Система понятий об окислительно-восстановительных реакциях

 

В качестве основных критериев усвоения понятий выделены три: полнота усвоения содержания понятия, степень усвоения объема как меры обобщенности понятия, полнота усвоения связей в отношении данного понятия с другими [15].

Чтобы судить о продвижении и развитии учащихся в учебном познании надо опираться на уровни усвоения понятий, таковых четыре:

1 уровень характеризуется наличием знаний об отдельных понятиях и их признаках, понятия почти не связаны друг с другом;

2 уровень характеризуется появлений знаний о связях и отношениях между понятиями определенной системы, умением воспроизвести их и применить к типичным примерам. Это также уровень воспроизведения;

на 3 уровне знания уже представляют целостные системы, но которые еще не связаны между собой. Ученик может использовать знания для объяснения фактов определенной области химии;

на 4 уровне знания представляют собой системы в высшей степени их развития. Характеризуются новым качеством – действенностью: учащийся может предсказывать неизвестные факты, вывести "новые" на основе усвоенных, творчески применять их.

Усвоить понятие – значит выработать следующие умения:

· вскрыть содержания понятия;

· дать определение и привести примеры;

· подвести понятие под классификацию, установить связи с другими понятиями;

· применять понятие при решении задач в разных ситуациях.

Качество усвоения зависит от поставленных целей, значения понятия в процессе обучения и методики его формировании.

Усвоить систему понятий об окислительно-восстановительных реакциях значит выработать у учащихся умения, каждое из которых соответствует определенному понятию темы. Структура взаимосвязи понятий и умений представлена в таблице 2.

Таблица 2.

Понятие	Умения
1. Химическая реакция	Определять признаки химических реакций
2. Окислительно-восста-новительные реакции	Распознавать окислительно-восстановительный процесс, отличать от других типов химических реакций, определять признаки ОВР.
3. Степень окисления: положительная, отрица-тельная, промежуточ-ная, минимальная, мак-симальная	Определять степени окисления атомов на основе их строения, положения в периодической системе Д.И. Менделеева; определять степени окислении элементов, входящих в состав соединения; предсказывать окислительно-восстановительные свойства атомов, молекул, ионов на основе значения степени окисления.
4. Процессы окисления, восстановления. ОЭО. Уравнения полуреакции. Окислители и восстановители. Окис-ленная и восстанов-ленная формы. Элект-ронный баланс.	Определять, составлять, записывать уравнения окислительно-восстановительных процессов с участием атомов, молекул или ионов; определять окислитель, восстановитель, а также окисленную и восстановленную формы; составлять уравнения полуреакций; определять направление "движения" электронов, подсчитывать их число → составлять электронный баланс.
5. двойственность свойств сильный слабый окислитель восстановитель элемент вещество ион	Характеризовать окислительно-восстановитель-ные свойства атомов, ионов и веществ, а также их силу на основе знаний о строении и периодичности и по положению в периодической таблице.
6. Электрохимический ряд напряжений металлов	Составлять уравнения окислительно-восстановительных процессов в растворах с участием металлов; предсказывать протекание процесса; силу восстановительных свойств металлов.

Продолжение таблицы.

7. Электронодонорные и электроностатические реакции	Классифицировать, выделять, определять и приводить примеры различным видам ОВР.
8. Метод электронного баланса	Подбирать коэффициенты, определять степени окисления, окислитель, восстановитель, составлять уравнения полуреакций, подсчитывать электронный баланс.
9. Коррозия	Определять виды коррозии, составлять схемы протекающих процессов.
10. Электролиз	Составлять ОВР электролиза растворов и расплавов веществ, предполагать продукты процесса.

 

Основываясь на классификацию умений [8] доктора педагогических наук, профессора С.А. Герус все перечисленные умения можно отнести к группе умений пользоваться химическим языком, так как они предполагают применение правил составления, преобразования и оперирования химической терминологией, символикой и номенклатурой, а также прогнозирование и моделирование на их основе.

В целом, все основные умения пользоваться химическим языком, формируемые при изучении темы "ОВР" можно свести в единую схему [13], которая отражает их взаимосвязь (таблица 3).

Таблица 3.

Понятия об окислительно-восстановительных реакциях	Умения пользоваться химическим языком
	I группа	II группа
Относительная электроотрицательность исление1восстановление1  степень окисления окисление2 восстановление2 окислитель восстановитель  единство окисления и восстановления  ОВР сохранение числа электро-нов при ОВР окислительно-восстанови-тельные свойства атомов, ионов, веществ	умение сравнивать ОЭО элементов по их положению в ПС умение определять степень окисления элементов умение подсчитывать количество смещен-ных электронов умение уравнивать число электронов между окислителем и всстановителем(МЭБ) умение расставлять коэффициенты в уравнениях	умение предсказывать направление смещения электронов умение отличать окисление от восста-новления, окислитель от восстановителя умение распознавать ОВР умение объяснять сущность ОВР умение предсказывать свойства атомов, ионов, веществ

 

При обобщении темы в курсе общей химии наблюдается затруднения у учащихся в усвоении языка и понятий, наблюдается формализм знаний. Выделяют следующие виды формализма:

Произвольная комбинаторика знаков при самостоятельном выполнении упражнений: AlPO2, 2Na+SO4 =Na2 SO4. Причиной является неумение применять правила составления и преобразования символических записей, видеть логические связи знаков в составе формул и уравнений, непониманием места и значения в них индексов и коэффициентов, закономерностей которые они отражают.

Составление формул и уравнений не существующих реально веществ и реакций: CuO+H2O→Cu(OH) 2, которые являются следствием недооценки роли химического эксперимента и наблюдений, а также с недостаточной связью обучения с жизнью.

Не умение применять знания при объяснении теорий химии. Причина - недостаточное внимание к семантике (смыслу) формул и уравнений, их теоретическому толкованию.

Не понимание функций химической символики в познании химии, хотя учащиеся умеют писать формулы и уравнения. Причина – недостаточное раскрытие функций химической символики, отсутствие сравнительных характеристик различных видов символических записей.

Т. о., из-за несформированности химического языка на начальных этапах изучения химии, а также умений им пользоваться, к 11 классу появляются серьезные проблемы уже с самим теоретическим материалом. С целью избежания последнего, в данной работе разработаны конкретные уроки по формированию умений пользоваться химическим языком для устранения формализма в знаниях учащихся.

 

2.3. Требования стандарта к изучению темы "Окислительно-восстановительные реакции"

 

Опираясь на новый образовательный стандарт по химии за 2004 год [16], можно выделить обязательный минимум содержания знаний и умений в курсе химии:

· стандарт основного (общего) образования по химии предполагает: понятие о валентности и степени окисления, химические реакции, классификация их по изменению степени окисления;

· стандарт среднего (полного) общего образования расширяет и дополняет знания об ОВР, рассматривая: изучение окислительно-восстановительных реакций в растворах электролитов, электролиз растворов и расплавов, теоретические вопросы, восстановительные свойства металлов, электрохимический ряд напряжений металлов, понятие о коррозии, способы защиты, представление соединений некоторых переходных металлов: KMnO4 и K2Cr2O7 как окислители.

На сегодняшний момент существует огромное количество учебников химии [23], где данная тема рассматривается по-разному. В Калужской области широкое распространение получили учебника Габриеляна О.С. [25].

В 2007 году наша область в образовательном процессе осуществляет переход на профильное обучение. В свете таких событий рационально было бы использование учебников, предполагающих изучение химии на профильном уровне. Такими являются учебники под редакцией Н.Е. Кузнецовой [26,27,28], которые предусматривают изучении химии как в общеобразовательных классах, на профильном уровне, так и в классах с углубленным изучением предмета.

По программе Н.Е. Кузнецовой [18] на изучение темы "Окислительно-восстановительные реакции" выделяется следующее количество часов:

8 класс: урок №1 ОВР. Составление уравнений методом электронного баланса;

урок №2 Составление и использование алгоритма расстановки коэффициентов методом электронного баланса в уравнениях ОВР;

урок №3 Контрольная работа по теме.

9 класс: Фрагменты уроков с изучением окислительно-восстановительных свойств металлов, неметаллов и их соединений.

Фрагменты уроков: 1) Электрохимические процессы. Электролиз расплавов и растворов солей.

2) Коррозия металлов. Электрохимический ряд напряжения металлов.

11 класс: Фрагменты – периодичность изменения окислительно-восстановительных свойств атомов, элементов.

урок №1 ОВР в растворах электролитов.

урок №2 Электрохимические процессы: электролиз.

урок №3 Коррозия металлов.

Т. о., данные учебники в полной мере отражают весь теоретический курс знаний по данной теме и отвечают требованиям стандарта образования по химии.

 

2.4. Разработка планов уроков по теме "Окислительно-восстановительные реакции" для 11 класса

 

При изучении темы в классе предполагаются стенды с занимательными заданиями по теме, а также домашние эксперименты (приложение 6,7).

Урок №1

Тема: "Окислительно-восстановительные реакции".

Задачи: обобщить, систематизировать знания и умения учащихся по теме; развитие активной мыслительной деятельности, повышение интереса к предмету.

Тип урока: урок обобщения, систематизации знаний и умений.

Оборудование: карточки-задания, компьютер, диски с опытами, мультимедийный проектор, грамоты, медали, часы.

Ход урока:

На предыдущем уроке учащимся в качестве домашнего задания было задано повторить (вспомнить) материал по теме.

На перемене учащиеся расставляют мебель в кабинете так, чтобы могли разместиться все команды по 5-7 человек, разделяются на команды. Учитель объявляет о форме проведения урока – игра, а также основные правила мероприятия.

Правила игры:

1. Команда состоит из 5-7 человек, включая капитана.

2. В ходе игры вы получаете баллы за задания, а также дополнительные задания принесут вам лишние баллы. Победит команда, набравшая наибольшее количество баллов.

3. В конце урока все учащиеся получают оценки в зависимости от своей активности во время урока.

4. Если команда справляется с заданием ранее указанного времени, ей присуждается еще полбалла. Все задания выполняются строго по времени. Плохое поведение также отражается на сумме баллов.

Ход игры.

Задание №1

Из перечисленных уравнений выберите окислительно-восстановительные реакции, по какому принципу проводили отбор: 2Na+O2=Na2O2, 2NaNO3=2NaNO2+O2, K2CO3+2HCl=2KCl+CO2+H2O, NaOH+CO2=NaHCO3, KOH+Al(OH) 3=K [Al(OH) 4], 8NH3+3Br2 =6NH4Br+N2.

время 3 мин, баллы 4(за каждое правильно указанное уравнение + балл ответ на вопрос).

Учитель: правильно было указать те уравнения реакций, где произошли изменения степеней окисления элементов, что является главным признаком данной группы реакций.

Задание №2

Используя числовую прямую, укажите все возможные виды степеней окисления:

-4 - 3 - 2 - 1 0 +1 +2 +3 +4 +5 +6 +7 +8

время 3мин, баллы 5(за правильно указанное название степени окисления).

Допол. вопрос: Почему прямая заканчивается +8, а начинается с - 4?

учитель чертит схему на доске:

степень окисления положительная нейтральная отрицательная

высшая промежуточная низшая промежуточная

Задание №3

В ходе каких процессов происходит изменение (уменьшение или увеличение) степени окисления элементов в ОВР? Как называются эти процессы? Приведите по 1 примеру.

время 4 мин, баллы 5 (по баллу за пример + баллы за указание причины).

Учитель: речь идет о процессах окисления и восстановления, входе которых происходит увеличение и уменьшение степени окисления соответственно.

Задание №4

Вставьте пропущенные слова и символы:

атом, молекула или ион, отдающие электрон, ……(что с ними происходит?), но сами при этом являются …… (роль в ОВР).

атом Li0….. →Li+, молекула H20…. →2H+, ион Fe2+….. →Fe3+,

процесс ……

атом, молекула или ион, принимающая электрон, …… (что с ними происходит?), но сами при этом являются …… (роль в ОВР).

атом S0 ….. →S2 -, молекула Cl2……→2Cl-, ион Sn4+……→Sn2+, процесс …….

время 4 мин, баллы 5= 3 (каждое уравнение полуреакции 0,5б) +2(указание названия процессов).

Учитель: здесь необходимо было вспомнить что такое окислитель и восстановитель и что в этой роли могут выступать атомы, молекулы и ионы.

Задание №5

Al + S→Al2S3Вопросы: 1) что вам представлено?

2 6 Al0-3ê→Al3+2) как называется каждый из процессов?

3 S0+2ê→S2 - 3) какую роль играет Al и S в реакции?

Расставьте коэффициенты. 4) что значат цифры 3, 2, 6?

время 4 мин, баллы 4 (за каждый вопрос).

Задание №6

Осуществите переходы с указанием окислительно-восстановительных процессов, окислителя и восстановителя. Укажите соответствующие соединения и их роль реакции.

S2-↔S4+→S6+Mn0↔Mn2+←Mn7+.

время 5 мин, баллы 5 (по 0,5 за каждое уравнение полуреакции с указанием окислителя и восстановителя + по 1 баллу за каждую схему с участием веществ).

Учитель: ионы (и соответствующие им соединения), содержащие элементы в низшей степени окисления являются восстановителями; ионы (и соответствующие им соединения), содержащие элементы в промежуточной степени окисления являются и окислителями, и восстановителями; ионы (и соответствующие им соединения), содержащие элементы в высшей степени окисления всегда являются окислителями.

Допол. вопрос: опираясь на схему, предскажите окислительно-восстановительные свойства ионов и соответствующих им соединений:

восстановительокислитель -4 - 3 - 2 - 1 0 +1 +2 +3 +4 +5 +6 +7 +8

восстановительные свойства окислительные свойства отрицательныеположительные промежуточные

Задание №7 "Конкурс капитанов"

Демонстрация химической реакции (с использованием компьютера и мультимедийного проектора). Задание: Hg+HNO3(конц) = Hg(NO3) 2+NO2+H2O.

Расставьте коэффициенты методом электронного баланса, описывая его основные этапы.

время 4 мин, баллы 5.

В это время командам предлагается следующее задание: фрагменты 3-х опытов, схемы которых предложены, будут позже. Задание – определить тип ОВР и указать уравнения полуреакций. Фрагменты: 1)"Вулкан" - разложение дихромата аммония; 2) взаимодействие железа с разбавленной серной кислотой; 3) холодный гидроксид калия с хлором. Схемы: (NH4) 2Cr2O7→N2+Cr2O3+H2O, Fe+H2SO4→FeSO4+H2,

Cl2+KOH(хол) → KCl+KClO+H2O.

время 4 мин, баллы 3 (за каждое уравнение).

Учитель: выделяют три типа ОВР – межмолекулярные (2), внутримолекулярные (1) и диспропорционирования (3).

ИТОГИ УРОКА: подсчет количества баллов и награждение победителей, выставление оценок.

Домашнее задание: § 33,§ 34Упр. № 4, 5 (стр.215), составить план-конспект по теме, подготовка к самостоятельной работе. План конспекта:

1. Определение; 2. Окислительно-восстановительные процессы;

3. Окислители и восстановители; 4. Типы ОВР;

5. Метод электронного баланса (алгоритм в учебнике на стр.216).

Урок №2

Тема: "Электролиз расплавов и растворов".

Задачи: сформировать представление у учащихся о процессе электролиза, умение составлять уравнения анодных и катодных процессов, суммарных процессов электролиза.

Оборудование: карточки-задания для проверки домашнего задания, электролизер, растворы KI, фенолфталеин, белый фон, карточки-задания для закрепления материала.

Тип урока: формирование знаний и умений.

Ход урока:

I Организация класса.

II. Проверка домашнего задания (выборочно тетради у учеников 2-3). Выполнение теста (10 мин).

I вариант 1. Дать определение понятию окислитель. Приведите примеры.

2. Укажите коэффициенты перед восстановителем в реакции S+ HNO3 (конц) →SO2 +NO2+H2O

а) 5; б) 4; в) 3; г) 1.

3. Углерод проявляет окислительные свойства в реакции:

а) FeO+CO→Fe+CO2; в) C+Si→SiC;

б) C+2H2→CH4; г) 2CO+O2→2CO2.

4. Сильнее восстановительные свойства будут выражены:

а) N-3; в) N+5;

б) N+2; г) N+1.

5. Сумма коэффициентов в уравнении составляет Al + S→Al2S3

а) 3; в) 4;

б) 5; г) 6.

6. Недостающим продуктом реакции является Zn+H2SO4 (конц) →ZnSO4+H2O+…

а) H2S; в) S; б) SO2; г) S→ SO2.

Остальные варианты - приложение 1.

III. Изучение нового материала (15 мин).

1. Демонстрация опыта "Электролиз раствора иодида калия".

В U-образную рубку добавляем раствор KI и фенолфталеина. В оба колена помещаем угольные "стержни" и присоединяем их к источнику постоянного тока. Наблюдаем через некоторое время в одной части трубки раствор становится желтым (при добавлении капли крахмала происходит сене окрашивание), а в другой – малиновым, и выделяются пузырьки газа.

Вопросы классу:

1) прошла ли химическая реакция? Как определить, прошла ли химическая реакция?

2) за счет чего проявилась малиновая окраска фенолфталеина?

3) о чем свидетельствует появление желтого цвета?

4) что является условием протекания реакции (исходя из устройства прибора)?

5) какую роль играют угольные "стержни"?

6) какой заряд несет катод и анод?

7) какие процессы протекают на электродах?

8) к какому типу химической реакции ее можно отнести?

Т. о., мы наблюдали окислительно-восстановительную реакцию, протекающую под действием постоянного электрического тока на электродах, погруженных в раствор или расплав электролита.Т. е., речь идет о процессе электролизе (записи в тетради).

Что такое электролиты? Почему электролиты являются участниками электролиза? Составим уравнение реакции:

2KI + H2O → 2KOH + I2 + H2 ↑.

Фенолфталеин стал малиновым, так как образовался гидроксид калия, желтый цвет обусловлен иодом, а пузырьки газа – водород.

Вода является участником процесса электролиза растворов, вода – диполь.

электролиз расплавов растворов

2. Электроды в электролизе катод К (-) анод А (+)

только инертные инертные (Сгр, Pt) активные(Fe, Cu)

3. Правила определения продуктов электролиза расплавов и растворов электролитов (схемы представлены на каждого ученика).

I. Катодные процессы

электрохимический ряд напряжений металлов Li Rb K Ba Ca Na Mg Mn Zn Cr Fe Pb Cu Hg Ag Pt Au

восстановление H2Oвосстановление H2O и восстановление H2O + 2ê →H2 +2OH - металла Men+ + nê→Me0 металла усиление окислительных свойств катионов II. Анодные процессы

анионы

бескислородсодержащиекислородсодержащие галогенид-ионы OH -, NO3-, SO42-

2 Cl - - 2ê → Cl2↑ 2H2O - 4ê→O2+4H+; 4OH - - 4ê→O2+2H2O.

I - Br S2 - Cl - OH - SO42 - NO3 - F -

ослабление восстановительной способности анионов Применение электролиза: покрытие металлов; защита от коррозии; получение металлов и других соединений; очистка веществ от примесей.

4. Опираясь на правила, составим уравнение электролиза раствора иодида калия и расплава хлорида меди (II).

а) KI + H2O →

К (-): К+; H2O H2O + 2ê →H2 +2OH - восстановление А (+): I-; H2O2 I - - 2ê → I2 окисление 2KI + H2O → 2KOH + I2 + H2 ↑.

б) CuCl2 расплав→

К (-): Cu2+ Cu2+ + 2ê → Cu0 восстановление А (+): Cl- 2 Cl - - 2ê → Cl2↑ окисление CuCl2 расплав→ Cu0 + Cl2↑.

Вода не является участником процесса расплава веществ.

IV. Закрепление материала (10 мин).

Учащимся предлагается 3 карточки-задания, которые они постепенно выполняют. Те задания, которые не выполнили в классе переходят как домашнее задание. Три человека работают на оценку.

Карточка 1.

1. Составьте уравнение электролиза:

а) раствора бромида железа (II); б) расплава оксида алюминия;

в) раствора нитрата ртути.

2. Расставьте коэффициенты методом электронного баланса H2SO4 + H2S → S + H2O.

Карточка 2.

1. Составьте уравнение электролиза:

а) раствора иодида никеля (II); б) расплава хлорида натрия;

в) раствора серной кислоты.

2. Расставьте коэффициенты методом электронного баланса FeO+ HNO3(конц) =Fe(NO3) 3+NO2+ H2O.

Карточка 3.

1. Составьте уравнение электролиза:

а) раствора гидроксида меди (II); б) расплава оксида кальция;

в) раствора нитрата серебра.

2. Расставьте коэффициенты методом электронного баланса NaNO3=NaNO2+O2.

ИТОГИ УРОКА

V. Домашнее задание § 36, выполнить задание на карточках, подготовка к самостоятельной работе.

Урок №3

Тема: "Коррозия металлов".

Задачи: актуализировать, расширить и углубить знания о коррозии металлов; закрепить полученные знания и умения по всей теме.

Оборудование: карточки-задания для проверки домашнего задания, опыт (ставится за 3 дня) 5 стаканов, 5 гвоздей, растворы щелочи и поваренной соли, цинк и медная проволока, варианты самостоятельной работы.

Ход урока:

I. Организация класса.

II. Проверка домашнего задания (10 мин)

2 человека у доски выполняют задания:

1) составить схемы процессов электролиза раствора бромида меди, гидроксида калия, расплава хлорида магния.

2) составить схемы процессов электролиза раствора нитрата натрия, гидроксида цинка, расплава иодида алюминия.

Вопросы классу: 1) Что такое процесс электролиза? 2) Какие вещества являются участниками этого процесса, почему? 3) Какое промышленное значение имеет данный процесс? 4) Что такое активный и инертный электроды?

III. Изучение нового материла (15 мин)

Демонстрация опыта (приготовлен за 3 дня).

В 5 стаканах находятся гвозди, но погруженные в различные среды: 1 – вода, 2 – в растворе NaCl, 3 – в растворе NaOH, 4 – в воде, но гвоздь связан с цинком, 5 - в воде, но гвоздь связан с медью.

Вопросы: 1) что произошло с гвоздем в каждом стакане?

2) по каким причинам это произошло?

В 1 стакане процесс коррозии прошел сильно, так как вода является агрессивной средой; 2 ст. – коррозия прошла еще сильнее (чем в 1 стакане) по причине наличия более агрессивных хлорид-ионов; 3 ст. – процесс не заметен, так как гидроксид-ионы замедляют коррозию; 4 ст. – наблюдаем разрушение цинка металла, а сам гвоздь при этом не прокорродировал; 5 ст. – медь не изменилась, а гвоздь подвергся процессу коррозии.

Вопросы: 1) что произошло? 2) почему в стаканах различные продукты? 3) какую роль играет цинк? 4) почему произошло разрушение меди? 5) влияет ли среда на процесс коррозии?

Дать ответы на все эти вопросы вы сможете, познакомившись с текстом учебник на стр.229 (§37). Работаем по плану: определение, виды, сущность каждого вида коррозии (механизм); группы способов защиты в виде таблицы:

Методы защиты

Принцип действия

Область применения

 

Выводы: 1) наблюдали коррозию металла по электрохимическому механизму; 2) скорость процесса коррозии зависит от среды; 3) в качестве защиты можно использовать металлические покрытия из более активного металла. Механизм электрохимической коррозии:

К (+): 2H2O+O2+4ê→4OH -, 2H++2ê→H2, 4H++ O2+4ê→2H2O.

А (-): Men+ + nê→Me0 окисление IV. Самостоятельная работа по теме "Окислительно-восстановительные реакции" (12 мин).

I вариант 1. Допишите уравнение реакции, расставьте коэффициенты методом электронного баланса и определите тип ОВР: а) Co+ HNO3(конц) →...

2. На рисунке изображен разрез хромированного железного листа. Определите, что такое 1 и 2, напишите схемы катодного и анодного процессов.

 

H2O (O2)

3. Разделите вещества HNO3, KClO4, H2O2, Mg, NH3 на три группы:

1 - проявляющие только окислительные свойства;

2 - проявляющие только восстановительные свойства;

3 - проявляющие как окислительные, так и восстановительные свойства.

4. При электролизе раствора КОН на катоде выделится:

а) водород; б) кислород; в) калий?

5. При электролизе раствора хлорида бария на аноде выделяется:

а) водород; б) хлор; в) кислород?

Остальные варианты – приложение 2.

V. Домашнее задание: закончить конспект по теме.

В данной главе подробно рассмотрены этапы формирования умений пользоваться химическим языком на теоретическом уровне. С целью осуществления методики на практике разработаны уроки, дающие возможность устранить формализм в знаниях учащихся.