Химиялық элементтерді оқып, үйренудің әдістемелік негіздері. Орта мектептегі химия курсы мазмұнының маңызды бөлігін химиялық элементтер және олардың қосылыстары туралы білім құрайды. Оқушыларды химиялық элементтермен таныстырғанда оқытудың жекеден жалпыға, белгіліден белгісізге, оңайдан қиынға қарай жылжитын аса маңызды негіздері қолданылады. Осы негіздерге сәйкес элементтерді және олардың қосылыстарын оқып үйрену бірнеше кезенде жүзеге асады: 1) жеке элемент және оның қосылыстарымен таныстыру; 2) элементтердің табиғи топтары жөнінде ұғым қалыитастыру; 3) периодтық заң және периодтық жүйені оқыту; 4) периодты заңдылықтың негізінде элементтерді топ және топшалары бойынша қарастыру; 5) химиялық элементтер туралы білімді жинақтап қорыту. Алғашқы химиялық ұғымдардан кейін жеке элементтерден оттегі және сутегі индукциялық тәсілмен өтіледі. Бұл элементтер кең таралған, қосылыстары оқушыларға табиғаттану, биология және физика курстарынан жақсы таныс. Оқушыларға оттегінің ауада кездесетіні, организмдер тыныс алғанда оттегін сіңіріп, көмірқышқыл газын шығаратыны, өсімдіктердің фотосинтезі кезінде көмірқышқыл газын сіңіріп, оттегін бөліп шығаратыны, оттегінің алынуы, жануды қолдайтыны және физикалық қасиеттері белгілі.
Мұның бәрі оттегінің жай зат түріндегі қасиеттері. Оқушылардың осы білетіндеріне қосымша оттегі жай затының молекуласы оттек элементінің екі атомынан түзетін, элементтің химиялық таңбасы, салыстырмалы атомдық массасы, қосылыстардағы валенттілігі, табиғатта таралуы түсіндіріледі. Ауаның, судың жер қыртысының құрамында, тірі организмдердің денесінде болатыны айтылады, күрделі заттар айырылғанда алынатыны, тотығу реакциясына қатысып, оксидтер түзетіні талданады. Қасиетіне қарай жасанды тыныс алатын жерлерде (ғарышта, су астында, медицинада), жануды күшейтуді қажет ететін өнеркәсіпте (металлургияда, химия заводтарында), пиротехникада қолданылуы сызбанұсқа түрінде көрсетіледі.
Сөйтіп химиялық элементен алғашқы таныстыру мына жоспар бойынша жүзеге асырылады: а) химиялық таңбасы және салыстырмалы атомдық массасы; ә) табиғатта кездесуі; б) бос күйінде алынуы; в) жай затының қасиеттері; г) маңызды химиялық қосылысының құрамы және қасиеттері; ғ) қосылыстарындағы валенттілігі; д) халық шаруашылығындағы маңызы.
Осы жоспарга сәйкес оттегі мен сутегінің элементтері оқылып, олар түзетін маңызды қосылыстар су, оксидтер, қышқылдар, тұздар және негіздер туралы білім беріледі. Бұл білім элементтерді оқып-үйренудің екінші кезеңіне негіз болады.
Екінші кезеңде өзара өте ұқсас химиялық элементтердің үш тобы — галогендер, сілтілік металдар және инертті газдар қарастырылады. Периодтық заңдылықты игеруге нақтылы әзірлік жасалады.
Үшінші кезеңде оқушылар барлық элементтердің басын біріктіретін, бірімен-бірін ұштастыратын жалпы заңдылықпен танысады. Периодтық жүйеге орналастырылған химиялық элементтер арасындағы көлбеу, тік және қиғаш байланыстардың мәнін түсінеді. Элементтердің периодқа, қатарға, топқа және топшаға орналасуының негіздерін, әрқайсысының ерекшеліктерін игереді. Химиялық элементтерді ашу және жіктеу дамылсыз жүзеге асып, ақырында периодтық заңның ашылғанын біледі. Табиғаттың ұлы заңын ашу үшін танымдық ой-өрісі кең, сіңісіп кеткен кертартпа пікірлерге батыл қарсы шығатын ғалым керек болғанын, Д.И.Менделеевтің осы талаптарға сай келгенін түсінетін дәрежеге көтеріледі. Д.И.Менделеев ашқан периодтық заң, сондай — ақ периодтық жүйе химиялық элементтерді және оларды оқып-үйренудің теориялық негізіне айналады.
Төртінші кезеңде 8-9 сыныптарда топ және топшалар бойынша оқылады. Алдымен III — IV негізгі топшаларда орналасқан бейметалдар, содан соң металдардың жалпы қасиеттері, I — III негізгі топшаның металдары, соңында қосымша топшаларда орналасқан металдар өтіледі.
Элементтерді оқып-үйрену дедуктивтік сипат алады. Топтың, содан кейін топшаның сипаттамасы талданып, солардың негізінде жеке элементтер қарастырылады. Қисынды тәсілдердің талдау және біріктіру, салыстыру, ұқсастығы мен айырмашылығын табу, т.б. маңызы артады.
Химиялық элементтер түзетін қосылыстардың көп түрлілігі, олардың құрылысы мен қасиеттерінің, қасиеттері мен қолданылуының арасындағы себеп-салдар байланыстары, элементтер қосылыстары қасиеттерінің өзгеруінде санның сапаға ауысуы нақтылы мысалдармен көрсетіледі.
Химиялық эксперименталдық танымдық мәні күшейеді. Эксперименттің алуан түрлері, жеке тэжірибелер окушылардың өздері жасаған жорамалдарын сынау үшін қойылады.
Периодтық заң және периодтық жүйе өтілгеннен кейін элементтерді және олардың қосылыстарын оқып, үйренудің жоспары өзгереді.
- Элементтің периодтық жүйедегі орнын сипаттау: химиялық таңбасы, салыстырмалы атомдык массасы, рет нөмірі, периоды, тобы және топшасы.
- Атомының құрылысы: сызбанұсқа сызу, атом құрылысының электрондық және графикалық формулаларын жазу. Элемент атомының тотығу дәрежелерін анықтау.
3. Элементтің ашылу тарихы.
- Элемент түзетін жай затының құрылысы, қасиеттері, алынуы, қолданылуы, табиғатта кездесуі.
- Элемент түзетін химиялық қосылыстардың құрамы, түрлері, қасиеттері, қолданылуы.
6. Элементтің табиғатта таралуы.
Бұл жоспар элементтерді топшалары бойынша оқып, үйренгенде қолданылады.
Галогендер топшасып оқып, үйрену. Галогендер топшасын оқып, үйренудің екі ерекшелігі бар. Біріншіден, галогендердің табиғи тобы периодтық заң жэне периодтық жүйені өтер алдында қарастырылып, физикалық, сондай-ақ химиялық қасиеттеріндегі, маңызды қосылыстарының құрамы мен қасиеттеріндегі ұқсастықтары және айырмашылықтары анықталған болатын. Хлорсутек, тұз қышқылының қасиеттері және тұздары оқушыларға белгілі.
Екінші ерекшелігі — бұл периодтық заңдылық пен зат құрылысы теорияларының негізінде оқылатын химиялық элементтердің алғашқы топшасы. Сондықтан периодтық заң мен атом қүрылысынын заңдылықтары оқушылардың таным әрекетін жандандыру үшін барынша толық пайдаланылады, оқушылардың өздігінен істейтін тэжірибелік жүмыстарына жол ашылады.
Оқушылар галогендердің жалпы сипаттамаларымен өздігінен істейтін жұмыстар аркылы танысады. Оқушыларға үш тапсырма беріледі.
1-тапсырма. Галогендердің салыстырмалы сипаттамаларын мына улгі бойынша кесте түрінде жазыңыздар: 1) электртерістілігінің кемуі бойынша химиялық таңбалары (F, CI, Br, I); 2) салыстырмалы атомдық массалары; 3) атом күрылысының электрондық жэне графикалық формулалары; 4) атом құрылысындағы: а) ұксастықтары; ә) айырмашылықтары; 5) жай заттарының электрондық формулалары және химиялық байланыстарының түрі; 6) кристалл торларының түрі; 7) агрегаттық күйі.
Кестені талдау арқылы галогендердің ұқсастығы электрондық құрылысының, әсіресе сыртқы энергетикалық деңгейлерінің бірдейлігімен, ал айырмашылығы валенттілік электрондарының ядродан алыстауымен түсіндіріледі. Жай заттар молекулаларындағы химиялық байланыстың түрлерін, кристалл торларының типін салыстырып, физикалық касиеттерінің өзгеруіндегі заңдылықтардың беті ашылады, ол үшін окулықтағы және арнайы дайындалған кестелер пайдаланылады.
2-тапсырма. Галогендердің сутекті қосылыстарын сипаттайтын кесте толтырыңыздар: 1) химиялық формуласы; 2) электрондық формуласы; 3) химиялық байланыстың түрі; 4) түрақтылығы; 5) кристалл торының түрі. Кесте толтырута қажетті мэліметтерді оқушылар оқулықты өздігінен оқу арқылы іздеп табады. Әңгімелесу арқылы жүмыстың корытындысын шығарғанда химиялық байланыс тузетін электрон бұлттарыныд пішініне, түзілу сызбанұсқасын сыздыруға, байланыстың сипатына, фторсутегінен иодсутегіне қарай тұрақтылығының кему себебіне назар аударылады.
Галогендердің оттекті қосылыстарын сипаттайтын кесте жазудың қажеті шамалы. Галогендердің бәрі периодтық жүйедегі орнына сэйкес жоғарғы оң тотығу дәрежесін көрсетпейтіні анықтап өтіледі. Жалпы заңдылыққа сәйкес оқушылардың Ғ207 деген формула жазатыны жиі кездеседі. Сондықтан электртерістілігі ең күшті элемент фтордың минус бірден өзге тотығу дэрежесін білдірмейтіні баса айтылып, оттегімен қосылысының формуласы ОҒ2 екеніне көңіл бөлінеді.
Галогендердің химиялық қасиеттерін талдағанда, жаңа бағдарламаның талаптарына сәйкес тотығу-тотықсыздану реакцияларының электрондық табиғаты жөнінде алғашқы түсінік беріледі, электрондық баланс теңдеулері жазылады. Бұл арада фосфордың хлорда жануын оқушыларға бұрыннан таныс оттегінде жануымен салыстырып, электрондық жағынан алғанда бұлардың бір-біріне ұқсас процесс екені түсіндіріледі. Басқа да бейметалдармен және металдармен эрекеттескенде галогендер атомдарының тотықтырғыш қасиет көрсетіп, өздерінің тотықсызданатыны айтылады.
Жалпы сипаттамадан кейін галогендердің ішінен хлор элементі және оның қосылыстары толық қарастырылады. Мұның мәнісі хлор косылыстары табиғатта кең таралған, халық шаруашылығының түрлі салаларында, медицинада және тұрмыста жиі қолданылады, көпшілігі оқушыларға бүрыннан белгілі.
Жалпы заңдылықтар тұрғысынан басқа галогендермен салыстыра отырып хлор атомының және молекуласының құрылысы, алынуы, жай және күрделі заттармен әрекеттесуі талқыланады. Сумен әрекеттесуінің ерекшелігі және маңызы, бұл реакцияда хлор атомының екі жақты қасиеттер көрсететіні электрондық баланс теңдеуін талқылау арқылы нақты түсіндіріледі.
Хлордың химиялық қосылыстарынан хлорсутек және тұз қышқылы айрықша қарастырылады. Бұл қосылысты өтумен байланысты газдардың мольдік көлемі, Авогадро заңы, газдардың салыстырмалы тығыздығы туралы жаңа ұғымдар беріледі. Сан есептерінің жаңа түрлері енгізіледі: 1) химиялық тендеулер бойынша газдардың көлем қатынастарын табу; 2) реакцияға кіріскен немесе шыққан заттардың берілген мөлшері бойынша көлемін табу; 3) газдардың салыстырмалы тығыздығын есептеу. Бұл есептеулер оқушылардың химиялық реакциялардың сандық сипаттамалары жөніндегі білімін кеңейтеді.
Оқушылар тұз қышқылын жэне оның тұздарын анықтаудың сапалық реакциясымен, галогендердің тотыктырғыш касиеттерінің салыстырмалы сипаттамасымен танысады, хлоридтерді, бромидтерді және иодидтерді ажыратып, тануға байланысты эксперимент есептерін шығарады.
Оттегі, азот және көміртегі топшаларын оқып, уйрену.
Оттегі топшасы жаңа бағдарлама бойынша злектролиттік диссоциациялану тақырыбынан кейін өтіледі. Оқу-тәрбиелік мақсаттары:
1) периодтық заң жэне периодтық жүйе, химиялық байланыс, заттың қүрылысы және иондық теория жөніндегі теориялық білімді баянды етуге, сондай — ақ қолдана білуге үйрету; 2) пэнаралық байланысгы жүзеге асыру, оттегі мен күкірт қосылыстарының табиғаттагы жэне халық шаруашылығындағы маңызын көрсету; 3) галогендер топшасының элементтерімен салыстыру аркылы үқсастығы мен айырмашылығын табу; 4) химиялык қосылыстардың жэне құбылыстардың мэнін, себеп-салдарын байланыстырып, ішкі кайшылықтарын түсіндіру, ғылыми көзқарас қалыптастыру.
Жаңа бағдарламада бұл топшаның деректі материалдары едэуір қысқартылды. Оқушылардың денсаулыгына зиянды эсерін тигізетін күкіртсутек жэне оның қышқылы, сульфидтер, күкірт (IV) оксиді, күкіртті қышқыл жэне сульфидтер бағдарламадан шыгып калды.
Жай заттарды қарастырғанда аллотропия жэне аллотропиялық түр өзгерістері жөнінде жана үғым қалыптастырылады. Галогендер тобының элементтерінде аллотропия кұбылысы байқалмайды, ейткені атомдардың өзара әрекеттесуінің бір ғана мүмкіндігі бар. Оттегі топшасы элементтері атомдарының сыртқы электрон қабаттарының қүрылысы эр түрлі байланысуға мүмкіндік береді. Бүл пікір оттегі жэне озон молекулаларын салыстыру арқылы нақтыланады. Оттегі мен озонның қүрамын, физикалық жэне химиялық қасиеттерін кесте түрінде жазып, санның сапаға ауысуы туралы қорытынды жасалады. Бір элементтің бірнеше жай заттар түзу ңүбылысы — аллотропия, әрі заттың аллотропшльщ түр өзгерісі деп аталатыны, жай заттардың көп түрлілігі туралы түсінік беріледі. Аллотропия қүбылысының күкіртте, селенде, теллурда жэне полонийда орын алатыны, бүл алтыншы негізгі топшаның элементтеріне тэн құбылыс екені атап өтіледі. Күкірт атомдарының өзара ашық жэне түйық тізбек түзіп байланысатыны, соған сәйкес кристалдық жэне пластикалык күкірт жай заттарын түзетіні айтылады. Кристалдық күкірттен пластикалық күкірттің алыну тәжірибесі, эркайсысының қүрылысын көрсететін кесте көрнекі көрсетіледі.
Күкірт атомының қүрылысын, тотығу дәрежелерін еске түсіру арқылы химиялық касиеттері жөнінде жорамал жасалып, сызбанүсқа түрінде жазылады: металл + күкірт →сульфид; сутегі + күкірт→жүкірт сутегі; оттегі + күкірт→ күкірт (IV) оксиді.
Әр сызбанүсқаға сәйкес бұрыннан белгілі тэжірибелер еске түсіріліп кайталанады, жаңа тэжірибелер қойылады. Реакциялар тотыгу-тотықсыздану түрғысынан талданып, электрондық баланс теңдеулері жазылады. Жай зат күйіндегі күкірт атомының тотығу дәрежесіне металл жэне сутегі атомдарымен плюс төртке дейін тотыгатыны анықталады. Кукірт атомының екі жақты қасиет көрсету мүмкіндігі, қай мүмкіндігінің жүзеге асатыны, эрекеттесетін атомының электртерістілігіне тәуелді екені айтылады. Күкірттің табиғатта кездесуі жэне оның айналымымен танысу үшін оқушылардың өздігінен істейтін жұмыстары үйымдастырылады оқулықтың соңғы қосарбетіндегі түсті кесте (80) талданады. Күкірттің қосылыстары, сүйық жэне концентрлі кукіртқышқылының жалпы жэне айрықша қасиеттері қарастырылады. Сүйық күкірт қышқылы тотықтырғыш қасиеттерін сутегі катионы арқылы көрсетеді, сондықтан металдардың кернеу қатарында сутегіне дейін орналасқан активті металдармен гана эрекеттеседі. Концентрлі күкірт қышқылы тотықтырғыш қасиетін күкірт атомы арқылы жүзеге асырып, өзі күкіртті газға дейін тотықсызданады. Кернеу қатарында сутегіне дейін де, сутегінен кейін де орналасқан металдармен реакцияға түседі, бүл реакциялардың жалпы сызбанүсқасы:
Me + H2S04→ тұз + Н2
сұйылтьш.
Me + H2S04→tұз + S02+ Н20
концентрлі
Сұйылтылған күкірт қышқылы металл оксидтерімен, гидроксидтермен жэне тұздармен алмасу реакцияларына қатысады, бүлардың жүру жағдайлары, толық және қысқаша иондық теңдеулері талданады. Күкірт кышқылының тұздармен эрекеттесуі басқа қышқылдарды алу. үшін зертханаларда және өнеркэсіпте қолданылатыны, органикалық заттардың суын тартып алып, көмірге айналдыратыны эңгімеленеді.
Соңында күкірт қышқылына жэне оның түздарына барий катионының реактив болатыны туралы үғым беріледі. Тұз жэне күкірт қышқылдарының түздарын ажыратуға, сапалық қүрамын анықтауга эксперимент есептері шығарылады.
Азот топшасы бойынша топты, топшаны жэне жеке элементті сипаттау, өтілген топшаның элементтерімен салыстырып, ұқсастығы мен айырмашылығын анықтау жөніндегі оқушылардың білімі мен білігі ныгаяды. Периодтық заң жэне жүйе, заттың қүрылысы химиялық байланыс туралы білім дамиды, жаңадан донор-акцепторлы байланыс жайында ұғым қалыптасады. Химиялық реакциялардың жүру заңдылықтары, химиялық эрекеттерді басқару жэне реттеу мәселелері нақтылы мысалдармен толықтырылады. Ғылым мен өндіріс арасындағы аммиак, азот қышқылы, минералды тыңайтқыштарды алуға байланысты өндірістік материалдарды өткенде оқушылардың политехникалық ой-өрісі кеңейеді. Азоттың табиғаттағы айналымы, өзінің жэне қосылыстарының қүрамы мен қасиеттеріндегі қайшылықтар ғылыми көзкарастың қалыптасуына, өлі табиғат пен тірі табиғаттың байланысын терең түсінуге жэрдемдеседі.
Азот топшасының элементтерін галогендермен және оттегі топшасының элементтерімен салыстырганда мыналарға көңіл аударылады. Галогендер тобына жататын элементтердің бірі -бейметалдар, олар күшті тотықтырғыш касиет көрсетеді. Оттегі топшасында — полонийда, азот топшасында, сүрме мен висмутта металдық қасиеттер білініп, элементтердің сипаты өзгереді. Элементтер (атомдар) қасиеттерінің өзгеруі мен жай заттар қасиеттері өзгеруінің арасында айырмашылықтар байқалады. Оттегі жай затының күкіртпен салыстырғанда металдармен белсенді әрекеттесетіні оқушыларға белгілі. Осыған орай азот жэне фосфор жай заттарының химиялык белсенділігін салыстырып, жорамал жасағанда оқушылар азот активті деген қорытындыға келеді. Оқушыларға белгілі жэне жаңадан койылган тэжірибелер жорамалға қайшы келеді. Фосфор ауада жэне оттегінде жанады, 3000°С температура кезінде ғана тотығады. Бүл фосфор жай затындағы химиялық байланыстын осалдығынан болатын жағдай. Азоттың мольдік иондануы 4576 кДж/моль, ал фосфордікі 2910 кДж/моль.
Азоттың молекуласы берік үш электрон жұбы арқылы байланысады, сондықтан оның активтілігі периодта озінен кейін орналасқан оттегі мен фосфордан кем. Фтор сутегімен қараңғыда, оттегімен температура эсерінен, азотпен температура және катализатор қатысқанда ғана эрекеттеседі. Бұдан соң азоттың, оттегінің жэне фтордың сутегімен қосылыстарының химиялық байланысының полюстілігі, беріктігі жэне ерігіштігі, химиялық қасиеттері салыстырылады.
Топ ішінде сутекті қосылыстары қасиеттерінің өзгеру бағыты анықталады. Бүдан бұрынғы топшалардағы сутекті қосылыстар қасиеттерінің өзгеру заңдылығын ескеріп, топ бойында жоғарыдан төмен карай түрақтылығының кемитіні, тотықсыздандырғыш қасиетінің артатыны жөнінде қорытынды жасалады.
Азоттың оттекті қосылыстары туралы деректі материалдар соңғы бағдарламада едэуір ықшамдалды. Олар аммиактың жэне азот қышқылының химиялық қасиеттерін сипаттағанда тотыгу-тотықсыздану әрекеттерінің өнімдері ретінде қарастырылады
Аммиак оттегінде жанып, бос күйіндегі азотқа, ал катализатор қатысында азот (II) оксидіне дейін тотығады. Азот (II) оксиді ауадағы оттегімен азот (IV) оксидіне дейін тотығып, сумен әрекеттескенде азот қышқылына айналады. Азот қышқылы тотыксызданғанда бұған керісінше әрекет жүзеге асады. Азот қышқылы тотықтырғыш қасиет көрсеткенде өзінен кейінгі тотығу дәрежелеріндегі алты өнімнің бэрін беруі мүмкін. Солардың ішінде ең көп мөлшерде түзілетіндері: NO жэне N02.
Бүл арада тотықсыздану енімдері металдардың активтілігіне және қышқылдың концентрациясына тәуелді екенін айтып, мыналарды атап өткен жөн: 1) сүйылтылған азот қышқылы сілтілік жер металдармен және мырышпен, темірмен эрекеттескенде аммиакқа дейін тотықсызданады; 2) сүйылтылган азот қышқылы активсіз ауыр металдармен эрекеттескенде азот (II) оксиді түзіледі; 3) концентрлі азот қышқылы сілтілік жэне сілтілік жер металдармен эрекеттескенде азот (I) оксиді бөлінеді; 4) концентрлі азот қышқылы ауыр металдармен азот (IV) оксидін түзеді; 5) концентрлі азот қышқылы темір, хром, алюминий, алтын, платина, тантал металдарына эсер етпейді. Бүл заңдылықтарды білу азот қышқылының металдармен эрекеттесу реакцияларының электрондық баланс теңдеулерін сауатты жазуға жәрдемдеседі.
Оқушылар аммоний ионының жэне азот кышқылының тұздарымен, оларды анықтайтын сапалық реакциялармен танысады. Тұздардың құрамы, қасиеттері және қолданылуына байланысты жаттығулар орындайды, есептер шығарады.
Фосфор атомының қүрылысы, түзетін жай заттары, сутегі және оттегімен қосылыстары, оксиді мен кышқылдары, орта жэне қышқыл тұздары азотпен салыстырып қарастырылады. Фосфор қышқылының сатылап диссоциациялануына, соган сэйкес түзетін түздарының ерігіштігіне және маңызына назар аударылады. Фосфор жэне азот тыңайтқыштарының қүрамы, қоректік заттары, тиімділігі, қолданылу тэсілдері жөнінде үғым қалыптастырылады. Тыңайтқыштар өндіру өнеркәсібінің дамуы жэне келешегі туралы нақтылы мэліметтер келтіріледі, диаграммалар сызылады.
Көміртегі топшасы. Бүл топшаның элементтері: атом қүрылысының электрондық жэне графикалық формулалары, тотығу дәрежелері, жай заттарының қүрылысы, оксидтерінің формулалары, қышқылдарының формулалары, сутекті қосылыстарының формулалары бойынша талданады. Осының алдындағы топшаның элементтерімен салыстырылады. Көміртегі түзетіи жай заттарының кұрылысы мен қасиеттері модельдер және кестелер арқылы нақтыланады. Алмаз бен графиттің қасиеттеріндегі айырмашылықтардың себептері ашылады. Оқушылардың атомдық ковалентті байланыстар, олардың кеңістікте орналасуы жөнінде білімі кеңейеді. Аморфты көміртегінің қасиеттерін талқылаумен байланысты жаңадан адсорбция қүбылысы жэне оның маңызы туралы түсінік алады.
Көміртегі мен кремний қосылыстарының сан алуандығы, табиғаттағы жэне организмдер тіршілігіндегі мәнімен танысады. Бүл элемент атомдарының озара химиялық байланыстар түзу ерекшелігін түсінеді, олардың кеңістіктегі багытталуы туралы көзқарас қалыптасады.
Күрделі заттардың қүрылысы мен қүрылымының қасиеттеріне тигізетін эсері көміртегі (IV) оксиді мен кремний оксидтерін, кемір қышқылы мен кремний қышқылын салыстырғанда айқын білінеді. Бұл заттардың құрамы үқсас болғанымен, қүрылысы эр түрлі, сондықтан қасиеттері бір-біріне үқсамайды.
Қышқылдарға тэн жалпы қасиеттер комір кышқылында айқын білінбейтініне назар аударылады. Көмір қышқылы активті металдармен (магний) жэне суда еритін негіздік оксидтермен, кремний қышқылының еритін түздарымен ғана эрекеттеседі. Бүл оның әлсіз, әрі түрақсыз екендігін білдіреді. Кремний қышқылы -ерімейтін қышқыл, сілтілермен реакцияға түседі, қышқылдардың басқа қасиеттерін корсетпейді. Осыдан, көмір жэне кремний қышқылдарын откенде, қышқылдардың жалпы жэне айрықша қасиеттері туралы оқушылардың білімі терендейді.
Металдарды оқыту әдістемесі Металдар туралы оқу материалын өткенде химиялық элемент жай зат және күрделі зат, заттың құрылысы мен қасиеттері, химиялық реакция, т.б. үғымдар нығаяды, жаңа деректермен толысады. Периодтық заң, атом құрылысы, химиялық байланыс жэне иондық теория жөніндегі білім қолданыс табады. Металлургия өнеркәсібі жэне металдардың халық шаруашылығындағы маңызы туралы нақтылы ұғым қалыптасады.
Металдарды жүйелі түрде қарастырғанда оқушылардың 8-9 сыныптардың жеке тақырыптарында алынған мына тірек білімі ескеріледі: «Химиялық алғашқы үғымдар» тақырыбынан элементтердің жіктелуі; металдар туралы алғашқы ұғым; «Оттегі» тақырыбынан металдардың тотығуы, металл оксидтері туралы ұгым; «Сутегі. Қышқылдар. Түздар» тақырыбынан металдардың қышқылдармен эрекеттесуі жэне металдардың активтік қатары туралы алғашқы түсінік, металл оксидтерінің сутегімен тотықсыздануы жэне қышқылдармен алмасу реакцияларына түсуі, металдардың түздар қүрамына кіруі; «Су. Негіздер. Ерітінділер» тақырыбынан металдардың сумен эрекеттесуі және негіздер қүрамына кіруі; «Бейорганикалық қосылыстардың маңызды кластары жөнінде білімді қррытындылау» тақырыбынан металдардың бейметалдармен жэне қышқылдармен эрекеттесуі, оксид жэне гидроксид қосылыстарының қасиеттері, «Периодтық заң жэне периодтық жүйе» тақырыбынан сілтілік металдардың табиғи тобы, периодтык жүйеде металдардың орналасуы, электрондық құрылысының ерекшеліктері, иондануға бейімділігі; бейметалдар орналасқан негізгі топшаларды оқығанда металдардың тотықсыздандырғыш қасиеттері, қышқылдармен эрекеттесуінің ерекшеліктері, оксидтері, гидроксидтері және тұздары ескеріледі.
Бұл білім металдардың жалпы қасиеттерін дедуктивті тэсілмен, оқушыларды белсенді қатыстыру арқылы, оқып-үйренуге негіз болады.
Алдымен металдардың периодтық жүйедегі орны туралы кіріспе оқылып, мына мәселелерге назар аударылады: «металл» термині химиялық элементтерді жэне олар түзетін жай заттарды белгілейді; бір термин арқылы берілетін екі ұғымның эрқайсысының өзіндік мазмүлы жэне көлемі нақтыланады; периодтық жүйеде орналасуы, салыстырмалы атомдық массасы, реттік нөмірі, атом радиусы, иондану энергиясы, т.б. элементке тән сипаттамалар. Металдарға жататын химиялық элементтер саны жағынан бейметалдардан гөрі көбірек сексеннен асады.
Олар I — III негізгі топшаларда (бордан басқа) жэне барлық топшаларда периодтық жүйенің сол жағында орналасқан. Металл атомдарының негізгі ерекшелігі — сыртқы қабатындағы электрондар саны аз, атом радиустары едәуір үлкен. Әр период s-деңгейшесін электрондармен толтыратын сілтілік металдардан басталады. Үлкен периодтардың ортасында орналасқан металдар атомдары (Sc-Zn, V-Cd) d-деңгейшесін, аса үлкен периодтарда орналасқан металдар af-деңгейшесін жэне /-деңгейшелерін (лантаноидтар мен актиноидтар) электрондармен толтырады.
Сілтілік металдар мен галоген атомдарының иондану энергиясы
| Период | Металл | Атом радиусы (нм) | Иондану энергиясы (кДж/моль) | Бейметалл | Атом радиусы (нм) | Иондану энергиясы (кДж/моль) |
| II | Литий | 0,155 | 520,2 | Фтор | 0,064 | 3375,7 |
| III | Натрий | 0,189 | 495,8 | Хлор | 0,099 | 1251,2 |
| IV | Калий | 0,236 | 418,8 | Бром | 0,114 | 1142,0 |
| V | Рубидий | 0,268 | 403,0 | Иод | 0,133 | 1008,4 |
Металл атомдары сыртқы жэне оның астындағы электрондық қабаттарынан валенттік электрондарын беріп жіберіп, тотықсыздандырғыш қасиет көрсетуге бейім келеді. Бүған металдардың жэне оқушыларга таныс бейметалдардың иондану энергияларын салыстыру арқылы көз жеткізеді.
Кестеден сілтілік металдар атомдарының радиустары бір периодта орналасқан галоген атомдарының радиустарына қарағанда екі еседен астам артық, ал иондану энергиялары 3 — 6 есе кем екені байқалады. Топ бойында атом радиустарының артуымен байланысты иондану энергиясы заңды түрде кемиді.
Металдардьщ жай заттарын белгілейтін терминнің мағынасы олардың атомдары түзетін химиялық байланыстың табиғатын жэне кристалл торлардың түрлерін қарастыру арқылы ашыладьт. Металдық химиялық байланыс ковалентті жэне иондық байланыстармен, молекулалық, атомдық, иондық кристалл торлары металдық кристалл торымен салыстырылып, ұқсастығы мен айырмашылығы анықталады.
Модельдерді жэне оқулықтарды пайдаланып, металдық кристалл тордың құрылысы түсіндіріледі.
Бұл байланыс атомдардан босаган электрондар мен оң зарядталған металл атомдарының арасында жұзеге асатыны айтылады. Ортақ электрондар арқылы жүзеге асуы жағынан металдық байланыс ковалентті байланысқа ұқсайды, бірақ одан айырмасы екі атомның арасында тұрақтанбаған, кристалл торындагы барлық атомдар ядроларының теңірегінде айналып жүреді. Электрлік тартылыс күшінің эсері арқылы байланысуы жағынан металдық байланыс иопдық байланысқа жақындайды, бірак мұнда теріс зарядталган иондар болмайды, олардың міндетін бос жүрген электрондар атқарады. Электрондар атом иондарымен бір сэтте бірігіп, келесі сэтте қайтадан ажырап кетеді. Осындай бос электрондардың болуымен оқушыларға бұрыннан белгілі металдардың физикалық қасиеттері, электр өткізгіштігі, жылу өткізгіштігі жэне жылтырлығы түсіндіріледі. Нақтылай түсу үшін үлестіріліп берілген металдармен жүмыс істеледі, мыстың, алюминийдің жэне басқа металдардың жалпы қасиеттерін сипаттайтын диафильм көрсетіледі. Соның нәтижесінде оқушылар металдық жылтыр жағынан күміс жэне палладийдің, тапталғыштығы жагынан алтынның бірінші орында тұратыны, металдардың ең ауыры — осмий (22, 43 г/см3), жеңілі — литий (0,52 г/см3), ең жұмсағы — калий, қаттысы — хром, ең оңай балқитыны — сьшап (38,87°С), балқу температурасы ең үлкені вольфрам (3370°С) екені жөнінде пікірге келеді.
Металдар түзетін кристалл торларының түрлері: кубтық көлемді центрлі (сілтілік металдар, вольфрам, хром, т.б.), қырлары центрдегі куб (алюминий, қорғасын, күміс, алтын, платина, т.б.), гексанальды (магний, бериллий, мырыш, т.б.) торлар туралы айтылады. Бір колем бірлігіне келетін металл атомдарының саны артқанда металдың тығыздығы да артады. Гексональды торда атомдар басқалардан гөрі тығыз орналасады. Металдардың тыгыздығына ион зарядтары мен радиустары да эсерін тигізеді.
Металдық байланысы болғандықтан, кристалл торларының жеке қабаттары бір-біріне жақындасуга бейім келеді, мұның өзі металдарға созымдылық қасиет береді. Олар химиялық байланысын үзбей, жұкарады.
Әр түрлі металдарды қосып балқытқанда қүймалар түзіледі, олардың қасиеттері алуан түрлі болып келеді, бұл іс жүзінде кеңінен қолданылады. Оқушылар өздеріне үлестіріп берілген құймалармен танысады, олардың түрлері және құрамы жөнінде нақтылы ұғым алады. Құймалар дисперстік жүйелерге жатады. Олардың қоспа немесе химиялық қосылыс түрінде болуы мүмкін. Кристалл торлары бірдей жэне қасиеттері ұқсас металдар қатты ерітінділер (алтын-күміс, темір-марганец) түзеді. Кристалл торларында айырмасы үлкен металдардан механикалық қоспа түріндегі құймалар түзіледі (қорғасын-қалайы, кадмий-висмут, т.б.).
Қасиеттері эр түрлі металдардан химиялық қосылыстар түзіледі, оларда валенттілік заңдылығы сақтала бермейді (MgPb, Mg2Si, А14С3, AuZn, AuZn3, AuZn5, т.б.).
Металдардың сумен әрекеттесуі
|
Металдар |
Химнялык реакциянын тендеуі |
Реакция -өнімі |
|
Сілтілік металдар, кальций, барий Магний, алюминий, мырыш, темір, марганец, хром, никель, қорғасын Мыс, күміс, алтын |
Me + HOH →Me(OH)n+H2
Ме + HzO→Me +пО2— + Н2
Сумен әрекеттеспейді |
Н, Ме(ОН)
Н, Me +п02— |
Металдардың химиялық қасиеттері дедукциялық тәсілмен өтіледі: а) металдардың бей металдармен эрекеттесуі; э) металдардың сумен эрекеттесуі; б) металдардың қышқылдармен эрекеттесуі; в) металдардың түздармен эрекеттесуі. Әр қасиетті нақтылайтын зертханалық және көрнекі көрсететін (зерттеу әдісімен) тэжірибелер қойылады; реакцияның жүру жағдайларына назар аударылады.
Сілтілік металдар жэне кальций оттегімен әдепкі температурада тотыгады. Оқушыларға бұрыннан белгілі активтік қатардағы магнийден қорғасынға дейінгі металдар әдепкі жағдайда тотығып, қорғаныш қабық түзеді. Мыс пен сынап қыздырғанда тотығады. Алтын, күміс жэне платина қыздырса да тотықпайды. Металдардың басқа бейметалдармен эрекеттесу жағдайлары да еске түсіріледі.
Металдардың сумен эрекеттесу мүмкіндігін, жүретін химиялық процестерді, реакция өнімдерін сызбанүсқа немесе кесте түрінде беру тиімді.
а) металдардың сұйық жэне концентрлі қышқылдармен эрекеттесу өнімдері де кесте арқылы беріледі. Күкірт жэне азот қышқылдарының металдарға эсер ету ерекшеліктеріне назар аударылады.
э) металдардың тұздармен реакциялары параллель (жүретін жэне жүрмейтін салыстырмалы) тәжірибелер қою арқылы нақтыланады.
Талқыланған реакциялардың бэріне металдардың атомдары тотықсыздандырғыш қасиет көрсетіп, өздерінің де тотығатыны айтылады:
Ме° →Ме+п + пе
Металдардың әрбір қасиеті жөнінде білімді нығайта түсетін өздігінен істейтін жұмыстар жүргізіледі, жіктелген жаттығулар орындалады. Жаттығуларды ойдағыдай орындап, металдар
қатысатын реакциялардың жүру ықтималдығын алдын-ала болжау үшін оқушылар металдардың Н.Н.Бекетов жасаған ығыстыру қатарын еске түсіріп, металдар кернеуінің электрохимиялық қатары жөніндегі біліммен ұштастырады. Бүл арада жеке атом күйіндегі металдардың тотыксыздандырғыш қасиеттерінің айырмашылығына, тотықтырғыштардың сипатына баса назар аударылады.
Жеке күйіндегі атомдардың тотықсыздандырғыш қасиеттері металдардың периодтық жүйедегі орнымен анықталады жэне иондану энергиясынан айқын білінеді. Жай зат күйіндегі металдардың тотықсыздандырғыш активтілігі периодтық жүйедегі орнына тікелей тэуелді емес, ол металдардың кристалл торларының беріктігіне, ерітіндідегі реакцияларда түзілетін иондардың гидраттану энергиясына байланысты өзгереді. Соңғы екі себептің салдарынан иондану энергиясы үлкен литий ерітіндідегі реакцияларда калий мен натрийден активті болып шыгады, бүл үстірт қарағанда Н.Н.Бекетов жасаған қатарга, топ бойында металдар қасиетінің өзгеру заңдылығына қайшы келетін секілді көрінеді.
Бұдан соң металдар кернеуінің электрохимиялық қатарындағы кейбір шектеулерге тоқталып, оны саналы түрде пайдалану қажеттігі айтылады. Оқушылар активсіз металдарды судағы ерітінділерінен сілтілік металдармен ығыстыру реакцияларының теңдеулерін жиі жазады. Бүл олқылықты болдырмау үшін натрий мен мыс (II) сульфатының арасындағы реакцияның тэжірибесі көрнекі көрсетіледі. Оқушылар сутегінің бөлінгенін жэне мыс (II) гидроксиді тұнбасының түзілгенін бақылап, реакциян’ьщ натрий атомы мен сутегі иондарының арасында жүргендігі жөнінде қорытынды жасайды.
Металдардың жалпы қасиеттерін қарастырғанда пэн аралык байланысты жүзеге асырытын маңызды тақырыптың бірі -электролиз. Электролиттік диссоциациялану теориясының жэне тотығу-тотықсыздану түрғысынан электролиз күбылысы мэселелік эдіспен түсіндіріледі. Катод пен анодта жүретін тотығу-тотықсыздану әрекеттері, иондардың зарядсыздану реті талқыланады. Мыс (II) хлориді мен калий иодидінің электролизі кезінде катодта бір жағдайда мыс, екінші жагдайда сутегінің бөліну себебі, осыған орай аниондардың тотықсыздандырғыш қасиеттері (қатары) жөнінде түсіндіріледі:
І—, Br—, S2-, СІ—, OH—, S043-, N03— Бұл қатарда аниондардың тотықсыздандырғыш қасиеті кемиді. Электролиздің іс жүзіндегі маңызын түсіндіру үшін мырыштан қорғасынға дейінг металдар катиондарының тотықсыздану ерекшелігі түсіндіріледі.
Металдар коррозиясы туралы оқу материалын өткенде қарастырылатын мэселе: коррозия жэне оның маңызы туралы үғым; коррозияның түрлері; коррозияға эсер ететін жағдайлар; коррозияның химиялық жэне элктрохимиялық мэнін түсіндіру; коррозияға қарсы күрес шаралары. Коррозияға эсер ететін жағдайларды нақты түсіндіру үшін алдын ала 5 сынауықта тэжірибе қойылады. Онда темірдің коррозиясына ауаның, судың, ас тұзы ерітіндісінің, натрий сілтісі ерітіндісінің, мыс жэне мырышпен жанасуының әсері зерттеледі:
1 2 3 4 5
Ғе Ғе Fe/Cu Fe/Zn Ғе
cy+02 cy+02+NaCl cy+02 + NaCl cy+02+NaCl cy+NaCl+NaOH
Коррозияның жүргені оттегінің жүмсалып, судың көтерілуі, түнбаның түсі жэне мөлшері арқылы анықталады. Салыстырулар мынаны аңғартады:
2-сынауықта бірінші сынауыққа карағанда коррозия күшті; 2-сынауықта үшіншіге қарағанда аздау;2-сынауықта қоңыр тұнба; 4-де ақ түнба түзіледі; 2-сынауықта тұнба 5-дегіден көп.
Зерттеуден шығатын қорытынды: хлорид — ион жэне мыс (активсіз металл) темірдің коррозиясын күшейтеді. Гидроксид — ион жэне мырыш (темірден активті металл) коррозияны баяулатады.
Металдардың жалпы қасиеттері: бос күйіндегі металдардың тотықсыздандырғыш қасиеттері, ауаның оттегімен эрекеттесуі, сумен әрекеттесуі, қышқылдармен эрекеттесуі, табиғатта кездесуі, алыну тэсілдері, металдар иондарының тотыктырғыш қасиеттері оқулық бойынша қорытылады.
Негізгі және қосымша топшалардың металдарын оқыту.
Химиялық элементтерді оқып-үйрену жоспары жэне жалпы қасиеттері оқушыларға таныс болғандықтан, негізгі жэне қосымша топшалардың металдары мэселелі әдіспен және оқушылардыц өздігінен істейтін жүмыстарын үйымдастыру арқылы оқытылады.
Алғашқы сабақтарда оқушылар сілтілік металдардың негізгі сипаттамаларын еске түсіріп, активтілігін салыстырады. Бейметалдармен, сумен жэне қышқылдармен тотығу реакцияларының теңдеулерін жазады. Сілтілік металдардың ашылу тарихы, табиғаттагы қосылыстары, алынуы жэне қолданылуы туралы хабарлама жасайды.
Екінші негізгі топша элементтерінің атом қүрылысы бірінші негізгі топшаның металдарымен салыстырылып, қасиеттеріндегі үқсастығы мен айырмашылығы анықталады. Түзетін жай заттарының, оксидтерінің, гидроксидтерінің және түздарының химиялық формулалары жазылып, қасиеттері сипатталады. Берилийдің қосылыстарынан басқалары нағыз металдың жэне негіздердің қасиеттерін білдіретіні жайлы тәжірибе жүзінде дэлелденеді. Тотығу-тотықсыздану жэне алмасу реакцияларының теңдеулері электрондық жэне иондық тұрғыдан талқыланады.
Кальций және оның қосылыстары толығырақ қарастырылып, судың кермектілігі жэне оны жою жолдары жөнінде жаңа ұгым беріледі. Алдымен зертхана жагдайында кермек су алу жэне оның қасиеттерін сынау тэжірибесі көрсетіледі. Әкті су арқылы көміртегі (IV) оксиді жіберіледі, түзілген түнба көмірқышқыл газын көбірек жібергенде ериді. Байқалған күбылыстың химиялық мэнін талдап, осыларға үқсас эрекеттердің табиғатта жүзеге асатыны айтылады. Жер қыртысында эктас жэне бор түрінде кездесетін кальций карбонаты су жэне ауада әрдайым болатын көмірқышқыл газының эсерінен еріп, табиғи суларға кермектілік береді. Судың кермектілігі кальций жэне магний катиондарының, сульфат жэне гидрокарбонат аниондарының болуы байланысты. Магний жэне кальций гидрокарбонаттары бар судыц кермектілігі карбонатты немесе уақытша кермектілік деп аталады жэне кыздырганда жойылады:
Са(НС03)2 = СаС03↓+ Н20 +С02↑ Бейкарбонатты немесе тұрақты кермектілік суда кальций, магний сульфаттырының жэне басқа түздарының эсерінен болады,қыздырғанда олар жойылмайды. Уақытша жэне тұрақты кермектілікті. көбінесе, химиялық жолмен жояды:
Са(НС03)2+ Са(ОН)2= СаС03↓+ Н20
CaS04 + Na2C03= СаС03↓+ Na2S04
Судың кермектілігін білудің және жоюдың түрмыстағы, сондай — ақ өнеркэсіптегі маңызы айтылады. Кермек суда сабын көпіршімейді, бу қазандарының түбіне жэне қабыргасына қақ түрады, олардың бүлінуіне экеліп соқтырады.
Үшінші негізгі топшадан алюминий жэне оның қосылыстары толық өтіледі. Оқылып өткен екі негізгі топшаның металдарымен салыстырғанда айрықша — амфотерлі қасиеттерінің болатынына, сілтілермеи реакциясына назар аударылады:
2А1 + 2NaOH + 2H2O ═2NaA102 + ЗН2
Кейінірек, бүл реакция комплек түзу түрғысынан түсіндіріледі. Нәтижесінде натрийдің тетрагидроксоалюминаты Nа[А1(ОН)4]түзіліп, сутегі бөлінеді. Алюминийдің өндірілу тарихы, табиғи қосылыстары жэне қолданылуы жөнінде оқушылар хабарлама жасайды.
Қосымша топшалардың элементтерінен, жаңа бағдарлама бойынша, темір қарастырылады. Темірді мысалға алып, косымша топшалардағы металдар атомдары құрылысының ерекшеліктері толығырақ талданады. Бұлардың сыртқы қабаттарындағы электрон сандары екіден аспайды, жай заттарда металдық кристалл торларын түзеді. IV период d -элементтерінің электрондарымен толу сызбанұскдсы сызылады. Сызбанұскада скандийден мырышқа дейінгі 10 элемент сыртқының астындагы 3d орбиталін бірден онға дейін электрондармен толтьгратыны, хром мен мыстан басқасында сыртқы қабатындағы екі электронный сакталатыны айтылады. Бүл олардың металдық қасиеттерінің баяу өзгеруіне экеліп соқтырады. Қосымша топшадағы металдардың валенттілік электрондары сыртқы — s жэне оның астындағы — d орбитальдарында орналасатын болғандықтан, оң тотығу дэрежелері +3-тен +7-ге дейін өзгереді. Хром +2, +3 жэне +6 тотығу дэрежелерім көрсетеді. +2 тотығу дэрежесінде оксидтері мен гидроксидтері негіздік, +3 тотығу дэрежесіндегі қосылыстары амфотерлі, +6 тотығу дэрежесіндегі қосылыстары қышқылдық қасиет білдіреді. Бұл заңдылық металдардың бэрінде байқалады.
Темір атомыңда электрондардың орналасу ретіне қарап, оқушылар оның тотығу дэрежелері женінде жорамал жасайды:
+26 Ғе 2е, 8е, 14е, 2е
Жорамалды өздерінс белгілі темірдің тотығу дэрежелерімен салыстырады. Әлсіз тотықтырғыштармен (мысалы, күкіртпен) +2, ал күшті тотықтырғыштармен (мысалы, хлормен) +3-ке дейінтотығатыны еске түсіріледі:
Fe +S= Fe S — темір (II) сульфиді
2Fe + ЗСІ2= 2ҒеСІз- темір (III) хлориді
Темірдің сутегімен (қыздыру арқылы), су буымен және ауадагы оттегімен +2 жэне +3 дэрежелеріне дейін тотығу реакцияларының теңдеулері жазылады. Екі қатар оттекті қосылыстар түзетіні, +2 тотығу дэрежесінде негіздік, +3 тотығу дэрежесінде амфотерлі қасиет көрсететіні тэжірибелер арқылы нақтыланады:
ҒеО Ғе(ОН)2 Ғе203 Ғе(ОН)3
қара ақ қызыл қоңыр қоңыр
негіздік қасиет амфотерлі қасиет
Ғе(ОН)3 + NaOH= Na[Fe(OH)4] натрий тетрагидроксоферраты. Бүдан соң темірдің табиғаттағы қосылыстары, кездесетін жерлері, алынуы жэне темір қосылыстары мен құймаларының қолданылуы жөнінде түсінік беріледі.
Соңында металдар тақырыбы бойынша эксперимент есептері шығарылады.