ФОРМИРОВАНИЕ И РАЗВИТИЕ СИСТЕМЫ ЗНАНИЙ О ХИМИЧЕСКОМ ЭЛЕМЕНТЕ В ШКОЛЬНОМ КУРСЕ ХИМИИ БЕРЕСНЕВА Е. В. К.П.Н., ПРОФЕССОР КАФЕДРЫ ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ ХИМИИ И МЕТОДИКИ ОБУЧЕНИЯ ХИМИИ ВЯТГУ ПЛАН ЛЕКЦИИ 1. 2. 3. 4. Значение понятия «химический элемент» в школьном курсе химии Последовательность формирования и развития системы знаний о «химическом элементе» в науке и в курсе химии средней школы Структура содержания системы знаний о «химическом элементе» Изучение элементов и их соединений по группам Периодической системы (самостоятельная работа) 1. ЗНАЧЕНИЕ ПОНЯТИЯ «ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ» В ШКОЛЬНОМ КУРСЕ ХИМИИ Основным предметом изучения химии является вещество, которое состоит из атомов химических элементов, поэтому понятие о химическом элементе – важнейшее среди других химических понятий. В то же время это очень сложное, абстрактное понятие, которое вызывает огромные затруднения в понимании и осмысливании его учащимися Понятие «химический элемент» часто заменяют понятием «вещество» или ставят знак равенства между ними. Эта подмена встречается в учебниках и методических рекомендациях, нет чёткого различия этих понятий и у учителей химии ЧЕМ ОБУСЛОВЛЕНА СЛОЖНОСТЬ ФОРМИРОВАНИЯ И УСВОЕНИЯ ПОНЯТИЯ «ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ»? Учащиеся работают с веществами, наблюдают химические процессы, но химический элемент они не видят Для осмысления понятия о химическом элементе нужны сложные умозаключения (логика) и убедительные доказательства качественного и количественного влияния химических элементов на состав и свойства веществ ЗНАЧЕНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ ПОНЯТИЯ «ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ» (САМОЕ ОСНОВНОЕ) Воспитательный аспект 2. Понятие позволяет раскрыть понимание материального единства мира Позволяет раскрыть понимание единого происхождения живой и неживой природы Развивающий аспект 1. 1. Развивает абстрактное и логическое мышление учащихся o ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ АСПЕКТ 1. Без него невозможно изучить и понять периодический закон химических элементов Д. И. Менделеева, а, следовательно, методически грамотно изложить и понять весь курс неорганической химии 2. Широкое использование в обучении химии химической символики, моделирования состава, строения веществ и происходящих химических процессов возможно лишь после того, как учащиеся получат представление о химических элементах 2. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ФОРМИРОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ СИСТЕМЫ ЗНАНИЙ О ХИМИЧЕСКОМ ЭЛЕМЕНТЕ В НАУКЕ И В ШКОЛЬНОМ КУРСЕ ХИМИИ Важнейшие этапы развития понятия «химический элемент» в науке Первый этап охватил последние четыре десятилетия XVII в. и весь XVIII в. – от Р. Бойля до А.Л. Лавуазье. В химии это был период господства химического анализа, период чисто эмпирических исследований и представлений. Соответственно этому понятие «химический элемент» носило тогда чисто аналитический и вместе с тем сугубо Лавуазье получает водород пропуская пары воды через раскаленное железо ВАЖНЕЙШИЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ПОНЯТИЯ «ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ» В НАУКЕ Признаки, определяющие понятие «химический элемент»: химическая неразложимость способность элементов входить в состав химически сложных тел, соединяясь между собой ВАЖНЕЙШИЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ПОНЯТИЯ «ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ» В НАУКЕ Следующий период в химии включил весь XIX в. – от Дж. Дальтона до Д. И. Менделеева. Это был период химической атомистики, следовательно, период господства в химии теоретических представлений о строении вещества. Понятие же химического элемента прошло за это время два существенно различных этапа – второй и третий, носивших атомно-теоретический характер ВАЖНЕЙШИЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ПОНЯТИЯ «ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ» В НАУКЕ Второй этап продолжался первые две трети (с небольшим) XIX в. – от создания химической атомистики Дж. Дальтоном (1803) до открытия периодического закона Д. И. Менделеевым (1869). ВАЖНЕЙШИЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ПОНЯТИЯ «ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ» В НАУКЕ В химии, сначала неорганической, а затем органической, развернулся экспериментальный синтез, но в теории, в атомно-химических представлениях продолжал доминировать аналитический подход к химическим элементам: последние рассматривались пока как нечто отдельное, разобщённое между собой, не охваченное и не объединённое каким-либо общим положением или принципом ВАЖНЕЙШИЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ПОНЯТИЯ «ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ» В НАУКЕ Атом выступал как мельчайшее количество (микрочастичка) элемента, а элемент – как вид атомов. За элементом сохранялись все прежние эмпирико-аналитические признаки, но добавлялись новые: способность обусловливать простоту и краткость, а также постоянство отношений составных частей химических соединений специфический для каждого элемента атомный вес ВАЖНЕЙШИЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ПОНЯТИЯ «ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ» В НАУКЕ Третий этап занял последнюю треть XIXв. и начало XX в. – открытие, разработка и утверждение в рамках химии периодического закона как общего закона химических элементов. Ко всем прежним определяющим признакам понятия химического элемента прибавляется принципиально новый, существенно отличный от них, признак «места» отдельного элемента в общей периодической системе всех элементов ВАЖНЕЙШИЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ПОНЯТИЯ «ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ» В НАУКЕ «Место» в системе понимается не как признак геометрического или графического характера, но как совокупность всех важнейших связей и отношений данного отдельного элемента со всеми остальными элементами, входящими в их общую систему, и, прежде всего, с его ближайшими соседями по вертикали (по группе) и по горизонтали (по ряду и периоду), а также по обоим диагональным направлениям ВАЖНЕЙШИЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ПОНЯТИЯ «ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ» В НАУКЕ ВАЖНЕЙШИЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ПОНЯТИЯ «ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ» В НАУКЕ На основании правильно установленного места элементов в системе Д.И. Менделеевым было сделано следующее: - исправлены ошибочно принятые ранее атомные веса многих элементов; - предсказаны атомные веса неизвестных ещё элементов, занявших позднее пустовавшие дотоле места III – 4, III – 5, и IV – 5; - устанавлена правильная последовательность в расположении элементов в системе (Co – Ni, Te – I, Ar – K), несмотря на то, что атомные веса здесь не возрастали, а уменьшались («аномалии» системы) ВАЖНЕЙШИЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ПОНЯТИЯ «ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ» В НАУКЕ Определение элемента по Менделееву: «вид атомов, занимающий определённое место в общей, периодической системе элементов» С этого момента понятие элемента в химии приобретает теоретикосинтетический характер, так как опирается на теоретический синтез всех элементов, представленных периодическим законом ВАЖНЕЙШИЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ПОНЯТИЯ «ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ» В НАУКЕ Первый вариант периодической таблицы Д. И. Менделеева 17 февраля 1869 года ВАЖНЕЙШИЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ПОНЯТИЯ «ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ» В НАУКЕ Начавшаяся на рубеже XIX и XX вв. новейшая революция в естествознании разрушила ряд прежде принятых признаков понятий элемента и атома: непревращаемость и неразложимость элементов, неделимость и неразрушимость атомов Однако до 1913 г. эти новейшие физические открытия ещё не были приведены в связь с периодическим законом и не нашли ещё своего отражения в дальнейшем развитии понятия химического элемента ВАЖНЕЙШИЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ПОНЯТИЯ «ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ» В НАУКЕ С момента установления в качестве определяющего признака этого понятия – места элемента в системе – само это понятие выступало как предельно абстрактное: оно характеризовалось лишь двумя отвлечёнными координатами (абсциссой и ординатой) и не ассоциировалось с каким-либо определённым физическим свойством атома и элемента как вида атомов ВАЖНЕЙШИЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ПОНЯТИЯ «ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ» В НАУКЕ Начало четвёртого этапа ознаменовало открытие, сделанное Генри Мозли (1913). Мозли установил прямую связь между характеристическим рентгеновским спектром элемента, измеряемым непосредственно экспериментальным путём, и местом этого элемента в периодической системе. Оказалось, что эта связь выражается порядковым номером или порядковым числом элемента в системе ВАЖНЕЙШИЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ПОНЯТИЯ «ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ» В НАУКЕ Генри Мозли (англ.) в своей лаборатории с рентгеновской трубкой ВАЖНЕЙШИЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ПОНЯТИЯ «ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ» В НАУКЕ Определяющим признаком элемента стал порядковый номер или порядковое число элемента, устанавливаемое экспериментально. В итоге прежнее абстрактное понятие стало более конкретным. В 1923 г. Международная комиссия по атомным весам предложила определять понятие химического элемента как вида атомов, обладающих одинаковым порядковым номером или порядковым числом ВАЖНЕЙШИЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ПОНЯТИЯ «ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ» В НАУКЕ Пятый этап начался в тот же год, что и предыдущий: Антониус Ван-ден-Брук и Нильс Хендрик Давид Бор выдвинули идею, что положительный заряд атомного ядра численно равен порядковому номеру или порядковому числу элемента, установленному Мозли. Антониус Ван-ден-Брук (нидер.) 1870 - 1926 Нильс Хендрик Давид Бор (датс.) 1885 - 1962 ВАЖНЕЙШИЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ПОНЯТИЯ «ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ» В НАУКЕ С этого момента определяющим признаком элемента стал положительный заряд атомного ядра и элементом стали считать вид атомов, у которых заряд атомного ядра одинаков. Такое определение дал в 1916 г. Фридрих Адольф Панет Фридрих Адольф Панет 1887 - 1958 ВАЖНЕЙШИЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ПОНЯТИЯ «ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ» В НАУКЕ Ещё до этого, в 1913 г., Фредерик Содди ввёл понятие изотопа (одинаковоместный) для обозначения разновидности атомов одного вида Фредерик Содди 1877 - 1956 ВАЖНЕЙШИЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ПОНЯТИЯ «ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ» В НАУКЕ Дальнейшее наполнение понятия конкретным содержанием произошло в 1932 г., когда Джеймс Чедвик открыл нейтроны и было установлено, что положительный заряд атомного ядра обусловлен присутствием в составе ядра соответствующего числа протонов ВАЖНЕЙШИЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ПОНЯТИЯ «ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ» В НАУКЕ Ещё полнее такая конкретизация совершилась в 1942 – 1945 гг., когда Александр Павлович Жданов обнаружил полное расщепление атомного ядра. Стал возможным подсчёт всех содержавшихся в ядре отдельных протонов Александр Павлович Жданов 1904 - 1969 ВАЖНЕЙШИЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ПОНЯТИЯ «ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ» В НАУКЕ Так с момента открытия периодического закона совершилась эволюция менделеевского понятия элемента в порядке восхождения от абстрактного к конкретному в развитии современной химии и физики ВАЖНЕЙШИЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ПОНЯТИЯ «ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ» В ШКОЛЬНОМ КУРСЕ ХИМИИ Сергей Григорьевич Шаповаленко и Галина Марковна Чернобельская выделяют четыре стадии в формировании понятия «химический элемент» в школе. На каждой стадии понятие «химический элемент» развивается Сергей Григорьевич путём углубления Шаповаленко понимания и 1903 - 1988 осмысливания учениками, повторяя в общих чертах развитие этого понятия в истории химии Галина Марковна Чернобельская ПЕРВАЯ СТАДИЯ Формирование понятия происходит в начале 8 класса на основании понятий «химическая реакция», «простые и сложные вещества». Учащихся подводят к пониманию того, что атомы являются составной частью как простых, так и сложных веществ. Вводится определение: Химический элемент – это определенный вид атомов На этой стадии даётся чисто эмпирическое понятие о химическом элементе Вторая стадия При изучении атомно-молекулярного учения происходит углубление понятия «химический элемент», которое с эмпирического уровня познания переводится на теоретический Некоторые современные авторы учебников, опираясь на знания из физики 7-го класса об атомах и молекулах, эмпирическую стадию непосредственно соединили с теоретической в одно целое, дополняя эмпирическое понятие сразу же понятием теоретическим Третья стадия Понятие «химический элемент» развивается при рассмотрении темы «Периодический закон химических элементов Д. И. Менделеева». Здесь под химическим элементом понимается вид атомов, свойства которых определяются положением их в периодической системе, т. е. в определении отражена зависимость качественных изменений свойств элементов от их количественных характеристик Четвертая стадия Развитие понятия «химический элемент» осуществляется при изучении строения атома. Сформированное понятие «изотопы» позволяет углубить понимание химического элемента и дать более научное и точное его определение: химический элемент – это вид атомов, имеющих одинаковый заряд ядра. На основе такого понимания химического элемента осознаются все ранее накопленные сведения об отдельных элементах и приобретаются новые ОТНОСИТЕЛЬНАЯ АТОМНАЯ МАССА Одно из свойств химического элемента – относительная атомная масса – рассматривается после формирования понятия «химический элемент», путём сравнения терминов «масса атома» и Аr, их различия. Это понятие развивается на четвёртой стадии после точного определения химического элемента, как среднее арифметическое из масс изотопов каждого элемента с учетом их распространения в природе, что и отображается в дробных величинах Аr ВЫВОД Проведённый анализ содержания понятия «химический элемент» показывает, какую работу должен выполнить учитель при формировании этого понятия. Важно отметить, что все четыре стадии осуществляются на первом году обучения в 8 классе, после чего ведётся систематическое изучение химических элементов и их соединений по группам периодической системы 3. Структура содержания системы знаний о «химическом элементе» Понятие «химический элемент» является понятием сложным и образует структуру из трёх тесно связанных между собой блоков: Понятие об атомах элементов Понятие о распространении и круговороте химических элементов в природе Понятие о классификации химических элементов Понятие об атомах элементов Строение атомов элементов Свойства атомов элементов Заряд ядра Масса атома Изотопы Ar Электронное строение атома Размеры атома (атомный радиус) Валентность Формы орбиталей Гибридизация орбиталей Степень окисления Электроотрицательность ФОРМЫ СУЩЕСТВОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТА В процессе формирования и развития понятия «химический элемент» учителю важно чётко разграничить понятия «элемент» и «вещество». Для этого нужно знать формы существования элемента и свойства, присущие химическому элементу и веществу Выделяют три формы существования элемента: – одиночные атомы – простые вещества – сложные вещества СВОЙСТВА, ПРИСУЩИЕ ХИМИЧЕСКОМУ ЭЛЕМЕНТУ И ВЕЩЕСТВУ Химический элемент Вещество (простое) Химический знак Молекулярная (эмпирическая) Ar формула Валентность Молярная масса Электроотрицательность Кристаллическая Степень окисления структура Образование химических Физические свойства связей Химические свойства Окислительно Получение восстановительные свойства Применение Распространение и круговорот элемента в природе 4. ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ И ИХ СОЕДИНЕНИЙ ПО ГРУППАМ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ Последовательность введения понятий «элемент» и «вещество» до Периодического закона: Химический знак элемент Аr элемент Валентность элемент Химическая формула вещество Мr вещество Нахождение в природе элемент Получение вещество Свойства простого вещества вещество Применение вещество Круговорот в природе элемент ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВВЕДЕНИЯ ПОНЯТИЙ «ЭЛЕМЕНТ» И «ВЕЩЕСТВО» ПОСЛЕ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ЗАКОНА Положение в П.С. (хим. зн., Аr, поряд. N, период, группа) элемент Строение атома (заряд ядра, число n, p, e, их расположение, число e на внешнем уровне, валентность, ст. ок., ЭО) элемент Краткие исторические сведения о химическом элементе элемент Окислительно-восстановительные свойства элемент Простое вещество, образованное элементом, его строение, тип химической связи, кристаллическая решётка вещество Свойства простого вещества (физические и химические) вещество Применение и получение вещество Водород. соединения элементов, свойства, применение вещество Кислород. соединения, свойства, получение и применение вещество Гидроксиды элемента, свойства, получение и применение вещество Соли вещество Распространение элемента в природе элемент Круговорот элемента в природе элемент Общая характеристика подгруппы элемент ЗАКЛЮЧЕНИЕ Изучение систематического курса о химических элементах осуществляется дедуктивно Рассмотрение элементов металлов и неметаллов производится по группам и главным подгруппам периодической системы химических элементов Первыми рассматриваются неметаллы, а изучение металлов опирается на знания неметаллов ЛИТЕРАТУРА Береснева Е. В., Даровских Л. В. Общие вопросы методики обучения химии. Киров: ВятГУ, 2017 Береснева Е. В., Даровских Л. В. Методика изучения основных разделов школьного курса химии. Киров: ВятГУ, 2018 Герус С.А. Теория и практика рационализации процесса обучения химии в средней школе: монография. СПб.: Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 2003 Зайцев О.С. Методика обучения химии. Теоретический и прикладной аспекты. Учебник для студентов высших учебных заведений. М.: Владос, 1999 Кузнецова Н. Е. Формирование систем понятий при обучении химии. М.: Просвещение, 1989 ЛИТЕРАТУРА Кузнецова Н. Е., Шаталов М А. Обучение химии на основе межпредметной интеграции. 8-9 классы: учебно-методическое пособие. М.: Вентана-Граф, 2008 Общая методика обучения химии / Под ред. Р. Г. Ивановой. М.: Дрофа, 2007 Чернобельская Г.М. Методика обучения химии в средней школе. Учебник длястудентов высших учебных заведений. М.: Владос, 2000 Чернобельская Г.М., Дементьев А.И. Введение в химию. Мир глазами химика. 7 кл.: учебник. М.: Владос, 2008 Шишкин Е. А., Береснева Е. В. Методика преподавания химии. Киров: ВятГГУ, 2010 Кузнецова Н. Е. Методика преподавания химии: Учеб. пособие для студентов пед. ин-тов по хим. и биол. спец. М.: Просвещение, 1984 ЛИТЕРАТУРА Борисов И. Н. Методика преподавания химии в средней школе : учеб. для пед. ин-тов. М.: Учпедгиз, 1956 Горский М.В. Обучение основам общей химии: Книга для учителя. М.: Просвещение, 1991 Иванова Р. Г., Черкасова А. М. Изучение химии в 7 - 8 классах. М.: Просвещение, 1982 Методика преподавания химии в средних специальных учебных заведениях / М. В. Зуева, Л. С. Зазнобина, В. А. Штулифкер. М.: Высш. школа, 1981 Пак М. С. Алгоритмика при изучении химии: Книга для учителя. М.: ВЛАДОС, 2000 Преподавание неорганической химии в 7 - 8 классах / Ю. В. Ходаков, Д.А. Эпштейв, П. А. Глориозов и др. М.: Просвещение, 1980 ЛИТЕРАТУРА Кирюшкин Д.М., Полосин В.С. Методика обучения химии. М.: Просвещение, 1970 Кирюшкин Д.М. Методика преподавания химии в средней школе: Пособие для учителей. М.: Учпедгиз, 1958 Химия и общество: пособие для учителей / Американское химическое общество. Пер. с англ. Е. В. Ивойловой; Под ред. Н. П. Тарасовой. М.: Мир, 1995 Шаповаленко С. Г. Методика обучения химии в восьмилетней и средней школе: Пособие для учителей. М.: Учпедгиз, 1963 Шаповаленко С. Г. Методика обучения химии. М.: Учпедгиз, 1963 Журналы: "Химия в школе", "Химия: методика преподавания в школе" Благодарю за внимание!
