На чтение: ≈ 8 мин.Как школьный учитель, я работаю в основном с одиннадцатиклассниками. И давно заметил, что ученики физико-математических классов к химии относятся с опаской и заметным отвращением. Их объяснения своего неуважения к моему предмету простые: «Ну в вашем химкабинете сплошные реактивы, нельзя ни есть, ни пить, ни жвачку жевать». Для них химия – это наука о непонятных формулах, едких «реактивах» в специальных колбах и пробирках. Поэтому мы с коллегами пытаемся преодолеть отчуждение человека от вещества, воспринимаемого обычно ках «химический реагент» в специальной посуде (см., например, Морозова Н.И. «Чаепитие в химкабинете. Опыты с заваркой и сахаром», «Учительская газета», №39, 18.09.2001).
А тут представился шанс спасти образ химии в глазах школьников, только начинающих ее изучать, – восьмиклассников. Тема «Скорость химических реакций». Вообще химическая кинетика – моя специальность в химии, и потому всегда кажется невозможным дать близкое к научной реальности изложение учения о скоростях и механизмах реакций без использования аппарата высшей математики и настоящих квантовых представлений. Но для школьников, едва знакомых с химией, главная задача, на мой взгляд, – не «научное» изложение, которое во многих учебниках выглядит пародийным наукообразием, а передача им именно образа химии, «чувства вещества» (см. В. Загорский. «Ершик, банка и протон… Учитесь «чувствовать» вещество – вычислениями мир не удивишь», «Учительская газета», №7, 20 февраля 2001 г.).
Подготовка к уроку (на всю мою огромную химическую кинетику – 1 час) происходила в хозяйственном и продуктовом магазинах.
Закуплены: пачка лимонной кислоты, пачка питьевой соды (гидрокарбонат натрия), 40 одноразовых пластмассовых стаканчиков (прозрачных, это важно!) и 20 одноразовых пластмассовых ложечек. Общие затраты – около 30 рублей, а реально хватит надолго.
Теперь можно приступать к уроку – практической работе.
Учащиеся работают группами по 2-3 человека, на каждую группу выдается 5 стаканов, 2 пластмассовые ложечки и примерно по чайной ложке (без верха) каждого из реактивов.
Сначала знакомимся с химической стороной нашей модельной реакции. В сухой стаканчик насыпаем равные объемы (примерно с горошину каждый) лимонной кислоты и питьевой соды (гидрокарбонат натрия).
Без воды реакция не идет, но при добавлении нескольких капель воды смесь бурно «вскипает». Записываем на доске уравнение реакции:
3NaHCO3 + H3(C6H5O7) = Na3(C6H5O7) + 3CO2 + 3H2O
В такой записи формула органического вещества – лимонной кислоты – вполне воспринимается школьниками.
Если класс достаточно сильный, можно попробовать сделать дополнительный обобщающий эксперимент. Заменяем питьевую соду мелом и предлагаем учащимся определить, что общего в предыдущей реакции и новой:
3CaCO3 + 2H3(C6H5O7) = Ca3(C6H5O7)2 + 3CO2 + 3H2O
Даже до изучения темы «электролитическая диссоциация» можно объяснить, что реакция сводится к взаимодействию карбонат-иона с протоном:
CO32- + 2H+ = H2CO3 = CO2 + H2O
Затем в одном стакане готовим 30-50 мл насыщенного раствора питьевой соды (ее растворимость 9,6 г на 100 г воды при комнатной температуре). В два других стакана насыпаем лимонную кислоту – в первый объемом примерно со спичечную головку, во второй примерно в 5 раз больше. Заливаем лимонную кислоту равными объемами воды (примерно по 10 мл) и растворяем при перемешивании.
Важно, чтобы школьники не пользовались готовыми растворами, а сами приготовили растворы разной концентрации – в данном случае это вполне наглядно: объемы одинаковые, но количества вещества в них разные. Таким образом, понятие концентрации становится в прямом смысле «осязаемым».
В оба стакана с лимонной кислотой одновременно приливаем по 5-10 мл насыщенного раствора гидрокарбоната (главное – не точное значение объема, а одинаковые объемы растворов). Видно, что в стакане, где было больше лимонной кислоты, выделение газа происходит более бурно. Вывод: скорость реакции пропорциональна концентрации реагента.
Вот теперь можно записать и кинетическое уравнение:
DC/Dt = v = k[H3(C6H5O7)]n
Квадратные скобки означают концентрацию лимонной кислоты, обычно выражаемую в моль/л. Скорость химической реакции (изменение концентрации в единицу времени) пропорциональна концентрации лимонной кислоты. Мы работали при постоянной концентрации гидрокарбоната натрия и в данное время не знаем, зависит ли скорость реакции и от нее.
Теперь уместно объяснить, что показатель степени n, называемый порядком реакции по данному веществу (лимонной кислоте), может иметь самые разные значения – от дробных до отрицательных. В некоторых редких случаях он может совпадать с коэффициентом перед формулой вещества в уравнении химической реакции.
За 40-45 минут урока обычно не удается провести второй эксперимент – при постоянной концентрации лимонной кислоты (один раствор делим на две равные части) меняем концентрацию гидрокарбоната натрия. По итогам этого эксперимента мы можем записать другую версию кинетического уравнения:
v = k[NaHCO3]m
Если же второй опыт проведен, можно записать обобщенное кинетическое уравнение для данной химической системы:
v = k[H3(C6H5O7)]n[NaHCO3]m
В описанном исполнении химия перестает быть наукой о колбах и пробирках, а химическая реакция – чем-то абстрактным и опасным. Во всех опытах у нас получалась газированная вода со съедобными добавками. Сама смесь гидрокарбоната натрия и лимонной кислоты является основой «сухих лимонадов» и быстрорастворимых лекарств.
Для получения «сухого лимонада» можно взять те же реагенты в соотношении: 10 г лимонной кислоты и 12 г питьевой соды, добавить сахара по вкусу. Точное соотношение лимонной кислоты моногидрата H3(C6H5O7)·Н2О и 3NaHCO3 : 200 : 252.
Более подробное описание уроков на эту и другие темы есть в интернете. Мы уже подготовили материалы по темам «Строение атома», «Химическая связь», «Элементы химической термодинамики и кинетики».
Уроки находятся на сайте химического факультета МГУ: http://www.chem.msu.su/rus/teaching/Zagorskii/welcome.html, на естественно-научном образовательном портале http://www.en.edu.ru/db/msg/42005/_sp/4961/2761/4961.
Вячеслав ЗАГОРСКИЙ, доцент СУНЦ МГУ, доктор педагогических наук
Выбор читателей
Комментарии