I химияны оқыту әдістемесінің жалпы мәселелері

Металдар туралы оқу материалын өткенде химиялық элемент жай зат және күрделі зат, заттың құрылысы мен қасиеттері, химиялық реакция ,т.б ұғымдар нығаяды, жаңа деректермен толысады. Периодтық заң, атом құрылысы, химиялық байланыс және иондық теория жөніндегі білім қолданыс табады. Металлургия өнеркәсібі және металдардың халық шаруашылығындағы маңызы туралы нақтылы ұғым қалыптасады.

Металдарды жүйелі түрде қарастырғанда оқушылардың 8-9-кластардың жеке тақырыптарында алынған мына тірек білімі ескеріледі: «Химиялық алғашқы ұғымдар» тақырыбынан элементтердің жіктелуі; металдар туралы алғашқы ұғым: «Оттегі» тақырыбынан металдардың тотығуы, металл оксидтері туралы ұғым; «Сутегі. Қышқылдар. Тұздар» тақырыбынан металдарының қышқылдармен әрекеттесуі және металдардың активтік қатары туралы алғашқы түсінік, металл оксидтерінің сутегімен тотықсыздануы және қышқылдармен алмасу реакцияларына түсуі, металдардың тұздар құрамына кіруі; «Су. Негіздер. Ерітінділер» тақырыбына металдардың сумен әрекеттесуі және негіздер құрамына кіруі; «Бейорганикалық қосылыстардың маңызды кластары жөнінде білімді қорытындылау» тақырыбынан металдардың бейметалдармен және қышқылдармен әрекеттесуі, оксид және гидроксид қосылыстарының қасиеттері, «Периодтық заң және периодтық жүйе» тақырыбынан сілтілік металдардың табиғи тобы, периодтық жүйеде металдардың орналасуы, электрондық құрылысының ерекшеліктері, иондануға бейімділігі; бейметалдар орналасқан негізгі топшаларды оқығанда металдардың тотықсыздандырғыш қасиеттері, қышқылдармен әрекеттесуінің ерекшеліктері, оксидтері, гидроксидтері және тұздары ескеріледі.

Бұл білім металдардың жалпы қасиеттерін дедуктивті тәсілмен, оқушыларды белсенді қатыстыру арқылы, оқып-үйренуге негіз болады.

Алдымен металдардың периодтық жүйедегі орны туралы кіріспе оқылып, мына мәселелерге назар аударылады: «Металл» термині химиялық элементтерді және олар түзетін жай заттарды белгілейді; бір термин арқылы берілетін екі ұғымның әрқайсысының өзіндік мазмұны және көлемі нақтыланады; периодтық жүйеде орналасуы, салыстырмалы атомдық массасы, реттік нөмірі, атом радиусы, иондану энергиясы, т.б элементке тән сипаттамалар. Металдарға жататын химиялық элементтер саны жағынан бейметалдардан гөрі көбірек, сексеннен асады. Олар I-II негізгі топшаларда (бордан басқа) және барлық топшаларда периодтық жүйенің сол жағында орналасқан. Металл атомдарының негізгі ерекшелігі сыртқы қабатындағы электрондар саны аз атом радиустары едәір үлкен болып келеді. Әр период s-деңгейшесін электрондармен толтыратын сілтілік металдардан басталады. Үлкен периодтардың ортасында орналасқан металдар атомдары (Sc-Zn,V-Cd) d-деңгейшесін, және f-деңгейшелерін (лантаноидтар мен актиноидтар) электрондармен толтырады.

11-Кесте Сілтілік металдар және галоген атомдарының иондану энергиясы

Металл атомдары сыртқы және оның астындағы қабаттарынан валенттік электрондарын беріп жіберіп,тотықсыздандырғыш қасиет көрсетуге бейім келеді. Бұған металдардың және оқушыларға таныс бейметалдардың иондану энергияларын салыстыру арқылы көз жеткізеді .

Кестеден сілтілік металдар атомдарының радиустары бір периодта орналасқан галоген атомдарының радиустарына қарағанда екі еседен астам артық, ал иондау энергиялары 3-6 есе кем екені байқалады. Топ бойында атом радиустары артуымен байланысты иондану энергиясы заңды түрде кемиді.

Металдардың жай заттарын белгілейтін терминнің мағынасы олардың атомдары түзетін химиялық байланыстың табиғатын және кристалл торлардың түрлерін қарастыру арқылы ашылады. Металдық химиялық байланыс ковалентті және иондық байланыстарымен, молекулалық, атомдық, иондық, кристалл торлары металдық кристалл торымен салыстырылып ұқсастығымен мен айырмашылығы анықталады.

Модельдерді және оқулықтардағы 36-суретті (Нұрахметов) пайдаланып, металдық кристалл тордың құрылысы түсіндіріледі.

Бұл байланыс атомдардан босаған электрондар мен оң зарядталған металл атомдарының арасында жүзеге асатыны айтылады. Ортақ электрондар арқылы жүзеге асуы жағынан металдық байланыс ковалентті байланысқа ұқсайды, бірақ одан айырмасы екі атомның арасында тұрақтанбаған кристалл торындағы барлық атомдар ядроларының төңірегінде айналып жүреді. Электірлік тартылыс күшінің әсері арқылы байланысуы жағынан металдық байланыс иондық байланысқа жақындайды, бірақ мұнда теріс зарядталған иондар болмайды, олардың міндетін бос жүрген электрондар атқарады. Электрондар атом иондарымен бір сәтте бірігіп келесі сәтте қайтадан ажырап кетеді. Осындай бос электрондардың болуымен оқушыларға бұрыннан белгілі металдардың физикалық қасиеттері, электр өткізгіштігі , жылу өткізгіштігі және жылтырлығы түсіндіріледі. Нақтылай түсу үшін үлестіріліп берілген металдармен жұмыс істеледі,мыстың, алюминийдің және басқа металдардың жалпы қасиеттерін сипаттайтын диафильм көрсетіледі. Соның нәтижесінде оқушылар металдық жылтыр жағынан күміс және палладий тапталғыштығы жағынан алатын бірінші орынді тұратыны,металдардың ең ауыры –осмий (23,43 г/см³), жеңілі-литий (0,52 г/см³), ең жұмсағы –калий, қаттысы-хром, ең оңай балқитыны-сынап (38,87⁰С), балқу температурасы ең үлкені вольфрам (3370⁰С), екені жөнінде пікірге келеді.

Металдар түзетін кристалл торларының түрлері: ортақтастырылған көлемді текше (сілтілік металдар, вольфрам, хром,т.б) қырлары ортақ текше (алюминий, қорғасын, күміс, алтын, платина,т.б) гексогенальды торда атомдар басқалардан гөрі тығыз орналасады .Металдардың тығыздығына ион зарядтары мен радиустары да әсерін тигізеді.

Металдық байланысы болғандықтан, кристалл торларының жеке қабаттары бір-біріне жақындасуға бейім келеді, мұның өзі металдарға созымдылық қасиет береді. Олар химиялық байланысын үзбей, жұқарады.

Әр түрлі металдарды қосып балқытқанда құймалар түзіледі, олардың қасиеттері алуан түрлі болып келеді, бұл іс жүзінде кеңінен қолданылады. Оқушылар өздеріне үлестіріп берілген құймалармен танысады, олардың түрлері және құрамы жөнінде нақтылы ұғым алады. Құймалар дисперстік жүйелерге жатады, қоспа немесе химиялық қосылыс түрінде болуы мүмкін. Кристалл торлары бірдей және қасиеттері ұқсас металдар қатты ерітінділер (алтын –күміс, темір марганец) түзеді. Кристалл торларында айырмасы үлкен металдардан механикалық қоспа түріндегі құймалар түзіледі (қорғасын-қалайы, кадмий –висмут,т.б.).

Қасиеттері әр түрлі металдардан химиялық қосылыстар түзіледі, оларда валенттілік заңдылығы сақтала бермейді (MgPb, MgSi, Al₄C₃, AuZn, AuZn₃, AuZn₅, т.б.)

12-Кесте Металдардың сумен әрекеттесуі.

Металлдардың химиялық қасиеттері дедукциялық тәсілмен өтіледі:

а) металдардың бейметалдармен әрекеттесуі; ә)металдардың сумен әрекеттесуі; б) металдардың қышқылдармен әрекеттесуі; в)металдардың тұздармен әрекеттесуі. Әр қасиетті нақтылайтын зертханалық және көрнекі көрсететін (зерттеу әдісімен) тәжірибелер қойылады; реакцияның жүру жағдайларына назар аударылады.

Сілтілік металдар және кальций оттегімен кәдімгі температурада тотығады. Оқушыларға бұрыннан белгілі активтік қатардағы магнийден қорғасынға дейінгі металдар кәдімгі жағдайда тотығып, қорғаныш қабық түзеді. Мыс пен сынап қыздырғанда тотығады. Алтын күміс пен платина қыздырса да тотықпайды. Металдардың басқа бейметалдармен әрекеттесу жағдайлары да еске түсіріледі.

Металдардың сумен әрекеттесу мүмкіндігін, жүретін химиялық процестерді, реакция өнімдерін сызбанұсқа немесе кесте түрінде беру тиімді.

а) металдардың сұйық және қанықпалы қышқылдармен әрекеттесу өнімдері де кесте арқылы беріледі. Күкірт және азот қышқылдарының металдарға әсер ету ерекшеліктеріне назар аударылады.

ә) металдардың тұздармен реакциялары параллель (жүретін және жүрмейтін салыстырмалы) тәжірибелер қою арқылы нақтыланады.

Талқыланған реакциялардың бәрінде металдардың атомдары тотықсыздандырғыш қасиет көрсетіп,өздері тотығатыны айтылады:

Me Me +ne^-

Металдардың әр қасиеті жөнінде білімді нығайта түсетін өздігінен істейтін жұмыстар жүргізіледі, жіктелген жаттығулар орындалады. Жаттығуларды ойдағыдай орындап, металдар қатысатын реакциялардың жүру ықтималдығын алдын –ала болжау үшін оқушылар металдардың Н.Н.Бекетов жасаған ығыстыру қатарын еске түсіріп (8-сынып 68-бет), металдар кернеуінің электрохимиялық қатары жөніндегі біліммен ұштастырады. Бұл арада жеке атом күйіндегі металдардың тотықсыздандырғыш қасиеттерінің айырмашылығына, тотықтырғыштардың сипатына баса назар аударылады.

Жеке күйіндегі атомдардың тотықсыздандырғыш қасиеттері металдпрдың периодтық жүйедегі орнымен анықталады және иондау энергиясынан айқын білінеді. Жай зат күйіндегі металдардың тотықсыздандырғыш активтілігі периодтық жүйедегі орнына тікелей тәуелді емес, ол металдардың кристалл торларының беріктігіне,ерітіндідегі реакцияларда түзілетін иондардың гидраттану энергиясына байланысты өзгереді. Соңғы екі себептің салдарынан иондану энергиясы үлкен литий ерітіндідегі реакцияларда калий мен натрийден активті болып шығады, бұл үстірт қарағанда Н.Н.Бекетов жасаған қатарға, топ бойында металдар қасиетінің өзгеру заңдылығына қайшы келетін секілді көрінеді.

Бұдан соң металдар кернеуінің электрохимиялық қатарындағы кейбір шектеулерге тоқталып, оны саналы түрде пайдалану қажеттігі айтылады. Оқушылар активсіз металдарды судағы ерітінділерінен сілтілік металдармен ығыстыру реакцияларының теңдеулерін жиі жазады. Бұл олқылықты болдырмау үшін натрий мен мыс (II) сульфатының арасындағы реакцияның тәжірибесі көрнекі көрсетіледі.Оқушылар сутегі бөлінгенін және мыс (II) гидроксидінің тұнбасы түзілгенін бақылап, реакция натрий атомы мен сутегі иондарының арасында жүргендігі жөнінде қорытынды жасайды.

Металдардың жалпы қасиеттерін қарастырғанда пән аралық байланысты жүзеге асыратын маңызды тақырыптың бірі-электролиз. Электролиттік диссоциациялану теориясының және тотығу-тотықсыздану тұрғысынан электролиз құбылысы мәселелік әдіспен түсіндіріледі. Катод пен анодта жүретін тотығу-тотықсыздану әрекеттері, иондардың зарядсыздану реті талқыланады. Мыс (II) хлориді мен калий иодидінің электролизі кезінде катодта бір жағдайда мыс, екінші жағдайда сутегінің бөліну себебі, осыған орай аниондардың тотықсыздандырғыш қасиеттері (қатары) жөнінде түсіндіріледі:

I^- , Br^- , S^2-, Cl^-, OH^-, SO₄^-, NO₃^-

Бұл қатарда аниондардың тотықсыздандырғыш қасиеті кемиді. Электролиздің іс жүзіндегі маңызын түсіндіру үшін мырыштан қорғасынға дейінгі металдар катиондарының тотықсыздану ерекшелігі түсіндіріледі.

Металдар коррозиясы туралы оқу материалын өткенде қарастырылатын мәселе:коррозия және оның маңызы туралы ұғым; коррозияның түрлері; коррозияға әсер ететін жағдайлар;коррозияның химиялық және электрохимиялық мәнін түсіндіру; коррозияға қарсы күрес шаралары. Металдардың жемірілуі немесе коррозиясы тақырыбын өткенде коррозияға әсер ететін жағдайларды нақты түсіндіру үшін алдын ала 5 сынауыққа тәжірибе қойылады . Онда темірдің коррозиясына ауаның, судың, ас тұзы ерітіндісінің, натрий гидроксиді ерітіндісінің, мыс және мырышпен жанасуының әсері зерттеледі: