ствующихсраствореннымве
ществомвызванонехимически
ми,афизическимиизменениями
Вэлектрическомполепере
двигаютсязаряженныечасти
цы.Коллоидныйраствор
вцеломэлектронейтрален
Коллоидныечастицыпред
ставляютсобойассоциаты
избольшогочисламалых
молекул
Размерчастицвколлоидных
растворахменьшеилисоиз
меримсдлинойсветовой
волны
Частицыимеюттенденцию
кукрупнению.Коллоидные
системытермодинамически
неустойчивы.
Коллоиднаячастицаможет
приобрестизарядврезульта
тевзаимодействиясраство
рителем.
Послезавершенияобсужденияисовместногозаполнениятаблицы
делаетсяобщийвывод:частицывколлоидныхрастворахимеютразмер
1–1000нм,склонныкукрупнению,могутиметьэлектрическийзаряд.
Лабораторные занятияпредназначеныдляорганизацииипро
веденияэкспериментальныхлабораторныхработподисциплине.
Спецификахимиикакэкспериментальнойнаукиобуславливает
требованиепроведениялабораторныхзанятийвспециальнообору
дованныхучебныхлабораториях.
Лабораторныеработывзависимостиотстадииобученияносят
демонстрационный,тренинговый,частичнопоисковыйилииссле
довательскийхарактер.Вначалеизученияхимиииособеннона
нехимическихспециальностяхлабораторныеработыпроводятфрон
тально,всестудентыодновременновыполняютодниитежеопыты.
Вэтотпериоднеобходимонаучитьстудентавыполнениювсехтре
бованийбезопаснойработы.
Организациялабораторныхработпохимиипредусматривает
работустудентоввмалыхгруппах(парами,тройками),частопере
менногосостава.Именновгрупповомвзаимодействиипоявляется
69
возможностьразвитияличностныхимежличностныхнавыков,спо
собностиобосновыватьрешения,распределятьивыполнятьопре
деленныероли.Практическиеилабораторныеформыаудиторных
занятийпохимиидопускаютболееширокоеразнообразноеисполь
зованиеинтерактивныхметодовобучения.
Например,вдисциплине«Физическаяхимия»припроведении
лабораторнойработы«Кондуктометрическоетитрование»напервом
этапестудентысообщаютдругдругуипреподавателюопределенную
частьподготовленноготеоретическогоматериал:электропроводность
растворовэлектролитов,зависимостьэлектропроводностиотпод
вижностииконцентрацииионов,методыизмерениясопротивления
раствора.Затемнаступаетстадиясовместногорешениягруппой
поставленнойпреподавателемтеоретическойилипрактическойза
дачипотематикеработы(изменениесуммарнойэлектропроводности
растворавпроцессетитрования,предполагаемыйграфическийвид
зависимостиэлектропроводностиотобъематитранта,приготовление
исходныхрастворов,выборусловийтитрованиядляопределения
точнойконцентрации,проведениеэксперимента,обработкарезуль
татов,оформлениеотчета),требующаяинтеграциизнанийиумений
ивзаимодействия«погоризонтали»студент—студент.Особое
значениеприобретаетстимулированиевкладастудентавработу
группы,терпимость,доверие.Совместноевыполнениеэксперимен
та,включаяэтапыраспределенияролей,подготовкиоборудования
иреактивов,обработкирезультатовставятстудентавусловиенеоб
ходимостиактивноговзаимодействиясучебнымокружением(сту
дентами«своей»и другихкоманд,преподавателем,лаборантами).
Знанияиумения,приобретенныепривыполнениилабораторной
работы,закрепляютсянетольковпроцессезащитырезультатов,
ноипроцессеобязательноговзаимообучениястудентамиразных
команд,какправило,вотношенииметодикивыполнениялаборатор
ныхработ,особенностейработысприборамииоборудованием.
Защитеиобсуждениюлабораторныхработмогутбытьпосвяще
ныотдельныезанятия.
Дляранеевыбраннойхимическойдисциплинысоставьтеконспект
одногоиззанятий(повыбору—лекционное,практическоеилила
бораторное).
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]