«Определение возможности химического эксперимента как метода коррекции в освоении теоретических знаний ОВР»
материал по химии

Муниципальное  общеобразовательное учреждение

Глуховская средняя школа

Воскресенский район

Нижегородская область

«Определение возможности химического эксперимента как метода коррекции в освоении теоретических знаний ОВР»

Малышева Галина Николаевна учитель химии

 первая квалификационная категория.

2020г

Оглавление.

1. Введение……………………………………………………………………………3

2.Теоретические основы окислительно-восстановительных реакций

   2.1. Общие положения теории ОВР………………………………………….….4

   2.2.Особенности ОВР с участием органических веществ……………………8

   2.3. Алгоритм составления уравнений ОВР………………………………….11

   2. 4. Метод электронного баланса………………………………………………11

3. Обоснование корректирующей роли химического эксперимента  

при   подготовке к ЕГЭ…………………………………………………………..…13

4.Заключение ……………………………………………………………………..…19

5. Литература и интернет – источники…………………………………………...20

Актуальность работы: Одним из сложных и важных вопросов при подготовке к ЕГЭ по химии является окислительно-восстановительные реакции.

В ЕГЭ используются задания стандартизированной формы, включающие в себя задания с выбором ответа, а также с кратким и развернутым ответом.

Знание закономерностей протекания окислительно-восстановительных реакций необходимо при выполнении различных заданий ЕГЭ базового, повышенного и высокого уровня сложности.

Окислительно-восстановительные процессы принадлежат к числу наиболее распространенных химических реакций и имеют огромное значение в теории и практике. С этими реакциями связана жизнь любого живого существа: процессы обмена веществ в организме,  фотосинтез, гниение и брожение. Окислительно-восстановительные реакции можно наблюдать при сгорании топлива, коррозии металлов,  электролизе и выплавке металлов. С их помощью получают щелочи, кислоты и многие другие ценные химические вещества. Эти же реакции лежат в основе преобразования химической энергии в электрическую в гальванических и топливных элементах.

У учащихся при составлении окислительно-восстановительных реакций, возникают  затруднения в прогнозировании продуктов реакции, составления уравнений электронного баланса и расстановки коэффициентов в уравнениях.

 Анализ выполнения задания с развернутым

ответом на составление ОВР в КИМах

Задание № 30  КИМ  – в новом формате появилось в 2018 году.

Из списка 5-ти веществ необходимо выбрать вещества, которые вступят в окислительно-восстановительную реакцию. Для этого надо найти пару окислителя и восстановителя, определить среду раствора и продукты реакции. Далее надо составить электронный баланс реакции и на его основе расставить коэффициенты в уравнении.
Ранее  для 30-го вопроса надо было просто дописать в цепочке пропущенное вещество из перечня предложенных, а также сделать ряд аналитических действий в виде написания некоторых характеристик.

    В 2018 году  51 % выпускников не приступали или не выполнили задание на   ОВР.

В  2020 г «с заданием 30, которое проверяет умения определять окислитель и восстановитель, объяснять сущность окислительно-восстановительных реакций и составлять их уравнения, полностью справились 32 % экзаменуемых, что значительно выше аналогичного показателя в 2019 г. (20,97 %). Напротив, конкретизация условий выполнения данного задания и ограничение выбора веществ для составления окислительно-восстановительной реакции, способствовало успешному выполнению экзаменуемыми этого задания…» (Методический анализ результатов ЕГЭ по химии 2020 в Нижегородской области)

  Основная причина  затруднений  при составлении окислительно-восстановительных реакций заключается в формализме  знаний обучающихся.

2. Теоретические основы окислительно-восстановительных реакций

2.1.Общие положения теории ОВР

Для объяснения окислительно-восстановительных реакций в настоящее время применяют электронную теорию Я.И. Михайленко и Л.В. Писаржевского (1904 г.)

Окислительно-восстановительный процесс состоит из 2 элементарных актов или полуреакций: окисления и восстановления. Окисление - это процесс потери (отдачи) электронов атомом, молекулой или ионом. При окислении степень окисления частиц повышается: Частица, отдающая электроны, называется восстановителем. Продукт окисления восстановителя называется его окисленной формой: Восстановитель со своей окисленной формой составляют одну пару окислительно-восстановительной системы (Sn2+/Sn4+).Восстановление - это процесс присоединения электронов частицей. При восстановлении степень окисления понижается: Частица (атомы, молекулы или ионы), присоединяющая электроны, называется окислителем. Продукт восстановления окислителя называется его восстановленной формой:

Окислитель со своей восстановленной формой составляет другую пару (Fe3+/Fe2+) окислительно-восстановительной системы. Окисление всегда сопровождается восстановлением, и, наоборот, восстановление связано с окислением.

 Различают четыре типа окислительно-восстановительных реакций.

Исходя из положения атомов элементов в молекуле в Периодической системе Д. И.

Менделеева, можно судить о той роли, которую будет играть данное вещество в рассматриваемой реакции.

Минимальная степень окисления атомов металлов равна 0, для неметаллов определяя-

естся как n-8 (где n – номер группы, в которой находится атом элемента).

Соединения, содержащие атомы элементов в минимальной (низшей) степени окисле-

ния, в ОВР могут быть только восстановителями, т.е. они не могут более понизить степень

окисления в результате присоединения электронов, поскольку характеризуются завершенностью внешнего электронного слоя.

Максимальная степень окисления атома элемента определяется номером группы Пе-

риодической системы, в которой он находится.

Соединения, содержащие атомы элементов в максимальной (высшей) степени окис-

ления, в ОВР могут быть только окислителями, т.е. они могут только понижать свою степень окисления за счет присоединения электронов, поскольку уже отдали все свои валентные электроны.

Соединения, содержащие атомы элементов в промежуточной (между высшей и низшей) степени окисления, в ОВР могут быть и восстановителями, и окислителями, что зависит от других участников реакции и условий проведения реакции.

В зависимости от рН среды меняется характер протекания окислительно-восстановительного процесса между одними и теми же регентами. Например, взаимодействие восстановителя сульфита натрия (Na2SO3) с окислителем перманганатом калия (KMnO4) в кислотной (рН < 7), нейтральной (pH = 7) и щелочной (pH >7) среде приводит к образованию различных продуктов.

Окислители и продукты их восстановления:

Продукты реакции зависят от температуры и концентрации исходных веществ.

Окислительная способность веществ тем выше, чем больше алгебраическая величина их стандартного электродного (окислительно-восстановительного) потенциала. Пользуясь значениями окислительно-восстановительных потенциалов, можно определить направление протекания окислительно-восстановительной реакции.

Самопроизвольно прямая реакция будет протекать, если стандартный потенциал окислительно-восстановительной пары окислителя больше, чем стандартный потенциал окислительно-восстановительной пары восстановителя, а ΔЕ > 0.  Енох>ERed, то самопроизвольно может протекать прямая реакция.

Окислительно-восстановительные реакции имеют очень широкое распространение и являются чрезвычайно важными для обмена веществ в живых организмах, для многих промышленных процессов, связанных с получением химических веществ. Они имеют огромное значение в теории и практике.

2.2.Для окисления органических веществ применяют кислород, озон, галогены, соединения переходных металлов и др. Среди наиболее распространенных окислителей, являющихся соединениями переходных металлов, чаще всего используют перманганат калия KMnO4 в различных средах и бихромат калия K2Cr2O7 в кислой среде. Для создания кислой среды обычно применяют серную кислоту H2SO4, щелочная среда создается добавлением гидроксида натрия или калия.

Закономерности образования продуктов окисления органических веществ различных классов в зависимости от условий протекания реакции и природы окислителя.

Алканы

При обычных условиях алканы устойчивы к действию таких окислителей, как растворы KMnO4, K2Cr2O7.

Алкены

При окислении алкенов водным растворoм перманганата калия KMnO4 при комнатной температуре происходит разрыв π-связи и образуются двухатомные спирты. При этом происходит обесцвечивание раствора перманганата калия и выпадение бурого осадка MnO2 (реакция Вагнера).

Окисление алкенов концентрированным раствором перманганата калия KMnO4 или бихромата калия K2Cr2O7 в кислой среде сопровождается разрывом не только

π- ,но σ-связи.

В результате этой реакции образуются карбоновые кислоты и кетоны.

В результате каталитического окисления алкенов кислородом воздуха получают эпоксиды.

Алкины

Алкины легко окисляются такими окислителями, как перманганат калия KMnO4 и бихромат калия K2Cr2O7. Окисление алкинов, как и алкенов, происходит по месту кратной связи. Водный раствор перманганата калия обесцвечивается под действием алкинов (качественная реакция на кратную связь)- образуется соль щавелевой кислоты − оксалат калия:

 Окисление алкинов перманганатом калия в кислой среде при нагревании сопровождается разрывом углеродной цепи по месту тройной связи и приводит к образованию кислот. Например, при окислении пентина-2 образуется смесь уксусной и пропионовой кислоты:

Циклоалканы

В зависимости от условий каталитическим окислением воздухом циклогексана получают циклогексанол, циклогексанон или адипиновую кислоту

При действии сильных окислителей (KMnO4, K2Cr2O7 и др.) циклоалканы образуют двухосновные карбоновые кислоты с тем же числом атомов углерода:

Арены

Ароматический цикл достаточно устойчив к действию окислителей. Бензол устойчив к окислителям при комнатной температуре и не реагирует с водными растворами перманганата калия, бихромата калия и других окислителей.

Его гомологи окисляются относительно легко. При этом окислению подвергается боковая цепь, в случае толуола – метильная группа. Мягкие окислители, например, оксид марганца (IV), окисляют метильную группу до альдегидной группы.

Сильные окислители – перманганат калия в кислой среде или хромовая смесь при нагревании – окисляют метильную группу до карбоксильной. Так, при окислении метилбензола образуется бензойная кислота:

В нейтральной или слабощелочной среде при окислении метилбензола образуется не сама бензойная кислота, а ее соль − бензоат калия:

При действии на гомологи бензола сильных окислителей − перманганата калия KMnO4 или хромовой смеси (K2Cr2O7 + H2SO4) − происходит окисление боковых цепей. При этом боковая цепь разрушается, за исключением атома углерода, непосредственно связанного с бензольным ядром, который окисляется в карбоксильную группу. Окисление любого гомолога бензола с одной боковой цепью перманганатом калия в кислой среде или хромовой смесью приводит к образованию бензойной кислоты:

Гомологи бензола, содержащие несколько боковых цепей, окисляются до соответствующих многоосновных ароматических кислот:

в нейтральной или слабощелочной среде при окислении гомологов бензола перманганатом калия образуются соли, а также карбонат калия.

Спирты

Наиболее подходящими окислителями для первичных и вторичных спиртов являются перманганат калия, хромовая смесь, кислород в присутствии катализатора, а также хлор и бром. Продуктами окисления первичных спиртов в зависимости от условий являются альдегиды и карбоновые кислоты.

При окислении первичных спиртов, кроме метанола, образуются альдегиды или (при более глубоком окислении) карбоновые кислоты:

Окисление вторичных спиртов приводит к образованию кетонов:

Образующиеся в результате реакции кетоны могут далее окисляться с разрывом С – С связей.

По сравнению с первичными и вторичными спиртами, третичные спирты окисляются значительно труднее. Окисление происходит в более жестких условиях под действием сильных окислителей, сопровождается разрывом углеродного скелета и приводит к образованию кислот и кетонов. Последние далее окисляются до кислот.

Альдегиды и кетоны

Альдегиды легко подвергаются окислению, при этом альдегидная группа окисляется до карбоксильной .Метаналь окисляется до углекислого газа:

 Ароматические альдегиды легко окисляются даже кислородом воздуха. Так, бензальдегид превращается на воздухе в бензойную кислоту.

Реакции окисления альдегидов гидроксидом меди(II) Сu(OH)2 и аммиачным раствором оксида серебра(I) [Ag(NH3)2]ОН (реакция «серебряного зеркала») являются качественными на альдегиды.

Кетоны, в отличие от альдегидов, окисляются с трудом, слабые окислители на них не действуют. Под действием сильных окислителей происходит разрыв углерод-углеродных связей по обе стороны карбонильной группы и в зависимости от строения кетона образуется смесь кислот (или кетонов) с меньшим числом атомов углерода, чем в исходном соединении. Продуктом окислении циклического кетона циклогексанона является адипиновая кислота:

Карбоновые кислоты

Среди одноосновных карбоновых кислот легко окисляется только муравьиная кислота. Так же легко, как и алкены, окисляются непредельные карбоновые кислоты. Продуктом их окисления перманганатом калия в слабощелочной среде являются соли дигидроксикислот:

В кислой среде окисление сопровождается разрывом углеродного скелета по месту двойной связи С=С и приводит к образованию смеси кислот.

Среди двухосновных карбоновых кислот полному окислению под действием перманганата калия в кислой среде при нагревании легко подвергается щавелевая кислота. Продуктами ее окисления в этих условиях являются углекислый газ и вода.

2.3.Алгоритм составления уравнений окислительно-восстановительных

реакций с участием неорганических и органических веществ

2.4.Расстановка коэффициентов в окислительно-восстановительных реакциях с участием органических веществ - метод электронного баланса

Расстановку коэффициентов в уравнениях окислительно-восстановительных реакций с участием органических веществ можно осуществить различными методами, например, методом электронного баланса, кислородно-водородным, а в случае протекания процесса в водном растворе − методом полуреакций.

3. Обоснование корректирующей роли химического эксперимента

Роль  ОВР при подготовке к ЕГЭ по химии

Окислительно - восстановительные реакции лежат в основе выполнения задания

№ 30, 20 и 21. Также знания приемов составления электронного баланса необходимо при выполнении задания № 33,34.

Задания № 20 и 21  базового уровня сложности, ориентированы на проверку усвоения элемента содержания «Реакции окислительно - восстановительные» и представлены в форме на установление соответствия между элементами двух множеств. 

ОВР в структуре КИМов 2019- 2020 г

ОВР – ключевая тема при подготовке к ЕГЭ по химии. От успешности ее освоения зависит и выполнение многих заданий ЕГЭ.

Причиной затруднений  при  выполнения заданий с развернутым ответом определенной группой выпускников является недостаточная сформированность у них умений выявлять причинно-следственные связи между элементами содержания, последовательно выполнять несколько взаимосвязанных действий,  делать выводы и заключения, применять теоретические знания в незнакомых учебных ситуациях. Возможной причиной ошибок экзаменуемых могло также стать формальное усвоение учебного материала, следствием которого является неумение перенести полученные знания в новую ситуацию.

Формализм при  изучении ОВР проявляемся в следующих затруднениях:

• выбрать окислитель, и восстановитель среди соединений с переменной степенью окисления;

• определить вещество, определяющее среду раствора окислительно-восстановительной реакции;

 • предсказать продукты восстановления типичных окислителей и продукты окисления восстановителей в различных средах, а также возможность участия молекул воды в этих процессах;

• предсказать окислительные (восстановительные) свойства элементов с промежуточной степенью окисления в конкретных процессах.

Для успешного выполнения заданий требуется  не только формирование понятийного аппарата по теме ОВР, но и   глубокое понимание происходящих процессов.

Экспериментальный  этап

Опыт 1. Влияние среды на окислительно-восстановительные реакции

Описание работы.

В 4 стакана налили раствор перманганата калия KMnO4,

в 1 стакан добавили H2SO – создали  кислую среду,

во 2-й стакан добавили  H2O – создали  нейтральную среду,

в 3 стакан добавили  щелочь NaOH – создали щелочную среду.

В каждый стакан добавили  сухую соль Na2SO3. Наблюдали  изменения окраски растворов.

4-й стакан оставили для сравнения окраски растворов.

Результаты опыта

2KMn+7O4 + 3 H2SO4 + 5 Na 2S+4O3 = 2 Mn+2SO4 + K2SO4 + 5 Na2S+6O4 +

+3 H2O

2 KMn+7O4 + H2O + 3Na2S+4O3 = 2MnO2 + 3Na2 S+6O4 +2KOH

2KMn+7O4 + 2NaOH + Na2S+4O3 = 2Na2Mn+6O4 + K2S+6O4 + H2O

Вывод: при взаимодействии 2 веществ: перманганата калия и сульфита натрия, образуются разные продукты реакции в зависимости от того, в какой среде - кислой, нейтральной или щелочной, протекает реакция.

 Опыт 2 .Определение зависимости окислительно-восстановительного потенциала окислителя от рН

Описание работы.

 Приготовили  растворы перманганата калия с различными рН. Для этого в 5 мерных стаканов  пипеткой внесли по 1 мл 0,1 М раствора перманганата калия.

В первый добавили  40 мл воды и  4 капли концентрированной серной кислоты и добавили  воды до метки 50 мл. Измерили  рН.

Во второй стакан  добавили 8 капель 0,1  М серной кислоты и воды до метки 50 мл. Измерили  рН.

В третий - воды до метки 50 мл. Измерили рН

В четвертый - немного воды и 4 капли 0,1   М КОН до метки 50 мл. Измерили  рН

В пятый стакан внесли 8 капель 0,1   М КОН и  воды до метки 50 мл. Измерили рН

Поместили  пробирки в штатив. В каждую внесли на шпателе несколько кристалликов сульфита натрия.

Результаты наблюдений внесли  в таблицу

Вывод: 

В кислой среде глубина восстановления перманганат – иона больше

Реакция среды определяет глубину восстановления окислителя

Опыт 3. Окислительные свойства дихромата калия

  Описание работы.

Взяли 2 пробирки с раствором дихромата калия (K2Cr2O7). В первую пробирку добавили серную кислоту, а во вторую - гидроксид натрия. В каждую пробирку внесли несколько кристалликов сульфита натрия (Na2SO3).

Наблюдали следующие изменения:

Раствор позеленел

 3Na2SO3 + K2Cr2O7 +4H2SO4 = 3Na2SO4 +Cr2(SO4)3 + K2SO4 + 4H2O

Раствор пожелтел, затем стал зеленоватым

 3Na2SO3 + K2Cr2O7 + 4KOH +4H2O =3 Na2SO4 + 2K3[Cr(OH)6[Cr(OH)6]

Степень окисления хрома в разных средах одинакова  +3, но образующиеся продукты представлены гидроксильными комплексами, аквакатионами и гидроксидом.

Вывод:

Продукты реакции зависят от среды раствора.

 Реакция среды определяет химическую  формулу продукта.

Опыт 4. Окислительно-восстановительная двойственность нитрита калия.

Описание работы.

В 2 стакана наливаем раствор нитрита калия, подкисленный  раствором серной кислоты

 В 1 стакан добавляем раствор дихромата калия оранжевого цвета,

во 2 стакан - йодида калия – желтого цвета

 Наблюдаем  и фиксируем изменения.

3 KN3+O2 + 4 H2SO4 + K2Cr+62O7 = 3KN+5O3 + K2SO4 + Cr+32(SO4)2-3 +4H2O

  восстановитель        окислитель

2KN+3O2 + 2H2SO4 + 2KI-1 = 2K2SO4 + I02 + 2N+2O + 2H2O

окислитель     восстановитель

В первом стакане наблюдаем изменение цвета раствора - появление зеленой окраски.

Во 2 стакан приливаем раствор KI. Наблюдаем появление коричневой окраски раствора, выделение газа, и мелких частиц йода.

Вывод: В нитрите калия азот находится в промежуточной степени окисления (+3), поэтому KNO2 обладает окислительно-восстановительной двойственностью.

Продукты окислительно-восстановительных реакций зависят от не только от природы окислителя и восстановителя, но и условий протекания реакций:

-среды раствора

-температуры

-концентрации веществ

        Для определения эффективности эксперимента обучающимся 10 и 11 класса были предложены задания из материалов ЕГЭ.

Экспериментальные задачи на ОВР помогают лучше запомнить разнообразие признаков реакций наиболее распространенных окислителей и восстановителей. При выполнений эксперимента возникает устойчивый интерес к изучаемой теме. Эксперимент способствует изучению причинно-следственных связей между явлениями и  свойствами  веществ.

Корректирующая функция химического эксперимента позволяет преодолевать трудности в освоении теоретических знаний: уточнять имеющиеся знания в процессе приобретения экспериментальных умений и навыков, исправлять ошибки, осуществлять контроль за приобретенными знаниями.

Анализ полученных результатов показывает, произошел рост как количественной, так и качественной успеваемости. Использование химического эксперимента обеспечивает личную заинтересованность обучающихся  и приводит к более глубокому усвоению химического материала, а также к повышению интереса к изучению предмета.

4. Заключение

В аналитических отчета разных  регионов России отмечается  слабая сформированность экспериментальных умений выпускников, недостаточный опыт проведения экспериментов. 

Главная задача подготовки к экзамену — целенаправленная работа по повторению, систематизации и обобщению изученного материала, по приведению в систему знаний ключевых понятий курса химии.

Для этого необходим реальный химический эксперимент.

В результате выполненной работы проведено изучение теории ОВР, исследованы причины затруднений выполнения заданий ЕГЭ на составление ОВР, выбраны опыты для химического эксперимента по данной теме, обосновано корректирующее влияние эксперимента.

Проведен анализ влияния эксперимента на повышение качества подготовки к ЕГЭ.

  По результатам выполненной работы можно сделать основные выводы

1.ОВР – наиболее сложная тема при подготовке к ЕГЭ требующая глубокого понимания происходящих процессов и запоминания большого количества информации.

 2. Через химический эксперимент достигается единство теоретического и практического материала изучаемой темы.

 4. Химический эксперимент  способствует повышению личностной заинтересованности при изучении предмета и более глубокому усвоению материала.

5. «Первостепенную роль при подготовке к экзамену играют опыт и знания, приобретенные обучающимися при выполнении и обсуждении результатов реального химического эксперимента, которому следует уделить особое внимание в процессе изучения школьного курса химии…» (Методический анализ результатов ЕГЭ по химии 2020 в Нижегородской области)

5. Литература и интернет - источники:

 1. «Химия». Методические указания к выполнению лабораторных работ. Иркутск, издательство ИРГТУ, 2005г. Составители: Топшиноева З.Н., Зуева В.П., Волков А.Н., Лебедева О.В.

2.Глинка Н.Л. Общая химия. / М.: Химия, 1985.

3.Егоров А.С. Химия. Пособие-репититор для поступающих в вузы // 5-е изд. – Ростов-на-Дону: изд. Феникс, 2003. – 768 с.

4.Каверина А.А.Единый государственный экзамен. Химия. Комплекс материалов для подготовки учащихся. Учебное пособие.- М: Интеллект-Центр, 2018

5.Хомченко Г.П., Севастьянова К.И. «Окислительно-восстановительные реакции» М: Просвещение. 1989

6.Кузьменко Н.Е. Начала химии. Современный курс для поступающих в вузы – М.: изд. Экзамен, 2005 – 832с.

7.Асанова Л.И. Организация подготовки к ЕГЭ по химии: окислительно-восстановительные реакции. https://rosuchebnik.ru

8. Л. И. Асанова, ОН. Вережникова  ХИМИЯ. Полный курс подготовки к ЕГЭ
АСТ, Москва,2014г

9..www.fipi.ru

10.«Методический анализ результатов ЕГЭ по химии в Нижегродской области» http://www.niro.nnov.ru/?id=1784