Naručitelj i nakladnik: Hrvatska akademska i istraživačka mreža – CARNET

Voditeljica projekta: Mirta Ambruš Maršić

Urednica: Anita Terzić Šunjić, prof.

Autori: Aleksandra Habuš, prof. savjetnik, Snježana Liber, prof. savjetnik

Stručnjak za metodičko oblikovanje nastavnih sadržaja: doc. dr. sc. Roko Vladušić

Savjetnik za metodičko oblikovanje nastavnih sadržaja: doc. dr. sc. Ivan Vicković

Stručnjaci za inkluzivno obrazovanje: Mara Modrić, prof. rehab., prof. dr. sc. Zrinjka Stančić

Metodički recenzent: doc. dr. sc. Valentina Pavić

Sadržajni recenzent: Dubravka Turčinović, dipl. ing.

Inkluzivni recenzent: doc. dr. sc. Katarina Pavičić Dokoza

Prijelom: Ivan Belinec

Lektura: Tanja Konforta, Marina Fakac

Izvori fotografija: Getty Images/Guliver image, Science Photo Library, Shutterstock, Pixabay, FreeImage

Izvoditelj: Profil Klett d.o.o.

Podizvoditelji: Centar Inkluzivne potpore IDEM, UX Passion

Više informacija:

Hrvatska akademska i istraživačka mreža – CARNET

Josipa Marohnića 5, 10000 Zagreb

tel.: +385 1 6661 500

www.carnet.hr

Više informacija o fondovima EU:

Ministarstvo regionalnoga razvoja i fondova Europske unije www.strukturnifondovi.hr.

2018. g.

Sadržaj ovog materijala isključiva je odgovornost Hrvatske akademske i istraživačke mreže – CARNET.

SADRŽAJ

4. KEMIJSKE PROMJENE, OSNOVE KEMIJSKOG RAČUNA I STEHIOMETRIJA KEMIJSKIH REAKCIJA

4.1. Kemijska sinteza i analiza

4.2. Ireverzibilne i reverzibilne reakcije

4.3. Egzotermne i endotermne reakcije

4.4. Uvod u kemijski račun

4.5. Množina tvari

4.6. Određivanje empirijske i molekulske formule spoja

4.7. Stehiometrija kemijskih reakcija

4.8. Ponavljanje i usustavljivanje gradiva o osnovama kemijskog računa i stehiometriji kemijskih reakcija

4. KEMIJSKE PROMJENE, OSNOVE KEMIJSKOG RAČUNA I STEHIOMETRIJA KEMIJSKIH REAKCIJA

Uvod

Ovaj priručnik namijenjen je nastavnicima i odnosi se na četvrti modul nastave za prvi razred srednje škole. Četvrti modul nosi naslov „Kemijske promjene, osnove kemijskog računa i stehiometrija kemijskih reakcija“. U priručniku je ukratko prikazano osam jedinica koje su obuhvaćene četvrtim modulom. Kroz sedam jedinica objašnjeni su pojmovi; kemijska sinteza i analiza, ireverzibilne i reverzibilne reakcije, egzotermne i endotermne reakcije, kemijski račun, množina tvari, empirijska i molekulska formula spoja te stehiometrija kemijskih reakcija. Osma jedinica objedinjuje gradivo modula i dobar je primjer sistematiziranja gradiva.

Naglašene su specifičnosti modula i pojedinih jedinica, te je ukazano na metode poučavanja i poteškoće koje nastavnik može očekivati u razredu pri radu na pojedinoj jedinici. U priručniku nije predviđeno da bude razmatrana izrada pripreme i radnih listića, ali su dani primjeri zadataka za uvježbavanje predstavljenog gradiva.

Popis jedinica:

4.1. Kemijska sinteza i analiza

4.2. Ireverzibilne i reverzibilne reakcije

4.3. Egzotermne i endotermne reakcije

4.4. Uvod u kemijski račun

4.5. Množina tvari

4.6. Određivanje empirijske i molekulske formule spoja

4.7. Stehiometrija kemijskih reakcija

4.8. Ponavljanje i usustavljivanje gradiva o osnovama kemijskog računa i stehiometriji kemijskih reakcija

Odgojno-obrazovni ishodi na razini modula:

 primijeniti matematičke vještine za stehiometrijske izračune

 primijeniti kemijsku terminologiju i simboliku za opisivanje sastava tvari

 analizirati kemijske promjene na primjerima reakcija anorganskih i organskih tvari

 analizirati izmjenu energije između sustava i okoline

 ostvariti pomak u razvoju prirodoslovno-znanstvenog pogleda na svijet

 ostvariti pomak u razvoju sposobnosti rješavanja problema

 ostvariti pomak u razvoju svijesti o važnosti ekonomične i ekološki prihvatljive uporabe kemikalija

4.1. Kemijska sinteza i analiza

Odgojno-obrazovni ishodi:

 razlikovati kemijsku analizu i sintezu

 istražiti primjenu pojedinih reakcija sinteze i analize i njihov utjecaj na zdravlje i okoliš

Metodika nastave predmeta

Kemijska reakcija je temeljni koncept u kemiji. Najjednostavnije je definiramo kao proces u kojem iz reaktanata nastaje jedna ili više novih tvari. Za prikazivanje kemijskih reakcija služimo se simboličkim prikazima. Specijalizirani jezik kemije utemeljen na simboličkim prikazima, fundamentalna je značajaka kemije kao znanosti i kemije kao nastavnog predmeta (Vladušić, 2017). Složenost tog simboličkog sustava vidljiva je već iz značenja slova koja, ponekad u kombinaciji s brojevima, između ostalog, simboliziraju (Taber, 2009, prema Vladušić, 2017):

– imena kemijskih elemenata (H, He, Li, itd.), od kojih je mali broj na hrvatskom jeziku očigledno povezan sa svojim simbolom (primjerice, ime helij je intuitivno vezano sa simbolom He; između imena željezo i simbola Fe nema takve veze)

– protonski broj (Z) i nukleonski broj (A)

– različite mjerljive veličine kao što su množina tvari, masa, volumen, tlak, valna duljina, temperatura, entalpija, entropija (n, m, V, P, λ, T, H, S) itd.

– skraćenice jedinica fizikalnih veličina (mol, kg, m3, Ps, cm−1, K, itd.), uključujući i njihove kombinacije (mol dm−3, J mol−1, itd.)

– različite konstante (k, H, Ka, z, itd.)

– oznake matematičkih odnosa kao što su promjena ili znak za veće (Δ, >)

– oksidacijska stanja u imenima spojeva, kao u sljedećim slučajevima: željezov(II) klorid i željezov(III) klorid; natrijev trioksosulfat(IV) i natrijev tetraoksosulfat(VI)

Vladušić (2017) je na sljedeći način opisao složenost simboličkog sustava koji se koristi za opis kemijskih reakcija:

Poznavanje značenja slovnih simbola je nužno, ali ne i dovoljno, da bi se razumio ili opisao neki kemijski koncept. Primjerice, znanje da simbol O predstavlja jedan atom kisika, dok O2 označava molekulu, tek je najosnovniji preduvjet razumijevanja značenja kemijskih jednadžbi kojima se opisuju promjene u kojima sudjeluje kisik. Pisanje ili tumačenje kemijske jednadžbe za učenike može biti zahtjevan zadatak. Razmotrimo jednadžbu koja prikazuje relativno jednostavan proces izgaranja kalcija:

2 Ca(s) + O2(g) 2 CaO(s)

Razumijevanje ovog izraza, između ostalog, podrazumijeva znanje da zapis Ca(s) predstavlja elementarnu čvrstu tvar kalcij te da formula CaO(s) simbolizira čvrstu tvar, kalcijev oksid, i iskazuje njezin sastav. Jednostruka strelica, (), za razliku od drugih vrsta strelica, implicira nepovratnost procesa kojim nastaje produkt. Množine tvari koje reagiraju i množine tvari koje nastaju reakcijom povezuju omjeri koje indiciraju koeficijenti. U ovom slučaju, određena množina kisika, O2(g) reagira s dvostruko većom množinom kalcija, Ca(s), pri čemu, u odnosu na množinu utrošenog kisika, nastaje dvostruko veća množina kalcijeva oksida, CaO(s).

Da bi razumjeli jednadžbe kemijskih reakcija, učenici trebaju razlikovati stehiometrijske koeficijente i indekse, elementarne tvari od kemijskih spojeva, molekularne od ionskih tvari, molekulske formule od formulskih jedinki ionskih spojeva. Kombinacijom simbola složenost izraza raste. Unatoč tome, nastavnici najčešće planiraju i provode nastavu pretpostavljajući učeničko ili studentsko razumijevanje relevantnih simboličkih izraza.

Dakle, prije nego li se u nastavi počne analizirati tip kemijske reakcije, poželjno je utvrditi značenje kemijske jednadžbe kojom se ona opisuje.

S konceptima kemijska analiza i kemijska sinteza učenici, u pravilu, nemaju poteškoća. S obzirom da se ti koncepti obrađuju i u osnovnoj školi, za očekivati je da će većina učenika imati znanje o njima, barem na razini pamćenja ili razumijevanja. Stoga se poučavanje preporučuje usmjeriti na razvoj viših razina znanja. Primjerice, reakcije analize – fotolizu, pirolizu i elektrolizu – preporučuje se proučiti kroz eksperimentalni rad i uz pomoć dostupnih videozapisa s interneta. Dodatno, poželjno ih je razmatrati i u životom kontekstu, odnosno u situacijama u kojima nemamo samo jednu tvar koju primjenom određene analitičke metode razlažemo na jednostavnije. U tu svrhu, između ostalog, može poslužiti jednostavna animacija kojom se prikazuje selektivna aktivacija bioreagensa fotolizom, dostupna na sljedećoj poveznici:

http://www.john-zhu.com/portfolio/multimedia/photolysis.

Literatura:

Vladušić, R. (2017). Metodičko znanje o kemijskim vezama s naglaskom na jezična pitanja u Republici Hrvatskoj. Doktorska disertacija, Split.

Uputa za rad s učenicima s teškoćama

Uvod i motivacija

U uvodnom dijelu motivirajte učenike s teškoćama da razmisle o kemijskim reakcijama koje se svakodnevno odvijaju. Potaknite učenike da navedu neke primjere reakcija. Naglasite im da se sve kemijske reakcije trebaju prikazati jednadžbom kemijske reakcije. Pri pojašnjavanju novih pojmova (reaktanti i produkti), navedite primjere iz svakodnevnog života. Navedite neke od reakcija koje su učenicima poznate (npr. nastajanje NaCl-a).

Razrada sadržaja i poučavanja

Pri obradi sadržaja vezanih uz pokuse, neka učenici s teškoćama ponove sva pravila ponašanja u laboratoriju, piktograme i načine zaštite pri izvođenju pokusa. Podsjetite ih u kojem modulu mogu ponoviti gradivo o navedenom. Prije izvođenja pokusa, naglasite učenicima na što trebaju obratiti posebnu pozornost. Ukoliko učenici imaju senzorne teškoće, važno je naglasiti pravila ponašanja. Pri čitanju i izjednačavanju kemijskih reakcija pružite podršku na način koji je opisan u uvodnom dijelu priručnika. Pri pojašnjavanju kemijske sinteze, analize i različitih primjera kemijske analize, pružite podršku pri čitanju kemijskih jednadžbi te povežite s pokusima koje ste izvodili na nastavi te primjerima iz svakodnevnog života. U ovom DOS-u je ponuđen interaktivni zadatak vezan uz razlaganje živinog (II) oksida. Iskoristite ovaj zadatak koji je potkrijepljen grafičkim prikazom reaktanata, produkata i tijeka reakcije. Ovakva vizualna podrška može biti ideja za poticanje samostalne izrade plakata ili umne mape. Također, videozapis ˝Vulkan˝, vezan uz kemijsku reakciju analize, obradite tako da učenici s teškoćama obuhvate ključne informacije. Pružite im podršku pri čitanju kemijskih izraza koji se javljaju u videozapisu. Ukoliko je potrebno, neka ga učenici nekoliko puta odgledaju. Isto vrijedi za videozapis vezan uz kemijsku sintezu, ˝Reakcija natrija i klora˝. Provjerite razumiju li učenici s teškoćama nove pojmove vezane uz analizu (piroliza, fotoliza, elektroliza). U zadatcima vezanim uz pokuse pružite podršku učenicima s teškoćama na način koji je opisan u uvodnom dijelu priručnika. Svakako pripremite sažetke i podsjetnike koji će im biti od pomoći pri rješavanju računskih zadataka.

Završetak

Prije rješavanja zadatka na završetku, provjerite jesu li učenici s teškoćama razumjeli i upamtili najvažnije informacije. Ukoliko je potrebno, ponudite im sažetak s ključnim informacijama i primjerima kemijskih jednadžbi.

4.2. Ireverzibilne i reverzibilne reakcije

Odgojno-obrazovni ishodi:

 razlikovati ireverzibilne od reverzibilnih kemijskih reakcija

 kritički razmotriti činjenicu da je većina kemijskih reakcija reverzibilna

Metodika nastave predmeta

Poput koncepata kemijska analiza i kemijska sinteza, i koncepti ireverzibilna reakcija i reverzibilna reakcija obrađuju se u osnovnoj školi te učenici u prvom razredu srednje škole, u pravilu, već imaju pravilne predodžbe o njihovom značenju. Stoga i u ovom slučaju naglasak u poučavanju preporučujemo staviti na razvijanje viših razina znanja, ponajprije kroz eksperimentalnu nastavu i objašnjavanje značenja simboličkih zapisa.

Uz eksperimente prikazane u DOS-u, predlažemo eksperimentalnu izvedbu termičkog raspada amonijevog korida u velikoj, zatvorenoj epruveti i zagrijavanje bakrova(II) sulfata pentahidrata u istoj takvoj, velikoj, termički stabilnoj, zatvorenoj epruveti. Oba eksperimenta služe za objašnjavanje reverzibilnih kemijskih reakcija.

Ireverzibilnost i reverzibilnost kemijskih reakcija u kemijskim se jednadžbama prikazuje specifičnim strelicama. To nisu jedini tipovi strelica koji se koriste u kemiji. Nepoznavanje njihova značenja može voditi k nerazumijevanju kemijskih procesa, odnosno njihovih simboličkih zapisa. Nije neobično da učenik, primjerice, strelicu koja simbolizira reverzibilnu reakciju zamijeni rezonancijskom strelicom koja povezuje dva prikaza strukture iste molekule koji različito prikazuju distribuciju elektrona.

Abirami Lakshinarayanan (2010) svoj članak o strelicama u kemiji započinje ovako: Strelice su integralni dio kemije. Što je to u njima? Izgledaju beznačajno, a ipak, pojavljuju se u većini znanstvenih publikacija. Ti simboli, sastavljeni od „linije“ i „vrha“ možda su i najmoćniji piktografski alati kemije koji kemičarima omogućavaju valjan način prikazivanja misli. Reakcije, stanja tvari, elektroni i njihovo kretanje pa čak i procesi poput refluksiranja, prikazuju se strelicama. Prema tome, strelice su dio esencijalnog kemijskog simbolizma.

Čitanje tog članka preporučujemo svim nastavnicima kemije. Dostupan je na poveznici: http://www.ias.ac.in/article/fulltext/reso/015/01/0051-0063.

Literatura:

Lakshinarayanan, A. (2010). Arrows in Chemistry. Resonance, 51-63.

Uputa za rad s učenicima s teškoćama

Uvod i motivacija

Potaknite učenike da se prisjete kako u kemijskim jednadžbama označavamo tijek reakcije. Neka razmisle postoje li reakcije koje mogu teći drugačije.

Razrada sadržaja i poučavanja

Pri uvođenju izraza ireverzibilno i reverzibilno, provjerite razumiju li učenici s teškoćama značenje riječi i povezuju li ih s izrazima nepovratno i povratno. Dajte im na izbor da koriste izraze koje lakše izgovaraju, zapisuju i čitaju. Iako su ovi pojmovi već obrađeni u osnovnoj školi, učenici s teškoćama često imaju problem s generalizacijom i dosjećanjem.

Pri pojašnjavanju jedne i druge vrste reakcija, pružite podršku pri čitanju i zapisivanju kemijskih jednadžbi te povežite s primjerima. Posebno naglasite da se u zapisu reverzibilnih, povratnih reakcija, smjer reakcija prikazuje dvjema suprotno usmjerenim strelicama. Pri proučavanju videozapisa ˝Napredovanje reakcije u oba smjera˝ pružite učenicima s teškoćama podršku pri čitanju i analizi kemijskih izraza. Ukoliko je potrebno, pripremite sažetak ili podsjetnik s ključnim informacijama.

Završetak

Pri rješavanju zadatka na kraju DOS-a, osim podrške pri čitanju kemijskih jednadžbi, svaku od reakcija dodatno opišite učenicima i povežite s primjerom iz svakodnevnog života. Poštujući princip životnosti, osiguravate veću mogućnost da učenici s teškoćama zapamte ključne informacije o ireverzibilnim i reverzibilnim reakcijama.

4.3. Egzotermne i endotermne reakcije

Odgojno-obrazovni ishodi:

 definirati sustav i okolinu

 objasniti egzotermne i endotermne procese

 razlikovati egzotermne od endotermnih procesa na osnovi promjene temperature sustava i okoline tijekom kemijske reakcije

 navesti primjere egzotermnih i endotermnih kemijskih promjena

Metodika nastave predmeta

Iako se poput prethodno razmatranih koncepata, koncepti endotermne i egzotermne reakcije razmatraju još u osnovnoj školi, za razliku od prvih, potonji često učenicima izazivaju poteškoće.

Problem se dijelom ogledava u činjenici da energiju ne možemo vidjeti. Možemo je samo percipirati i mjeriti prilikom njenog oslobađanja ili vezivanja, odnosno prilikom njene izmjene između sustava i okoline. Stoga je za razvoj valjanih predodžbi učenika o energiji važno jasno objasniti pojmove energija, egzotermna promjena, endotermna promjena, sustav i okolina. Nastavnici bi trebali osmisliti nastavni proces temeljem spoznaje o razumijevanju i eventualnim pogrešnim poimanjima svojih učenika o energijskim procesima. Primjerice, razliku između temperature i topline, ili endotermnog i egzotermnog procesa valja utvrditi koristeći konkretne primjere i analogije. Neki od njih su opisani na poveznici: https://eic.rsc.org/cpd/chemical-energetics-words-matter/2000004.article.

Pogrešno definiranje sustava i okoline vodi k pogrešnim prosudbama o endotermnosti ili egzotermnosti procesa. Razradit ćemo jedan primjer.

Učenicima se zadaje provedba eksperimenta u kojem će se amonijev klorid, pri sobnoj temperaturi, otapati u vodi. Cilj je prosuditi i objasniti energijske promjene koje se pri tom pokusu događaju. Mnogi će učenici sadržaj u tikvici promatrati kao sustav, a sniženje temperature otopine protumačiti kao egzoterman proces jer se „sustavu“ snizila temperatura (kao mjera toplinske energije). Problem je što u hidrataciji amonijevih i kloridnih iona (sustav), u odnosu na ukupan broj molekula vode koje su na raspolaganju, sudjeluje samo mali broj njih. Sve molekule vode koje ne sudjeluju u hidrataciji iona, zajedno, zapravo čine okolinu čiju energiju vezuje sustav. Budući da je energija sustava porasla, odnosno da se energija u sustav vezala, dogodila se endotermna promjena. Da bi učenici uspješno rješavali ovakve probleme predlažemo dva koraka:

1. Treba odrediti što je sustav. Sustav čine čestice koje reagiraju ili mijenjaju svoje stanje. Energiju sustava ne možemo mjeriti.

2. Treba odrediti što je okolina. Okolina je onaj dio stvarnosti gdje se događa promjena energije koju možemo opaziti i mjeriti.

Dakle, mjerljiva promjena se uvijek događa u okolini. Budući da se je temperatura otopine amonijeva klorida snizila, može se zaključiti da je otopina amonijeva korida dio okoline. To, nadalje, znači da se energija sustava povećala, pa je, ponavljamo, promatrana promjena endotermna.

Ciljano uvođenje kalorimetra u nastavu, učenicima omogućava bolje razumijevanje termina energija, sustav i okolina te načina na koji se mjeri promjena energije. Virtualni kalorimetrijski laboratorij, dostupan na poveznici: https://www.wiley.com/college/trefil/0470118547/vdl/lab_calorimeter/, može značajno olakšati stvaranje ispravnih predodžbi.

Dodatno, nastavu vrijedi obogatiti eksperimentima tijekom kojih će se razmatrati spontanost i nespontanost reakcija. Naime, učenici često imaju pogrešno poimanje da su sve egzotermne reakcije spontane, dok endotermne nisu.

Konačno, posebnu pozornost treba posvetiti jeziku. O energiji trebamo komunicirati u skladu s 1. zakonom termodinamike prema kojemu se energija ne može stvoriti niti uništiti. Riječ trošiti upotrijebljena u kontekstu definicije endotermne reakcije (tijekom endotermne reakcije energija se troši) mnoge učenike vodi k zaključku o njenom iscrpljivanju ili nestanku. Prikladniji termin je vezati (tijekom endotermne reakcije energija se veže) pa predlažemo njegovu uporabu.

Uputa za rad s učenicima s teškoćama

Uvod i motivacija

Neka se učenici u uvodnom dijelu prisjete što su sve učili o kemijskoj sintezi i analizi, ireverzibilnim i reverzibilnim reakcijama. Potaknite ih da razmisle što se događa s energijom koja se oslobađa pri svakoj kemijskoj reakciji.

Razrada sadržaja i poučavanja

Provjerite razumiju li učenici s teškoćama izraze egzotermno i endotermno. Iako su učenici već učili o endotermnim i egzotermnim reakcijama, postoji velika vjerojatnost da se neće prisjećati nastavnog sadržaja. Dodatno pojasnite te izraze, ukoliko je potrebno. Pri pojašnjavanju egzotermnih i endotermnih reakcija, obje definicije povežite s navedenim primjerima reakcija. Kao što je već navedeno, energija se ne može percipirati vidom. Uzmite u obzir da je učenicima s teškoćama vrlo teško razumjeti ovako apstraktan pojam. Osmislite primjere koji će omogućiti doživljaj energije nekim drugim osjetilima. Na taj način će nastavni sadržaj učenicima postati bliskiji.

Završetak

Pri rješavanju interaktivnog zadataka na završetku, učenicima s teškoćama pružite podršku. Ovaj zadatak može poslužiti kao ideja za samostalnu izradu umne mape pomoću koje će učenici na jednom mjestu usustaviti ključne informacije o kemijskim reakcijama. Naravno, umna mapa može biti dodatno obogaćena informacijama koje učenici smatraju važnima za ovaj nastavni sadržaj. Umnu mapu učenici mogu iskoristiti za rješavanje zadnjeg seta zadataka pri kraju ovog DOS-a.

4.4. Uvod u kemijski račun

Odgojno-obrazovni ishodi:

 izračunati mase i relativne molekulske mase različitih čestica

 rezultate iskazati značajnim znamenkama

 analizirati mjernu nesigurnost (točnost, preciznost i pouzdanost mjerenja)

Metodika nastave predmeta

U ovoj jedinici DOS-a naglašena je korelacija nastavnih sadržaja kemije, fizike i

matematike. Potaknite učenike da se prisjete što već znaju o fizikalnim veličinama,

primjerice, kako se definiraju i označavaju fizikalne veličine. U drugom dijelu

razgovarajte s učenicima o tome kako mjerenja nikad nisu beskrajno točna i kako

se stoga treba procijeniti mjera njihove neizvjesnosti. Stoga je potrebno objasniti

što su značajne znamenke i svrhovitost zapisa brojčanih vrijednosti, koji su rezultati

mjerenja, značajnim znamenkama. Predvidite vrijeme za podrobnije uvježbavanje

istih.

Uputa za rad s učenicima s teškoćama

Uvod i motivacija

U uvodnom dijelu potaknite učenike da se prisjete u kojem modulu su učili o fizikalnim veličinama. Neka se prisjete kako se fizikalne veličine definiraju i označavaju. Naglasite učenicima da će u ovom DOS-u povezati nastavne sadržaje matematike i kemije.

Razrada sadržaja i poučavanja

Uzmite u obzir da učenicima s teškoćama usvajanje, analiziranje i korištenje matematičkih znanja predstavlja veliki izazov. Važno je sadržaje prikazati na način koji će učenicima biti razumljiv te će ih motivirati na učenje o kemijskom računu. Pri rješavanju interaktivnog zadatka ˝Prikaz fizikalne veličine˝, dajte učenicima s teškoćama malo više vremena. Sadržaje vezane uz potencije i zapise vrijednosti pomoću potencija izlažite postupno. Provjerite razumiju li učenici s teškoćama korake u računanju i zapisivanju izraza. Koristite didaktičko metodičke upute za učenike s posebnim odgojno-obrazovnim potrebama u nastavi Kemije te pripremite podsjetnike s ključnim izrazima.

Pri pojašnjavanju značajnih znamenki, svaki primjer demonstrirajte na nekoliko načina kako bi učenici s teškoćama razumjeli primjenu svakog navedenog pravila o određivanju značajnih znamenki iz Tablice 2. i 3. U razgovoru istaknite najvažnije postupke pri korištenju operacija višeg i nižeg stupnja.

Potaknite učenike da se prisjete osnovnih veličina i jedinica SI sustava. Pripremite ispisani primjer jedinica SI sustava, ako smatrate da biste pretraživanjem modula mogli izgubiti vrijeme. Za izvedene i iznimno dopuštene jedinice pripremite pojednostavljene naputke te grafički prilagođene sažetke i postupke. Uzmite u obzir mogućnost da učenici s teškoćama ne uspiju točno zapisati izvedene jedinice te im ponudite grafički i perceptivno prilagođene materijale. Isti postupci vrijede za pretvorbu mjernih jedinica.

Završetak

Pri rješavanju zadataka omogućite učenicima da usustave današnje sadržaje. Bilo bi poželjno da zajedno izradite umnu mapu koja bi učeniku pomogla pri rješavanju zadataka. Pri rješavanju zadataka, ponudite podršku učenicima i češće provjerite tijek rješavanja zadataka. Bilo bi poželjno da se učenicima s teškoćama, poglavito učenicima s diskalkulijom, ponude zadaci koji imaju vrijednosti (postotke, potencije, omjere) kojima je lakše manipulirati.

4.5. Množina tvari

Odgojno-obrazovni ishodi:

 izračunati mase i relativne molekulske mase različitih čestica rezultate

 iskazati značajnim znamenkama

 analizirati mjernu nesigurnost (točnost, preciznost i pouzdanost mjerenja)

Metodika nastave predmeta

Ključni zadatak nastavnika prilikom poučavanja ove jedinice jest uspješno objasniti koncept mol. Brojna znanstvena istraživanja iz područja metodike nastave kemije potvrđuju široku zastupljenost pogrešnih poimanja učenika i studenata o množini, odnosno molu tvari. Množina tvari samo je jedan od načina izražavanja brojnosti. Prema tome, mol, kao mjerna jedinica fizikalne veličine množina tvari, nije ništa drugo nego broj, odnosno naziv za točno određen broj. Kao što se riječju par iskazuje broj 2, riječju mol iskazuje se broj 602 200 000 000 000 000 000 000. Čestice koje sudjeluju u kemijskim reakcijama – atomi, molekule, ioni, elektroni… – nije moguće opaziti niti najmoćnijim optičkim pomagalima. Dakle, nemoguće ih je prebrojati. S druge strane, uzorci tvari s kojima kemičari rade sadržavaju ogroman broj tih čestica, pa sve da ih i možemo prebrojavati to ne bi imalo smisla. Kako bi se riješili takvi problemi i omogućio jednostavniji rad s velikim brojevima uveden je koncept mol. Jedan mol predstavlja onoliko jedinki koliko ima atoma u 12 g ugljikova izotopa 12C. Iako ovdje prvenstveno razmatramo primjenu mola u kemiji, učenicima je poželjno ponuditi i druge, svakodnevici bliže primjere, poput onoga da 1 mol banana predstavlja 6,022·1023 banana, ili da jedan mol komaraca sadrži isto onoliko jedinki koliko 12 g ugljikova izotopa 12C sadrži atoma.

Vezu množine i mase tvari najjednostavnije je osvijetliti izračunavanjem jednog mola različitih tvari, koristeći relativnu atomsku masu, odnosno molarnu masu. Koncept mol se s masom tvari koje reagiraju može povezati na različite načine. Primjerice, to je moguće učiniti preko relativnih atomskih odnosno molekulskih masa, ili pojednostavljenim načinom (u nastavku će biti pojašnjen), preko nukleona reaktanata i produkata.

Razmotrimo primjer reakcije u kojoj dvije molekule vodika reagiraju s jednom molekulom kisika dajući dvije molekule vode.

2H2 + O2 2H2O

U kojem će omjeru vodik reagirati s kisikom ovisi o relativnim molekulskim masama vodika i kisika i omjeru u kojemu se spajaju.

S obzirom da je masa elektrona u odnosu na masu protona i neutrona (nukleona) izuzetno mala, u sljedećem je razmatranju možemo zanemariti. Također, zanemariva je i neznatno veća masa neutrona u odnosu na masu protona. Reakciju sinteze vode iz elemenata ćemo, stoga, analizirati razmatrajući omjere nukleona reaktanata i produkta.

Atom vodika (pojednostavljeno, uzimamo u obzir najzastupljeniji izotop vodika – procij) ima jedan nukleon (proton). U reakciji sudjeluju dvije molekule vodika (4 atoma vodika), odnosno 4 nukleona.

Atom kisika ima 16 nukleona (8 protona i 8 neutrona). S vodikom reagira jedna molekula kisika (2 atoma kisika), odnosno 32 (2 x 16) nukleona.

Reakcijom dviju molekula vodika i jedne molekule kisika, nastaju dvije molekule vode. Svaka je molekula vode građena od dva atoma vodika (2 nukleona) i atoma kisika (16) nukleona. Dvije molekule vode, dakle, sadrže 36 nukleona.

Postavimo li brojnost nukleona reaktanata u odnos, dobivamo omjer 4: 32. Skratimo li ga, dobivamo jednostavnu relaciju (1:8) prema kojoj će jedna masa vodika uvijek reagirati s 8 puta većom masom kisika. Drugačije iskazano 1 gram vodika uvijek će se spajati s 8 grama kisika dajući 9 grama vode. Odnosi nukleona sudionika reakcije (ili relativnih molekulskih masa sudionika reakcije) omogućavaju jednostavno određivanje bilo kojih masa vodika i kisika koje će potpuno reagirati dajući točno određenu masu vode. Upravo je to okruženje u kojem je mol uveden kao koncept u kemiju. Mol je, dakle, broj utemeljen na masi tvari, iskazanoj u gramima, koji reflektira (Taber, 2016) broj nukleona reaktanata i produkata. U opisanom primjeru, 1 mol vodika (dva nukleona po molekuli) ima masu 2 g (n=m/M; 1=2/2). Jedan mol kisika (32 nukleona po molekuli) ima masu 32 g. Budući da dvije molekule vodika reagiraju s jednom molekulom kisika, dva će mola vodika (2 x 2g) reagirati s jednim molom kisika (32 g). Tom će reakcijom nastati 2 mola vode (36 g).

Brojni su putevi kojima je moguće doći do razumijevanja množine tvari. Stoga za poučavanje ovog koncepta predlažemo primjenu različitih strategija, metoda i postupaka kojima će se učenicima različitog predznanja, sposobnosti ili stilova učenja, kroz aktivno sudjelovanje u radu, pružiti veća šansa za postizanje uspješnosti. Osim toga, kao dio pripreme za nastavu, predlažemo pretraživanje znanstvene i stručne literature o pogrešnim poimanjima koje učenici imaju o konceptu mol.

Literatura:

Taber, K. (2016). Teaching secondary chemistry. Hodder Education, London.

Uputa za rad s učenicima s teškoćama

Uvod i motivacija

Pregledom videozapisa ˝Kap vode˝ motivirajte učenike za nastavni sadržaj vezan uz određivanje množine tvari. Istaknite važnost usvajanja matematičkih vještina i znanja koja nam pomažu u učenju kemije. Iskoristite uvodni dio ovog DOS-a da se učenici prisjete što su učili u DOS-u ˝Uvod u kemijski račun˝.

Razrada sadržaja i poučavanja

Naglasite da se količini tvari koje sudjeluju u nekoj reakciji iskazuje množinom te da je mjerna jedinica za množinu mol. U metodici ovog DOS-a izneseni su neki primjeri pojašnjavanja množine i mola. Što životniji primjer, veća je vjerojatnost da će ga učenici s teškoćama povezati s pojmom. Postupno objasnite značenje Avogadrovog broja te provjerite razumiju li učenici s teškoćama zapisivanje spomenutog izraza. Računanje u kemiji može učenicima s teškoćama predstavljati veliki izazov. Iskoristite videoinstrukciju o računanju množine tvari kako biste učenicima postupno pojasnili svaku etapu izračuna. Ukoliko je sama animacija videoinstrukcije ometajuća, pripremite ovaj riješeni primjer ispisan na papiru. Pri izradi materijala, držite se uputa i u uvodnom dijelu priručnika i poglavlju Didaktičko metodičke upute za učenike s posebnim odgojno-obrazovnim potrebama u nastavi Kemije. Isto vrijedi za zadatke vezane uz izračun molarne mase i molarne mase plina.

Završetak

Tekst o Prigodnom optjecajnom novcu iskoristite kako biste učenike zainteresirali za rješavanje zadataka tj. analiziranje riješenog primjera zadatka. Ovako osmišljen zadatak učenicima s teškoćama na nov način prikazuje kako u svakodnevnom životu možemo koristiti znanja iz kemije. Ipak, zadatak/riješeni primjer je vrlo složen i iziskuje zapisivanje različitih kemijskih izraza i fizikalnih veličina pa je potrebno postupno pojašnjavanje svake etape rješavanja zadatka. Interaktivni zadatak ˝Množina tvari˝ može poslužiti kao ideja za izradu sažetka s ključnim pojmovima ovog DOS-a. Taj sažetak može poslužiti pri rješavanju zadataka na kraju DOS-a.

4.6. Određivanje empirijske i molekulske formule spoja

Odgojno-obrazovni ishodi:

 prepoznati empirijsku, molekulsku i strukturnu formulu

 izračunati formulu spoja na temelju masenih udjela elemenata i relativne molekulske mase uzorka

Metodika nastave predmeta

Iako se može činiti jednostavnim, koncept empirijske formule pojedinim učenicima može biti vrlo zahtjevan. Mnogi se nastavnici nakon poučavanja o empirijskoj formuli iznenade nedostatkom razumijevanja koje učenici tijekom vrednovanja nerijetko pokazuju. Pri tome ne mislimo na uspješnost rješavanja zadataka poput onih u kojima se temeljem poznatih udjela elemenata u spoju traži njegova empirijska formula, a koji se često tipski rješavaju i uvježbavaju, pa se analizom rezultata, pogrešno, može steći dojam kako su ishodi poučavanja i učenja potpuno ostvareni.

Stoga nastavnicima prvo preporučujemo provjeriti određuju li njihovi učenici empirijsku formulu spoja slijedeći računske procedure bez konceptualnog razumijevanja. Jednostavna pitanja poput: Koja je empirijska formula magnezijevog klorida? ili, Koja je empirijska formula dušikova dioksida? mogu poslužiti za iniciranje razgovora. Potom je učenicima poželjno dati listu ili tablicu s nizom formula različitih tvari te zatraži da za svaku od njih utvrde je li riječ o empirijskoj formuli i obrazlože odgovore.

Ukoliko nastavnici uoče problem, preporučuje se uporaba analogije koja učenicima može pomoći u lakšem vizualiziranju elemenata čiji odnos opisujemo empirijskom formulom. Zamislimo da, primjerice, razmatramo odnos ruku i prstiju na rukama jedne osobe i pokušavamo to opisati empirijskom formulom. Dakle, dvije ruke s po pet prstiju simbolički možemo zapisati kao R2P10. Budući da je odnos broja ruku (R) i prstiju (P) 1:5, empirijska formula je RP5. Analogno tome, molekulu etina prikazujemo molekulskom formulom, C2H2. Empirijska pak formula etina, CH, govori da je odnos atoma ugljika i atoma vodika u svakoj molekuli etina 1:1.

Razumijevanje koncepta empirijska formula može se potaknuti naglašavajući kontekst u kojem nam znanje o empirijskoj formuli može pomoći. Citirat ćemo razmišljanja jednog nastavnika kemije (pronađeno na mrežnoj stranici): http://thescienceteacher.co.uk/understanding-the-mole/

Uvijek sam se mučio pronaći dobar način poučavanja o empirijskoj formuli i učenicima objasniti zašto im je to važno… I tada sam ugledao udžbeničku nastavnu jedinicu u kojoj se od učenika tražilo brojanje natrijevih i kloridnih iona u golemoj kristalnoj strukturi natrijeva klorida te brojanje kisikovih i silicijevih atoma u pijesku (op.a. silicijevom dioksidu). U tom trenutku, potreba za učenjem o empirijskoj formuli konačno je postala očita!

Na mrežnoj stranici http://chemcollective.org/activities/tutorials/stoich/ef_molecular opisan je praktičan primjer koji izračunu empirijske formule iz molekulske formule daje životni okvir. Vrlo je jednostavan i iskoristiv u poučavanju o empirijskoj formuli pa ćemo ga prenijeti u cijelosti.

Pretpostavimo da smo upravo osmislili novu proceduru proizvodnje glukoze, najjednostavnijeg šećera, te da želimo objaviti naš pronalazak u časopisu Journal of Organic Chemistry. Urednici časopisa od nas zahtijevaju da identificiramo tvar, djelomično uporabom elementarne analize. Ako smo zaista sintetizirali glukozu, elementarna analiza mora pokazati da je njen sastav sukladan empirijskoj formuli glukoze.

Uz pomoć elementarne analize može se odgovoriti na pitanje: „Jesu li elementi u ispitivanom spoju prisutni u točnom omjeru?“ Ukoliko nisu, znat ćemo da nismo sintetizirali glukozu. Točni omjeri elemenata u spoju dani su empirijskom formulom. Stoga je prvi korak utvrditi empirijsku formulu glukoze kako bismo znali koji omjer elemenata trebamo očekivati kao rezultat elementarne analize. Da bismo to učinili, iz molekulske formule glukoze izračunat ćemo empirijsku formulu.

Empirijsku formulu poznate tvari, poput glukoze, izračunavamo tako da indekse atoma iz molekulske formule svedemo na najmanji mogući cjelobrojni odnos. Ako indekse atoma u molekulskoj formuli glukoze podijelimo sa 6, dobit ćemo empirijsku formulu, CH2O.

Sada kada znamo empirijsku formulu glukoze, znamo koji točan omjer atoma ugljika, vodika i kisika trebamo dobiti elementarnom analizom, ako smo zaista proizveli glukozu. U ovom slučaju imali smo 6 atoma ugljika, 12 atoma vodika i 6 atoma kisika pa su jedan atom ugljika i jedan atom kisika u omjeru s dva atoma vodika. Ako rezultat elementarne analize uzorka potvrđuje sukladan ovom omjeru, postoji mogućnost da smo sintetizirali baš glukozu.

Trebamo imati na umu da različite molekule mogu imati istu empirijsku formulu, pa ovaj dokaz još uvijek ne potvrđuje da je naš uzorak glukoza. U ovakvim slučajevima, naime, elementarna analiza sastava spoja nije dostatna za identifikaciju molekula. Za tu se svrhu danas najčešće rabe spektroskopijske metode kojima se mjere valne duljine svjetla koje molekule apsorbiraju.

Uputa za rad s učenicima s teškoćama

Uvod i motivacija

Pri pojašnjavanju definicija empirijske, molekulske i strukturne formule, navedite primjere takvih formula. U metodici ovog DOS-a su navedene teškoće pri poučavanju empirijskih formula. Također, dani su i primjeri koji se isto tako mogu iskoristiti pri demonstraciji i dodatnom pojašnjavanju učenicima s teškoćama.

Razrada sadržaja i poučavanja

Interaktivni zadatak ˝Empirijska i molekulska formula spoja˝ može poslužiti pri zornom i postupnom pojašnjavanju najvažnijih razlika između empirijske i molekulske formule spoja. Fotografije modela molekula mogu poslužiti kao podrška za pisanje strukturne formule nekog spoja. Učenici mogu izraditi svoje modele molekula po uzoru na fotografije. Pomoću modela, učenici s teškoćama će moći prepoznati molekulsku formulu spoja. Ipak, izazov će predstavljati empirijske formule zbog njihove izrazite apstraktnosti. Iako bi shematski prikazi ili gore navedeni modeli molekula mogli pomoći pri analiziranju omjera različitih atoma u nekoj molekuli. Ipak, uzmite u obzir da će učenicima s teškoćama trebati vođenje, poticanje i podršku pri određivanju empirijske formule spoja.

Izračun masenog udjela izložite učenicima postupno. Provjerite razumiju li značenje svakog člana u izrazu. Ukoliko je potrebno, podsjetite ih što koji član predstavlja. Naglasite razliku empirijske i molekulske formule. Iskoristite riješeni primjer kako biste učenicima pojasnili utvrđivanje navedenih formula.

Završetak

Iako su u ovom DOS-u učenicima ponuđeni riješeni primjeri zadataka, uzmite u obzir da učenici s teškoćama mogu doživjeti zamor pri rješavanju složenih zadataka. Omogućite kratke pauze i rješavanje zadataka podijelite na nekoliko logičnih etapa. Između svake etape rješavanja, zajedno s učenicima s teškoćama provjerite učinjeno i razmatrajte idući korak u rješavanju. Bilo bi poželjno da se učenicima s teškoćama ponude zadatci koji imaju vrijednosti (postotke, potencije, omjere) kojima je lakše manipulirati.

4.7. Stehiometrija kemijskih reakcija

Odgojno-obrazovni ishodi:

 odrediti vrijednosti stehiometrijskih koeficijenata reaktanata i produkata u kemijskoj jednadžbi

 iz jednadžbe kemijske reakcije uočiti da je odnos množina jednak odnosu stehiometrijskih brojeva u jednadžbi

 objasniti odnos: mjerodavni reaktant i reaktant u suvišku

 objasniti pojam doseg kemijske reakcije

Metodika nastave predmeta

Metodičko znanje nastavnika podrazumijeva različite domene znanja. Jedna od njih je i znanje o znanju svojih učenika. Svaki se nastavni sat osmišljava ovisno o onome što učenici već znaju, što ne znaju i što im može predstavljati problem. Stoga je poželjno istražiti koja pogrešna poimanja učenici imaju ili mogu razviti tijekom poučavanja i učenja određenog sadržaja. Ovdje ćemo navesti samo jedan problem vezan uz razumijevanje koncepta mjerodavni reaktant. Pokazalo se da mnogi učenici reaktant količinski iskazan s najmanjim brojem molova u jednadžbi kemijske reakcije, smatraju mjerodavnim reaktantom. Za ispravljanje ovakvog pogrešnog poimanja uglavnom se koriste analogije. Primjerice, ukoliko želimo sastaviti bicikl, između ostaloga, trebaju nam kotači i metalni kostur. Ako na raspolaganju imamo 3 kostura i 5 kotača, moći ćemo sastaviti samo dva bicikla. Iako kotača imamo više nego kostura, oni su mjerodavni čimbenik.

Jedan od sažetih dokumenata u kojem se uz prepoznavanje problema razumijevanja stehiometrije kemijskih reakcija nude i strategije za njihovo izbjegavanje ili rješavanje, dostupan je na poveznici:

https://molesandstoichiometry.wikispaces.com/file/view/MolesStoich_CommonMisconceptions.pdf

Uputa za rad s učenicima s teškoćama

Uvod i motivacija

Pri pojašnjavanju definicije stehiometrije povežite nastavni sadržaj s već usvojenim sadržajima vezanim uz množinu tvari, tijek kemijskih reakcija, odnose i množinu tvari. Iskoristite riješeni primjer kako biste učenicima s teškoćama postupno i etapirano demonstrirali rješavanje zadatka u kojem treba izračunati volumen kisika koji nastaje pri termičkom razlaganju kalijeva klorata. Pri demonstriranju i analiziranju riješenih primjera provjerite razumiju li učenici s teškoćama sve članove u izrazima.

Razrada sadržaja i poučavanja

Pomoću riješenih primjera pojasnite pojam mjerodavnog ili limitirajućeg reaktanta i dosega kemijske reakcije, iskorištenja kemijske reakcije. Sve pojmove povežite s poznatim kemijskim reakcijama iz svakodnevnog života. U metodici ovog DOS-a dan je primjer iz svakodnevnog života kojim se može objasniti pojam mjerodavnog reaktanta. Na takav način pokušajte objasniti sve pojmove i procese za koje predviđate da bi učenicima s teškoćama mogli biti apstraktni složeni. Iskoristite interaktivni zadatak ˝Gorenje etanola˝ kako biste učenicima s teškoćama pružili slikovni prikaz sastava smjese nakon reakcije gorenja. Prije zapisivanja jednadžbe gorenja, prokomentirajte s učenicima koji su produkti gorenja te im pružite podrški pri izjednačavanju same jednadžbe. Pri rješavanju zadataka vezanih uz videozapis ˝Termit˝, ponudite učenicima kratak podsjetnik sa svim važnim formulama i izrazima. Pri pisanju kemijske jednadžbe ove reakcije, pružite im podršku. Riješeni primjer vezan uz iskorištenje reakcije demonstrirajte u logičnim etapama, uzimajući u obzir mogućnost zamora zbog velike količine podataka. Svakako pružite podršku učenicima tijekom demonstracije riješenih primjera.

Završetak

Prije rješavanja zadataka na kraju DOS-a, neka učenici s teškoćama izrade umne mape koje će im koristiti pri rješavanju zadataka. Ukoliko je potrebno, pripremite im sažetke i podsjetnike s najvažnijim izrazima i formulama. Ako je potrebno, ispišite im riješene primjere na papir ili ih zajedno s učenicima riješite. Pri ispisu dodatnih primjera, držite se uputa o grafičkoj prilagodbi teksta.

4.8. Ponavljanje i usustavljivanje gradiva o osnovama kemijskog računa i stehiometriji kemijskih reakcija

Odgojno-obrazovni ishodi:

 razlikovati vrste reakcija

 izračunati brojnost i množinu tvari na temelju zadanih podataka

 izračunati množinu, masu ili volumen utrošenoga reaktanta i/ili nastaloga produkta na temelju zadanih podataka za promjenu opisanu jednadžbom kemijske reakcije

 odrediti mjerodavni reaktant i reaktant u suvišku na temelju podataka o količini reaktanata u reakcijskome sustavu

 koristiti se pravilima za određivanje značajnih znamenka pri iskazivanju rezultata

Metodika nastave predmeta

Svaki od kvizova iz ovog modula, kao i zadatci ponuđeni u okviru ove nastavne jedinice, mogu se iskoristiti za ponavljanje i usustavljivanje znanja o kemijskom računu odnosno o stehiometriji kemijskih reakcija. S obzirom da će stehiometrijski izračuni učenike pratiti tijekom čitave srednje škole preporučujemo i rad na dodatnim materijalima, kojemu bi naglasak bio na konceptualnom razumijevanju. Za tu se svrhu, primjerice, može iskoristiti nastavni materijal naslovljen Understanding mole in chemistry, koji je dostupan na poveznici http://thescienceteacher.co.uk/wp-content/uploads/2015/02/understanding-the-mole.pdf.

Na mrežnoj stranici http://thescienceteacher.co.uk/understanding-the-mole/ dostupan je videozapis u kojem se na popularno-znanstveni način analizira problem promjene mase međunarodnog prototipa kilograma i razmatra mogućnost da se umjesto fizičkog predmeta kao prototip razvije model koji se temelji na broju atoma odnosno molu tvari. Videozapis može poslužiti kao izvrstan predložak za refleksiju veze mase i množine tvari u zanimljivom znanstveno razumljivom kontekstu.

Uputa za rad s učenicima s teškoćama

Iskoristite uvodni tekst o ovisnosti o pušenju kako biste povezali nastavne sadržaje kemije sa zdravstvenim odgojem. Također, ukažite učenicima koliko je kemija važna za razumijevanje nekih štetnih pojava i navika s kojima se čovječanstvo bori. Neka učenici povežu ovaj sadržaj s neki drugim nastavnim predmetima u kojima uče o prevenciji ovisnosti.

Prije rješavanja zadataka provjerite jesu li učenicima s teškoćama razumljivi svi ključni pojmovi. Ponudite im kratak sažetak sa svim ključnim pojmovima, fizikalnim veličinama, kemijskim izrazima koji su potrebni za rješavanje zadataka. Pri rješavanju zadataka, ponudite učenicima podršku, ukoliko je potrebna. Učenik treba dobiti jasnu uputu o načinu rješavanja zadataka u digitalnom sučelju. U ovoj nastavnoj jedinici ima više tipova zadataka, višestruki izbor, dopunjavanje, pitanje i odgovor, uparivanje. Za svaki od navedenih tipova zadataka potrebno je provjeriti znaju li učenici kako ih riješiti na računalu. Češće provjerite učinjeno. Ukoliko dođe do zamora ponudite učenicima kratke stanke. Ponavljanje služi učvršćivanju znanja i postizanju trajnosti. Zadatke povežite s nekim ključnim detaljem kojim ste motivirali učenike za vrijeme poučavanja i uvježbavanja. Na taj način potičete funkcionalno učenje.