Методика изучения кристаллогидратов в школьном курсе химии (стр. 1 из 5)

Федеральное Агентство по образованию РФ

Институт содержания и методов обучения

Автореферат

методика изучения Кристаллогидратов в школьном курсе химии

Москва, 2007


Оглавление

Введение

Глава 1 Кристаллогидраты как объекты науки химии

1.1 История изучения кристаллогидратов

1.2 Терминология и понятия

1.3 Номенклатура кристаллогидратов

1.4 Классификация

1.5 Значение кристаллогидратов

Глава 2 Методика изучения кристаллогидратов в курсе химии средней школы

2.1 Тема «Кристаллогидраты» в стандарте школьного образования

2.2 Анализ содержания действующих программ по исследуемой теме

2.3 Анализ содержания темы «Кристаллогидраты» в школьных программах и учебниках

2.4 Реализация темы «кристаллогидраты» в контрольно-измерительных материалах (едином государственном экзамене

2.5 Возможности модернизации темы «Кристаллогидраты»

2.6 Методические рекомендации к изучению темы

Заключение

Библиография


Введение

К настоящему времени в литературе по теме кристаллогидраты накопилось большое количество фактов, отражающих состав, структуру и применение этого класса соединений. Рассмотренные факты имеют огромное значение и как мы покажем далее они не нашли достаточно полного отражения в содержании школьного химического образования.

Кристаллогидраты – это хранилища метана в недрах вечной мерзлоты и мирового океана в виде соединений включений – клатратов.

Кристаллогидраты имеют широкое применение в народном хозяйстве. Медный купорос применяют как протраву при крашении тканей для консервирования древесины, протравливания семян. В медицине разбавленный раствор медного купороса применяют как антисептическое и вяжущее средство, малые дозы медного купороса назначают иногда при анемии для усиления кроветворения.

Твердение минеральных вяжущих материалов в большинстве случаев обеспечивается гидратационными процессами, включающими в себя как чисто химические так и комплексные физико-химические процессы. В общем виде процессы сводятся к гидратации, росту кристаллов и сцеплению их между собой.

Кристаллогидраты образуются в растительных и животных организмах, которые чаще всего выпадают в виде осадков.

Изучив содержание программ и учебников, мы не были удовлетворены тем, как рассматривается тема кристаллогидраты в школе, поэтому в связи со значимостью данной темы возникает необходимостью модернизировать содержание школьного курса химии, поэтому мы выбрали эту тему в качестве выпускной работы.

Целью нашего исследования является оптимизация содержания темы «кристаллогидраты» в курсе химии средней школы в условиях модернизации общего образования.

Гипотеза исследования: разработанное и модернизированное содержание и методика изучения должна способствовать более глубокой актуализации знаний учащихся по данной теме, мобилизации активной мыслительной деятельности учащихся и развитию познавательного интереса к изучаемому предмету, развитию логических операций в условиях дефицита школьного времени.

Объект исследования: содержание школьного курса химии по теме «кристаллогидраты».

Предмет исследования: модернизация содержания темы «кристаллогидраты» и рациональная оптимизация ее изучения в курсе химии средней школы.

Для проверки гипотезы и достижения поставленной цели, были сформулированы следующие задачи:

1) изучить современные данные о структуре, свойствах и применении кристаллогидратов;

2) проанализировать самые распространенные программы и школьные учебники на предмет содержания в них исследуемой темы;

3) модернизировать содержание темы и оптимизировать структуру введения данного содержания в школьный курс;


Глава 1. КРИСТАЛЛОГИДРАТЫ КАК ОБЪЕКТЫ НАУКИ ХИМИИ

1.1 История изучения кристаллогидратов

1828 г. Ф. Рюдбергер доказал существование гидратов спирта.

1865 г. Предположение о существовании в водных растворах гидратов высказано и обосновано Д. И. Менделеевым. Он изучал взаимодействие спирта с водой и сделал вывод об образовании определенных соединений. Он считал, что растворение — не только физический, но и химический процесс, что вещества, растворяющиеся в воде, образуют с ней соединения

1880 г. Л. Пруст ввел понятие «гидраты» как особые соединения растворенного вещества с водой.

В 1889г. систематическое изучение кристаллогидратов началось с классических работ Б. Розебома над кристаллогидратами CaCl2 и Fe2 Cl6 [8].

1.2 Терминология кристаллогидратов

При растворении веществ молекулы (или ионы) связываются с молекулами раствори­теля, образуя соединения, называемые солъватами (от латинского solvere – растворять); этот процесс называется сольватацией. В частном случае, когда растворителем является вода, эти соединения называются гидратами, а процесс их образования — гидратацией. В зависимости от природы растворенного вещества, сольваты могут образовываться различными путями. При растворении веществ с ионной структурой молекулы растворителя удерживаются около иона силами электростатического притяжения. Кроме того, может иметь место донорно-акцепторное взаимодействие. Ион растворенного вещества обычно выступают в качестве акцепторов, а молекулы растворителя — в качестве доноров электронных пар. Происходит гидратация и переход в раствор ионов. Гидратируются как катионы, так и анионы. Как правило, гидратированные катионы прочнее чем анионы, а гидратированные простые катионы — прочнее, чем сложные. Это связано с тем, что у простых катионов есть свободные валентные орбитали, которые могут частично акцептировать неподеленные электронные пары атомов кислорода, входящих в молекулы воды. При растворении веществ с молекулярной структурой сольваты образуются вследствие диполь-дипольного взаимодействия.

При попытке выделить исходное вещество из раствора удаляя воду, получить его часто не удается. Например, если мы растворим в воде бесцветный сульфат меди CuSO4 , то получим раствор голубого цвета, который придают ему гидратированные ионы меди. После упаривания раствора (удаления воды) и охлаждения из него выделятся кристаллы синего цвета. Исходный сульфат меди можно получить из этого соединения, нагрев его до 250 °С[14]. При этом происходит реакция:

CuSO 5H2 O = CuSO4 + 5H2 O

Разные информационные источники дают нам следующую терминологию.

Гидраты – продукты присоединения воды (гидратации) к молекулам, атомам, ионам. Они могут быть твердые, жидкие и реже газообразные.

Твердые гидраты, имеют свое название – кристаллогидраты.

Кристаллогидраты – твердые вещества, продукты присоединения воды (гидратация) к атомам, молекулам или ионам.

Кристаллогидраты – кристаллы, включающие молекулы воды.

Кристаллогидраты — вещества, включающие в себя обособленные частицы H2 O, в которых атомы кислорода связаны с двумя атомами водорода ковалентными связями, а частицы Н2 О в целом связаны с другими атомами либо химическими, либо межмолекулярными связями.

Кристаллогидраты – это кристаллические вещества, содержащие в своем составе отдельные молекулы воды или их агломераты.

Кристаллизационная вода – вода, входящая в состав кристаллогидратов.

Кристаллогидраты — являются представителями обширных классов соединений, куда кроме них должны быть еще отнесены: кристаллоамиакаты, кристаллоалкоголяты, кристаллоэфираты и т. д. До сих пор кристаллогидраты не выделялись в особый класс соединений, а упоминались попутно при описании некоторых солей, потому что реакции их исследовались в водных растворах, когда принято игнорировать участвующую в превращении воду [2], [14], [38], [39].

1.3 Номенклатура кристаллогидратов

Для кристаллогидратов как и для всех химических соединений существуют правила названий. Название кристаллогидрата строится из систематического названия соли и указывается количество молекул кристаллизационной воды входящих в формальную единицу. Рассмотрим конкретные примеры.

CuSO4 · 5H2 O – пентагидрат сульфата меди;

Na2 CO3 · 10H2 O – декагидрат карбоната натрия;

AlCl3 · 6H2 O – гексагидрат хлорида алюминия.

Следует отметить, что содержание воды в кристаллогидратах формально может иметь и нецелочисленное значение, поэтому в таких случаях поступают следующим образом: CdSO4 · 2,67 H2 O- 2,67- гидрат сульфата кадмия, SO2 ·nH2 O – полигидрат диоксида серы. Однако рассмотренный способ названия кристаллогидратов довольно упрощенный. Если нам известна структура образуемого соединения, то мы можем его назвать более конкретно, при этом указав в какой форме вода находится в данном соединении и с какими ионами она связанна. Исследование строения кристаллов CuSO4 · 5H2 O показало, что в его формульной единице четыре молекулы воды связаны с атомом меди, а пятая – с сульфатными ионами. Таким образом, формула этого вещества – [Cu(H2 O)4 ]SO H2 O, имеет называние моногидрат сульфата тетрааквамеди (II).

Аналогичное строение имеет соединение [Fe(H2 O)6 ]SO H2 O – моногидрат сульфата гексаакважелеза(II).

Другие примеры:

[Ca(H2 O)6 ]Cl2 – хлорид гексааквакальция;

[Mg(H2 O)6 ]Cl2 – хлорид гексааквамагния.

Однако часто нам не нужно применять систематическую номенклатуру, а можно воспользоваться тривиальными названиями веществ. Так CuSO4 · 5H2 O – медный купорос, Na2 CO3 · 10H2 O – «кристаллическая» сода и т.д. [2], [26].

1.4 Классификация

Классификацию кристаллогидратов можно вести по различным критериям:

1. По наличию связи структуры безводного вещества и кристаллогидрата

· фазы определенного состава - вид кристаллогидратов, у которых при удалении кристаллизационной воды происходит сжатие кристаллической решетки, поэтому структура безводного вещества и кристаллогидрата не связанны между собой. К данному классу относятся кристаллогидраты многоосновных кислот, оснований и клатратов.