Метод конфликтов применительно к базовому курсу "Химия" общеобразовательной школы.
учебно-методическое пособие по химии (8, 9, 10 класс)

Метод конфликтов применительно к базовому курсу

«химия»

общеобразовательной школы

                                                                      Автор: канд. хим. наук                                                      

                                                               учитель ГОУ 152

                                                                                     Евгений Михайлович Рубцов                            

С-Петербург

2021 г.

Настоящее пособие представляет собой  попытку систематизации тех узловых точек  базового курса “Химия”, в которых может быть приложен  так называемый метод конфликтов. С чисто формальной  точки зрения метод этот не нов и, по крайней мере в отдельных своих частях, известен под другими названиями(проблемный метод, метод бинарных оппозиций и др.). Краткое изложение сути метода позволит внимательному и эрудированному читателю  самому сделать вывод о степени его оригинальности.

Термин "конфликт" отражает, по мнению автора, ту эмоциональную обстановку, которая должна возникнуть на уроке при правильном его построении, обстановку "неудобства существования" в старых теоретических представлениях под гнетом новой информации. Это неудобство диктует необходимость очень короткого, но нового в качественном смысле шага, своеобразного прорыва, что несколько роднит метод по форме с приобретшими в последнее время популярность " французскими мастерскими".

Несколько слов о необходимости введения в урочную практику этого или подобного ему методического приема.  Общеизвестно, что монотонность убивает восприятие. Именно поэтому в методической литературе существует  большое количество описаний  “оживления” процесса изложения, усвоения и закрепления знаний. Все это методическое многообразие опирается, однако, на принцип абсолютной достоверности излагаемой информации, а задания учащимся носят  репродуктивный характер, либо характер приложения освоенных с преподавателем теоретических положений к решению практических задач.

Урок очень похож на спектакль, во всяком случае у этих двух действий есть множество совпадающих элементов. Есть разделение пространства на зрительный зал и сцену,  есть сюжетная канва и заученный текст, есть действие на общем плане и мизансцены, а также ответные реплики партнеров, работающие на продвижение всего сюжета. Есть, правда, и отличия: педагог, как правило, и исполнитель заглавной роли, и бутафор сценической  площадки, и режиссер представленной пьесы.  Жанр сценического действия может быть любым, от фарса до трагедии, важно только одно - спектакль должен быть интересен зрителям, а для этого в нем должна быть интрига и нестыковка различных линий, т.е. конфликт. Конфликт взрывает повествовательную одномерность изложения, высвечивает ограниченность того логического аппарата, который казался до сих пор безупречным, и требует разрешения, т.е. действия. Интрига и ее последствия в принципе могут быть разыграны и одним актером, но именно здесь на сценической площадке и возникает почва для импровизации, для появления новых действующих лиц, которые одной точной репликой могут направить течение сюжета.

Рассмотрим некоторые соображения, касающиеся структуры урока, построенного  с использованием метода конфликтов.

1)Явление конфликта должно быть скрупулезно подготовлено. Для этого факты, составляющие информационную основу противоречия, должны быть изложены на предшествующих уроках, безусловное знание и понимание этих фактов должно стать той "экспериментальной базой данных", той сюжетной канвой. на фоне которой и будет разыграна интрига, сделано открытие.

2) Стержневым моментом является формулировка противоречия, которое возникает при сопоставлении безусловно достоверных фактов; противоречия, рождающегося из невозможности объяснить конкретную ситуацию на основе прежних представлений о сущности явления. Естественно, возникает потребность в конструировании новых теоретических положений, либо в смене позиций. с которых велось наблюдение за рассматриваемым объектом.

 3) Предпоследним и самым сложным по структуре является организация и проведение обсуждения, которое должно подвести к заранее известному режиссеру спектакля финалу. Трудность этого этапа состоит в том. что он, с одной стороны должен подчиняться жесткой внутренней логике, но, одновременно, учитывать и оценивать все те непредсказуемые реплики участников, которые и составляют импровизационный момент  этого спектакля. Логический каркас обсуждения вместе с  перечнем направляющих вопросов должен быть подготовлен педагогом заранее, но проявляться как бы спонтанно, верные реплики и промежуточные выводы должны ложиться в известные педагогу гнезда мозаичной картины, пока она не проявится во всей завершенности.

4) Завершающим этапом является формулировка основного вывода либо в виде теоретического  положения, либо в форме описания нового элемента графической модели.

 Конфликт 1. Химическое  превращение.

Сущность конфликта  заключается в невозможности получения путем химического превращения любой сложности простого или сложного вещества, если составляющие  этого вещества (атомы или группы атомов) отсутствуют в составе исходных соединений.

 Предварительно должен быть освоен следующий перечень сведений:

-все вещества состоят из молекул и атомов, причем молекулы в ходе химических реакций  претерпевают изменения, заключающиеся в перегруппировке атомов, а атомы химически неделимы.

 -различные вещества взаимодействуют между собой (химическая реакция), причем свойства продуктов реакции могут весьма заметно отличаться  от свойств исходных веществ. В качестве примера такого превращения  весьма удобно продемонстрировать реакцию

 CuSO4   +   Fe  =   FeSO4   +  Cu

 когда  из голубого раствора медного купороса выделяется металлическая медь.

-многочисленные попытки получения золота из других металлов признаны  бесперспективными, а документально подтвержденные факты образования золота объясняются либо маскировкой золота или его соединений в исходных веществах, (вдувание золотой пыли в горны, использование ртутной амальгамы золота и т.д.),  либо образованием внешне похожих на золото соединений исходных металлов.

- все попытки алхимиков превратить неблагородные металлы либо их соединения в золото к настоящему времени признаны бесперспективными.

- существует условная запись схемы химического превращения, отражающая трансформацию молекул исходных веществ в молекулы продуктов реакции.                                                                                                                

 Формулировка конфликта.  Весьма полезен в данном контексте образ “химического конструктора” со сравнительно небольшим набором исходных деталей (атомы разных элементов) и огромным количеством “изделий”, в которых исходные элементы соединяются по определенным правилам, изучение которых и является  одним из важнейших  разделов химии.

Логическая  схема рассуждения может  быть примерно такой:

 Несмотря на многообразие известных химических превращений с образованием продуктов реакций совершенно не похожих на исходные вещества, признано, что обработка любых других металлов или их соединений  любым реагентом, не содержащим золота, не может привести к получению золота, либо его соединений.

  В ходе разрешения конфликта, в процессе освоения темы “уравнение химической реакции” должен быть установлен   комбинаторный характер  химического процесса, должно быть понято, что в любом химическом превращении могут возникать  новые сущности на уровне молекул, но не на уровне атомов. Так, обсуждая приводимую в качестве примера реакцию железа с медным купоросом, следует особо подчеркнуть, что атомы меди присутствуют в голубой соли, но свойства простого вещества меди «замаскированы»  связями атомов меди с атомами других видов.

Алхимические синтезы золота удавались тогда, когда простое вещество золото было спрятано в оборудовании либо в исходных веществах, т.е. золото присутствовало в исходной системе.

-Образование простого вещества в реакции железа с медным купоросом объясняется тем, что и здесь атомы меди были спрятаны в исходных веществах, но “замаскированы” окружающими их атомами серы и кислорода.

-Вещество может появиться в продуктах реакции, если атомы, составляющие его были тем или иным способом спрятаны в исходных веществах.        

  Таким образом, частный вывод урока  может быть сформулирован например, так: Попытки алхимиков получить золото из веществ, в которых атомы  золота не были “замаскированы” в исходных реагентах, были обречены на провал, т.к. простое вещество “золото” химическим спрособом может быть получено только из атомов золота, содержащихся в любых его соединениях.

Глобальный вывод урока может быть сформулирован в качестве положения: любое химическое превращение есть процесс образования новых комбинаций атомов из исходных комбинаций тех же атомов.        

   Конфликт 2. Уравнение химического процесса. Закон сохранения массы.                                                                                                                                                  .  

Суть  конфликта  заключается в том, что запись схемы процесса химического превращения не отвечает представлениям о законе сохранения массы веществ.  Предварительно должно быть установлено, что:

 -Состав  частиц, из которых построены исходные вещества и продукты реакции, описывается формулами, в  которых знаки химических элементов указывают на качественный, а индексы - на  количественный состав этих частиц.

• Если  превращение протекает в  замкнутой системе, то  масса системы остается неизменной  при протекании любой химической реакции , т.е. масса продуктов реакции в точности отвечает массе исходных веществ.

-Запись схемы химического процесса часто не отвечает экспериментально установленному ЗСМ.        

В ходе  разрешения конфликта должны быть поставлены вопросы о комбинаторном характере химического превращения, т.е. о превращении, как об игре в “химический конструктор”, когда одни и те же детали используются для построения вначале молекул исходных веществ, а затем - молекул продуктов реакции, причем ЗСМ в этом случае выполняется автоматически. Таким образом возникает идея о необходимости введения в запись схемы химического превращения  дополнительных элементов, приводящих эту запись в соответствие с ЗСМ. Следует предложить учащимся запись нескольких схем реакций и на первой стадии предложить разделить эти схемы на группы отвечающих и не отвечающих ЗСМ.          

                                                                                                                 CuSO4   +   Ba (NO3)2     =   Cu(NO3)2    +  BaSO4         

Al  + H2SO4 = Al2(SO4)3 +  H2

Na  +  Cl2    =  NaCl

Н2O  = H2 + O2

Fe  + CuSO4  =  Cu  + FeSO4

В процессе обсуждения должно возникнуть представление о количестве  молекул, участвующих в элементарной стадии химического процесса и, как следствие, понятие о коэффициенте, превращающем запись химического процесса в химическое  уравнение.

По мнению автора, введение понятия коэффициент методом конфликтов оправдано, т.к. практика преподавания показывает, что  “самоочевидность” этого элемента уравнения зачастую приводит к стандартным ошибкам при выполнении вычислений по уравнениям, при записи ионных форм реакции обмена и т.д.  

 Конфликт 3. Понятие «моль».

Сущность конфликта заключается в том, что зная стехиометрические  количества молекул и атомов реагирующих веществ, экспериментатор не имеет возможности отсчитывать эти количества, а может лишь взвешивать вещества отмерять объемы жидкостей или газов.

   Предварительно следует напомнить учащимся, что:

-коэффициент уравнения дает нам те количества молекул или атомов исходных веществ, которые соответствуют полному превращению их в продукты,

-абсолютные веса атомов имеют порядок  10-27  -  10-25 кг. Для удобства вычислений введено понятие относительной атомной или молекулярной массы, когда массы частиц сравниваются с  1\12 масссы атома углерода,

-отмеривать реагенты в стехиометрических количествах выгодно, т.к. при этом не требуется очистки продуктов реакции от  остатков исходных веществ, не происходит потери дорогостоящих препаратов, не происходит загрязнения окружающей среды отходами.

В процессе разрешения конфликта следует провести ряд вычислений количеств реагирующих частиц

               N = m : (M/Ak)      где k- коэффициент  перехода от а.е.м. к граммам.    

                                                а m-масса в граммах

 При  этом у учащихся должна возникнуть догадка, что если величины m и M выражены  одной цифрой, то N=1 /k   для любого вещества.

Основной вывод урока должен обязательно отражать тот факт, что отмеряя массы веществ, численно равные атомному или молекулярному весу, мы, тем самым, каждый раз отсчитываем  одинаковые количества атомов или молекул.

Конфликт 4. Тепловой эффект химической реакции.

Природа конфликта в том, что существует экспериментальное подтверждение факта, что одни химические реакции протекают с выделением энергии и идут самопроизвольно, а другие идут с поглощением энергии и требуют постоянной подпитки извне. Вместе с тем, все реакции протекают по общей схеме  “исходные вещества” →  “продукты реакции”.Предварительно должно быть понято, что  в исходных веществах и продуктах реакции атомы элементов объединены друг с другом химическими связями , а разрыв химических связей требует затраты энергии.

 Установлено, что :

-разрыв химических связей идет с поглощением энергии, поскольку разрушается устойчивая комбинация электронов

-образование химических связей, очевидно, должно протекать с выделением энергии (обратный процесс)

-несмотря на общую схему любого химического превращения, тепловой эффект реакции может иметь разный знак ( экзо- и эндотермические процессы).

В процессе обсуждения конфликта  следует подвести учащихся к выводу, что в ходе химической реакции  осуществляется одновременный  разрыв связей исходных веществ и образование связей продуктов реакции, т.е. суммарный тепловой эффект реакции

Е=  Е разр. +    Е обр.

есть алгебраическая сумма, которая может иметь разный знак  в зависимости от абсолютных величин Е разр.  и Е обр., что связано с  введением понятия “прочность связи”. Полезно также обсудить требования к веществам, которые могут быть топливом (слабые связи исходных веществ и прочные связи в оксидах ).

Таким образом в выводе урока обязательно должны быть зафиксированы представления о  разном  количестве энергии, затрачиваемой на разрыв разных связей и выделяющейся при образовании разных связей, т.е. о количественной разницы в прочности связей а также о зависимости общего количества тепла от количеств веществ, вступивших в реакцию.

Конфликт 5. Реакция нейтрализации.

Сущность конфликта в том, что хотя в процессе обменного взаимодействия кислоты и основания атомы водорода и гидроксильные группы сохраняются в химической системе, кислотные либо основные свойства постепенно ослабевают и исчезают.

Предварительно должно быть установлено, что:

• существует класс химических соединений - кислоты, которые реагируют с металлами, оксидами металлов и т.д., а также изменяют окраску индикаторов. При желании можно привести  уравнения реакций или осуществить демонстрации. Эти свойства обусловлены наличием в молекулах специфических атомов водорода, способных к замещению, или обмену.

-существует класс химических соединений - основания, которые также вступают в специфические химические реакции (возможно их перечисление) за счет наличия в их молекулах гидроксильных групп, также способных к замещению и обмену.

Вместе с тем, в ходе реакции нейтрализации кислотные. либо основные свойства угасают по мере приближения к точке эквивалентности и совсем исчезают по ее достижении, хотя ни атомы водорода, ни гидроксильные группы  в процессе обмена не исчезают, а только образуют новую комбинацию - молекулу воды.

Таким образом, сущность конфликта заключается в том, что хотя в процессе  обменного взаимодействия кислоты и основания атомы водорода и гидроксильные группы остаются в химической системе, кислотные, либо основные свойства ослабевают и исчезают вовсе.

В процессе разрешения конфликта следует напомнить учащимся понятие “прочность связи” (конфл. 4) и подвести учащихся к выводу. что свойства кислот и оснований связаны не столько с наличием групп  -Н и -ОН, сколько с их способностью отщепляться и существовать в несвязанном виде, т.е. со сравнительной  слабостью связей этих фрагментов с остатками молекул и упрочнением  этих связей в образующихся молекулах воды. Таким образом вырисовывается и общая направленность самопроизвольного протекания химических реакций: от непрочных связей - к прочным, а конфликт разрешается осознанием того факта, что исчезновение кислотных и основных свойств определяется образованием прочной связи Н-ОН в молекуле воды.

Конфликт 6. Амфотерность.

Сущность конфликта  заключается в том, что существует группа амфотерных элементов и их соединений, которые в реакциях с различными веществами проявляют попеременно и кислотные и основные свойства, обычно характерные для различных элементов и их соединений.

Предварительно следует напомнить учащимся, что :

-существует класс химических соединений, реагирующих с другими соединениями, отщепляя атомы водорода, либо замещая их на атомы металлов (кислоты).

-существует класс химических соединений, реагирующих с другими соединениями, отщепляя гидроксильные группы, либо замещая их на остатки кислот (основания)

• соединения амфотерных элементов, в частности - их гидроксиды - могут реагировать либо по кислотному, либо по основному типу.

В процессе разрешения конфликта следует активизировать понятие “прочность связи” (конфл.5) и, рассматривая структурные формулы,подвести учащихся к выводу, что в амфотерном гидроксиде Zn(OH)2    прочность  связей Zn-O  и О-Н примерно  одинаковы, что позволяет  этому соединению  реагировать и по кислотному и по основному типу.

Конфликт 7.  Два типа химической активности (металлы и неметаллы).

Сущность конфликта  можно определить как наличие двух “противоположных” типов химической активности (окисление и восстановление), присущих двум химически противоположным группам элементов ( металлы и неметаллы ) при наличии единых представлений о строении атома. Предположение о единой причине этих явлений должно быть сформулировано  учащимися после анализа всей совокупности сведений о строении атома:

- каждый атом состоит из ядра, несущего положительный заряд за счет входящих в него протонов, и электронных оболочек, составленных отрицательно заряженными частицами,

- электроны и ядро притягиваются друг к другу, тогда как электроны испытывают взаимное отталкивание, особенно в составе одной оболочки.

-электронные оболочки заполняются последовательно, то есть заполнение слоя с большим главным квантовым числом начинается только после завершения заполнения предыдущего уровня (подуровня). Возможно, следует также активизировать знание о емкости электронного уровня.

- металлы и неметаллы в ПС  составляют периоды, причем заполнение очередного электронного слоя начинается для атомов типичных металлов (начало периода) и завершается в атомах типичных неметаллов (конец периода).

-существует группа благородных газов ,на внешних уровнях которых  находится максимально возможное для данного уровня число электронов,

-благородные газы химически неактивны,

-любое превращение атома идет по схеме : от химически активного состояния   к химически неактивному состоянию.

В процессе обсуждения причин существования двух типов химической активности следует обратить внимание учащихся на тот факт, что наличие завершенного электронного уровня сопрягается с химической инертностью. Далее следует обратить внимание на близость к завершению электронных уровней галогенов и предложить определить способ завершения (присоединение электронов). На следующем этапе обсуждения следует поставить задачу поиска химических объектов, способных отдать электроны, выйдя на атомы с небольшим количеством электронов на внешнем уровне. Завершающим этапом обсуждения должна стать констатация факта, что атомы электроположительных элементов, отдавая электроны, также приобретают завершенную электронную оболочку.

 Заканчивая урок,, полезно предложить дать письменное определение единой причины наличия двух типов химической активности , связав ее с обменными электронными процессами, направленными на приобретение завершенной внешней электронной конфигурации. В процессе обсуждения полезно также упоминание об энергетической выгодности этого процесса, если представление о внутренней энергии, как движущем факторе преобразования, вводилось ранее.

Конфликт 8. Гидролиз солей.

Суть конфликта заключается в отсутствии в составе гидролизующихся солей катионов водорода, либо гидроксил-ионов и наличии, тем не менее, кислотных, либо основных характеристик у растворов этих солей. Предварительная  информация должна включать следующие положения:

-кислотные, либо основные свойства растворов электролитов обусловлены наличием в растворах гидратированных ионов водорода или гидроксил-ионов.

нейтральная реакция воды объясняется тем, что хотя незначительная часть молекул и диссоциирует, но концентрации ионов водорода и гидроксила в воде одинаковы, нет избытка. Таким образом, кислотные, либо основные свойства, это не просто наличие катионов водорода, или анионов гидроксила, но избыточная  концентрация одного из этих ионов.

-электролиты различаются по степени диссоциации, т.е. по тому,в какую сторону сдвинуто равновесие процесса диссоциации. Для слабых электролитов процесс ассоциации, т.е. рекомбинации ионов, доминирует над процессом диссоциации.

         -существует реакция ионного обмена, когда комбинация встретившихся в растворе ионов оказывается устойчивой (осадок, газ, слабый электролит), т.е.  сдвигается равновесие обменного процесса.

         -раствор соды (карбонат натрия) имеет щелочную реакцию.

        В процессе обсуждения следует подвести участников дискуссии к выводу, что в рассматриваемой системе избыток гидроксил-ионов может возникнуть только в случае исчезновения из раствора катионов водорода, которые могут быть связаны по двум реакциям.

Н+ +ОН-   =   Н2О

Н+ + СО32-  =   НСО3  

-

Требуемый  результат достигается только в случае второго процесса, который идет по причине того, что угольная кислота - слабый электролит. Далее следует выявить причину возникновения избытка гидроксил-ионов  - связывание катионов водорода.

На следующем этапе обсуждения полезно показать, что гидролиз любой соли слабой кислоты приведет к аналогичному результату - образованию избытка гидроксил-ионов,т.е. щелочи.

Конфликт 9.Неустойчивость озона.

Сущность конфликта заключается в том, что  молекулы, состоящие из одинаковых атомов, обладают различной устойчивостью. Озон (трехатомный кислород) при нормальных условиях самопроизвольно превращается в молекулярный (двухатомный) и атомарный кислород.

Предварительно следует активизировать следующие сведения:

-в любой химической системе электронные облака стремятся разместиться таким образом, чтобы энергия их взаимного отталкивания была минимальной, для чего они должны быть максимально удалены друг от друга.  В случае “изолированного” атома три р-орбитали

располагаются, при соблюдении этого условия, по 3-м осям ортогональной системы координат,

-при образовании молекулы кислорода взаимное расположение р-орбиталей, дающих  сигма- и пи -перекрывания, не изменяются. Молекула устойчива.

-в молекуле озона все атомы кислорода, как показывает спектроскопия, абсолютно одинаковы. Молекула неустойчива.

В процессе обсуждения следует, после активизации в представлениях учащихся “портрета” молекулы кислорода, выйти на геометрический образ молекулы озона - треугольник. Следующим возможным шагом обсуждения должно стать введение понятия “искажение” валентного угла. Цель обсуждения - установить связь неустойчивости молекулы озона со значительным отклонением валентного угла в ней от оптимального.

Аналогичная схема может быть использована при обсуждении сравнительной устойчивости низших и высших циклоалканов . Отметим, что существуют и другие модели молекулы озона, приводящие к представлениям о причине неустойчивости этого вещества.

Конфликт10. Кипящий слой.

Предварительно должно быть установлено, что

-скорость химической реакции зависит от условий ее протекания и, в частности, от температуры, увеличиваясь с ее повышением,

-в случае гетерогенных процессов она зависит от величины поверхности раздела фаз, увеличиваясь с ее ростом. В случае реакции твердая фаза - газ величина поверхности раздела растет с увеличением степени измельчения твердой фазы. Кроме того, увеличение скорости может быть достигнуто и увеличением скорости контакта, т.е.  скорости потоков газов и жидкостей,

-в реакции обжига пирита попытка ускорить течение процесса повышением температуры и увеличением степени измельчения приводит к спеканию, затормаживающему ход окислительного процесса — в реакторе образуется пробка.

Технологический конфликт заключается в формальной невозможности добиться оптимальной скорости обжига, т.к. оба фактора, ускоряющие течение процесса, будучи задействованы одновременно, приводят к его замедлению.

Обсуждая пути решения конфликта следует обратить внимание на наличие третьего фактора (скорость газа) и обсудить поведение твердой частицы, первоначально лежащей на решетки реактора. Ключевым моментом обсуждения  должно стать понимание необходимости возникновения принципиально нового состояния - движущейся по цикличес кой траектории твердой частицы, не соприкасающейся с другими частицами твердой фазы. Возникает состояние «кипящего слоя», в котором спекание невозможно и температуру можно повышать без проблем.

Конфликт11. Несовпадение валентности и степени окисления.

Конфликт заключается в невозможности одновременного определения  валентности железа и серы в молекуле пирита, исходя из общих представлений  об  электронном строении атомов этих элементов.

-Известно, что в соединениях с неметаллами железо проявляет валентности  II и III и имеет положительные степени окисления. Полезно привести электронный паспорт железа.

-Известно, что в соединениях с электроположительными элементами сера проявляет валентность II и имеет отрицательную степень окисления. Полезно привести электронный паспорт серы.

-Известно, что в качестве простого вещества сера существует в различных аллотропных модификациях, в структуре которых содержатся  связи S-S.

В процессе обсуждения ситуации следует стандартным способом провести расчеты валентности серы, исходя из двухвалентности и трехвалентности железа (валентность серы   1 и 3\2 соответственно) и двухвалентности серы ( валентность   железа - 4 соответственно). Далее, исходя  из представлений об образовании сложного вещества из простых, когда рвутся связи исходных веществ и возникают связи продуктов реакции , следует обратить внимание учащихся на   необязательность полного разрыва связей исходных простых веществ.

Финальный этап обсуждения предполагает изображение различных вариантов структурной формулы молекулы  FeS2 .

В итоговой структурной формуле формуле определяются  степени окисления  железа – (2+) и серы ( - 1). В качестве  упражнения полезно дать задание  на вывод коэффициентов уравнения

4 FeS2  + 11O2  =  2Fe2O3 + 8SO2