Тема 11. Методика изучения темы "Периодический закон и периодическая система химических элементов "
1. Значение и место темы в курсе химии
Важнейшее место при изучении химии в школе занимает тема: “Периодический закон и периодическая система химических элементов ”. В процессе изучения данной темы ученики знакомятся с новыми понятиями, овладевают новыми навыками и умениями, которые необходимы школьникам на протяжении всего дальнейшего курса химии. Хотя большинство понятий в обсуждаемой теме носят абстрактный характер, и формирование их в сознании учащихся в соответствии со школьной программой вызывает большие затруднения, что может привести к потере интереса к предмету у учеников, усвоение материала темы всеми учениками является обязательным. В противном случае осознанное изучение дальнейших разделов общей и неорганической химии станет для учащихся невозможным.
Периодический закон – основа современной химии; его открытие дало мощнейший толчок в развитии химических знаний, были разработаны теории строения атома и химической связи. В свою очередь, эти теории позволили глубже понять сущность и смысл Периодического закона.
Основное значение темы заключается в следующем.
1. Углубить и расширить знания учащихся в области химии, продолжить формирование научного мировоззрения.
2. На основе теории строения атома раскрыть физический смысл Периодического закона, тем самым довести до сознания учащихся представления и понятия об объективной взаимосвязи между элементами, об объективности и познаваемости окружающего мира и его единстве.
3. На примере Периодического закона раскрыть значение классификации и научной теории для объяснения и научного прогнозирования (не пророчества) новых явлений и фактов.
4. Познакомить учащихся с жизнью и творчеством .
Последовательность изучения темы возможно в двух основных вариантах.
1. Вначале изучается закон, история его открытия, затем – строение атома и раскрытие физического смысла периодического закона (исторический подход).
2. Вначале изучается строение атома, затем периодический закон и его сущность с точки зрения строения атома.
Оцените оба варианта, что в них положительно, что – отрицательно.
В различных учебниках первоначальное изучение темы реализуется по-разному.
Учебник (авторы) | Когда изучается | Число часов | Вариант изучения | Примечание |
30 часов | Первый | Изучение в одной теме | ||
, | 6/7 часов | Второй | Строение атома (отдельно) изучается в объеме 5/9 ч. | |
8 класс, 9 класс | 9 часов 4 часа | Второй | Изучается в теме 1. Атомы химических элементов Повторение в начале 9 кл. | |
и др. | 8 класс | 4/7 часов | Второй | Строение атома (отдельно) изучается в объеме 4/6 ч. |
и др. | 8 класс | 15 часов | Первый | Изучение в одной теме |
Некоторые авторы включают углубленное изучение темы в 11 классе в рамках раздела "Общая химия".
2. ТРЕБОВАНИЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ СТАНДАРТОВ ПО ВОПРОСАМ ИЗУЧЕНИЯ СТРОЕНИЯ АТОМА И ПЕРИОДИЧЕСКОГО ЗАКОНА
В соответствии с образовательным стандартом профильного уровня среднего (полного) общего образования выпускники школы должны усвоить следующие понятия по вопросам строения атомов и периодического закона.
Модели строения атома. Ядро и нуклоны. Нуклиды и изотопы. Электрон. Дуализм электрона. Квантовые числа. Атомная орбиталь. Распределение электронов по орбиталям. Электронная конфигурация атома. Валентные электроны. Основное и возбужденные состояния атомов.
Периодический закон . Периодическая система химических элементов. Физический смысл порядкового номера элемента, номера периода и группы. Современная формулировка периодического закона и современное состояние периодической системы химических элементов . Электронные конфигурации атомов переходных элементов.
3. Межпредметные и внутрикурсовые связи
Физика – строение атома.
Биология – научная классификация растений и животных.
История – развитие общества и науки в 19-20 вв.
Из предыдущего изученного материала курса химии учащиеся должны знать и помнить такие понятия, как: атом, молекула, химический элемент, валентность, моль, металлические и неметаллические свойства и другие начальные понятия химии; основные классы неорганических веществ, их свойства и генетические связи. Без твердого усвоения ранее изученного материала осознанно усвоить тему учащиеся не смогут. Отсюда будут неизбежно появляться новые пробелы в знаниях при изучении последующих тем курса химии (группы химических элементов).
4. Методические рекомендации при изучении темы
4.1. Первые попытки классификации элементов. Данный раздел темы позволяет развить представления учащихся о науках и значении классификации для любой науки.
Учитель ставит исходные вопросы.
-Что такое наука?
-Как формируется и развивается наука?
В ходе беседы желательно получить полные ответы на все вопросы.
Выяснив, что одним из важнейших этапов формирования науки является классификация, учитель ставит следующий вопрос.
Каковы основы классификации? (Например, в ботанике, зоологии).
Необходимо прийти к выводу, что в основе научной классификации лежат существенные признаки явлений.
Сразу ли в биологии возникла современная классификация растений и животных? Ответ – отрицательный.
Учитель сообщает, что в химии также были многочисленные попытки классификации элементов (металлы и неметаллы; триады Дёберейнера 1816; спираль Шанкуртуа 1862; закон октав Ньюлендса 1863; таблицы Л. Майера 1864).
Почему же эти попытки до Менделеева были неудачны? Ученики должны дать ответ, что в классификациях до Менделеева не были учтены существенные признаки свойств элементов в их взаимосвязи.
Почему же классификация элементов оказалась научной естественной классификацией и используется до настоящего времени? Ответ можно получить, изучив ход мысли и работы ученого.
4.2. Формирование понятий о периодическом законе методом дидак-тической игры. Атрибуты. Карточки из плотной бумаги с символами химических элементов и другими данными:
а/ Карточки элементов №1 - 22. Символы элементов одной группы делаются одним цветом; с помощью особого знака /квадрат, треугольник, круг и т. д./ в верхнем левом углу обозначаются металлы, неметаллы, элементы, дающие амфотерные соединения, благородные газы. Под символом элемента в четыре строки записывают:
- атомную массу элемента;
- формулу летучего соединения с водородом;
- формулу высшего оксида;
- формулу соответствующего гидроксида.
Если элемент не образует указанное соединение, то в карточке ставиться прочерк.
б/ Карточки с символом водорода выполняют в 2-х экземплярах.
в/ Карточки с символом бериллия выполняют в 2-х экземплярах. В одной карточке указывают атомный вес 13,5 /как полагали многие химики до 1869 г./, в другой - 9 /эту величину принял за истинный атомный вес /.
г/ Карточки с надписями экаалюминий - галий; экабор - скандий; экасилиций - германий; двителлур - полоний; двицирконий - гафний; экамарганец - технеций; двимарганец - рений; экацезий - франций; зкабарий - радий; экаиод - астат /эти элементы наиболее точно предсказал /. При этом карточки первых трех элементов нужно продублировать, т. е. изготовить по 2 карточки: с названиями по Менделееву и с современными названиями и данными.
д/ Карточки без названий со значением атомных весов 142, 146, 148, 150; 151, 152, 153, 158, 160, 162, 164, 166, 168. Менделеев полагал, что элементы с такими значениями атомных весов будут еще открыты, и расположил их в своей таблице вслед за церием /ат. вес 140/. Так было предсказано существование лантаноидов.
е/ Карточки без названий со значением атомных весов 245, 246, 248, 249, 250. Менделеев полагал, что элементы с таким значением атомных весов также будут еще открыты, и расположил их в своей таблице вслед за ураном /ат. вес 240/. Так было предсказано существование заурановых элементов.
ж/ Карточки с символами элементов церия, лантана, эрбия, иттрия, индия, тория, урана. Атомные веса этих элементов были "исправлены" Менделеевым на основе закономерностей, которые вытекали из положения элемента в периодической системе.
з/ Карточки с номерами 104-120.
Размер всех карточек может быть произвольным, однако лучше всего, чтобы он соответствовал размеру клетки той периодической системы, которая имеется в химическом кабинете. Необходимые записи на карточках должны быть четко видны всеми учащимися. Окраску фона карточек отдельных групп /г, д, е, ж/ можно выделить светлыми различными тонами. Это поможет учащимся лучше различить, какие элементы предсказал Менделеев более точно, какие определил в общей системе, у каких элементов ученый исправил атомные веса.
Необходимо также подобрать способ крепления карточек к классной доске и периодической системе /липкая лента, кнопки, иголки, магниты и т. д./.
ХОД ДИДАКТИЧЕСКОЙ ИГРЫ-ОБЪЯСНЕНИЯ
После объявления темы урока и обсуждения проблемы классификации химических элементов в химической науке к середине XIX века учитель предлагает учащимся проследить ход рассуждений и действий и других ученых в процессе открытия и становления периодического закона с помощью соответствующих карточек. Процесс работы над открытием закона, а, следовательно, и ход игры удобно разделить на несколько этапов.
Этап 1. Исходные данные и первый опыт системы элементов, основанный на их атомном весе и химическом сходстве.
Учитель информирует учащихся, что к 1869 году было открыто около 60 химических элементов. Попытки многих ученых составить их естественную классификацию были безуспешными. Почему? Не отвечая на этот вопрос, учитель предлагает учащимся "повторить" открытие закона , т. е. найти основной критерий для естественной классификации химических элементов.
Учитель показывает ученикам несколько карточек группы а/, разъясняет их содержание и размещает на доске в два ряда, в соответствие с атомными весами, принятыми в 1869 г.
Li (7) B (11) C (12) Be (13,5) N (14) O (16) F (19)
Na (23) Mg (24) Al (27) Si (28) P (31) S (32) Cl (35,5)
Примечание. С целью упрощения мы намеренно располагаем карточки рядами, как принято в современных таблицах, а не столбцами, как это делал Менделеев в своих первых набросках системы элементов.
Обсуждая полученный результат, когда сходные по химическим свойствам элементы располагаются в столбцы, учитель показывает, что Менделеев не мог согласиться с несоответствием свойств бора и магния, углерода и алюминия, бериллия и кремния. На самом деле, по сходству свойств отвечали следующие вертикальные пары элементов: бериллий-магний, бор-алюминий, углерод-кремний. Чтобы привести таблицу в соответствие, ученый "меняет" атомный вес элемента бериллия на 9 и строит таблицу следующим образом.
Li (7) Be (9) B (11) C (12) N (14) O (16) F (19)
Na (23) Mg (24) Al (27) Si (28) P (31) S (32) Cl (35,5)
Используя полученный фрагмент будущей таблицы, учитель обсуждает закономерности в изменении свойств элементов в этих рядах:
- сходство свойств элементов в вертикальных столбцах;
- изменение металлических и неметаллических свойств элементов по горизонтали и вертикали;
- изменение валентности элементов /степени окисления/ в высших оксидах в рядах;
- изменение кислотно-оснόвных свойств оксидов в рядах и столбцах;
- изменение валентности элементов /степени окисления/ в летучих водородных соединениях в рядах;
- изменение характера свойств летучих водородных соединений в рядах и столбцах;
- изменение валентности /степени окисления/ элементов в гидроксидах в каждом ряду;
- изменение кислотно-оснόвных свойств гидроксидов в рядах и столбцах.
Установив, что указанные свойства элементов изменяются периодически, учитель переходит к следующему этапу.
Этап II. Начало следующего ряда химических элементов /калий, кальций, скандий, титан/.
Учитель обсуждает место следующих /по атомному весу за хлором/ элементов, известных к тому времени /К, Са, Тi/, и укрепляет их карточки на доске по порядку.
Li Be B C N O F
Na Mg Al Si P S Cl
K Ca Ti
Установив карточки, учитель обращает внимание учащихся на соответствие закона периодичности для калия и кальция и на его нарушение для титана /свойства алюминия не повторяются в свойствах титана по основным параметрам/. Как же Менделеев решает проблему? Ученый оставляет под алюминием свободное место для неоткрытого элемента! Более того, он дает ему условное название экабор /Eb/ и предсказывает его свойства /Ат. вес 44; оксид Eb2О3, гидроксид Eb/ОН/3 и др./. Титану отводится место под карточкой кремния. Учитель прикрепляет на доске карточки экабора и титана.
Li Be B C N O F
Na Mg Al Si P S Cl
K Ca Эb Ti
Этап III. Предсказание неизвестных химических элементов и их открытие.
Учитель информирует, что оставил в таблице пустые места почти для 30 химических элементов.
Для многих он с поразительной точностью предсказывает свойства. Учитель прикрепляет к периодической системе карточки группы г/; указывает на сходство данных научного прогноза Менделеева со свойствами элементов, найденными учеными. Здесь можно подробнее остановиться на нескольких примерах: экаалюминий - галлий, экабор - скандий, экасилиций - германий и т. д. Учитель говорит об "укреплении" периодического закона вследствие открытия предсказанных элементов.
Учитель обращает внимание учащихся на различие в научном подходе к классификации химических элементов со стороны делеева и других ученых в данном вопросе.
Далее учитель прикрепляет к периодической системе карточки групп д/ и е/, в том числе 13 карточек вслед за церием и 5 за ураном, и обсуждает научный прогноз открытия лантаноидов и заурановых элементов и реализацию этого прогноза.
Этап IV. Исправление атомных весов, принятых учеными для некоторых элементов к 1869 году.
Учитель информирует учащихся, что наряду с исправлением атомного веса бериллия, на основе открытого закона периодичности исправил атомные веса и других элементов. Одновременно учитель прикрепляет на периодическую систему карточки группы ж/ с символами химических элементов, атомные веса которых были исправлены ученым. Анализируя этот факт, учитель еще раз обращает внимание учащихся на различие в научном методе исследования Менделеева и других ученых в вопросах классификации элементов.
Этап V. Открытие благородных газов и их место в периодической системе. Проблема отклонений в последовательности расположения элементов в зависимости от их атомного веса.
Учитель информирует учащихся об открытии гелия /1868 г. на Солнце; 1882-1895 г. на Земле/ и других благородных газов /1894-1898/ и включении в периодическую систему дополнительной группы элементов. Одновременно учитель прикрепляет к доске карточки гелия, неона и аргона.
He
Li Be B C N O F Ne
Na Mg Al Si P S Cl Ar
K Ca Sc Ti
Учитель обращает внимание учащихся на несоответствие принципа последовательности возрастания атомных весов у аргона /39,9/ и калия /39,1/; меняет карточки местами; обсуждает проблему и возвращает карточки аргона и калия на свои места. Далее учитель указывает на другие пары элементов, расположенных с "нарушением" общей закономерности таблицы по Менделееву /кобальт - никель, теллур - иод и др./, и подводит учащихся к мысли, что объяснение тому кроется в строении атомов элементов.
Этап VI. Место водорода в периодической системе. Учитель обсуждает положение водорода в периодической системе и укрепляет на доске две карточки с символами этого элемента.
Н Н He
Li Be B C N O F Ne
Na Mg Al Si P S Cl Ar
K Ca Sc Ti
Этап VII. Подведение итогов. Обобщение результатов игры. Учитель еще раз, используя карточки на доске и на таблице периодической системы, уточняет, обобщает, разъясняет следующие вопросы:
-критерий классификации химических элементов ;
-отличие в научном подходе к классификации элементов со стороны и других ученых;
-формулировка периодического закона и его графическое выражение в виде периодической системы химических элементов;
-структура периодической системы;
-закономерности изменения свойств химических элементов и их соединений в рамках периодической системы;
-постановка проблемы физического смысла периодического закона /если по программе строение атома изучается после изучения периодического закона/;
Этап VIII. Завершение седьмого периода периодической системы химических элементов .
Идея этого этапа игры заключается в том, чтобы "завершить" седьмой период, заполнив пустые клетки карточками группы з/.
Форма организации этого этапа игры может быть различной. В частности, учитель, обсуждая с учащимися проблемы синтеза сверхтяжелых элементов, размещает на периодической системе карточки элементов № 000 - 118, указывает, какие из них открыты /синтезированы/, и просит учащихся сделать прогноз об их химических свойствах. Более подробно можно остановиться на свойствах элемента 118, завершающего период. Далее учитель обсуждает проблему возможности 8-го периода, используя карточки 119 и 120. Более подготовленным учащимся можно дать задание подсчитать вероятные значения атомных масс /массовых чисел/, наиболее стабильных изотопов неоткрытых элементов.
По ходу игры учащимся, активно и плодотворно участвовавшим в "научном поиске" оптимального варианта классификации химических элементов и "открытий" периодического закона, выставляются оценки в классный журнал.
Для лучшей подготовки и проведения описанной игры рекомендуем использовать такую литературу, как: . История химии. М.: Изд. "Просвещение", 1976; Книга для чтения по неорганической химии. Часть 1 / Крицман/. М.: Изд."Просвещение", 1983; М. Джуа. История химии. М.:Изд.”Мир”,1966; , . Дидактические игры при обучении химии. – 2-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2005. – 96 с. и др.
ВОПРООСЫ И ЗАДАНИЯ
1. Каково значение темы для развития учащихся в области общенаучных знаний?
2. Каково значение классификации в науке?
3. Перечислите основные принципы научной классификации явлений и фактов.
4. Каково значение открытия Периодического закона в химии и методике ее обучения?
5. Перечислите методические приемы изучения Периодического закона и строения атома.
6. Отметьте положительные стороны использования дидактической игры для объяснения темы.
7. Какие недостатки вы обнаружили в использовании дидактической игры?
