Когда сделаны выводы, наступает момент разъяснить сущность реакции с точки зрения теории строения веществ. Для этого от подмеченных наблюдением изменений веществ учащиеся должны перейти к невидимым изменениям состава мо- лекул, ионов и понять, что наблюдавшиеся изменения веществ есть результат изменения их состава.

Для истолкования сущности химических реакций с точки зрения атомно-молекулярного учения сначала составляется уравнение реакции, так как это истолкование невозможно без химического языка. Основными ступенями в переходе от наблюдений и эмпирических выводов к теоретическому истолкованию их с точки зрения атомно-молекулярного учения являются:

а) определение свойств веществ, которые были взяты для реакции и которые были получены в результате ее;

б) выяснение элементарного химического состава этих веществ;

в) выражение этого состава химическими формулами, руководствуясь валентностью элементов;

г) составление уравнения химической реакции;

д) истолкование сущности реакции с точки зрения атомномолекулярного учения, пользуясь уравнением химической реакции.

На примере горения водорода в кислороде покажем, как производится объяснение химической реакции с точки зрения атомно-молекулярной теории.

К истолкованию этой реакции учитель переходит после того, как сделан вывод, что при горении водорода в кислороде происходит химическая реакция, в результате которой образуется вода.

Учитель. Какие вещества мы брали для реакции?

Ученик. Для реакции мы брали водород и кислород.

Учитель. Какое вещество мы получили в результате реакции?

Ученик. В результате реакции мы получили воду.

Учитель. Разберемся теперь в химическом составе веществ. Какой химический состав имеют водород, кислород и вода?

Ученик. Водород и кислород представляют собой простые вещества. Вода — сложное вещество. Она состоит из водорода и кислорода.

Учитель. Припомните химические формулы водорода, кислорода и воды.

Ученик. Водород имеет формулу Н2, кислород О2 и вода Н2O.

Учитель. Используя химические формулы исходных и получившегося вещества, попытайтесь выразить химическую реакцию уравнением.

Ученик. Мы брали водород и кислород и получили воду. Это можно выразить так:

image5

Химические реакции протекают согласно закону сохранения веса веществ. Значит, чтобы написать уравнение реакции, надо расставить коэффициенты:

image6

Теперь поставим знак равенства:

image7

Учитель. Итак, мы выразили реакцию горения водорода в кислороде химическим (уравнением. Используя это уравнение, попытайтесь объяснить реакцию горения водорода в кислороде с точки зрения атомно-молекулярного учения.

Ученик. Уравнение реакции горения водорода в кислороде показывает, что при этой реакции из атомов каждых двух молекул водорода и одной молекулы кислорода образуется две молекулы воды.

В IX и в последующих классах после изучения периодической системы Д. И. Менделеева, электронной и ионной теорий окислительно-восстановительные реакции и реакции обмена между кислотами, солями и щелочами надо объяснять с электронно-ионной точки зрения, а для записи (уравнений реакций применять электронно-ионные формулы и уравнения.

На основе представлений об атоме как единстве положительного и отрицательного электричества, об электрической природе сил, обусловливающих соединение атомов в молекулы, о катионах и анионах как частицах, несущих противоположные электрические заряды, об ионной связи, о природе растворов открывается возможность показывать противоположные стороны в химических процессах: отдача и прием электронов, окисление и восстановление, ионизация и молизация, гидратация и дегидратация, растворение и кристаллизация, подвижное равновесие между реагирующими веществами, реакции обратимые и необратимые и т. д. Все это углубляет метод изучения химии и способствует повышению идейно-теоретического уровня преподавания.

Как объяснить реакции в IX классе? Наши наблюдения показывают, что при этом цел→ к объяснению его данных с точки зрения атомистики,→ к углублению этого объяснения с точки зрения электронно-ионной теории.

Покажем на примерах, как это делать.

Пример 1. Соединение натрия с хлором. Сначала на основании эмпирических данных записывается следующее уравнение:

image8

Натрий в соединении с неметаллами проявляет электроположительную валентность, а хлор, как типичный неметалл,—электроотрицательную валентность. Поэтому образование хлористого натрия можно объяснить так. Атомы натрия «отдали» электроны, превратившись в катионы, атомы хлора «приняли» электроны, превратившись в анионы. Разноименно заряженные ионы притягиваются, образуя хлористый натрий. Это можно пояснить следующей записью уравнения реакции:

image9

Это окислительно-восстановительная реакция. В ней натрий «отдал» электроны и является восстановителем. Хлор «принял» электроны. В этой реакции он окислитель.

Пример 2. Взаимодействие цинка с раствором серной кислоты. Сначала записывается уравнение реакции, пользуясь эмпирическими данными о том, что при взаимодействии цинка с серной кислотой образуется водород и сернокислый цинк:

image10

Затем это уравнение реакции записывают в ионной форме, руководствуясь тем, что серная кислота и сернокислый цинк в водном растворе диссоциированы:

image11

Каждый атом цинка «отдал» два электрона. Эти электроны «присоединили» к себе ионы водорода, превратившись в молекулы водорода. Это можно выразить следующим образом:

image12

Поскольку в данной реакции ионы SO4 не изменяются, уравнение реакции, прямо выражающее сущность ее, можно записать так:

image13

В этой реакции произошла отдача и прием электронов. Это окислительно-восстановительная реакция. Цинк «отдал» электроны, значит, он в этой реакции играл роль восстановителя. Водород «принял» электроны, значит, в этой реакции он играл роль окислителя.

Так постепенно расширяется круг окислительно-восстановительных реакций и углубляется понимание их с электронной точки зрения. Реакции окисления — это не только реакции соединения веществ с кислородом, но и реакции соединения элементов с серой, хлором, бромом, иодом, фтором, а также реакции вытеснения и замещения. Более сложные окислительно-восстановительные реакции, например окисление меди серной или азотной кислотой, в средней школе не рассматриваются с электронной точки зрения.

Рассмотрим теперь вопрос о том, как объяснить реакции обмена между кислотами, щелочами и солями в растворе с ионной точки зрения.

Пример 1. Взаимодействие азотнокислого серебра и соляной кислоты. На основании эмпирических данных эту реакцию в обычной форме можно выразить следующим уравнением:

image14

Азотнокислое серебро, соляная и азотная кислоты в воде диссоциируют на ионы, поэтому данную реакцию обмена можно выразить следующим образом:

image15

Из данного уравнения видно, что ионы Ag+ и ионы CI-, сталкиваясь, образуют нерастворимое вещество AgCl. Эти ионы уходят из раствора в осадок. Ионы Н+ и NO3- остаются в растворе без изменения. Поскольку ионы Н+ и NO3- были до реакции и остались без изменения после реакции, то реакция произошла только между ионами Ag+ и Сl-. Поэтому сущность ее можно выразить следующим уравнением:

image16

Пример 2. Нейтрализация раствора едкого натра раствором соляной кислоты. Сначала на основании эмпирических данных записывается уравнение реакции в обычной форме:

image17

Но едкий натр, соляная кислота и хлористый натрий в воде диссоциируют на ионы, а вода — вещество, мало диссоциирующее на ионы. Поэтому данную реакцию можно записать в ионной форме следующим образом:

image18

Рассматривая это уравнение реакции, нетрудно заметить, что ионы Na+ и Сl- остаются в растворе и после реакции, т. е. не принимают участия в реакции. Реакция происходит, собственно говоря, между ионами Н+ и ОН- и заключается в образовании слабо диссоциирующего вещества — воды. Поэтому эту реакцию — реакцию нейтрализации можно выразить следующим уравнением:

image19

В этом заключается сущность всякой реакции нейтрализации.

Указанные выше три ступени в истолковании химических реакций с электронно-ионной точки зрения надо применять до тех пор, пока учащиеся хорошо не поймут вторую и третью ступени. Тогда можно будет опустить первую ступень и сразу записывать уравнения соответствующих реакций в развернутой и краткой ионной форме, а затем, в отдельных случаях в X классе, можно будет ограничиваться только краткой записью в ионной форме. Краткая ионная форма уравнений реакций требует значительного развития абстрагирующей силы ума и потому трудна для многих учащихся. Чтобы развить силу абстракции, полезно применять и обратные переходы, т. е. от краткой записи уравнения реакции в ионной форме к развернутой записи в ионной форме и далее к обычной атомной форме.

В XI классе химические реакции истолковываются с точки зрения теории строения А. М. Бутлерова и рассматриваются как изменения не только состава, но и структуры вещества.

Пример 1. Окисление этилового спирта. Из опыта учащиеся узнают, что при окислении этилового спирта получается уксусный альдегид. Сущность реакции учитель объясняет следующим образом:

«Когда на спирт мы действуем хромовой смесью, то кислород присоединяется к тому углеродному атому, который связан с гидроксилом, так как гидроксильная группа активизирует его:

image20

Но спирты с двумя гидроксильными группами при одном углеродном атоме неустойчивы. Отщепляя воду, они превращаются в альдегиды:

image21

Как видно из этого уравнения реакции, освободившаяся связь углеродного атома вместе с освободившейся связью кислородного атома образуют вторую связь между углеродным и кислородным атомами. Группа атомовimage22 называется карбонильной группой. Можно ожидать, что с возникновением в альдегидах этой группы связаны их химические свойства, так как наличие кислорода с данной связью должно активизировать связанный с ним углеродный атом».

Пример 2. Окисление уксусного альдегида в уксусную кислоту. Показав реакцию серебряного зеркала и разъяснив на опытах, что здесь роль окислителя играет окись серебра Ag20, учитель приступает к истолкованию сущности данной реакции. Составляется уравнение реакции:

image23

Из этого уравнения реакции видно, что кислородный атом окиси серебра присоединился к углеродному атому карбонильной группы, образовав гидроксильную группу. В результате реакции образовалась уксусная кислота, у которой имеется новая карбоксильная группа:

image24

Можно ожидать, что химические свойства уксусной кислоты обусловливаются наличием в составе ее молекулы карбоксильной группы.

Конкретное усвоение знаний о химических явлениях возникает тогда, когда сведения о внутренних процессах, составляющих химическую реакцию, синтезируются с внешними проявлениями ее и с техникой эксперимента, применяемого для наблюдения реакции.