От каких факторов зависят свойства оксидов и гидроксидов

Цель урока: Изучить свойства оксидов и гидроксидов элементов III периода.

Задачи урока.

• Образовательная. Используя проблемно-интегративный подход к обучению с применением исследовательского эксперимента, направить поисковую деятельность учащихся на установление закономерности в изменении свойств оксидов и гидроксидов элементов III периода, сформировать понятие об амфотерности.
• Воспитательная. Формировать научное мировоззрение, творчество мышления, радость познания.
• Развивающая. Развить познавательную активность, интеллектуальные способности и логическое мышление учащихся.

Оборудование:Таблицы «Периодическая система химических элементов Д.И Менделеева», «Растворимость кислот и оснований в воде», «Относительная электроотрицательность элементов». Компьютеры, мультимедийный проектор. Демонстрационный штатив с пробирками, капельница.

Химреактивы: Гидроксиды элементов III периода, индикаторы, соляная кислота, раствор хлорида алюминия.

Ход урока

I этап. Актуализация опорных знаний учащихся.

Использую наиболее традиционный вариант реализации этого этапа – фронтальную беседу с применением необходимых средств наглядности, исследовательский эксперимент, выполнение упражнений.

Проецируем на экран вопросы, на которые учащиеся должны ответить:

1. Что такое ионная связь? Приведите примеры веществ с ионной связью.
2. Что такое ковалентная связь? Назовите два вида ковалентной связи. Приведите примеры.
3. Как вы понимаете термин «Относительная электроотрицательность элементов»? Электроотрицательность какого элемента условно принята за единицу?
4. Как изменяется электроотрицательность элементов в периодах с увеличением порядковых номеров элементов, в А – подгруппах?
5. Свяжите понятия «Электроотрицательность» и «Химическая связь».
6. Как изменяются размеры атомов в периодах с увеличением порядковых номеров элементов?

После повторения предлагаю учащимся составить формулы оксидов элементов III периода и определить вид химической связи в каждом случае:

Отдельным учащимся заранее предложена работа на компьютерах по составлению электронных формул оксидов с ионной и ковалентной связью.

После проекции этих формул на экран предлагаю учащимся определить характер данных оксидов: (оксиды натрия и магния – основные по характеру, оксиды фосфора (V) и хлора (VII) – кислотные).

Формулируем вывод по данной части работы: основные оксиды – ионные соединения, кислотные оксиды – ковалентные.

Используя опорный конспект (приложение 1), предлагаю учащимся охарактеризовать свойства основных и кислотных оксидов, выполнив упражнение:

Акцентирую внимание учащихся на то, что основные оксиды взаимодействуют с кислотами, кислотные – со щелочами с образованием соли и воды. При взаимодействии основных оксидов элементов I-A и II – А групп образуются гидроксиды – щелочи. При взаимодействии кислотных оксидов с водой образуются гидроксиды – кислоты.

?Что же такое гидроксид? (Это продукт соединения оксида с водой)

Учитель. Однако не все гидроксиды можно получить реакцией оксида с водой. Например,

SiO2+ H2O ≠ реакция не идет
Al2O3+ H2O ≠ реакция не идет

Гидроксид кремния (кремниевую кислоту) и гидроксид алюминия получают другими способами. Об этом мы поговорим несколько позже.

Далее предлагаю учащимся продолжить работу над схемой: под формулами оксидов элементов III периода записать формулы их гидроксидов.

По таблице «Растворимость кислот, оснований и солей в воде» определяем растворимость гидроксидов в воде.

II этап. Создание проблемной ситуации. Исследовательский эксперимент.

? С помощью каких веществ можно доказать принадлежность гидроксида к основаниям или кислотам?

Учащиеся вспоминают, что для этого есть индикаторы.

Предлагаю испытать раствором лакмуса каждый из предложенных гидроксидов:

По ходу проведения опытов учащиеся комментируют их и делают вывод, что в растворах гидроксидов металлов фиолетовый лакмус изменяет окраску в синий цвет, а в растворах кислот – в красный. Составляем уравнение электролитической диссоциации щелочи и кислоты.

NaOH ↔ Na++OH- (образуется гидроксид –ион, изменяющий окраску лакмуса в синий цвет)
H2SO4+H2O↔H3O++HSO4- (образуется ион оксония, т.е. гидратированный протон Н+(Н2О), изменяющий окраску лакмуса в красный цвет).

Учитель. Подумайте, почему я не предложила испытать индикатором гидроксиды кремния и алюминия? (Они не растворимы в воде).

Предлагаю продолжить работу со схемой, отметив характер гидроксидов их растворимость в воде.

В процессе беседы устанавливаем закономерность изменения свойств гидроксидов:

1. Какое основание сильнее NaOH или Mg(OH)2
2. Сравните силу кислот как электролитов. Назовите самую слабую из них и самую сильную.
3. Отметьте на схеме, как изменяются основные и кислотные свойства гидроксидов с увеличением порядковых элементов III периода

III этап. Постановка учебной проблемы.

Почему основные свойства гидроксидов элементов III периода ослабевают, а кислотные – усиливаются? 

IV этап. Решение учебной проблемы.

Учитель. Попытаемся найти ответ на этот вопрос, используя знания об относительной электроотрицательности элементов, видах химической связи и сравнивая размеры атомов (ионов).

Проецируем на экран электронные формулы гидроксидов элементов III периода (приложение 2).

Путем фронтальной беседы по вопросам, приведенным ниже, устанавливаем, почему гидроксид натрия обладает большим основным характером, чем гидроксид магния.

1. Из каких частиц состоят эти вещества? (Из катионов металла и гидроксид-анионов)
2. Какая связь образуется между ионами? (ионная).
3. Составьте уравнение реакции диссоциации гидроксида натрия.
4. Почему химическая связь разрывается между натрием и кислородом?
   Учитель. Кислород – сильноэлектроотрицательный элемент, он оттягивает электронную плотность связи с натрием на себя, атом натрия превращается в ион. Кроме того, ион натрия имеет большой размер (обращаю внимание учащихся на рисунок 18.7 в учебнике Л.С. Гузей), следовательно, длина связи натрия с кислородом большая, поэтому связь слабая. Этим объясняется хорошая растворимость гидроксида натрия и распад электролита на ионы с освобождение гидроксид-аниона.
5. Сравните размеры ионов натрия и магния, а также величины из зарядов.
   Учащиеся дают ответ, что размер иона натрия больше, а величина заряда иона натрия меньше, чем у иона магния.
6. Подумайте, в каком случае будет прочнее связь: между катионом натрия и гидроксид-анионом, или между катионом магния и гидроксид-анионом? Почему?
   Учащиеся находят правильный ответ: между катионом магния и гидроксид-анионом связь более прочная, т.к. заряд катиона магния больше, а размер меньше. Поэтому способность катиона магния удерживать гидроксид-анион больше, т.е. процесс распада его как электролита затруднен по сравнению с гидроксидом натрия. Гидроксид магния более слабое и мене растворимое основание, чем гидроксид натрия.
7. Что же тогда можно сказать о свойстве гидроксида алюминия? (По причине увеличения заряда катиона алюминия Al3+ и уменьшения его размера отрыв гидроксид-аниона еще более затруднен. Гидроксид алюминия нерастворимое и малодиссоциирующее в воде вещество).

Получение гидроксида алюминия и исследование его свойств.

Предлагаю учащимся получить гидроксид алюминия реакцией ионного обмена. Подбираем вещества, проводим опыт, составляем уравнение реакций:

Al3++3OH- =Al (OH)3↓ (это нерастворимое в воде основание)

Прошу исследовать свойства гидроксида алюминия:

1) В одну пробирку со свежеосажденным гидроксидом алюминия добавляем раствор соляной кислоты – наблюдаем растворение осадка. Составляем уравнения реакций:

Al(OH)3+3HCl= AlCl3+3H2O
Al(OH)3+3H+=Al3++3H2O

Делаем вывод, что гидроксид алюминия проявил себя, как основание.

2) В другую пробирку с гидроксидом алюминия добавляем раствор щелочи – наблюдаем растворение осадка. В этом случае гидроксид алюминия проявил свойства кислоты. Подумайте, как это можно объяснить? Сопоставьте размеры ионов магния и алюминия, величины их зарядов, а также относительные электроотрицательности элементов.

Учащиеся отмечают, что размер катиона алюминия меньше размера катиона магния, а величина заряда и электроотрицательность – больше, чем у магния.

? К чему это приводит? (К уменьшению заряда на атоме кислорода гидроксогруппы, и, следовательно, к облегчению отщепления катиона водорода. Вот почему гидроксид алюминия проявляет свойства кислоты).

Учитель. Существует кислотная форма гидроксида алюминия HAlO2 – металюминиевая кислота. Это очень слабая кислота, но она взаимодействует со щелочью с образованием соли и воды:

Таким образом, гидроксид алюминия проявляет как свойства основания, так и свойства кислоты, т. е. является амфолитом или амфотерным соединением (вносим эту информацию в схему).

Учитель. Теперь ответим на вопрос, почему кислотные свойства гидроксидов элементов III периода усиливаются.

Провожу беседу по вопросам:

1. Как вы считаете, в молекулах кислот связи ковалентные или ионные? (ковалентные полярные).

2. Почему они полярные? (Соединяются элементы с различной электроотрицательностью).

3. Сравните значение относительных электроотрицательностей элементов Si, P, S, Cl. Как они изменяются? (увеличиваются). Обратите внимание на значение относительной электроотрицательности элемента кислорода (оно больше, чем у Si, P, S, Cl)
   Связь считается боле полярной, если разность значений электротрицательностей соединяющихся элементов больше.

4. Определите, в какой из кислот степень полярности ковалентной связи атома неметалла с атомом кислорода больше: в кремниевой или в фосфорной?
   Учащиеся путем простого подсчета приходят к выводу: что связь атомов кремния и кислорода более полярная.
   Учитель. Электронная плотность связи кремния с кислородом сильно смещена к атому кислорода, поэтому он приобретает большой отрицательный заряд. По этой причине атом водорода сильно притягивается к атому кислорода, что делает связь О-Н более прочной. Это препятствует процессу диссоциации. Кремниевая кислота практически не диссоциирует на ионы и в воде нерастворима.

5. Как изменяется полярность связи Р-О в молекуле фосфорной кислоты?
   Учащиеся отвечают, что она уменьшается, т. е. электронная плотность на атоме кислорода становится меньше, прочность связи атомов кислорода и водорода ослабевает.

6. Как это влияет на свойства фосфорной кислоты?
   Учащиеся отвечают, что фосфорная кислота электролит средней силы и в воде растворяется.
   Н3РО4+Н2О ↔ Н3О++Н2РО4-

Учитель. Считаю, что теперь вы сможете ответить на вопрос, почему серная и хлорная кислоты являются сильными электролитами. Покажите смещение электронной плотности связей на электронных формулах и объясните, почему серная кислота сильнее фосфорной.

Теперь мы ответили на вопрос, почему кислотные свойства гидроксидов элементов III периода усиливаются.

Такая же закономерность в изменении свойств характерна и для оксидов

Обсужденные закономерности наблюдаются во всех периодах периодической системы химических элементов:

При переходе от элемента к элементу слева направо по периоду свойства их оксидов и гидроксидов закономерно меняются от основных через амфотерные к кислотным.

V этап. Применение найденного решения.

На данном этапе считаю целесообразным выполнение тестовых заданий, чтобы учащиеся могли применять на практике только что усвоенную информацию (приложение 3) 

VI этап. Рефлексия. Оценка деятельности класса.

Подвожу итог урока. Отмечаю, что учащиеся с помощью применения ранее приобретенных знаний и проведенных исследований пытались овладеть самым главным в процессе познания – умением находить истину.

Даю оценку деятельности учащихся и объясняю домашнее задание.

Приложения