Методика преподавания темы «Электролиз»

Приступая к изучению любой новой темы, полезно задуматься о том, как заинтересовать и  мотивировать обучающихся. Конечно, можно просто поставить их перед фактом. И в этом случае класс будет работать, ведь тема есть в программе и в учебнике. Но хотелось бы все-таки, чтобы наши ученики работали осознано, по возможности понимая, а не просто принимая наши указания.

Записав на доске название темы «Электролиз», попросите своих учеников перевести это двухкоренное слово. С первой частью проблем не возникнет, а если дети затруднятся с переводом второй части «-лиз, лизос», попросите их вспомнить термины с таким же корнем из курсов других предметов естественнонаучного цикла: фотолиз, гидролиз, гомолиз. Лизос – это разложение. Таким образом, дословный перевод слова электролиз – разложение под действием электрического тока.

Далее обратите внимание на то, что электрический ток – это очень сильное воздействие на вещество, условие для проведения некоторых химических реакций, которые невозможно осуществить другим способом. Так, например, поваренную соль даже при очень высокой температуре не удается разложить на простые вещества, а электрический ток позволяет справиться с этой задачей. Попросите учащихся записать уравнение реакции электролиза расплава хлорида натрия:

2NaCl = 2Na + Cl2↑.

Конечно, с записью этой реакции все справятся без проблем. Затем введите новое условие: что произойдет, если взять для электролиза не расплав, а раствор поваренной соли? Возможно не все, но ученики, хорошо знающие неорганическую химию, сообразят, что образующийся натрий будет активно взаимодействовать с водой, и в растворе при этом образуется щелочь и будет выделяться водород. Таким образом, совместно с учениками вы составите уравнение электролиза раствора хлорида натрия:

2NaCl + 2H2O = 2NaOH + H2↑ + Cl2↑.

А потом предложите детям попробовать составить уравнение, к примеру, электролиза раствора нитрата калия. Выслушайте и проанализируйте несколько ошибочных вариантов (понятно, что дети будут пытаться получить в продуктах соединения калия и азота), а затем познакомьте их с неожиданным правильным ответом:

2H2O = 2H2↑ + О2↑.

Надеюсь, что после такой небольшой «интриги» вашим ученикам захочется поскорее научиться составлять такие вот «непредсказуемые» уравнения электролиза различных соединений. Теперь необходимо актуализировать понятия, знакомые обучающимся после изучения тем «Теория электролитической диссоциации» и  «Окислительно-восстановительные реакции», как электролиты, ионы, катионы, анионы, катод, анод, восстановление, окисление, восстановитель, окислитель. Это можно сделать в форме фронтального опроса. Эффективно зарекомендовал себя методический прием «Чистая доска»: перед началом урока учитель пишет на доске перечисленные ключевые понятия, а затем стирает записи по мере того, как ученики дают верное определение. В конце этапа повторения перед классом «Чистая доска», что формирует позитивный настрой от сознания выполненного задания и  символизирует, что изучение нового материала базируется на знании и понимании уже знакомых понятий.

Кроме того, можно применить элемент учебной игры «Змейка»: каждый ряд (необходима рассадка по одинаковому количеству человек на каждом ряду) получает заготовку с названиями ключевых понятий по числу учеников:

1) ион – это…

2) катион – это…

3) анод – это…

и т.д.

По команде учителя ученик, сидящий на первой парте, записывает определение «своего» понятия и передает листок с заготовкой соседу по парте. Выигрывает ряд, который наиболее правильно и быстро запишет все определения. Конечно, на первом месте при оценивании должна быть правильность и полнота определений, а не скорость.

Здесь позволю себе «лирическое отступление» в защиту учебных игр на всех этапах изучения химии в школе: дорогие коллеги, не стоит думать, что одиннадцатиклассники уже слишком взрослые для «игрушек». Они, конечно, взрослые, но любая учебная игра (и даже ее элементы) возвращает их в беззаботное детство, сплачивает, дает почувствовать себя «в команде», да и  просто дает разрядку и поднимает настроение. Поэтому, если вы сами готовы играть, ребята вас обязательно поддержат, не сомневайтесь! Но только не надо ничего притягивать искусственно. Если учебные игры вам не нравятся, не по характеру, подберите какой-то другой методический прием, более органично подходящий для вас.

Итак, вернемся к методике изучения нашей темы. После актуализации знаний (этап повторения) необходимо рассказать обучающимся о процессах, протекающих на электродах. Учтите, что на ваших учеников здесь «обрушивается» достаточно большой объем новой информации. А это значит, что необходимо сделать все для облегчения процесса запоминания.

Во-первых, помогает размещение материала на доске – катодный и анодный процессы должны быть обязательно разнесены (два крыла большой доски или слайд, разделенный пополам). В любом случае эта информация должна быть перед глазами учеников в течение всего урока, и центральную часть доски необходимо оставить для тренинга записи уравнений электролиза на основании этого материала.

Во-вторых, в данном случае невозможно переоценить значение мнемонических приемов, т.е. приемов для запоминания чего-либо. Вот только несколько примеров.

Очень часто обучающиеся путаются при определении знака заряда электрода. Действительно, логическая цепочка «катионы заряжены положительно, поэтому по законам электростатики будут группироваться у катода, следовательно, катод – это электрод с отрицательным зарядом» требует времени и некоторых, пусть и  небольших, логических способностей. Это, несомненно, полезно и необходимо. Но после того как вы обсудите с детьми вопросы о зарядах катода и анода подобным образом, обратите их внимание на удачное совпадение: в слове «катод» столько же букв, как и в слове «минус», а в слове «анод» – столько же, как и в слове «плюс».

Еще один прием из этой серии. После того, как на доске появится и будет проанализирована информация обо всех процесса, протекающих на катоде, обратите внимание детей еще на одно совпадение: на катоде происходит процесс восстановления катионов, т.е. процесс присоединения электронов (все первые буквы ключевых понятий – согласные). Аналогично на аноде происходит процесс окисления анионов, т.е. процесс отдачи электронов (все первые буквы ключевых понятий – гласные).

Уверяю вас, что применяя мнемонические приемы, вы не только снизите число возможных ошибок, но и сформируете у всех детей в классе уверенность в том, что не бывает плохой способности к запоминанию, и с любым, даже объемным и сложным материалом возможно справиться, надо только захотеть и немножко себе помочь. В своей практике я часто прошу ребят придумать какие-то другие мнемонические приемы для облегчения запоминания тех или иных понятий, а потом с удовольствием использую наиболее удачные из них на других уроках. А если у кого-то это получается очень хорошо, можно организовать учебную проектно-исследовательскую работу на тему изучения уже известных и составление авторских мнемонических приемов.

После такого объяснения нам остается только научиться применять полученную информацию для составления уравнений электролиза, а затем отработать полученные умения. Методически грамотным будет составление первых уравнений на тех примерах, с помощью которых мы заинтересовывали наших учеников в самом начале (электролиз расплава и  раствора хлорида натрия, раствора нитрата калия). Давайте рассмотрим эти примеры.

Задание №1. Составьте уравнение электролиза расплава хлорида натрия на инертных электродах.

Решение.

Хлорид натрия – сильный электролит, поэтому в расплаве он диссоциирует на катионы Na+ и анионы Cl–. Под действием направленного электрического тока ионы начинают двигаться упорядоченно: катионы – к катоду, анионы – к аноду. Рассмотрим процессы, протекающие в данном случае на электродах (обучающиеся используют информацию о катодных и анодных процессах).

Процесс на катоде в расплаве электролита не зависит от активности металла и всегда приводит к восстановлению чистого металла.

Процесс на инертном аноде в расплаве в случае бескислородного аниона приводит к образованию соответствующего простого вещества.

Записываем полуреакции процессов, протекающих на электродах:

Далее, вспоминая алгоритм метода электронного баланса, находим наименьшее общее кратное между числом отданных и принятых электронов (2) и подбираем коэффициенты к полуреакциям:

Суммируем полуреакции с учетом коэффициентов и получаем ионное уравнение электролиза расплава хлорида натрия:

2Na+ + 2Cl– = 2Na0 + Cl20↑.

Объединяем катионы и анионы, получая молекулярное уравнение электролиза расплава хлорида натрия:

2NaCl = 2Na + Cl2↑.

Задание №2. Составьте уравнение электролиза раствора хлорида натрия на инертных электродах.

Решение.

Хлорид натрия – сильный электролит, поэтому в растворе он диссоциирует на катионы Na+ и анионы Cl–. Под действием направленного электрического тока ионы начинают двигаться упорядоченно: катионы – к катоду, анионы – к аноду. Кроме того, в растворе присутствует вода, которая является слабым электролитом и  практически не диссоциирует. Рассмотрим процессы, протекающие в данном случае на электродах (обучающиеся используют информацию о катодных и анодных процессах).

Процесс на катоде в растворе электролита зависит от активности металла. В нашем случае это натрий, который является активным металлом (находится в ряду напряжений левее алюминия). Поэтому на катоде будут подвергаться восстановлению молекулы воды.

Процесс на инертном аноде в растворе в случае бескислородного аниона приводит к образованию соответствующего простого вещества.

Записываем полуреакции процессов, протекающих на электродах:

Далее, вспоминая алгоритм метода электронного баланса, находим наименьшее общее кратное между числом отданных и принятых электронов (2) и подбираем коэффициенты к полуреакциям:

Суммируем полуреакции с учетом коэффициентов и получаем ионное уравнение электролиза раствора хлорида натрия:

2Н2О + 2Cl – = H20↑ + 2OH– + Cl20↑.

В данном случае в реагентах и в продуктах присутствуют анионы. «Достраиваем» их катионами натрия, получая молекулярное уравнение электролиза раствора хлорида натрия:

2NaCl + 2H2O = 2NaOH + H2↑  + Cl2↑.

Задание №3. Составьте уравнение электролиза раствора нитрата калия на инертных электродах.

Решение.

Нитрат калия – сильный электролит, поэтому в растворе он диссоциирует на катионы К+ и анионы NO3–. Под действием направленного электрического тока ионы начинают двигаться упорядоченно: катионы – к катоду, анионы – к аноду. Кроме того, в растворе присутствует вода, которая является слабым электролитом и практически не диссоциирует. Рассмотрим процессы, протекающие в данном случае на электродах (обучающиеся используют информацию о катодных и  анодных процессах).

Процесс на катоде в растворе электролита зависит от активности металла. В нашем случае это калий, который является активным металлом (находится в ряду напряжений левее алюминия). Поэтому на катоде будут подвергаться восстановлению молекулы воды.

Процесс на инертном аноде в растворе в случае кислородсодержащего аниона приводит к окислению молекул воды.

Записываем полуреакции процессов, протекающих на электродах:

Далее, вспоминая алгоритм метода электронного баланса, находим наименьшее общее кратное между числом отданных и принятых электронов (4) и подбираем коэффициенты к полуреакциям:

Суммируем полуреакции с учетом коэффициентов и получаем ионное уравнение электролиза раствора нитрата калия:

6Н2О = 2H20↑ + 4OH– + О20↑ + 4H+

Объединяем 4H+ и 4OH– в продуктах и взаимно уничтожаем молекулы воды в реагентах и продуктах. Получаем молекулярное уравнение электролиза раствора нитрата калия:

2Н2О = 2H2↑  + О2↑.

После того, как обучающиеся под руководством учителя научатся составлять уравнения электролиза, необходимо отработать эти умения. Для отработки желательно подбирать задания в разных формах, которые мы рассмотрим чуть позже.

А сейчас я хотела бы рассказать вам о методическом приеме «Закрытая доска». Используя этот прием, вы всегда сможете организовать работу обучающихся по отработке навыков решения задач, составления уравнений реакций, проверки домашнего задания и т.п. в оптимальном режиме. Подобным методическим приемом могут пользоваться счастливые обладатели большой доски с боковыми «крыльями» в кабинете химии. Правда, одна моя коллега, имея маленькую доску, но большое желание использовать такой прием работы, придумала выход в виде шторки над доской, которую она могла при необходимости закрывать, ограничивая видимость на доске для класса. Итак, при работе на закрытой доске вызывается один ученик, который выполняет задание на закрытом от класса крыле доски. В это время ученики в классе выполняют то же задание в своих тетрадях. Главное достоинство такого приема очевидно: дети не просто списывают с доски, а выполняют работу самостоятельно. Ученик в классе, первым выполнивший работу, имеет право дать тетрадь на проверку учителю, затем продуктивно будет спросить кого-либо из класса на усмотрение учителя (для того, чтобы мотивировать всех учащихся на выполнение задания). Когда ученик у доски закончит работу, доска открывается, и  учитель с классом анализирует и проверяет задание. Постоянное использование такого незатейливого приема позволит ва