Химический эксперимент в школе

DjVu

      ВВЕДЕНИЕ
      Преподавание основ химии в школе не может совершенствоваться без соответствующей организации школьного химического эксперимента.
      Химический эксперимент — источник знания о веществе и химической реакции — важное условие активизации познавательной деятельности учащихся, воспитания устойчивого интереса к предмету, формирования диалектико-материалистического мировоззрения, а также представлений о практическом применении химических знаний.
      В усовершенствованной программе по химии усилена роль всех видов школьного химического эксперимента, особенно ученического.
      Реализация экспериментальной части программы требует от учителя химии высокой и всесторонней профессиональной подготовки, глубокого понимания роли химического эксперимента в учебно-воспитательном процессе, творческой активности в применении эффективных методов обучения.
      Разумеется, для проведения эксперимента на высоком научно-теоретическом и методическом уровне необходимо разнообразное оборудование, в том числе и новейшие технические средства.
      Наличие комплекса учебного оборудования, необходимого для реализации программы по химии, умение учителя рационально и эффективно его использовать, отобрать необходимые средства для урока, самостоятельно изготовить некоторые из них и грамотно включить в урок также составляют важнейшие условия организации химического эксперимента в школе.
      В книге основное внимание уделяется вопросам материального обеспечения школьного химического эксперимента, влиянию научно-технического прогресса на современное оборудование, технику и методику проведения различных видов эксперимента с использованием традиционного и нового оборудования.
      В пособии нашли отражение требования школьной реформы к эксперименту по химии, а именно: включить новое оборудование для химического эксперимента, разработанное с учетом научно-технических достижений и передового опыта школ; показать организацию и проведение химического эксперимента на основе комплектов и наборов унифицированных узлов и деталей для монтажа различных приборов и установок; предусмотреть вариативность постановки химического эксперимента, осуществляемого с помощью нового и модернизированного оборудования, а также с учетом локальных условий и требований, предъявляемых к само-оборудованию, имеющему особенно важное значение в обучении химии; выявить возможности использования различного оборудования для осуществления межпредметных связей.
      Все это направлено на оптимизацию обучения химии и предусматривает: сокращение времени на подготовку и проведение эксперимента; удобство, надежность, безопасность проведения химических опытов; расширение дидактических возможностей ученического эксперимента.
      В методической литературе химическому эксперименту уделено значительное внимание [5, 6, 7, 8, 26, 40, 41] Характеристика химического эксперимента проводится в трех аспектах: оборудование школьного химического эксперимента; техника эксперимента; методика проведения эксперимента. Несмотря на некоторые различия этих трудов, в них рассматриваются техника и методика эксперимента одновременно.
      В данном пособии для ознакомления учителей с современным арсеналом оборудования для химического эксперимента характеристика учебно-материальной базы демонстрационного и ученического эксперимента дана отдельно от методики и техники выполнения опытов, многие из которых могут быть проведены с помощью наборов и в приборах полифункционального назначения. Характеристика учебно-материальной базы химического эксперимента включает модернизированные, новые и наиболее важные перспективные разработки оборудования, создаваемые на основе практики школ, анализа советской и зарубежной литературы по данной проблеме, а также научно-исследовательской работы НИИ ШОТСО АПН СССР.
      Поскольку вопросы оборудования школьной химической лаборатории достаточно полно изложены в книге «Кабинет химии» [13], в данном пособии будет обращено внимание лишь на те требования к кабинету и его оснащению, которые определяют включение нового и модернизированного оборудования.
      Книга рассчитана на учителей химии, знакомых с техникой лабораторных работ. Поэтому в ней не содержится указаний по выполнению элементарных операций. В случае затруднений читатели смогут обратиться к многочисленным руководствам по технике лабораторных работ, например, к книге П. И. Воскресенского «Техника лабораторных работ» [9]. Тем не менее, когда рекомендуются новые опыты или опыты с модернизированным оборудованием, указания по их выполнению даются достаточно подробно. Во всех случаях обращено большое внимание на условия, обеспечивающие безопасное выполнение опытов.
      В пособии представлены опыты, включенные в школьную программу по химии, а также выходящие за ее рамки. Учитель может использовать их на факультативных занятиях и во внеурочной работе. Предлагаемые варианты опытов дают возможность расширить использование эксперимента в различных условиях, изучить особенности химических процессов, представить их разнопла-новб. Такой подход позволит учителям более эффективно использовать химический эксперимент с учетом конкретных условий каждой школы.
      Цифры в квадратных скобках — номера литературных источников, приведенных в конце кннги.
     
      ФУНКЦИИ И ФОРМЫ школьного ХИМИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА. ТРЕБОВАНИЯ К УЧЕБНОМУ ОБОРУДОВАНИЮ, ПРЕДНАЗНАЧЕННОМУ ДЛЯ ПОСТАНОВКИ ХИМИЧЕСКИХ ОПЫТОВ
      ФУНКЦИИ ШКОЛЬНОГО ХИМИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
      Эксперимент позволяет выделить и изучить наиболее существенные стороны объекта или явления с помощью различных инструментов, приборов, технических средств в заданных условиях. Эксперимент может быть повторен исследователем в случае необходимости. Это в значительной мере определяет основную функцию научного эксперимента: получение достоверных данных об окружающей действительности. Учебный эксперимент отличается от научного тем, что результаты его известны, условия его проведения подобраны так, что в процессе проведения опытов или их наблюдения учащиеся должны обнаружить известные признаки реакции и прийти к ожидаемым результатам.
      Учебный эксперимент технически более прост и, как правило, ограничен во времени. В школьном курсе химии эксперимент является своеобразным объектом изучения, методом .исследования, источником и средством нового знания. Для него характерны три основных функции: познавательная — для усвоения основ химии, постановки и решения практических проблем, выявление значения химии в современной жизни; воспитывающая — для формирования материалистического мировоззрения, убежденности, идейной потребности к труду, ориентации учащихся на рабочие профессии; развивающая — для приобретения и совершенствования общенаучных и практических умений и навыков.
      Химические реакции — основной объект изучения химии. Эксперимент и связанные с ним наблюдения необходимы уже при формировании первоначальных химических понятий. Их роль возрастает при изучении теоретических вопросов химии (закон сохранения массы веществ, закономерности течения химических реакций и др.), при определении свойств простых веществ и соединений элементов I — VIII групп периодической системы, важнейших классов органических веществ, а также при выявлении генетической связи важнейших классов неорганических и органических веществ.
      Ознакомление с химическим экспериментом как методом науч-_ ного исследования, овладение навыками химического экспериментирования для добывания новых знаний и применения их в практической деятельности играют важную роль для формирования материалистического мировоззрения учащихся, уяснения роли науки и научных фактов в строительстве коммунистического общества.
      Важное учебно-воспитательное значение имеет школьный химический эксперимент и для политехнической подготовки учащихся: ознакомление их с основами химического производства, его особенностями, условиями протекания химических реакций, химизацией народного хозяйства.
      На основе восприятия наблюдаемых явлений у учащихся формируются представления, а затем понятия. Такой индуктивный путь познания свойствен первоначальному этапу обучения химии. Постепенно этот сравнительно медленный путь познания дополняется другим — дедуктивным. После того как учащиеся вооружились теорией, приобрели практические умения и навыки, эксперимент становится не только источником знаний новых фактов, но и методом проверки суждений, нахождения неизвестного (например, при решении экспериментальных задач).
      Один и тот же эксперимент на разном уровне подготовки учащихся используется неодинаково. Из этого следует, что химические опыты целесообразно повторять, обращая особое внимание на те их стороны, которые являются предметом изучения в данной учебной ситуации.
      В одних экспериментах явление доступно непосредственному восприятию. В других — изучаемые предметы и явления не воспринимаются непосредственно органами чувств и могут быть обнаружены только с помощью приборов или специальных инструментов.
      Для понимания сущности изучаемого предмета или явления химический эксперимент часто дополняют другими средствами наглядности — таблицами, моделями, экранными пособиями.
      Таким образом, химический эксперимент пронизывает все темы школьного курса химии, способствуя раскрытию его содержания и являясь своеобразным методом обучения. Для успешного проявления познавательной, воспитывающей и развивающей функций химического эксперимента важную роль играют его техническое оснащение, рациональная организация постановки опытов и включения их в учебный процесс.
      Очевидно, что эффективность эксперимента зависит от: постановки конкретной цели и задачи, которые должны быть решены с помощью опыта; построения рационального плана наблюдения; умения фиксировать результаты наблюдения; умения анализировать и обобщать полученные данные; наличия и рационального отбора инструментов и средств, с помощью которых учитель стимулирует и управляет наблюдением учащихся. Поэтому организация целенаправленного наблюдения, формирование навыка ^наблюдения, умения осмысливать результаты наблюдений и сохранять в памяти переработанную информацию составляют одну из важнейших задач химического эксперимента.
      Осмысливание, понимание учебного материала предусматривают не только регистрацию и накопление данных наблюдений и экспериментов, но и их правильное толкование, установление причинно-следственных связей, закономерностей, сущности изучаемых предметов и явлений. Успех работы в значительной мере зависит от того, насколько правильно определены характер деятельности учителя и учащихся, место химического эксперимента, наиболее целесообразные формы и приемы его осуществления на уроках.
     
      ФОРМЫ ШКОЛЬНОГО ХИМИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
      В практике обучения химии традиционно принято деление химического эксперимента на демонстрационный, осуществляемый учителем, и ученический, выполняемый школьниками в виде лабораторных опытов, практических занятий, решения экспериментальных задач [28]. В основу этой классификации положена деятельность учителя и учащихся.
      Демонстрации применяются прежде всего в тех случаях, когда учащиеся ранее не встречались с изучаемыми предметами и явлениями и не подготовлены к наблюдению. В этих случаях следует не только показать изучаемый объект, но и организовать наблюдение, направить его в нужное русло. Учащиеся не всегда воспринимают то, что необходимо, даже при хорошей видимости объекта или явления, если наблюдение не организовано.
      Демонстрация необходима, если изучаемые объекты опасны или сложны и не- могут быть, следовательно, использованы для самостоятельной работы учащимися.
      Правильное проведение демонстраций на уроках химии — необходимая предпосылка для организации различного рода самостоятельных работ. В процессе демонстрации, особенно демонстрационного эксперимента, учитель организует наблюдение учащихся, показывает правильные приемы обращения с лабораторным оборудованием, фиксирует внимание учащихся на целесообразности и принципе действия его, условиях проведения опытов, технике безопасности.
      Демонстрация является своеобразным наглядным инструктажем, на который учителю в процессе обучения приходится затрачивать немало времени. Наглядный инструктаж, основанный на подражании учителю, реализуемый с помощью различных пособий, в том числе приборов, таблиц, схем, экранных средств, сокращает время на формирование умений и .навыков химического эксперимента и способствует правильному выполнению ученического эксперимента.
      Ведущая роль демонстрации остается и в том случае, когда отведенное учебным планом время не позволяет организовать самостоятельную работу, на которую обычно затрачивается в два-три раза больше времени, чем на демонстрацию. Недостаток учебного оборудования для постановки ученического эксперимента,слабая организация химического кабинета, не позволяющая проводить должным образом самостоятельные работы, также заставляют учителя обращаться к демонстрационным опытам.
      Ученический эксперимент составляют лабораторные опыты, выполняемые фронтально или группой в процессе изучения, закрепления и проверки нового материала, а также практические занятия, решение экспериментальных задач по вариантам после изучения отдельных тем программы. Перспективной формой является практикум, проводимый в виде отдельных обобщающих работ после завершения всего курса химии. Особое место занимает эксперимент на факультативных занятиях и во внеурочной работе.
      В химическом эксперименте, как демонстрационном, так и ученическом, используют различные массы взятых для опытов веществ в твердом, жидком и газообразном состоянии, для чего требуется соответствующее оборудование и умение с ним обращаться.
      Условно различают следующие массы взятого для работы вещества: макроколичества (0,05 — 0,5 г), полумикроколичества (0,01 — 0,05 г), микроколичества (0,1 — 10 мг). В связи с этим говорят о макро-, полумикро- и микрометодах определения (анализа) вещества. Во всех этих случаях осуществляют одни и те же химические реакции, применяют одинаковые концентрации растворов, но в разных объемах и разной по габаритам аппаратуре. Так, в полумикрометоде используют объемы 0,1 — 1 мл раствора, для чего служат миниатюрные пипетки, бюретки, пробирки (конические), фарфоровые или стеклянные пластины с углублениями (для капельного анализа), реактивные бумажные полоски (например, индикаторные).
      Как известно, в ученическом эксперименте традиционно используют макрометод, в котором применяют обычные пробирки и составляемые на их основе приборы. В последнее время наряду с макрометодом школьные кабинеты химии оборудуют приспособлениями для проведения опытов с малыми количествами веществ в пробирках малого размера, на стеклянных или фарфоровых пластинах с углублениями и др. [13].
      Метод малых количеств веществ позволяет сочетать в ученическом эксперименте макрометод и капельный анализ, при этом достигается максимальная безопасность опытов и их наглядность. Твердые реагенты берут специальными ложками-дозаторами. Масса реагентов в среднем не превышает 1 — 1,5 г (один дозатор содержит в среднем 0,5 г сухого вещества). Отмеривание жидких веществ осуществляют с помощью пипеток, позволяющих брать от 1 — 2 капель до 5 мл (примерный объем целой пипетки — 1 мл).
      Работа с малыми количествами веществ имеет преимущества перед макрометодом: сокращается время проведения опыта, уменьшается расход реактивов и материалов, открывается возможность использования дорогих и особо чистых реактивов.
      Малые количества веществ используют также и в демонстрационном эксперименте, если проецировать опыты на экран (например, в чашках Петри с помощью графопроектора).
      При характеристике эксперимента учитывают не только массы, но и особенности проведения физических, физико-химических и химических операций с твердыми, жидкими и газообразными веществами.
      В школьной химической лаборатории при подготовке эксперимента на уроках, факультативных, кружковых занятиях учитель, лаборант, учащиеся проводят перечисленные выше операции. Знание этих операций и правильных приемов их выполнения необходимо для отбора оборудования, грамотного монтажа приборов и установок, безопасного выполнения опытов [21].
      Операции с твердыми веществами: взвешивание, высушивание, возгонка (сублимация), измельчение, крекинг (сухая перегонка), нагревание, определение физических свойств и констант (диэлектрические свойства полимеров, плотность, температура плавления или затвердевания, тепловой эффект реакции, твердость, электрическая проводимость), прокаливание, разделение смесей, растирание (в ступке), разложение (пиролиз), смешивание, внесение в пламя (определение ионов лития, натрия, калия, кальция, бария, меди по окраске пламени).
      Операции с твердыми веществами и газами: обжиг, окисление металлов, адсорбция газов (и паров), хроматография газовая.
      Операции с жидкими веществами: выпаривание и упаривание, высушивание, перегонка, нагревание, очистка, определение плотности (ареометром и др.), определение температуры кипения, перемешивание, внесение в пламя (окрашивание пламени), определение активной кислотности (индикаторами и др.), получение абсолютного (безводного) спирта, разделение жидкостей (делительной воронкой, перегонкой, хроматографией), крекинг (пиролиз), определение электрической проводимости, электролиз (воды, солей, растворов), хранение и переливание жидкостей.
      Операции с жидкостями и газами: растворение газов, выделение газов из жидкости, распыление жидкости потоком газа, промывание и осушка газов.
      Операции с твердыми и жидкими веществами: адсорбция растворенных веществ, взвешивание, выпаривание, высушивание, диффузия, ионный обмен, кристаллизация из раствора, нейтрализация, приготовление растворов, растворение твердых веществ, плавление и затвердевание, осаждение, комплексообразование, разделение смесей (фильтрование, хроматография, экстракция), получение коллоидов, коагуляция.
      Операции с газами: адсорбция, обращение с горючими газами, нагревание, очистка и поглощение газов, осушка газов, определение состава воздуха, получение, собирание газов (над водой, вытеснением воздуха), зарядка газометра, сжигание газов, взаимодействие газов с жидкостями и твердыми веществами, диффузия, термическое разложение газов, электрические разряды в газах, газовая коррозия металлов.
      В данном пособии не рассматриваются оборудование и приемы выполнения перечисленных операций. Эти вопросы подробно раскрываются в руководствах по лабораторной практике [7, 8, 9, 23, 40]. Многие из операций приводятся далее при описании различных опытов.
     
      ТРЕБОВАНИЯ К УЧЕБНОМУ ОБОРУДОВАНИЮ ДЛЯ ШКОЛЬНОГО ХИМИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
      Требования к оборудованию для школьного химического эксперимента продиктованы содержанием и особенностями его организации в условиях кабинета химии. Поэтому прежде чем определить, каким должно быть школьное оборудование для химического эксперимента, необходимо рассмотреть общие и специфические требования к постановке демонстрационных опытов, организации лабораторных и практических работ, а также вопрос о рациональном сочетании этих видов эксперимента на уроках.
      Наглядность, выразительность опытов — первое требование к химическому эксперименту. Поскольку любой химический опыт направлен па реализацию наглядности изучаемых предметов и явлений, следует определить, в какой форме он будет наиболее эффективен: в виде лабораторного опыта, обычной демонстрации, проекции на экран или в их определенном сочетании.
      Учебно-материальная база должна обеспечить условия для рационального выбора необходимых форм химического эксперимента. Цель постановки и содержание опытов должны быть понятны каждому учащемуся. Эксперимент должен быть хорошо видимым, размеры приборов, деталей, их размещение на рабочем столе должны обеспечивать хорошую обозреваемость наблюдаемых явлений.
      Второе требование: химические опыты должны быть доступными для восприятия и всегда убедительными, не должны давать повод учащимся для неправильных толкований.
      Учебное оборудование, следовательно, должно обеспечивать простоту, доказательность и достоверность химического опыта. При выборе прибора должны быть учтены его конструктивные особенности. Так, например, демонстрация взаимодействия натрия с водой в стакане пли чаше кристаллизационной, как это обычно выполняется в школах, не позволяет выявить все признаки реакции: плавление натрия в результате выделяющейся теплоты реакции, превращение натрия в шарик, его движение по поверхности воды, выделение газа. Это затрудняет объяснение опыта и исследование свойств щелочного металла. Сочетание обычной демонстрации с проекцией на экран позволяет сделать опыт наглядным и достоверным.
      Конструкция прибора или установки должна обеспечивать не только условия для проведения химической реакции, но и возможность для выявления и показа видимых и скрытых признаков протекающего процесса. При демонстрации реакции нейтрализации, например, путем прплнвання раствора кислоты в раствор щелочи с использованием лакмуса или фенолфталеина процесс нейтралтации обнаруживают по изменению цвета индикаторов: сипилакмус становится фиолетовым, а малиновая окраска фенолфталеина становится бесцветной. Выделение теплоты остается скрытым от наблюдателя. Применение в демонстрационном эксперименте электротермометра позволяет охарактеризовать реакцию более доказательно.
      Наглядность и достоверность показа опытов обусловлена техникой его постановки.
      В школьном химическом эксперименте раньше отсутствовали точные измерительные приборы. Однако сегодня без них невозможно ознакомление учащихся с научными методами. Для применения таких приборов достаточно умение правильно пользо-м.пься ими, не вникая в детали их конструкции.
      Нго прежде всего электрические и электронные приборы, используемые при проведении целого ряда опытов по электрохимии, и том числе с применением тока высокого напряжения.
      Каждый опыт, осуществляемый учителем или учащимся, должен быть безотказным, а оборудование для его выполнения — наложным. Неудавшаяся демонстрация нарушает ход урока, вызывает разочарование у учащихся и нередко порождает недоверие к учителю. Причины иеудавшихся опытов разнообразны. Одной из них является техническое несовершенство приборов, а также отдельных их деталей и узлов.
      Надежность приборов и установок зависит, таким образом, от их технического совершенства. Для этого необходимо иметь в каждом кабинете химии наборы унифицированной посуды в строго необходимом и достаточном количестве для осуществления различных видов химического эксперимента; комплекты универсальных узлов и соединительных четалеп, обеспечивающих герметичность и удобство монтажа. К ним относятся разнообразные соединения: резиновые, стеклянные сочленения (шлифованные и моллированные), резиновые и пластмассовые уплотнители.
      Надежность приборов и установок зависит также от их правильного храпения и транспортировки. Так, например, стеклянная посуда и принадлежности нередко выходят из строя из-за неправильного храпения их в кабинете (без укладок в шкафах).
      Надежность и техническое совершенство приборов и установок шижио обеспечивать соблюдение правил техники безопасности при осуществлении химического эксперимента. Реализация этого требования зависит, Конечно, не только от состояния учебно-материальиой базы кабинета химии, но и от того, насколько учитель овладел техникой химического эксперимента, от его знания всего арсенала учебного оборудования, необходимого для опытов, пт зккуратиости и культуры труда.
      Приборы, в которых проводят опыты, должны быть заранее подготовлены, неоднократно испытаны, а руководства по эксплуатации или паспорта приборов и установок тщательно изучены учителем.
      Безопасная работа определяется нормативными документами, р частности «Правилами по технике безопасности для кабинетов (лабораторий) химии общеобразовательных школ системы МП СССР» [27]. Следует заметить, что в большинстве случаев опасность бывает вызвана небрежностью экспериментатора, нарушением или прямым игнорированием инструкции по эксплуатации приборов или установок. Нагревание легковоспламеняющихся жидкостей на открытом пламени, неправильный выбор количеств, концентраций и объемов реагирующих веществ, хранение горючих и взрывоопасных газов в стеклянных газометрах, демонстрация взрыва газов в стеклянных сосудах, включение электроприборов, рассчитанных на низкое напряжение, в сеть, использование технически несовершенных самодельных электроприборов — наиболее часто встречающиеся причины возникновения опасных ситуаций.
      В промышленных приборах и установках требования безопасности определены соответствующими нормативными документами V. находят отражение в конструктивных особенностях данного прибора. Например, снабжение электроприборов защитными кожухами, полюсными вилками (предотвращающими включение прибора в обычную сетевую розетку), механическая блокировка розеток (фиксация в нужном положении) и т. д.
      Самодельные приборы и установки могут использоваться в школе лишь в тех случаях, когда они технически надежны и безопасны. Одно из требований, предъявляемых к школьному химическому эксперименту, — его кратковременность, которая обусловливается ограниченным временем урока.
      При постановке эксперимента на уроке должны быть учтены: целесообразность включения опытов в определенный этап урока, необходимость объяснения их (в том числе с использованием других средств обучения), возможность повторения эксперимента для корректировки наблюдения, получения достоверных результатов.
      Рациональная конструкция приборов и установок, их правильное применение сообразно темпам и этапам урока обеспечивают достижение поставленных целей в точно рассчитанные сроки. Так, например, экономию учебного времени можно получить не только за счет сокращения вспомогательных операций при монтаже прибора или установки, но и за счет удобства и быстроты их выполнения. Этому в значительной мере способствует хорошо продуманная конструкция прибора. Например, нагревание является одной из наиболее часто повторяющихся операций. Следовательно, необходимо создание таких нагревателей, которые обеспечивали бы возможность работы в заранее заданных режимах.
      Средняя продолжительность лабораторного опыта и отдельной демонстрации не должна превышать 5 — 6 мин урока, а при выполнении практических работ — 15 — 20 мин. Затягивание времени опыта сверх приведенных норм снижает интерес к эксперименту, нарушает ритм н структуру урока, не позволяет оформить результаты проведенного исследования.
      Некоторые опыты (например, по коррозии металлов) требуют длительного времени. Такой эксперимент проводят поэтапно; на первом уроке обсуждают условия опыта и осуществляют ело постановку, на последующих одном-двух уроках фиксируют полученные результаты. Для постановки таких опытов в параллельных классах требуется большее количество однотипного оборудования, которое может быть заменено аналогичным по назначению (например, вместо колб можно использовать химические стаканы).
      Необходимо учитывать, что учебное оборудование для химического эксперимента может успешно функционировать, если в кабинете химии создать определенные условия; в частности, имеются соответствующие подводки коммуникаций, налажено гало-, водо- и электроснабжение, рационально организованы рабочие места учителя и учащихся, тщательно продумана система размещения н хранения учебного оборудования.
      Эти н другие вопросы раскрыты в книге «Кабинет химии» [13]. Поэтому здесь рассмотрены преимущественно новые вопросы по реализации методических требований и правил техники безопасности при выполнении химического эксперимента. К ним в первую очередь относится современное электрооборудование кабинета химии, поскольку проведение опытов по электрохимии, а также работа электронагревателей требуют не только надежных, но и безопасных приборов, а также соответствующих условий Для их использования в процессе обучения.
      Состав электрооборудования и правила его эксплуатации в условиях школьного кабинета химии определяют следующие нормативные документы; «Типовые перечни учебно-наглядных пособий и учебного оборудования для общеобразовательной школы» па XII пятилетку (далее по тексту «Перечни-12»), Раздел; химия [33]; Правила техники безопасности для кабинетов (лабораторий) химии общеобразовательных школ Министерства просвещения СССР [27]; ГОСТ «Оборудование школьное. Общие требования безопасности».
      Электрооснащение кабинета химии включает стационарное оборудование (комплекты электроснабжения для кабинета химии, КЭХ, щит силового ввода, аппарат для дистилляции воды) и переносное (различные электроприборы и установки, проекционная аппаратура). Все электроприборы по способу защиты от поражения электрическим током подразделяются на четыре класса: ОТ, I, II, III. В кабинете химии учитель работает с электрооборудованием, относящимся к классам I, II, III.
      К первому классу относят стационарные приборы и установки, которые требуют заземления. Ко второму классу принадлежат всевозможные электроприборы (плитки, демонстрационные нагреватели), которые включают в сеть, но они не заземляются, так как имеют двойную или усиленную изоляцию.
      Третий класс включает приборы, которые не имеют пи внутренних, ни внешних электрических цепей с напряжением свыше 42 В (нагреватели лабораторные типа НЛШ, НПУ, НПЭШ, см, с. 108, 109).
      С приборами и установками первого и второго классов работают учителя и лаборанты. Учащиеся используют для лабораторных и практических работ только приборы, относящиеся к третьему классу.
      В школах-новостройках стационарное оборудование, питающееся трехфазным током, устанавливают строительные организации. Однако в большинстве школ специалистам еще только предстоит его установить. Наиболее удобной для этой цели является стена, примыкающая к лаборантской.
      С помощью комплекта электроснабжения для кабинета химии (КЭХ) осуществляют питание демонстрационного стола учителя электрическим током переменного напряжения 220 В и 42 В и рабочих мест учащихся электротоком переменного напряжения 42 В. К.ЭХ снабжен устройством защитного отключения типа УЗОШ.
      Для выполнения опытов по электрохимии, требующих напряжения постоянного тока до 12 В, следует использовать источник электропитания «Практикум» (из кабинета физики).
      Для питания электроприборов на специализированном для кабинета химии демонстрационном столе устанавливают две розетки: 220 В и 42 В на расстоянии не менее 1,5 м от водопроводного крана (например, на боковой стенке демонстрационной части стола).
      Для питания электроприборов на рабочих местах учащихся помещают одну розетку напряжением 42 В (например, на боковой панели стола). Она имеет щелевидные отверстия, расположенные перпендикулярно друг к другу и предназначенные для вилки с соответствующим расположением плоских штекеров.
      Создавая и используя самодельные и промышленные приборы, необходимо помнить следующие требования безопасности (согласно вышеуказанному ГОСТу):
      1. В закрытых токоведущих системах допустимым является напряжение для учащихся не выше 42 В переменного и постоянного тока; для учителя — -220 В переменного и 110 В постоянного тока.
      2. В открытых токоведущих системах (в приборах с неизолированными частями проводников и при работе с электролитами) допускается напряжение пе выше 12В переменного и постоянного тока для учителя и учащихся.
      3. При работе с электролитами в закрытых специальными приспособлениями (кожухами, крышками и т. д.) сосудах допускается напряжение для опытов учащихся до 42 В переменного и постоянного тока и для опытов учителя — ПО В.
      4. Предельное значение потребляемой мощности электротока в кабинете химии не должно превышать 2,2 кВт (например, нельзя включать одновременно 20 нагревателей для пробирок, проек-кионный аппарат и аппарат для дистилляции).
      Учитель должен принять к сведению, что в кабинете химии розетки (220 В) и выключатели согласно правилам устройства электроустановок должны находиться на высоте 1,8 м от пола.
      Обязательным требованием при работе с электрооборудованием является предварительное тщательное изучение инструкций по его эксплуатации.
      Необходимо также помнить, что на лабораторные столы учащихся электрический ток включают только во время проведения опытов. В нерабочее время рабочие места должны быть обесточены.
      Включение электрического тока осуществляют с помощью распределительного щита, находящегося в лаборантском помещении. Шит снабжен общим выключателем питания и индикатором включения.
      Для постановки всех видов эксперимента необходимо, чтобы в каждом кабинете были созданы комплекты приборов, установок, посуды и лабораторных принадлежностей, всегда готовые к использованию.
      Оборудование, поступающее в школы согласно действующему Перечню учебного оборудования, позволяет в каждом кабинете химии самостоятельно сформировать такие комплекты, если не удалось приобрести их в готовом виде.
      Для успешной реализации химического эксперимента по новой программе необходимы следующие комплекты (наборы).
      Для демонстрационного эксперимента: комплект малоинерци-оппых электронагревателей жидкостей и твердых веществ до температуры 300°С (в колбах, стаканах, тиглях, чашках); комплект посуды, деталей и узлов для монтажа приборов и установок, в которых осуществляются химические реакции при обычных условиях; комплект деталей и узлов для опытов с вредными веществами без тяги; комплект счетно-измерительный (измерение массы, температуры, времени, напряжения, рИ и проведения арифметических расчетов на демонстрационном световом табло); комплект для осуществления каталитических реакций (набор катализатор-пых трубок и нагревателей, катализаторов на носителях); комплект для опытов с газами (горючими и взрывоопасными); комплект для опытов с электрическим током высокого напряжения; комплект специализированных приборов и аппаратов (для получения и храпения газов, получения дистиллированной воды, иллюстрации некоторых законов и др.); комплект узлов и детален для проецирования опытов на экран; комплект склянок на 250 мл для растворов реактивов; комплект склянок с нижним тубусом па 1 — 2 л для хранения запаса растворов реактивов.
      Для ученического эксперимента: комплект для проведения лабораторных опытов и практических работ, включающий набор сухих реактивов в банках и их растворов в склянках для постоянного и эпизодического использования; набор принадлежностей небольшого размера; набор посуды малого объема (25 — 50 мл); набор сочленений и узлов для монтажа различных вариантов приборов; набор вспомогательных лабораторных приспособлений (промывалки, банки для мусора, штативы для пробирок и лабораторные штативы для фиксации приборов, посуды и принадлежностей) .
      Эти комплекты должны обеспечивать возможность вариативного и безопасного выполнения учащимися лабораторных и практических работ различными способами: с применением макро и микроколичеств реактивов, капельного метода, с использованием веществ в различных агрегатных состояниях.
      Организуя рабочие места учащихся, учитель должен определить наиболее соответствующий его стилю работы вариант размещения оборудования: постоянно закрепленные на лабораторном столе наборы или выдаваемый раздаточный материал в лотках перед практической работой.
      Система размещения реактивов, посуды и принадлежностей на лабораторных столах или при хранении в лаборантской должна обеспечивать учащимся быстрый и правильный отбор склянок с реактивами, необходимых узлов для монтажа приборов, порядок и удобство на рабочем месте.
      Те же требования предъявляются к рабочему месту учителя, и прежде всего к демонстрационному столу [13].
      Особое внимание должно быть обращено на организацию препараторского стола в лаборантской, хранение и размещение реактивов, посуды, принадлежностей, лотков с раздаточным материалом в секционных шкафах [13].
      Посуду и стеклянные принадлежности необходимо хранить в укладках (из поролона или пенопласта), которые могут быть изготовлены учащимися под руководством учителей химии и трудового обучения [13].
      Согласно требованиям реформы школы расширена номенклатура демонстрационных опытов (проецирование на экран опытов по хроматографии и др.) и ученического эксперимента (электролиз, получение озона и др.).
      Требования научно-технического прогресса — поднять на более высокий уровень эксперимент как основу изучения химии, обеспечить его наглядность, доказательность, надежность, безопасность, показать с помощью учебного оборудования применение законов химии в химической технологии, а также связь химии с физикой и биологией — определяют основные направления развития учебного оборудования для школьного химического эксперимента:
      создание полифункциональных приборов, обеспечивающих проведение нескольких опытов в одном приборе. Эти приборы включают унифицированные узлы и детали (модули), которые предоставляют учителю пучащимся возможность быстро и удобно монтировать необходимые установки для демонстраций и самостоятельных работ учащихся;
      создание новых электроприборов: специализированных малоинерционных нагревателей; автоматических и вспомогательных устройств (для принудительной вентиляции, регуляции освещения, зашторивания и др.);
      оптимальную миниатюризацию учебного оборудования, которая обеспечивает экономию материалов, позволяет учащимся рационально выполнять самостоятельные работы с малыми количествами веществ;
      использование электронной техники для фиксирования не только качественных, но и количественных результатов опытов;
      создание приборов и установок для осуществления межпредметных связей химии с физикой и биологией;
      использование новых конструкционных материалов и технологий в производстве учебного оборудования: германиевых полупроводников, тензорезисторов, преобразующих давление газа в электрический сигнал, пластмасс, стеклянных деталей с моллиро-ванной поверхностью, в перспективе — жидких кристаллов, световолоконных материалов;
      осуществление школьного химического эксперимента на основе типового, стандартного оборудования, обеспечивающего рациональную сочетаемость отдельных деталей и узлов, комплектов в целом и возможность быстрого и правильного монтажа разнообразных вариантов приборов и установок в условиях школьного кабинета химии.
      В данном пособии авторы останавливаются главным образом на использовании нового и модернизированного оборудования,позволяющего усовершенствовать технику и методику школьного химического эксперимента.
     
      ПОСТАНОВКА ДЕМОНСТРАЦИОННЫХ ОПЫТОВ
     
      ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИОННЫХ ОПЫТОВ
      Типичные узлы и детали, наборы посуды и принадлежностей для монтажа приборов и установок
      В практике школ для постановки демонстрационного химического эксперимента используют различную химико-лабораторную посуду и лабораторные принадлежности (стеклянные и резиновые трубки, краны, зажимы винтовые и пружинные, прокладки огнезащитные, треугольники для тиглей и др.). Это оборудование служит для проведения как простых, так и более сложных опытов в приборах и установках. К первой группе опытов относят: разделение смеси веществ; взаимодействие воды с оксидами фосфора и кальция и испытание полученных гидроксидов индикаторами; возгонка иода; реакции обмена (получение нерастворимых гидроксидов и исследование их свойств, осадков солей и др.); отношение предельных углеводородов к раствору перманганата калия, щелочам, кислотам; взаимодействие глицерина с натрием; растворимость фенола в воде при обычной температуре и при нагревании; отношение стеариновой и олеиновой кислот к бромной воде и раствору перманганата калия и некоторые другие опыты. Для их постановки используют колбы, стаканы, цилиндры с пластинами, демонстрационные пробирки вместимостью 50 мл (тип ПХ-21), тигли, выпарные чаши и др.
      Техника работы с этим оборудованием простая и хорошо известна учителю химии, и поэтому авторы ее не раскрывают.
      Другая группа демонстрационных опытов (около 40) требует использования наряду с химической посудой и лабораторными принадлежностями специальных деталей и узлов, которые монтирует обычно сам учитель (лаборант), если в школе отсутствуют специальные наборы промышленного изготовления.
      Подготовка таких деталей и узлов в виде комплектов различного назначения, рациональное размещение их в кабинете химии являются необходимыми условиями для успешного осуществления различных по сложности опытов.
      К типичным составным частям учебных приборов и установок относят различные реакторы, устройства для передачи продуктов реакции (пробки с трубками, сочленения, алонжи, конусы и т. д.), приемники. Несколько реже используют сосуды для очистки, осушки газов, холодильники, воронку Бюхнера и колбу Бунзена для фильтрования под вакуумом (рис. 1).
      Реакторы. Среди реакторов наиболее часто встречаются два тигта: первый тип — реактор в виде различных колб (круглодонной колбы, колбы с отростком — колбы Вюрца и др.); второй тип — реактор в виде трубки, расположенной горизонтально или вертикально (см. форзац I).
      В сложных установках иногда используют реакторы обоих типов.
      На форзаце I представлены реакторы в виде различных колб с наиболее часто используемыми узлами: пробкой с трубками, воронкой, термометром. В приборах, собранных с использованием соответствующих деталей, можно поставить ряд демонстрационных опытов с получением газов или летучих веществ: получение хлора, хлороводорода, аммиака, оксида серы (IV), ацетилена карбидным способом, нитрование бензола и др. (см. форзац П).
      Выбор колбы-реактора обусловлен характером демонстрационного эксперимента. Как правило, используют круглодонные колбы (вместимость колбы 200 — 250 мл), поскольку они более прочные, выдерживающие осторожный нагрев непосредственно пламенем горелки. Для многих опытов (перегонка жидкости, получение газов и др.) удобны колбы с отростком (колбы Вюрца). Колбы должны плотно закрываться резиновыми пробками или пробками с нужными деталями.
      Капельная воронка с пробкой (форзац Г) — деталь, наиболее часто используемая при получении газов. Нередко для выравнивания давления внутри колбы и атмосферного давления конец воронки погружают в небольшую пробирку, находящуюся на дне колбы-реактора. Однако наиболее удобной в работе является колба-реактор, .снабженная шарообразной воронкой с газоотводной трубкой (форзац I): В двугорлой колбе используют воронку для работы с вредными веществами (тип ВВРВ) промышленного изготовления (форзац I) Наличие шлифа, к сожалению^ ограничивает ее применение, поскольку воронка поступает в школы в комплекте с колбой, имеющей такой же шлиф.
      В некоторых случаях - (для .перегонки жидкостей) требуется термометр, вставленный в пробку (форзац I). Пробка, соединенная небольшой пробиркой посредством-стеклянной и резиновой трубок, удобна для внесения в колбу-реактор небольших количеств порошкообразных веществ.
      * С использованием электроспирали можно проделать ряд опытов в колбах, например термическое разложение древесины, торфа, горючих сланцев, каменного угля, нефтепродуктов.
      В качестве реактора могут быть использованы также различные виды трубок v(cm. форзац I): прямые, хлоркальциевые (с шаром и дугообразные), прямые реакционные трубки длиной200мм и диаметром 15 — 20 мм (для некоторых опытов требуются более длинные трубки — 400 мм с диаметром 25 мм) из термостойкого или кварцевого стекла, а также железные (прямые и изогнутые под прямым углом) и фарфоровые.
      Целый ряд опытов можно поставить в обычных стеклянных трубках (трубчатых реакторах), используя нагревание открытым пламенем. В них проводят, например; демонстрации разложения основного карбоната меди; восстановление оксида меди (II) водородом; каталитическое окислениеоксида серы (IV) до оксида серы и аммиака до оксида азота (II); количественный опыт: определение массы образовавшегося оксида серы (IV) при сжи-"гании определенной массы серы по увеличению массы гидроксида-. натрия, поглотившего образовавшийся продукт реакции.
      Трубчатые реакторы нужны, как правило, для высокотемпературных опытов, для реакций в потоке (газ, жидкость).
      Далеко не во всех случаях можно пользоваться газовыми горелками; поэтому уже давно используют электронагреватели, описание которых дано в руководствах по химическому эксперименту [7, 40].
      Для изготовления самодельных трубчатых печей с электрообогревом часто рекомендуют использовать асбест. Однако его применение в школьных кабинетах химии Д последнее время запрещено. Электронагрев с помощью спирали.можно использовать и без асбеста. В стеклянных трубках с электронагревом осуществляют, некоторые опыты (окисление оксида серы (IV) в оксид серы (VI). в присутствии твердого катализатора, синтез аммиака, каталитическое окисление аммиака).
      Электроспираль можно использовать и по-иному. Трубку, через которую протянута электроспираль (форзац Л), заполняют катализатором. В таком реакторе окисляют аммиак до оксидов азота, В присутствии того же катализатора — оксида хрома (III).
      па керамическом носителе в том же реакторе можно осуществить окисление оксида серы (IV) в оксид серы (VI).
      К реакторам также следует отнести специальные устройства для сжигания газов друг в друге. ним принадлежит универсальная горелка промышленного изготовления.
      Устройства для передачи и собирания продуктов реакции. Для быстрой и надежной сборки и разборки приборов используют соединительные элементы в виде переходов, изгибов, муфт, алонжеЙ, затворов, насадок. Из ограниченного числа таких деталей, особенно когда они имеют отшлифованные поверхности, можно собрать целый ряд приборов. Наиболее распространены взаимозаменяемые конусные шлифы. Конусы могут изготовляться не толщ ко методами шлифовки, но и методом горячей калибровки — моллированием. Таким образом, различают конусы со шлифованной поверхностью (КШ) и конусы с нешлифованной поверхностью (КН). Моллированные изделия имеют, ряд преимуществ перед Шлифованными: большая механическая Прочность, не заклинивают п легко разъединяются, меньше загрязняются, могут работать даже без смазки, прозрачны.
      Для очистки и осушки газов служат различные промывные склянки (см. форзац I). Их заполняют жидкими (наиболее часто используют концентрированную серную кислоту и раствор щелочнКНЛш твердыми (гидроксиды натрия и кальция, хлорид кальций) Поглотителями.
      иДлЯ твердых поглотителей используют также хдоркальциевые трубки с шаром и поглотительные колонки. Последние могут быть приемниками продуктов реакции, например, хлороводорода и синтетической соляной кислоты. В качестве приемников можно применять и различную химическую посуду: пробирки, колбы, стаканы.
      Склянки для жидких промыватёлей (Дрекселя, двугорлые и трехгорлые Вульфа) используют так. же как предохранительные сосуды при фильтровании под вакуумом. Для выполнения этой операции необходимо иметь толстостенную колбу с отростком (Бунзена) и фарфоровую воронку с отверстиями (Бюхнера).
      Типичные узлы для собирания газов и их растворения представлены на форзаце II.
      В настоящее время все типичные детали и узлы для монтажа разнообразных приборов и установок укомплектованы в специальные наборы, выпускаемые, промышленностью: набор химико-лабораторной посуды и принадлежностей для демонстрационных опытов по химии (НПХ) для неполной и полной средней школы и набор деталей и узлов для монтажа приборов, иллюстрирующих химические производства (НДХП-М) [1].
      В состав этих наборов входит более 50 разнообразных деталей, обеспечивающих монтаж не только традиционных, но и специальных приборов и установок для постановки всех демонстрационных химических опытов по курсу химии неполной и полной средней школы.
     
      Специализированные приборы, аппараты, установки
      Для постановки определенных демонстрационных опытов служат специализированные приборы, аппараты, установки. Как правило, это стационарные приборы: аппарат для получения газов (Киппа), газометр, прибор для электролиза, прибор для демонстрации зависимости скорости химических реакций от условий и др.
      Установки собирают из приборов, детален и узлов комплектов и наборов промышленного изготовления (наборы для опытов с электрическим током, комплекты для проецирования опытов на экран и др.).
      1. Приборы для демонстрации опытов с вредными для здоровья веществами без вытяжных устройств, В школьном курсе химии имеется немало опытов по изучению свойств летучих веществ, вредных для здоровья (хлор, бром, хлороводород, сероводород, оксиды азота, аммиак, оксид углерода (И), некоторые органические вещества).
      Получение этих веществ, ознакомление с их свойствами рекомендуется обычно проводить иод тягой. Удаленность вытяжных шкафов от рабочих мест учащихся, наличие бликов на остекленной поверхности шкафа ухудшают видимость демонстраций, но обеспечивают их безопасность.
      Одним из направлений совершенствования подобных демонстраций явилось создание приборов, замкнутых на поглотитель. Использованием этих приборов достигается наглядность, безотказность, безопасность, доступность, простота демонстрационного эксперимента.
      В связи с новой технологией изготовления стеклянных деталей гг узлов с моллироваиными поверхностями появилась возможность реализации всех указанных требований и в том числе идеи вертикального монтажа учебных приборов по химии.
      Следует заметить, что приборы и устройства, составляющие замкнутую па поглотитель систему, кажутся более сложными но сравнению с обычными приборами за счет введения детален новых конструкций, но с методической стороны это является целесообразным.
      Количество новых конструкционных элементов невелико, и они могут применяться во многих устройствах для проведения реакций с летучими веществами.