Теория электролитической диссоциации - одна из теоретических концепций школьного курса химии. Данная тема является логическим продолжением ранее изученного; следует учитывать запас знаний и умений учащихся, сформированных ранее и выступающих в роли опорных. К новым понятиям, формируемым в данной теме, относятся: понятия об электролитах (их делении на сильные и слабые в зависимости от степени диссоциации), об электролитической диссоциации, её сущности, механизмах, условиях; понятия о поведении ионов в растворе и реакциях между ними (реакции ионного обмена, гидролиз солей). Усвоение указанных понятий, а также основных положений ТЭД и представляет основную образовательную цель темы.
Углубление системы понятий о веществе и химической реакции выступает в качестве основы осуществления развивающего обучения. Установление взаимосвязей между элементами содержания позволяет выявить и организовать обсуждение учебных проблем, что является очень важным для развития мышления учащихся.
Как и во всякой теоретической теме имеется богатый материал для формирования научного мировоззрения, диалектических представлений о веществе, химической реакции. При использовании исторического подхода к изучению темы находят подтверждение идеи о познаваемости мира, о сложном и зачастую противоречивом процессе постижения истины.
Содержание учебного материала о растворах, об электролитической диссоциации открывает широкие возможности для осуществления экологического воспитания (приводятся примеры ионообменных процессов в живой и неживой природе, их взаимосвязи; расширяется понятие о природном круговороте веществ и возможных причинах его нарушений; показывается значимость знаний о реакциях растворов электролитов для обнаружения веществ-загрязнителей, для утилизации отходов экспериментов, очистки сточных вод и т.д.).
Разберем особенности построения темы «ТЭД». Исходными понятиями в построении темы являются понятия о веществах электролитах и неэлектролитах. Они формируются на основе демонстрационного эксперимента по испытанию электропроводности соединений с различными видами химических связей и их растворов.
При изучении механизма электролитической диссоциации обсуждается вопрос о роли растворителя в данном процессе. Значение растворителя для диссоциации электролитов выявляется на основе следующего экспериментального факта: при разбавлении раствора его электропроводность возрастает. Именно изучение электропроводности разбавленных растворов привело С. Аррениуса к основному положению его теории: диссоциация происходит при растворении, а не под действием электрического тока. До этого общепризнанным считалось обратное. Историческая ошибка, называемая ошибкой Фарадея, возникла из-за того, что обнаружение заряженных частиц было связано с использованием электрического тока и испытанием раствора на электропроводность. Для предотвращения возникновения неправильных представлений у учащихся следует сделать акцент на роли растворителя при диссоциации.
Однако процесс растворения не всегда сопровождается диссоциацией. Продемонстрировать это позволяет сравнение электропроводности раствора хлороводорода в воде и толуоле (в последнем случае раствор не проводит электрический ток). Отмечается, что диссоциирующая способность растворителя зависит от его полярности.
Способность воды вызывать диссоциацию электролитов объясняется на основе анализа её строения. Вследствие значительной разницы электроотрицательности элементов связь О-Н сильно полярна. Дополнительное повышение электронной плотности на атоме кислорода создают неподелённые электронные пары. С учётом угловой формы молекул воды они обладают полярностью и представляют собой диполи – системы с разделёнными центрами положительного и отрицательного зарядов.
Выяснение этих особенностей строения воды позволяет перейти к рассмотрению процесса её взаимодействия с растворенным веществом – гидратации или в общем случае сольватации. Об относительной прочности образуемых связей свидетельствует выделение кристаллогидратов – соединений, содержащих химически связанную воду.
Характеризуя механизм диссоциации электролитов, следует использовать различные средства наглядности: модели кристаллических решеток веществ, схемы, отражающие стадии электролитической диссоциации.
Так, диссоциация ионных соединений происходит следующим образом:
- гидратация ионов на поверхности кристаллов;
- разрыв химических связей в кристалле;
- переход гидратированных ионов в раствор.
Диссоциация соединений с ковалентной полярной связью происходит по схеме:
- гидратация молекул растворённого вещества;
- переход ковалентной полярной связи в ионную связь;
- разрыв химических связей в растворённом веществе;
- переход гидратированных ионов в раствор.
Выявим черты сходства и отличия процессов диссоциации соединений с различными видами связей. Общими является наличие стадий разрушения связей в исходных соединениях и образование новых связей (как и в любых химических реакциях), наличие стадии гидратации и образование гидратированных ионов. Отличие заключается в том, что в ионных соединениях ещё до растворения в воде содержатся ионы; в соединениях с ковалентной полярной связью под действием молекул воды происходит изменение характера связи.
Охарактеризуем процесс электролитической диссоциации с точки зрения энергетики и попытаемся ответить на вопрос: почему в одних случаях растворение представляет собой экзотермический процесс, а в других – эндотермический процесс?
Разрушение кристаллической решетки и распад на ионы соединений с ковалентной связью происходит с поглощением теплоты. Образование гидратированных ионов сопровождается выделением большого количества энергии. От соотношения тепловых эффектов данных процессов зависит общий тепловой эффект электролитической диссоциации.
В процессе изучения электролитической диссоциации у учащихся может возникнуть вопрос: полностью ли происходит распад электролита на ионы. Так как ионы в растворе находятся в непрерывном движении, при столкновении противоположно заряженных частиц может происходить их объединение (ассоциация). Формируется представление об обратимом характере процесса диссоциации, количественной характеристикой выступает степень диссоциации. Химический эксперимент иллюстрирует зависимость степени диссоциации от природы электролита, растворителя, концентрации растворённого вещества, температуры (анализируется изменение электропроводности раствора). Опытным путём можно также проследить влияние степени диссоциации на реакционную способность электролитов (например, наблюдается разная интенсивность взаимодействия цинка с концентрированной и разбавленной уксусной кислотой). На основании различия степеней диссоциации выделяют сильные, слабые электролиты и электролиты средней силы.
При изучении электролитической диссоциации происходит углубление и систематизация знаний об основных классах неорганических соединений. Формулируются новые определения кислот, оснований, солей с точки зрения электролитической диссоциации и сопоставляются с прежними, сформулированными на основе атомно-молекулярного учения. Формируются знания об электролитической диссоциации, умения составлять соответствующие уравнения реакций; следует обратить внимание на ступенчатую диссоциацию многоосновных кислот и многокислотных оснований, так как эти вопросы обычно вызывают затруднения у учащихся. Подчёркивается, что свойства электролитов разных классов обусловлены свойствами ионов, на которые они диссоциируют. С позиций теории электролитической диссоциации рассматриваются реакции ионного обмена и окислительно-восстановительные реакции.
Разберём возможности проблемного изучения закономерностей протекания реакций в растворах электролитов. Средством создания проблемной ситуации может выступать химический эксперимент.
Учитель знакомит учащихся с ионными уравнениями как средством описания ионных реакций. При использовании алгоритмического подхода учащимся указываются последовательность элементарных операций и образцы выполнения алгоритмических предписаний.
Для составления ионных уравнений необходимо прочно усвоить последовательность составления молекулярных уравнений, уметь пользоваться таблицей растворимости, определять в каком состоянии (диссоциированном или недиссоциированном) находится вещество в растворе. Следует обратить внимание на предотвращение ошибок в обозначении степеней окисления элементов и зарядов ионов.
Ионные уравнения отличаются от молекулярных более высокой степенью абстрактности. Для усвоения ионных уравнений полезно выполнять упражнения, при которых осуществляются переходы от результатов опытов к молекулярным, а затем к ионным уравнениям; отрабатываются и обратные переходы.
Знания о реакции нейтрализации можно использовать для проблемного изучения реакций гидролиза солей..
Выделим условия успешного изучения растворов и теории электролитической диссоциации:
- строгое соблюдение принципа систематичности, установление межпредметных связей, четкое логическое построение с использованием как можно большего числа опорных понятий и внутрипредметных связей;
- использование различных средств наглядности, широкое привлечение химического эксперимента;
- активное привлечение учащихся к использованию приёмов умственных действий: сравнение, абстрагирование, конкретизация; использование проблемного подхода;
- организация самостоятельной работы учащихся, ученических исследований;
- обобщение и систематизация полученных знаний (основные понятия, положения теории электролитической диссоциации). Важно остановиться на истории изучения растворов, основных этапах создания физико-химической теории растворов; подчеркнуть роль научного предвидения в возможности практического осуществления реакций.
