Орта мектептегі ерітінділер теориясын оқыту

Кіріспе

 

  Қазақстан Республикасының «Білім беру туралы» Заңында: «Білім беру жүйесінің басты міндеті – ұлттық және жалпы адамзаттық құндылықтар, ғылым мен практика жетістіктері негізінде жеке адамды қалыптастыруға және кәсіби шыңдауға бағытталған білім алу үшін қажетті жағдайлар жасау, оқытудың жаңа технологиясы мен инновациялық әдіс-тәсілдерді енгізу, білім беруді ақпараттандыру, халықаралық ғаламдық коммуникациялық желілерге шығу», – деп, білім беру жүйесін одан әрі дамыту міндеттері көзделеді.

Жұмыстың мақсаты: орта мектептегі ерітінділер теориясын оқытудың әдістемелерін зерттеу.

Зерттеу обьектісі: орта мектептің химия курсындағы ерітітінділер теориясын оқыту және оның әдістемелеріне тоқталу.

Құрылымы: кіріспеден, негізгі бөлімнен, қорытынды және пайдаланылған әдебиеттерден тұрады.

Қазіргі кезеңде Республикамызда білім берудің жаңа жүйесі жасалып, қазақстандық білім беру жүйесі әлемдік білім беру кеңістігіне енуге бағыт алуда.

Білім беру саласы қызметкерлерінің алдында қойылып отырған басты міндеттерінің бірі – оқытудың әдіс-тәсілдерін үнемі жетілдіріп отыру және қазіргі заманғы педагогикалық технологияларды меңгеру.

Оқыту мен тәрбиелеу - бір-біріне байланысты екі үрдіс. Химияны оқыту үрдісінде оқушылардың жеке басының қызметін дамытуға ерекше көңіл бөлінеді. Оны оқу- танымдық бірінші міндет деп санауға болады.

          Химия пәнінің мақсаттары әр кластың химия курсында, олардың жеке тақырыптарында, тақырыптар бойынша өткізілетін сабақтарда нақтыланады.

Жаратылыстану пәндерінің бірі ретінде химияның міндеті оқушыларда қоғам, табиғат және олардағы адамның орны туралы ғылыми көзқарас қалыптастыру екені айтылды.

       Ғылыми көзқарас жеке пәндерден алған білімнің қорытылуынан туады. Дүниеге көзқарас тудыратын білімді қорытындылаудың үш деңгейі бар: философиялық деңгей, жаратылыстану ғылымының деңгейі және жеке ғылымдық деңгей. Осы деңгейлерге сәйкес дүниенің философиялық, жалпы ғылымдық және жеке ғылымдық (химиялық, физикалық,т.б.) бейнелері қалыптасады.

      

 

 

 

 

 

            Қазіргі көзқарас бойынша өмір  бейорганикалық және органикалық  қосылыстардың сулы ерітіндісі  болатын мұхиттарда пайда болған. Эволюция нәтижесінде тірі өсіп  өзгерген. Оладың көпшілігі судан  кетіп, ауаға және суға өткен. Бірақ өсімдіктер мен жан-жануарлар  су бесігін тастағанымен, өздерінің  ағзаларында құрамында әр түрлі  бейорганикалық иондар және органикалық  қосылыстар бар сулы ерітінділерді  сақтаған.  Ерітінділер туралы  ілімнің дәрігерлер үшін ерекше  мәні бар, себебі негізгі биологиялық  сұйықтықтар –қан плазмасы, жұлын  сұйықтығы, лимфа, несеп, тер, сілекей, судағы тұздар, ақсылдар, көмірсутектер, липидтер тірі ағзада ерітінділер  күйінде болады. Дәрілік заттар  тек ерітінді немесе ағзада  еріген күйге көшкен кезде  ғана пайдалы. Тағам құрамындағы  қоректік заттар ағзаға сіңуі  үшін ерітіндіге айналуы керек. Тірі ағзадағы биохимиялық реакциялар  ерітінділерде өтеді. Биосұйықтықтар  қоректік заттардың (майлар, аминқышқылдары, оттегі) қозғалуына, дәрі-дәрімектік  қосылыстарды ұлпаға және дене  мүшелеріне тасымалдауға қатынасады, сонымен қатар метаболиттерді (мочевина, билирубин, көмір қышқыл газын  және т.б.) ағзадан шығаруға атсалысады. Қан плазмасы жасуша (лимфоцит, эритроцит, тромбоцит) үшін орта болады.

Ерітінді — деп  кем дегенде екі құрамдас бөліктерден тұратын құрамы өзгермелі гомогенді (біртекті) жүйелер. Ерітінділер газ тәрізді,сұйық және қатты болуы мүмкін. Олардың ішінде жан-жақты зерттелгені және жиі қолданылатыны сұйық, әсіресе, сулы ерітінділер. Сондықтан тұрмыста ерітінділер деп, көбінесе, сұйық күйдегі молекула-дисперстік жүйелерді айтады. Ерітінділердің құрамы құрамдас бөліктердің конценрацияларымен сипатталады. Ерітінділер қаныққан, қанықпаған және аса қаныққан деп бөлінеді.. Ерітінділердің бетіндегі бу қысымы және оның қату температурасы таза еріткіштікке қарағанда төмендеу, ал қайнау температурасы жоғарылау болады. Сонымен қатар ерітінділерде осмос қысымы байқалады. Ерітінділердің бұл қасиеттерінің барлығы тек еріген заттың молекулалар санына ғана тәуелді [30, 25].

 

 

 

 

 

 

 

 

1.1 Ерітінділердің  жалпы сипаты

Ерітінді деп екі немесе бірнеше компоненттен тұратын гомогенді системаларды айтады. Әдетте ерітінділердің тығыздығы, кайнау және қату температурасы, тұтқырлығы сияқты қасиеттері Өзгеріп отырады. Ерітінділерді жай механикалық қоспа деп те, химиялық қосылыс деп те қарастыруға болады. Ерітіндінің механикалық қоспадан басты айырмашылығы ондағы әрбір микроскопиялық (өте кіші, ұсақ) бөлшектерді химиялық құрамы мен физикалық қасиеттерінің көлемде бірдей болуында. Ал химиялық қосылыстардан негізгі өзгешелігі оның құрамының еритін зат көп еріткіштің мөлшеріне тәуелділігінде және еселік қатынас заңына бағынбауында. Мысалы, ас тұзы суда тек белгілі мөлшерде ғана ериді. Айталық, 20°С (293 К)-та алынған 100 мл суда ас тұзының 36,8 грамы ғана ериді де, одан әрі оның мөлшерін қанша көбейтсек те ол ерімеиді. Бұл қалыпты жағдайда кездесетін құбылыс. Ерітіндінің химиялық қосылыстан тағы бір өзгешелігі — химиялық байланыс табиғатында. Егер химиялық қосылыстар негізінен ионды, ковалентті байланыстармен сипатталса, ерітіндідегі байланыс, газдарда кездесетіи аса әлсіз вандерваальстік, ал кейбір жағдайларда қосымша сутектік байланыстармен түсіндіріледі[29, 32].

   Қоспалардағы заттар өзара ешбір байланыссыз-ақ араласса, ерітіндідегі еріткіш пен еритін заттар арасында әлсіз болса да химиялық байланыс болады. Мысалы, бірдей өлшемдегі құм мсн ағаш нсмесе темір үгіндісін араластырса, қоспа пайда болады және оларды бір-бірінен бөлуге болады. Ал, ас тұзын немесе қантты суда ерітсе, олар оңайлықпен әуелгі жеке заттарға бөлінбейді.

Көбінесе, екі зат, бір-бірінде ерігенде, олардың арасында өзінің агрегаттық күйін өзгертпейтін немесе ерітінді құрамындағы мөлшері басым болатын бөлікті еріткіш дейді. Демек, «еріткіш», «еритін зат» ұғымдары салыстырмалы екенін ескеру керек. Мысалы, спирт пен судың тең бөлігін бір-бірінде ерітсе, олардың қайсысының еритін зат, қайсысының еріткіш екенін ажырату қиын, өйткені екеуі де сұйық және бір-бірінде ерігіштіктері бірдей. Мұндайда ерітінді құрамындағы компоненттер туралы айтқан дұрыс, Сондықтан компоненттердің агрегаттық күйін ескеріп, ерітінділерді үш топқа бөлуге болады: газдың газдардағы ерітіндісі (газ қос- пасы); сұйық ерітінділер; қатты ерітінділер. Газ ерітінділеріне ауа, ал қатты ерітінділерге түрлі металдардың қорытпалары мысал болады. Ал, сұйық ерітінділер газдардың сұйықтағы ерітінділері; сұйықтың сұйықтағы ерітінділері, қатты заттардың сұйықтағы ерітінділері болып бөлінеді.

       Еріткіші су болатын ерітінділер табиғатта кең тараған. Жер қыртысындағы, өсімдіктер мен тірі организмдердегі процесстер сусыз жүрмейді. Осыдан ерітінді дегеніміз жай ғана құбылыс емес, ол өте күрделі физикалық және химиялық қасиеттері бар күрделі құбылыс екенін көреміз.

Еру процестері кейде жылу бөліну арқылы жүрсе, енді бірде жылу сіңіру арқылы да жүреді, яғни зат қыздырғанда ғана ериді.

       Сондай-ақ, кей заттарды еріткенде ерітіндінің  көлемі кемуі немесе артуы  мүмкін. Мысалы, күкірт қышқылын  не натрий гидроксидін суда  еріткенде едәуір жылу бөлінеді. Бүл еріген зат пен еріткіш  арасында химиялық реакцияның  жүргендігін көрсетеді. Бүл процесті  сольватация, ал пайда болған  қосылысты сольват дейді. Зат  суда еритін болса, процесс, гидратация, қосылыс  гидрат делінеді.Ерітінді жайлы ілім өз алдына жеке бөлім болып, жалпы табиғаттану ғылымынан бөліне бастағаннан оның табиғатына қатарынан екі көзқарас қалыптаса бастайды. Олардың бірін — ерітінділердің физикалық, ал екіншісін — химиялық теориясы дейді.

Ерітінділердің физикалық теориясы XIX ғасырдың екінші жартысында қалыптасты. Ол теорияның негізін салушылар С. Аррениус пен  Вант-Гофф болды. Бүл теория еру процесі жай физикалық қоспа ретінде, еритін заттардың ұсақ бөлшектері еріткіш көлемінде біркелкі таралған, олардың араларында ешбір әрекет болмайтын орта сияқты ұғымда қарастырылады. Олай болса, бұл теория еритін зат пен еріткіш араларында ешбір химиялық әрекет жүрмейді деген пікірді теріске шығармайды. Жалпы физикалық теория ерітінділердің қайнау температураларының жоғарылауы, қату температураларының төмендеуі, будың қысымы, осмостық қысым сияқты қасиеттеріне сүйенді. Бұл шамалар ерітінділердің концентрациясыпа тәуелді де, еріген заттың табиғатына тәуелсіз. Сондықтан да бұл теория бойынша ерітінділер еріген заттардың күйі газ күйіндегі ерітінділер секілді болып келетін молекулалардың бірыңғай қоспасы іспеттес.

Ерітінділердің химиялық теориясының негізін қалаушы Д. И. Менделеев болды. Бертін келе, бүл теорияға И. А. Каблу- ков, Н. С. Курнаков сияқты әйгілі совет ғалымдары елеулі үлес қосып, оны жаңа деңгейге көтерді. Бұл теорияны бірінші тұжырымдаған Д. И. Менделеев күкірт қышқылының, этил спиртінің және баска да қосылыстардың судағы ерітінділерін нақты, жан- жақты зерттеді. Мұның нәтижесінде ол, ерітіндідегі компоненттер арасында, яғни еріген зат пен еріткіш арасында химиялық әрекеттер жүреді деген қорытынды шығарды. Мысалы, Менделеев күкірт қышқылының ерітінділерінде бірнеше гидраттардың түзілетінін аныктады. Ол сондай-ақ, еріткіш пен еритін зат молекулаларының арасындағы байланыс негізінен сутектік байланыс арқылы немесе ондағы қосылыстар құрамына енетін полюсті молекулалар араларындағы өзара электростатистикалық әрекеттесу салдарынан болатынын анықтады[31, 24, 26]

1.2 Сұйытылған  ерітінділер. Рауль заңы.

Ерітінділердің ішінде еріткіші сұйық болып келген ерітінділердің іс жүзінде маңызы зор. Оның ішінде ең жақсы зерттелгені — сұйытылған ерітінділер. Енді солардың қасиеттеріне тоқталайық.

Сұйытылған ерітінділерде еріген заттың молекулалары бір-бірінен еріткіштің көптеген молекулаларымен бөлінген, яғни олар өзара нашар әрекеттеседі. Сұйытылған ерітінділердің қасиеттеріне әсер ететін факторлар: еріткіш пен еріген заттың табиғаты және ерітіндінің қоюлығы (концснтрациясы) негізінде осы екеуі болады. Бұған орай ерітінділердің мынадай қасисттері бар: 1) ерітінді буының қысымы еріткіш буының қысымынан кем болуы; 2) ерітінділердің таза еріткіштерінен төменгі температурада қатуы; 3)ерітінділердің еріткіштерінен гөрі жоғарытемпературада кайнауы.

Егер ерітіндінің құрамдас бөліктері ұшқыш болса, онда белгілі бір уақытта сұйық пен газға айналған құрамдас бөліктер арасында тепе-теңдік орнығады, сөйтіп қаныққан бу түзіледі. Ерітінді бетіндегі қаныққан будың жалпы қысымы (Р) құрамдас бөліктердің үлестік қысымдарының косындыларына тең, яғни:

Р =  ∑Рі.

Қарапайым бинарлық ерітіндіні қарастырсақ, ондағы еріткіштің үлестік қысымына мынадай байланыста  болады:

P1= P0 x1= P0 (1-x2)                                      (1)

Мұндағы Р1— еріткіштің үлестік қысымы, х1— оның мольдік үлесі Ро — таза еріткіш буының қысымы; х2 — -еріген заттын мольдік үлесі. Ерітінді бетінде бұрын жалпы қысымы құрамдас бөліктердің үлестік қысымдарының косындысына тең, яғни аддитивтік шама:

Р ° - Р ' / Ро = Х2                    (2)

2-теңдеу бу қысымының  салыстырмалы түрде азаюын көрсетеді, яғни еріткіштің бу қысымының  салыстырмалы түрде азаюын көрсетеді, яғни еріткіштің бу қысымының  салыстырмалы кемуі еріген заттың  мольдік үлесіне тең болып  шығады. Осы жоғарыда көрсетілген екі теңдеу (1 және 2) Рауль заңының математикалық; өрнегі болып табылады. Қаныққан бу идеал газ сияқты қасиет көрсететін ерітінділерге 1-теңдеу қолданылады. Жоғары температурада қаныққан бу кысымы өте үлкен мәнге ие болады, оның идеал газы қасиеттерінен ауытқуы көбейіп, 1-теңдеуге сәйкес келмейді. Мұндай жағдайларда газдардың термодинамикалық касиеттерін (кысым арқылы емес) ұшкыштық (f) аркылы байланыстырып, Рауль заңын былай көрсетуге болады:

f = f 0 ХІ = f 0 (1-Х2)                          (3)

Егер ерітінді Рауль заңына кез келген қоюлық пен температурада 1-тендеуге бағынса, онда ерітінділер идеал ерітінділер деп аталады. Мысалы, бензол мен толуол, гексан мен октан, бензол мен дихлорэтаннан тұратын коспалар идеал ерітінділерге жатады. 

Белгілі бір і құрамдас бөліктің тепе- тендік жағдайда ерітінді мен бу арасында таралуы ол құрамдас бөліктің химиялық потенциалы мен өзара тең болуымен сипатталады:

µі (ер)   =   µі (бу)

Егер ерітінді Рауль заңына бағынатын идеал ерітінді болса, жаңағы құрамдас бөліктің химиялық потенциалы мынаған тең:                                                      

 µі    =   µі (Т)+ RT lnx1                        (4)

Мұндағы µі  (Т)  — белгілі бір температура  (Т)  мен қысымдағы (Р) химиялық немесе изобарлык, потенциал.

Кейбір өте сұйытылған ерітінділер идеал болмаса да Рауль заңына бағынады. Оларды шекті сұйытылған ерітінділер деп атайды.

Реал ерітінділер Рауль заңына бағынбайды. Ерітінді буының жалпы және оның құрамдас беліктерінің үлестік кысымдары идеал ерітіндінің жалпы және үлестік қысымдарынан көп немесе аз болады. Рауль заңынан оң және теріс ауытқуларды әр түрлі ерітінділерден байқауға болады. Мысалы : ацетон- күкіртті көміртек, ацетон- этанол, су- метанол және т.б оң ауытқу болса, су- азот қышқылы, су- хлорлы сутек, хлороформ- ацетон,  хлороформ – бензол т.б.ерітінділерде теріс ауытқуларды байқауға болады. Біртекті молекулаларға қарағанда әртекті молекулалардың ерітіндідегі өзара тартылуы әлсіздеу келеді. Ендеше ондай жағданда молекулалардың сұйық буға айналуы оңайырақ болғандықтан, Рауль заңынан оң ауытқуды байқауға болады.

Әр түрлі молекулалардың өзара әрекеттесуі күштірек болса (химиялық қосылыс, сутектік байланыстар түзілу, сольватация), онда молекулалардың газ фазасына ауысуы қиындау болғандықтан, Рауль заңынан теріс ауытқуларды байқаймыз. Молекулалардың сұйықтан буға ауысының жылулық эффектісі болады. Бірдей молекулалардың буға айналуы — теріс, ал әр түрлі молекулардың әрекеттесуі кезінде оң жылулық эффектілер пайда болады. Алайда кейбір ерітінділерде оң және теріс ауытқуларды тудыратын факторлар бірдей әсер ететіндіктен, жылулық эффектілер мен ауытқулар таңбасы сәйкес келмеуі де мүмкін[29] .

 

 

 

 

1.3 Коноваловтың  I-II заңы.Азеотроптық ерітінділер

Кейбір ерітінділерде идеал оң және теріс ауытқулар ерітінділер заңынан көбірек болады. Ондай жағдайда жалпы бу қысымының қисығында максимум немесе минимум кездеседі. 1881 ж. Д. П. Коновалов будың жалпы қысым қисығында немесе будың қайнау температурасы кисығындағы экстремумда (максимум немесе минимумда) қанықкқан бу мен онымен тепе-теңдікте ерітінді құрамының бірдей болатынын анықтады. Бұл тұжырымдама Коноваловтың II заңы деп аталады.

Бұл заңға бағынатын сұйық ерітінділерде бу қисығы мен сұйықтық қисығы экстремумдық нүктеде қиылысатын болады. Осы экстремумдық нүктелердегі ерітінділердің құрамы айдау кезінде өзгермейді. Олар жеке сұйықтар сияқты тұрақты температурада кайнайды. Сондықтан оларды азеотроптык, (бөлінбей қайнайтын) ерітінділер деп атайды.. Кейбір азеотроптық ерітінділер төменде көрсетілген.