Взаимосвязь между составом, строением и свойствами веществ на атомном уровне раскрывается на основе межпредметных связей с физикой, так как здесь имеет место ее подчинение законам микромира, описываемым квантовой механикой. Электронно-ядерная система — основной объект этого уровня. Зависимость свойств атомов от состава и строения в данном случае не равнозначна. Одни из свойств атома функционально связаны с ее ставом (заряд ядра, относительная атомная масса), другие - в большей степени с его строением (число валентных электронов валентность, электроотрицательность, энергия ионизации, сродство к электрону). Эти функциональные зависимости свойств атомов от их состава и строения рассматриваются на примере конкретных элементов. Например, анализируя состав атомов азота (ядро атома которого состоит из 7 протонов и 7 нейтронов, вокруг ядра вращается 7 электронов), учащиеся предсказывают его cвойства (заряд ядра, равный +7, и массовое число, равное 14 ) Аналогично раскрывается связь «строение — свойства» (посколь- ку атом азота имеет 5 валентных электронов, из которых 2 прочно спарены, а 3 расспарены, то его максимальная валентность 4 , а степень окисления +5).
По мере усложнения химической организации веществ усложняются функциональные связи между их составом, строением и свойствами.
Следующий уровень — надатомный, или молекулярный, имеет наиболее важное значение для уяснения химической специфики взаимосвязи строения и свойств веществ, которая обусловлена взаимодействиями электронных оболочек соединяющихся атомов, поэтому главным системообразующим понятием является химическая связь. От ее характера в прямой зависимости находится реакционная способность веществ. Простым молекулам (СО, СН4, NH3, H2O и др.) присуща однозначная зависимость строения от их состава. У более сложных молекул уже на этом уровне строение приобретает независимость от их состава (многочисленные случаи изомерии).
Для большинства веществ зависимость их свойств от строения может быть выяснена лишь на макромолекулярном уровне химической организации. Только на этом уровне можно обсуждать физические и физико-химические свойства (твердость, электро- и теплопроводность, растворимость и др.). Связи между составом, строением и свойствами веществ здесь наиболее сложны и многообразны. Особую сложность для понимания учащихся представляют фазовые переходы и процессы растворения веществ. Наиболее легко они устанавливают функциональные зависимости между составом, строением и свойствами тех веществ, которые имеют молекулярное строение во всех состояниях (Н2, НС1, NH3 и др.) и проявляют свои химические свойства в любой фазе почти одинаково.
Важнейшее системообразующее понятие на макроуровне — «кристаллическая решетка» (структура). Твердые кристаллические вещества представляют принципиально иную группу веществ, в твердой фазе они представлены ионными, атомными и металлическими кристаллами. Многие металлы в газообразном состоянии состоят из молекул, образованных ковалентной связью (литий, натрий и др.), а в твердом состоянии образуют кристаллы с помощью особой металлической связи. Ряд соединений, имеющих в газообразной фазе молекулярное строение, конденсируясь, образуют ионные кристаллы (например, хлорид фосфора (V)). Кроме того, твердые металлы в зависимости от упаковки их кристаллов проявляют разную твердость, пластичность и другие свойства.
При установлении взаимосвязи свойств веществ и их состава и строения учителю следует иметь в виду, что в зависимости от условий и состояния вещество проявляет свойства по-разному.
Структура системы понятий о веществе. Структуру, или внутреннюю организацию, системы понятий следует рассматривать как важную часть ее содержания (В. С. Тюхтин и др.). Исходя из такого понимания структуры в обучении очень важно установить и выделить структуру в краткой и наглядной графической форме.
т. е. в виде абстрактно-общего инварианта системы, блоки понятий системы — «атомы», «химическая связь», «химическое соединение», «реакционная способность», их признаки и основные связи системообразования и функционирования. В качестве последних прежде всего выделяются закономерности состава, строения и поведения веществ. В этом случае будет обеспечено системное и рациональное усвоение учащимися понятий о веществах.
2. МЕТОДИКА ФОРМИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ПЕРВОНАЧАЛЬНЫХ ПОНЯТИЙ О ВЕЩЕСТВЕ
В процессе первоначального познания веществ применяют генетический подход: от видимых свойств веществ — к их внутренней организации, к установлению зависимости свойств веществ от их состава и частично атомно-молекулярного строения.
Формирование первоначальных понятий о веществе проходит три весьма кратких стадии:
1) эмпирическую; 2) образование исходной системы первоначальных понятий и абстракций;
3) развитие последних на основе атомно-молекулярного учения.
Важнейшее назначение первоначального этапа изучения веществ состоит в накоплении минимума необходимого эмпирического материала о веществах, в усвоении исходных для дальнейшего изучения химии понятий и абстракций, элементов химического языка и опыта познания химии.
Особенность предлагаемой методики заключена в том, что уже на этом этапе большое внимание уделяется единству экспериментального и теоретического изучения веществ, включению вновь формируемых понятий и вводимых абстракций в систему имеющихся знаний, установлению их взаимосвязей, раскрытию и применению химических законов и закономерностей, четкому выделению и осознанию сущности понятий и их отношений с помощью символико-графических средств, вооружению методами познания химии. На первом уроке учащиеся узнают, что химия занимается изучением и получением веществ с заданными свойствами, следовательно, они будут изучать три основных области (группы) химических знаний — вещества, их превращения и технологию промышленного получения вещества с нужными человеку свойствами. На этом уроке учащиеся знакомятся с методами эмпирического познания веществ: наблюдением, описанием, сравнительным методом. Определение понятия вещества учащиеся получили в начальном курсе физики при изучении понятия «тело». На уроке химии следует разграничить эти понятия путем их сопоставления. Для этого используются коллекции: а) тел, образованных одним и тем же веществом (алюминиевые стаканчики, фольга, проволока, пуговица, пластинка), и б) твердых веществ одинаковой формы (палочки меди, цинка, серы, алюминия и др.). Дифференциации понятий «вещество» и «тело» способствует решение познавательных задач. Так, например: докажите, что вода является веществом, опираясь на знания ее агрегатных состояний.
На основе сравнений тел и веществ уточняются определения этих понятий. Делается вывод: то, из чего состоят физические тела, называется веществом.
Чтобы разобраться в многообразии окружающих нас веществ и управлять их изменениями, превращениями, надо знать их свойства. Свойствами называют признаки, позволяющие отличать одни вещества от других или устанавливать их сходство.
Наблюдение демонстрируемых веществ, работа с раздаточным материалом обеспечивают непосредственно их восприятие. На знании свойств основаны методы эмпирического познания — описания и сравнения веществ.
Описание осуществляется на основе визуально воспринимаемых свойств веществ. Обучение этому методу учащихся начинается с мотивации его, с составления плана описания.
К осознанию закономерности «свойства — применение» учащиеся подводятся на основе собственных примеров и графики. Свойства веществ обусловливают также способы получения, конструкцию лабораторных установок и заводских аппаратов, в которых они получаются.
Сравнение — другой метод познания веществ, включающий приемы сопоставления и противопоставления. Он связан с описанием. Следует обучить учащихся сравнительному описанию веществ.
Сравнительное описание веществ
| Сравниваемые вещества | Описание веществ | |
| Сходные свойства | Различные свойства | |
| 1.Сахарный песок 2.Поваренная соль И т.д. |
|
|
Закрепить эти умения можно с помощью следующих домашних заданий:
1. Основываясь на наблюдении уксусной кислоты и воды, установите их сходство и различия.
2. Опишите 2—3 вещества (по выбору) и укажите их применение, основанное на свойствах этих веществ.
При дальнейшем изучении химии у учащихся возникает вопрос, имеется ли связь между внешним проявлением свойств веществ и их внутренним строением? Ответ на него дает урок «Вещества молекулярного и немолекулярного строения». В курсе физики учащиеся получили первые представления о строении некоторых твердых веществ, о явлениях диффузии и об агрегатном состояние веществ, узнали определения атома и молекулы. Актуализация и пополнение полученных знаний новыми примерами позволяют уточнить эти важные для химии понятия. Работа с рисунками и моделями, раскрывающими внутреннее строение знакомых веществ, сравнительное и целенаправленное наблюдение явлений, сопровождающих прокаливание нафталина и кварцевого песка, помогает сформулировать выводы:
1 Некоторые вещества состоят из молекул, другие — нет.
2.Свойства веществ определяются их строением.
3.Вещества молекулярные и немолекулярные различны по
свойствам.
Закономерность «строение — свойства» трудна для усвоения, но важна для прогнозов явлений. Повысить уровень ее усвоения можно путем решения познавательных задач.