Приложение Аналитическая химия в школе (для студентов и преподавателей педвузов)

На первый взгляд аналитическая химия как наука имеет лишь косвенное отношение к общеобразовательной школе. Действительно, в отличие от неорганической и органической химии, аналитическая химия не составляет самостоятельного раздела школьного курса химии. Исходя из этого, некоторые ошибочно считают, что химический анализ в школе вообще не изучают, и более того, он не нужен ни школьникам, ни учителям. Опровергнуть эту точку зрения легко (и далее это будет сделано). Значительно сложнее и важнее показать, где именно в своей деятельности учитель химии может и должен применять знания по аналитической химии, полученные им в вузе. Тем более что в методической литературе будущему учителю нелегко найти ответы на некоторые простые и практически важные вопросы. Что должны знать школьники о химическом анализе? Как можно наиболее эффективно дать эти знания? Как применить сформированные знания при изучении курса химии и других учебных дисциплин, как использовать эти знания для профессиональной ориентации, для формирования в сознании учащихся целостной научной картины мира, наконец, для воспитания необходимых личностных качеств? Дать глубокие и развернутые ответы на все эти вопросы в рамках данной книги нельзя, но некоторые краткие рекомендации сделать можно.

Место химического анализа в структуре общеобразовательной подготовки. Напомним, что в соответствии с действующими (2006 г.) в России нормативными документами курс химии последовательно изучают в виде двух концентров – как часть программы основного общего образования (в VIII–IX классах) и как часть программы среднего (полного) общего образования (в X–XI классах). Базовые химические понятия формируют в основной школе, а затем, в рамках второго концентра, расширяют объем фактических знаний, развивают теоретические представления, формируют специальные умения и навыки. При этом в «старшей школе» реализуют два возможных уровня подготовки – базовый и профильный. Теперь в структуре обоих концентров появились курсы по выбору учащихся, так называемые вариативные курсы (элективы). Они имеют относительно небольшой объем, но обязательны для выбора учащимися. В отличие от регламентированной стандартами инвариантной части школьного курса, содержание элективов определяет школа, а реально – конкретный учитель химии. В структуре подготовки школьника предусматривается также изучение факультативов. Здесь творческий подход учителя может проявиться в еще большей мере.

Концентрическая модель школьного курса химии, как и традиционная линейная, направлена на изучение основ общей, неорганической и органической химии. Несмотря на то, что аналитическая химия не представлена в инвариантной составляющей школьного курса как самостоятельная структурная единица, содержание всех образовательных программ предполагает начальную подготовку учащихся в области химического анализа. Ту же цель отражают многие программы элективных и факультативных курсов, а также некоторые направления внеклассной работы. Далее мы последовательно рассмотрим три направления:

• химический анализ в общеобразовательной подготовке (в обычном курсе химии);

• химический анализ в рамках элективных и факультативных курсов. Сразу же отметим, что курс «Основы химического анализа» – один из самых распространенных факультативов, для него разработаны и программа, и соответствующее учебное пособие;

• учебно-исследовательская работа школьника, связанная с анализом веществ. Речь идет о внеклассных занятиях в школьном химическом кружке, во внешкольных образовательных учреждениях, в школе «Юный химик» высшего учебного заведения. Сюда же можно отнести самостоятельное углубленное изучение химии.

Химический анализ на уроках химии. Программа курса химии направлена на формирование знаний и умений, относящихся к составу, строению и свойствам веществ. Эти три основных линии равноправны, но освоение их идет не одновременно, на первом месте – информация о составе веществ. Еще М.В. Ломоносов говорил, что «для познания частных качеств тел и их изменений обязательно требуется познание их состава». Доля времени, отводимого на изучение качественного и количественного состава веществ, в новых стандартах существенно увеличена. Поскольку практически все наши знания о составе веществ получены в результате химического анализа, на уроках необходимо рассматривать источники информации о составе веществ, а для этого – сформировать само понятие «анализ» и рассказать о возможностях и некоторых видах анализа. В соответствии с обязательным минимумом содержания основных образовательных программ, понятие о химическом анализе должно быть сформировано еще в основной школе. Оно должно стать опорой для формирования в старшей школе четких представлений о химическом анализе как одном из методов познания веществ и химических явлений, как научном методе исследования. Это особенно актуально для профильного уровня старшей школы.

Методически неверно сводить вопрос о химическом анализе только к линии изучения состава веществ, как бы важен он ни был для формирования соответствующих знаний. Другие линии школьной программы (материал по химическим реакциям и по структуре веществ) тоже связаны с анализом. К сожалению, многие учителя не понимают, что вся информация о химических реакциях (стехиометрия, равновесия, кинетика, механизм) получена в ходе количественного анализа соответствующих реакционных смесей. Значительная часть информации о структуре веществ (например, о строении макромолекул ДНК и других биополимеров) также получена путем анализа, хотя здесь использовались гораздо более тонкие и сложные методы, чем в анализе неорганических веществ или мономерных органических соединений, например, масс-спектрометрия, рентгеноспектральные и резонансные методы.

Очевидно, формирование химических знаний в целом (а не только по какой-то одной линии) требует привлечения материала о химическом анализе. Замалчивание источников знаний ставит под сомнение достоверность соответствующей информации, во всяком случае, для самостоятельно мыслящих учеников, не находящих в учебниках ответа на естественный вопрос: «А откуда известно, что реакции идут именно так?» Без введения в школьный курс химии представлений о химическом анализе невозможно полноценное раскрытие основной мировоззренческой идеи: «Свойства веществ зависят от их качественного и количественного состава, а также от строения». Невозможно и полноценное формирование естественнонаучной картины мира как важнейшего интегрированного результата образования.

Итак, одной из важнейших задач учителя химии – как в основной, так и в старшей школе – является формирование общих представлений о химическом анализе. Начинать решение этой задачи можно одновременно с формирования понятий чистое вещество и смесь. Раскрывая содержание понятия чистое вещество на примерах таких классов неорганических соединений, как кислоты и основания (щелочи), еще в VIII классе следует ввести понятие качественная реакция. На этом этапе обучения качественные реакции могут быть определены как реакции, с помощью которых распознают определенные химические вещества (говорить школьникам о распознавании ионов или молекул пока рано). В случае кислот и щелочей это реакции с индикаторами. Именно на основе наблюдений окраски индикаторов у учащихся закладываются первоначальные представления о возможности обнаружения группы веществ, имеющих сходный качественный состав. При этом можно обратить внимание на неодинаковые результаты взаимодействия разных веществ одного и того же класса (например, солей) с индикаторами. Это позволит перейти от обнаружения группы веществ к обнаружению индивидуальных соединений.

Развитие представлений о химическом анализе осуществляется параллельно изучению состава и свойств основных классов неорганических и органических соединений. Расширение объема представлений о качественных реакциях позволяет ввести видовое понятие – качественный анализ. В соответствии с требованиями к уровню общеобразовательной подготовки по химии, учащиеся должны знать и уметь проводить довольно много качественных реакций. Анализ содержания комплекта учебников О.С. Габриеляна и соавторов показывает, что в IX классе школьники изучают реакции на ионы Cl^–, SO₄^2–, NH₄⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, CO₃^2–; реакции на углекислый газ, на крахмал и многоатомные спирты. В аналитическом аспекте рассматриваются свойства индикаторов, аминокислот, взаимодействие этилена с бромной водой и раствором перманганата калия, реакция глюкозы с аммиачным раствором оксида серебра и даже цветные реакции белков. В старшей школе сюда добавляются характеристические свойства непредельных соединений, фенолов и ряда других веществ. В рамках профильного обучения школьники должны обнаружить витамин А в растительном масле, витамин С – в яблочном соке, витамин Д – в желтке куриного яйца (это достаточно трудные задачи даже для профессиональных аналитиков, и обоснованность их включения автором учебника в школьный курс вызывает сомнения). Предлагается обнаружить аспирин в готовой лекарственной форме (после гидролиза). Предусматривается выполнение учащимися экспериментальных задач по распознаванию индивидуальных веществ сложного состава (смесей). Например, надо исследовать действие водных растворов брома и перманганата калия на образцы сливочного, подсолнечного и машинного масла. Аналитический аспект этого опыта очевиден – и не случайно далее предлагается распознать образцы сливочного масла и маргарина.

Не только учебники, но и стандарты школьного образования требуют от учителя целенаправленного формирования знаний о методах исследования веществ, умения применять отдельные методы анализа для идентификации типичных и (или) наиболее распространенных представителей основных классов неорганических и органических соединений. В структуре федерального компонента стандартов основного и среднего (полного) общего образования эти требования конкретизированы. В таблице представлены некоторые выписки из нормативных документов. Подчеркнем, что приведенные требования – не исчерпывающие, а минимальные.

Требования к уровню формирования химических знаний и умений выпускников

Структурный элемент стандарта	Основное общее образование	Среднее (полное) общее образование
		базовый уровень	профильный уровень
Уметь распознавать опытным путем:	кислород, водород, углекислый газ, аммиак; кислоты и щелочи, хлорид-, сульфат-, карбонат-ионы
Выполнять химический эксперимент:		по распознаванию важнейших неорганических и органических веществ	по распознаванию важнейших неорганических и органических веществ
Использовать приобретенные знания и умения в практической деятельности и повседневной жизни:	для приготовления растворов заданной концентрации	для приготовления растворов заданной концентрации в быту и на производстве	для распознавания и идентификации важнейших веществ и материалов; для оценки качества питьевой воды и пищевых продуктов

Говоря о качественных реакциях, надо подчеркивать, что эти реакции – лишь один из многих методов качественного анализа, самый простой, самый старый, но сегодня далеко не самый важный. Иначе у учащихся сложится ошибочное мнение, что любой химический анализ сводится к использованию пробирок и индикаторов. Преодолеть этот ошибочный стереотип потом (в вузе или на производстве) будет очень трудно.

Следующий этап в формировании представлений о химическом анализе в основной школе может быть реализован, начиная с введения понятия смесь. Характеризуя свойства смесей, состоящих из одних и тех же чистых веществ (компонентов), важно указывать, что свойства смесей зависят от количественного соотношения компонентов, что это соотношение устанавливают с помощью химического анализа. Таким образом, понятие химический анализ рассматривается уже не только как способ установления качественного состава объектов, но и как способ установления их количественного состава. Для введения понятия количественный анализ следует давать информацию о качественном и количественном составах некоторых известных смесей по мере изучения неорганической и органической химии. Например, характеризуя металлы как простые вещества, целесообразно познакомить учащихся с составом наиболее распространенных сплавов. Аналогичные приемы можно использовать при изучении всех классов неорганических и органических соединений. Однако этого недостаточно. Формирование первоначальных представлений о количественном анализе требует введения понятий массовая и объемная доля компонента смеси. В дальнейшем вводятся такие понятия, как молярная концентрация раствора, константа равновесия, константа диссоциации, произведение растворимости, ионное произведение воды и даже водородный показатель (рН раствора). Все они необходимы для осознанного восприятия информации о химических методах количественного анализа. Другое условие – знание основных законов химии: сохранения массы, постоянства состава, эквивалентов, а также закона действия масс.

Первоначальные представления о двух основных видах химического анализа – качественном и количественном анализе – формируются на основе изучаемого на уроках химии материала о неорганических и органических соединениях, а также о качественном и количественном составе некоторых смесей. Вводить на этом этапе обучения другие классификационные основания, выделять другие виды анализа нецелесообразно. Понятия объект анализа и объект определения еще не вводятся; точность, чувствительность, продолжительность анализа не рассматриваются. Объем фактических знаний, которыми располагают учащиеся, недостаточен для этого. Вместе с тем учитель должен понимать, что, осваивая содержание школьного курса химии, учащиеся реально знакомятся с элементным, молекулярным и структурно-групповым анализом.

Важной составляющей представлений о химическом анализе являются знания о методах анализа. Обязательный минимум содержания основных общеобразовательных программ по химии позволяет учащимся познакомиться с некоторыми методами идентификации, разделения и концентрирования. Так, изучаемые на уроках физические методы разделения смесей и очистки веществ – фильтрование, кристаллизация, экстракция, дистилляция и т. п. – позволяют рассказать о методах разделения и концентрирования в целом. Примерами могут быть разделение смеси бензин – вода с помощью делительной воронки, экстрагирование красителей и других веществ (например, иода) бензолом из водных растворов. Освоение этих методов связано с выполнением химического эксперимента, решением экспериментальных задач. А вот серьезное знакомство с методами количественного определения веществ в базовом школьном курсе химии не предполагается. В основном оно сводится к определению рН водных растворов с помощью индикаторной бумаги (профильный уровень образования в старшей школе). В какой-то степени методы количественного анализа должны быть предметом рассмотрения и при изучении элементного состава органических соединений. В нормативных документах по изучению химии в X классе прямо упоминается тема «Определение элементного состава органических веществ». Целесообразно рассматривать ее и на качественном, и на количественном уровнях.

Школа должна систематически знакомить учащихся и с результатами применения отдельных методов анализа. Ими могут быть данные о наличии в структуре молекул (чаще всего, органических соединений) определенных функциональных групп, о качественном и количественном составе важнейших природных и техногенных смесей, о состоянии окружающей среды и техногенных выбросах, о промежуточных и конечных продуктах отдельных химических реакций. На результаты химического анализа нужно ссылаться и при изучении смежных курсов, например, на уроках биологии. Отметим попутно, что в аспекте химического анализа межпредметные связи реализуются и на уроках физики, если там рассматриваются спектры атомов или явление электролиза.

Таким образом, к числу «химико-аналитических» задач, решаемых на обычных уроках химии, следует отнести: формирование общих представлений о химическом анализе и двух его основных видах (качественный и количественный анализ), осознание значимости анализа как способа научного познания природы, первое знакомство с некоторыми методами анализа и, в частности, с некоторыми качественными реакциями. Однако нельзя переоценивать возможности базового курса химии. Сформировать развернутые представления о методах, объектах, методиках анализа в рамках этого курса нельзя, хотя бы из-за недостатка времени. Да такие представления и незачем формировать на обычных уроках. Это можно и нужно делать при изучении элективов и факультативов, реализуя (в какой-то степени) индивидуальную программу обучения.

Химический анализ в рамках элективных и факультативных курсов. Как уже отмечалось, общеобразовательная подготовка по химии предусматривает не только инвариантную, но и вариативную составляющую. Последняя, представленная элективными и факультативными курсами, призвана обеспечить профильное обучение в старшей школе. Естественно, содержание элективов по химии должно отражать специфические особенности химии как области научного знания. Элективы, посвященные химическому анализу веществ, удовлетворяют всем методическим требованиям. Еще в 1935 г. Л.М. Сморгонский, автор одного из первых методических сборников по изучению и применению качественного анализа в средней школе, отмечал, что правильно поставленное изучение анализа приводит к развитию так называемого химического мышления. Развитие представлений о химическом анализе позволяет расширять кругозор учащихся, повышать уровень их знаний, формировать естественнонаучное мировоззрение, формировать грамотное поведение в быту, природе, на производстве. Дополнительные занятия по химическому анализу способствуют изменению общего отношения к химии как к учебной дисциплине.

На практике «химические элективы» часто направлены на изучение качественного состава веществ и знакомят школьника с методами качественного анализа. Примером может быть курс «Вещества в моем доме»¹. Основная идея курса – изучение химического состава жизненного пространства жилого дома. Курс рассчитан на 64 часа (2 часа в неделю); основные разделы: «Вещества на кухне», «Вещества в аптечке», «Вещества в ванной», «Вещества в кладовой». В каждом из разделов предусмотрено использование химического эксперимента для подтверждения качественного (а иногда и количественного) состава вещества. Например, в разделе «Вещества на кухне» при знакомстве с питьевой содой учащиеся проводят лабораторные опыты по приготовлению растворов питьевой соды, определению значений рН этих растворов, термическому разложению соды. При этом необходимо опознать продукты разложения.

Можно, но вовсе не обязательно целиком посвящать электив химическому анализу. Так, в опубликованных программах ряда элективов «аналитический» характер имеют лишь отдельные занятия. В частности, учителя-методисты знакомят школьников с методами идентификации веществ при выполнении следующих лабораторных опытов и практических заданий: «Распознавание растворов электролитов», «Получение и обнаружение кислорода», «Определение элементного состав углеводородов», «Обнаружение непредельных соединений в жидких нефтепродуктах», «Распознавание пластмасс и волокон» и др. Некоторые авторы рекомендуют проводить подобные занятия в классической логике вузовского практикума по аналитической химии, но с использованием простых и знакомых школьникам объектов, например, исследуя состав школьных мелков.

Наиболее существенными отличиями элективных курсов, реализуемых в старшей школе, должны стать усложнение используемых методик – речь идет о переходе к количественному анализу! – и исследование объектов более сложного состава. Выполнение таких практических работ, как «Анализ почвы и воды», «Приготовление растворов с определенной массовой долей растворенного вещества», позволяет приобрести некоторые навыки использования методов разделения и концентрирования. Программы соответствующих элективов могут быть связаны с профессиональной деятельностью в области медицины, экологической экспертизы, стандартизации и сертификации.

Типовых программ элективных курсов химико-аналитической направленности нет, каждую программу разрабатывает сам учитель (вспоминая при этом свой вузовский курс АХ). Можно использовать регулярно публикуемые в научно-методических журналах методики исследования разнообразных природных и техногенных смесей, а также стандартные методики, заимствованные в контрольно-аналитических лабораториях. Примерами могут быть программы «Изучение методов очистки сточных вод в школьном курсе химии»¹ и «Определение качества молока и молочных продуктов»². Существуют и книги по методике преподавания химического анализа в школе и других образовательных учреждениях, а также пособия для учащихся (к сожалению, они издавались довольно давно). Содержание и методика проведения элективов могут соответствовать общей логике вузовского курса аналитической химии, либо использовать отдельные фрагменты этого курса, углубляющие и дополняющие школьный материал по неорганической и органической химии.

Несколько элективов могут объединяться в практикумы обобщаюшего характера. Цикл элективов может быть следующим: общая и неорганическая химия (9, 10 кл.), качественный анализ неорганических веществ (9, 10 кл.), классический количественный анализ (11 кл.), работы по изучению кинетических закономерностей и характеристик химического равновесия (11 кл.), синтетические задачи (11 кл.). При этом из качественного анализа неорганических веществ в обобщающий практикум предлагается¹ включать следующие вопросы: классификация катионов по кислотно-щелочной схеме анализа, использование реакций осаждения в качественном анализе (катионы), групповые и селективные реакции анионов. В практикум по количественному анализу предлагается вводить перманганатометрию – определение концентрации H₂O₂; иодометрию – определение концентрации соли меди; фотометрия – определение железа(III) с помощью сульфосалициловой кислоты. Предполагается самостоятельное приготовление стандартных растворов для титрования, построения градуировочного графика и т. п.

Другой обобщающий практикум «Изучение состава и свойств веществ» позволяет формировать знания, умения и навыки химико-ана- литической направленности на более высоком уровне. Этот курс² включает следующие занятия:

Содержание практикума	Объект исследования	Осваиваемые и закрепляемые экспериментальные методы
Изучение условий взаимодействия металлов с водой	Алюминиевые изделия, стальные предметы, медный провод	Обнаружение ионов металлов. Количественный анализ
Анализ безалкогольных напитков	Лимонады, газированные напитки, минеральная вода	Определение рН с помощью индикаторов. Обнаружение хлорид-, сульфат-, карбонат-ионов. Кислотно-основная титриметрия, ионометрия
Определение состава молока и обнаружение фальсифицирующих добавок	Молоко, молочнокислые продукты. Сок квашеной капусты, квас	Бутирометрия, ареометрия. Обнаружение моносахаридов, хлорид-, карбонат-ионов, ионов магния и кальция. Кислотно-основная титриметрия, бумажная хроматография
Определение и устранение жесткости воды	Образцы воды из различных источников	Определение рН среды с помощью индикаторов. Обнаружение ионов магния и кальция. Умягчение воды (осадительное, ионообменное, термическое). Комплексонометрия, кислотно-основная титриметрия
Определение состава карбонатной смеси	Мел школьный, строительная известь, мрамор, «состарившийся» раствор щелочи	Газометрия, гравиметрия. Обнаружение углекислого газа, крахмала, ионов кальция
Определение состава накипи и способы ее удаления	Образцы накипи	Колориметрия (визуальная)

Логике построения курса аналитической химии лучше соответствуют факультативы. Они могут и должны отражать современное состояние химической науки и промышленности, способствуя развитию устойчивого интереса к химии, выбору профессии, формированию химической картины мира как составляющей естественно-научной картины мира. Объем факультатива (в часах) обычно несколько больше, чем объем электива.

Одним из традиционных и хорошо разработанных в методическом отношении курсов является факультатив «Основы химического анализа»¹, рассчитанный на школьников 9–11 классов. Его объем может составлять до 136 часов, т. е. 2 часа в неделю в 10–11 классах. Основные элементы курса: правила работы в химической лаборатории, аппаратура и техника проведения полумикроанализа, теоретические основы химического анализа, качественный анализ, количественный анализ. Таким образом, структура факультатива изоморфна структуре классического курса аналитической химии. Содержание раздела «качественный анализ» включает обнаружение катионов (кислотно–щелочной метод), обнаружение анионов на основе различной растворимости солей бария и серебра, анализ раствора или твердого вещества неизвестного состава. Раздел «количественный анализ» представлен гравиметрическим, титриметрическим, колориметрическим и хроматографическим методами анализа. Итогом освоения программы факультатива является способность учащихся провести анализ пищевых продуктов, нефтепродуктов, твердого топлива. Альтернативой этому факультативному курсу может быть курс «Идентификация органических соединений»¹. Он позволяет расширить представления учащихся об органических соединениях и о методах их обнаружении, приобрести экспериментальные навыки работы в химической лаборатории, повысить интерес и к органической, и к аналитической химии.

Принципиальное отличие элективных и факультативных курсов, построенных на основе химического анализа, от курсов, используемых в профессиональной подготовке (колледжи, техникумы, вузы), – это иная цель преподавания этих курсов. Ознакомление учащихся с методами анализа делается не только ради расширения их кругозора, а, главным образом, ради возможности повторить, углубить и лучше осмыслить материал из общей, неорганической и органической химии. Именно поэтому практические работы по качественному анализу в школе обычно строят не как последовательное изучение реакций ионов разных аналитических групп, а по видам применяемых реакций (реакции осаждения, комплексообразования, окислительно-восстановительные и т. п.). Такой подход дает возможность учителю варьировать объем и глубину теоретического рассмотрения материала в зависимости от подготовки учащихся при одном и том же практическом наполнении занятий. Если рассматривать элективы и факультативы химико-аналитической направленности как средство повышения качества знаний по химии, следует прийти к выводу, что рассматривать современные физические методы анализа здесь не следует, как бы они ни были интересны и важны. Правильнее было бы рассматривать такие методы в ходе внеклассных занятий. Однако вряд ли названная выше главная цель «химико-аналитических» элективов и факультативов может считаться единственной. Важной задачей (она характерна и для внеклассных занятий) является выработка профессионально ориентированных умений и навыков. Речь идет об умении взвешивать вещества, измерять объем растворов, готовить растворы заданной концентрации, проводить операции с ними, не допуская потерь вещества и нарушений техники безопасности, и т. п.

Очевидно, «химико-аналитические» задачи, решаемые в ходе предпрофильной и профильной подготовки школьников (в рамках элективов и факультативов), отличаются от аналогичных задач, решаемых на обычных уроках, при освоении инвариантной части школьного курса химии. При изучении элективов и факультативов химико-аналитической направленности должны быть сформированы представления о важнейших методах и некоторых методиках качественного и количественного анализа с применением химических реакций, развиты общие представления о химическом анализе и его объектах, выработаны некоторые профессионально ориентированные умения и навыки.

Химический анализ на внеклассных занятиях. Проявления индивидуального интереса к предмету и склонности к деятельности в области химии, не предусмотренные программами обычных уроков, элективов и факультативов, должны реализовываться на внеклассных занятиях. Можно выделить следующие направления внеклассной работы:

• теоретическое (доклады, рефераты, решение задач повышенной трудности);

• экспериментальное (лабораторный практикум, учебно-исследо­ва­тельская работа учащихся);

• конструкторское (конструирование приборов, макетов, моделей, изготовление наглядных пособий, сбор коллекций).

Одна из лучших форм внеклассных занятий – кружок по аналитической химии, который охватывает все три этих направления. Программа занятий в таком кружке может быть аналогична содержанию вышерассмотренного факультативного курса «Основы химического анализа», хотя это не лучший вариант. Программа кружка должна отличаться от программы факультатива, быть менее сложной в теоретическом отношении, но более ориентированной на практику, на самостоятельную работу учащихся. Объем программы может составлять от 70 до 140 часов. В этом случае школьники осваивают технику лабораторных работ, изучают теоретическое введение в аналитическую химию, методы качественного анализа веществ (не только качественные реакции), методы количественного анализа веществ (гравиметрический, титриметрический, фотометрия, ТСХ и т. п.). Основное внимание должно уделяться самостоятельному выполнению анализов, разумеется, речь идет о несложных методиках анализа реальных объектов. Выполняемые в рамках кружка практические работы исследовательского характера вводят учащихся в увлекательный профессиональный мир аналитика и раскрывают общественную значимость этой профессии.

Какие же именно реальные объекты можно исследовать на занятиях кружка? Не только авторы этой книги, но и многие другие руководители кружков и профориентационных школ убедились, на своем опыте, что «лучшими объектами анализа» для школьников являются природные и сточные воды. Налицо следующие преимущества объекта:

• непосредственно ощущаемая школьниками значимость соответствующих анализов, их очевидная связь с жизнью;

• повсеместная доступность объекта и легкость пробоотбора;

• отсутствие трудоемких и сложных операций пробоподготовки, благоприятная возможность концентрирования микропримесей (упаривание, экстракция);

• разнообразие методов качественного и количественного анализа, которые могут быть использованы (а значит, и освоены) в ходе исследования состава воды;

• относительная легкость выполнения методик анализа (по сравнению, например, с анализами воздуха, сталей или лекарственных препаратов), возможность обойтись простейшим оборудованием для проведения анализа;

• непосредственная связь результатов анализа с материалом учебных дисциплин, прежде всего с курсом химии (темы «Растворы», «Диссоциация», «Гидролиз» и т. п.);

• громадное экологическое значение результатов анализа природных и сточных вод, ознакомление школьников с такими понятиями, как ПДК, техногенные выбросы, самоочищение водоемов;

• возможность использования самостоятельно полученных данных для оценки состояния окружающей среды в разных пунктах или в разное время (мониторинг).

Школьники легко могут определить органолептические показатели воды, ее минерализацию, жесткость, величину рН, показатели ХПК или БПК. Можно обнаружить, а потом и определить катионы некоторых металлов, хлор, хлориды, соединения железа(III). Интересно попытаться обнаружить в воде тяжелые металлы, фосфаты, нефтепродукты, фенолы. Соответствующие методики доступны¹, понятны школьникам и дают хорошо воспроизводимые результаты. Анализы выполняются в основном методами титриметрии и фотометрии. Если фотоэлектроколориметр достать не сумели (хотя это очень распространенный прибор), его вполне можно заменить, применяя для определения железа и фенолов визуально-колориметрический метод стандартной шкалы. Интересным объектом определения может быть растворенный в воде кислород (показатель возможности замора рыбы подо льдом, показатель скорости коррозии металлических изделий и т. п.). Однако определение этого показателя – химическое или электрохимическое (второе предпочтительнее) – часто ведет к плохо воспроизводимым результатам.

В течение одного учебного года в кружке могут быть освоены все указанные методики, определены и сопоставлены с соответствующими ПДК перечисленные показатели, причем не для одной пробы, а для нескольких (например, сточной, речной и водопроводной воды).

Разумеется, наши рекомендации по выбору объекта анализа и набора определяемых компонентов могут быть пересмотрены с учетом местных условий и интересов учителя.

В рамках кружка по химии нередко ведется и подготовка учащихся к практической части олимпиад областного, зонального, всероссийского уровня. Нередко задания практического тура олимпиад включают материал вузовского курса аналитической химии, здесь требуются знания и умения в использовании самых разных методов качественного и количественного анализа. Примером может быть задание экспериментального тура одной из таких олимпиад (зональный уровень, 2000 г.)

10 класс. Определите, карбонат какого металла находится в выданной Вам пробе. Напишите методику определения и необходимые уравнения реакций, учитывая, что выданное вещество плохо растворимо в воде. Обоснуйте выбор индикатора на каждом этапе определения. Реагенты: 0,1 М НС1, 0,1М NaOH, индикатор метиловый оранжевый. Оборудование: стакан термостойкий, 2 бюретки, пипетка Мора, электроплитка.

11 класс. Определите содержание дихромата калия (в г) в выданном растворе методом перманганатометрического титрования. Составьте краткую методику проведения анализа. Приведите уравнения соответствующих реакций и расчетные формулы. Объясните необходимость использования серной и фосфорной кислот. Реагенты: 0,01М KMnO₄, титрованный 0,05 М FeSO₄, 1M H₂SO₄ , 2M H₃PO₄. Оборудование: мерная колба, пипетка Мора, бюретка, конические колбы (для титрования), воронка.

Очевидно, составители подобных заданий рассчитывают на школьников, серьезно отличающихся по уровню своей химико-аналитической подготовки от среднего школьника. Действительно, тематика и содержание некоторых докладов на научно-практические конференции школьников, организуемых внешкольными образовательными учреждениями, подтверждают высокий уровень знаний, творческую активность и профессиональную ориентированность соответствующих школьников, хотя таких докладов обычно немного. Примером может быть доклад «Токсичные вещества в природных водоемах города Омска», подготовленный двумя школьницами по материалам собственноручно выполненных анализов (на базе городского Дворца творчества школьников) или доклад «Состояние многоосновных кислот в водных растворах при разных рН», в котором приводятся результаты соответствующих компьютерных расчетов. Второй доклад был подготовлен в рамках профориентационной школы «Юный химик» ОмГУ, причем школьник сам составил программу расчета мольных долей разных форм кислот. В успехе этих школьников несомненны заслуги их учителей и руководителей, которые таким образом реализовали свои знания в области аналитической химии и методики ее преподавания.

В ходе внеклассных занятий хорошо подготовленный преподаватель может рассказать своим учащимся о возникновении и развитии химического анализа, о научных исследованиях, которые привели к открытию химических элементов и выявлению их характеристических свойств, о современных физических и физико-химических методах анализа, об особенностях анализа разных объектов, особенно объектов окружающей среды. В какой-то степени эти вопросы могут затрагиваться и в рамках факультативов и элективов, поскольку они прописаны и в структуре ныне действующих стандартов школьного образования. Так, в обязательный минимум содержания среднего общего образования (профильный уровень) теперь включены «современные физико-химические методы установления структуры веществ», «химические методы разделения смесей», «физические методы разделения смесей и очистки веществ» (включая экстракцию!) и даже «химическое загрязнение окружающей среды». Ничего этого в школьных программах 20–30-летней давности не было. Проблема лишь в том, чтобы такие – очень непростые для учителя! – темы излагались на должном научном уровне с использованием фактического материала, накопленного исследователями, в частности профессиональными аналитиками.

Конечно, высокий уровень химико-аналитических знаний школьников – не самоцель. Но его достижение способствует и эффективному усвоению всего учебного материала по химии, и развитию творческих способностей и личностных качеств учащихся. Последнюю цель в какой-то степени конкретизируют «Требования к уровню подготовки выпускников (федеральный компонент, среднее общее образование)». В этом документе в число задач включены: «Самостоятельное создание алгоритмов познавательной деятельности для решения задач творческого и поискового характера», «Выдвижение гипотез и осуществление их проверки» и даже «Критическая оценка достоверности химической информации». Химический анализ, как никакая другая область химии, открывает широкие возможности для развития творческих способностей, поскольку в ходе анализа постоянно возникают и разрешаются проблемные ситуации, выдвигаются гипотезы о составе вещества и возможных способах его определения. Готовых, раз навсегда заданных ответов здесь не бывает, любую методику приходится проверять, оптимизировать и снова проверять.

Естественно, для развития профессиональных творческих способностей нужен личный опыт, активная и в достаточной мере самостоятельная деятельность в избранной области. Обеспечить все это могут только внеклассные занятия. Нам представляется, что для развития творческих способностей и личностных качеств наиболее полезным видом деятельности может быть разработка методики анализа некоторого реального объекта, не «вообще», а для решения какой-то конкретной аналитической задачи. Разработка подходящей методики требует не столько детальных и глубоких химических знаний, сколько наличия общехимической эрудиции, логики и четкости самостоятельного мышления, даже в какой-то степени интуиции – все эти качества для химиков-аналитиков профессионально значимы. Вовсе не случайно, что многие в будущем знаменитые химики (например, Либих) в свои школьные годы втайне от взрослых или с их помощью организовывали собственные химические лаборатории и анализировали в них разные вещества. Оценка достоверности полученных результатов требует (и вырабатывает!) определенные личностные качества. В этой связи стоит привести характерное высказывание одного из основателей аналитической химии Карла Фрезениуса, сделанное им в 1847 г.: «Знание и умение должны сочетаться со стремлением к достижению цели, а также с честностью и добросовестностью. Каждый аналитик иногда сомневается в точности полученных результатов, а иногда и заведомо знает, что они неверны. Он может пролить несколько капель раствора или сделать какую-либо другую ошибку. Единственное, что должен сделать аналитик в такой ситуации, это повторить анализ; оценивать потерю на глаз или вносить поправку недопустимо. Тот, у кого на это не хватит силы воли, не годится в аналитики, даже если он хорошо владеет техникой анализа и обладает достаточными знаниями. Химик, который не может поклясться, что результаты его работ надежны и достоверны, не должен их публиковать, если он все же сделает это, то причинит вред не только себе, но и всей науке». Несомненно, высказывание Фрезениуса совершенно не устарело и относится не только к подготовке профессиональных химиков-аналитиков.

Рассматривая вопрос о связи химического образования и химического анализа, Д.И. Менделеев писал: «Главную же помощь для самостоятельного, а потому наиболее верного и полного развития пусть ищут начинающие… в изучении и в практических работах по аналитической химии». Этой замечательной цитатой авторы хотели бы завершить свою книгу.

Учебное издание

Вячеслав Исаакович Вершинин, Ирина Васильевна Власова, Ирина Анатольевна Никифорова

Основы аналитической химии

Учебное пособие

Санитарно-гигиенический сертификат № 77.99.60.953 Д 000323.0107 от 18.01.07

Технический редактор М.В. Быкова

Редактор Л.Ф. Платоненко

Оформление обложки З.Н. Образова

Подписано в печать _______2007. Формат бумаги 60х84 1/16.

Печ. л. 37,0. Уч.-изд. л. 36,9. Тираж 250 экз. Заказ ____.