3. Законы химического превращения

Для формирования у учащихся VII-VIII классов понятия о химической реакции необходимо знакомить их с законами сохранения массы веществ и определенных весовых отношений.

Рассмотрим развитие знаний о законе сохранения массы веществ в VII классе. Первоначальные знания об этом законе следует дать учащимся сразу же после ознакомления с признаками химических реакций.

Начиная беседу, учитель спрашивает: "Если при химической реакции с веществами происходят качественные изменения, то не изменяется ли при этом и общая масса реагирующих веществ?" Перед обсуждением вопроса полезно пояснить, что под массой веществ понимается их количество, определяемое взвешиванием на весах и измеряемое в граммах и килограммах. Для решения этого вопроса необходимы опыты, поэтому после выслушивания первых суждений вопрос ставится в другой форме: "Предположим, что мы поместим вещества, которые могут вступать в реакцию, на чашку весов, уравновесив их, а потом проведем химическую реакцию. Будут ли чашки находится в равновесии и теперь?"

Наблюдения показывают, что у учащихся при решении этого вопроса нет единого мнения. Чтобы постепенно подвести их к верным заключениям, учитель предлагает решить возникший спор на основе опытов, причем ставить их так, чтобы избежать потери веществ, участвующих в химической реакции. Учащиеся проводят опыты: 1) сливают уравновешенные на весах растворы, которые взаимодействуют с изменением цвета, 2) сливают уравновешенные на весах растворы, при взаимодействии которых образуется осадок. Делают вывод, что, по- видимому, в результате химической реакции масса веществ не изменяется.

Выслушав предположения и обсудив их, учащиеся записывают: "Общая масса веществ, вступивших в реакцию, равна общей массе веществ, полученных при реакции". Учитель отмечает, что это положение называется законом сохранения массы веществ.

Учитель предлагает пронаблюдать и объяснить явление, которое будет продемонстрировано. На одну из чашек весов ставит в открытых сосудах и уравновешивает растворы соды и кислоты. Затем растворы сливает. Учащиеся наблюдают выделение газа и нарушение равновесия, а затем объясняют кажущееся уменьшение массы веществ при химической реакции.

Учитель говорит, что люди иногда встречаются как бы с нарушением закона сохранения массы веществ. Например, при горении мы наблюдаем постепенное исчезновение топлива. Можно подумать, что продукты реакции горения весят значительно меньше, чем весили взятые вещества. Однако не нужно забывать, что при горении топлива, например дров, образуются не только уголь и зола, но и многие газообразные продукты. И при этой реакции, как и при других, общая масса веществ, вступивших в реакцию, равна общей массе веществ, полученных в результате реакции.

Отсутствие точных измерительных приборов и недостаточное знакомство с газами долгое время затрудняли открытие закона сохранения массы веществ; как был открыт этот закон, учащиеся узнают позже.

Для закрепления знаний о законе сохранения массы веществ ставят вопросы:

1. Общая масса веществ, вступивших в реакцию, равна а) 80 г, б) 120 кг, в) 0,5 т. Какова общая масса веществ, получаемых при реакции в каждом из этих случаев?
2. Уравновесили на весах свечу, затем зажгли ее и стали наблюдать за весами. Как будет изменяться положение чашек весов? Чем можно объяснить изменение веса свечи?
3. При накаливании на воздухе свинец реагирует с кислородом воздуха и образует твердый продукт. Как можно провести опыт, который показал бы, что вещество, полученное при прокаливании свинца, весит столько же, сколько вещества, вступившие в реакцию (свинец и кислород)?
4. Какие вещества образовались при разложении 2 г окиси ртути? Какова должна быть их наибольшая общая масса?
5. При реакции разложения было получено 16 г окиси меди, 1,8 г воды и 4,4 г углекислого газа. Какое вещество и в каком количестве подверглось разложению?
6. Для получения 9,7 г сернистого цинка было затрачено 3,2 г серы. Какое вещество и в каком количестве вступило в реакцию с серой?

Следующий важный этап формирования понятия о законе сохранения массы веществ наступает тогда, когда учащиеся ознакомятся с сущностью химической реакции в свете атомно-молекулярной теории. Здесь в задачи развития знаний входят: 1) объяснение сущности закона в свете атомно-молекулярной теории, 2) рассмотрение истории его открытия, 3) более основательное выяснение значения этого закона в практической жизни и для выработки материалистического мировоззрения. К такому развитию знаний переходят в теме "Первоначальные сведения о строении и составе веществ" после рассмотрения вопросов о сохранении элементов при химической реакции и реакции замещения.

Чтобы связать развитие знаний о законе сохранения массы веществ с изучаемым до этого материалом учитель предлагает решить задачу:

"Над 8 г раскаленной окиси меди пропускали водород и получили 1,8 г водяных паров и 6,4 г меди. Сколько водорода вступило в реакцию с окисью меди? На основании какого закона была решена задача?"

Учащимся предлагают ответить на вопрос, почему общая масса веществ, вступивших в реакцию, должна быть равна общей массе веществ, полученных при реакции. В ответах подчеркивается, что при химической реакции не происходит превращения атомов одних химических элементов в атомы других. Число и масса атомов сохраняются. Этим и объясняется сохранение общей массы веществ при химическом взаимодействии.

Далее знакомят учащихся с историей открытия закона (примерно так, как это указано в статье Л. А. Цветкова "Об идейном содержании курса химии"^*). Учитель обращает внимание на то, что теоретические положения имеют для изучения химических явлений большое значение. Например, основные положения атомно-молекулярной теории помогли М. В. Ломоносову открыть закон сохранения массы веществ. Рассказывает об опытах М. В. Ломоносова, о формулировке, которую он дал открытому закону. Указав, что этот закон позволяет рассчитывать количество исходных веществ, необходимое для получения того или иного количества продуктов реакции, и предсказывать, сколько может получиться этих продуктов из данного количества сырья, учитель предлагает решить задачи:

1. На заводе негашеную известь и углекислый газ получают при разложении известняка нагреванием. Сколько известняка нужно подвергнуть разложению, чтобы получить 5,6 т извести и 4,4 т углекислого газа?
2. Гашеную известь, применяемую при строительных и отделочных работах, получают реакцией соединения негашеной извести и воды в соотношении 28 вес. ч. извести на 9 вес. ч. воды. Сколько гашеной извести можно получить из 5,6 т негашеной?

^* (Л. А. Цветков. Об идейном содержании курса химии. "Химия в школе", 1951, № 4.)

После этого обсуждают значение закона сохранения массы веществ для борьбы с религиозными представлениями о сотворении мира, о чудесах.

Для проверки и закрепления знаний используют следующие вопросы и задания:

1. Сформулируйте закон сохранения массы веществ и дайте его объяснение в свете атомно-молекулярной теории.
2. Расскажите, кто, когда и с помощью каких опытов открыл этот закон.
3. Чем опыты Ломоносова отличались от опытов Бойля?
4. Какое значение имеет закон сохранения массы веществ?
5. В открытой пробирке нагревали порошок основной углекислой меди. Масса пробирки с продуктами реакции после опыта оказалась меньше массы пробирки с порошком до опыта. Чем это можно объяснить?
6. При действии кислоты на мрамор выделяется углекислый газ. Этот газ можно поглотить известковой водой. Придумайте прибор для демонстрации опыта, подтверждающего положение Ломоносова: "Сколько чего у одного тела отнимается, столько присовокупится к другому".
7. В реакцию вступили 14 г железа и 8 г серы. Сколько сернистого железа образовалось?
8. При разложении 7,2 г воды образовалось 0,8 г водорода. Какое еще вещество и в каком количестве получилось при разложении воды?
9. В реакцию замещения вступило 8 г окиси меди и 0,2 г водорода, причем образовалось 1,8 г воды. Какое еще вещество и в каком количестве образовалось в этом случае?

Затем переходят к изучению закона постоянства состава и ознакомлению учащихся с определенностью весовых отношений реагирующих веществ. Учитель отмечает, что последовательное применение в науке атомно-молекулярных представлений позволило М. В. Ломоносову открыть не только закон сохранения массы веществ, но и предсказать еще один из основных законов химии, открытый Ж. Прустом только в начале XIX в.,- закон постоянства состава.

Используя известные учащимся данные и частично сообщая новые, учитель рассматривает весовые отношения веществ, вступающих в реакции и получающихся в результате реакции, и записывает на доске:

7 вес. ч. железа реагируют с 4 вес. ч. серы - образуется 11 вес. ч. сернистого железа;

2 вес. ч. цинка реагируют с 1 вес! ч. серы - образуется 3 вес. ч. сернистого цинка;

9 вес. ч. алюминия реагируют с 1 вес. ч. серы - об-разуется 10 вес. ч. сернистого алюминия;

9 вес. ч. воды при разложении дают 1 вес. ч. водорода и 8 вес. ч. кислорода;

27 вес. ч. окиси ртути при разложении дают 25 вес. ч. ртути и 2 вес. ч. кислорода.

Чтобы проверить понимание этих соотношений, учащимся предлагают вопросы:

1. Сколько а) железа, б) цинка, в) алюминия могут вступить в реакцию с 2 вес. ч. серы?
2. Сколько граммов воды нужно разложить для получения: а) 8 г кислорода, б) 16 г кислорода, в) 24 г кислорода?
3. Сколько граммов сернистого алюминия может образоваться, если будет взята смесь 1,8 г алюминия и* 3 г серы?
4. Могут ли полностью прореагировать друг с другом 3,5 вес. ч. железа и 3 вес. ч. серы? Сколько сернистого железа образуется в этом случае? Сколько серы не вступило в реакцию? Как избыток серы можно отделить от образовавшегося сернистого железа?

Учитель подчеркивает, что определенность весовых отношений реагирующих веществ проявляется не только при перечисленных химических взаимодействиях, но и при многих других^*. Поэтому ее можно считать одним из законов химической реакции, который формулируют так: "Вещества вступают в химическую реакцию и получаются в результате нее в определенных весовых отношениях". В свете атомно-молекулярной теории этот закон объясняют тем, что имеются определенные отношения между количествами молекул всех веществ, участвующих в реакции, а молекулы каждого вещества имеют постоянный одинаковый вес. Так, при образовании сернистого железа одна молекула железа (56 к. е.) реагирует с одной молекулой серы (32 к. е.) и образуется одна молекула сернистого железа (88 к. е.). Отсюда весовые отношения веществ 56 : 32 : 88 = 7:4:11. Если вещества реагируют в определенных весовых отношениях, то и продукт реакции должен иметь постоянный состав.

^* (Говорить здесь о всех реакциях было бы неправильно, так как нужно помнить об известной ограниченности действия закона постоянства состава.)

Затем для конкретизации и закрепления знаний использует задачи, которые решают с применением химических формул и уравнений и без их применения (на основе известных учащимся весовых отношений реагирующих веществ).

1. Сколько цинка потребуется взять для того, чтобы он прореагировал: а) с 0,5 г серы, б) с 0,8 г серы, в) с 2 г серы?
2. При разложении воды на 1 вес. ч. водорода образуется 8 вес. ч. кислорода. Сколько кислорода получится, если при разложении воды образовалось: а) 0,01 г водорода, б) 0,032 г водорода, в) 2 г водорода, г) 10 г водорода?
3. Образуя воду, водород и кислород реагируют в весовом отношении 1 : 8. Каков весовой состав воды? В каком количестве воды содержится 160 г кислорода?
4. В окиси меди на 64 вес. ч. меди приходится 16 вес. ч. кислорода. В каком весовом отношении реагирует медь и кислород при образовании окиси меди?
5. При реакции образовалось 44 г сернистого железа. Сколько серы и сколько железа вступило в реакцию? На основании каких законов была решена эта задача?
6. Рассчитайте, в каких весовых отношениях реагируют железо и кислород, если их взаимодействие может быть изображено уравнением: