В дидактике химии периодическому закону Д.И. Менделеева отводится ведущая роль, т.к. он является теоретической методологической основой изучения химии. Как известно, Д.И. Менделеев работал над периодической системой в период своей преподавательской деятельности и помимо задачи систематизации химических элементов, приведшей к открытию периодического закона, перед ним стояла проблема разработки учебного курса – курса, который в дальнейшем стал основой всемирно известного учебника «Основы химии».
Сегодня поиски методистов направлены на то, чтобы найти пути наиболее полного использования образовательных, воспитывающих, развивающих возможностей темы.
Образовательные задачи темы «Периодический закон» выражаются в формировании у учащихся понимания сущности явления периодичности, в выработке умения пользоваться периодической системой для объяснения, сравнения и прогнозирования свойств химических элементов.
Развивающий аспект темы выражается в возможностях содержания темы для развития приёмов мышления, особенно при использовании проблемного подхода; в этой теме претерпевают значительный скачок важнейшие понятия (о химическом элементе, веществе, химической реакции), следствием чего также является развитие мышления учащихся.
Воспитательные задачи темы заключаются в следующем: обеспечить понимание значения периодического закона и периодической системы для развития науки и производства, показать на примере учения о периодичности объясняющую, обобщающую и прогнозирующую роли научной теории, роль практики в процессе познания; раскрыть диалектико-материалистические закономерности и принципы.
Вследствие важного значения темы «Периодический закон и периодическая система химических элементов» особую роль приобретает проблема её места в школьном курсе, проблема взаимосвязи периодического закона и теории строения вещества. Крайними по своей сути были подходы, согласно которым:
- периодический закон рассматривался после изучения химии элементов, при этом в малой степени реализовывались возможности научной теории;
- изучение периодического закона переносилось к самому началу курса химии, ученики воспринимали этот материал схоластически.
В большинстве современных программ реализуются следующие условия, определяющие место данной темы в школьном курсе:
- обеспечить достаточную фактологическую базу для вывода закона;
- изучать все группы химических элементов на теоретической рснове периодического закона;
- рассматривать структуру и закономерности периодической системы, не отделяя их от теории строения атомов.
Выделим основные этапы изучения периодического закона и периодической системы.
На первом, подготовительном, этапе учащиеся усваивают основные понятия, необходимые для дальнейшего усвоения периодического закона. Это понятия об атоме, химическом элементе, атомной массе, валентности, о простых и сложных веществах, о классах неорганических соединений и их генетических связях. Происходит также накопление фактов об отдельных химических элементах и их соединениях.
Второй этап представляет непосредственное изучение периодического закона и периодической системы, теории строения вещества.
На третьем этапе при изучении химии элементов происходит конкретизация учения о периодичности.
Четвёртый этап – этап обобщения и углубления данной теоретической концепции.
Существует несколько методических подходов к изучению периодического закона. Так, вывод периодического закона на основе изученных важнейших классов неорганических соединений и сформированных понятий о естественных группах химических элементов характеризует исторический подход. Другой подход, когда сначала изучается теория строения атома, а затем выводится периодический закон в свете электронных представлений, характеризует логический подход. Изучение периодического закона в первом случае является исследовательским для учащихся, так как они сами приходят к выводу о естественной взаимосвязи элементов. Кроме того, данный подход отражает логику открытия закона в истории науки. Изучение строения атома до периодического закона в этом отношении является уязвимым: именно открытие периодического закона стимулировало развитие науки в области строения атома и вещества, поиск причин периодичности; при этом в меньшей степени реализуется воспитательный и развивающий аспект изучения периодического закона.
В практике преподавания часто сочетаются оба подхода – принцип сочетания исторического, логического и дидактического. Сначала раскрывается явление периодичности в трактовке Д.И. Менделеева, затем сразу же после этого изучается теория строения атома и периодический закон, периодичности в свете этой теории; таким образом, выявляется сущность учения о периодичности, прослеживается развитие периодического закона и периодической системы элементов. Такая последовательность изучения соответствует историческому процессу развития знаний о периодическом законе.
Реализация развивающей функции обучения осуществляется через проблемный подход к изучению темы. Важным методом проблемного обучения должна стать самостоятельная поисковая деятельность учащихся.
При обращении к классификации химических элементов может быть обсужден ряд проблемных вопросов.
Почему возникает проблема классификации элементов? Какие этапы она прошла? Как классифицируются химические элементы в настоящее время? Эти вопросы решаются постепенно, в системе уроков. В начале темы учащиеся убеждаются, что классификация элементов на металлы и неметаллы несовершенна (не имеет четких границ ни при рассмотрении физических свойств простых веществ, ни при рассмотрении генетических рядов металлов и неметаллов – выявляются ряды переходных элементов, оксиды и гидроксиды которых амфотерны). Таким образом, встают проблемы: каким образом может быть осуществлена научная классификация химических элементов? на основании каких признаков? Эти вопросы являются естественным переходом к рассмотрению периодического закона и периодической системы. Отмечается один из признаков истинной классификации – возможность предсказывать неизвестные факты (свойства элементов).
Для выявления системы классификации используется работа с карточками, в которых отражены сведения об элементах малых периодов: химический символ, атомная масса, высшая валентность, формулы высшего оксида и гидроксида. Учитель предлагает учащимся самим в ходе самостоятельной работы «открыть периодический закон», выявив взаимосвязь элементов. При этом возможно два варианта:
- учащиеся раскладывают в ряд карточки химических элементов по мере возрастания атомных масс, а затем объединяют сходные элементы в вертикальные столбцы;
- учащиеся объединяют элементы в группы на основании высшей валентности, формы и характера их соединений. Упорядочение элементов внутри групп и между группами достигается на основе учета атомной массы.
Какой подход предпочесть? 2-ой подход, который соответствует процессу познания от единичного (свойства отдельных элементов) к более общему, характерному для отдельных групп объектов (выделение естественных семейств элементов). и как завершающий этап – выделение ещё более общего, которое связывает отдельные группы объектов (открытие периодического закона).
Д.И. Менделеев обнаружил, что свойства меняются нелинейно (немонотонно), а периодически, то есть через определенное число элементов встречаются сходные. Эту закономерность и называют законом периодичности.
Особое внимание обращается на трудности поиски зависимости между атомными массами и свойствами элементов; эти трудности обусловлены следующими обстоятельствами:
- атомные массы некоторых элементов были неточно определены, что приводило к путанице в случае формального использования этих величин;
- к середине XIXв было открыто всего 63 химических элемента.
Необходимо обратить внимание учащихся на отличие подходов к классификации химических элементов, предложенных разными учеными.
При переходе к рассмотрению современного толкования периодического закона проблемно может быть рассмотрена причина периодического изменения свойств элементов. Почему при постоянно возрастающих зарядах атомных ядер свойства химических элементов изменяются периодически?
Для решения этой проблемы необходимо проследить цепочку взаимосвязей:
- заряд атомных ядер является характерным, самым существенным признаком химических элементов;
- заряд ядра определяет общее число электронов (они численно равны); эти характеристики по мере увеличения порядкового номера элемента постоянно возрастают;
- число валентных электронов, их распределение по атомным орбиталям изменяется периодически, а поскольку именно валентные электроны влияют на химические свойства элементов, то последние также подчиняются периодическим зависимостям.
Для выявления этих закономерностей учащимся предлагается занести на карточки схемы электронного строения 20 первых химических элементов (с указанием числа электронов на каждом энергетическом уровне). Анализируя эти карточки, расположенные по периодам и группам в соответствии с периодической системой, учащиеся замечают, что число электронных слоёв равно номеру периода и что число электронов на внешнем слое изменяется периодически, что и является причиной периодического изменения свойств элементов.
Вопрос о влиянии строения внешнего электронного слоя может быть рассмотрен более подробно, а именно можно показать, что повторяется не только число валентных электронов, но и характер распределения электронов по подуровням, орбиталям. Для этого можно использовать модели внешнего электронного слоя (отмечается периодическая повторяемость строения внешней электронной оболочки).
При рассмотрении периодической системы химических элементов проблемно могут быть рассмотрены вопросы о структуре периодической таблицы.
- Каковы причины деления элементов на периоды, группы, подгруппы?
- На каком основании элементы объединяются в одну группу, подгруппу, в период?
- Почему в таблице имеются большие и малые периоды?
- Почему в больших периодах неодинаковое число элементов?
- Почему 1-ый период состоит только из 2-х элементов?
- Возможно ли ещё открытие элементов 1-го периода?
- Могут ли ещё быть открыты элементы, стоящие в периодической системе до водорода (проблема нижней границы периодической системы)?
Проблемным можно назвать и такой подход, когда учитель подводит учащихся к самостоятельному определению понятий «период», «группа», «подгруппа» химических элементов. При анализе различных определений следует остановиться на вопросе о выделении наиболее существенных признаков.
▲ Сравните следующие определения:
- Период – это горизонтальный ряд химических элементов периодической системы, начинающийся щелочным металлом и заканчивающийся инртным газом (в определении отражены лишь внешние признаки);
- Период – совокупность химических элементов с одинаковым числом электронных слоёв в атоме, в пределах которой происходит постепенное накопление электронов на внешнем (предвнешнем) уровне, обусловливающее ослабление металлических и нарастание неметаллических свойств (определение сформулировано на основе теории строения атома).
▲ Сформулируйте определение подгруппы химических элементов:
(Подгруппа представляет совокупность химических элементов, сходных по строению электронных оболочек, число которых и радиус атомов возрастают с увеличением зарядов их ядер атомов, что приводит к ослаблению неметаллических свойств и усилению металлических свойств).
Для решения проблемного вопроса: «Почему при построении периодической системы Д.И.Менделеев в отдельных случаях допускал расположение химических элементов не в порядке увеличения атомных масс»? – учащиеся должны обладать знаниями об изотопах, понимать различия между массой единичного атома и относительной атомной массой химического элемента. Внимание учащихся обращается на то, что массы атомов должны выражаться целыми числами (точнее, близкими к целым числам). Однако, относительные атомные массы большинства химических элементов выражаются дробными числами. Это происходит потому, что относительная атомная масса – это средняя величина числовых значений масс атомов данного элемента с учетом их распространения в природе. От соотношения тяжелых и легких изотопов и зависит относительная атомная масса. Разным соотношением тяжелых и легких изотопов объясняются и перестановки элементов в периодической системе.
Для установления связи периодического с последующими открытиями в физике, химии учащимся предлагается проблемный вопрос: Каким образом повлияло открытие периодического закона на дальнейшее развитие науки? Решение этой проблемы может превратиться в настоящее теоретическое исследование.
Таким образом, мы выделили основные группы проблемных вопросов раздела «Периодический закон. Строение атома»:
- различные классификации химических элементов;
- закономерный характер периодически изменяющихся свойств элементов;
- структура периодической системы;
- перспективы развития учения о периодичности.
