Введение
В школьном курсе химии значительное внимание уделяется решению задач, способствующих более глубокому и прочному усвоению учащимся знаний, развитию их способностей к химии, формированию умений применять знания в новых ситуациях. Кроме того, решение задач помогает обобщать знания по отдельным вопросам, темам, разделам школьного курса химии. Задачи же повышенной сложности (стандартные и нестандартные) служат своеобразным мостом между школьной программой и реальными задачами, которые придется решать многим учащимся в будущем. Развитие и формирование способностей к химии в немалой степени зависит от методического и общенаучного уровня используемых учителем задач. Важность химических задач, как метода обучения химии, подробно проанализирована в монографии «Методика преподавания химии»(8). В пособии П.Н.Протасов и И.К.Цитович (11) показано значение вычислительных задач в школьном курсе химии, отмечены некоторые недостатки в использовании задач и в методике их решения, рассмотрены особенности решения задач в разных классах.
По обучающему значению задачи по химии можно разделить на три группы: репродуктивные, продуктивные, требующие частично - поисковой деятельности учащихся; творческие. В связи с ограниченностью времени и с учетом требований, предъявляемых к учащимся программ по химии, учителя, как правило, на уроках применяют репродуктивные задачи. Реже, в основном при дифференцированном походе, предлагаются задачи, требующие частично- поисковой деятельности. Как в первом, так и во втором случае используется задачи стандартные, т.е. задачи, для которых методикой предусматривается определенный, установленный по этапам путь решения на основе теоретической подготовки учащихся. Такие задачи называют «стандартные», т.к. они не ставят ученика перед неожиданной, проблемной ситуацией, для которой у них не готов ответ и типовое решение. Стандартные задачи рассчитаны на учеников средних способностей, поэтому учитель не всегда может заметить одаренных детей.
Решение нестандартных задач творческого характера требует от
школьников глубоких и прочных знаний фактического материала, логического
мышления, общей эрудиции. В ходе решения таких задач учитель получает возможность выявить школьников, которые обладают особой склонностью к постижению химических явлений и даром химической интуиции. Именно таких учеников готовят к химическим олимпиадам и обобщения вызывают у учеников затруднениям из-за отсутствия культуры химического мышления, из-за неумения найти нестандартные пути применения своих знаний. Характерной чертой нестандартных задач является их нетипичность, что в максимальной степени способствует развитию творческого мышления школьников.
Глава Ι. Общие методические требования к решению химических задач.
§1. Система химических задач, их место в курсе обучения химии.
В методической литературе нет односторонности в определении понятия «задача». Н.В. Метельский утверждает, что «задача – понятие, которое не определяется и в широчайшем понимании означает то, что требует выполнения, решения». Задачу можно определить как объект мыслительной деятельности, дающий возможность раскрыть взаимосвязи между известными и неизвестными элементами. Иногда под задачей понимают упражнение, которое выполняют с помощью умозаключений. Химическую задачу можно рассмотреть как систему, состояние которой характеризуется определёнными параметрами. Естественно, химической задачей называют небольшую проблему, которая решается с помощью логических умозаключений, математических действий, химического эксперимента на основе понятий, законов и методов химии.
Решение химических задач – важная сторона овладения знаниями основ химии. Включение задач в учебный процесс позволяет реализовать следующие дидактические принципы обучения:1)обеспечение самостоятельности и активности учащихся; 2)достижение прочности знаний и умений;3)осуществление связи обучения с жизнью;4)реализация политехнического обучения химии, профессиональной ориентации.
Формирование умений решать задачи является одним из компонентов обучения химии. Для успешного преподавания химии необходимо
____________________________________________________________________
1. Метельский Н.В. Дидактика математики – Минск: Издательство Белорусского ун-та, 1982, страница 176.
использование основного дидактического принципа единства обучения, воспитания и развития. В процессе решения задач происходит уточнение и
закрепление химических понятий о веществах и процессах, вырабатывается смекалка в использовании имеющихся знаний. Побуждая учащихся повторять пройденное, углублять и осмысливать его, химические задачи способствуют формированию системы конкретных представлений, что необходимо для осмысленного восприятия последующего материала.
Задачи, включающие определённые химические ситуации, становятся стимулом самостоятельной работы учащихся над учебным материалом. Отсюда общепринятое в методике мнение, что мерой усвоения материала следует считать не только и не столько пересказ учебника, сколько умения использовать полученные знания при решении различных задач.
Решение задач является одним из звеньев в прочном усвоении учебного материала еще и потому, что формирование теорий и законов, запоминание правил, формул, составление химических уравнений происходит в действии.
У учащихся в процессе решения задач воспитываются трудолюбие, целеустремленность, развивается чувство ответственности, упорство и настойчивость в достижении поставленной цели. В процессе решения задач реализуются межпредметные связи, показывающие единство природы, что позволяет развивать мировоззрения учащихся. В ходе решения задач идёт сложная мыслительная деятельность учащихся, которая определяет развитие, как содержательной стороны мышления (знаний), так и действенной (операции, действия). Теснейшее взаимодействие знаний и действий является основой формирования различных приемов мышления: суждений, умозаключений, доказательств. В свою очередь знания, используемые при решении задач, можно подразделить на два рода: знания, которые ученик приобретает при разборке текста задачи и знания, без привлечения которых процесс решения невозможен. Сюда входят различные определения, знание основных теорий и законов, разнообразные химические понятия, физические и химические свойства веществ, формулы соединений, уравнения химических реакций, молярные массы веществ и так далее. Психологи и дидакты рассматривают решение задачи как модель комплекса умственных действий. Мышление при этом выступает как проблема «Складывание» операций в определённую
систему знаний и её последующим обобщением. Значительная роль задач в
организации поисковых ситуаций, необходимых при проблемном обучении,
а также в осуществлении процесса проверки знаний учащихся и при закреплении полученного на уроке учебного материала.
§2. Классификация задач.
Окончательно разработанной классификации школьных химических задач не существует. В учебных пособиях по методике химии, в специальных методических пособия по решению задач приводятся различные варианты
классификации задач. Общепринятой является классификация на две группы: расчетные (количественные) задачи и качественные. Каждая группа в свою очередь подразделяется на типы. Но единого мнения, ни о сущности типов, ни об их числе нет. В методической литературе и в программах школьного курса химии задачи в основном классифицируется по способу решения. В пособии А.И.Шаповалова (4) приводится классификация для определения места задач в учебном процессе (схема 1).
Учебные химические задачи подразделяются :
1). По требованию – на нахождение искомого, на доказательство, на конструирование;
2) По структуре – простые, комбинированные;
3) По содержанию – конкретные, производственные или бытовые;
4) По способу подачи – расчетные, качественные, экспериментальные;
5) По решению – арифметические, алгебраические;
6) По дидактической цели – тренировочные, познавательные, творческие.
В зависимости от признаков, выбранных для классификации, одну и ту же задачу можно отнести к разным группам. Это еще раз подтверждает, что любая классификация не может быть исчерпывающей. Даже такая простая классификация, как деление задач на качественные, расчетные и комбинированные, не всегда однозначно относит задачу к одному из классов. Иногда для того, чтобы дать правильный ответ на качественную задачу, нужно провести расчет и сделать соответствующий вывод. Встречаются расчетные задачи, которые могут быть решены на основе чисто качественных рассуждений. Поэтому любая классификация в определенной мере условна.
____________________________________________________________________
1. Цитович И.К., Протасов П.Н. Методика решения расчетных задач по химии. – М., 1983, страница 18-23
Особо следует остановиться на задачах стандартных и нестандартных. Стандартные задачи – это задачи, для которых есть алгоритм решения. Что касается нестандартных задач, то они не могут быть решены по готовой методике и требуют более высокого уровня мыслительной деятельности учащихся. И здесь нет четкой границы между группами, так как стандартная задача превращается в нестандартную, если её предложить учащимся, которые еще не владеют требующимися для решения способами и приемами и должны, по существу, заново открыть их для себя. Решение нестандартной задачи может в отдельных случаях сводиться к приемам решения типичных стандартных задач. Условность термина «нестандартная задача» можно проиллюстрировать на следующем примере. В пяти пронумерованных пробирках без надписей находятся растворы хлорида бария, карбоната калия соляной кислоты, серной кислоты, сульфата натрия. Как можно различить эти растворы, не используя дополнительные реактивы? Когда задачи такого типа впервые были предложены на олимпиадах, их можно было назвать нестандартными, так как они не могли быть решены по имеющимся шаблонам. Однако со временем была разработана четкая методика решения задач этого типа – метод перекрестных взаимодействий, который сводится к следующим этапам:
1. Составляем таблицу возможных взаимодействий между растворами, используя следующие обозначения: образование осадка, выделение газа, отсутствие признаков реакции.
2. Сливаем небольшие порции каждого раствора с другими растворами и отмечаем в таблице «результаты взаимодействий».
3. Сравниваем две таблицы и устанавливаем содержимое каждой пробирки.
Таким образом, после появления в методической литературе алгоритма решения задача превратилась в заурядную задачу для экспериментального тура олимпиад.
Классификация олимпиадных задач не является в достаточной степени разработанной. Это, возможно, объясняется именно тем, что многие олимпиадные задачи оригинальные, нестандартные, не имеют аналогов. В пособии (7) задачи размещены по степени трудности в соответствии с классом. В сборнике «Польские химические олимпиады» (9) задачи разбиты на 8 разделов. Однако при таком делении в один и тот же раздел попадают задачи, различные по содержанию фактического материала, структуре, способам
решения. Более общую классификацию олимпиадных задач предлагает
С.С.Чуранов(12). В практической деятельности учителей, занимающихся подготовкой учащихся к химическим олимпиадам, удобно вести классификацию олимпиадных задач по структуре, точнее, по форме построения самой задачи. Необходимость создания такой классификации вызвана тем, что интересующиеся химией учащиеся теряются перед многообразием олимпиадных задач, не имея начальных ориентиров, и в итоге не могут решить даже вполне посильные для них задачи. Естественно, предлагаемая классификация не охватывает все олимпиадные задачи, так как совершенно очевидно, что сделать систематизацию нестандартных задач по одному из признаков крайне затруднительно. Классификация задач указанного типа, не являясь строгой, оказывается плодотворной при анализе возможных подходов к решению некоторых задач.
О.С.Зайцев пишет: «До настоящего времени еще не удалось окончательно узнать, как решается новая задача, но выработаны многочисленные советы, как следует подходить к решению задачи» (5). Конечно, это относится, прежде всего, к творческим задачам, но и говоря о любой нестандартной задаче, мы используем термин «подход к решению», а не термины «метод» и «способ» (решения). Следует подчеркнуть, что если исходить из данной классификации, то очень многие олимпиадные задачи придется отнести к комбинированным (или комплексным), то есть одновременно содержащим элементами разных типов. Тем не менее, даже такое упрощенное рассмотрение в ряде случаев оказывается полезным с практической точки зрения.
§3. Формирование понятий о двух сторонах химической задачи.
Использование химических задач в процессе обучения химии выполняет свою роль в полной мере лишь в том случае, если при их решении внимание обращается не только на вычисление, но и на химическую сущность задачи. Вещества и их превращения рассматривается как с качественной, так и с количественной стороны. Поэтому и в решении задачи следует выделить две части: химическую и математическую. Таким образом, единство качественной и количественной стороны химических явлений является методологической основой решения любой расчетной задачи по химии.
Две стороны химической формулы или химического уравнения реакции, используемые в задаче, неотделимы, и поэтому нельзя ограничивать или
специально выделять какую-то одну из них в процессе обучения решению задач. Однако, как показывает практика, в большинстве случаев решение химической задачи сводится к расчетам, а химическая сторона остается в тени.
В каждой расчетной задаче по химии как бы скрыта качественная задача, без которой порой невозможно выполнить математические действия (схема 2). Поэтому вначале необходимо у учащихся сформировать умения разбираться в качественных задачах, затем перейти к разбору расчетных задач.
Схема№2
Химическая часть
решения
Математическая часть
решения
Глава ΙΙ. Общие подходы к решению некоторых типов задач по неорганической химии.
§1. Задачи тестового характера.
К этому типу относятся задачи и вопросы общего характера, помогающие, с одной стороны, проверить базовые знания учащихся, соответствующие учебной программе, а с другой – культуру химического мышления, способности ученика к анализу и обобщению в рамках более или менее стандартной ситуации. Из расчетных задач тестового характера на олимпиадах Ι – ΙΙ этапов широко используются стандартные задачи, относящиеся к програмным типовым, или же несколько усложненные комбинированные задачи. Например: предлагается установить количественный состав сплава алюминия и цинка по известному объему водорода, выделившегося при растворении определённой навески сплава. Как правило, на олимпиадах первых этапов задачи и вопросы тестового характера составляются исходя из пройденного по времени проведения олимпиады материала и не требуют для своего решения сверх программных знаний. Однако на областных олимпиадах, не говоря уже о более сложных этапах, нередко встречаются задачи, явно непосильные для ученика, не работающего с дополнительной литературой, содержащей материал, который выходит за рамки программы. В этом случае бывает, что ученик, любящий химию и достаточно хорошо успевающий по этому предмету, после неудачного участия в олимпиаде теряет интерес к химии, разочаровывается в своих возможностях. В итоге у такого ученика может сформироваться негативное отношения не только к химии как к науке, но и к любой профессии, прямо или косвенно связанной с химией. Другими словами, одно из важнейших назначений олимпиад профориентация – оборачивается своей противоположной стороной, что совершенно недопустимо. Во избежание такого положения иногда в олимпиадное задание сознательно вводят одну-две элементарные задачи, доступные даже для относительно слабо подготовленного ученика. Это утешительные задачи.
Задачи тестового характера: 1) должны быть построены таким образом, чтобы существовало несколько уровней решения, соответствующих разным уровням подготовки учащегося; 2) должны быть такими, чтобы разбивались на отдельные самостоятельные части. Рассмотрим пример задачи первого типа.
Задача 1. В каких случаях менее сильная кислота вступает в реакцию обмена с солью более сильной кислоты?
Такую задачу способен хотя бы частично решить практически любой ученик, участвующий в олимпиаде, имеющий твердые знания по теме «Электрическая диссоциация», но исчерпывающее решение не является вполне элементарным. Действительно, есть несколько существенно различающихся случаев, удовлетворяющих условию задачи, и не каждый школьник сможет привести соответствующие примеры, но любой участник обязан знать условия прохождения до конца реакций йонного обмена, и может дать хотя бы общий ответ на поставленный вопрос.
Решение. 1) В результате реакции обмена образуется соль, не растворимая в более сильной кислоте → +2
2)Более сильная кислота при нагревании будет летучей:
3) Происходит комплексообразование (анионы слабой кислоты связываются с катионами металла, входящего в состав сильной кислоты, в устойчивый комплексный йон). Такую реакцию также можно условно считать реакцией йонного обмена: + 3
4) Более слабая кислота реагирует с основной солью более сильной кислоты: (
5) Образующая соль слабой кислоты растворима в воде, но является слабым электролитом или неэлектролитном. Это довольно редкий случай. В качестве примера можно привести реакцию взаимодействия между хлоридом ртути (ΙΙ) и
синильной кислотой, используемую для количественного определение :
Во многих случаях между слабой кислотой и солью более сильной кислоты возможны окислительно - восстановительные реакции, но такие реакции не относятся к реакциям обмена, как этого требует условия, и их можно не рассматривать. Иногда задача тестового характера является составной частью более сложной задачи. В этом случае, даже если решение задачи в целом непосильно для него частью.
Задача 2. Какой объём кислорода при температуре 20 и давлении 105 кПа требуется для окисления хлорида железа(ΙΙ) в его подкисленном соляной кислотой растворе массой с массовой долей хлорида 10%. Как влияет понижение , повышение температуры, введение в раствор йонов на процесс окисления кислородом воздуха по схеме: (
Как можно замедлить процесс окисления йонов железа в растворе железного купороса? Предложить методику очистки железного купороса, хранившего на открытом воздухе.
Решение. 1). Вычислим массу в растворе:
2).Составим уравнение реакции окисления:
3). Вычислим объем кислорода при (н.у.), который требуется для окисления :
4моль
4х126,7
20г
х=0,884л
4). Приведём объем кислорода к условием указанным в задаче: (
5). Введение йонов повышает скорость окисления , так как трехзарядные йоноы более прочно, чем связывают с данными йонами в комплексные йоны.
6). Йоны практически не влияют на процесс окисления, так как соответствующие нитраты хорошо растворимы, а сам йон имеет небольшую склонность к комплексообразованию.
7). Влияние на скорость окисления раствора это наиболее трудный вопрос, поскольку здесь имеется ловушка, которую можно не заметить. Хотя йоны входят в левую часть уравнения, повышения кислотности раствора (понижение смещает равновесие не вправо, а влево. Хорошо известен тот факт, что в щелочной среде процесс окисления до идёт не много легче, чем в кислой среде. При повышении гидролиз йонов усиливается, и за счет
образование йонов и т.д. до гидрооксида равновесие при повышении смещается вправо, а при понижении – влево. То есть: чем выше раствора, тем сильнее степень гидролиза йонов , и присоединения к ним электронов менее выгодно из-за уменьшения заряда.
8). Повышение температуры также повышает скорость окисления йонов из-за усиления гидролиза йон.
9). Процесс окисления йонов в растворе сульфата железа (II) можно замедлить подкислением раствора и понижением температуры.
10). Наиболее простая методика очистки: растворить железный купорос в воде и подкислить раствор серной кислотой, при этом основная соль , в которую превращается сульфат железа (II) при окислении на воздухе, 4 перейдет в среднюю:
2К полученному раствору прибавить железные опилки, произойдет восстановления йонов до йонов ;
Определенная сложность использование качественных задач тестового характера состоит в том, что иногда трудно определить, получено решения за счет частично поисковой деятельности учащегося или же решающую роль в решении сыграли дополнительные знания, то есть не всегда ясно, что явилось главным фактором, способствующим решению эрудиции или способности, хотя эти факторы всегда определенным образом взаимосвязана.
Методика решения расчетных задач тестового характера в принципе ничем не отличается от методики решения типовых задач (рекомендуется сначала проанализировать условия и четко выделить, что дано и что требуется определить), этапами мыслительной деятельности учащихся при решении таких задач рассмотрены в пособии 18).
§2. Расчетные задачи с неполным условием.
По своей сути расчетные задачи с неполным условиям аналогичны стандартным, но в них не хватает одного или нескольких элементов, имеющихся в условии типичной, стандартной задачи. В некоторых случаях недостающий элемент или элементы могут быть выявлены уже при внимательном анализе условия.
Задача 3. К раствору йодида одновалентного металла прилили раствор нитрата серебра до прекращения выделения осадка. В итоге оказалось, что масса образовавшегося раствора равна массе исходного раствора йодида. Вычислить массовую долю нитрата серебра в исходном растворе.
Решение. Казалось бы, для решения задачи в условии не хватает слишком многих элементов: неизвестен йодид, его массовая доля в растворе, соотношения масс реагирующих раствором. Но, тем не менее, задача имеет однозначное решение. Здесь, как и во многих других случаях, оказывается эффективным способ решения, исходящий из 1 моль одного из веществ. Наиболее универсальным Способом решения расчетной задачи с неполным условиям, связанной с расчетом по химическому уравнению, является следующим: связать соотношение масс, объёмов или количество веществ по уравнению реакции с условием, а затем проанализировать полученный результат.
I способ решения. Пусть раствор, в котором содержится 1 моль и x (г) , прореагировал с раствором, в котором содержится 1 моль и y (г) . Масса исходного и образовавшегося раствора равны и они составляют:
приравниваем значения и решаем уравнение:
II способ решения. Если прореагировали 1моль и 1моль , причем в растворе было x (г) воды, то увеличение массы раствора на должно компенсироваться тем, что йоны связались в осадок. Следовательно, ; . И далее как в предыдущем способе.
Задача 4. Найти формулу минерала с массовой долей алюминия 10,04и кремния 31,35. Минерал содержит еще два элемента X и Y в массовом соотношении 1:10,652.
Решение. Из массового соотношения X и Y в минералах легко найти и
Если бы элементы X и Y были известны, задача бы решилась по стандартной методике. Очевидно, что из двух неизвестных элементов один будет кислородом, так как в природных алюмосиликатах атомы всегда связаны с атомами кислорода. Элемент X не может быть кислородом, в противном случае кислорода не хватит на связывание алюминия и кремния. Следовательно, Y – кислород. Отсюда находим соотношения между числом атомов , в минерале: = 0,372:1,11:3,349
Наименьшее значение принимаем за 1, тогда в минерале на 1атом алюминия приходится 3атома кремния и 9атомов кислорода.
Представим формулу минерала в виде оксидов: . В соединении на 2атома приходится 18атомов Значит, (15+. Из массового соотношения X и находим:
Если n=2, Это значение соответствует бериллию. Если же валентность X больше двух, то значение нериальное. И так, формула мине рала -
§3 Задачи – головоломки.
Это задачи, в которых предлагается установить вещество или группу веществ по описанию их превращений, выполненному в частично или полностью зашифрованном виде. Задачи – головоломки можно условно разбить на две группы. Первая: исходное вещество неизвестно, но известны действующие реагенты и результаты взаимодействия исходного вещества с реагентами. Задачи этой группы наиболее близки к прикладным задачам аналитической химии. Вторая группа: неизвестны многие вещества, поэтому решить такие задачи сложнее. В задачах – головоломках бывают также числовые данные, и в ходе решения приходится выполнять определенные расчеты. Общий подход к решению задач – головоломок таков: необходимо идентифицировать хотя бы одно вещество, а затем уже дешифровать всю цепочку превращений, то есть необходимо «зацепиться» в условии за одно звено, а затем уже пытаться решить задачу в целом. В самом общем смысле метод решения таких задач состоит в неоднократном использовании методов индукции и дедукции.
К сожалению, бывают случаи, когда задачи данного типа составляются не на должном методическом уровне, и учащемуся приходится решать её на основе установления логических связей между описанными веществами и превращениями. Приведем простейший пример задачи – головоломки.
Задача 5. Одним из продуктов взаимодействия растворов солей А и Б является раствор кислоты В. Безводная кислота В при нагревании растворяет большинство металлов, но не действует на золото и платину. Кислота B может быть получена нагреванием кислоты K и соли D широко используемой в сельском хозяйстве и пиротехнике. Если кислота K взаимодействует со щелочью , возможно образование соли А. Если кислота B взаимодействует со щелочью , то образуется соль В. Назвать все вещества и составить уравнения реакций.
Решение. Судя по описанию, B – азотная кислота; это дополнительно подтверждается областями применения соли, из которой она получается. Но каким образом азотная кислота могла быть одним из продуктов взаимодействия растворов двух солей? Очевидно, какой-то нитрат прореагировал с кислой солью, а в результате реакции катионы нитрата связались с анионами кислой соли в нерастворимую в воде и кислотах соли. Одноосновных кислоты, как правило, не образуют кислых соль. Из двух и многоосновных кислот условию удовлетворяет серная кислота. Тогда K -, , применение нитрата калия соответствует условию задачи. Следовательно, А – гидросульфат калия, нитрат бария, образующий с сульфатами нерастворимый в кислотах осадок,
Уравнения соответствующих реакций:
В данном случае условию также удовлетворяет не только нитрат бария, но и нитрат стронция. Чтобы решения было строго однозначным, условие можно было бы дополнить. Например, указать, что соль B окрашивает пламя в желтовато-зеленый цвет, или привести количественные данные о титровании гидроксида. Ученики охотно решают такие задачи и часто пытаются их
составлять. Однако нередко, приводя правильное решение, школьники не в
состоянии достаточно логично обосновать его однозначность. Если решение задачи – головоломки основывается только на химической интуиции, оно не может считаться исчерпывающим.
Задача 6. Важнейшим соединением элемента x, в котором атом X проявляют наиболее характерную для X степень окисления, является кристаллогидрат соли B, в котором на 1моль соли приходится 2моль . В составе безводной соли B три элемента: Na, X, Y. Массовая доля натрия в кристаллогидрата составляет 5,78. Установить формулу соли, если в ней на 1атом натрия приходится 1атом X.
Решение. Из очень маленького значения массовой доли натрия в кристаллогидрате вытекает, что это натриевая соль одноосновной кислоты. Если предположить, что это соль двухосновной кислоты, то на долю кислотного остатка приходится более 700 а.е.м., что явно нереально. Следовательно, формулу соли можно записать в виде . Из массовой доли натрия в кристаллогидрате можно найти:
Элемент Y не может быть кислородом. Действительно, в этом случае значение не больше четырех, и получается нереально большое значения . Предположение, что - сера, также не дает реального . Если - хлор, то при =197. Это соответствует значению относительной атомной массы залота. Формула кристаллогидрата . Это так называется золотая соль (хлораурат натрия), являющаяся важнейшим препаратом золота. Предположив, что - бром или другой галоген и вычислив , получим слишком маленькие её значения. При использовании задач подобного типа во внеклассной работе можно в качестве домашнего задания предложить учащимся найти в соответствующий литературе области применения соединения, состав которого был установлен в ходе решения задачи, предложить рациональные способы получения или технической переработки вещества. Если при этом будет реализована и какая-то иная воспитательная цель, например экологическое просвещение, то эффективность использования задач – головоломок еще больше повысится.
§4 Задачи – ловушки.
Эти задачи построены таким образом, что из самого условия вытекаеттакое решение или такой путь к решению, которые в итоге оказываются ложными. В условии – «ловушка», в которую легко попасть, если поверхностно проанализировать условие или догматически перенести ранее положенные знания в новую ситуацию. Как отмечает О.С.Зайцев, «при решении нестандартных задач прямой опыт может затруднить поиск решения и привести к неправильным результатам» (5). Это прежде всего относится к задачам – ловушка. В качестве примера приведём следующую задачу.
Задача 7. В два стакана с водой внесли навески лития и натрия массой по 0,1г. В каком стакане после окончания реакции раствор нагревается сильнее?
Здесь ловушка заключается в том, что ученикам известен тот факт, что металлические свойства у натрия выражены сильнее, чем у лития, и натрий реагирует с водой более активно, чем литий: отсюда можно сделать неверный вывод, что в случае натрия раствор нагреется сильнее. Однако правильное решение оказывается не просто прямо противоположным, но и более глубоким.
Решение. Литий и натрий реагируют с водой, образуя гидроксиды и выделяя водород, по общему уравнению: 2
Обе реакции являются сильно экзотермическими, причем можно показать, что тепловые эффекты реакций в расчете на 1моль металла не могут сильно различаться. Действительно, натрий отдает свои электроны легче, чем литий, и за счет меньшей энергии ионизации натрия тепловой эффект в случае натрия должен быть большим. Однако из-за маленького радиуса йона теплота гидратации йона намного больше, чем йона , поэтому за счет данного фактора тепловые эффекты обеих реакций в расчете на 1моль метала – это величины одного порядка и не могут существенно различаться. Но количество вещества лития в навеске массой 0,1 г больше чем втрое превышает количество вещества натрия в такой, же навеске натрия, так как , а =7. Поэтому в стакане, в который бросили кусочек лития, раствор после окончания реакции нагреется сильнее из-за большего количества теплоты, выделившейся в результате реакции. Примечание: сделаем более строгий анализ по термохимическим уравнениям реакции:
По закону Гесса: .
Используя табличные данные получаем:
Таким образом, даже в расчете на 1моль тепловой эффект в случае лития больше. Можно было и не делать числовых расчетов, а просто вспомнить, что литий расположен в ряду напряжений левее натрия из-за намного большей теплоты гидратаций йона , но это было бы не совсем строго, поскольку положение металла в ряду напряжений определяется изменением свободной энергии при образовании гидратированого йона (энергия Гибса), а не энтальпии.
Задача – ловушка часто напоминает по форме элементарную задачу тестового характера, поэтому учащиеся просто недооценивают её сложность. Иногда такая задача и является, по сути, тестовой задачей, цель которой – выяснить, насколько осознанно учащийся владеет знаниями по той или иной теме.
Задача 8. Какую реакцию – кислую, щелочную или нейтральную – будет иметь раствор, полученный в результате сливания растворов гидроксида цезия и соляной кислоты с одинаковой молярной концентрацией веществ . Масса первого раствора равна массе второго раствора .
Если бы смешивались растворы и с одинаковыми объемами, а не массами, решение было бы очевидным. Действительно, в исходных растворах содержалось бы одинаковое количество веществ и . В итоге и полностью прореагтровали бы по уравнению реакции:
. Окончательно образовался бы раствор хлорида цезия. Хлорид цезия как соль, образованная катионами сильного, основания и анионами сильной кислоты, имеет в растворе реакцию близкую к нейтральной, так как практически не гидролизуется.
Но ведь по условию одинаковыми являются массы растворов, а не объёмы. В каком же из растворов содержится большее число молей реагирующего вещества? , поэтому раствор имеет, заметно большую плотность, чем раствор с той же молярной концентрацией. Следовательно, объём прореагировшего раствора будет менше согласно формуле . Отсюда вытекает, что соляная кислота находится в избытке и полученный раствор будет иметь кислую реакцию. Заметим, что если бы в
условии данной задачи речь шла о гидроксиде натрия, а не цезия, сделать правильный вывод на основе чисто качественных суждений было бы невозможно, так как , и мы не сможем сказать без табличных данных, какой из растворов имеет меньшую плотность.
Приступая к решению задачи, нужно лишний раз проанализировать её условие, чтобы выяснить, нет ли в нем более глубокого смысла, так сказать, двойного дна, ловушки, каким бы элементарным не казалось решения. Если приучить учащихся всегда поступать, таким образом, им удастся во многих случаях избежать ошибочного отождествления задачи – ловушки с элементарной задачей тестового характера. Иногда, кстати, бывает наоборот: ученик принимает элементарную тестовую задачу за ловушку и пытается доказать некорректность задачи. Если параллельно этому он все – таки показывает возможное решение такой подход к задаче не следует считать недостатком, влияющим на общую оценку её решения.
§5 Задачи – кроссворды.
Так условно называют задачи, в которых предлагается подобрать вещества, составить уравнения реакций, удовлетворяющие определённым условиям и требованиям. В отличие от задач – головоломок, в условиях задач – кроссвордов не зашифрованы строго определённые вещества или уравнения, которые требуются дешифровать, поэтому они носят более творческий характер и позволяют учащимся проявлять не только знания, но и изобретательность, фантазию. В ряде случаев такие задачи строятся на парадоксах или кажутся неразрешимыми. Задачи данного типа подобны задачам тестового характера, задачам – ловушкам, но их специфической особенностью является то, что решение не является строго определённым и однозначным. Другими словами, этот тип задач больше других приближен к творческим задачам.
Задача 9. Привести примеры нескольких, существенно отличающихся случаев взаимодействия растворов двух средних солей, протекающего без образования малорастворимого или нерастворимого в воде вещества и без выделения газов.
Решение. Соли реагируют друг с другом в очень многих случаях, но ограничения, содержащиеся в условии резко сужают круг поиска. По условию,
все продукты реакции должны быть растворимы в воде, а исходные соли не относится к кислым (большинство основных солей мало растворимы в воде). За счет чего взаимодействие оказывается все-таки возможным?
1). Образуется малодиссоциируемое вещество (достаточно редкий случай):
2). За счет избытка одной из солей образуется комплексная соль, растворимая в воде:
3). Между солями происходит окислетельно - восстановительная реакция с образование растворимых в воде веществ. Этот случай, в свою очередь, можно разбить на варианты: а) катион окисляет катион:
б) анион окисляет анион:
в) катион окисляет или восстанавливает анион: (.
Вот пример задачи – кроссворда, которая может быть отнесена также к задачам – ловушкам.
Задача 10 Можно ли привести пример уравнения реакции, проходящий в сильнокислой среде, в результате которой одновременно образуется хлор и оксид марганца (IV)?
На первый взгляд задача не имеет решения. Действительно, в сильнокислой среде оксид марганца (IV) может окислять до . С другой стороны, в кислой среде соединения марганца обычно восстанавливается до степени окисления +2, а не +4. Но ведь могло быть и наоборот: в реакции атомы марганца выступали в роли восстановителей, а атомы хлора - в роли окислителей. Если это так, то в реакции степень окисления хлора понижалась, а марганца повышалась. Следовательно, в реакцию вступала какая-нибудь соль, в которой хлор имеет положительную степень окисления, например хлорит или хлорат (перхлораты- сильные, но медленно действующие окислители и не проявляют в растворе сильных окислительных свойств). Марганец же в исходном соединении находится в степени окисления +2 и в ходе реакции окислился до . Исходными веществами могли быть хлорат калия и сульфат марганца (II):
5
§6. Творческие задачи.
Дать достаточно общее и четкое определение творческой задачи сложно. Если, например, определить её как задачу, требующую использования примеров творческого мышления, то следует конкретно установить, что понимается под такими приемами. Некоторые авторы считают, что при решении творческих задач ученик приобретает новые сведения в результате самостоятельного поиска, и выделяют особенности таких задач (Е.Н. Кузнецов) (8): а) учащиеся самостоятельно переносят ранее усвоенные знания в новую ситуацию; б)учащиеся приобретают способность видеть новые проблемы в знакомых ситуациях или предвидеть новые функции известного им ранее объекта.
К творческим задачам можно отнести все задачи, которые не имеют строго определенного однозначного решения, при решении которых учащиеся должны проявить не только глубокие знания, но и фантазию, воображение, инженерное мышление. Другими словами, решение творческой задачи должно представлять своеобразную творческую работу учащегося. В данном понимании творческие задачи почти совпадают с категорией реальных задач.
Говоря о творческих задачах, следует упомянуть и о так называемых познавательных задачах О.С.Зайцев (5) называет познавательными задачи, для решения которых необходимо искать дополнительную информацию, использовать приемы творческого мышления и методы научного познания.
Особенно важны творческие задачи с практическим содержанием, прикладного характера. Например, в задаче предлагается разработать достаточно дешевую технологию очистки промышленных вод предприятия от определенного вещества, предложить способ рентабельной переработки минерала или какого-нибудь отхода химического производства. Для учащихся, проживающих в сельской местности, такие задачи следует максимально приближать к реальным задачам химизации сельского хозяйства. Чем ближе задача к реальным проблемам, с которой сталкивается человек в своей практической деятельности, тем выше роль таких задач в формировании будущего гражданина с активной жизненной позицией.
§7. Объемные отношения в реакциях между газами.
При постоянных давлении и температуре объемы газов пропорциональны количествам содержащихся в них веществ. Коэффициенты в уравнениях реакций с участием газов показывают соотношения не только между количествами веществ, но и между объемами газов, как вступивших в реакцию, так и образовавшихся в её результате.
Задача 11. К 1л смеси этана и этилена добавили 1 л водорода и полученную смесь пропустили над никелевым катализатором. Объем смеси после этого при тех же условиях составил 1,3л. Установить состав исходной смеси в процентах по объему.
Решение. Вводим обозначения, составляем уравнения реакций:
1л +
Общий объем газов до реакции: Общий объем после реакции:
В соответствии с уравнением в реакцию вступают равные объемы этилена и водорода. Т.к. смеси и , то этилен прореагирует полностью, а водород в избытке.V(х л, V(, то х+у=1
По реакции х л с х л и образуется х л
Следовательно в конечной смеси будет содержатся (1-x)л оставшегося водорода и (y+x)л этана: 1-x+y+x=1,3. Составляем систему уравнения:
x+y=1
1-x+y+x=1,3. Решая ее, получим x=0,7 , y=0,3.
Следовательно, объемные доли компонентов смеси равны:
Ответ: 70 этилена и 30 этана (по объему).
Выводы.
Решение задач занимает в химическом образовании важное место, так как это один из приемов обучения, посредством которого обеспечивается более глубокое и полное усвоение учебного материала по химии и вырабатывается умение самостоятельного применения приобретённых знаний.
Чтобы научится химии, систематическое изучение известных истин химической науки должно сочетаться с самостоятельным поиском решения сначала малых, а затем больших проблем, сложных и нестандартных задач.
Считаю, что в современных условиях для того, чтобы решить проблему химического образования, направленную на формирование систематических знаний, интеллектуальное развитие учащихся и активизацию их познавательной деятельности, необходимо иметь надежное методическое обеспечения. Существует потребность в разработке специальных пособий для учащихся и учителей, которые бы содержали значительное количество нестандартных задач и ориентировали бы на широкое разнообразие последних.
Нестандартные задачи, на мой взгляд, являются ценным стимулятором мыслительной деятельности учащихся. Использовать их можно при проведении различных форм внеклассной работы по химии, что способствует удовлетворению интересов учащихся, систематизации и углубления их знаний. При этом у учащихся повышается интерес к химии, что способствует их профессиональной ориентации.
Психологические исследования проблемы обучения решению задач показывают, что несформированность умений является следствием причин, которые просто не принимаются во внимание. Так вот, если задачи решать не по тому образцу, который предложен учителем, а пытаться сделать это нестандартным способом, по-своему. Решая задачу, осознавать должным образом свою собственную деятельность, понимать сущность задачи и ход её решения. Всегда анализировать содержание задачи, проводить её осмысление и обоснование. Выработать общий подход к решению и определить последовательность действий. Правильно использовать химический язык, математические действия и обозначения физических величин. На первое место при решении задачи ставить объяснение хода решения, а не получение ответа любой ценой. Тогда решение задач не будет вызывать особых трудностей.
Процесс решения станет увлекательным и будет приносить удовлетворение, подобное тому, которое получают любители разгадывания кроссвордов.
Умение решать задачи развивается в процессе обучения, и развивать это умение можно только одним путем – постоянно, систематически решать задачи!
Список используемой литературы
1.Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия.- М.: Высш. Шк.,1981.
2.Дайнего В.И. Как научить школьников решать задачи по органической химии. М.: Просвещение,1982.
3. Метельский Н.В. Дидактика математики – Минск: Издательство Белорусского ун-та, 1982.
4. Ерыгин, Д.П. Методика решения задач по химии: Учеб. Пособие для студентов пед. ин-тов по биол. и хим. спец. – М.: Просвещение, 1989.
5. Зайцев О.С. Познавательные задачи по общей химии.-М.: Изд-во Моск. Ун-та,1982.
6. Зайцев О.С. Задачи и вопросы по химии.-М.:Химия,1985.
7. Кирюшкин Д. М. Методика обучения химии: учеб. пособие для пед. ин-тов / Д. М. Кирюшкин, В. С. Полосин. — М.: Просвещение, 1970.
8. Методика преподавания химии / Под ред. Е.Н.Кузнецовой.- М.: Просвещение,1984.
9. Польские химические олимпиады. Пер. с польск.-М.:Мир,1980.
10. 500 задач по химии.- М.:Просвещение,1981.
11. Цитович И.К., Протасов П.Н. Методика решения расчетных задач по химии. – М., 1983.
12. Чуранов С.С. Химические олимпиады в школе.-М.:Просвещение,1982.
13. Справочник по элементарной химии/ Под ред.А.Т.Пилипенко.- К.:Наук.думка,1985.
14. Хомченко Г.П., Хомченко И.Г.Задачи по химии для поступающих в вузы.- М.: Просвещение,1981.
Содержание
Введение
Глава Ι. Общие методические требования к решению химических задач.
§1. Система химических задач, их место в курсе обучения химии.
§2. Классификация задач.
§3. Формирование понятий о двух сторонах химической задачи.
Глава ΙΙ. Общие подходы к решению некоторых типов задач по неорганической химии.
§1. Задачи тестового характера.
§2. Расчетные задачи с неполным условием.
§3 Задачи – головоломки.
§4 Задачи – ловушки.
§5 Задачи – кроссворды.
§6. Творческие задачи.
§7. Объемные отношения в реакциях между газами.
Выводы.
МЕТОДИКА
РЕШЕНИЯ НЕСТАНДАРТНЫХ ЗАДАЧ
И ЗАДАЧ ПОВЫШЕННОЙ СЛОЖНОСТИ
Работа учителя химии
Брянковского УВК№10
В.Н.Каменской
