Содержание:
Введение
Глава 1.Структура понятия «химическая реакция» и этапы его формирования
1.1 Понятие «химическая реакция» как система
1.2 Этапы формирования понятия «химическая реакция»
Глава 2.Основные методы, применяемые в разделах о химической реакции
2.1 Введение понятия «химическая реакция»
2.2 Формирование знаний о типах химических реакций
2.3 Формирование знаний о реакциях ионного обмена
2.4 Формирование знаний о химической кинетике
Заключение
Список литературы
Приложение
Введение
Тема данной курсовой работы «Методические подходы к формированию знаний о химической реакциях». Методический подход иначе метод есть способ достижения цели, определенным образом упорядоченная деятельность. Основная цель, которую должен достичь учитель химии при изучении данного понятия: сформировать целую систему знаний о химических реакциях, состоящую из отдельных подсистем, блоков знаний. Учащиеся должны не только освоить теоретический материал этой темы, но и уметь применять полученные знания на практике, понимать те химические процессы, которые заложены в основу химических производств (производство серной кислоты, минеральных удобрений и т.д.) и химические явления, постоянно происходящие в природе (изменение минерального состава горных пород, образование озона в атмосфере), понимать важность применения наиболее безопасных методов получения новых альтернативных строительных материалов для экологии.
Данная тема актуальна, так как необходимо разрабатывать наиболее эффективные методические подходы к формированию знаний о химических реакциях, удовлетворяющих поставленной цели.
Объектом исследования работы является теоретическая система знаний о химической реакции, а предметом – те методические подходы, которые способствуют эффективному пониманию и усвоению знаний о химической реакции.
Цель работы состоит, прежде всего, в рассмотрении системообразующего понятия «химическая реакция», изучении и анализе подходов, использующихся при формировании основных блоков знаний о химической реакции.
Здесь важно изучить основные подсистемы, интегрируемые общим понятием «химическая реакция», показать связи между ними, рассмотреть свойства данной системы, раскрыть этапы формирования данного понятия по мере накопления теоретического материала учащимися, описать методы (их содержание), используемые на современном уровне обучения химии (общелогические, общепедагогические, специфические), показать их применение в совокупности при изучении разделов о химической реакции.
Глава 1. Структура понятия «химическая реакция» и этапы его формирования
1.1 Понятие «химическая реакция» как система содержания учебного предмета
Система понятий о химической реакции – это весьма сложная, многоплановая, многокомпонентная система. Этим осложнено обобщение знаний, выделение инварианта данной системы понятий. В развитом и структурно оформленном виде общее понятие о химической реакции представляет собой теоретическую систему сущностных знаний о ней [2]. Научно-теоретическими основами ее формирования служат теории строения веществ и химических процессов, периодический закон и закон сохранения массы и энергии. Понятие «химическая реакция» тесно связано с понятием «вещество». Это является отражением диалектической связи вида материи с формой ее движения. В ходе химических реакций осуществляется превращение веществ. Химическими реакциями называют явления, при которых изменяются состав, структура и свойства химических соединений – одни вещества превращаются в другие.
Ведущей идеей преемственного формирования и генерализации знаний о химической реакции в школе должен стать триединый структурно-энергетико-кинетический подход, поскольку с этих позиций можно дать разностороннюю характеристику реакции [3] .
Основанием для развертывания всей совокупности знаний о химической реакции в виде теоретической системы служит генетически исходное отношение между реагентами и продуктами реакции. Генетически исходное отношение, лежащее в центре данной системы знания отражает общая модель химической реакции:
Существенными признаками и сторонами общего понятия химическая реакция являются следующие блоки знаний:
1. блок знаний об условиях и признаках протекания реакций;
2. блок знаний об энергетике химических реакций;
3. блок знаний о кинетике химических реакций;
4. блок знаний о химическом равновесии;
5. блок знаний о закономерностях протекания реакций.
Основополагающими понятиями этой системы являются «реакционная способность», «переходное состояние», «скорость реакции», «механизм реакции». Именно эти понятия находятся в центре современной теоретической химии как узловые. Поэтому ведущим в анализе и формировании данной системы является кинетический подход.
Сущность химической реакции заключается в образовании ПАК по схеме:
исходное состояние – переходное состояние – конечное состояние реакционной системы. Как пишет В.И.Кузнецов: “Переходное состояние системы – это сущность химических превращений, сущность любого химического процесса”. При химических реакциях происходит разрыв связей в исходных веществах и образование других (как правило, более прочных и энергетически выгодных) в продуктах реакции.
Элементарной субстанцией химической реакции являются атомы (ионы, радикалы) элементов. Сохраняемость атомов и их фундаментальных свойств, в том числе их масс, зарядов и др., служит основанием для количественных описаний химических реакций, для установления количественных отношений, отражаемых уравнениями реакций. Это объясняет подчинение их закону сохранения массы и энергии. Происходящая в ходе превращения веществ перестройка электронных структур участвующих в реакции атомов, молекул и др. частиц сопровождается образованием и превращением химической энергии в другие ее виды. Энергетический признак – один из важнейших признаков химической реакции.
Все эти сущностные знания, отражающие признаки, стороны, связи и отношения химической реакции, составляют теоретическое ядро системы понятий о химической реакции. Эта система может быть представлена следующей схемой [3]:
Знания о веществе
1. Блок знаний об условиях и признаках протекания реакций включает в себя преимущественно эмпирические понятия, образованные на основе эксперимента и наблюдений. Признаки реакций выявляются на основе экспериментальных данных. Сравнение опытов дает возможность выявить общие для всех реакций признаки – образование новых веществ и энергетические изменения, сопровождающие эти изменения.
2. Блок знаний об энергетике химических реакций позволяет ответить на вопрос почему протекают химические реакции, возможно или невозможно их осуществление, каковы движущие силы реакций. В школьном курсе химии знания энергетики представлены такими элементами термохимии как тепловой эффект реакции, термохимические уравнения; в старших классах вводятся понятия энтропии и энергии Гиббса. Кроме того, к ним можно отнести и понятие энергии активации.
3. Блок знаний о кинетике химических реакций отвечает на вопрос, как протекают химические реакции, раскрывает течение реакции во времени, их механизм. Эта проблема – центральная в современной химии, поэтому при рассмотрении реакций кинетический подход является ведущим, в том числе и в школе.
Важнейшими понятиями данного блока являются: «реакционная способность», «скорость реакции», «энергия активации», «активированный переходный комплекс», «механизм реакций», «катализ и его виды» и другие. Кроме того, в этот блок входят такие закономерности, как правило Вант-Гоффа, закон действия масс (без учета стхиометрических коэффициентов или для реакций, где эти коэффициенты равны 1). Наиболее общим является понятие «реакционная способность». Оно раскрывает связь свойств реагентов с разного рода факторами, в том числе и кинетическими.
Понятие скорости химической реакции характеризует протекание реакции во времени, отражая при этом характер изменений свойств реагентов и их концентраций. Оно определяется изменением концентрации реагирующих веществ в единицу времени. Скорость реакции – центральное понятие в системе знаний о реакции школьного курса химии. Его главное назначение – качественное и количественное описание протекания реакций во времени.
Понятие «механизм реакции» является наиболее абстрактным и сложным для усвоения. Поэтому вначале дают его простейшую формулировку: механизм реакции – это последовательность элементарных химических актов. Данное понятие раскрывает протекание химического процесса, как во времени, так и в пространстве (число частиц, последовательность соударения, строение ПАК). В совокупности понятия «скорость реакции», «реакционная способность» и «механизм реакции» составляют ядро кинетических знаний. Фактором, связывающим их, является понятие «промежуточного активированного комплекса», которое отражает единство устойчивости и изменчивости химических соединений, механизм многих реакций. Активированный комплекс характеризуется как неустойчивое промежуточное соединение, обладающее большим запасом энергии, и как промежуточное состояние реакции. Это понятие тесно связано с понятием «энергия активации» – той оптимальной энергией, которой должны обладать реагирующие частицы (молекулы, ионы и др.), чтобы при столкновении они могли вступить в химическую реакцию.
4. Блок знаний о химическом равновесии.
Важнейшими понятиями блока являются: «прямая и обратная реакция», «химическое равновесие», «факторы и закономерности смещения химического равновесия». Теоретической основой раскрытия этого материала служат основные положения кинетики и термодинамики, принцип Ле-Шателье и другие. Интегративное понятие этого блока – химическое равновесие. Традиционно знания о химическом равновесии включаются в систему понятий о кинетике, и рассматривается как равенство скоростей прямой и обратной реакций. Рассмотрение химического равновесия с этой позиции является односторонним. Возможен и термодинамический подход к рассмотрению данного вопроса. Здесь химическое равновесие рассматривается как уравновешивание энтальпийного и энтропийного факторов, как равенство двух противоположных тенденций – к порядку и беспорядку, имеющее место в замкнутой системе при постоянной температуре и неизменных количествах вещества реагентов.
5. Блок знаний о закономерностях протекания реакций раскрывает повторяющиеся связи и отношения объектов и явлений химии. К таковым закономерностям относятся:
1. закономерные отношения масс реагентов и продуктов реакции, отношения объемов реагирующих веществ (для газообразных);
2. протекание реакций в сторону уменьшения свободной энергии системы (∆G < 0);
3. зависимость реакционной способности веществ (связей, атомов, ионов) от электроотрицательности и степени окисления входящих в их состав атомов элементов;
4. зависимость протекания реакции от природы реагентов;
5. зависимость скорости реакции от различных факторов (концентрации реагентов, их состояния и размера частиц, температуры, давления и пр.);
6. зависимость смещения химического равновесия от кинетических факторов (изменение температуры и давления, концентрации реагирующих веществ).
Важным аккумулятором химических закономерностей является периодическая система Д. И. Менделеева, многие закономерности обобщает электрохимический ряд напряжений металлов.
Этой теоретической системе знаний присущи функции описания, объяснения и предсказания [2]. Такого уровня развития эта система достигает на определенных этапах обучения в результате теоретического обобщения и применения знаний. Проходя в своем развитии через последовательно сменяющиеся теории, обогащаясь новыми знаниями и умениями, она приобретает структуру и функции теоретических систем знаний.
1.2 Этапы формирования понятия «химическая реакция»
В силу того, что понятие химическая реакция является достаточно сложным и многогранным, сформировать полное представление обо всех его сторонах, раскрыть всю его философскую сущность невозможно за короткий промежуток времени. Более того, данное понятие формируется на протяжении всего курса обучения химии.
Понятие «химическая реакция» формируется поэтапно [13].
Первый этап (8 класс). На первоначальных этапах изучения химии используется индуктивный подход. В основе изучения, как источник химического познания лежит химический эксперимент. В результате наблюдения за экспериментом учащиеся осознают образования новых веществ в ходе протекания химической реакции. Но в экспериментальном изучении реакций не уделяется внимания ее сущности, акцент делается на внешние проявления (изменение окраски раствора, выделение газа, выпадение осадка).
Понятие о химической реакции начинает формироваться с самых первых уроков. Сначала дают понятие о явлениях, происходящих в природе, повседневной жизни, быту, разграничивая явления на физические и химические. А затем сообщают учащимся о тождественности понятий «химическое явление» и «химическая реакция». На уровне атомно-молекулярного учения разъясняют, как можно по внешним признакам обнаружить протекание химической реакции.
Классификация химических реакций дается на уровне сравнения числа исходных и полученных веществ. При этом учащиеся используют такие мыслительные приемы как сравнение, анализ, синтез, обобщение. Все эти сведения включены в раздел «Первоначальные химические понятия». Далее все стороны системы понятий о химической реакции должны расширяться и дополняться новыми данными, т. е начинается этап накопления. Закономерности протекания химической реакции разбираются на простейших примерах: так влияние температуры рассматривается на реакции образования сульфида железа, реакции окисления рассматриваются как процесс соединения вещества с кислородом, понятие о реакциях обмена на примере взаимодействия кислот с оксидами и т.д.
На втором этапе (8 класс) понятие о химической реакции получает дальнейшее развитие. Начинают формироваться энергетические представления о химических реакциях. Рассматривается понятие об экзо- и эндотермических реакциях, вводится новое понятие о тепловом эффекте химической реакции, термохимических уравнениях и их составлении. При изучении энергетических эффектов появляется возможность показать не только качественную, но и количественную сторону химической реакции. Количественные отношения веществ, вступивших в реакцию, трактуются как молярные отношения реагирующих веществ.
На третьем этапе (8 класс) формирования понятие «химическая реакция» претерпевает качественные изменения в теме «Химическая связь. Строение вещества». В данной теме химическая реакция начинает трактоваться как разрушение одних связей и образование других. Рассматривается это на примере окислительно-восстановительных реакций. Механизм этих реакций объясняют с точки зрения перехода электронов, поднимаясь тем самым на более высокий теоретический уровень.
На основе нового понятия «степень окисления» анализируют известные учащимся реакции разных типов, доказывая тем самым, что среди реакций любого типа можно найти окислительно-восстановительные.
В теме «Подгруппа кислорода» вводится новое понятие аллотропия и соответствующие ей новый тип реакций - аллотропные превращения.
Четвертый этап (9 класс). В разделе «Закономерности химической реакции» вводится понятие о скорости химической реакции и о влияющих на нее факторах (температура, концентрация, поверхность соприкосновения). Здесь же рассматривается вопрос об обратимости химической реакции и о химическом равновесии. Необходимо подчеркнуть динамический характер химического равновесия, факторы, вызывающие смещение химического равновесия. Таким образом, учащиеся знакомятся еще с одним типом химической реакции — обратимыми.
Этап пятый. На данном этапе происходит знакомство учащихся с такой важной темой как «Теория электролитической диссоциации». Она помимо мировоззренческого значения (иллюстрация единства и борьбы противоположностей – моляризации и диссоциации) вносит много нового в объяснение механизма реакций. На базе понятия об обратимых реакциях можно объяснить сущность процесса диссоциации, а также гидролиза солей, рассматриваемого в ионной форме, чтобы не вводить понятия о гидроксосолях.
Далее изучение химической реакции происходит дедуктивно. Знания, сформированные на базе перечисленных теорий, применяются для объяснения фактов и явлений и прогнозирования протекания процессов.
Этап шестой (9 – 10 классы). Дальнейшие развитие понятия о химической реакции осуществляется в курсе органической химии. Дополняются понятия о классификации химических реакций, вводятся новые типы реакций, например реакции изомеризации, полимеризации, этерификации и др. В органике вводится качественно новый материал и в понятие о механизмах реакций. Так, например, рассматривается свободнорадикальный механизм на примере реакций замещения (галогенирование алканов), присоединения (полимеризация), отщепления (крекинг). Расширяется понятие об ионном механизме химической реакции: приводятся примеры присоединения неорганических соединений к алкенам, реакций замещения при гидролизе галогеналканов.
Дополняется также система понятий о закономерностях протекания химических реакций. При развитии понятия «скорость химической реакции» отмечается влияние энергии связи и ее типа. Знания о катализе и катализаторах дополняются в органике знаниями о ферментах.
Этап седьмой (11 класс). На завершающем этапе обучения подводятся итоги, обобщаются знания о химических реакциях. В конце обучения учащиеся должны суметь охарактеризовать предложенную им в качестве примера химическую реакцию в свете компонентов ее содержания.
Глава 2. Основные методы, применяемые в разделах о химической реакции
2.1 Введение понятия «химическая реакция»
В самом определении химии дан предмет изучения – химические явления, сопровождаемые превращением веществ. Учащиеся не должны просто заучить данное определение, они в первую очередь должны осознать предмет и в процессе обучения на него должен постоянно делаться акцент. При формировании знания о химических явлениях важно учитывать такой принцип диалектики как переход от абстрактного знания к конкретному [6]. Фундаментом такого обучения будет исходное понятие науки, т.е абстракция. Опираться на понятие – значит выводить из всеобщего его конкретные, частные формы.
Совместно с учителем учащиеся совершают квазиисследовательскую предметную деятельность и открывают для себя предмет познания химии – химическое явление. Процесс познания строится на анализе, рефлексии и прогнозировании доступных экспериментов, лишь часть из которых выполняет учитель, а большинство – сами учащиеся.
Так, с помощью учителя они анализируют то, что происходит в окружающем мире, и обнаруживают протекание различных явлений. Некоторые из них учащиеся воспроизводят экспериментально. Результаты опытов свидетельствуют об изменениях веществ – это признак любого явления. Взяв в качестве основания классификации характер изменения веществ, явления можно подразделить на две группы. К первой относятся явления, при которых происходит лишь переход веществ из одного состояния в другое, а ко второй – превращение одних веществ в другие. Первую группу явлений называют физическими (их школьники изучают в курсе физики), вторую – химическими (с ними учащиеся сталкиваются впервые).
Для более четкого дифференцирования рассмотренных, а также других, предложенных самими учащимися явлений (пока по основным внешним признакам) школьники моделируют их в графической или знаковой форме (по выбору). Последующий анализ моделей и осмысление обобщенных явлений по схеме «было—стало» показывает учащимся, что при физических явлениях что было, то и осталось, т.е вещества не изменили свою природу, а только перешли в другое состояние, тогда как при химических явлениях было нечто одно, а стало нечто другое.
Осуществление учащимися описанных выше действий позволяет им выделить всеобщий признак химических явлений (в сравнении с физическими) – превращение веществ – и тем самым открыть для себя предмет химии. На базе этого же всеобщего признака формулируется пока абстрактное (т.е одностороннее) определение понятия «химическое явление» на уровне представления: химическое явление (химическая реакция) – это процесс превращения одних веществ в другие.
Таким образом, учитель с самого начала обучения химии вводит учащихся в ситуацию открытия нового для них свойства реальной действительности – превращения веществ, характеризуемого не познанным пока абстрактным понятием «химическое явление (химическая реакция)».
Чтобы мотивировать учащихся на дальнейшее изучение химии учитель, обсуждая вопросы химических явлений, предлагает подумать: важны ли химические явления в природе, в промышленном производстве, в жизни человека? Зачем нужно их изучать? После их обсуждения, учащиеся приступают к исследованию предмета химии – превращению веществ. Учащиеся легко могут дифференцировать знакомые им явления на физические и химические, но если им продемонстрировать, например процесс растворения сахара и взаимодействие растворов соляной кислоты и щелочи, то последний процесс они вряд ли смогут однозначно отнести к химическим явлениям (нет видимых признаков реакции). Таким образом, учитель подводит учащихся к мысли, что только внешних признаков недостаточно для того, чтобы назвать явление химическим.
В связи с этим учитель ставит учебную задачу: выявить внутренние признаки превращения одних веществ в другие.
Начинается новый этап квазиисследования учащихся, направленный на логическое абстрагирование, расчленение предмета исследования на составляющие. На этом этапе учащиеся исследуют внутреннюю структуру понятия химическая реакция.
Для этого учитель предлагает изучить вещества, участвующие в превращениях. Совместно с учащимися учитель формулирует гипотезу: возможно сущность реакции заключается в изучении веществ, участвующих в ней. Для решения этой задачи необходимо применять абстрагирование, то есть мысленное извлечение моделей химических явлений, экспериментально исследовать реальные вещества. Научиться составлять новые модели веществ. Эти действия позволяют перевести мыследействие учащихся на абстрактный уровень представления о веществах, тем самым, конкретизируя понятие «химическое явление».
Наиболее целесообразным способом изучения вещества являются наблюдаемые признаки, если же их нет, необходимо каким-то образом подействовать на вещество. Учащиеся уже знают, что вещества состоят из атомов, связанных в молекулы. В одних веществах связи более прочные, в других менее прочные. Вновь выдвигается гипотеза: если вещества состоят из микрочастиц, то превращения, возможно, заключатся в изменениях между молекулами и связями. С изменением гипотезы формулируется новая учебная задача: выяснить, что происходит с микрочастицами и связями между ними при химическом превращении веществ.
Таким образом, мыследействие учащихся переводится на микроуровень организации материи.
В соответствии с принципами активности и объективности мыследействия учащихся должны быть основаны на результатах экспериментов.
Учащимся демонстрируют простейший опыт: нагревание воды, ее последующее испарение и конденсация. При нагревании происходит разрыв связей между молекулами воды, так как при сообщении им энергии увеличивается их подвижность. При конденсации пара вновь происходит образование связей между молекулами воды. Школьники делают заключение, что в процессе разрыва и образования связей между молекулами изменений не произошло, значит это явление физическое.
Таким образом, изучив явления между веществами не изученными остаются только атомы.
Вновь выдвигается гипотеза: возможно, сущность превращений веществ заключается в изменениях, происходящих с атомами и связями между ними. И опять же изменяется учебная задача – выяснить, что происходит с атомами различных видов и со связями между ними при превращениях одних веществ в другие, и как это можно установить. Учитель демонстрирует электролиз воды, в ходе которого образуются кислород и водород. Моделируя данный процесс, учащиеся видят: разложение сопровождается разрывом связей в молекуле воды, а затем образованием связей между двумя атомами кислорода и четырьмя атомами водорода.
Таким образом, учащиеся осознают, что химические явления происходят на уровне рассмотрения атомов и связей между ними.
После моделирования других химических процессов и выделении их всеобщих признаков учащиеся делают заключение: сущность химического явления (реакции) заключается в разрыве связей в исходных веществах и образовании новых связей между атомами тех же видов в продуктах реакции. Теперь они могут сформулировать определение химического явления на уровне абстрактной сущности: химическое явление – это процесс разрыва связей между частицами исходных веществ и образование новых связей в продуктах реакции между теми же частицами, но в ином сочетании. Данное определение является для учащихся абстрактным уже потому, что учащиеся не могут ответить на вопрос, почему одни связи рвутся, а другие образуются. Для ответа на этот вопрос учащимся нужно сначала изучить атомы, а затем связи между ними.
После изучения атомов учащиеся могут сконструировать химические соединения сначала на микро-, а затем на макроуровне организации вещества, и только потом, зная прочность связей в веществах, осмысливать и предсказывать процессы их разрыва и образования.
По мере изучения каждого уровня организации вещества, связываемого с химическими явлениями, все более конкретизируется понятие «химическая реакция».
Способ постановки гипотез и поиск ответов на них, осмысление происходящих явлений составляет этап вхождения школьников в ориентированно-мотивационный процесс, имеющий значение для перевода учащегося с позиции объекта воздействия на позицию субъекта, который сам сотрудничает с другими учащимися и учителями. Учащиеся, вышедшие на этот этап осознанно могут ответить на вопросы: что изучает химия? Для чего ее нужно изучать? Каков путь ее познания?
При поиске ответа на первый вопрос учащиеся открывают предмет химии; отвечая на второй, актуализируют внутренние мотивы и потребности ее изучения; обсуждая третий, осмысливают план изучения химии (на абстрактном уровне) в соответствии с принципом восхождения от абстрактного к конкретному.
Как итог можно сказать, что если учащиеся будут постигать диалектически выстроенное содержание учебного материала, открывая для себя принципы и законы диалектики и использовать их как средство ориентации в мире и познании окружающей действительности, то можно, вероятно, констатировать факт формирования личности с развитым диалектическим способом мышления.