Исследование свойств этанола: практические задачи для старшеклассников

Хочуева Фатима Заурбековна, учитель химии высшей квалификационной категории

Одним из способов усвоения знаний учащимися является вовлечение их в исследовательскую деятельность, в ходе которой они самостоятельно решают поставленные задачи и ясно осознают изучаемое; овладевают умениями добывания новых знаний, постоянно обращаясь к теории и эксперименту. Считаю, этот способ наиболее эффективным и часто использую при изучении материала в старших классах.

Методическая цель: показать формы и методы организации исследовательской деятельности учащихся, опираясь на теоретическую базу и химический эксперимент.

Тип урока: урок – исследование химического вещества.

Тема урока: « Этанол - основной представитель предельных одноатомных спиртов»

Девиз: Химия – удивительная наука, она вводит человека в мир различных веществ, который окружает нас. Учите химию, и вы добьётесь успеха в жизни.

Цели:

- развивающие: развитие познавательных, интеллектуальных и созидательных способностей личности, приобретение навыков самостоятельной работы в микрогруппах, раскрытие творческого потенциала ученика; усвоение операций сравнения, анализа, обобщения, конкретизации и систематизации;

-учебные: всесторонне исследовать и изучить этиловый спирт (строение, физические и химические свойства, получение в промышленности и лаборатории, применение);

-воспитывающие: воспитание целеустремлённости, активности в приобретении новых знаний, любознательности, творчества и аккуратности в выполнении задания.

Этапы урока – исследования

Мотивационно - ориентировочный этап

Операционно - исполнительский этап

Оценочно – рефлексивный этап

1Этап. Мотивационно-ориентировочный.

Фронтальная беседа с целью актуализации знаний по теме «Спирты»:

* какие соединения относят к спиртам?

* какова формула и название функциональной группы спиртов?

* как классифицируют спирты: по типу углеводородного радикала; по числу

гидроксильных групп в молекуле; по типу углеродного атома, связанного с гидроксильной группой;

* какова общая формула предельных одноатомных спиртов?

* как называются первые представители гомологического ряда этого класса

спиртов?

Далее сообщаю, что предметом исследования на уроке будет этиловый спирт.

Для мотивации познавательной деятельности учащихся даю историческую справку:

«Ещё в IV в. до н.э. люди умели приготавливать напитки, содержащие этанол или винный спирт. Вино получали сбраживанием фруктовых или ягодных соков. Однако выделять из него дурманящий компонент научились значительно позже. В XI в. алхимики обнаружили, что при нагревании вина образуются пары летучего вещества, которые при охлаждении конденсируются в жидкость со жгучим вкусом. В средние века винный спирт считался одним из сильнейших лекарственных средств, одно из его названий «жизненная вода». Впервые в XV в. слово «алкоголь» применил к этиловому спирту основатель иатрохимии Теофраст Парацельс. В XVIII в. А. Лавуазье установил, что в состав этанола входят углерод, водород и кислород. Молекулярную же формулу С2Н6О определил в 1833г. Й. Я. Берцелиус».

В соответствии с современными воззрениями этиловый спирт относится к ксенобиотикам – веществам, не содержащимся в человеческом организме, но влияющим на его жизнедеятельность. Ксенобиотики можно разделить на 3 группы: питательные вещества, лекарственные средства и яды. Дома Вы должны будете ответить на проблемный вопрос: К какой группе ксенобиотиков можно отнести этиловый спирт?

Далее предлагаю самостоятельно составить план исследования данного вещества.

Учащиеся вырабатывают план решения познавательной задачи – исследование этилового спирта:

строение этанола;

физические свойства;

химические свойства;

способы получения;

области применения.

Принятие учениками целей урока способствует их ориентации на конечный результат.

2Этап. Операционно- исполнительский

Класс разбивается на творческие микрогруппы (пять групп), каждая группа работает над своим пунктом плана.

Исследование каждой группы включает: теоретический анализ, прогнозирование, эксперимент, формулирование вывода и оформление отчёта. Кроме того, каждая группа работает над решением проблемного вопроса или ситуации, предлагаемой мной и написанной заранее на карточках.

СТРОЕНИЕ ЭТАНОЛА (работает 1 группа)

Теоретический анализ

Учащиеся рассматривают молекулярную, структурную и электронную формулу этанола. Определяют вид химической связи. Рассматривают смещение электронной плотности внутри молекулы этанола. И далее решают проблемную ситуацию, предложенную мной: «В пространстве, оси р-орбиталей взаимно перпендикулярны, и, следовательно, величина валентного угла СОН должна быть близка к 90 градусам. Однако с помощью физических методов анализа доказано, что валентный угол между связями О-С и О-Н составляет 110 градусов. Какое предположение можно сделать, исходя из этого».

Прогнозирование

Учащиеся отмечают связь между гибридизацией атомов и наличием двух неподелённых электронных пар в атоме кислорода, которые могут влиять на величину валентного угла.

Теоретическое исследование и решение проблемы

Используя учебную и научную литературу, учащиеся самостоятельно, приходят к выводу, что атом кислорода находится в состоянии sp3- гибридизации. За счёт двух неспаренных электронов наsp3- орбиталях он образует две ковалентные полярные связи с атомами водорода и углерода. Величина валентного угла связи СОН близка к тетраэдрическому (110), гидроксильная группа имеет уголковую форму. На двух других sp3-орбиталях кислород содержит две неподелённые пары электронов. За счёт высокой электроотрицательности и наличия двух электронных пар, на атоме кислорода сосредоточен частичный отрицательный заряд. Атомы углерода и водорода объединены электронной плотностью и имеют частичный положительный заряд. Таким образом, молекула этанола представляет собой полярное соединение.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА (работа 2 группы )

Теоретический анализ

Учащиеся отмечают наличие взаимосвязи между строением вещества и его физическими свойствами. Выстраивают логическую цепочку: структурная формула – вид химической связи – наличие межмолекулярной связи – физические свойства.

Определяют основные характеристики физических свойств: цвет, прозрачность, плотность, растворимость в воде, температуры кипения и замерзания.

На основе полученных данных учащиеся решают проблемные вопросы:

«Почему в гомологическом ряду одноатомных спиртов нет газообразных веществ? Чем объясняется большая растворимость этанола в воде? Почему при смешивании одинаковых объёмов этанола и воды, объём раствора уменьшается?»

Прогнозирование

Ученики выдвигают гипотезу, что причина всех этих особенностей кроется в образовании многочисленных водородных связей, возникающих между молекулами спирта, а также между молекулами спирта и воды. Это обуславливает хорошую растворимость спирта в воде. Докажем это экспериментально.

Эксперимент

Учащиеся получают план проведения эксперимента:

1.Отмерить с помощью мерного цилиндра по 50 мл воды и спирта.

2.Смешать эти жидкости в пробирке и опустить туда термометр.

3.Измерить температуру и сделать вывод об энергетике процесса.

4.Измерить общий объём полученного раствора.

5.Объяснить результаты опыта, используя сущность понятия контракции.

Выводы и оформление отчёта.

Наличие водородных связей сказывается на физических свойствах спиртов.

1.Молекулы спирта сильно связаны между собой, по сравнению, с углеводородами, поэтому в гомологических рядах спиртов нет газообразных веществ.

2.Водородные связи образуются между молекулами спирта и воды. Процесс этот энергетически выгодный, происходит с выделением тепла, т.е. экзотермический.

3.Водородные связи между молекулами спирта и воды настолько велики, что происходит уменьшение суммарного объёма раствора, его «СЖАТИЕ». Это явление называется контракцией.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА (3 группа )

Теоретический анализ

Учащиеся, на основе анализа строения молекулы этанола и на базе материала изученного в 9 классе, прогнозируют, что этанол может вступать в реакции: с активными металлами, реакции замещения, окисления, элиминирования. Записывают уравнения химических реакций в отчёте:

С2Н5ОН + Na;

+ СН3СООН;

+ НВr;

+ О2;

- Н2О (T меньше 140С, Н2SO4);

-H2O ( 140С, H2SO4).

Определяют тип химической реакции и условия её протекания.

Решают проблемные вопросы:

1.Если в молекуле этанола атом водорода замещается на атом металла то, можно ли считать спирт кислотой?

2.Какую реакцию можно использовать как качественную на этанол?

Прогнозирование

Кислотные свойства вещества зависят от природы и степени окисления атома, связанного с гидроксильной группой. Чем выше электроотрицательность и степень окисления этого атома, тем полярнее связь О-Н, тем сильнее кислотные свойства вещества. С группой –ОН в этаноле связан атом углерода, следовательно, этанол должен проявлять свойства кислоты.

Качественной может быть какая-либо цветная реакция. Это, как правило, реакция окисления сильным окислителем.

Эксперимент

План проведения эксперимента 1:

1.В две чашки Петри с несколькими миллилитрами воды и этанола поместить два кусочка натрия размером со спичечную головку.

2.Сделать выводы о скорости протекания реакции.

3.Проверить раствор спирт на изменение окраски индикатора.

План проведения эксперимента 2:

1.В пробирку налить 1 мл 4 -5 %-ного раствора бихромата калия .

2.Добавить15%- ный раствор серной кислоты до общего объёма 5 мл.

3. Разлить равные объёмы окислительной смеси в 2 пробирки.

4. В одну добавить 3 капли этанола, а в другую- изопропиловый спирт.

5. Следить за изменением цвета раствора в пробирках, если реакция не начинается, то содержимое пробирки подогреть.

6. Сделать выводы и оформить отчёт.

Теоретическое обоснование и выводы

1. Из-за положительного индуктивного эффекта алкильного радикала кислотные свойства спирта настолько слабы, что этанол является ещё более слабой кислотой, чем вода. Реакция протекает медленнее, чем в воде. Этанол не вызывает изменение окраски индикатора.

2. Уже при комнатной температуре в пробирке с этанолом цвет раствора постепенно изменяется с оранжевого на зелёный вследствие появления ионовCr3+ . В пробирке с изопропиловым спиртом окраска появляется только после нагревания. Следовательно, данную реакцию можно считать качественной на этанол.

3С2Н5ОН +K2Cr2O7+ 4H2SO4 = 3CH3COH + K2SO4 + Cr2(SO4)3 + 7H2O.

ПОЛУЧЕНИЕ ЭТАНОЛА (4 группа)

Теоретический анализ

Для получения этанола можно использовать:

1.Реакцию гидратации этилена:

C2H4 + H2O = С2Н5ОН

2.При пропускании смеси паров этаналя с водородом над никелевым катализатором :

СН3СОН + Н2 = С2Н5ОН

3.Спиртовое брожение под действием ферментов:

С6Н12О6 = 2С2Н5ОН +2 СО2

Проблемный вопрос: Можно ли использовать для получения этанола реакцию взаимодействия этанола с бромоводородом?

Прогнозирование

С2Н5ОН + НBr – С2Н5Br + Н2О

Эта реакция обратима, значит полезной, может оказаться обратная реакция- получение этанола.

Следовательно, необходимо определить условия смещения равновесия в сторону образования спирта.

Теоретическое обоснование и вывод:

Согласно принципу Ле-Шателье, можно увеличить концентрацию воды или

бромэтана. Но есть и другой подход. Можно, например, уменьшить концентрацию бромоводорода, превратив его в другое вещество. Проще всего в соль, подействовав щёлочью:

НBr + NaOH = NaBr + H2O

Объединив две реакции в одну и запишем в обратном направлении:

С 2Н5Br + NaOH С2H5OH + NaBr

Такая реакция называется щелочным гидролизом галогеналканов. В присутствии щелочи гидролиз практически необратим, поэтому является удобным методом получения спирта.

ПРИМЕНЕНИЕ ЭТАНОЛА (5 группа )

Теоретический анализ

Этанол может использоваться как топливо ( в т.ч. для ракетных двигателей). Широко применяется как растворитель (в лакокрасочной промышленности, в производстве товаров бытовой химии)

Этанол служит сырьём для химического синтеза. Получения-ацетальдегида, диэтилового эфира, тетраэтилсвинца, уксусной кислоты, этилацетата,этилена и др.

В пищевой промышленности является необходимым компонентом спиртных напитков, растворителем для пищевых растворителей.

В медицине этанол используется как обеззараживающее и подсушивающее средство, для приготовления настоек лекарственных трав и. т. д.

Проблемный вопрос: Наиболее перспективным является использование этанола как альтернативного источника топлива. Как Вы считаете, целесообразно ли это?

Прогнозирование:

Горение этанола - сильно экзотермическая реакция. При полном окислении 1 моль этанола выделяется 1370 кДж тепла. Поэтому логично предположить использование его в качестве экологически чистого топлива.

Теоретическое обоснование и вывод

Чистый этанол не используется в качестве топлива, его некоторая часть смешивается с бензином. Преимущества этанола в следующем: а) понижает стоимость топлива; б)повышает уровень октанового топлива; в) понижает выделение вредных выхлопных газов бензина; г) этанол возобновляемое топливо ( производится из кукурузы, сахарного тростника, которые берут свою энергию солнца, дождя, почвы ), д) горение этанола мягче для двигателя и приводит к длительной работе последнего.

Однако не совсем ясны экологические последствия перехода на этанольное топливо. Учёные опасаются, как бы его широкое применение не привело к росту эмиссии парниковых газов, что способствовало глобальному потеплению. Нужно учесть ещё, что этанол высоко летучее вещество и поэтому его нельзя транспортировать по трубам.

3.Этап ОЦЕНОЧНО- РЕФЛЕКСИВНЫЙ

Каждая группа учащихся оценивает свою исследовательскую деятельность на уроке, доводит до сведения класса результаты исследования, сдаёт оформленные отчёты своего исследования.

Мною подводится итог урока, где я отмечаю, что ребята выполнили исследовательскую задачу, сумели спрогнозировать и доказать особенности строения, свойства, получение и применения столь важного вещества как этанол. Решили сложные проблемные вопросы по своей теме. Поняли, что можно самостоятельно добывать знания, исходя из основных теоретических предпосылок и эксперимента.

В конце урока выставляю оценку каждой группе и предлагаю в качестве домашнего задания составить опорную схему по теме «Этанол» и напоминаю о проблемном вопросе: «К какому виду ксенобиотиков можно отнести этанол? Ответ мотивируйте.»

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/31614-jetanol