§ 3.2.2. ФОРМИРОВАНИЕ И РАЗВИТИЕ СИСТЕМЫ ПОНЯТИЙ «ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ» В КУРСЕ ХИМИИ СРЕДНЕЙ ШКОЛЫ Значение понятия «химический элемент» в курсе химии средней школы

Структура содержания понятия «химический элемент»

Как и всякое сложное понятие, система понятий «химический элемент» имеет свою структуру содержания. В состав ее входят понятия: 1) об атомах химических элементов; 2) о распространенности и круговороте элементов в природе; 3) о классификации и систематизации химических элементов.

Схема 3.10.

Структура системы понятий о химическом элементе

Каждый из указанных блоков содержания имеет свою структуру. Например, понятия об атомах можно сгруппировать так: строение атомов, свойства атомов. Они связаны между собой причинно-следственной связью.

Вполне понятно, что формирование системы понятий о химическом элементе происходит не сразу, а постепенно, последовательно, обогащаясь за счет изучаемых в процессе обучения теорий. Начинается оно с формирования понятий об атоме.

Последовательность формирования и развития понятий об атоме

Рассмотрим последовательность формирования понятий об атоме как структурной единице химического элемента, химически неделимой частице вещества.

Сначала дается первое представление об относительной атомной массе и о сущности понятия «химические элементы» как видах атомов, отличающихся друг от друга атомной массой. (Нельзя говорить об элементе как о виде атомов, сходных по атомной массе, чтобы не вступить впоследствии в противоречие с определением изотопов.) С самого начала курса химии может произойти смешение понятий «химический элемент» и «простое вещество», потому что по большей части названия элементов и простых веществ одинаковы. Если их не разграничить, то в дальнейшем эта путаница закрепится, и устранить возникшие ошибки будет значительно труднее. Учитель должен это постоянно иметь в виду и при изучении всех последующих тем все время обращать на это внимание. Опасность возникновения ошибки возрастает еще и потому, что здесь же даются первые понятия о классификации на металлы и неметаллы.

Понятие «химический элемент» является для учащихся очень абстрактным и сложным. Чтобы облегчить его понимание, можно использовать эксперимент, который доказывает присутствие атомов меди в разных ее соединениях:81

Обработка соляной

Прокаливание ,. кислотой Медные стружки ? Налет оксида меди

Погружение железного

Хлорид меди —предмета ? Медный налет на железе

Здесь же включается и понятие о валентности, в том числе и о ее количественной стороне как свойстве атомов одного элемента присоединять к себе определенное число атомов другого элемента.

Формирование понятия о распространенности элементов в природе тесно связано с экологическими проблемами. Поэтому при всей кажущейся простоте этого вопроса он, как и понятие о круговороте элементов в природе, имеет важное мировоззренческое значение, доказательством материального единства мира, неисчезаемости материи. Через систему понятий о распространенности и круговороте элементов в природе осуществляется межпредметная связь химии с биологией и географией. В дальнейшем понятие о формах соединений, в виде которых элемент встречается в природе, увязывается с понятием об устойчивых степенях окисления его атома.

В последующих темах система понятий о химическом элементе не претерпевает изменений. Качественный скачок в ее развитии происходит при изучении периодического закона и периодической системы элементов Д. И. Менделеева, которые являются высшим обобщением знаний о химических элементах. Вносится уточнение в классификацию, дается представ- ление об относительности деления элементов на металлы и неметаллы, об амфотерности.

Формирование понятий о естественных группах сходных элементов

Знакомя учащихся с понятием об естественных группах сходных химических элементов, вначале употребляют термин «естественное семейство», чтобы не путать его с группами периодической системы. Формируют это понятие индуктивным путем на трех семействах — благородных газах, щелочных металлах и галогенах. Подход к ним единый: составление сводной таблицы по каждому семейству с соотнесением свойств с относительной атомной массой.

Зависимость физических свойств простых веществ от атомной массы элементов Элемент Химический знак Относительная атомная масса Формула простого вещества Физическое состояние Окраска Плотность Температура кипения Растворимость в воде

Зависимость химических свойств простых веществ от атомной массы элементов

Зависимость свойств соединений элементов от их атомной массы со сt СО

ч о о ? СО X

со со СО Ч ^ о ф к СО СО о 4 5

о о. ^ о т > IS X л о га 2 о S

о Ч s Q.

ч н

ф о i_ к S с; о ^ S ^ о S 1- 1

щ 2

Ф о ф ф 1- к со со >? о ф

3 о О. ф

н о

ш н га

с > о |_

ф

3

о о. ф

н 1_

ш н со > X

Ч о X ф

X т 5 О О

X 1 2

о 5 а.

о *

СО

о. о >s о 5 а. ^

со о. о

JS

о 2 о.

о о. о Ч ч ф m s X н О н

СО в А Ш СО X о о Q л ш СО X ш о 0 о о о о

В процессе сравнения используют химический эксперимент и другие средства наглядности. В результате делают выводы по следующим параметрам: 1)

сходство свойств между элементами изучаемого семейства; 2)

различие свойств изучаемого семейства; 3)

взаимосвязь между свойствами и значениями атомной массы; 4)

сходство и различие свойств семейств и их зависимость от значения атомной массы.

Последний пункт особенно важен для понимания периодического закона. Все это необходимый фактический материал, не получающий пока теоретического объяснения, так как учащиеся пока еще не знакомы со строением атомов. Естественно, возникает проблемная ситуация, которая будет решаться на последующих уроках. Она состоит в противоречии между необходимостью объяснения фактов и нехваткой имеющихся знаний. Учитель должен эту проблему вскрыть и четко ее сформулировать: почему наблюдается такая закономерность в изменениях свойств в зависимости от атомных масс элементов?

Затем при изучении периодического закона и периодической системы элементов Д.

Значительно пополняются представления учащихся о свойствах атомов. Вводятся представления об атомном радиусе, о степени окисления, электроотрицательности. Понятие «степень окисления» при всей его условности методически очень важно, так как помогает раскрыть сущность периодичности, облегчает пользование периодической системой. На этой стадии следует разграничить понятия «степень окисления» и «валентность», чтобы в дальнейшем учащиеся их четко различали.82 Валентность определяют как свойство атомов образовывать химическую связь. Электроны, участвующие в образовании химической связи, называются валентными электронами, а значение валентности отражает число связей, образованных атомами, или числом электронов атома, участвующих в образовании связи. В дальнейшем при изучении органической химии будет широко использоваться понятие о валентности.

После такого обобщения большого числа абстрактных теоретических понятий переходят к изучению конкретных групп элементов. Таким образом, понятие о классификации элементов претерпевает изменение. Теперь элементы классифицируются по группам периодической системы.

В IX классе после изучения теории электролитической диссоциации особых качественных изменений в понятии «химический элемент» не происходит. Оно дополняется только сведениями о том, что атомы могут образовывать в растворе сложные ионы. Круговорот элементов в природе подтверждается конкретными примерами — круговоротом азота и углерода; это позволяет укрепить убеждение учащихся в неисчезаемос- ти материи.

Особое внимание при формировании системы понятий о химическом элементе следует обратить на тему «Обобщение знаний по курсу неорганической химии». Здесь устанавливаются внутрипредметные связи между важнейшими химическими понятиями — о химическом элементе, веществе, химической реакции и химическом производстве.

Таким образом, развитие понятия «химический элемент» осуществляется в несколько этапов: 1)

подготовительный — до формулирования определения химического элемента; 2)

экспериментальный — до изучения атомно-молекуляр- ного учения; 3)

изучение элементов на базе атомно-молекулярного учения; 4)

формирование понятия о естественной группе элементов; 5)

изучение периодической системы Д. И. Менделеева и теории строения атома; 6)

изучение элементов по группам периодической системы; 7)

обобщение знаний учащихся, установление связей понятия о химическом элементе с другими понятиями курса химии.

В курсе органической химии прежде всего отмечают, что молекулы органических веществ состоят из атомов тех же элементов, что и неорганических, снова подчеркивая положение о материальном единстве мира.

Далее рассматривается понятие о гибридизации орбиталей атома углерода, а также о том, что атомы элемента в составе соединения не просто суммируются в разных комбинациях, а испытывают влияние других атомов, т. е. атомы одного и того же элемента в разных соединениях несколько отличаются друг от друга по свойствам. Эту мысль можно провести и в неорганической химии, но в органической она звучит более убедительно.

В курсе органической химии дается понятие о возможности соединения в одном и том же веществе большого числа одноименных атомов, что редко наблюдается в неорганических веществах.

В обобщающей теме понятие об элементе должно прозвучать как важнейшее связующее звено между неорганической и органической химией. Поэтому заключительное обобщение начинается именно с него. Особое внимание обращают на философский смысл и воспитательное значение учения о химических элементах.