Коллекции минералов и горных пород как необходимое пособие для школьного курса неорганической химии

ведущий специалист Минералогического музея, Российский Государственный Геологоразведочный Университет им. Серго Орджоникидзе, Москва
учитель химии, Школа «Муми-тролль», Москва

Нередко самого простого опыта,

который проделывается в течение одной минуты

 при преподавании химии,

 не могут заменить продолжительные словесные разъяснения».

М.И. Коновалов, 1900 г.

(из докладной записки «О преподавании химии».)

I.               Геология и химия. Межпредметные связи.

Геология и химия  - две науки, которые идут рука об руку с древнейших времен. Химию определяют как науку о веществах и их превращениях. Геология изучает вещество на разных уровнях организации материи от простого кристалла до структурно-тектонических областей и поясов Земли, континентов и океанов, литосферных плит и Земли в целом.

Сами геологические процессы являются многофакторными. Образование геологических тел обусловлено всеми процессами, происходящими как в глубине, так и на поверхности Земли. Без знания химии невозможно изучать геологические объекты. В свою очередь, большая часть теоретических разделов неорганической химии (курс химии основной школы 8-9 классов) может быть проиллюстрирована с точки зрения минералогии, при помощи образцов горных пород и минералов. Табл. №1 демонстрирует взаимосвязь общих понятий химии и минералогии. При составлении использовались учебники О.С. Габриэляна [1]  и А.Г. Бетехтина [2].

 Показывая детям, как взаимодействие живого вещества, каменного материала и водной и воздушной среды приводит к созданию огромного разнообразия минералов, пород (и руд), педагог имеет возможность убедительно показать цельность природной системы Земли.

Таблица №1.

«Соответствие разделов минералогии  тематическим блокам курса неорганической химии».

Тема по химии

Раздел минералогии

Введение в предмет химии

История развития химия. Ученые-химики. Предмет химии. Связь химии с другими науками. Вещества. Роль химии в нашей жизни.

Введение в минералогию.

История развития минералогии. Ученые – минералоги. Минералогия и понятие о минерале. Связь минералогии с другими науками.

Атомы химических элементов

Формирование знаний об атоме, металлических и неметаллических элементах, видах химической связи. Взаимодействие атомов элементов металлов и неметаллов.

Конституция и свойства минералов.

Химический состав,  структура и формулы  минералов. Полиморфизм.

Физические свойства минералов: блеск, твердость, цвет, удельный вес и др.

Простые вещества

Простые вещества металлы и неметаллы, их: положение в ПСХЭ Д.И.Менделеева, физические свойства. Явление аллотропии.

Соединения химических элементов

Знакомство с основными классами химических соединений (оксиды, основания, кислоты, соли). Типы кристаллических решеток. Чистые вещества и смеси, их состав и свойства.

Классификация  и номенклатура минералов.

Деление минералов на классы по типам химических соединений. Систематизация минералов по кристаллической структуре.

Изменения, происходящие с веществами

Физические и химические явления. Основные законы химии. Расчеты. Типы химических реакций.

Образование минералов в природе.

Геологические процессы минералообразования.

Растворение. Растворы.

Изучение различных механизмов растворения. Свойства растворов. Генетические ряды металлов и неметаллов. Окислительно-восстановительные процессы.

Роль воды в процессах минералообразования.

Минералы, образующиеся  в гидротермальных жилах. Минералы, образующиеся на поверхности Земли.

Металлы

Общая характеристика металлов, строение их атомов, получение, свойства, важнейшие соединения и их значение.

Описательная минералогия.

Общая характеристика минералов, описание их свойств, происхождение, их промышленное использование.

Неметаллы

Изучение основных групп неметаллов. Общая характеристика: строение, нахождение в природе, физические и химические свойства, важнейшие соединения.

 

II. Наглядность как эффективное средство обучения.

Наглядность обучения является одним из важнейших принципов дидактики. Формирование у школьников научных понятий при последовательном применении этого принципа в процессе обучения должно, прежде всего, опираться на непосредственное восприятие учащимися конкретных фактов, на наличие представлений, полученных в результате наблюдений предметов и явлений (непосредственная наглядность) или их правильных изображений (опосредствованная наглядность). Следовательно, характерным признаком принципа наглядности является участие в познавательном процессе показаний внешних чувств.

Наглядное обучение — это не простой дидактический прием, который может применяться или не применяться по усмотрению учителя, в зависимости от его методических взглядов, а важнейшее средство раскрытия сущности вещей и явлений и потому обязательный компонент. Вызывая яркие представления об единичных предметах и явлениях, наглядное обучение способствует развитию абстрактного мышления, формированию общих научных понятий, усвоение системы которых учащимися и составляет цель обучения. Следовательно, применение всевозможных наглядных пособий поможет учащимся легче осуществить трудный переход от единичного и конкретного к общему и абстрактному.

Принцип наглядности в педагогике утвержден очень давно, еще в начатках педагогики древних народов. Наибольшее обоснование и развитие этот принцип получил у великого чешского педагога Яна Амоса Коменского. «Знание,— писал Коменский,— начинается из чувственного восприятия, с помощью воображения переходит в память, а затем, через обобщение единичного, образуется понимание общего и, наконец, для уточнения знания о вещах достаточно понятных, составляется суждение» [3]. Принцип наглядности, по выражению Я. А. Коменского, является "золотым правилом дидактики". Он требует сочетания наглядности и мысленных действий, наглядности и слова.

 «Этот ход ученья, от конкретного к отвлеченному,— писал Ушинский,— от представления к мысли, так естественен и основывается на таких ясных психических законах, что отвергать его необходимость может только тот, кто вообще отвергает необходимость сообразоваться в обучении с требованием человеческой природы вообще и детской в особенности» [4].

Кроме всего сказанного, наглядное преподавание ведет к образованию устойчивого интереса учащихся к изучаемым явлениям, способствует развитию у них наблюдательности, привычки подмечать в явлениях и то, что не бросается само собой в глаза, а вскрывается лишь при внимательном, сосредоточенном наблюдении.

Применение наглядных пособий — верное средство предупреждения возникновения формализма в преподавании химии и знаниях учащихся.

Поэтому первейшей заботой ученого-химика и преподавателя химии, как только перед ними возникает задача оборудования лаборатории, является снабжение ее теми веществами, продуктами и материалами, которые составят предмет изучения. На уроках химии нередко требуются и натуральные объекты (образцы природных соединений, минералов, горных пород, металлов, сплавов, руд, природных органических образований и т. п.), применяемые в виде отдельных образцов или наборов и коллекций. Это создает предпосылки для  использования элементов геологии (особенно минералогии) при преподавании химии.

III. Составление коллекций минералов и горных пород для школьного курса неорганической химии.

Всякая коллекция - наглядное практическое пособие, служащее своеобразным "инструментом" формирования личности. Коллекция позволяет развивать мышление, наблюдательность, может активно способствовать развитию самостоятельной личности. Через предметы коллекции более легко сформировать представление о строении, цвете и других общих свойствах минералов, так как ее элементы очень разнообразны. На уроке важна обратная связь: гораздо легче передавать знания, используя материал коллекции, школьникам же это позволяет запоминать информацию более точно, эмоционально, наполняя теорию собственными ассоциациями.

Очень важным положением К. Д. Ушинского является то, что наглядное обучение приведет к положительным результатам лишь  в том случае, когда оно будет проводиться в определенной системе. «Голова,— писал Ушинский,— наполненная  отрывочными, бессвязными знаниями, похожа на кладовую, в которой все в беспорядке и где сам хозяин ничего не отыщет». Этот прекрасный образ раскрывается и дальше: «Голова, где только система без знаний, похожа на лавку, в которой на всех ящиках есть надписи, а в ящиках пусто» [4].

Отсюда  следует логический вывод, что наглядные пособия должны применяться в процессе обучения не случайно, не потому, что они «попались под руку», а в высшей степени продуманно, в определенной системе.

Должна быть составлена относительно небольшая, но разнообразная и эстетически привлекательная коллекция образцов, которая позволяет выполнять учебные, познавательные, воспитательные функции, влияющие на формирование широко образованной, культурной, интеллектуальной, грамотной личности, умеющей впитывать в себя эстетичность камня и формировать научное мировоззрение.

Коллекция, как образовательное пространство для культурного развития личности должна отвечать таким критериям, как:

1.               информационная    насыщенность,   полнота,  что    создает    условие    для углубления знаний и развития познавательного интереса;

2.       структурированность   геологического   материала   и   объектов, позволяющих в полной мере использовать каждый отдельный объект при преподавании  различных тем и раскрывающая его роль и место в природе;

3.       дополнительный образовательный ресурс, отвечающий потребностям учащихся и обеспечивающих дополнительное образование, направленное на развитие опыта эмоционально-ценностного отношения к геологическим объектам, и творческой деятельности (например, написание тематических научно-исследовательских работ).

Хотелось бы отметить, что никакие учебно-наглядные пособия сами по себе не в состоянии дать полноценных знаний, которые могут быть сформированы только при активном взаимодействии ученика и учителя. Поэтому учащихся всегда нужно систематически учить, что и как смотреть, а для этого готовить к процессу наблюдения и помогать в ходе его. Вдумчивый преподаватель, понявший огромное значение наглядности, всегда будет проводить занятия в кабинете, где у него имеется все под рукой и где он, не теряя драгоценного времени, всегда сможет с помощью наглядных пособий прийти на помощь ученику, рассеять его заблуждения, а неуверенные знания превратить в прочные и глубокие.

По опыту авторов, необходимо осуществление особого творческого подхода учителя при подготовке к различным тематическим занятиям, а также в постановке задач и подборе демонстрационного материала. Знание основ минералогии учителем, наличие небольшой минералогической коллекции в школе позволит сделать уроки химии более интересными.

Необходимым условием для подбора коллекции минералов и горных пород часто бывает «компактность». Невозможно хранить в учебном кабинете неограниченно количество образцов, следовательно, они должны быть подобраны таким образом, чтобы каждый из них мог быть использован учителем в процессе преподавания нескольких учебных тем.

Для иллюстрации излагаемого материала и проведения практических занятий на уроках химии желательно иметь следующие отдельные коллекции:

1. Коллекция минералов, составленная согласно кристаллохимической классификации.

Коллекция должна состоять из образцов минералов небольшого размера (3х3х2 см.) (общий состав не более 30 образцов)

2. Коллекция минералов и горных пород, широко применяемых в промышленности.

Коллекция должна состоять из крупных (10х10х5 см.) образцов минералов и горных пород (общий состав не более 30 образцов)

3. Коллекция, отражающая физические свойства минералов.

Коллекция должна состоять из образцов минералов среднего размера (5х5х3 см.) (общий состав не более 10 образцов)

4. Коллекция горных пород, разделенная на группы по условиям образования.

Коллекция должна состоять из образцов горных пород среднего размера(5х5х3 см.)  (общий состав не более 15 образцов)

Кроме этого к коллекции должно прилагаться вспомогательное оборудование - набор минералов, характеризующих шкалу твердости Мооса, стальные иглы, магнитная стрелка, фарфоровые пластинки (бисквиты) для определения минералов.

Наличие данных коллекций может почти целиком удовлетворить потребность в демонстрационном материале на уроках химии (см. табл. 2).

Хочется также отметить, что каждый, кто приобщается к геологии, волей неволей становится естествоиспытателем. У детей возникает желание более глубокого осмысления происходящих на Земле геологических процессов и более основательных знаний геологии и экологии. Связанное с этим коллекционирование минералов, горных пород само по себе уже является первой ступенькой научных исследований. Возможно, кто-то из учеников возьмется активно пополнять коллекцию, заинтересуется геологией и минералогией. А затем, из накопленных в течение ряда лет образцов минералов можно будет оформить витрины геологического уголка, а со временем и геологического музея.

В этом случае нам хотелось бы предложить создание коллекций по следующим тематикам:

  • Коллекция самородных металлов и неметаллов (Сu, S, C, Bi).
  • Коллекция кристаллов минералов.
  • Коллекция полиморфных форм минералов (кварца, кальцита, пирита и др.)
  • Коллекция минералов, образующихся  в гидротермальных жилах.
  • Коллекция минералов, образующиеся на поверхности Земли.
  • Коллекции, иллюстрирующие нахождение групп элементов металлов и неметаллов  в природе.

(Напр. «Природные соединения элементов I группы главной подгруппы»)

  • Коллекция  минералов, отражающая их местонахождение в различных районах          (желательно наличие образцов региона, в котором располагается образовательное учреждение)

Создание таких дополнительных коллекций еще больше расширит возможности преподавателя и создаст предпосылки для научно-исследовательской работы школьников (см. табл. 2).

Таблица № 2

«Примеры использования коллекций минералов и горных пород на уроках химии.»

Тема по химии

Демонстрационный материал

Введение в предмет химии

История развития химия. Ученые-химики. Предмет химии. Связь химии с другими науками. Вещества. Роль химии в нашей жизни.

 Коллекция минералов и горных пород, широко применяемых в промышленности

Коллекция  минералов, отражающая их местонахождение в различных районах*     

Атомы химических элементов

Формирование знаний об атоме, металлических и неметаллических элементах, видах химической связи. Взаимодействие атомов элементов металлов и неметаллов.

Коллекция, отражающая физические свойства минералов

Коллекция минералов, составленная согласно кристаллохимической классификации

Коллекция самородных металлов и неметаллов (Сu, S, C, Bi).

Коллекция кристаллов минералов.

Коллекция полиморфных форм минералов (кварца, кальцита, пирита и др.)

 

Простые вещества

Простые вещества металлы и неметаллы, их: положение в ПСХЭ Д.И.Менделеева, физические свойства. Явление аллотропии.

Соединения химических элементов

Знакомство с основными классами химических соединений (оксиды, основания, кислоты, соли). Типы кристаллических решеток. Чистые вещества и смеси, их состав и свойства.

Коллекция минералов, составленная согласно кристаллохимической классификации.

Коллекция минералов и горных пород, широко применяемых в промышленности

 

Изменения, происходящие с веществами

Физические и химические явления. Основные законы химии. Расчеты. Типы химических реакций.

Коллекция горных пород, разделенная на группы по условиям образования

 

Растворение. Растворы.

Изучение различных механизмов растворения. Свойства растворов. Генетические ряды металлов и неметаллов. Окислительно-восстановительные процессы.

Коллекция, отражающая физические свойства минералов

Коллекция минералов, составленная согласно кристаллохимической классификации

Коллекция минералов, образующихся  в гидротермальных жилах.

Коллекция минералов, образующиеся на поверхности Земли.

 

Металлы

Общая характеристика металлов, строение их атомов, получение, свойства, важнейшие соединения и их значение.

Коллекция минералов, составленная согласно кристаллохимической классификации

Коллекция минералов и горных пород, широко применяемых в промышленности

Коллекции, иллюстрирующие нахождение групп элементов металлов и неметаллов  в природе.

(Напр. «Природные соединения элементов I группы главной подгруппы»)

 

Неметаллы

Изучение основных групп неметаллов. Общая характеристика: строение, нахождение в природе, физические и химические свойства, важнейшие соединения.

*Курсивом выделены дополнительные коллекции

Благодаря тесному сотрудничеству авторов, на базе НОЧУ «Школа «Муми-тролль» сформированы коллекции минералов, используемые на уроках химии и физики. В течение четырех лет ежегодно проводятся минералогические мастер-классы, на которых учащиеся знакомятся с основными свойствами минералов и способами их определения.

IV. Пример уроков химии с использованием минералогических коллекций.

В ходе урока по теме «Элементы V группы. Фосфор» учащимся демонстрируются образцы апатита Са5[PO4]3(F, Cl, ОН)– важнейшего природного соединения фосфора, который необходим для получения белого фосфора P4 и производства фосфорных удобрений.

Природные соединения фосфора — фосфориты и апатиты — содержат фосфор в виде нерастворимого среднего фосфата Са3(РО4)2, который плохо усваивается растениями. Для получения легко усваиваемых удобрений фосфориты подвергают химической переработке, заключающейся в превращении средней соли в кислую.

Са3 (РО4)2 + 2H2SO4 = Са(H2PO4)2 + 2CaSO4

Также известен метод разложения фосфоросодержащего сырья фосфорной кислотой:

Ca5(PO4)3F + 7H3PO4 = 5Ca(H2PO4)2 + HF↑

Таким путем приготовляют наиболее важные фосфорные удобрения: простой суперфосфат -  смесь Ca(H2PO4)2*H2O и CaSO4, двойной суперфосфат Са(Н2РО4)2 х Н2О. (Демонстрируем детям коллекцию минеральных удобрений.)

Белый фосфор в промышленности получают из фосфата кальция Ca3(PO4)2, который выделяют из фосфоритов и фторапатитов Са5[PO4]3(F).

Химическая составляющая процесса получения фосфора основана на реакции Вёлера, сырьем служит фосфат кальция (фосфоритовый концентрат). Его нагревают в смеси с кварцевым песком и коксом в электрической печи при температуре около 1300°С. Сначала диоксид кремния вытесняет фосфорный ангидрид из фосфата, который затем восстанавливается углеродом до элементного фосфора.

2Ca3(PO4)2 + 6SiO2 + 10C = 6CaSiO3 + 10CO + P4

Белый фосфор имеет молекулярную кристаллическую решётку, формула молекулы белого фосфора — P4, причём атомы расположены в вершинах тетраэдра. Отливаемый в инертной атмосфере в виде палочек (слитков), он сохраняется в отсутствие воздуха под слоем очищенной воды или в специальных инертных средах.

 В ходе урока по теме «Получение металлов»  понятиям МИНЕРАЛ, ГОРНАЯ ПОРОДА,  РУДА  уделяется особое внимание. Демонстрируются образцы  самородной меди, оксидов и сульфидов тяжелых металлов: гематита Fe2O3, магнетита FeO·Fe2O3, халькопирита CuFeS2,  пирита FeS2 сфалерита ZnS, галенита PbS, киновари HgS  и др. На примере упомянутых соединений обсуждаются  основные способы получения металлов.

Перед получением металлов руду обогащают. Пирометаллургические процессы включают обжиг, при этом присутствующие в рудах соединения металлов, в частности сульфиды, переводят в оксиды, а сера удаляется в виде сернистого газа, например,

2СuS(КОВЕЛЛИН) +  3O2 → 2CuO + 2SO2

2ZnS(СФАЛЕРИТ) +  3O2 → 2ZnO + 2SO2

а также плавку, при этом происходит восстановление металлов из соответствующих оксидов с помощью угля, водорода, более активного металла, в частности, алюминия  - АЛЮМИНОТЕРМИЯ, предложенная русским ученым Н.Н. Бекетовым.

2Al + Fe2O3 (гематит)= Al2O3 + 2Fe

Природные руды металлов часто содержат их оксиды, которые требуется восстановить до металла. Для этого они смешиваются с углем и накаливаются в тиглях, муфелях и различного устройства печах (1900—2400 °C). Кислород, образуя с углем оксид углерода (IV), выделяется, а восстановленный металл остается в виде порошка, зерен, или собирается на дне тигля, печи в виде королька (т. е. большой сплавленной и застывшей капли металла) или одного большего цельного куска. Реакцию можно выразить таким общим уравнением, где M — металл:

МО (оксид, руда) + С (уголь) = M (металл) + СО2 (оксид углерода)

2CuO + С → 2Сu + CO2

Для получения металлов также широко применяется оксид углерода (II). Например, при выплавке чугуна в доменной печи восстановителями являются кокс и образующийся оксид углерода(II). Суммарное уравнение получения железа из красного железняка (гематита):

Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2

В настоящий момент авторы разработали программу более 10 подобных тематических занятий и продолжают вести исследования в данном направлении.

 

Список литературы: 

1. Маслакова Г.И., Сафронов Н.В., Химия. 8-11 классы. Рабочие программы по учебникам О.С. Габриеляна. ФГОС, 2013 г.
2. А. Г. Бетехтин, «Курс минералогии: учебное пособие», КДУ, Москва, 2010.
3. Я. А. Коменский, Избр. пед. соч., т. I, Учпедгиз, 1939, стр. 168.
4. К. Д. Ушинский. Избр. педагогич. соч., т II, стр.155.
5. Кузьменко Н.Г. Еремин В.В., Попков В.А., «Начала химии», Экзамен, Москва, 2006.
6. Синяков А.П., Дидактические подходы к определению понятия «межпредметные связи», Известия Российского государственного педагогического университета им. А.И. Герцена, №113, 2009.
8. Аристов Вс.В., Миняева Т.В., «Виды научных работ школьников и стадии научных исследований», Труды научно-методического семинара «Практические методики в области основного и дополнительного образования», МГУ им. М.В.Ломоносова, октябрь-ноябрь 2013, стр.
9. Миняева Т.В., Аристов Вс.В., «Элементы преподавания геологии в курсе химии основной школы и в рамках подготовки школьников к химическим олимпиадам (из опыта НОЧУ «Школа Муми-тролль»), Труды научно-методического семинара «Практические методики в области

Код публикации: 

3158