Проблемно-развивающий эксперимент при изучении свойств гидросульфита натрия на уроках химии

Введение



В настоящее время информатизация стала основой всех сфер жизни общества. Учитывая сложившуюся реальность, обществу необходимо найти такую организацию образовательного процесса, которая соответствовала бы естественному пути культурного самоопределения и способствовала бы дальнейшему развитию молодого поколения в условиях формирования современных общественных отношений.

Учащиеся глубоко вникают в сущность проводимых опытов, задумываются над их результатами и пытаются ответить на вопросы только в том случае, если эксперимент поражает воображение и сильно влияет на эмоциональную сферу. Но для того, чтобы эксперимент не приобрел развлекательный характер, учащимся с самого начала должна быть ясна цель проводимых опытов. Эксперимент дает возможность не только устанавливать новые факты, но также исправлять ошибки в знаниях учащихся.






1. Проблемный развивающий эксперимент на уроках химии



Некоторые «издержки» использования концентрического принципа в обучении могут быть преодолены с помощью применения проблемного эксперимента.

Условием успешности обучения является организация внутренне мотивированной деятельности, что требует развёрнутого содержания, сконструированного по восхождению от абстрактного к конкретному, где предметом содержания является не только содержание химического материала, но и способы его познания. Система организации УПД помогает ученику выстраивать индивидуальную траекторию обучения. 

Перед учителем химии стоит задача не только дать учащимся определенный круг знаний, но и привить экспериментальные умения и навыки. Этого можно достичь, если постоянно учитывать индивидуальные особенности и подготовку учащихся. В применении к химическому эксперименту это означает, что процесс обучения должен быть направлен на то, чтобы учащиеся умели не только правильно выполнять химический опыт, но и могли объяснять его сущность. Поэтому задача преподавателя – научить школьников четко выполнять приемы или операции, вникать в суть происходящих явлений, уметь правильно и логично объяснять увиденное. 

Классификация экспериментальных умений и навыков, а также определение трех уровней их формирования позволяет осуществлять в ходе проведения эксперимента индивидуально-дифференцированный подход к учащимся в зависимости от их потенциальных трудовых возможностей.

Психолого-педагогическое обоснование дифференцированного подхода при проведении химического эксперимента обусловлено следующими факторами:

– разной трудовой подготовкой учащихся к началу про ведения эксперимента; 

- различным отношением учащихся к труду;

– неодинаковым уровнем способностей школьников к изучению предмета «Химия»; 

- различным уровнем возможностей в усвоении тех или иных приемов, операций; 

- различным состоянием темпа работы у учащихся; 

- различным уровнем самоконтроля и возможностями устранения неисправностей по ходу выполнения опыта. 

Вопросы, связанные с формированием экспериментальных умений и навыков, а также развитием мышления у учащихся, необходимо решать на основе всевозрастающей их самостоятельности, обеспечивающей активную работу школьников.

В этом направлении можно многое сделать, не изменяя тематики и количества предусмотренных программой практических занятий. Необходимо учитывать, что не каждое практическое занятие может обеспечить самостоятельное приобретение знаний учениками в условиях творческого поиска.

Первый уровень экспериментальных умений и навыков обучающихся. К первому уровню относятся типичные умения и навыки, необходимые для усвоения содержания учебной программы по химии всеми обучающимися. На этом уровне ученики выполняют практические работы и лабораторные опыты по инструкциям и еще нуждаются в контроле и помощи преподавателя. По мере овладения обязательными умениями необходимо требовать от учащихся проявления при выполнении эксперимента все большей самостоятельности.

Организационные умения и навыки

– составление плана эксперимента по инструкции; 

- определение перечня реактивов и оборудования по инструкции; 

– подготовка формы отчета по инструкции;

– выполнение эксперимента в заданное время, использование знакомых средств, методов и приемов в работе; 

– осуществление самоконтроля по инструкции; 

- знание требований к письменному оформлению результатов эксперимента; 

- отсутствие, как правило, чистоты и порядка на рабочем месте; 

- потребность в систематическом контроле и помощи в работе со стороны преподавателя.

Технические умения и навыки

– правильное обращение с известными реактивами и оборудованием; 

- сборка приборов и установок из готовых деталей по инструкции; 

- выполнение химических операций по инструкции; 

- соблюдение не всех правил безопасности труда.

Измерительные умения и навыки

– работа с измерительными приборами в соответствии с инструкцией; 

- знание и использование методов измерений по инструкции; 

- обработка результатов измерений по инструкции.

Интеллектуальные умения и навыки

– уточнение цели и определение задач эксперимента согласно инструкции; 

- выдвижение гипотезы эксперимента с помощью преподавателя; 

- отбор и использование теоретических знаний по указанию преподавателя; 

- наблюдение и установление характерных признаков явлений и процессов по инструкции; 

- сравнение, анализ, установление причинно-следственных связей, обобщение полученных результатов и – формулировка выводов под руководством преподавателя.

Конструкторские умения и навыки

– исправление простейших неполадок в оборудовании, приборах и установках по инструкции под контролем преподавателя; 

- пользование готовым оборудованием, приборами и установками; 

- изготовление простейшего оборудования, приборов и установок под руководством преподавателя;

– изображение оборудования, приборов и установок в виде рисунка.

Второй уровень экспериментальных умений и навыков обучающихся. Второй уровень предполагает приобретение учащимися таких умений и навыков, которые позволяли бы им выполнять химический эксперимент без подробных инструкций, в измененных условиях, пользоваться алгоритмическими предписаниями к опытам, а в работе проявлять самостоятельность. При этом в контроле и помощи преподавателя такие ученики нуждаются эпизодически.

Организационные умения и навыки 

- составление плана эксперимента без подробной инструкции; 

- определение перечня реактивов и оборудования без подробной инструкции; 

- подготовка формы отчета без подробной инструкции; 

- рациональное использование времени, средств, методов и приемов в ходе выполнения работы;

– осуществление самоконтроля без инструкции; 

- письменное оформление результатов эксперимента с привлечением справочной литературы, с рисунком или схемой; 

- содержание рабочего места в чистоте и порядке; 

- эпизодическая потребность в контроле и помощи в работе со стороны преподавателя.

Технические умения и навыки

– правильное обращение с различными реактивами и оборудованием; 

- сборка приборов и установок из готовых деталей по рисунку или схеме без подробной инструкции;

– установление очередности выполнения операций без подробной инструкции; 

- постоянное соблюдение всех правил безопасности труда.

Измерительные умения и навыки 

- работа с измерительными приборами без подробной инструкции; 

- знание и использование методов измерений без подробной инструкции; 

- обработка результатов измерений без подробной инструкции.

Интеллектуальные умения и навыки

– определение цели и задач эксперимента без подробной инструкции; 

- выдвижение гипотезы и определение содержания эксперимента с незначительной помощью преподавателя;

– использование теоретических знаний по аналогии; 

- наблюдение и установление характерных признаков явлений и процессов без подробной инструкции;

– сравнение, анализ, установление причинно-следственных связей, обобщение полученных результатов и формулировка выводов с незначительным участием преподавателя.

Конструкторские умения и навыки

– осуществление ремонта оборудования, приборов и установок по указанию преподавателя; 

- внесение некоторых изменений в конструкцию оборудования, приборов и установок; 

- изготовление простейшего оборудования, приборов и установок по инструкции; 

- изображение оборудования, приборов и установок в виде схемы.

Третий уровень экспериментальных умений и навыков обучающихся. Третий уровень составляют умения и навыки, характерные для учеников, проявляющих глубокий интерес к химии, самостоятельность и творческий подход при выполнении химического эксперимента. В контроле и помощи преподавателя такие ученики не нуждаются.

Организаторские умения и навыки

– самостоятельное планирование эксперимента и теоретическое его обоснование; 

- самостоятельное определение перечня реактивов и оборудования; 

- внесение изменений в форму отчета; 

- экономное расходование времени и отбор наиболее эффективных средств, методов и приемов в процессе выполнения работы; 

- увеличение количества критериев самоконтроля; 

- письменное оформление результатов эксперимента с привлечением справочной и научной литературы, чертежей; 

- содержание рабочего места в чистоте и порядке в течение всего эксперимента; 

- самостоятельное выполнение эксперимента.

Технические умения и навыки

– правильное обращение с различными реактивами и оборудованием и замена одних другими;

– сборка приборов и установок из готовых деталей по чертежу; 

- самостоятельное составление очередности всех операций и выполнение их в процессе эксперимента;

– строгое соблюдение всех правил безопасности труда.

Измерительные умения и навыки

– самостоятельная работа с различными измерительными приборами; 

- использование различных методов измерения; 

- привлечение к обработке результатов измерений вычислительной техники, таблиц, справочной литературы и др.

Интеллектуальные умения и навыки

– самостоятельное определение цели и задач эксперимента; 

- самостоятельное выдвижение гипотезы и составление алгоритма про ведения эксперимента;

– самостоятельное использование теоретических знаний в новых условиях; 

- самостоятельное наблюдение и установление характерных признаков явлений и процессов;

– самостоятельное осуществление синтеза, анализа, установление причинно-следственных обобщений,

– формулировка и сопоставление выводов с целью и задачами эксперимента.

Конструкторские умения и навыки

– самостоятельное проведение ремонта оборудования, приборов и установок; 

- усовершенствование конструкции оборудования, приборов и установок; 

- изготовление приборов по чертежу;

– изображение оборудования, приборов и установок в виде чертежа.

Способы создания проблемных ситуаций

Использование противоречий между изучаемыми фактами и имеющимися знаниями, на основе которых учащиеся высказывают неправильные суждения.

Построение гипотезы на основе известной теории, а затем её проверка.

Нахождение рационального пути решения, когда заданы условия и конечная цель

Использование принципа историзма.

Демонстрация или сообщение некоторых фактов, которые неизвестны учащимся и требуют для объяснения дополнительной информации, побуждают к поиску новых знаний




2. Проблемно-развивающий эксперимент при изучении свойств гидросульфита натрия



Гидросульфит натрия может проявлять в химических реакциях свойства восстановителя или окислителя. Такая возможность обусловлена промежуточной степенью окисления атомов серы в молекулах этого вещества. Поскольку степень окисления атомов серы в гидросульфите натрия равна +4, то в определенных условиях в химических реакциях она может повышаться до значения +6 или понижаться, например, до 0.

Проведенная научно-исследовательская работа позволила разработать эксперименты, характеризующие гидросульфит натрия не только как восстановитель, но и как окислитель. Это новые проблемные эксперименты, которые предлагаются именно для школьных условий с учетом возможностей школьного химического кабинета и его материальной базы.

Характеристику окислительно-восстановительных свойств гидросульфита натрия целесообразно начинать с проведения экспериментов, устанавливающих восстановительную функцию этого соединения в химических реакциях, так как она наиболее типична для соединения серы, в которых атомы серы находятся в данной степени окисления.

Раствор гидросульфита натрия готовит учитель, растворяя 10 г. пиросульфита натрия в 90 мл дистиллированной воды. При растворении образуется раствор кислой соли:







2.1 Восстановительные свойства гидросульфита натрия



Опыт 1. Взаимодействие гидросульфита натрия с гидроксидом меди(П)

Реактивы и оборудование: 10%-ный раствор сульфата меди(П), 10%-ный раствор гидроксида натрия, раствор гидросульфита натрия; пробирки, спиртовка, фарфоровая чашечка. Выполнение опыта. В пробирку с 3 мл раствора гидросульфита натрия добавляют такой же объем раствора сульфата меди(И) и затем постепенно при перемешивании содержимого пробирки по каплям добавляют 1 мл раствора щелочи. Выпадает желтый осадок При нагревании пробирки цвет осадка изменяется на темно-красный. Осадок вместе с раствором сливают в фарфоровую чашечку, отделяют осадок от раствора и рассматривают полученный осадок.

Обсуждение опыта и вывод. Эксперимент по своим результатам сходен с известным опытом восстановления гидроксида меди(П) глюкозой. Но в данном случае используют неорганический восстановитель – гидросульфит натрия. Как же объяснить полученные результаты?

Возникающая при проведении опыта проблемная ситуация требует от учащихся выдвижения достоверной гипотезы. Они должны предположить, что сначала протекает обменная реакция между раствором сульфата меди(Н) и раствором щелочи, но так как в пробирке находится еще восстановитель – гидросульфит натрия, то протекает и окислительно-восстановительная реакция. Получающийся в ходе эксперимента гидроксид меди(П) сразу восстанавливается, поэтому выпадает не синий осадок, а желтый. Нагревание полученного осадка способствует его разложению с образованием темно-красного оксида меди(Г).

Учитель подтверждает гипотезу и предлагает учащимся составить уравнения последовательно протекающих химических реакций:







Сравнение данного эксперимента с опытом по восстановлению гидроксида меди(П) глюкозой, который обычно проводится в курсе органической химии, позволяет сделать вывод, что разные по своей природе восстановители – глюкоза (органический восстановитель) и гидросульфит натрия (неорганический восстановитель) – могут сходным образом взаимодействовать при нагревании с гидроксидом меди(П), восстанавливая этот гидроксид.

Опыт 2. Восстановление серебра раствором гидросульфита натрия

Реактивы и оборудование: аммиачный раствор оксида серебра, раствор гидросульфита натрия, 2%-ный раствор едкого натра; пробирки, спиртовка, водяная баня.

Выполнение опыта. В пробирку, предварительно подготовленную для проведения реакции «серебряного зеркала» (обезжиренную и пропаренную), наливают раствор аммиаката серебра, затем добавляют по 2–3 капли раствора щелочи и раствора гидросульфита натрия. Пробирку нагревают на водяной бане. Наблюдают образование на стенках пробирки серебра в виде зеркального налета.

Обсуждение опыта и вывод. Восстановление серебра происходит примерно так же, как и в опыте с глюкозой. Необычность протекания реакции с гидросульфитом натрия создает проблемную ситуацию. Поиск ее решения учащиеся могут осуществлять уже самостоятельно, опираясь на сведения, полученные при обсуждении эксперимента по восстановлению гидроксида меди(Н).

Проведенный эксперимент доказывает уже на другом примере проявление гидросульфитом натрия восстановительных свойств.

Уравнение реакции можно составить в двух вариантах.

	Первый вариант – упрощенный:

	

	




В случае если учащиеся имеют необходимую предварительную подготовку, уравнение составляют в более точной форме:

	

	



После обсуждения и составления уравнений реакций делают вывод о том, что гидросульфит натрия – достаточно сильный неорганический восстановитель.

Опыт 3. Взаимодействие гидросульфита натрия с иодом

Реактивы и оборудование: раствор гидросульфита натрия, раствор иода; пробирки.

Выполнение опыта. В пробирку с разбавленным водой спиртовым раствором иода прибавляют раствор гидросульфита натрия. Окраска раствора иода сразу изменяется, он становится бесцветным.

Обсуждение опыта и вывод. Моментальное изменение цвета раствора иода означает, что иод сразу окисляет гидросульфит натрия и в ходе реакции образуются новые бесцветные соединения. Возникает проблемный вопрос: почему скорость данной химической реакции очень большая? От учащихся требуется также правильно составить уравнение наблюдаемой реакции, учитель предлагает им ответить на поставленные вопросы самостоятельно.

Анализируя ход протекающей реакции, учащиеся должны выдвинуть предположение о том, что в этом эксперименте иод проявляет по отношению к гидросульфиту натрия сильные окислительные свойства. Гипотезу учащихся подтверждает учитель и дополнительно разъясняет, что такие сильные окислители, как галогены, очень легко и быстро окисляют гидросульфиты, в отличие, например, от кислорода, который окисляет их медленно и постепенно.

На этом свойстве – легком окислении гидросульфитов галогенами – основано применение гидросульфита натрия в промышленности в качестве «антихлора» (средства для удаления хлора из отбеленных тканей).

Составляют уравнение протекающей реакции:







Затем делают вывод: сильные окислители легко окисляют гидросульфит натрия до высшей степени окисления атомов серы (+6).

Опыт 4. Окисление гидросульфита натрия перманганатом калия

Реактивы и оборудование: раствор гидросульфита натрия, разбавленный раствор перманганата калия, 10%-ный раствор серной кислоты; пробирки.

Выполнение опыта. В пробирку с раствором перманганата калия сначала добавляют раствор серной кислоты для создания кислотной среды. Затем к подкисленному раствору перманганата калия добавляют раствор гидросульфита натрия. Красно-фиолетовая окраска раствора сразу изменяется: он становится бесцветным.

Обсуждение опыта и вывод. Как и в предыдущем эксперименте, изменение цвета раствора окислителя происходит очень быстро. Учащимся объясняют, что для эффектного протекания реакции к раствору перманганата калия добавляют раствор серной кислоты, поскольку в кислой среде перманганат калия проявляет окислительные свойства наиболее сильно. Сравнивая протекание реакций в этом и предыдущем опытах, учащиеся убеждаются, что и с другим сильным окислителем – перманганатом калия – реакция протекает с большой скоростью.

В этом случае проблема будет заключаться в правильном составлении уравнения реакции. Учитель разъясняет, что в кислотной среде перманганат-ион восстанавливается до Mn2+. Об этом свидетельствует обесцвечивание раствора перманганата калия. Если бы реакция протекала в другой среде, то по-другому изменялся бы и цвет раствора: в щелочной среде – до зеленой окраски вследствие образования манганата калия, а в нейтральной среде выпал бы осадок оксида марганца (IV) бурого цвета.

Далее учащиеся могут самостоятельно составить уравнение наблюдаемой реакции:







Делается вывод: поскольку перманганат калия в кислотной среде сильный окислитель, реакция окисления гидросульфита натрия протекает очень легко.

Опыт 5. Окисление гидросульфита натрия хлоридом железа(Ш)

Реактивы и оборудование: раствор гидросульфита натрия, 10%-ный раствор хлорида железа; пробирки, спиртовка.

Выполнение опыта. В пробирку с раствором хлорида железа добавляют раствор гидросульфита натрия. Интенсивность окраски раствора значительно возрастает. При нагревании полученного раствора цвет постепенно изменяется: сначала окраска ослабевает, а затем раствор становится бесцветным.

Обсуждение опыта и вывод. Выполнение этого эксперимента ставит перед учащимися следующие проблемы.

	Почему не происходит сразу обесцвечивание раствора окислителя, ведь хлорид железа достаточно сильный окислитель?

	Почему в начале опыта окраска раствора значительно усиливается?

	Почему желтовато-коричневая окраска раствора хлорида железа исчезает только при нагревании?

Ответы на эти вопросы могут быть получены при проведении эвристической беседы с учащимися. В самом начале выполнения опыта они могли предположить, что данный окислитель не окисляет гидросульфит натрия, поскольку окраска раствора хлорида железа(Ш) при окислении должна ослабевать. Усиление окраски раствора до темно-коричневой приводит их в недоумение. И только нагревание раствора, сопровождающееся ослабеванием окраски и последующим ее исчезновением, вносит определенные коррективы в рассуждения учащихся.

Для получения правильных ответов на все возникшие вопросы необходимо, чтобы учащиеся актуализировали свои знания из разных разделов курса химии.

Повышение интенсивности окраски раствора означает, что сначала происходит смещение равновесия гидролиза соли в сторону его усиления:







Растворы солей железа, подвергшихся значительному гидролизу, окрашены в темно-коричневый цвет. Значит, в начале опыта при добавлении к раствору хлорида железа раствора гидросульфита натрия идет не окислительно-восстановительная реакция, а преимущественно гидролиз соли. При нагревании раствора между этими двумя веществами протекает окислительно-восстановительный процесс, так как нагревание способствует усилению окислительных свойств хлорида железа.

Уравнение протекающей окислительно-восстановительной реакции:







В завершение обсуждения формулируется вывод: хлорид железа (III) окисляет гидросульфит натрия только при нагревании, поскольку при этом условии его окислительная способность более высокая.



2.2 Окислительные свойства гидросульфита натрия



Опыт 6. Окисление сульфата железа(П) гидросульфитом натрия

Реактивы и оборудование: раствор гидросульфита натрия, 10%-ный раствор сульфата железа, раствор гексацианоферрата(И) калия; пробирки.

Выполнение опыта. В пробирку с 3 мл раствора гидросульфита натрия постепенно добавляют бесцветный раствор сульфата железа(И) до появления желтовато-коричневой окраски, характерной для растворов солей железа. С целью подтверждения образования сульфата железа(Ш) к полученному раствору добавляют несколько капель раствора гексацианоферрата калия. Выпадает в осадок малорастворимая соль синего цвета – берлинская лазурь.

Обсуждение опыта и вывод. Проведение данного опыта ставит перед учащимися новую проблему. Выясняется, что гидросульфит натрия вступает во взаимодействие не только с солью железа, но и с солью железа. Изменение цвета раствора на желто-коричневый в опыте с раствором соли железа и подтверждение образования соли железа(Ш) в результате реакции означают, что происходит процесс окисления соли железа(И).

Какую же роль играет в этом эксперименте гидросульфит натрия? Учащиеся приходят к выводу, что в данной реакции гидросульфит натрия выступает окислителем.

В предыдущих опытах гидросульфит натрия проявлял свойства восстановителя, легко окисляясь сильными окислителями (иод, перманганат калия и др.). Новый проблемный эксперимент показывает, что гидросульфит натрия может проявлять противоположные свойства – окислителя.

Учащиеся должны обратить внимание на то, что степень окисления атомов серы в гидросульфите натрия – промежуточная между высшей и более низкими значениями. Следовательно, если подобрать для химической реакции определенный восстановитель, то гидросульфит натрия может проявить в ходе нее и свойства окислителя.

После этого обсуждения учитель предлагает учащимся составить уравнение протекающей реакции. Сделать это им будет непросто, но разъяснение учителя, что восстановление серы гидросульфита натрия происходит до образования ее в мелкодисперсном виде, даст правильное направление рассуждениям.

Учащиеся составляют уравнение реакции:







Составляется также уравнение реакции, подтверждающее образование соли железа(Ш):







Теперь можно сделать вывод: гидросульфит натрия в водном растворе может проявлять свойства не только сильного восстановителя, но и окислителя.

Опыт 7. Окисление иодида калия гидросульфитом натрия

Реактивы и оборудование, раствор гидросульфита натрия, 10%-ный раствор иодида калия, 10%-ный раствор серной кислоты; пробирки.

Выполнение опыта. В пробирку с раствором иодида калия добавляют немного раствора серной кислоты (для подкисления) и затем раствор гидросульфита натрия. Наблюдают появление желтовато-коричневой окраски вследствие выделения иода.

Опыт можно провести и так. В пробирку с 3 мл раствора гидросульфита натрия добавляют смесь растворов иодида калия и серной кислоты. Полученный раствор приобретает желтовато-коричневую окраску.

Обсуждение опыта и вывод. Данный эксперимент снова ставит проблему и позволяет уже на другом примере проверить сделанный в предыдущем опыте вывод. Поскольку проведение нового проблемного опыта доказывает, что иодид калия окисляется с образованием иода, то учащиеся уже могут предсказать роль гидросульфита натрия в этом эксперименте.

При обсуждении опыта отмечают, что, как и сульфат железа(П), иодид калия можно использовать в качестве восстановителя в реакциях с гидросульфитом натрия.

На основе этих рассуждений учащиеся делают вывод, что в проведенной реакции с иодидом калия гидросульфит натрия выступает окислителем.

Уравнение реакции составляют по аналогии с предыдущим примером:





	

	После проведения всех проблемных опытов учащиеся могут самостоятельно сделать обобщающий вывод, опирающийся на экспериментальные и теоретические данные гидросульфит натрия в водном растворе проявляет достаточно ярко выраженные кислотные свойства, он может выступать в роли сильного восстановителя, а в некоторых случаях – окислителя.






Литература



		Габриелян О.С., Краснова В.Г. Компетентностный подход в обучении химии. // Химия в школе. – 2007.– №2

		Герус С.А., Пустовит С.О. Методика формирования компетенций: опыт, теория, перспективы. // Химия в школе. – 2007.– №10

		Трофимова И.В. Проблемы проблемного обучения. // Химия в школе. – 2005. – №6.

		Сурин Ю.В. Развивающий эксперимент: программное обеспечение школьного курса. // Химия в школе. – 1998. – №5.

		Сурин Ю.В. Методика проведения проблемных опытов по химии. – М.: Школа-Пресс, 1998.

		Сурин Ю.В. Проблемно-развивающий эксперимент в обучении химии. // Химия в школе. – 2005.– №5

		Шалашова М.М. Ключевые компетенции учащихся: проблема их формирования и измерения. // Химия в школе. – 2008. – №10.

		Шаталов М.А. О способах решения учебных проблем. // Химия в школе. – 2002. – №8.