Методика изучения Кристаллогидратов в школьном курсе химии

Стр 1 из 3Следующая ⇒

Методика изучения Кристаллогидратов в школьном курсе химии

Москва, 2007

Оглавление

Введение

Глава 1 Кристаллогидраты как объекты науки химии

1.1 История изучения кристаллогидратов

1.2 Терминология и понятия

1.3 Номенклатура кристаллогидратов

1.4 Классификация

1.5 Значение кристаллогидратов

Глава 2 Методика изучения кристаллогидратов в курсе химии средней школы

2.1 Тема «Кристаллогидраты» в стандарте школьного образования

2.2 Анализ содержания действующих программ по исследуемой теме

2.3 Анализ содержания темы «Кристаллогидраты» в школьных программах и учебниках

2.4 Реализация темы «кристаллогидраты» в контрольно-измерительных материалах (едином государственном экзамене

2.5 Возможности модернизации темы «Кристаллогидраты»

2.6 Методические рекомендации к изучению темы

Заключение

Библиография

Введение

К настоящему времени в литературе по теме кристаллогидраты накопилось большое количество фактов, отражающих состав, структуру и применение этого класса соединений. Рассмотренные факты имеют огромное значение и как мы покажем далее они не нашли достаточно полного отражения в содержании школьного химического образования.

Кристаллогидраты – это хранилища метана в недрах вечной мерзлоты и мирового океана в виде соединений включений – клатратов.

Кристаллогидраты имеют широкое применение в народном хозяйстве. Медный купорос применяют как протраву при крашении тканей для консервирования древесины, протравливания семян. В медицине разбавленный раствор медного купороса применяют как антисептическое и вяжущее средство, малые дозы медного купороса назначают иногда при анемии для усиления кроветворения.

Твердение минеральных вяжущих материалов в большинстве случаев обеспечивается гидратационными процессами, включающими в себя как чисто химические так и комплексные физико-химические процессы. В общем виде процессы сводятся к гидратации, росту кристаллов и сцеплению их между собой.

Кристаллогидраты образуются в растительных и животных организмах, которые чаще всего выпадают в виде осадков.

Изучив содержание программ и учебников, мы не были удовлетворены тем, как рассматривается тема кристаллогидраты в школе, поэтому в связи со значимостью данной темы возникает необходимостью модернизировать содержание школьного курса химии, поэтому мы выбрали эту тему в качестве выпускной работы.

Целью нашего исследования является оптимизация содержания темы «кристаллогидраты» в курсе химии средней школы в условиях модернизации общего образования.

Гипотеза исследования: разработанное и модернизированное содержание и методика изучения должна способствовать более глубокой актуализации знаний учащихся по данной теме, мобилизации активной мыслительной деятельности учащихся и развитию познавательного интереса к изучаемому предмету, развитию логических операций в условиях дефицита школьного времени.

Объект исследования: содержание школьного курса химии по теме «кристаллогидраты».

Предмет исследования: модернизация содержания темы «кристаллогидраты» и рациональная оптимизация ее изучения в курсе химии средней школы.

Для проверки гипотезы и достижения поставленной цели, были сформулированы следующие задачи:

1) изучить современные данные о структуре, свойствах и применении кристаллогидратов;

2) проанализировать самые распространенные программы и школьные учебники на предмет содержания в них исследуемой темы;

3) модернизировать содержание темы и оптимизировать структуру введения данного содержания в школьный курс;

Глава 1. КРИСТАЛЛОГИДРАТЫ КАК ОБЪЕКТЫ НАУКИ ХИМИИ

История изучения кристаллогидратов

1828 г. Ф. Рюдбергер доказал существование гидратов спирта.

1865 г. Предположение о существовании в водных растворах гидратов высказано и обосновано Д. И. Менделеевым. Он изучал взаимодействие спирта с водой и сделал вывод об образовании определенных соединений. Он считал, что растворение — не только физический, но и химический процесс, что вещества, растворяющиеся в воде, образуют с ней соединения

1880 г. Л. Пруст ввел понятие «гидраты» как особые соединения растворенного вещества с водой.

В 1889г. систематическое изучение кристаллогидратов началось с классических работ Б. Розебома над кристаллогидратами CaCl₂ и Fe₂Cl₆[8].

Терминология кристаллогидратов

При растворении веществ молекулы (или ионы) связываются с молекулами растворителя, образуя соединения, называемые солъватами (от латинского solvere – растворять); этот процесс называется сольватацией. В частном случае, когда растворителем является вода, эти соединения называются гидратами, а процесс их образования — гидратацией. В зависимости от природы растворенного вещества, сольваты могут образовываться различными путями. При растворении веществ с ионной структурой молекулы растворителя удерживаются около иона силами электростатического притяжения. Кроме того, может иметь место донорно-акцепторное взаимодействие. Ион растворенного вещества обычно выступают в качестве акцепторов, а молекулы растворителя — в качестве доноров электронных пар. Происходит гидратация и переход в раствор ионов. Гидратируются как катионы, так и анионы. Как правило, гидратированные катионы прочнее чем анионы, а гидратированные простые катионы — прочнее, чем сложные. Это связано с тем, что у простых катионов есть свободные валентные орбитали, которые могут частично акцептировать неподеленные электронные пары атомов кислорода, входящих в молекулы воды. При растворении веществ с молекулярной структурой сольваты образуются вследствие диполь-дипольного взаимодействия.

При попытке выделить исходное вещество из раствора удаляя воду, получить его часто не удается. Например, если мы растворим в воде бесцветный сульфат меди CuSO₄, то получим раствор голубого цвета, который придают ему гидратированные ионы меди. После упаривания раствора (удаления воды) и охлаждения из него выделятся кристаллы синего цвета. Исходный сульфат меди можно получить из этого соединения, нагрев его до 250 °С[14]. При этом происходит реакция:

CuSO_4·5H₂O = CuSO₄ + 5H₂O

Разные информационные источники дают нам следующую терминологию.

Гидраты – продукты присоединения воды (гидратации) к молекулам, атомам, ионам. Они могут быть твердые, жидкие и реже газообразные.

Твердые гидраты, имеют свое название – кристаллогидраты.

Кристаллогидраты – твердые вещества, продукты присоединения воды (гидратация) к атомам, молекулам или ионам.

Кристаллогидраты – кристаллы, включающие молекулы воды.

Кристаллогидраты — вещества, включающие в себя обособленные частицы H₂O, в которых атомы кислорода связаны с двумя атомами водорода ковалентными связями, а частицы Н₂О в целом связаны с другими атомами либо химическими, либо межмолекулярными связями.

Кристаллогидраты – это кристаллические вещества, содержащие в своем составе отдельные молекулы воды или их агломераты.

Кристаллизационная вода – вода, входящая в состав кристаллогидратов.

Кристаллогидраты — являются представителями обширных классов соединений, куда кроме них должны быть еще отнесены: кристаллоамиакаты, кристаллоалкоголяты, кристаллоэфираты и т. д. До сих пор кристаллогидраты не выделялись в особый класс соединений, а упоминались попутно при описании некоторых солей, потому что реакции их исследовались в водных растворах, когда принято игнорировать участвующую в превращении воду [2], [14], [38], [39].

Классификация

Классификацию кристаллогидратов можно вести по различным критериям:

1. По наличию связи структуры безводного вещества и кристаллогидрата

· фазы определенного состава - вид кристаллогидратов, у которых при удалении кристаллизационной воды происходит сжатие кристаллической решетки, поэтому структура безводного вещества и кристаллогидрата не связанны между собой. К данному классу относятся кристаллогидраты многоосновных кислот, оснований и клатратов.

· неопределенного состава – вид кристаллогидратов, у которых процесс удаления воды может быть осуществлен без существенных изменений в кристалле. Это возможно при наличии в кристалле достаточного количества свободных промежутков, каналов (чтобы уместились молекулы воды). У веществ этого класса может происходить обратимая гидратация и дегидратация. Примерами таких веществ являются цеолиты [32].

2. По количеству молекул воды входящих в формульную единицу кристаллогидрата

· Существует кристаллогидраты, в которых на одну молекулу или частицу гидратированного вещества приходится 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12 молекул воды.

· Но наиболее распространенными являются кристаллогидраты с 1, 2, 4, 6, 8 молекулами воды.

· Для многих веществ известны кристаллогидраты различного состава.

- MgCl₂∙ nH₂O где n= 2, 4, 6, 8, 12.

- CaCl₂∙ nH₂O где n= 1, 2, 4, 6, 8.

- NaOH∙ nH₂O где n=1, 2, 3, 4, 6, 8.

- H₂SO₄∙ nH₂O где n= 1, 2, 4, 6, 8.

3. По природе соединения участвующего в образовании кристаллогидратов

Органическое

Неорганическое

3. По агрегатному состоянию гидратообразователя при н.у.

Твердое (соли)

Газ (предельные у/в, С1₂, Н₂S, Аг, Хе, SО₂)

Жидкость (серная кислота, этиловый спирт)

5. Класс соединений

Кислоты (H₂SO₄^.H₂O)

Основания (NaOH^.H₂O)

Соли (ZnSO₄·7H₂O, MnSO₄·7H₂O)

6. Температурная устойчивость

· Если кристаллизационная вода удерживается Ван-дер-Ваальсовыми силами, то такие вещества стабильны при температурах ниже нуля (клатраты)

· Если кристаллизационная вода удерживается в кристаллогидрате слабыми межмолекулярными связями, то она легко удаляется при нагревании:

Na₂CO_3·10H₂O = Na₂CO₃ + 10H₂O (при 120 ° С);

K₂SO_3·2H₂O = K₂SO₃ + 2H₂O (при 200 ° С);

· Если же в кристаллогидрате связи между молекулами воды и другими частицами близки к химическим, то такой кристаллогидрат или дегидратируется (теряет воду) при более высокой температуре, например:

Al₂(SO₄)₃· 18H₂O = Al₂(SO₄)₃ + 18H₂O (при 420 ° С);

СoSO₄· 7H₂O = CoSO₄ + 7H₂O (при 250 ° С);

или при нагревании разлагается с образованием других химических веществ, например:

2{FeCl_3·6H₂O} = Fe₂O₃ + 6HCl + 9H₂O (выше 250 ° С);

2{AlCl_3·6H₂O} = Al₂O₃ + 6HCl + 9H₂O (200 – 450 ° С) [14].

7. По состоянию воды в гидратах

· Псевдогидраты - это соединения, в которых часть молекул кристаллизационной воды образуют гидроксид ионы или ионы гидроксония (HClO₄·H₂O = H₃O·ClO₄, Sr(BO₂)₂·4H₂O = Sr[B(OH)₄]₂) Воду, входящую в состав псевдогидратов называют конституционной [39].

молекулы воды изолированы друг от друга. Атомы кислорода в воде координируются вокруг центрального иона: CuCl₂∙ 2H₂O, CoCl₂∙ 2H₂O (Приложение 2, Рис 3).

Внутрисферные кристаллогидраты – молекулы кристаллизационной воды удерживаются благодаря ковалентной связи с катионом [Al(H₂O)₆ ]Cl₃, [Mg(H₂O)₆]Cl₂(Приложение 2, Рис 1).

Смешанные кристаллогидраты – кристаллизационная вода удерживается за счет образования водородных связей и донорноакцепторного взаимодействия. К данной группе можно отнести купоросы (CuSO₄·5H₂O или [Cu(H₂O)₄]SO₄·H₂O), пятая молекула воды связывается именно водородными связями (Приложение2, Рис 2) [2].

молекулы воды образуют цепи. В ряде случаев молекулы воды связывают два катиона Zn(OH)H₂O и BaCl₂∙ H₂O. Образуются бесконечные цепи.

Молекулы воды образует слои, объединяемые ионами соли (CaSO₄·2H₂O). В соединении Mg₂(OH)₂(H₂O)₃CO₃ в каналах структуры.

Своеобразными упорядоченными твердыми растворами внедрения типа соль — лед являются некоторые кристаллогидраты с большим числом молекул воды, например Na₂SO₄·10Н₂О, Na₂СO₃·10Н₂О (тектогидраты). Они имеют структуру льда, которая стабилизируется за счет стягивающего действия электростатически взаимодействующих ионов противоположного знака. Вследствие этого температура плавления тектогидратов намного превышает температуру плавления льда [2].

Значение кристаллогидратов

Образование и разрушение газовых клатратов используются, для разделения газов опреснения морской воды. Клатраты в природе часто играют роль естественного хранилища газов. Кристаллогидраты занимают важное место в строительстве в процессах схватывания и твердения вяжущих. В растительных клетках часто встречаются кристаллы оксалата кальция. Кристаллы представлены в основном моно(CaC₂O₄∙ H₂O) и дигидратами (CaC₂O₄∙ 2H₂O). Первые кристаллизуются в клиноромбической системе, вторые в гексагональной. Они откладываются только в вакуолях. Форма кристаллов оксалата кальция довольно разнообразна и часто специфична для определенных групп растений. Это могут быть одиночные кристаллы ромбоэдрической, октаэдрической или удлиненной формы (клетки наружных отмерших чешуи луковиц лука), друзы (чешек, druza — группа) — шаровидные образования, состоящие из многих мелких сросшихся кристаллов (клетки корневищ, коры, корки, черешков и эпидермы листьев многих растений), рафиды (греч. рафис — швейная игла) — мелкие игольчатые кристаллы, соединенные в пучки (стебель и листья винограда), и кристаллический песок — скопления множества мелких одиночных кристаллов (паренхимные клетки многих пасленовых бузины). Наиболее часто встречающаяся форма кристаллов — друзы.

Выводы: с момента первоначального изучения кристаллогидратов до настоящего времени в науке накопилось большое количество сведений о таком классе химических соединений, как кристаллогидраты. Школьное химическое образование не должно отставать от достижений, происходящих в научном мире, поэтому целью данной главы является проведение анализа химической литературы и выяснение того, как рассматривается тема кристаллогидраты на современном этапе развития химии. Анализ показал, что по данной теме появилось достаточно много новой информации. Данная тема имеет очень важное значение, как в общенаучном плане, так и прикладном плане. Это дает нам возможность проанализировать содержание данной темы в курсе химии средней школы.

Заключение

1. Нами изучены современные представления о химии кристаллогидратов. Рассмотрена их структура, классификация, свойства. Особое место уделили применению данного класса химических соединений на практике.

2. Проанализировали содержание темы в наиболее распространенных программах и соответствующих учебниках, используемых в нашей области, и в контрольно-измерительные материалы ЕГЭ.

3. Разработки изучения темы в школьном курсе химии мы проводили в следующих направлениях:

- обновление (модернизация) содержания;

- оптимального размещения в курсе;

- рациональной методики на каждом этапе;

- применение кристаллогидратов, изучение их строения и свойств;

4. Предложили конкретные методические рекомендации к изучению данной темы в соответствии с модернизированным содержанием.

5. Проделанная работа была апробирована в период педагогической практики и были получены первичные данные о эффективности разработанной методики.

Библиография

1. Алексинский В.Н. Занимательные опыты по химии. Пособие для учителей. – М.: Просвещение, 1980 г. – 127с., ил.

2. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. Учеб. Для вузов. – 4-е изд., испр. – М.: Высш. шк.; 2002. – 743 с. ил.

3. Ахметов Н.С. Химия. Учеб. Для 10-11 кл. общеобразовательных учебных заведений. – М.: Просвещение, 1998. – 256с.: ил.

4. Ахметов Н.С. химия: Учеб. Для 8 класса, Общеобразоват. Учережд. 4-е изд. – М.: Просвещение, 2001. – 192 с.

5. Ахметов Н.С. химия: Учеб. Для 9 класса, Общеобразоват. Учережд. 2-е изд. C испр. – М.: Просвещение, 1999. – 175 с.: ил.

6. Васильев А.Е., Воронин Н.С., Елинеевский А.Г., и др. Морфология и анатомия растений. – 2-е изд. прераб. – М.: Просвещение, 1998. – 480с.ил.

7. Вестник образования под ред. А.В. Киселева 125 с. Ил. – 2004г.

8. Волков В.А., Волконский Е.В., и др. Выдающиеся химики мира: Библиографический справочник. Под ред. В.И. Кузнецова. – М.: Высшая школа., 1991. – 656с., ил

9. Габриелян О.С. Химия 8 класс. Учеб. Для общеобразоват. Учебн. Заведений. – 5-е изд., испр. – М.: Дрофа, 2001. – 208с.: ил.

10. Габриелян О.С. Химия 9 класс. Учеб. Для общеобразоват. Учебн. Заведений. – 10-е изд., перераб. И доп. – М.: Дрофа, 2005. – 267, с.: ил.

11. Габриелян О.С., Лысова Г.Г. Химия. 11 класс: Учеб. Для общеобразоват. Учережд. – М.: Дрофа, 2001. – 368с.: ил

12. Габриелян О.С., Маскаев Ф.Н., Пономарев С.Ю., и др. Химия. 10 класс: Учебник для общеобразоват. Учережд. Под ред. В.И.Теренина, 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Дрофа, 2001. – 304с.: ил

13. Гарбусева Н.И., Суматохин С.В. Программы для общеобразовательных учреждений: Химия. 8-11 класс. / Сост. 2-е изд., доп.- М.: Дрофа, 2001. – 288с.

14. Глинка Н.Е. Общая химия: Учебное пособие для вузов/Под ред. А.И. Ермакова. – изд. 30-е исправленное – М.: Интеграл-Пресс, 2004. – 728 с.

15. Гузей Л.С., Суровцева Р.П. 10 класс: Учеб.для. общеобразоват. Учеб. Заведений. – 2-е изд. – М.: Дрофа, 1999. – 240с.: ил:

16. Гузей Л.С., Суровцева Р.П., Лысова Г.Г. Химия 11 класс: Учеб.для. общеобразоват. Учеб. Заведений /. – 3-е изд., стереотипн.. – М.: Дрофа, 2001. – 240с.: ил:

17. Гузей Л.С., Сорокин В.В, Суровцева Р.П. 9 класс: Учеб.для. общеобразоват. Учеб. Заведений /. – 5-е изд., стереотипн.. – М.: Дрофа, 2001. – 288с.: ил:

18. Гузей Л.С., Сорокин В.В., Суровцева Р.П. 8 класс: Учеб.для. общеобразоват. Учеб. Заведений – 4-е изд., испр. – М.: Дрофа, 1999. – 304 с.: ил

19. Единый Государственный экзамен 2001г: тестовые задания; химия/ М.Г.Минин, Н.С. Михайлова, и др.; М-во образования РФ.-2-е изд.-М.: Просвещение. 2002. 47с.: ил

20. Единый Государственный экзамен 2003г: Контрольно-измерительны материалы: Химия/ Каверина А.А., Добротин Д.Ю., Журин А.А. – М.: Интеллект центр, 2003. – 144с.

21. Единый Государственный экзамен 2005-2006г: Контрольно- измерительные материалы: Химия: А.А. Кавериной; М-во образования и науки Российской федерации, Федеральная служба по надзору в сфере образования и науки. – М.: Просвещ., 2006. 93с.:

22. Кузнецова Н.Е., Титова И.М., Гара Н.Н., Жегин А.Ю. Химия: Учебник для 8 класса общеобразовательных учреждений/ 2-е изд., перераб. – М.: Вентанта – Граф, 2005. – 224.: ил.

23. Кузнецова Н.Е., Титова И.М., Гара Н.Н., Жегин А.Ю. Химия: Учебник для 9 класса общеобразовательных учреждений/ 2-е изд., перераб. – М.: Вентанта – Граф, 2005. – 224.: ил

24. Кузнецова Н.Е., Титова И.М., Гара Н.Н., Жегин А.Ю. Химия: Учебник для 11 класса (профильный уровень), часть I. Под редакцией Н.Е. Кузнецовой. – М.: Вентанта – Граф, 2005. – 240с.: ил

25. Кузнецова Н.Е., Титова И.М., Гара Н.Н., Жегин А.Ю. Химия: Учебник для 11 класса (профильный уровень), часть II. Под редакцией Н.Е. Кузнецовой. – М.: Вентанта – Граф, 2005. – 240с.: ил

26. Лидин Р.А. Справочник по общей и неорганической химии. – М.: Просвещение: Учеб. лит., 1997. – 256с.: ил.

27. Машковский М.Д. Лекарственныесредства, т. 2. М., Новая Волна, 2000

28. Меиловский А.В. Минералогия и петрография. 1973г.

29. Орестов И.Л. Электролитическая диссоциация, 1965г.

30. Палищуюк Н.В. Химия в школе 1982г, №2. Из опыта изучения кристаллогидратов.

31. Полосин В.С., Прокопенко В.Г. Практикум по методике обучения химии: Учеб. пособие для пед. институтов по специальности «№2122 химия».-6-е изд., перераб. – М.: Просвещение, 1989. – 244с.: ил

32. Рипан Р., Четяну И. Неорганическаяхимия, т. 2. М., Мир, 1972

33. Российский химический журнал т. XLVII, №3 (2003г). Газовые гидраты: исторический экскурс, современное состояние, перспективы исследований. Истомин В.А., Кузнецов Ф.А., Родионова Т.В. (с. 24)

34. Российский химический журнал т. XLVII, №3 (2003г). Природные газовые гидраты: распространение, модели образования, ресурсы. Макагон Ю.Ф. (с. 40)

35. Российский химический журнал т. XLVII, №4 (2003г). Гипсовые вяжущие и их применение в строительстве. Коровяков В.Ф. (с 18)

36. Российский химический журнал т. XLVII, №4 (2003г). Разработка многокомпонентных вяжущих веществ. Тарасов С.А., Чистов Ю.Д. (с 12)

37. Степин Б.Д., Аликберова Л.Ю. Занимательные опыты по химии. – М.: дрофа, 2002. – 432с. ил

38. Третьяков Ю.Д., Тамм М.Е. Неорганическая химия Т1. –М.: Изд-ий центр «Академия»; 2004. – 240с.: ил.

39. Химическая энциклопедия. - Т.1 Под ред. – И.Л. Кнунянц., – М.: Советская энциклопедия, 1988 г.

40. Чернобельская Г.М. Методика обучения химии в средней школе: Учеб. для студ. высш. учеб. заведений. – М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 2000. – 336с.

методика изучения Кристаллогидратов в школьном курсе химии