Факультатив по химии «Основы химических методов исследования вещества»; 10-11 классы

Пояснительная записка
Факультативный курс предназначен для учащихся 10-11 классов, проявляющих повышенный интерес к изучению химии, имеющих хорошие базовые знания общей и неорганической химии. А так же для учащихся, собирающихся продолжить образование в высших учебных заведениях естественнонаучного профиля, и которым необходимо сдавать ЕГЭ по химии.

Цель курса: систематизация и углубление знаний учащихся о фундаментальных законах общей и неорганической химии; предоставить учащимся возможность применить химические знания на практике.

Задачи курса:
. формировать общенаучные, а также химические умения и навыки, необходимые в деятельности экспериментатора и полезные в повседневной жизни;
• создать условия для формирования и развития у учащихся умения самостоятельно работать со справочной и учебной литературой, собственными конспектами, другими источниками информации.

Главное содержание теории химических методов анализа составляет химическая реакция как средство получения информации о химическом составе вещества, т. е. используемая для целей качественного и количественного анализа. Химический анализ основан на фундаментальных законах общей химии. Чтобы овладеть аналитическими методами, необходимо знать свойства водных растворов, основные положения теории электролитической диссоциации, условия взаимодействия ионов в растворах, реакции комплексообразования, кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства веществ. Знание теории процессов позволяет сознательно управлять химическими реакциями и создавать условия для определения всех элементов или их соединений, имеющихся в исследуемых объектах. Данный курс, позволяет раскрыть взаимосвязь основных понятий: «состав», «строение» и «свойства»  веществ.

При разработке программы факультатива акцент делался на те вопросы, умения, которые в базовом курсе химии основной и средней школы рассматриваются недостаточно полно или не рассматриваются совсем, но входят в программы вступительных экзаменов в вузы. Химическое равновесие изучается в курсе химии средней школы, но недостаточно глубоко, поэтому для учащихся оказываются сложными задачи на темы «Равновесие», «Равновесие в растворах».

Тема «Равновесие в растворах» также считается сложной, поскольку в ней используются понятия: произведение растворимости и рН. Но главная сложность не в самих достаточно простых формулах, а в умении ими пользоваться в широком диапазоне условий задач. Поэтому представляется целесообразным выработать такое умение. Введение понятия о константе химической реакции позволяет более обоснованно рассуждать о смещении равновесия при воздействии на систему извне.

В школьной программе, как правило, отсутствуют основные понятия химии комплексных соединений. Целесообразно рассмотреть данную тему на занятиях факультативного курса.

Таким образом, в процессе изучения данного курса ученики осваивают новые для себя теоретические понятия, учатся пользоваться соответствующими справочными данными. Для учащихся, предполагающих связать свою будущую профессиональную деятельность с биологией, медициной, строительством, сельским хозяйством, важны знания об особенностях объектов и явлений, изучаемых коллоидной химией. В рамках школьного курса химии этим вопросам уделяется мало внимания, так что включение в курс практической работы на эту тему является  вполне оправданным.

Выполнение практических работ способствует конкретному и прочному усвоению учащимися основных разделов общей и неорганической химии. Учащиеся осваивают правила внутреннего распорядка в химической лаборатории, приемы работы, совершенствуют навыки обращения с реактивами, химической посудой, приборами.

Логическим завершением курса является практика наиболее подготовленных учащихся в научном обществе учащихся, включающая участие в проведении конкретных учебных исследований.

Особенностью предлагаемого курса является его прикладная направленность. Большое внимание в курсе уделено изучению тех веществ, которые окружают учащихся в повседневной жизни.
Факультативный курс рассчитан на 34 часа, 1 час в неделю.

Содержание курса.

Введение. (4 ч)
Научный эксперимент и его роль в познании. Погрешности эксперимента. Оценка погрешностей. Обработка результатов эксперимента. Графики.

Взаимосвязь между составом и свойствами. Физические, физико-химические и химические свойства веществ. Анализ и синтез. Аналитическая химия - наука о методах анализа вещества. Химический анализ. Задачи и области применения химического анализа. Виды химического анализа. Элементный анализ. Фазовый анализ. Качественный анализ: идентификация и обнаружение. Количественный анализ. Стадии аналитического процесса: отбор пробы, подготовка пробы к анализу, измерение, оценка результатов измерения.

Химическая реакция как средство получения информации о составе вещества. Аналитическая реакция. Требования, предъявляемые к аналитическим реакциям. Чувствительность, специфичность и селективность. Классификация аналитических реакций по характеру химического взаимодействия и по применению. Условия проведения аналитических реакций.

Техника безопасности и основные правила работы в химической лаборатории. Требования к отчету. Оборудование и реактивы. Мытье и сушка химической посуды.

Практuческая работа 1. Взвешивание образца и статистическая обработка результатов взвешивания.
Практuческая работа 2. Ознакомление с оборудованием и основными приемами работы в химической лаборатории.

Тема 1. 
Растворы. Методы определения концентрации растворов. Титрование (4 ч)
Растворы. Мера растворимости. Методы определения концентрации растворов.
Титрование. Сущность метода. Установление точки эквивалентности. Индикаторы. Вычисление результатов титрования. Понятие об эквиваленте, эквивалентной массе, нормальной концентрации растворов. Классификация методов Титрования по способу проведения титрования (прямое, обратное) и по типу реакции, лежащей в основе метода (кислотно-основное титрование, окислительно-восстановительное титрование и титрование по методу осаждения). Стандартный (титрованный) раствор, способы его приготовления. Стандартиза-ция растворов. Кислотно-основное титрование.

Практuческая работа З. Определение концентрации раствора по его плотности.
Практuческая работа 4. Приготовление растворов и определение их концентрации титрованием.

Тема 2.
Закон действующих масс и его применение в химическом анализе (2 ч)

Закон действующих масс. Обратимые и необратимые реакции. Химическое равновесие. Константа равновесия - мера глубины протекания процесса. Константы химического равновесия для гомогенных и гетерогенных реакций. Влияние изменения внешних условий на положение химического равновесия. Принцип Ле Шателье - Брауна.

Теория электролитической диссоциации. Сильные и слабые электролиты. Химическое равновесие в водных растворах электролитов. Выражения для констант равновесия различных типов реакций, протекающих в растворе. Ионное произведение воды. Водородный показатель и шкала рН. Концентрация ионов водорода в разбавленных растворах слабых кислот и оснований. Методы измерения рН. Индикаторы.

Буферные растворы. Сущность буферного действия. Буферная емкость. Вычисление рН в буферных растворах, образованных слабой кислотой и ее солью от сильного основания и сильной кислотой и ее солью от слабого основа-ния. Значение буферных растворов в почвоведении и биологии.

Практическая работа 5. Химическое равновесие в водных растворах электролитов.

Практическая работа 6. Определение рН водных растворов.

Практическая работа 7. Буферное действие.

Тема 3.
Комплексные соединения (2 ч)
Основные понятия координационной теории. Номенклатура комплексных соединений. Поведение комплексных соединений в растворах. Константы устойчивости (образования) и нестойкости. Получение и разрушение комплексных соединений.

Внутрикомплексные соединения. Комплексоны.

Применение комплексообразования в химическом анализе. Комплексонометрическое титрование.

Практическая работа 8. Комплексные соединения.

Практическая работа 9. Комплексонометрическое титрование. Определение концентрации магния прямым титрованием.


Тема 4.
Теоретические основы реакций осаждения - растворения (4 ч)
Гетерогенные равновесия в насыщенных растворах малорастворимых сильных электролитов. Произведение растворимости. Условия выпадения и растворения осадков. Зависимость полноты осаждения от различных факторов. Смещение гетерогенных равновесий в насыщенных растворах малорастворимых электролитов. Значение реакций осаждения для химического анализа.

Решение задач. Применение произведения растворимости.

Практическая работа 10. Образование и растворение осадков.

Тема 5.
Образование коллоидных систем (2 ч)
Фазы. Гомогенные и гетерогенные системы. Дисперсные системы. Коллоидные растворы (лиозоли). Лиофильные и лиофобные коллоиды. Золи и гели. Мицелла. Получение и устойчивость коллоидных систем. Диспергирование. Конденсация. Пептизация. Агрегативная и седиментационная устойчивость дисперсных систем. Коагуляция и ее предотвращение. Защитное действие кол-лоидов.
Практuческая работа 11. Золь берлинской лазури.
Практuческая работа 12. Получение гидрозоля гидроксида железа (111) или гидроксида алюминия различными методами и изучение его свойств.

П р и м е ч а н и е. Выполняется одна из работ по выбору преподавателя.

Т е м а 6.
Окислительно-восстановительные процессы и их применение в анализе
(2 ч)
Окислительно-восстановительные функции веществ и направление окислительно-восстановительных реакций. Окислитель. Восстановитель. Стандартные электродные потенциалы. Ряд стандартных электродных потенциалов. Зависимость электродного потенциала от природы реагирующих веществ, от их концентрации, температуры, рН среды, растворимости, присутствия в системе комплексообразователя.
Окислительно-восстановительное титрование. Методы титрования, основанные на окислительно-восстановительных свойствах системы иод - иодид (иодометрия). Иодометрическое титрование. Иодиметрическое титрование.
Практuческая работа 13. Окислительно-восстановительные свойства веществ.
Практuческая работа 14. Сущность и применение методов титрования, основанных на окислительно-восстановительных свойствах системы иод – иодид (иодометрии).

Т е м а 7.
Основы качественного анализа (4 ч)
Классификация реакций в качественном анализе. Основные принципы качественного анализа. Дробный и систематический анализ.
    Практuческая работа 15. Качественные реакции на наиболее важные катионы и анионы.



Тема 8.
Анализ некоторых объектов окружающей среды.
Контроль качества продуктов питания (10 ч)
Охрана окружающей среды. Контроль качества воды. Жесткость воды; причины ее возникновения. Виды жесткости. Способы устранения. Определение жесткости воды.
Химическая характеристика почв. Реакция почвенного раствора (рН). Формы почвенной кислотности: Значение знания рН водной и солевой почвенной вытяжки. Известкование почв. Буферная емкость почв.
Контроль качества продуктов питания. Анализ минеральных вод и прохладительных напитков. Анализ молока. Определение свежести мяса и рыбы.
    Практическая работа 16. Жесткость воды, ее определение и устранение.
    Практическая работа 17. Определение концентрации кислорода, растворенного в воде.
    Практическая работа 18. Колориметрическое определение рН почвы.
    Практическая работа 19. Изучение буферной емкости почвы.
    Практическая работа 20. Контроль качества прохладительных напитков. 
 Практuческая работа 21. Определение содержания витамина С в продуктах питания.
    Практическая работа 22. Анализ качества продуктов питания.
    Практическая работа 23. Изучение молока как эмульсии.


Требования к результатам обучения
После изучения факультативного  курса «Основы химических методов исследования вещества»  учащиеся должны:
• характеризовать: скорость химической реакции, химическое равновесие, принцип Ле Шателье, ионное произведение воды, водородный показатель и шкала рН, константы равновесия различных типов реакций, протекающих в растворах (произведение растворимости, константы диссоциации кислот и оснований, константы устойчивости комплексов); понятия буферные растворы, буферная емкость, фазы, гомогенные и гетерогенные системы, дисперсные системы, коллоидные растворы (лиозоли), золи и гели, мицелла, конденсация, пептизация, коагуляция;
• знать: основные понятия координационной теории, понятия титрант, титруемое вещество, стандартный (титрованный) раствор, точка эквивалентности, фактор эквивалентности, индикатор; условия смещения химического равновесия, влияние различных факторов на установление и смещение химического равновесия в растворах; условия выпадения и растворения осадков, зависимость полноты осаждения от различных факторов; способы получения коллоидных систем, отличие коллоидных растворов от истинных растворов; способы выражения концентрации растворов; качественные реакции на наиболее важные катионы и анионы, а также на некоторыеорганические вещества;
• объяснять: условия смещения гетерогенных равновесий в насыщенных растворах малорастворимых электролитов, понимать значение реакций осаждения для химического анализа; сущность гидролиза и буферного действия, окислительно-восстановительных реакций, реакций комплексообразования, сущность процесса титрования, особенности приготовления растворов;
• уметь: вычислять концентрацию ионов водорода в растворах сильных и слабых кислот и оснований, константы диссоциации кислот и кислых солей, произведение растворимости по известной растворимости, растворимость вещества в чистой воде по известному произведению растворимости и растворимость вещества в присутствии одноименного иона; составлять полные и сокращенные ионные уравнения химических реакций, уравнения реакций гидролиза, уравнения окислительно-восстановительных реакций на основе электронного баланса; объяснять химические реакции с точки зрения изученных теорий; готовить растворы заданной концентрации, приобрести навыки вы-полнения титрования, определять водородный показатель среды методами pH-метрии;
• соблюдать:  правила техники безопасности при обращении с веществами и химической посудой, лабораторным оборудованием;
• понимать: важность охраны окружающей среды.

Литература
    1. Зайцев О. С. Исследовательский практикум по общей химии. - М.: Изд-во MГУ, 1994.
  2.Коровин Н. В., Мингулина Э. И., Рыжова Н. Г. Лабораторные работы по химии. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1998.
  3. Краузер Б., Фрuмант М. Химия: Лабораторный практикум / пер. с англ. - М.: Химия, 1995.
    4. Практикум по общей и неорганической химии / Под ред. Н. Н. Павлова, В. И. Фролова. - М.: Дрофа, 2002.
    5. Слета Л. А. Химия: Справочник. - Ростов-н/Д: Феникс, 1997.
  6. Фишер Х. Практикум по общей химии. Ч. 1: Общая и неорганическая химия / пер. с нем. - Новосибирск: Наука, 1996.