VI КЛАСС
ВВЕДЕНИЕ В ХИМИЮ.
Экспериментальный курс концентрированного обучения.
II ПРЕДМЕТНАЯ НЕДЕЛЯ.
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ПРЕВРАЩЕНИЙ (ПРАКТИКУМ).
ЗАДАЧИ II ПРЕДМЕТНОЙ НЕДЕЛИ.
Работа на I неделе привела к постановке задачи и введению в общем виде схемы молекулярной интерпретации явлений, происходящих в "вещественном мире". Главным здесь является интуитивно понятное представление о том, что всякое вещество представляет собой совокупность СВОИХ, особых молекул, существование которых "как таковых" и определяет существование (сохранность) вещества. ПРЕВРАЩЕНИЕ вещества означает, тем самым, исчезновение этих молекул и появление других, об отличиях которых от прежних можно косвенно судить по изменению свойств ("поведения") вещества в "контрольных" ситуациях. Таким образом, исчезновение какого-либо вещества и появление вещества с иными "свойствами" (например, оно уже "не умеет" растворяться в воде, имеет другой запах, вкус, появляется газ вместо твердого или жидкого и т.п.) может быть интерпретировано и обозначено как факт исчезновения одного вида молекул и появления молекул другого вида.
Четкая фиксация этого события (без различения тонкостей, например, связанных с реальным наличием нескольких видов «молекул» в составе некоторых «веществ» [воздух и пр.]) важна для постановки следующей задачи: распознавание ситуаций, в которых вроде бы похоже, что данное вещество исчезло и вместо него появилось новое, которому можно приписать изменение некоторых свойств, замеченных у прежнего вещества. Такие ситуации часто реально оказываются "спорными", и дети наверняка уже столкнулись со случаями, где возможна различная интерпретация произошедших с веществом изменений. Так, например, характерной является ситуация "растворения" соли в воде, где очевидно "исчезновение" соли, на которую попала вода и "превращение" пресной воды в "соленую", – простое обсуждение этой "критической" ситуации не позволяет обосновать каждую из предлагаемых трактовок. Примечание: под «молекулой» здесь и далее понимается старое классическое представление о ней как о «наименьшей частице вещества, определяющей его ... свойства» - учащимся еще только предстоит «уточнить» (в ходе работы), о каких именно свойствах вещества идет речь в данном случае (т.е. какие из них являются важными в ситуации осуществления данной деятельности). Только в этом смысле используется представление о «молекулах соли». Все остальные уточнения (о природе связей и типе строения), выступают только как более современные «наслоения»-оболочки исходного смыслового ядра базового понятия. Требовать их одномоментного «усвоения» (на начальной стадии изучения предмета) сразу и целиком в «правильно»-современном виде, конечно, можно, но печальный результат таких попыток слишком хорошо известен. Наш опыт свидетельствует о том, что представление о «наименьших частицах...» является первичным по отношению ко всем современным подробностям различений и классификаций веществ (по хим.связям и типам строения), и «утеря» его понимания необратимо (резко отрицательно) влияет на результаты реального освоения предмета и на отношение к нему учащихся как в краткосрочной так и в долгосрочной перспективе (увы, это потом практически «не лечится»!). Исходное же представление о «молекулах как мельчайших носителях химических свойств веществ» («слегка некорректное» с современной точки зрения) позволяет учащимся позже ставить содержательные вопросы о причинах резких различий в свойствах известных веществ, которые впрямую выводят на темы о природе химической связи внутри «молекул» и типах строения вещества, обеспечивая осмысленный «подход» ко многим сложным темам (в том числе и к современному определению).
Задачей этого цикла как раз и является обнаружение и "высвечивание" подобных "разночтений", столкновение которых и будет являться основой выработки общего способа молекулярной интерпретации (физических, физико-химических и химических) явлений, позволяющей аргументированно отличать превращение от не-превращений, и удерживать представление о сохранности «молекул» вещества в ситуациях его "кажущегося" исчезновения.
Основными понятийными новообразованиями этого цикла будут:
- представление о частицах, составляющих вещество, как о принципиально невидимых (настолько мелких);
- представление о "видимом" веществе как о множестве его частиц, "слипшихся" вместе, "притягивающихся" друг к другу так, что вместе они занимают обьем, который мы можем разглядеть. "Сила" такого сцепления в общем виде определяет возможность перехода частиц вещества в определенных условиях в дисперсное или конденсированное состояние;
- представление о "самостоятельном" движении частиц, их столкновениях, обеспечивающих постоянное движение, и о связи характера и интенсивности движения и столкновений со степенью "нагретости" вещества (его "температурой").
Примечание: эта «правильная» терминология не для детей (сейчас, в ходе пропедевтического курса, по крайней мере), как и любая другая далее, «определения» и «правила», если это необходимо, формулируют сами учащиеся по результатам содержательной работы – ничего не «дается» в готовом виде, не диктуется и не заучивается – это принципиально важно для обеспечения качественного усвоения предмета.
Собственно молекулярная интерпретация подразумевает принятие и удерживание детьми двух различных позиций рассмотрения вещества - "макро-" и "микро-" интерпретации явлений, для каждой из которых можно выделить особые средства и "язык" схематической фиксации происходящего.
Первая («макро-») предполагает четкую фиксацию контуров пространственного размещения вещества ("видимое" вещество), цвета, параметров, позволяющих внешнюю оценку свойств - вкус, запах, текучесть, наличие "естественной" формы и т.п., служащую ОРИЕНТИРОМ создания "молекулярной" модели, то есть, "усмотрения" молекул там, где можно видеть вещество.
Занятие второй позиции («микро-») предполагает работу в воображаемой ситуации усматривания ("умозрения") перемещения и перегруппировок частиц вещества, показывающих такое их "поведение", что в определенный момент (когда частицы "собираются" вместе или, наоборот, "разлетаются") можно увидеть "конденсацию" вещества ("пар", "туман", "капли", "кристаллы", "осадок") или его "исчезновение" (испарение, растворение) и т.п.
"Столкновение" различных точек зрения на одно и то же явление (получающихся при работе наблюдателей в этих позициях) дает возможность представить себе "механизм" происходящего, сопоставить исходное и конечное состояние так, чтобы показать выполнение в этой трактовке явления некоторых правил, позволяющих понять и «обьяснить» именно такое поведение вещества.
Такими "правилами" (которые необязательно вообще обсуждать как таковые с детьми, достаточно «неявного» их присутствия) будут:
а) соответствие "молекул" веществу (вода - это много молекул воды, соль - много «молекул соли» и т.п.),
б) "закон" сохранения молекул в неизменном виде в отсутствие воздействий, "запрет" на появление молекул "из ничего" и другое в том же роде, что в неявном виде предусматривается как некоторое очевидное основание работы с молекулярной моделью и вообще основание построения каких бы то ни было обьяснений или интерпретаций естественного поведения вещества.
"Обьяснение" поведения вещества "волшебными" исчезновениями или его появлениями не выдерживает критики даже повседневным опытом, так как повторяемость некоторых событий (соль ВСЕГДА растворяется, пресная вода сама собой НЕ становится соленой и т.п.) исключает произвол как механизм их проявления. Даже если дети сами формулируют такие "обьяснения", они могут быть, будучи постоянно применяемыми, доведены до абсурда и показаны как "неработающая" модель, не дающая возможность элементарного прогноза, в отличие от молекулярной модели, с которой можно работать и подтвердить ее пригодность. Хотя на первый взгляд такие обьяснения кажутся логичными - их обычно трудно опровергнуть "на словах", и вряд ли можно ожидать, что в "свободном" споре победит "правильная" точка зрения, для подтверждения которой у детей (да и у взрослых, первый раз попадающих в такого рода ситуацию) обычно не хватает корректных аргументов. Поэтому, с методической точки зрения, нам представляется неуместным вовлечение детей в споры и дискуссии о том, "как оно на самом деле". Продуктивным будет возвращение к ситуации опыта и построение прогнозов, их подтверждение и покажет ту "работающую" модель, которую мы будем привлекать для понимания событий.
Отношения двух схем, представляющих взгляд на вещества через "макро"- и "микро"-очки достаточно сложны. Для их адекватного построения необходимо на уроке отслеживать основные приемы организации работы со схемами. Такими, как показывает опыт, являются:
- формулировка задачи "покадровой" схематизации опыта (составление "мультфильма", "комикса", демонстрирующего динамику события);
- (для молекулярной схемы) движение "от результата": установка на ВОССТАНОВЛЕНИЕ пути именно этого события (исходное состояние могло быть по-разному изменено, и, если мы не знаем еще, что, собственно, происходило, от начала можно в "результат" и не попасть). То есть, началом построения схемы во времени должны быть "кадры" результата или близкие к нему; по мере движения к "началу" может выполняться "состыковка", выводящая на исходное состояние. В процессе этой состыковки как раз и придется найти или предположить механизм события. "Вещественная" схема может быть выполнена как простая зарисовка события во времени, по которой можно прикинуть разбивку на "кадры" молекулярной картинки;
- каждый "критический" (содержательно важный) кадр строится "с оглядкой" на предыдущий и последующий: он должен быть нарисован не "вообще", а именно как связующее звено между ними, с сохранением всех условных обозначений и "намеков" на то, как именно выглядел ПРОЦЕСС;
- взгляд на молекулярную схему "макро"-глазами должен подтвердить соответствие картинки наблюдаемому в реальности (вот ЭТИ "кучки" молекул мы видели как мелкие капельки, крупинки и проч., вот ЭТИХ молекул мы не видели, пока они двигались, так как они были разрозненны и т.п.). Эта взаимная сверка ("на твоей схеме нет никаких "групп" молекул там, где я вижу капли воды" и т.п.) позволяет реально придать разным схемам ВЗАИМНО-ОРИЕНТИРУЮЩИЕ ФУНКЦИИ. Тогда только в трудных случаях (например, при обсуждении механизма расширения тел при нагревании: что расширяется - сами молекулы или промежутки между ними) возможно правильное соотнесение схем и правильная интерпретация механизма (например, возникновение такого обьяснительного конструкта, как "увеличенный" эффективный диаметр колеблющейся молекулы).
Понятно, что такое распределение реализуется при построении схем, и должно опираться на четкое понимание детьми того, какую "роль" они на себя берут (напоминать об этом можно, ссылаясь на "атрибуты" - КАК ты видел это - глазами или через "волшебную лупу", "особый микроскоп" и т.п.). Для младших (5 класс) и адекватно ориентированных детей хорошо зарекомендовало себя "деление" класса на "землян" и "инопланетян", отличающихся тем, что в своих "скафандрах" они не ощущают земных запахов, не пробуют ничего на вкус, не трогают ничего руками, чтобы узнать, холодное или горячее и т.п. (тем самым все разговоры об этом для них бессмысленны и должны сопровождаться "переводом"), но зато обо всем они узнают через экраны, на которых все видно вплоть до таких подробностей, которые уже "землянам" не видны. Поэтому "перевод", который они понимают - это то, что может быть нарисовано или описано словами как мелкие частицы.
На пути реализации такого хода одним из существенных "открытий" для детей становится то, что для описания "микрособытий" совершенно НЕ НУЖЕН такой реальный микроскоп или супер-очки. Сами макро-представления в ходе построения взаимообусловленных схем как раз и задают все необходимые условия (границы) микроинтерпретации, которые позволяют показать и описать механизм события на "молекулярном" языке, усмотрев в опыте все необходимые основания правильной трактовки и прогноза.
НИКАКОГО отличного от молекулярного устройства вещества "внутри" эти супер-очки никогда не обнаружат, и в самый сильный микроскоп никогда не видно того, ЧТО двигает молекулы - они "сами" движутся, перемещаются и сталкиваются, и результат этих взаимодействий можно предугадать и понять как закономерный, а не искать внутри вещества еще что-то, кроме его молекул, - и это представление работает дальше как основание для постановки собственно химических проблем теоретической интерпретации превращений вещества.
Вся дальнейшая работа собственно с химическим материалом, тем самым, с очевидностью опирается на формирование у детей четких представлений о порядке и характере работы с молекулярными интерпретационными схемами, исключающими произвольность и примитивное фантазирование на тему внутреннего устройства вещества.
В процессе дальнейшей работы возникнет множество ситуаций, в которых ставятся особые химические проблемы интерпретации - например, проблемы обратимого превращения и его отличия от "не-превращения", различения сложного вещества и эквивалентной смеси, понимания изменения окраски некоторых веществ при разведении раствора (например, у хлорида меди - с зеленой на голубую), решение вопроса о составе кристаллогидратов, понимания отличий гидратов и гидроксидов и т.п. Эти проблемы, как показывает опыт, невозможно содержательно разрешить, если дети все еще делают ошибки и путаются в базовом понимании ситуации, где вообще можно грамотно поставить вопрос (например, рисуют "молекулы раствора", размещают молекулы соли внутри молекул воды, изображают "заборы", обьединяющие молекулы вещества в крупинку или каплю и т.п.).
Поэтому мы считаем целесообразным развертывание соответствующего (физико-химического) фрагмента в составе курса как раз для обеспечения грамотной постановки будущих химических проблем, и рекомендуем специально отслеживать и проверять все отработанные приемы каждый раз, как возникает в этом надобность и далее (особенно при возникновении ошибок и путаницы). Соответственно, для коррекции возможных ошибок следует возвращаться к освоенным в этом цикле "модельным" ситуациям там, где возникает такая необходимость, и не жалеть времени для отработки понимания ВСЕМИ детьми ОСНОВАНИЙ построения адекватных интерпретационных схем. Полезно также учителю самому периодически занимать позицию "провокатора", "наивного интерпретатора" и предлагать для критики заведомо неточные (ошибочные) схемы.
Предлагаемая далее последовательность учебных ситуаций является примерной и может быть изменена и дополнена в соответствии с логикой разумного продвижения в каждом конкретном классе. Учитель может использовать домашние работы и групповые задания при угрозе нехватки времени в классе. Выбор ситуаций диктуется в основном соображениями минимальных затрат времени (специальный курс, апробированный нами в свое время для пятого класса, рассчитывался на 34 и 68 часов, и включал в себя почти полную "экскурсию" в мир фазовых превращений и сопровождающего их "загадочного" поведения веществ и их смесей) и скоростью продвижения класса (см. полный вариант в курсе «Размышления о видимом и невидимом»).
Цель и предмет учебного взаимодействия детей в этом цикле составляет "совместное" построение "двухуровневых" гипотез, которые (как и соответствующие им схемы обьектов и способы координации действий) задают основу перехода детей к использованию молекулярной модели вещества в интерпретации сложных химических явлений.
Все компоненты ситуации опыта, выполняемого с веществом, могут быть разнесены как принадлежности работы в той или иной позиции. Такое расчленение и разнесение выступает как одна из учебно-познавательных задач, ставящихся и решаемых в этом курсе.
Процесс же перехода к употреблению моделей и терминов опосредуется, в свою очередь, процессом решения на уроке "общей" задачи соединения "наблюдения" и "обьяснения" необходимостью в "проблемных точках" соотносить и координировать обе "параллельно" создаваемые схемы между собой, "вычерпывая" последовательно недостающую информацию для заполнения "разрывов" единого гипотетико-аналитического построения.
Учитель, владея "культурно-нормативным" способом действия, в такой ситуации не показывает и не передает учащимся соответствующих знаний и способов деятельности в готовом виде. Во время урока в отношении "ответов на вопросы" он занимает позицию "равных возможностей" и не вводит, кроме специально оговариваемых случаев, образцов "правильных ответов". Его задачей является "погружение" детей в ситуацию выработки общепонятных интерпретаций и языка предметно-содержательного общения, с дальнейшим выведением на постановку проблем следующего учебного цикла.
Основным содержанием общеклассной предметной дискуссии, занимающей большую часть урока, является построение гипотез о необходимых действиях (практических или моделирующих). Учитель чаще всего участвует в ней как "наивный" оппонент и "провокатор", "наравне" с учащимися, вводя "свои" (недостающие или "провокационные") способы действия в обсуждаемой ситуации, а также предлагая для обсуждения характерные варианты неадекватных действий. Целью таких дискуссий является осознание детьми оснований использования (или отвержения) способов действия, которые будут опробованы и освоены детьми в самостоятельном решении задач.
Специфику деятельности учителя здесь составляет то, что важные для продвижения в задаче и осмысления решения предметные условия должны быть введены в рассмотрение по ходу самостоятельного рассуждения и построения детьми собственных гипотез.
Задачами учителя является выполнение совместно с детьми и демонстрация опробования гипотез (лабораторные опыты и практические работы), контроль продвижения в содержании, создание по ходу работы новых практических ситуаций, проблематизирующих то или иное направление поиска способа или рассуждения.
Один из вариантов рабочей программы на этой неделе может выглядеть так:
- Испарение и диффузия летучей жидкости. Введение молекулярной схемы. Косвенное обнаружение "невидимого" вещества. Обнаружение воздуха в "пустом" сосуде. Различение "молекулярной" и "вещественной" картинок. Испарение воды. Нагревание. Конденсация. Гипотеза сцепления молекул. Видимый и невидимый пар. Механизмы "запотевания" холодных предметов. Изображение "невидимой" части картинки по "результату" (наблюдаемое перемещение вещества). Возгонка иода. Сходство и различие процессов испарения жидкого и твердого вещества. Гипотеза об упорядоченном расположении молекул в кристалле. Взаимодополнение схем.
["Сухой лед" и его "испарение". Взаимодействие "сухого льда" и воды (при наличии возможностей).]
- Растворение. "Внутреннее движение" в воде, обнаруживаемое по факту "самопроизвольного" перемещения окрашенного вещества. Интерпретация его в молекулярных схемах. Динамическое моделирование схемы растворения твердого вещества. Кристаллизация при испарении растворителя. Анализ причин "появления" кристаллов. Насыщение раствора. Развитие гипотезы о различном "сцеплении" молекул в разных веществах. Моделирование процесса "по результату".
[Обьяснение повышения растворимости исследуемых твердых веществ при нагревании. Перекристаллизация и ее обьяснение. Плавление льда. Моделирование обратного перехода. Возгонка и конденсация кристаллов льда. Различия в свойствах веществ и различие в "силе сцепления" молекул. Температуры агрегатных переходов - "константы" веществ (при наличии резервного времени).]
- Различное "сцепление" молекул у различных веществ. Нерастворимые в воде вещества. Получение взвеси и осадка при попытке их растворения. Моделирование процесса фильтрования. Самостоятельная работа. Построение схемы эксперимента и решение экспериментальной задачи на разделение смеси растворимого и нерастворимого вещества фильтрованием.
[Несмешивающиеся жидкости. Проблематизация "наивной модели" (гипотеза "всплывания"). Построение обьяснения "сопротивления смешиванию". Гипотеза об "относительно более сильном сцеплении" молекул воды как "действующем факторе" и ее применение для анализа механизма расслоения. Растворение иода в бензине. Экстракция иода из водного раствора бензином (демонстрации). Моделирование механизма явления. Проверка обьяснительной гипотезы о слабом сцеплении (кипение бензина в горячей воде). (при наличии времени].
- Обобщение материала. Обзор ситуаций "псевдопревращений". Способы обнаружения вещества в одном из его "невидимых" состояний: конденсация испаряющейся жидкости на холодной поверхности, выпаривание растворов, "пробулькивание" газа через жидкость. Различение "истинных" растворов и взвесей (отстаивание осадка, фильтрование). Разделение смесей различных по растворимости веществ. Решение экспериментальных задач (различение соленой и пресной воды без пробования на вкус, отличение горячей и холодной воды без проверки на ощупь, экспериментальное определение возможности разделения смесей выданных веществ (мела и соды, соды и соли, мела и "краски" (*малахита), соли и сахара, мела и песка, песка и соли и т.п.). [При наличии времени или факультативно - постановка "проблемного" опыта с "растворением" мела в уксусе].
Формулировка задач следующей недели - интерпретация "ключевых" фокусов (при дефиците времени может быть перенесена на начало следующей недели).
ПРИМЕЧАНИЕ. В слабых классах или при наличии существенных затруднений допустимо увеличение времени на решение всех возникших проблем, особенно, связанных с построением и соотнесением между собой молекулярных схем. - вплоть до использования времени следующего цикла. "Потери" при неаккуратном "прохождении" затрагиваемых здесь вопросов нам представляются более существенными, чем отставание по времени. Именно этот фрагмент предусматривает максимальное участие всех детей в работе по интерпретации опытов и едва ли не определяет дальнейшее продвижение детей уже в химическом материале. Как показывает опыт, никакие обьяснения учителя, выполненные "за детей" там, где они сами должны были проделать важную работу по схематизации и "пониманию" происходящего, не дадут им возможности ориентироваться в следующих ситуациях, а ошибки, "пропущенные" здесь, наложат свой отпечаток на возможности постановки и решения следующих проблем.
ПЛАНИРОВАНИЕ ПРЕДМЕТНОЙ НЕДЕЛИ.
ЗАНЯТИЕ 1.
Самым простым опытом, показывающим "непонятное" поведение вещества, будет опыт с диффузией пахучего вещества в воздухе. Ученики, пришедшие на урок, получают задание: обнаружить в классе "новое" вещество, которое они не смогут сразу увидеть (учитель предварительно размещает источник запаха так, чтобы распространение шло быстро, но постепенно: одеколон или что-то в этом роде незаметно для детей наливается, например, в чашку, подогретую на плитке так, чтобы жидкость не испарилась вся; демонстрируемый источник запаха должен иметь очевидный слой пахучей жидкости).
Дети могут поднять руки, как только им покажется, что они что-то заметили и могут внятно сказать. Спросить можно, когда это будет значительная часть учащихся и запах дойдет примерно до середины класса (учитель может это проверить, подходя к ученикам и спрашивая тихо, что они заметили, и это будет "то"). В обсуждении фиксируется некоторое противоречие: вещество замечено, но никто его не видел. Можно даже установить место, где находиться "источник" запаха - "то" вещество - нужно идти и искать ближе к тому месту, где ученики первыми подняли руки, и почувствовавших запах больше. Но пока его не видно, и увидим только тогда, когда найдем спрятанную чашку. Сделаем так и найдем чашку. Можно ли было как-нибудь увидеть вещество раньше?
Некоторые думают, что нет: мы только могли от вещества почувствовать "запах". А другие считают, что сам запах как раз происходит от этого вещества, часть которого как-то попадает к нам в нос. Значит, мы как-то могли его бы увидеть, но этого вещества должно быть в воздухе очень мало. Значит, если бы мы могли бы разглядеть мельчайшие частицы, то и увидели бы, как они распространяются по воздуху и попадают в нос. Можно взять склянку и направить поток воздуха рукой по направлению к носу. Запах будет чувствоваться так же хорошо, как если бы мы сунули нос в склянку. Но, может, все-таки это "запах", а не частицы вещества? Представим себе, что мы бы могли действительно все так подробно увидеть. Наденем такие особые очки и попробуем рассмотреть все это. Но таких очков нет. А что, собственно, мы могли бы тогда увидеть? Вообразим, что есть такие очки и нарисуем картинку, которую бы мы тогда увидели. Попробуем изобразить процесс "покадрово", как если бы мы это фотографировали (рамки для картинок вычерчиваются на доске).
Надо будет изобразить эти мелкие частицы в воздухе, и в этом сосуде, где мы нашли пахучее вещество (последний "кадр", где все стало ясно). А что можно было бы увидеть перед этим? Нарисуем параллельные картинки, где будет все изображено так, как мы это видим "обычными" глазами. Здесь будет изображено вещество в сосуде, и ученики, которые подняли руки и сказали, что они обнаружили вещество. Какими будут "предыдущие" картинки?
Внимательные ученики заметят не только, что нужно изображать меньшее число учеников, поднявших руки, но, наверное, и уровень жидкости в сосуде был немного больше, чем когда мы это заметили. Действительно ли это так? Те, кто думает, что улетучивался только запах, а вещество оставалось, с этим не согласятся. Разрешим их спор, взяв каплю вещества и поместив на стекло. Если правы первые, то через некоторое время мы увидим, что жидкости станет меньше. Для контроля, если испарение медленное, можно обвести контуры капли на бумаге. Ясно, что можно ускорить испарение, подогрев жидкость. Другую каплю на стекле подержим над плиткой или положим на батарею. Запах при этом вокруг капли явно сильнее. Это можно показать на схеме, обозначив большее число "частиц" в воздухе. При этом в самой капле число этих частиц должно уменьшаться. Когда их не будет на стекле вообще, то и рядом с ним запах почти исчезнет. Все это говорит о том, что "отлетают" от вещества именно его молекулы, а не "запах".
Такой опыт можно провести с водой (налить немного воды на блюдце, отметив уровень по краю), и увидеть, что постепенно количество воды меняется (хорошо идет и как «домашний опыт», поскольку требует времени). То, что при этом можно было бы увидеть через "особые очки", нарисуем на схеме. Но никто не может увидеть этих частиц воды (молекул). Запаха у них нет тоже. Придется придумать такой опыт (а это не так-то просто), который показал бы нам, что, действительно, в воздухе есть молекулы воды. А самого воздуха в воздухе есть молекулы или это просто пустота? Придется обнаруживать их по косвенным свидетельствам. Те, кто дышит воздухом, должны сказать, что это какое-то вещество, так как оно может закончиться и дышать будет нечем. Значит, придется изобразить его молекулы (примечание: детали о составе воздуха сейчас не существенны, они естественным образом «вылезут» позже, когда учащиеся уже смогут внятно поставить содержательные вопросы о «составе»). Будет ли в воздухе "пусто", когда дышать уже нечем? Такой опыт не надо ставить на себе. Можно взять выдыхаемый воздух и попробовать увидеть, пустой ли это обьем или все-таки заполнен веществом? Самый простой опыт - подуть через трубку в воду. Можем даже "вытолкнуть" часть воды из стакана.
Можем изобразить молекулярную картинку, которая нам покажет, почему вода располагается вокруг пузырей, а не внутри. Если есть время, посмотрим, а нельзя ли так "выгнать" воздух вообще из сосуда, чтобы там было пусто (практически пусто, количественные подробности сейчас не актуальны)? Возьмем колбу или пробирку с пробкой и шлангом, подогреем колбу так, чтобы пузырьки можно было считать в воде. По мере нагревания видно, что, несмотря на то, что некоторые думали, что при большем нагревании пузырьков будет больше, они понемногу вообще перестают образовываться. Зажмем шланг зажимом и остудим колбу. Пусто ли в ней? Опустим конец шланга в воду и откроем зажим. Вода устремится в колбу - теперь воздух этому не препятствует. Покажем на схеме последовательность событий в "вещественных" и молекулярных схемах. Значит, и в пузырях был воздух, который "не пускал" воду в пузырь и трубку. В остывшей колбе воздуха мало, и он не мешает воде входить внутрь. В этом опыте воздух, очевидно, выходил весь - оставалось мало молекул. В выдыхаемом воздухе - им уже сложно дышать, по всей видимости, исчезают не все молекулы веществ (пузыри получаются), а какая-то часть ("кислород", который мы "вдохнули" – если учащиеся сами его не назвали – не один-два ученика, а хотя бы треть класса, то можно оставить пока и «молекулы воздуха»).
Значит, увидеть воздух (газ) можно и при образовании пузырей, и просто там, где в пустой сосуд не может попасть вода. Но так мы не можем понять, есть ли в воздухе молекулы воды. Видим мы вещество, когда в некотором обьеме сосредоточивается множество молекул - нужно собрать эту воду в капли. Такой опыт делает любой человек в очках или со стеклянным сосудом, когда входит в помещение с мороза. Проделаем такой опыт (например, с бутылкой из холодильника) и обнаружим воду в виде мелких капель. Придется признать, что вода "образуется" из "воздуха" (покажем это на схеме).
Интересно было бы, конечно, получить более "очевидное" подтверждение нашим рассуждениям. Например, "цветной газ", получающийся при "улетучивании" какого-либо особенного вещества. Таким веществом может быть, например, иод (вещество, с которым мы знакомы в быту - его растворяют в спирте и мажут царапины). Но мы возьмем не раствор, а чистый иод (блестящие крупинки серого цвета).
Положим его на дно большой колбы и нагреем. Появился фиолетовый пар, заполняющий постепенно всю колбу. Поставим колбу остывать. Некоторые думают, что сейчас все должно произойти в "обратном" порядке - вещество фиолетового пара "вернется" обратно. А увидим мы, как пар постепенно исчезнет, но при этом останутся на стенках блестящие серые кристаллики. Что происходило с веществом иодом в этом опыте? Можно подумать, что вещество на стенках - новое, не то, что мы брали вначале. Как это проверить? Возьмем немного вещества со стенок и нагреем в небольшом сосуде (в пробирке). Увидим точно такой же фиолетовый пар. По-видимому, это вещество "выпускает" такие же молекулы, как и тот иод, что мы брали. Скорее всего, никакого превращения нет, и все, что мы видели - серые кристаллы и фиолетовый пар - можно изобразить одними и теми же молекулами.
Нарисуем "вещественные" и молекулярные картинки, обращая внимание на точность изображения аналогичных фрагментов: например, переход части молекул из "кусочков" в пар должен означать уменьшение их "видимых" размеров, и на второй картинке кусочки должны быть меньше, а затем, наверное, и вообще исчезнуть (мы не видели этого, когда колба была заполнена темным газом; в результате на дне видна застывшая "лужица" - возможно, часть крупинок потеряла форму и растеклась, расплавилась - это можно отразить и на молекулярных схемах, показывающих нам то, что мы в "темном" пространстве не видели).
Точная геометрическая форма и зеркальная поверхность "новых" кристалликов заставят нас изобразить их молекулы "упакованными" ровными рядами; откуда они здесь (на стенках) взялись? При составлении "предыдущего кадра", тем самым, мы должны будем показать, как эти новые кристаллы "собирались" из молекул долетевших до этого места паров при охлаждении. Значит, на "параллельной" вещественной картинке там, где происходило "слипание" молекул в кристалл, должны быть изображены фиолетовые пары, которые мы могли бы там увидеть. Часть кристалликов образовалась и на "крышке" (стекле), которой была накрыта колба: это значит, что ни о каком направленном движении пара вниз при охлаждении говорить нельзя, нужно показать, как пар постепенно "рассеивался во всех направлениях, а молекулы "сцеплялись" в кристаллы на всех доступных поверхностях.
Наблюдая за испарением и кристаллизацией иода, мы можем теперь подтвердить некоторые предположения, и дополнить (исправить) предыдущие схемы. Например, изображая молекулярную схему распространения "одеколона", многие рисовали молекулы "направляющимися" чуть ли не по прямой из колбы к кому-то в нос. Действительно, почувствовав запах, мы не можем точно сказать, есть ли этот "запах" рядом, пока не переместимся в это место. Но фиолетовый пар показал нам, что в действительности свободно перемещающиеся молекулы заполняют весь обьем и, следовательно, передвигаются во всех направлениях. Ощущение запаха, следовательно, означает, что это мы встретились с этими молекулами, а не они двигались по направлению к нам. Отобразим это на схемах первого опыта и на других схемах, где молекулы, оказавшиеся по отдельности, все устремляются "вверх" или куда-то в одну точку. Позаботимся также и об условном хотя бы соответствии числа молекул разным фазам опыта ("прокрутим" наши кадры назад некоторые молекулы, заполняющие обьем класса или колбы на наших схемах могут и не поместиться обратно...).
Можем сформулировать некоторые выводы (это работа детей! – принципиально важно!). Примечание: если класс очень слабый (и учащиеся только осваивают новую для них форму работы) допустимо начать фразу, предложив «шапку»-затравку, с тем, чтобы содержательную его часть учащиеся сказали-записали сами, как могут и понимают. Тем самым вы можете облегчить детям трудную работу «организации своих мыслей» в ситуации, когда на языке вертится, а в слова никак не облекается. Важно, чтобы каждый учащийся выразил свою мысль самостоятельно, а дальше при зачитывании очередной фразы полезно спрашивать других учащихся, все ли согласны с такой формулировкой по существу (и не придираться по частностям). Если в выводе утеряно что-то важное, это обнаружится очень быстро, и тогда автор сможет его самостоятельно (и осознанно) скорректировать. Практика показывает, что учащиеся относительно легко принимают новую форму работы, условием успешного перехода становится понимание, что для учителя важнее их собственные мысли, пусть и коряво выраженные, а не гладко отполированная «правильная» фраза. Далее выделены допустимые «затравки» и «наводящие вопросы».
- вещество легко увидеть, когда большое число его молекул собрано "вместе", в кристалл, "крупинку" или каплю;
- если молекулы вещества отделяются "по одной", мы (можем проследить этот процесс?) не можем проследить этот процесс, разве что вещества "исчезнет" достаточно много;
- молекулы вещества при таком "исчезновении" вещества (исчезают?) не исчезают: (как их обнаружить?) их легко можно обнаружить где-то вокруг - по запаху, конденсации в кристаллы или капли и т.п.;
- быстрому "улетучиванию" вещества способствует (что? какое действие?) нагревание; нагретый пар также и быстрее распространяется;
- можно говорить о возможностях "сцепления" молекул вещества между собой: если ему "не препятствует" сильное нагревание, сцепление приводит (к чему?) к "слипанию" молекул между собой в капли или кристаллы (можно сделать гипотетический вывод о том, что "сцепление" проявляется там, где молекулы должны двигаться достаточно медленно - в местах, где "холодно");
- "легколетучими", "испаряющимися" могут быть те вещества, где сцепление частиц (какое?) невелико; вещества, которые "улетучиваются" с разной скоростью, обладают и различным "сцеплением";
- и т.п.
Особые выводы следует сделать относительно некоторых типичных ошибок, которые можно не делать, зная, как обстоит дело (формулировка выводов – работа детей!):
- когда жидкость или твердое вещество "исчезает", то есть, "испаряется", "улетучивается", (или - "растворяется"...), то с его молекулами ничего не происходит - они просто "рассоединяются", "расцепляются", "разбегаются" и мы их перестаем видеть. Однако мы их можем обнаружить и проверить, не изменились ли они, и тем самым доказать, что превращения вещества не произошло.
Следующей "проблемой", которую мы будем рассматривать, станет как раз "растворение". Некоторые думают, что и тут вещество "исчезает". Попробуем разобраться в таких ситуациях. Это будет задачей следующего урока.
ДОМАШНИЙ ОПЫТ. Исследование одеколона. Интересно узнать, из чего сделан одеколон - одно вещество или несколько, какие это вещества.
1. На фильтровальную бумагу (если есть - промокашку или салфетку (однослойную), или на кусочек настоящей фильтровальной бумаги, взятый в школе) капнуть одеколона (не аэрозоля!), подождать, пока капля впитается и пронаблюдать за процессом высыхания. Скорее всего, в этом опыте обнаружатся два вещества. Впрочем, это известно - для получения одеколона пахучее вещество ("масло") растворяют в большом количестве другой жидкости. На просохшую бумагу стоит еще раз посмотреть утром.
2. Эта жидкость - вода? Для проверки нанесите рядом с каплей одеколона каплю воды. Пронаблюдайте некоторое время. Сделайте вывод.
3. Контрольный опыт: к капле одеколона на стеклянном блюдце, в ложке или в маленькой рюмке добавьте пару капель воды. Сделайте вывод.
4. Придумайте еще опыты, которые можно сделать, чтобы убедиться, что "растворитель" для пахучего масла одеколона - не вода.
Примечание. Дешевый рыночный одеколон бывает поддельный и не содержит спирта - в нем растворителем будет, как правило, смесь глицерина с водой, которая не дает никаких таких эффектов - поэтому для опыта нельзя брать лосьоны или туалетную воду, нужен "классический" одеколон или духи.
ЗАНЯТИЕ 2.
Часть 1. ОБСУЖДЕНИЕ ДОМАШНЕГО ОПЫТА.
Что показало наблюдение за каплей одеколона? (Хорошо бы проделывать все это демонстрационно, конечно, с классическим одеколоном; схемы рисовать на доске).
- пятно получается "двойное": по краям "разбегается" одна жидкость, посередине сосредоточивается другая;
- если посмотреть на свет, пятно одеколона посередине кажется «прозрачным»;
- вначале высыхает пятно по краям; жидкость посередине остается еще долго, при этом бумага продолжает пахнуть.
Можно сделать вывод, что таких веществ по крайней мере два. Одно при попадании на бумагу "растекается" дальше и испаряется (высыхает) быстрее. Второе не растекается, делает бумагу "прозрачной", высыхает медленнее и продолжает пахнуть. Можно считать, что это и есть "пахучее" вещество ("масло"). К утру скорее всего оно практически полностью тоже исчезло с бумаги; "прозрачного" пятна не будет, но запах скорее всего еще будет чувствоваться. Составим схемы к этому событию и обьясним, что значит то, что бумага все еще пахнет.
Сравнение испарения капли одеколона с каплей воды покажет, что вода испаряется медленнее, а "растворитель" одеколона - быстрее.
Контрольный опыт покажет, что при добавлении воды в одеколон он становится "мутным", а, прикоснувшись к поверхности такого мутного одеколона бумажкой, можно "подобрать" каплю как раз пахучего вещества. Если бы в качестве растворителя в "настоящем" одеколоне служила вода, добавление "лишней" воды разбавило бы одеколон, но не сделало бы его мутным и тем более не произошло бы выделение "капель" пахучего вещества.
Показать, что это не вода, могут попытки "смыть" "пахучую" каплю с бумаги, добавление спирта ("настоящего") в одеколон, растворение "пахучей" капли в спирте и т.п.
Часть 2. РАСТВОРЕНИЕ
"Растворение" - еще одна ситуация, когда может показаться, что вещество "исчезло", "смылось".
Понаблюдаем за растворением соли (сахара) в воде. Аккуратно нальем небольшое количество воды в пробирку, где лежат кристаллики соли. Не встряхивая, поставим в штатив и будем наблюдать, зарисовывая "вещественные" картинки. Через некоторое время заметим, что кристаллы соли сильно уменьшились, а затем совсем исчезли. Составим молекулярную схему, начиная с первого, а затем с последнего "кадра". Очевидно, молекулы соли вначале составляли кристаллы; в последней картинке их уже не будет. Придется изображать молекулы соли "где-то". Среди молекул воды, наверное. Как показать, что они действительно там, а не превратились "в другие молекулы", не исчезли совсем, не "вошли внутрь молекул воды"?
Проще всего, конечно, окунуть в эту воду палец и попробовать ее на вкус. Однако не всякую "соль" можно пробовать на вкус - среди них встречаются и ядовитые. Этот "опыт" можно сделать дома, взяв сахар из сахарницы или соль из солонки, чистую воду и столовую посуду.
Придумаем такой опыт, который позволит "обнаружить" молекулы соли, не пробуя здесь ничего на вкус.
Если сильно нагреть немного раствора, может быть, вода испарится, а соль останется. Не испарится ли соль? Вначале сделаем контрольное испытание. Нагреем соль на стеклянной пластинке. Видно, что нагревание ничего особенного с солью не делает. Кристаллы соли не исчезают, как кристаллы иода, не видно "дыма", и, если бы можно было бы пробовать на вкус, можно было бы убедиться, что она такая же соленая. Дома можно это подтвердить, однако нужно делать это аккуратно, нагревая соль на кончике ножа (не самого нужного в доме), и не пробуя на вкус горячую соль.
Возьмем каплю "воды" и нагреем на стекле. Мы увидим, как вода постепенно испаряется, и на стекле останутся кристаллы. Если добавить воды (но не на горячее стекло), убедимся, что своей способности растворяться соль не потеряла; можно заключить, что молекулы соли остались неизменными; мы можем их изобразить распределившимися (поодиночке) среди молекул воды.
При составлении молекулярной схемы становится очевидно, что молекулы соли, составлявшие кристаллы, "как-то" оказались вдруг в растворе рядом с ним. Может быть, они "вылетели" сами? Но мы не наблюдали "испарения" соли даже при весьма сильном нагревании; как же так, в относительно холодном растворе они вдруг стали "улетать"? Разумное предположение состоит в том, что здесь дело в молекулах воды. Может быть, это они "подталкивают" молекулы соли к тому, чтобы те "отрывались", а потом "мешают" им возвратиться и "прилипнуть" обратно.
Проверить это предположение можно, постаравшись "воздействовать" на процесс, например, "ускорить" его. Если это так, и причиной растворения являются "толчки" молекул воды, то процесс растворения должен ускориться, если помогать "толкать" кристаллы. Для этого можно предложить, например, "взбалтывать", "размешивать" воду палочкой, НЕ КАСАЯСЬ кристаллов соли. Можно наблюдать, что если придать воде какое-то ВИДИМОЕ движение, то растворение заметно ускорится. Известно, что даже если чай мешать ложкой, то и сахар быстрее растворится. При этом совершенно необязательно "задевать" ложкой кристаллы сахара; можно считать, что приведенные в движение молекулы воды "сами" продолжат процесс растворения.
Возвращаясь к началу опыта, можно заключить, что и в отсутствие внешних "толчков" начинается растворение - значит, молекулам воды и так присуще "собственное" движение, увидеть которое мы не можем, так как скорее всего каждая молекула движется в "свою" сторону, а не все в одну, как при "размешивании" или "взбалтывании". Но это позволяет и в "стоячей" воде наблюдать процесс самопроизвольного растворения соли.
Еще один простой опыт (который лучше произвести чуть позже с окрашенным веществом) покажет, что, если не взбалтывать раствор и не мешать палочкой, то процесс растворения можно существенно ускорить, поставив воду нагреваться. Наблюдение покажет, что, хотя молекулы воды никто и не "трогает", соль как бы сама собой начинает растворяться быстрее. Очевидно, что молекулы воды "задвигались" быстрее как раз от нагревания, и, значит оно осуществляет воздействие, аналогичное "размешиванию", то есть - приведение жидкости в движение.
Достаточно "тонкую" проблему составляет и решение вопроса о том, не размещаются ли молекулы соли "внутри" молекул воды, превращая их тем самым в "молекулы соленой воды".
Некоторым подтверждением того, что "вода" остается в растворе "водой", и ее молекулы не изменяются, служит опыт с приготовлением и выпариванием "цветного" раствора ("марганцовки", оранжевой "хромовой соли" и т.п.).
Следующий опыт: крупинку "марганцовки" осторожно помещаем в пробирку с водой, наблюдаем и зарисовываем постепенное "расплывание" окраски по раствору. Как раз этот опыт вызывает часто мнение, что сами молекулы воды становятся "фиолетовыми", и возникает ошибка на молекулярной схеме.
Прокипятив в стаканчике такой цветной раствор, можно увидеть, как конденсируются и стекают по стенкам стакана абсолютно бесцветные и прозрачные струйки и капли воды. "Пар", который можно "уловить" холодной поверхностью над таким раствором, также бесцветен и состоит из чистой воды; мелкие капли, составляющие пар, улетучиваются с поверхности стекла, ничего не оставляя - а, значит, эти молекулы воды "не уносят" внутри себя никакой растворенной соли.
Значит, при растворении соли ее молекулы не "исчезают" и не "поглощаются" молекулами воды, а, разьединяясь, размещаются между ними, как бы "в промежутках".
Возникает интересный вопрос: будет ли соль растворяться бесконечно? Добавим в полученный раствор еще соли. Для ускорения растворения будем размешивать; но, добавляя соль, мы обнаружим, что через некоторое время кристаллы соли оседают на дно и не исчезают. Выпаривая каплю раствора, обнаружим в растворе большее количество соли. Как растворить эту "лишнюю соль"? Очевидно, надо добавить чистую воду - "с незаполненными промежутками" между ее молекулами. Проделаем это и увидим, что при добавлении достаточного количества воды как раз вся соль и растворится. Изобразим эти процессы на схемах. "Избыточные" молекулы воды будут, очевидно, и "разделять" молекулы соли, не давая им "слипнуться", тем самым, переходя в раствор, молекулы соли не смогут "снова" образовать кристаллы - хотя, судя по опыту с нагреванием, сцепление между ними должно быть достаточно сильным.
Попробуем из полученного раствора "добыть" соль обратно. Нальем раствор в чашку и, для того, чтобы вся вода испарилась, будем нагревать. Заметим, что по мере "выкипания" воды все больше кристаллов соли образуется на краях раствора и на дне чашки. Прекратив нагревание, когда остается мало раствора, пронаблюдаем постепенное "высыхание" остатков воды и образование порошка соли. Проверим, не утратила ли она способности растворяться, убедимся в том, что ее молекулы, скорее всего, не изменились. Составим схемы к процессу "извлечения" соли из раствора. То, что ее молекулы и "не собирались" улетать - ни с молекулами воды, ни "внутри" их, может, например, доказать опыт с тщательным взвешиванием растворенной и полученной после выпаривания соли (если, конечно, раствор не будет пролит и т.п.). Если позволяет время (и оборудование), этот опыт можно проделать.
Факультативно или при наличии резервного времени можно провести опыты с перекристаллизацией соли (использовать лучше всего хлорид калия; его можно иногда купить как удобрение в хозяйственных магазинах; если он недостаточно чист, можно использовать его и для демонстрации возможности очистки).
В небольшое количество воды (лучше в стаканчике) постепенно добавляют "соль". Когда соль перестала растворяться, подогреваем раствор. Обнаруживаем, что вся эта соль растворилась. Добавляем еще несколько порций соли (лучше не до полного насыщения кипящего раствора). Убедившись, что добавленная соль растворилась, охладим раствор, не встряхивая. Наблюдаем постепенное образование игольчатых кристаллов. Если было достигнуто насыщение, аккуратно перельем раствор в другую емкость. При составлении схем критичным будет как раз момент, связанный с "размещением" большего количества вещества "между" теми же молекулами воды; ведь избыточное количество "соли" не помещалось там, когда раствор был холодным. Вряд ли сами "промежутки" стали больше. Пытаясь "проиграть" события, происходящие при нагревании раствора - например, с помощью кружочков-"молекул" на магнитной доске или на столе, можно прийти к выводу, что, усиливаясь с нагреванием, собственное "движение" молекул воды (которое позволяет вообще молекулам соли "отрываться" от кристаллов), тем самым, более интенсивно "препятствовать" их слипанию и возвращению "обратно", и пока раствор не охладили, часть молекул, оторвавшихся от кристалла, будут "задерживаться" в растворе. При охлаждении, очевидно, молекулы воды, замедлив свое движение, не будут так препятствовать "слипанию" и "возвращению" молекул соли "обратно" в кристаллы.
Выводы можно проверить, попытавшись "перекристаллизовать" аналогичным образом какую-нибудь цветную соль - медный купорос, дихромат и т.п. При нагревании их растворы, в которых добавлялся избыток "соли", станут и более "насыщенными" по цвету, а после образования кристаллов окраска станет "бледнее".
Домашним заданием может быть постановка долговременного опыта с постепенной кристаллизацией поваренной соли из насыщенного при комнатной температуре, отфильтрованного раствора (в пластиковой посуде) на нитке или на проволочной фигурке. Если есть крупные кристаллы, можно попробовать их аккуратно "дорастить" на леске или волосе (такие опыты описаны со всеми подробностями во многих практикумах).
ЗАНЯТИЕ 3.
ОБСУЖДЕНИЕ. Наблюдение кристаллизации (перекристаллизации) соли показывает, что между частицами соли, действительно, существует достаточно большое "притяжение", "сцепление". Проникая "между" частицами соли, молекулы воды не дают этому сцеплению "проявляться", а не "уничтожают" его. Что говорит в пользу такого заключения? Как только мы "убираем" воду (выпариваем), сразу появляются крупинки (кристаллы) твердого вещества ("молекулы слипаются"); "быстрое движение", опять же, "мешает" ему проявляться. Неточно будет заключить, что именно "быстрое движение" "расцепляет" молекулы; опыт с нагреванием соли показывает, что гораздо более сильного нагревания недостаточно, чтобы соль начала "испаряться", т.е., чтобы ее молекулы "разъединились".
Если все-таки есть сомнения, можно поставить "контрольный" опыт, и даже понятно, какой: существуют вещества, частицы которых сцеплены гораздо менее прочно, чем у соли; даже несильное нагревание заставляет их "улетучиваться", а значит, сцепление, которое нужно преодолевать, не будет "мешать" их растворению - они должны быстрее и "лучше" растворяться.
ОПЫТ. В качестве такого вещества возьмем твердый иод. Малейшее нагревание дает интенсивное испарение. Поместим крупинки иода в воду. Может быть, мы увидим фиолетовый "пар" внутри воды, как мы видели "след" растворяющейся уже "в полете" марганцовки? Вначале вообще ничего не происходит. Интенсивное встряхивание приводит к появлению желтоватой окраски раствора, но большая часть иода так и не растворилась. Нагревание раствора не приводит к усилению окраски раствора; даже при кипячении (небольшого количества) раствора скорее можно увидеть фиолетовые пары иода НАД водой, чем в самом растворе.
Тем самым, мы можем заключить, что собственно нагревание совсем не "улучшает" растворение - дело не столько, следовательно, в нагревании, сколько в том, что нагревание способствует растворению (ускоряет его или повышает растворимость) тогда, когда это растворение происходит и без нагревания.
Не связано растворение впрямую и со "сцеплением" частиц - "малое" сцепление тоже не обязательно дает растворение (не только иод, но и бензин, например, испаряющийся легче, чем вода, и другие подобные вещества, несмотря на очевидно малое сцепление молекул, лучше от этого в воде не растворяются). Что же тогда является главной "причиной" растворения в воде?
Показывая "механизм" растворения (на модели с движущимися "молекулами"), мы видим, что во-первых, конечно, надо преодолевать "сцепление" молекул между собой, но, когда мы видим, что эту "работу" выполняют молекулы воды, мы можем предположить, что они как раз и могут "утаскивать" молекулы соли в раствор не только за счет "толчков" (тогда бы нагревание способствовало растворению всегда!), но и за счет "сцепления" с ними - и тогда мы получаем, что как раз растворяться в воде будут, скорее всего, именно те вещества, которые обладают хорошим сцеплением между их молекулами и молекулами воды. Тем самым, можно сказать, что и бензин, и иод хорошо испаряются, но плохо растворяются, так как их молекулы, слабо сцепляясь между собой, и с молекулами воды будут также сцепляться плохо (например, бензин, не растворяясь в воде, будет с ее поверхности просто улетучиваться).
Логично было бы "предсказать" поведение веществ, молекулы которых "сцеплялись" с молекулами воды, но при этом обладали бы гораздо более сильным сцеплением между собой, чем та соль, которую мы испытывали. Представим себе, что такое вещество существует, и "поместим" его в воду: мы увидим (на модели), что молекулы воды, "подчиняясь" сильному притяжению, будут окружать молекулы соли, притягиваясь к ним, может быть, смогут и "отрывать" какие-то, но разьединить все молекулы не смогут.
Что мы увидим, если нам в руки попадет такое вещество? Во-первых, при попытке его нагреть мы обнаружим, что испаряться оно не будет, и для его "испарения" понадобится очень сильное нагревание. Во-вторых, при помещении в воду мы увидим, что "растворяться" оно не будет, а "останется" в виде "цельного" вещества. А что будет, если мы его предварительно измельчим (некоторые думают, что так мы будем способствовать растворению)?
Есть ли такие вещества на самом деле? Представляют ли они из себя что-то особенное? Как нам увидеть такие вещества среди окружающих? Неужели пробовать все подряд нагревать и смотреть, какие улетучатся при очень больших температурах? А если у некоторых таких веществ сцепления "с водой" не будет?
Конечно, проще всего как раз именно попробовать растворить их в воде - эти вещества как раз именно те, которые в воде НЕ растворяются!
За примером далеко ходить не надо - например, мы хорошо знаем мел, который нельзя смыть с доски, "растворив" его; песок, глина и другие вещества. Наш опыт говорит нам, что и в виде мелких частиц глина и песок не растворяются в речной, например, воде, а переносятся водой и оседают на дно в неизменном виде.
Проделаем этот опыт с мелом. Поместив кусок мела в воду, мы увидим, что он "размокнет" и обратится в множество мелких частиц. Растворится ли мел при этом? Чтобы проверить это, лучше взять не мел, а уже готовый порошок (например, зубной порошок, приготовленный из мела - толченый мел не годится, так как, когда из порошка делают мел, часто используют клей, и он нам будет "мешать" обнаруживать "молекулы мела").
ОПЫТ. Добавим воды в пробирку или стаканчик с зубным порошком. Взболтаем и пронаблюдаем оседание. Размешаем как следует, чтобы все, что могло раствориться, растворилось. Можем даже подогреть раствор.
Исследуем "мутный раствор", получившийся при взбалтывании. Нанеся каплю на стекло, увидим мелкие крупинки, а между ними - прозрачную воду. Такую же "прозрачную воду" мы увидим, дождавшись отстаивания "мути". Следует понять, это "вода" или "раствор".
Дождавшись высыхания капли "мутной" воды на стекле, увидим крупинки порошка. Может быть, мы не можем разглядеть "новые" крупинки, образовавшиеся из раствора при высыхании? Попробуем "очистить" раствор от "крупинок". Судя по тому, что их "видно" невооруженным глазом, они достаточно велики - ясно, что они состоят из многих молекул, и на схеме их можно изобразить именно так.
Те молекулы, которые должны были "отделиться" от крупинок, перейдя в раствор, должны были, очевидно, "плавать" в растворе поодиночке. Этим можно воспользоваться, чтобы разделить "крупинки" и "раствор". Это значит, нужно придумать такое "устройство", которое задерживало бы крупинки, пропуская молекулы "поодиночке". Ясно, что наоборот сделать гораздо труднее. Это может быть такое "сито", через которое следует "процедить" мутный раствор и задержать крупинки. Но при этом "дырки" должны быть настолько малы, чтобы частицы порошка не проходили. Но при этом не настолько малы, чтобы и вода вместе с плавающими в ней отдельными молекулами не задерживалась! Можно опробовать разные материалы. Подойдет либо плотная ткань, вата, либо "непроклеенная", "рыхлая" бумага, которая хорошо впитывает воду. Не пойдет плотная бумага с дырками, проколотыми иголкой, хотя некоторые могут подумать, что можно сделать так (проверим это). Значит, "дырки" эти должны быть ТАК ЖЕ НЕ ВИДНЫ, как и сами молекулы. Существует для этого в лабораториях специальная "фильтровальная" бумага, через которую просачивается (фильтруется) вода и отдельные молекулы "растворенных" в ней веществ, а "крупинки" задерживаются (посмотрим на просвет - "дырок" в ней не видно!).
Не задерживает ли фильтровальная бумага молекулы растворенной соли? Прежде, чем исследовать мел, про который неизвестно, растворяется ли он, испытаем фильтровальную бумагу раствором "растворяющейся" соли.
ОПЫТ (фильтрование раствора соли). Приготовим раствор соли и "пропустим" его через фильтр. Как узнать, прошли ли молекулы соли вместе с водой через фильтр или "задержались". Простое рассматривание фильтра вряд ли даст точный ответ - может быть, порошок соли и не будет виден (будет мелкий), а, может быть, вся соль "впитается" в поры фильтра и мы ее не разглядим. Нужно исследовать сам раствор - осталась в нем соль или это чистая вода? Проверим это выпариванием. Мы увидим, что значительное количество соли образуется на стекле; если взять раствор, не пропущенный через фильтр, мы не увидим различий. Заметим, что этот опыт подтверждает, что частицы соли, на которые соль "распалась" при растворении, такие же мелкие, как и частицы воды, раз они проходят через мелкие "дырки".
ОПЫТ (фильтрование "мутного раствора"). Взболтанный "мутный раствор" выльем на фильтр и будем наблюдать "просачивание" раствора. Составим схемы, показывающие результат - образование "порошка" (сырого, потому "склеенного", а если подсушить на стекле - рассыпающегося) и "прозрачного раствора". Для составления схемы "раствора" следует обнаружить в нем вещество. Нанесение капли на стекло и выпаривание рядом с каплей "чистой" воды покажет, что никаких существенных изменений в "пятнах" не будет (если брать не дистиллированную воду или порошок с "добавками" (соды, например), то может получиться, естественно, налет - но растворимость его покажет отличия; лучше, конечно, взять чистую воду и порошок без добавок. Налет от водопроводной воды "есть всегда", им можно пренебречь. Главное - убедиться, что это - не растворенный мел: потереть пальцем, например). Следовательно, в "фильтрат" попадает только вода, а частицы мела так и остаются в частицах "порошка", несмотря на взмучивание, и в раствор "поодиночке" не попадают.
Несколько важных выводов можно сделать из этих опытов.
- Существуют вещества, не растворяющиеся в воде. Об их "устройстве" можно сказать, что их молекулы либо обладают слабым притяжением ("слабо" сцеплены) по отношению друг к другу и, следовательно, к воде, либо чрезвычайно сильным - друг к другу, и действие воды не приводит к отделению частиц друг от друга. При взбалтывании они образуют "взвесь" мелких капелек или частиц порошка, которые через некоторое время осядут на дно или всплывут (в зависимости от "удельного веса" по сравнению с водой). Эти частицы - не молекулы (их составляют множество молекул), так как они "застревают" в тех "дырках", через которые свободно "проникают" отдельные молекулы, которые получаются, например, при растворении "растворимых" веществ.
Где и как можно использовать такие различия? Можно придумать ситуации, где свойство веществ растворяться поможет решить практическую задачу (их решение будет задачей следующего урока). Это может быть разделение смеси растворимого и нерастворимого вещества, очистка от нерастворимой примеси, "промывка" с целью очистки от растворимой примеси. "Провокационными" будут ситуации очистки соли от сахара и наоборот, разделение мела и глины, или зеленой краски "малахита", бензина и керосина и т.п.
При нехватке времени задачи практической работы следующего урока можно раздать для домашнего обсуждения и обдумывания "плана действий".
ЗАМЕЧАНИЕ. Выводы (они могут включать в себя и другие итоги обсуждения), если учащиеся плохо справляются с их формулированием даже при использовании «наводящих» вопросов и затравочных «шапок», допустимо "диктовать" как "текст с пропусками" (ключевых слов), задавая "канву" формулировок, с которыми дети могут не справиться; при этом следует останавливаться и обсуждать критерии выбора нужного слова в каждом предложении, стимулировать учащихся сказать то же самое иначе, своими словами и т.д., обсуждать, изменится ли смысл (и как), если выбрать другое слово и пр.; часть предложений дети могут составить и сами, сравнивая разные варианты, сказанные "своими словами". Иначе говоря, в слабом классе чрезвычайно полезно выделить специальное время и организационные усилия для проведения «словарной» работы, которая позволяет учащимся осознать, что и как они делали, почему делали именно так, какие к этому были основания и пр. Если дети не справляются с такой работой сами, она получает несомненный приоритет перед «прохождением следующей темы». И эти усилия когда-то окупаются возросшими возможностями детей в осмыслении ситуаций будущих опытов, задач, тем.
Разумно совместить проведение следующего урока с контрольно-зачетными мероприятиями, подготовив задания, где дети должны самостоятельно выполнить фрагменты проделанной работы, в основном действуя со схемами и формулировками. Например, сравнить или распознать (какая к какому процессу) схемы, сделать перевод с "вещественного" языка на "молекулярный" и обратно, исправить ошибки в "неправильных" формулировках и проч. Полезно и предложить составить задания "для зачета", лучшие из которых включить в зачет.
ЗАНЯТИЕ 4.
Обсуждение важных моментов и фиксация способов составления схем для каждого случая может предварять выполнение зачетных работ. Возможно выполнение заданий на "вспоминание" существенных моментов недели (воспроизвести опыт по схеме и схемы по опыту, например). В обсуждение можно включить обсуждение новых или "старых" опытов, в которых можно было бы "ошибиться", найдя превращение вещества там, где его не было, или наоборот. Если получится, можно включить важный опыт с "выделением газа" например, при помещении сухого льда в пустую колбу и в воду, и опыт с "выжиманием" воздуха из колбы - при нагревании руками, а затем горелкой - они позволят определить критерий, по которому распознаются выделяющийся ("появляющийся") газ и "просто расширяющийся" воздух. Разбор на схеме может показать (до окончания опыта), что в одном из случаев, например, можно ожидать ускорения появления пузырьков (при пропускании газа или воздуха) в воду, а в другом - по мере выделения газа, наоборот, вылет пузырьков постепенно прекращается. Простой опыт с "втягиванием" пробки (смазанной) или воды через шланг внутрь сосуда подтверждает гипотезу об уменьшении количества молекул воздуха внутри - по сравнению с окружающей "атмосферой", молекулы которой "загонят" воздух или воду внутрь пустого сосуда, создавая "избыточное давление".
Важно подчеркнуть, что такого рода "разборы" - с участием схем, реализующих "молекулярный" взгляд на явления, - позволяют точно определить характер происходящих с веществом "событий" - для того, чтобы им управлять или как-нибудь еще использовать.
Практическую работу можно выполнять, распределив задания в группах учеников, с последующим обсуждением результатов. Обязательно составляются и сопоставляются "параллельные" схемы, рассматриваются "экспериментальные" подтверждения их правомерности.
Особое внимание следует уделить "критическим" опытам (тем, где нельзя решить поставленную задачу по обьективным причинам, и тем, где происходит в действительности превращение, про которое можно подумать, что это "растворение"). Если позволяет время, можно обсудить "критический опыт" с растворением мела в уксусе и выяснить отличия такого растворения от истинного. Задача "увидеть", то есть, распознать превращения, тем самым, вновь становится актуальной: это и будет сформулировано как познавательная задача следующей недели ("вернуться" к превращениям и исследовать их).
Зачетные работы и их выполнение должны как раз продемонстрировать (в основном, самим ученикам) их новые возможности по наблюдению и осмысливанию различных явлений. Это должно быть понято и опробовано в качестве средства ориентировки в будущих более сложных опытах и наблюдениях.