Урок-исследование "Гидролиз солей" (11-й класс)

Тип урока. Изучение нового материала

Вид урока. Проблемно-исследовательский

Место урока в программной теме. Тема 3. Химические реакции. Урок № 8 (30)

Цель урока. Сформировать у учащихся понятие гидролиза солей.

Задачи обучения.

• Сформировать понятие “Гидролиз”,
• Расширить знания о свойствах солей,
• Научить записывать уравнения гидролиза солей;
• Показать значение и практическое применение гидролиза в различных областях деятельности человека.
• Продолжить ознакомление с особенностями процесса научного познания, этапами и методами исследовательской деятельности (наблюдение, эксперимент, предположение-гипотеза, дедукция, индукция).

Задачи развития.

• Совершенствовать умение работать с учебными материалами, выделять необходимое и главное, сравнивать состав и свойства солей.
• Прогнозировать реакцию среды водного раствора соли на основе анализа её состава.
• Развивать умения наблюдать за происходящими изменениями с веществами, формулировать проблему, определять тему и цель, выдвигать и проверять гипотезу исследования, осуществлять сбор, обработку и интерпретацию данных, доказательно излагать свои выводы.
• Развивать интерес к предмету и процессу познания.

Задачи воспитания.

• Приумножать знания о многообразии веществ в природе, их материальном единстве, зависимости свойств веществ от состава и строения.
• Формировать представление о химии как производительной силе общества.
• Воспитывать чувство ответственности за состояние окружающей среды.

Реактивы и оборудование: водные растворы хлорида натрия, хлорида меди (II), карбоната натрия, индикатора лакмуса; природная (замутненная) вода, раствор сульфата алюминия, пробирки, химические стаканы, штатив для пробирок; реактивы и оборудование, необходимые для проведения демонстрационных опытов.

Ход урока.

I. Мотивационно – ориентировочный этап.

На этом этапе осуществляются:

• мотивация учебной деятельности учащихся путем создания особо значимых для них проблемных ситуаций, основанных на их конкретном опыте;
• определение темы и основных направлений исследования, выделение проблемы, её вербализация, выдвижение гипотез и предположений.

Учитель. Мы продолжаем изучение темы “Химические реакции”.

Сегодня мы продолжим знакомство со свойствами солей, познакомимся с химической очисткой воды, так как это частный случай практического использования гидролиза солей. Методы очистки воды бывают физические, химические и биологические. Настоящий урок посвящен установлению сущности химической очистки воды. Я с удовольствием выслушаю ваши предположения о сущности данного процесса. Основные идеи, высказанные учащимися, записываем на доске:

• природная вода содержит различные примеси, от которых ее необходимо очистить;
• перед фильтрованием воду подвергают обработке, в нее добавляют специальные вещества, что приводит к химической реакции, в результате которой образуется коллоидный раствор, и вода становится чище.

Можно ли сделать вывод, что сущность химической очистки воды выяснена? В результате высказываний учащихся делается вывод о том, что сущность химической очистки воды можно считать установленной, если определены реакции, происходящие при введении раствора сульфата алюминия в природную воду, и составлены соответствующие уравнения.

А сейчас давайте проведем исследование на тему: “Сущность химической очистки воды”.

Любое исследование начинается с пополнения теоретического багажа, с приобретения знаний, которые помогут найти решение проблемы, в данном случае необходимо дополнительно изучить теоретические положения об электролитической диссоциации (например, выяснить, как взаимодействуют с водой соли), т.е. получить недостающую для исследования информацию.

План предварительного этапа исследования:

• Проведение лабораторного опыта “Исследование растворов солей с помощью индикатора”.
• Работа с учебной картой “Гидролиз солей”.

II. Операционно – исполнительный этап.

На этом этапе осуществляются:

• проведение эксперимента;
• изучение текстов;
• работа с учебными материалами (картами, таблицами и др.);
• сбор необходимой информации и построение умозаключений;
• формирование выводов, обобщений.

Учитель снабжает учащихся набором учебных материалов, необходимых для получения дополнительной информации в исследовании:

• задание на проведение лабораторного опыта “Исследование растворов солей индикатором”;
• учебная карта “Гидролиз солей” ;

Вышеперечисленное можно найти в приложении.

Ход работы.

1. Самостоятельное выполнение учащимися лабораторного опыта и оформление бланка задания (Приложение 1).
2. Обсуждение результатов самостоятельной работы. (Высказывания фиксируются на доске).
3. Работа учащихся с учебной картой “Гидролиз солей” (Приложение 2). (Работа в парах).
4. Обобщение темы “Гидролиз” учителем.

Учитель. Гидролиз солей – это реакция ионного обмена между ионами соли и молекулами воды. Растворы солей по-разному действуют на индикаторы. Значит, процессы гидролиза в растворах солей идут по-разному, и это зависит от состава соли.

Правила гидролиза.

1) Это обратимый процесс (форма записи “?”).

2) Это частный случай реакции ионного обмена.

3) Гидролиз солей всегда протекает по катиону или аниону слабого электролита, т.е. он всегда происходит в тех случаях, когда ионы, образующиеся в результате электролитической диссоциации, способны образовывать с водой слабые (малодиссоциированные) электролиты. Сильные же электролиты существуют в растворе только в виде ионов.

4) В большинстве случаев гидролиз протекает по 1-й ступени, т.е. с участием только 1 молекулы воды на 1 ион соли.

5) Если соль образована слабым основанием и сильной кислотой, раствор имеет кислую среду; если соль образована сильным основанием и слабой кислотой, раствор имеет щелочную среду. Это обратимый гидролиз.

слабое основание сильна кислота

[ОН] ^- < [Н]⁺

кислая реакция

Что сильнее, того и больше!

6) Если соль образована слабым основанием и слабой кислотой, происходит полный гидролиз соли.

Случаи гидролиза

По итогам работы организуется обсуждение, в результате которого учащиеся (совместно с учителем) делают следующие выводы:

• для очистки в воду вводят раствор коагулянта;
• в результате взаимодействия образуется разновидность дисперсной физико-химической системы – коллоидный раствор;
• под влиянием сил сцепления происходит объединение мелких частиц в крупные, что приводит к выпадению хлопьевидного осадка-коагулята. Предположительно, он и делает воду более чистой, захватывая взвешенные частицы.

Данные теоретически обоснованные предположения – гипотеза, требующая подтверждения.

• Экспериментальное исследование (лабораторный опыт, моделирующий практический процесс; работа с учебным текстом, см. Приложение 3 и 4).

Задание: провести экспериментальные исследования и составить уравнение химической реакции, лежащее в основе химической очистки воды сульфатом алюминия.

Al₂(SO₄)₃ + 3 Ca(HCO₃)₂ = 2 Al(OH)₃v + 3 CaSO₄ + 6 CO₂^

По результатам обсуждения проведенного исследования учащиеся делают общий вывод, который записывают в рабочую тетрадь:

Экспериментальное и теоретическое исследования подтвердили, что при очистке воды сульфатом алюминия происходит его гидролиз с образованием коллоидного раствора, из которого затем выпадают взвешенные частички.

Химическая очистка воды – это частный случай использования гидролиза солей.

• Работа учащихся с учебным текстом 2 (Приложение 5, 6).
• Выполнение опытов проблемного характера.

Изучение гидролиза солей возможно с применением проблемного подхода, основанного на использовании эффективных и убедительных демонстрационных опытов. Их цель – создать проблемные ситуации, для решения которых потребуется выяснить сущность процессов, протекающих при гидролизе, установить значение воды в них, выявить влияние состава соли на направление реакции, а кроме того, подвести учащихся к выводу о возможности смещения равновесия диссоциации молекул воды, сопровождающегося накоплением в растворе соли катионов водорода или гидроксид - анионов.

Для подготовки проблемной ситуации учащимся можно задать вопросы о направлении реакций взаимодействия магния с растворами следующих солей: хлорида алюминия, сульфата цинка, хлорида аммония. Как правило, ученики затрудняются в выборе правильного ответа, а поэтому требуется проведение опытов.

Взаимодействия магния с растворами солей, гидролизующихся по катиону.

Опыт 1. Восстановление ионов водорода в растворах хлорида алюминия, сульфата цинка, хлорида аммония.

Реактивы и оборудование: растворы хлорида алюминия, сульфата цинка, хлорида аммония (0,5н), магний, демонстрационные штатив и три пробирки.

Выполнение. В штатив помещают три большие демонстрационные пробирки, заполненные до половины объема растворами хлорида алюминия, сульфата цинка, хлорида аммония. В каждую из пробирок насыпают 2-3г магния.

Во всех трех пробирках учащиеся наблюдают энергичное выделение газообразного вещества. Учитель поджигает выделяющийся газ. Раздаются характерные хлопки, свидетельствующие о том, что это водород. Признаков восстановления ионов металлов не наблюдается.

Обсуждение опытов и выводы. Результаты проведенных опытов вызывают вопрос: какое химическое взаимодействие приводит к образованию водорода? Учащиеся обычно считают, что выделение водорода происходит вследствие взаимодействия магния с водой, находящейся в растворах солей. Но учитель напоминает, что магний взаимодействует с водой при нагревании, а с холодной водой реакция идет очень медленно. Для доказательства этого в пробирку с водой он добавляет магний.

Таким образом, учащиеся сталкиваются с противоречием: наблюдают бурное выделение водорода при действии магния на растворы некоторых солей, но не могут объяснить, какая химическая реакция приводит к этому. Разрешая его, учащиеся обращают внимание на состав взятых для опытов солей и замечают, что они образованы катионами слабых оснований. Наряду с общим признаком соли имеют различия: разные заряды катионов, кислотные остатки.

Поскольку учащиеся уже знакомы с физико-химическим процессом растворения, то они могут догадаться, что соли, содержащие в своем составе катионы слабых оснований, взаимодействуют с водой и это взаимодействие приводит к накоплению в растворе ионов водорода, способных восстанавливаться магнием. Для обоснования этой гипотезы учащиеся привлекают знания о диссоциации молекул воды и особенностях реакций ионного обмена в растворах, а учитель акцентирует их внимание на том, что диссоциация воды – процесс обратимый и при определенных условиях установившееся равновесие системы можно смещать. Это наводит на мысль, что соли, выбранные для опытов, смещают равновесие диссоциации молекул воды. Найденные объяснения с помощью учителя учащиеся записывают в виде уравнений реакций:

диссоциация соли AlCl₃ Al³⁺ + 3Cl^-;

диссоциация воды H₂O H⁺ + OH^-;

взаимодействие соли

с водой AlCl₃ + H₂O AlOHCl₂ + HCl, или

Al³⁺ + H₂O AlOH²⁺ + H⁺;

v^

H⁺ + OH^-

восстановление катионов

водорода 2H⁺ + Mg⁰ = H⁰₂ + Mg²⁺.

Аналогично для сульфата цинка и хлорида аммония:

диссоциация соли NH₄Cl NH⁺₄ + Cl^-;

диссоциация воды H₂O H⁺ + OH^-;

взаимодействие соли

с водой NH₄Cl + H₂O NH₃•H₂O + HCl, или

NH⁺₄ + H₂O NH₃•H₂O + H⁺;

v^

H⁺ + OH^-

восстановление катионов

водорода 2H⁺ + Mg⁰ = H⁰₂ + Mg²⁺.

В заключении формулируется вывод: соли, образованные катионами слабых оснований и анионами сильных кислот, гидролизуются в водных растворах по катиону с накоплением в растворе ионов водорода; это обусловливает кислую реакцию растворов таких солей.

Взаимодействие алюминия с растворами солей, гидролизующимися по аниону

Вполне естественно, что у учащихся после проведенных опытов может возникнуть вопрос о возможности смещения равновесия диссоциации молекул воды с накоплением в растворе гидроксид-анионов.

Для получения ответа можно провести эксперимент по растворению алюминия в растворах солей, имеющих щелочную среду. Этот опыт может служить и другой методической цели: подтверждать возможность взаимодействия алюминия с водой при растворении оксидной пленки в щелочном растворе. Кроме того, дополнительное исследование (выяснение характера среды) в одном случае (опыт 2) будет подтверждать направление реакции, а в другом (опыт 3) — прогнозировать его.

Для воздействия на оксидную пленку алюминия можно использовать, например, соли угольной и фосфорной кислот, дающие при гидролизе щелочную реакцию. Причем эксперименты с ними будут не только констатировать факт возможности взаимодействия алюминия с водой, но и помогут организовать проблемную ситуацию при изучении гидролиза солей и тем самым вовлекут учащихся в активную познавательную деятельность.

Перед проведением эксперимента следует задать вопрос: будут ли взаимодействовать растворы карбоната натрия и фосфата натрия с алюминием?

Опыты 2, 3. Растворение алюминия в растворах карбоната и фосфата натрия

Реактивы и оборудование: алюминий (порошок или гранулы), 10%-ные растворы карбоната и фосфата натрия, раствор фенолфталеина; две демонстрационные пробирки, спиртовка.

Выполнение. Две пробирки на 1/3 объема заполняют растворами карбоната натрия и фосфата натрия, добавляют алюминий и нагревают в течение 1 мин. В обоих случаях наблюдается энергичное выделение газообразного вещества. Подносят горящие спички к отверстиям пробирок и по вспышке, сопровождающейся хлопком, убеждаются в том, что это водород.

Обсуждение опытов и вывод. Наблюдая опыты, учащиеся убеждаются, что растворы двух разных солей одинаково взаимодействуют с алюминием. Чем же можно объяснить выделение водорода в этих опытах? Чтобы помочь учащимся выдвинуть гипотезу и самостоятельно объяснить результаты опытов, учителю важно обратить их внимание на то, что оба раствора, как показали испытания, имеют сильнощелочную реакцию среды, а затем поставить конкретный вопрос: какая химическая реакция в данных экспериментах сопровождается выделением газообразного водорода?

В поисках ответа учащиеся предполагают: выделение водорода происходит вследствие взаимодействия алюминия с водой. Эта гипотеза, конечно, требует дополнительного обоснования. Сначала учащиеся должны привести уравнения реакций гидролиза данных солей по аниону, затем объяснить, что оксидная пленка при нагревании в щелочном растворе будет растворяться, и в завершение составить уравнение реакции между алюминием и водой. Суммарные уравнения реакций в данном случае составлять не нужно, а лучше записать все протекающие процессы в виде отдельных уравнений. При такой форме записи ученики лучше усваивают суть эксперимента, и главный акцент переносится на взаимодействие алюминия с водой. Уравнения реакций для опыта 2:

Na₂CO₃ + H₂O NaHCO₃ + NaOH;

Al₂O₃ + 2NaOH = 2NaAlO₂ + H₂O, или

Al₂O₃ + 6NaOH + 3 H₂O = 2Na₃[Al(OH)₆];

2Al + 6 H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂^

Уравнения реакций для опыта 3:

Na₃PO₄ + H₂O Na₂HPO₄ + NaOH;

Al₂O₃ + 2NaOH = 2NaAlO₂ + H₂O,

Al₂O₃ + 6NaOH + 3 H₂O = 2Na₃[Al(OH)₆];

2Al + 6 H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂^

Теперь можно сделать вывод: карбонат и фосфат натрия имеют одинаковый тип гидролиза, создают в растворе щелочную среду, щелочь растворяет оксидную пленку, и поэтому в том и другом эксперименте алюминий активно реагирует с водой.

III. Рефлексивно-оценочный этап.

На этом этапе учащиеся совместно с учителем обсуждают предметно-содержательные учебные результаты, степень достижения цели исследования, ход подтверждения выдвинутой гипотезы, а также способы достижения полученных результатов.

Учащиеся выполняют рефлексивный тест, который не подписывают. В случае согласия с утверждением ставят напротив него знак “+”.

Рефлексивный тест.

1. Я узнал (а) много нового.
2. Мне это пригодится в жизни.
3. На уроке было над чем подумать.
4. На все возникшие у меня вопросы я получил (а) ответы.
5. На уроке я поработал (а) добросовестно.

Наряду с заданием по соответствующему параграфу учебника учащиеся получают разноуровневое домашнее задание.

Домашнее задание по теме: “Гидролиз солей”

Выполните любое из заданий трех уровней сложности.

А.1. Лакмус будет синий в водном растворе: бромида цинка; сульфата калия; сульфата железа (III); карбоната калия. Объясните причины.

А.2. Каким индикатором можно воспользоваться для установления характера среды в растворе канцелярского клея (Na₂SiO₃)? Составьте схему гидролиза.

Б. В трех пробирках без надписей находятся растворы соляной кислоты, гидроксида натрия и хлорида цинка. Как определить каждый из растворов, имея в своем распоряжении только раствор метилоранжа и пять чистых пробирок. Опишите подробно свои действия. Приведите уравнения реакций. Сделайте необходимые рисунки.

В. Можно ли в качестве коагулянта использовать соли: сульфат калия, сульфат меди (II), карбонат калия? Проиллюстрируйте свои утверждения уравнениями реакций.

Учитель. Я прошу, чтобы подняли руки те учащиеся, кто поставил 5 плюсов, затем те, у кого получилось 4 и 3 плюса. Это именно те оценки, которые они поставили за урок мне. Если когда-нибудь учащиеся смогут сказать обо мне словами учеников Д.И. Менделеева, что учитель “доброе в них семя полагал, а не простую отбывал повинность”, то это будет для меня высшей наградой.