Шульгин А.Т. Титриметрия: система экспериментальных задач для юных химиков // Химия в школе. — 2009. — 3. — С. 76-79.
А.Т. Шульгин
Лицей «Вторая школа», Москва
ТИТРИМЕТРИЯ:
система экспериментальных задач для юных химиков
Для идентификации одарённости успешно используют метод «Креативное поле». В его основе лежат следующие методологические принципы: отсутствие внешней и внутренней оценочной стимуляции, отсутствие потолка в исследовании объекта, длительность эксперимента.
Совокупность принципов метода «Креативное поле» может быть воплощена в различном экспериментальном материале. Методика титриметрии построена на специфическом химическом материале и предназначена для исследования качества обучения юных химиков в системе дополнительного образования. Она представляет собой двухуровневую систему однотипных задач по титриметрическому определению основных показателей качества естественных вод.
Во-первых, анализируя в учебной лаборатории смеси чистых веществ, конечно, нетрудно добиться хорошей воспроизводимости результатов. Анализ природных вод — дело более трудное. Даже химикам-аналитикам высокой квалификации приходится конструировать новую область деятельности. Это второй уровень методики титриметрии, тем более не являющийся очевидным для юных химиков. Таким образом, титриметрический анализ природных вод позволяет максимально отсечь прошлый опыт юных химиков, который позволял бы им адекватно оценивать свою деятельность.
Во-вторых, данный экспериментальный материал делает возможным такое построение задания по определению состава природных вод, при котором юный химик может либо выполнять задания, успешно применяя первоначальный алгоритм, либо находить эвристические приёмы по разрешению некоторых проблем по предварительному определению или маскированию мешающих анализу веществ. Этому способствует сложный (многокомпонентный) состав подлежащей анализу воды. Это особенно существенно, поскольку важно проследить не то, решит или не решит юный химик задачу, а то, как он будет её решать.
В-третьих, титриметрическое определение показателей качества природных вод позволяет сделать психолого-педагогический эксперимент длительным путём повторения задания с различными объёмами проб анализируемой воды, а также аэрирования и нагревания их. Многократность исследования представляется оптимальным средством избавления от влияния состояния юного химика на результаты исследования.
Методика титриметрии имеет следующие возможности.
Овладение титриметрическими методами доступно не только химику-аналитику, но и увлечённому химией учащемуся. Достаточно несколько обучающих опытов, чтобы юный химик овладел приёмами титрования и умением определять точку эквивалентности.
Принято судить о составе природных вод по содержанию в них шести показателей: гидрокарбонатов, хлоридов, сульфатов, кальция, магния и однозарядных ионов (натрий, калий). Например, в пресных водах преобладают гидрокарбонаты и кальций, а в морской воде — хлориды и натрий. Однако по общей массе всё те же шесть разновидностей ионов входят в основной состав. Поэтому считается достаточным определение пяти показателей качества природных вод (суммарная концентрация положительных однозарядных ионов рассчитывается), чтобы проследить, как разворачивается ориентировочная, исследовательская деятельность учащегося.
Рассмотрим, как была реализована методика титриметрии по определению пяти показателей качества дренажных вод на западном берегу Ладожского озера вблизи детского оздоровительного лагеря «Маяк». Тем летом на европейской части России была засуха, горел торф. Уровень Ладожского озера опустился приблизительно на 1 м, а само озеро в среднем отступило на 6 м, благодаря чему и стало возможным изучение дренажных вод. Гуляя по берегу, нельзя было не обратить внимания на ржавые пятна в местах их выхода.
Без особых затруднений участники экспедиции установили, что концентрация сульфатов в дренажных водах составляет менее 0,5 мэкв/л, т.е. с определённой точностью можно утверждать, что сульфаты в дренажных водах отсутствуют.
Другой показатель качества воды — общая щёлочность (как правило, она обусловлена гидрокарбонатами) — имел значение 1,54 ± 0,11 мэкв/л (7%). Ошибка определения значительная, но для квалификационного уровня учащихся она допустима.
При определении общей жёсткости воды и содержания в ней кальция у юных химиков появилась первая проблемная ситуация, которая характеризовалась несоответствием окраски подготовленной пробы для анализа по стандартной методике окраске комплексов металлоиндикаторов с ионами кальция и магния.
В этих условиях юным химикам пришлось осваивать новую область деятельности — модернизировать методики определения общей жёсткости и содержания кальция.
Подобрав оптимальные массы маскирантов и объёмы буферных растворов, они определили эти показатели качества дренажных вод: общая жёсткость — 1,25 ± 0,06 мэкв/л (5%), концентрация ионов кальция — 1,45 ± 0,43 мэкв/л (28%).
Однако, разрешив эту проблемную ситуацию, учащиеся столкнулись сразу с двумя несоответствиями.
Первое несоответствие. Они никак не могли повысить точность определения концентрации ионов кальция. Повысить точность анализа увеличением числа определений они не могли, так как это требовало большого расхода реагентов (значительная часть их была уже израсходована на разработку методики). Большую ошибку определения учащиеся объяснили своей низкой квалификацией. Работа выполнялась коллективно, а неточность определения одного из показателей качества делает невозможным выполнение задания в целом, поскольку оно представляет собой систему взаимосвязанных определений.
Второе несоответствие. Выборочное среднее значение концентрации ионов кальция оказалось больше выборочного среднего значения общей жёсткости, что противоречит её сути: это суммарная концентрация кальция и магния. Ситуация разрешилась сравнением двух средних результатов по стандартной методике. Проведя соответствующие расчёты, исследователи пришли к выводу, что расхождение между выборочными значениями концентрации ионов кальция и общей жёсткостью носит случайный характер, т.е. обусловлено точностью комплексонометрического титрования ионов кальция. Приняв во внимание факт, что точность определения общей жёсткости больше, юные химики предложили выборочное среднее значение концентрации ионов кальция в дренажной воде считать равным 1,25 мэкв/л.
Неожиданным было и объявление одним из участников исследования результатов определения концентрации хлоридов. Она составила 1,35 мэкв/л, что соответствует содержанию 48 мг/л. Если содержание хлоридов в водах превышает 30 мг/л, то это указывает на загрязнение дренажных вод промышленными или бытовыми отходами, а также на наличие солончаков. Однако солончаков в окрестностях не было.
Ошибка определения концентрации хлоридов составила 32%. С каждым анализом проблем появлялось всё больше и больше, а надо было делать ещё анализы аэрированной и кипячёной проб дренажной воды, так как наличие ржавых пятен в местах выхода дренажных вод свидетельствовало о содержании в них железа.
По результатам всех анализов расчётная концентрация однозарядных ионов составила 1,64 мэкв/л. В итоге по анионно-катионной классификации дренажные воды оказались гидрокарбонатно-натриевыми, что, в общем-то, противоречит здравому смыслу.
Для разрешения новой проблемной ситуации группой учащихся было предложено определить долю концентрации ионов железа в полученном значении расчётной концентрации положительных однозарядных ионов, проведя анализ аэрированной и кипячёной проб дренажной воды.
При аэрировании дренажной воды цвет пробы изменился, но не произошло её помутнение вследствие образования нерастворимого гидроксида железа(III).
Выборочное среднее значение общей щёлочности аэрированной пробы уменьшилось с 1,54 до 1,53 мэкв/л. Это расхождение носит случайный характер, и полученные результаты не следует рассматривать как различные величины.
Разрешить все противоречия планировалось кипячением пробы дренажной воды. Действительно, при кипячении общая щёлочность уменьшилась с 1,54 до 1,16 мэкв/л. Осадка как такового не образовалось, хотя уменьшение общей щёлочности учащиеся связывали с разложением гидрокарбонатов и с образованием нерастворимых карбонатов кальция и железа(II), основного карбоната магния и гидроксида железа(III): сквозь толщу коричневой воды виднелось чистое дно ведра без осадка.
Ситуация осложнилась тем, что при разработке методики определения общей жёсткости дренажных вод был израсходован весь буферный раствор, необходимый для её определения.
Выборочное среднее значение концентрации ионов кальция в пробе дренажной воды при кипячении уменьшилось с 1,45 до 1,21 мэкв/л (т.е. с 1,25 до 1,21 мэкв/л). Это различие обусловлено лишь точностью комплексонометрического определения кальция. Появилось предположение: если концентрация кальция в пробе дренажной воды не изменяется, то и общая жёсткость при её кипячении также не изменяется. Это предположение подтверждалось отсутствием осадка в кипячёной пробе воды. Как правило, карбонат кальция (мел) образует крупнокристаллические осадки, легко оседающие, а гидроксид железа(III) образует трудно оседающие взвеси (коллоиды).
Уменьшение общей щёлочности пробы дренажной воды при кипячении на 0,38 мэкв/л, по мнению учащихся, соответствует концентрации ионов железа в дренажных водах.
В соответствии с этими исследованиями значение концентрации положительных однозарядных ионов было принято равным 1,26 мэкв/л, и дренажные воды были отнесены к гидрокарбонатно-кальциевым железистым водам, которые загрязнены водами выгребных ям детского лагеря «Маяк». Большинством голосов данное решение было объявлено правильным.
Исследуя объект с разных сторон, всякий раз воспитанники сталкивались с какой-нибудь новой проблемной ситуацией. Но при правильном методологическом подходе в объекте, как в любой сложной системе, можно выделить некоторое исходное, базовое звено, которое определяет развитие и следующий качественный уровень системы в целом. Один из исследователей, обобщая данные всех анализов, попытался осмыслить причину, порождающую эти проблемные ситуации (несоответствия).
При приготовлении на занятии раствора для выращивания растений без почвы раствор сульфата железа(II) с комплексоном подвергают аэрированию. При этом осадок не образуется, а цвет раствора меняется с практически бесцветного на красно-коричневый.
Юный химик сделал важное предположение о содержании в дренажных водах органических веществ, которые образуют комплексы с железом. При аэрировании пробы дренажной воды связанное в комплексы железо(II) окисляется и цвет пробы становится коричневым. При этом щёлочность воды не изменяется и никакого осадка или помутнения не образуется.
Для определения хлоридов пробу следует подготовить, поскольку их определению мешают анионы слабых кислот. Считается, что анионы слабых кислот в природных водах представлены гидрокарбонатами. Для их устранения к пробе добавляют азотную кислоту. В результате образуется угольная кислота, которая разлагается на углекислый газ и воду, т.е. удаляется из пробы. Исследователь сделал заключение о том, что определялась концентрация не хлоридов, а слабых органических кислот. Это позволило ему по данным определений общей щёлочности и хлоридов сделать вывод, что общая щёлочность дренажных вод составляет 1,54 мэкв/л, при этом 1,35 мэкв/л приходится на негидрокарбонатную щёлочность, а хлориды и, следовательно, положительные однозарядные ионы в них отсутствуют.
В итоге юный химик отнёс исследованные дренажные воды к гуматно-кальциевым железистым, а вывод о загрязнении их сточными водами выгребных ям лагеря «Маяк» объявил неправильным.
Вторым уровнем в системе титриметрии стал дальнейший анализ исследуемых вод, связанный с процессом аэрирования пробы. В процессе этого анализа исследователь вышел на уровень особого обобщения. Предположение о содержании в дренажных водах органических веществ, которые образуют комплексы с железом, — оригинальный результат проявленной интеллектуальной инициативы. Сопоставление признаков химических процессов, происходящих при аэрировании дренажных вод в экспедиции и раствора железа(II)-ЭДТА во время учебных занятий, и обобщение полученных результатов анализов по условиям эксперимента не требовались.
Таким образом, реализуемая в экспедиционных условиях система задач «Титриметрия» позволяет оценить качество обучения юных химиков. Проявление интеллектуальной инициативы исследователями ещё раз доказало, что у них при этом формируются творческие способности.
ЛИТЕРАТУРА
Астафуров В.И. Основы химического анализа: Учеб. пособие по факультатив. курсу для учащихся IX-X кл. — М.: Просвещение, 1982.
Богоявленская Д.Б., Богоявленская М.Е. Одарённость и проблема её идентификации // Психологическая наука и образование. —2002. —№ 4. — С. 5-13.
Богоявленская Д.Б. Интеллектуальная активность как проблема творчества. — Ростов н/Д: Изд-во Ростовского университета, 1983.
Борисевич Е.И., Орлов А.А., Шульгин А.Т. Повышение точности тест-систем, используемых для анализа природных вод // III Фестиваль науки в МГУ: Тезисы докладов Форума молодых исследователей. 11 октября 2008 г. — М.: МГУ им. М.В. Ломоносова, 2008. — С. 32-33.
Шульгин А.Т. Гидропоника // Химия в школе. —2000. —№ 3. — С. 68-78.
Шульгин А.Т. Формирование интеллектуальной активности личности // Химия в школе. —2002. —№ 2. — С. 73-78.