Химическая формула. Валентность химических элементов. Закон постоянства состава веществ
Цели и задачи
- Цель по SMART: к концу урока учащиеся объяснят, какую качественную и количественную информацию передаёт химическая формула, составят не менее четырёх формул бинарных соединений по валентности и сформулируют закон постоянства состава веществ.
- Сформировать понятия «химическая формула», «индекс», «валентность», «массовая доля элемента» и научить применять их при чтении и составлении формул.
- Познакомить с исследованиями Жозефа Луи Пруста и формулировкой закона постоянства состава веществ на основе наблюдения опытов получения углекислого газа.
- Развивать умения выделять главное, работать с информацией, логично и компактно объяснять решение, проверять результат по условию задачи.
- Воспитывать уважение к мнению одноклассников, ответственность за соблюдение правил безопасной работы и готовность к сотрудничеству в паре и группе.
Планируемые результаты
Личностные
- Проявляют познавательный интерес к объяснению состава веществ и практическому применению химических формул.
- Понимают значение точности записи химической информации для общения и совместной работы в химии.
- Осознают личную ответственность за соблюдение правил безопасности при наблюдении демонстрационных опытов.
- Уважительно относятся к ответам одноклассников и аргументированно принимают или уточняют предложенные решения.
Метапредметные
- Извлекают из формулы информацию о качественном и количественном составе вещества.
- Сравнивают результаты разных опытов и делают вывод о тождестве полученного вещества.
- Планируют решение задачи по алгоритму составления формулы и осуществляют самопроверку.
- Формулируют выводы устно и письменно, используют химические символы, индексы, коэффициенты и математические вычисления.
- Работают в парах и группах, распределяют действия и представляют общий результат.
Предметные
- Знают определения химической формулы, индекса, валентности, массовой доли элемента и закона постоянства состава веществ.
- Умеют читать формулы $H_2O$, $CO_2$, $Na_2CO_3$, $Zn(NO_3)_2$ с учётом индексов и коэффициентов.
- Умеют составлять формулы бинарных соединений по валентности элементов с применением правила креста и сокращением индексов.
- Умеют вычислять относительную молекулярную массу и массовую долю элемента по химической формуле.
- Могут объяснить, почему углекислый газ, полученный разными способами, имеет один и тот же постоянный состав.
Универсальные учебные действия (УУД)
Личностные УУД
- Осознают смысл изучения химической формулы как универсального языка науки.
- Проявляют готовность к самостоятельному выбору уровня задания и ответственности за результат.
- Оценивают значение закона постоянства состава для научного описания веществ.
- Соблюдают нормы сотрудничества и безопасного поведения при демонстрации опытов.
Регулятивные УУД
- Формулируют цель урока на основе проблемного вопроса и планируют последовательность её достижения.
- Работают по алгоритму составления формулы бинарного соединения.
- Проверяют правильность индексов по равенству общей валентности элементов.
- Сопоставляют результат с эталоном, находят и исправляют ошибку.
- Оценивают степень освоения материала с помощью листа самооценки и рефлексии.
Познавательные УУД
- Выделяют в химической формуле символы элементов, индексы и коэффициенты.
- Классифицируют информацию на качественный и количественный состав вещества.
- Устанавливают причинно-следственную связь между валентностью и индексами в формуле.
- Моделируют состав вещества с помощью символов и индексов.
- Анализируют результаты опытов и формулируют закон на основе наблюдений.
Коммуникативные УУД
- Формулируют полный устный ответ с использованием химической терминологии.
- Обсуждают в паре способ решения и согласуют единую запись формулы.
- Задают уточняющие вопросы о значении индексов, коэффициентов и валентности.
- Аргументируют выбор индексов и корректно исправляют ошибки одноклассников.
- Представляют группе общий вывод о постоянстве состава вещества.
Подготовка учителя к уроку
- Подготовить демонстрационный стол: штатив, пробирки, спиртовку, спички или лучину, прибор для получения газа, малахит, уголёк, карбонат натрия или кальция, кислоту и известковую воду.
- Проверить исправность прибора для получения газа и заранее подготовить небольшие порции веществ для демонстрации учителем; учащиеся самостоятельно реактивы не используют.
- Подготовить карточки трёх уровней с заданиями на чтение формул, составление формул по валентности и расчёт массовой доли элемента — по одной карточке на каждого ученика.
- Распечатать мини-лист самооценки и билет на выход — по одному экземпляру на каждого ученика.
- Вывести на доску или экран таблицу химических элементов с символами и относительными атомными массами, а также памятку «Алгоритм составления формулы по валентности».
- Записать на доске проблемный вопрос: «Почему одно и то же вещество можно получить разными способами, но его состав остаётся постоянным?»
- Подготовить образцы или изображения поваренной соли, воды, углекислого газа и карбоната натрия для мотивационного обсуждения.
- Подготовить таблицу для сравнения $CO_2$ и $H_2O$: название, качественный и количественный состав, относительная молекулярная масса.
- Проверить наличие защитных очков, огнетушителя и ёмкости для безопасного тушения спиртовки; напомнить правила работы с кислотами и открытым пламенем.
Ход урока
Этап 1. Организационный момент и мотивация (3 мин)
Цель этапа: включить учащихся в учебную деятельность, обозначить практическую значимость химического языка и создать познавательную проблему.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | Учитель приветствует класс и проверяет готовность: "Здравствуйте, ребята. Проверьте, пожалуйста, наличие тетради, ручки и карточки для записей. Сегодня нам предстоит научиться читать и составлять записи, которыми химики описывают вещества. Работать будем внимательно и безопасно: демонстрационные опыты выполняю я, а вы наблюдаете и фиксируете признаки реакций." | Проверяют готовность рабочего места, открывают тетради, записывают дату. |
2 мин | Учитель показывает на доске записи $NaCl$, $H_2O$, $CO_2$ и задаёт вопрос: "Перед вами вещества, знакомые каждому человеку. Можно ли понять по этим записям, из каких элементов состоят вещества и сколько атомов каждого элемента в них содержится? Что необходимо знать, чтобы составить такую запись самостоятельно?" | Рассматривают записи, предполагают: "Нужно знать символы элементов, число атомов и правила составления формул". Формулируют проблемный вопрос урока. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Сегодня мы выясним, какую информацию скрывает химическая формула, как валентность помогает её составить и почему состав каждого чистого вещества является постоянным. Начнём с знаний, которые уже умеем применять."
Этап 2. Актуализация знаний и проверка домашнего задания (5 мин)
Цель этапа: восстановить знания о химических элементах, символах и относительной атомной массе, выявить затруднения при выполнении письменного задания.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель предлагает приём «Быстрый опрос»: "Какую информацию можно получить из таблицы химических элементов? Какова относительная атомная масса элемента, символ которого читается как «эн»? Назовите элемент с атомным номером 29 и его относительную атомную массу. Сравните водород, серу и медь: у какого элемента относительная атомная масса наибольшая?" | По таблице находят символы и значения, отвечают: "Номер, название, символ, относительную атомную массу"; «азот, примерно 14»; «медь». |
3 мин | Учитель предлагает сверить письменное домашнее задание в парах: "Обменяйтесь тетрадями и проверьте не только ответ, но и запись вычислений. Если нашли расхождение, не исправляйте молча: объясните партнёру, на каком шаге возникла ошибка. Поднимите руку, если задание вызвало затруднение; один пример разберём вместе." Учитель разбирает типичную ошибку на доске. | Сверяют решение по шагам, отмечают ошибку знаком вопроса, объясняют партнёру ход вычислений. Формулируют затруднение: "Мы не всегда понимаем, какую информацию можно получить из записи вещества". |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы вспомнили, что символ элемента передаёт качественную информацию, а относительная атомная масса позволяет выполнять расчёты. Теперь посмотрим, как химики объединяют эти сведения в краткую запись состава вещества."
Этап 3. Открытие понятия «химическая формула» (6 мин)
Цель этапа: сформировать представление о химической формуле, символах, индексах, коэффициентах и качественном и количественном составе вещества.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель демонстрирует образцы или изображения соли, воды и углекислого газа: "Можно ли обозначить эти вещества химическим языком? Вспомним пример: поваренная соль записывается $NaCl$. Эта запись показывает, что вещество состоит из натрия и хлора, причём атомы входят в состав в соотношении один к одному. Запишите определение: химическая формула — это условная запись состава вещества посредством химических знаков и индексов. Индекс — маленькая цифра справа внизу от символа, показывающая число атомов данного элемента в молекуле." | Записывают определения. На формулах $H_2O$ и $CO_2$ показывают символы и индексы, формулируют: "Вода состоит из водорода и кислорода; в её молекуле два атома водорода и один атом кислорода". |
3 мин | Учитель организует приём «Подумай — обсуди в паре — поделись»: "Самостоятельно определите, что означают записи $2H$, $8N_2$, $4Cu$, $2Cl_2$, $3CuO$. Обсудите в паре различие между индексом и коэффициентом. Затем объясните классу, почему запись $2H$ означает два атома водорода, а $2H_2$ — две молекулы водорода." | Сначала записывают значения, затем обсуждают в паре. Представляют ответы: "$2H$ — два атома водорода; $8N_2$ — восемь молекул азота, всего шестнадцать атомов азота; $4Cu$ — четыре атома меди; $2Cl_2$ — две молекулы хлора". |
Посмотрите план целиком
Зарегистрируйтесь — и откройте план урока по этой теме полностью: цели, ход урока и рефлексия по ФГОС.
Запись в тетрадях
- Химическая формула — условная запись состава вещества посредством химических знаков и индексов.
- Индекс показывает число атомов элемента в одной молекуле или формульной единице вещества.
- Коэффициент показывает число молекул, формульных единиц или атомов, стоящих после него.
- Химическая формула отражает качественный и количественный состав вещества.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Теперь мы умеем читать формулу как краткое сообщение о веществе. Но одной записи символов недостаточно для самостоятельного составления формулы: нужно понять, сколько атомов одного элемента соединяется с атомами другого. В этом нам поможет валентность."
Этап 4. Открытие понятия «валентность» и составление формул (9 мин)
Цель этапа: сформировать понятие валентности и освоить алгоритм составления формул бинарных соединений.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель записывает на доске: "Валентность элемента — это способность его атомов присоединять определённое число атомов других элементов. За единицу валентности принимают валентность атома водорода. Валентность обозначается римскими цифрами над символом элемента." Затем поясняет: "Чтобы составить формулу оксида алюминия, запишем символы Al и O, над ними валентности III и II. Общая валентность алюминия и кислорода должна быть одинаковой." | Записывают определение, называют валентности в примере: "Алюминий — III, кислород — II". |
4 мин | Учитель показывает памятку и проговаривает алгоритм: "Первый шаг — записать символы элементов. Второй — указать валентности. Третий — применить правило креста: валентность алюминия станет индексом кислорода, а валентность кислорода — индексом алюминия. Получаем $Al_2O_3$. Если индексы имеют общий делитель, их обязательно сокращаем. Например, $C^{IV}O^{II}$ даёт $C_2O_4$, после сокращения — $CO_2$." | Переносят алгоритм в тетрадь, поэтапно записывают $Al_2O_3$ и $CO_2$, объясняют: "Индексы показывают такое соотношение атомов, при котором валентности уравниваются". |
2 мин | Учитель предлагает два задания для устной проверки: "Составьте формулы соединений магния и азота, алюминия и серы, если Mg(II), N(III), Al(III), S(II). Проговорите каждый шаг, а не называйте только ответ." | В парах составляют и объясняют: $Mg_3N_2$, $Al_2S_3$. Сверяют равенство общей валентности: $3\cdot II=2\cdot III$; $2\cdot III=3\cdot II$. |
Запись в тетрадях
Алгоритм: 1) записать символы элементов; 2) указать валентности; 3) найти наименьшее общее кратное валентностей; 4) разделить его на валентность каждого элемента и получить индексы; 5) записать формулу и сократить индексы, если это возможно.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Валентность показывает, сколько связей способен образовать атом, а индексы переводят эту способность в состав формулы. Сейчас проверим новый алгоритм на индивидуальных заданиях, а затем свяжем формулу с законом, который объясняет постоянство состава вещества."
Этап 5. Демонстрационный опыт и закон постоянства состава (7 мин)
Цель этапа: на основе наблюдения разных способов получения углекислого газа сформулировать закон постоянства состава веществ.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель напоминает правила безопасности: "Не наклоняйтесь над пробирками, не трогайте реактивы и не пытайтесь повторять опыт самостоятельно. Я покажу получение газа разными способами, а вы фиксируете только наблюдаемые признаки. При разложении малахита образуется газ; при горении уголька в кислороде также появляется газ; при взаимодействии карбоната с кислотой выделяются пузырьки газа." | Наблюдают демонстрацию, записывают признаки: изменение цвета малахита, выделение газа, появление пузырьков. |
3 мин | Учитель проверяет свойства газа: "Поднесём лучинку к газу: горение прекращается. Пропустим газ через известковую воду: раствор мутнеет. Какой вывод можно сделать? Это разные газы или одно и то же вещество? Обоснуйте ответ двумя наблюдениями." | Формулируют вывод: "Газ не поддерживает горение, а известковая вода мутнеет; во всех опытах образовался углекислый газ". |
2 мин | Учитель рассказывает: "Французский химик Жозеф Луи Пруст исследовал состав соединений и установил, что чистое химическое соединение независимо от способа получения имеет постоянный качественный и количественный состав. Так был сформулирован закон постоянства состава веществ: каждое чистое вещество имеет постоянный состав и постоянные свойства." Учитель связывает вывод с формулой $CO_2$. | Записывают формулировку закона, объясняют: "$CO_2$ всегда содержит углерод и кислород в постоянном соотношении атомов 1:2, независимо от способа получения". |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы доказали наблюдением, что разные способы получения приводят к одному веществу — углекислому газу. Его формула остаётся $CO_2$, потому что состав чистого соединения постоянен. Теперь используем формулу не только для чтения, но и для расчётов."
Этап 6. Первичное закрепление и расчёт массовой доли элемента (8 мин)
Цель этапа: закрепить составление формул и показать, как по формуле рассчитывают массовую долю элемента.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель раздаёт карточки базового уровня: "Составьте формулы соединений кальция и хлора, кремния и водорода, железа(III) и хлора. Для каждой формулы запишите валентности и одну строку проверки. Можно выбрать сначала то соединение, которое кажется самым понятным, но все три задания должны быть выполнены." | Индивидуально составляют формулы $CaCl_2$, $SiH_4$, $FeCl_3$, указывают валентности и проверяют равенство общей валентности. |
3 мин | Учитель вводит понятие: "Массовая доля элемента показывает, какую часть массы вещества составляет данный элемент. Она вычисляется по формуле $\omega(Э)=\frac{A_r(Э)\cdot n}{M_r(вещества)}\cdot100\%$, где $n$ — число атомов элемента в формуле. Рассмотрим $CO_2$: $M_r(CO_2)=12+2\cdot16=44$, $\omega(C)=\frac{12}{44}\cdot100\%\approx27,3\%$." | Записывают формулу расчёта и решение примера, называют этапы: найти относительную молекулярную массу, определить массу атомов элемента, разделить и умножить на 100%. |
2 мин | Учитель предлагает взаимопроверку: "Обменяйтесь карточками. Проверьте наличие символов, индексов, валентностей и ответа. Поставьте рядом с работой одну отметку: «алгоритм выполнен», «есть одна ошибка», «нужна помощь»." | Проверяют работу партнёра по критериям, находят ошибку в индексе или валентности, дают конкретный совет по исправлению. |
Эталон решения
Для $Fe^{III}$ и $Cl^{I}$: записываем $FeCl$; переносим валентности крест-накрест и получаем $Fe_1Cl_3$; единичный индекс не записываем: $FeCl_3$. Проверка: один атом железа имеет общую валентность $III$, три атома хлора — $3\cdot I=III$. Для массовой доли углерода в $CO_2$: $M_r(CO_2)=12+16\cdot2=44$; масса углерода в формульной единице равна 12; $\omega(C)=\frac{12}{44}\cdot100\%\approx27,3\%$.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Сегодня формула стала для нас не просто набором символов: по ней можно определить состав, выполнить расчёт и проверить постоянство вещества. Осталось самостоятельно показать, что вы умеете применять весь алгоритм без подсказки."
Этап 7. Самостоятельная работа с самопроверкой (4 мин)
Цель этапа: проверить индивидуальное освоение понятий и алгоритма составления формул.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель предлагает выбор: "Выберите один из двух вариантов. Вариант А: составьте формулы оксида марганца(VII) и оксида хрома(VI), затем прочитайте формулы. Вариант Б: определите качественный и количественный состав $Na_2CO_3$ и вычислите $M_r$. Работайте самостоятельно, запись должна содержать ход решения." | Выбирают вариант и выполняют задание: $Mn_2O_7$, $CrO_3$ либо определяют состав карбоната натрия: два атома натрия, один углерод, три кислорода; $M_r(Na_2CO_3)=106$. |
1 мин | Учитель показывает эталон на доске: "$Mn^{VII}O^{II}\rightarrow Mn_2O_7$; $Cr^{VI}O^{II}\rightarrow CrO_3$; $M_r(Na_2CO_3)=2\cdot23+12+3\cdot16=106$. Проверьте себя и исправьте только после того, как нашли место ошибки." | Сверяют решение с эталоном, подчёркивают правильные шаги, исправляют ошибки другим цветом. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Самопроверка показала, какие действия уже стали уверенными, а какие требуют тренировки. Завершим урок обобщением: назовём ключевые слова и установим связи между ними."
Этап 8. Рефлексия, подведение итогов и домашнее задание (3 мин)
Цель этапа: осознать изученное, выявить затруднения и определить содержание самостоятельной работы дома.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель проводит приём «Ассоциативная цепочка»: "Продолжите фразы: формула — это...; индекс показывает...; валентность нужна для...; Жозеф Луи Пруст сформулировал...; массовая доля — это..." Затем просит показать цвет самооценки: зелёный — могу объяснить и решить, жёлтый — понимаю, но нужна тренировка, красный — нужна помощь. | Формулируют ответы: "Формула — запись состава вещества"; "индекс показывает число атомов"; "валентность нужна для составления формул"; "Пруст сформулировал закон постоянства состава"; "массовая доля показывает часть массы элемента в веществе". Отмечают уровень понимания. |
1 мин | Учитель сообщает домашнее задание: "Выберите уровень с учётом своей самооценки. В записи обязательно показывайте ход рассуждений и проверяйте индексы по валентности. Перед выходом ответьте на контрольные вопросы на стикере." | Записывают домашнее задание, отвечают на билет на выход: "Что показывает индекс? Как проверить формулу бинарного соединения?" |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Сегодня вы научились читать химическую формулу как точное описание вещества, составлять формулы по валентности и объяснять постоянство состава соединения. Ошибка в одном индексе меняет состав и свойства вещества, поэтому химическая запись требует точности. На следующем уроке мы продолжим расчёты по химическим формулам и применим их к количеству вещества."
Критерии оценивания практической работы
- «5» — правильно выполнены все три задания на составление формул или выбранное расчётное задание, указаны валентности, индексы обоснованы, вычисление массовой доли или относительной молекулярной массы выполнено без ошибок.
- «4» — правильно выполнены не менее двух заданий, допущена одна вычислительная или оформительская ошибка, общий алгоритм составления формулы соблюдён.
- «3» — правильно выполнено одно задание или получен верный ответ при неполном объяснении алгоритма; допущены ошибки в индексах, но понятия формулы и валентности в целом различаются.
Рефлексия
Вопрос для ученика | Цель вопроса |
|---|---|
Что показывает химическая формула и чем индекс отличается от коэффициента? | Проверка понимания качественного и количественного состава вещества. |
Какие шаги нужно выполнить, чтобы составить формулу по валентности? | Выявление точек затруднения в алгоритме решения. |
Почему углекислый газ, полученный разными способами, имеет одну и ту же формулу? | Проверка осознания закона постоянства состава веществ. |
Какое задание сегодня оказалось самым сложным и какая помощь нужна? | Субъективная оценка освоения темы и планирование коррекции. |
Завершающее слово учителя
"Сегодня мы увидели, что химическая формула одновременно сообщает, из каких элементов состоит вещество и в каком количественном соотношении соединены его атомы. Валентность помогает составлять формулы, а закон постоянства состава объясняет, почему формула чистого вещества не зависит от способа его получения. Помните о типичной ошибке: индекс нельзя ставить приблизительно, его нужно проверять по валентности. На следующем уроке мы продолжим вычисления по формулам и научимся применять их к новым химическим задачам."
Домашнее задание
Уровень | Что задать | Зачем |
|---|---|---|
Базовый (обязательный) | Повторить определения химической формулы, индекса, коэффициента, валентности и закона постоянства состава. Составить 4 формулы бинарных соединений по данным валентностям и прочитать 4 предложенные химические формулы. | Закрепляет терминологию, чтение формул и базовый алгоритм составления; при проверке обратить внимание на правильность индексов и единичные индексы. |
Средний (повышающий) | Выполнить 3 задания: определить качественный и количественный состав $H_2SO_4$, $Na_2CO_3$ и $Zn(NO_3)_2$; вычислить относительную молекулярную массу двух веществ; найти массовую долю указанного элемента в одном из них. | Развивает умение извлекать информацию из формулы и выполнять расчёты; при проверке смотреть на учёт всех индексов и единиц измерения. |
Продвинутый (дополнительный) | Составить формулы оксидов элементов с валентностями Mn(VII), Cr(VI), Sb(V), Sn(IV), Cr(III), N(II), Hg(I), объяснить сокращение индексов в двух примерах и подготовить краткое сообщение о значении закона постоянства состава для химии. | Развивает анализ, аргументацию и самостоятельное применение правила креста; при проверке оценивать полноту объяснения и корректность химической записи. |
Контрольные вопросы перед выходом: «Что показывает химическая формула?», «Как связаны валентность и индексы?», «Сформулируйте закон постоянства состава веществ», «Как вычисляется массовая доля элемента?».
