Importanta Experimentului de Laborator In Studiul Proprietatilor Fizice Si Chimice ale Oxigenului Si Carbonului

Universitatea din București

Facultatea de Chimie
Departamentul Pentru Pregătirea Personalului Didactic

LUCRARE METODICO – ȘTIINȚIFICĂ

pentru obținerea gradului didactic I

Importanța experimentului de laborator în studiul proprietăților fizice și chimice ale oxigenului și carbonului

MOTTO:

„Chimistul se poate bucura tot atât de mult de o experiență frumoasă… ca și sculptorul în fața lucrării executate.”

(Costin D. Nenițescu)

CUPRINS

Considerații generale privind importanța temei

Capitolul I

Proprietățile fizico–chimice ale nemetalelor oxigen și carbon.

I.1. Caracterizare generală a nemetalelor

I.1.1. Poziția nemetalelor în sistemul periodic

I.1.2. Variația caracterului nemetalic în perioade și în grupe

I.1.3. Proprietăți fizice și chimice generale ale nemetalelor

I.1.4. Structura moleculară a nemetalelor

I.2. Oxigenul.

I.2.1. Aspecte generale și răspândire în natură.

I.2.2. Metode de obținere

I.2.3. Proprietăți fizice

I.2.4. Proprietăți chimice

I.2.5. Utilizări practice

I.3. Carbonul

I.3.1. Aspecte generale și răspândire în natură

I.3.2. Proprietăți fizice. Diamant, grafit, fulerene, cărbuni de pământ.

I.3.3. Proprietăți chimice

I.3.4. Utilizări practice

I.3.5. Circuitul carbonului în natură

Capitolul II

Considerații metodice privind eficientizarea și perfecționarea lecției de chimie

II.1. Noțiuni generale. Aplicarea principiilor didactice în lecțiile de chimie. Poziția chimiei în planul de învățământ la nivel gimnazial. Rolul chimiei în curriculumul centrat pe competențe. Programa școlară la disciplina chimie la nivel gimnazial. Elementele strategiei didactice și adaptarea predării noțiunilor de chimie la nivel gimnazial.

II.2. Scurtă descriere a metodelor de învățământ utilizate în lecțiile de chimie

II.2.1. Metoda expunerii

II.2.2. Metoda explicației

II.2.3. Metoda demonstrației

II.2.4. Metoda conversației

II.2.5. Problematizarea

II.2.6. Exemple de folosire a metodelor de instruire prin comunicare scrisă

II.2.7. Modelarea

II.2.8. Observația sistematică (independentă sau dirijată)

II.2.9. Experimentul

II.2.10. Algoritmizarea

II.2.11. Metoda exercițiului

II.2.12. Studiul de caz

II.2.13. Metode de acțiune simulată sau fictivă (jocuri)

II.2.14. Metoda instruirii asistate de calculator

II.3. Mijloace de instruire utilizate în studiul chimiei

II.4. Experimentul de laborator în procesul de predare-învățare la chimie

II.4.1. Laboratorul de chimie în școlile gimnaziale

II.4.2. Obiectivele lucrărilor experimentale la chimie

II.4.3. Criterii de clasificare a experimentelor de laborator

II.4.4. Metodica organizării lucrărilor experimentale

II.5. Experimentul virtual – punte între modelul teoretic și experimentul real (de laborator)

II.5.1. Instruirea programată

II.5.2. Instruirea asistată de calculator

II.6. Experimentul de laborator în studiul proprietăților fizice și chimice ale oxigenului și carbonului

II.6.1. Activități experimentale specifice studiului proprietăților fizice și chimice ale oxigenului

II.6.2. Activități experimentale specifice studiului proprietăților fizice și chimice ale carbonului

Capitolul III

Cercetare experimentală: ”Experimentul de laborator – resursă pentru motivarea și implicarea activă a elevilor în învățarea chimiei”

III.1. Prezentarea scopului și obiectivelor cercetării

III.2. Ipoteze de cercetare

III.3. Metodologia cercetării

III.3.1. Prezentarea lotului de subiecți

III.3.2. Variabilele cercetării

III.3.3. Instrumentul folosit

III.3.4. Procedura de desfășurare a cercetării

III.3.5. Planuri de lecții pentru unitățile de învățare ”Oxigen” și ”Carbon”

III.3.6. Teste de evaluare aplicate

III.4. Rezultate și interpretare

III.5. Concluziile demersurilor investigative

III.6. Limitele cercetării, direcții viitoare de analiză

Concluzii

Considerații generale privind importanța temei

Chimia se înscrie printre disciplinele fundamentale care, alături de celelalte obiecte de învățământ, aduce o contribuție însemnată la pregătirea generală a elevilor. Împreună cu celelalte științe ale naturii, are rolul de a continua drumul deschis de înaintași, de a elucida misterul și de a dezvolta curiozitatea în rândul tinerilor.

Chimia, ca disciplină de învățământ, vizează observarea și perceperea lumii în întregul său cu componentele, procesele și fenomenele caracteristice, ca și învățare și aplicare. De aceea demersul didactic trebuie deplasat de la „ce se învață” la „de ce se învață”.

În contextul noilor cerințe privind pregătirea elevilor, metodele de învățământ trebuie considerate și valorificate ca instrumente de lucru cu ajutorul cărora sub îndrumarea profesorului, elevii dobândesc competențe, cunoștințe, priceperi și deprinderi, își formează opinii, convingeri, aptitudini.

Având caracter experimental, chimia nu poate fi predată, învățată și evaluată fără să apelăm la experiment, metoda euristică de organizare și realizare a activităților practice pentru deducerea informațiilor teoretice, concretizarea, verificarea, aprofundarea și consolidarea cunoștințelor și deprinderilor psihomotorii în perspectiva pregătirii elevilor pentru integrarea socio-profesională.

Ideea de la care am plecat atunci când mi-am ales tema acestei lucrări a fost de a realiza o serie de lecții cu caracter experimental care să faciliteze elevilor modul de asimilare a cunoștințelor despre elementele chimice oxigen și carbon și să descopere, așa cum spunea Albert Einstein, că ”la baza artei și știintei adevărate se află emoția primară, iar lucrul cel mai minunat cu care ne putem întâlni este misterul.”

Și oare ce ar putea fi mai incitant pentru elevi decât să cerceteze și să obțină informații despre elementul fără de care viața pe Pământ nu ar fi posibilă, oxigenul, sau despre elementul a cărui prezență condiționează existența atât a lumii vegetale, cât și a lumii animale, carbonul.

Consider că prin studiul acestei teme, elevii își formează o bază solidă a cunoștințelor de chimie în general, un limbaj chimic stiințific corect, competențe și deprinderi practice utile în viața cotidiană.

De asemenea, am optat pentru această temă deoarece face legătura între teorie și practică și oferă elevilor provocarea de a descoperi ceea ce îi înconjoară pentru a găsi soluții problemelor cărora trebuie să le facă față.

Capitolul I

Proprietățile fizico–chimice ale nemetalelor

oxigen și carbon

I.1. Caracterizare generală a nemetalelor

Nemetalele sunt “elementele chimice electronegative practic lipsite de conductibilitate termică și electrică” în timp ce semimetalele sunt “elementele chimice care, prin proprietățile și comportarea lor generală ocupă o poziție intermediară între nemetale și metale” .

Deși există doar 22 nemetale cunoscute, în comparație cu peste 80 de metale, nemetalele alcătuiesc marea parte a Pământului, în special în straturile superioare. Organismele sunt compuse aproape în totalitate din nemetale.

Ca și caracteristici generale ale nemetalelor se pot enumera următoarele:

stare de agregare la temperatura mediului ambiant: solidă (C, P4, S8, I2), gazoasă (Cl2,O2, N2, F2, H2, gazele rare), lichidă (Br2);

majoritatea celor solide sunt sfărâmicioase (casante), nu sunt maleabile, nu sunt ductile;

prezintă forme alotropice;

au conductibilitate termică și electrică scăzută (excepție grafitul);

nu prezintă luciu;

au 4-8 electroni de valență;

energie de ionizare mare;

electronegativitate mare;

tendința de a accepta electroni (formare de anioni, oxoanioni);

formează hidruri covalente și moleculare;

formează oxizi covalenți și moleculari/acizi;

unii compuși lichizi cu constantă dielectrică mare (NH3, HF, SO3) au capacitatea de a se comporta ca solvenți neapoși.

În ceea ce privește caracteristicile generale ale semimetalelor acestea sunt:

solide la 25 oC;

sunt substanțe cristaline care prezintă fenomenul de alotropie;

majoritatea sunt argintii;

sunt fragile, casante;

au conductibilitate electrică și termică scăzută (conductivitatea este intermediară între metal și izolator);

tendința accentuată de a forma polimeri (macromolecule) la cele care au electronegativități apropiate de a carbonului.

Pentru a caracteriza nemetalele și a semimetalele, modalitatea cea mai potrivită o reprezintă urmărirea variației proprietăților fizice și chimice pe grupe, existând anumite diferențe între acestea.

I.1.1. Poziția nemetalelor în sistemul periodic

D.I. Mendeleev a fost cel care a elaborat primul sistem unitar de clasificare a elementelor, având drept criteriu inițial, masa atomică a elementelor. Cele 63 de elemente cunoscute în acea perioadă au fost organizate în șiruri orizontale (perioade) și verticale (grupe) păstrând câteva locuri libere acolo unde nu se cunoșteau elementele, existența acestora fiind anticipată. Lucrând independent, D.I. Mendeelev (1869) și J.L. Mayer (1870), au descoperit una din cele mai generale legi ale naturii, legea periodicității: proprietățile elementelor sunt funcții periodice ale maselor atomice. Ulterior, G. Moseley (1913-1914), în urma efectuării studiului sistematic al spectrelor de raze X, a confirmat valabilitatea unui nou criteriu, cel al numerelor atomice Z, care a determinat reformularea legii periodicității: proprietățile elementelor sunt funcții periodice ale numărului atomic, Z.

În prezent, forma modernă a sistemului periodic, (bazată pe tabelul periodic elaborat de A. Werner în anul 1905), exprimă cea mai cuprinzătoare relație dintre elemente, structura electronică și proprietățile atomilor.

În conformitate cu IUPAC 2014 (International Union of Pure and Apllied Chemistry), actualul tabel periodic conține 114 elemente, (ultimele două elemente descoperite fiind Flerovium, simbol Fl, număr atomic 114 și Livermorium, simbol Lv, număr atomic 116), aranjate în ordinea crescătoare a numerelor atomice Z, fiind distribuite în șiruri orizontale completate de la stânga la dreapta, numite perioade (1-7) și șiruri verticale, numite grupe (numerotate 1-18, conform IUPAC). Denumirea similară de sistem periodic al elementelor, este susținută de acest tip de ordonare, care facilitează o reflectare obiectivă a structurii electronice a elementelor.

Dacă se analizează poziționarea elementelor în sistem conform organizării tradiționale, încă acceptată în Europa, se constată existența a opt grupe principale (IA-VIIIA), respectiv opt grupe secundare (IB-VIIIB), (numeric sunt 10 grupe secundare, în grupele VIIIB găsindu-se elemente din grupele 8, 9, 10), încadrate de grupele IIA și IIIA. Fiecare din cele șapte perioade începe cu un metal alcalin (grupa 1), care prezintă configurația stratului exterior, ns1; excepție face prima perioadă, care începe cu elementul hidrogen, H. Metalele alcaline sunt urmate de metalele alcalino-pământoase (grupa a 2-a), configurația stratului de valență, ns2; perioadele se încheie cu un gaz rar (grupa a 18-a) având configurație de octet (ns2np6) excepție heliul, cu dublet (1s2). Între grupele 2 (IIA) și 13 (IIIA) sunt intercalate metalele tranziționale și cele de tranziție internă (n≥4), (fig. 1.1).

Figura 1.12 Tabelul periodic al elementelor

Pentru clasificarea elementelor o importanță deosebită o are electronul distinctiv, astfel după tipul orbitalului pe care îl ocupă electronul distinctiv, elementele sistemului periodic se grupează în următoarele categorii: metale, nemetale, metale tranziționale, metale de tranziție internă formând blocurile de elemente s, p, d și f. După cum se poate observa, nemetalele fac parte din blocul elementelor p, la care se adaugă hidrogenul și heliul care sunt cuprinse în blocul elementelor s, (figura 1.2) și (tabelul 1.1)2.

Figura 1.22 Blocurile de elemente s, p, d, f

Tabelul 1.12 Caracteristici ale blocurilor de elemente s, p, d, f

Nemetalele se găsesc în grupele 13-18, deasupra unei diagonale imaginare (trasată simetric în blocul p), ce evidențiază trecerea graduală de la metale la nemetale, prin elemente cu caracter de semimetale (proprietăți fizice asemănătoare metalelor și proprietăți chimice asemănătoare nemetalelor). Se remarcă faptul că numărul nemetalelor dintr-o grupă crește odată cu numărul grupei:

în grupa 13 (IIIA) se găsește borul, B (semimetal);

în grupa 14 (IVA), grupa carbonului, se găsesc carbonul, C și siliciul, Si (semimetal);

în grupa 15 (VA), grupa azotului, se găsesc azotul, N, fosforul, P și arseniul, As (semimetal);

în grupa 16 (VIA), grupa oxigenului sau a calcogenilor, se găsesc oxigenul, O, sulful, S, seleniul, Se și telurul, Te (semimetal);

în grupa 17 (VIIA), grupa halogenilor, se găsesc fluorul, F, clorul, Cl, bromul, Br, iodul, I și astatin, At (există opinii împărțite în încadrarea astatinului ca halogen, respectiv semimetal);

în grupa 18 (VIIIA), grupa gazelor rare, neonul, Ne, argonul, Ar, kriptonul, Kr, xenonul, Xe și radonul, Ra.

O poziționare aparte în sistemul periodic o au nemetalele hidrogen, H, grupa 1 (IA), perioada 1 și heliu, He, grupa 18 (VIIIA), perioada 1, gaz rar, cu structură electronică stabilă de dublet (2 electroni) pe primul strat.

Între poziția elementelor în sistemul periodic (grupa, respectiv perioada) și structura învelișului de electroni există o strânsă legătură după cum se poate observa în tabelul 1.22:

Tabel 1.22 Legătura dintre locul ocupat în sistemul periodic și structura învelișului de electroni

I.1.2. Variația caracterului nemetalic în perioade și în grupe

Analizând comportamentul chimic al nemetalelor corelat cu locul ocupat în sistemul periodic, se constată că, în perioade, caracterul nemetalic crește odată cu creșterea sarcinii nucleare, în timp ce, în grupe, acesta scade de sus în jos, în paralel cu creșterea numărului de straturi electronice populate cu electroni, respectiv cu creșterea numărului atomic Z.

Pentru exemplificare se poate urmări variația electronegativității elementelor în grupa halogenilor prin scrierea reacțiilor de substituție următoare:

F2 + 2KCl → 2KF + Cl2 (I.1)

F2 + 2KBr → 2KF + Br2 (I.2)

F2 + 2KI → 2KF + I2 (I.3)

Cl2 + 2KBr → 2KCl + Br2 (I.4)

Cl2 + 2KI → 2KCl + I2 (I.5)

Br2 + 2KI → 2KBr + I2 (I.6)

Deci, conform electronegativității, χ: χF > χCl > χBr > χI, elementele mai electronegative substituie elementele mai puțin electronegative, fluorul substituind toți halogenii din halogenuri, în timp ce bromul substituie doar iodul din ioduri.

Pentru ilustrarea variației caracterului nemetalic în perioadă, se pot urmări mai întâi reacțiile nemetalelor cu oxigenul, elementele nemetalice formând oxizi acizi:

C + O2 → CO2 (I.7)

P4 + 5O2 → 2P2O5 (I.8)

S + O2 → SO2 (I.9)

SO2 + ½ O2 → SO3 (I.10)

În continuare, oxizii acizi reacționează cu apa și formează oxiacizi a căror tărie crește în perioadă de la stânga la dreapta sau odată cu creșterea numărului grupei (figura 1.3):

(I.11)

(I.12)

(I.13)

H4SiO4 H3PO4 H2SO4 HClO4

Crește aciditatea oxiacizilor

Figura 1.3 Variația caracterului acid în perioada a 3-a

Dacă se analizează seria hidracizilor, se poate observa că aciditatea crește în grupe de sus în jos (invers față de cazul oxoacizilor), iar în perioadă crește odată cu creșterea electronegativității elementului (figura 1.4) și (figura 1.5):

Grupa 16 (VIA) H2O < H2S < H2Se < H2Te

Grupa 17 (VIIA) HF < HCl < HBr < HI

Figura 1.4 Variația acidității hidracizilor în grupele 16 și 17

NH3 H2O HF

Bază slabă Caracter amfoter Acid de tărie medie

Crește aciditatea

Figura 1.5 Variația acidității hidracizilor în perioada a 2-a

I.1.3. Proprietăți fizice și chimice generale ale nemetalelor

Pornind de la forma modernă a legii periodicității care se enunță astfel: “proprietățile elementelor care depind de configurația electronică a atomilor, variază periodic cu numărul atomic“1, se poate afirma că periodicitatea proprietăților fizice și chimice ale elementelor chimice în general, deci și ale nemetalelor, este guvernată de structura electronică a straturilor electronice exterioare ale atomilor acestora.

Proprietățile fizice periodice ale atomilor nemetalelor sunt următoarele:

raza atomică;

raza ionică;

densitatea;

energia de ionizare;

afinitatea pentru electroni;

puncte de fierbere/topire;

spectre optice.

Se pot menționa și proprietăți fizice neperiodice care depind de nucleul atomic:

numărul atomic;

masa atomică;

spectre de rază X.

Raza atomică reprezintă distanța de la nucleu la zona de probabilitate maximă a celor mai depărtați electroni. Aceasta variază în funcție de numărul atomic Z și depinde de natura legăturii interatomice. De exemplu, pentru compușii covalenți, putem vorbi de raza covalentă ca fiind jumătatea distanței internucleare dintre doi atomi adiacenți într-o rețea covalentă, (figura 1.6)2.

Figura 1.62 Raza covalentă în compuși de tip A-A, B-B și A-B

Raza ionică este determinată de spațiul ocupat de un ion în orice direcție a unei rețele ionice solide; se exprimă ca distanța dintre centrele a doi contraioni, rionică = ranion + rcation. Razele ionilor pozitivi sunt mai mici decît ale atomilor corespunzători (metale) deoarece aceștia pierd electroni, în timp ce razele ionilor negativi sunt mai mari decât ale atomilor (nemetale), datorită acceptării de electroni ce contribuie la creșterea volumului ionului. Anionii monovalenți din grupa 17 (Cl-, Br-, I-) și anionii divalenți ai elementelor din grupa 16 (O2-, S2-, Te2-) au valori mari ale razelor ionice (tabelul 1.3)2.

Tabelul 1.32 Raze ionice măsurate în Angstromi (Å), (6 este număr de coordinare)

Energia de ionizare se definește ca fiind energia necesară extragerii unui electron dintr-un atom neutru sau dintr-o moleculă, în stare gazoasă. Unitatea de măsură pentru energia de ionizare este kJmol-1 sau eV. Energia de ionizare crește, în perioade, de la stânga la dreapta datorită creșterii sarcinii nucleare, respectiv a forței de atracție dintre nucleu și electronul considerat. Astfel, gazele rare au valori mari ale energiei de ionizare, explicându-se inerția chimică specifică acestora.

În privința variației energiei de ionizare, în grupele principale, valorile scad de sus în jos, intensitatea interacției dintre nucleu și electronul periferic fiind din ce în ce mai mică (tabelul 1.4)2.

Tabelul 1.42 Energii de ionizare măsurate în eV

O altă proprietate fizică periodică, afinitatea pentru electroni, reprezintă energia necesară îndepărtării unui electron dintr-un anion monovalent aflat în stare gazoasă și captării în stratul de valență al unui atom sau molecule neutre. Unitatea de măsură pentru afinitatea pentru electroni este, ca și în cazul energiei de ionizare, kJmol-1 sau eV.

Nemetalele manifestă cea mai mare afinitate pentru electroni, după cum se poate observa în tabelul 1.52:

Tabelul 1.52 Afinitatea pentru electron măsurată în eV

În ceea ce privește proprietățile chimice periodice ale atomilor nemetalelor, acestea sunt:

caracterul electrochimic;

valența;

starea de oxidare.

Caracterul electrochimic se referă la tendința atomilor de a ceda sau a accepta electroni pentru a-și realiza structuri electronice stabile pe stratul de valență. Caracterul electropozitiv reprezintă tendința de cedare de electroni și de transformare în anioni, manifestată de metale.

Nemetalele sunt elementele care manifestă caracter electronegativ, deci au tendința de a accepta electroni și a se transforma în anioni.

X + ne- → Xn- (I.14)

Discutând în sens general, se ia în considerare electronegativitatea unui element. Dacă un element este puternic electropozitiv, atunci caracterul acestuia se exprimă ca fiind, de fapt, slab electronegativ. L. Pauling consideră că „electronegativitatea reprezintă capacitatea unui atom de a atrage electronii de legătură în cadrul unei combinații”, făcând distincție față de afinitatea pentru electron, exprimată ca tendință de captare a unui electron de către atomul izolat. Este evident deci, că între caracterul electrochimic și energia de ionizare respectiv, afinitatea pentru electron există o strînsă legătură.

Importanța noțiunii de valență pentru tot ceea ce reprezintă formarea legăturile chimice dintre atomi și proprietățile ce derivă de aici, este evidențiată de afirmațiile marelui chimist român, Costin D. Nenițescu: ”Unul din obiectivele principale ale chimiei este de a stabili de ce și cum se combină atomii între ei. Un altul este firește acela de a determina structura și proprietățile compușilor chimici care iau naștere din împreunarea atomilor”.

Teoria electronică a valenței elaborată de W. Kossel pentru legătura ionică și teoria electronică a covalenței avându-l ca fondator pe G.N. Lewis, evidențiază importanța realizării de către atomii care formează o legătură chimică a unei configurații electronice a stratului de valență cât mai stabilă, de dublet sau octet.

Valența reprezintă capacitatea de combinare a unui atom cu un alt atom și depinde de numărul electronilor de pe ultimul strat. Configurația electronică a nemetalelor va determina atât valența și structura moleculară a acestora, cât și tipurile de combinații pe care nemetalele le pot forma cu hidrogenul, oxigenul și metalele. Oxigenul este constant divalent, iar hidrogenul constant monovalent. Valența maximă față de oxigen a nemetalelor situate în grupele 13(IIIA) – 17(VIIA) inclusiv, este egală cu numărul grupei. De exemplu, oxizii superiori ai nemetalelor din perioada a 3-a sunt: dioxidul de siliciu, SiIVO2, pentaoxidul de fosfor, P2VO5, trioxidul de sulf, SVIO3, heptaoxidul de clor, Cl2VIIO7. Valența nemetalelor față de hidrogen este egală cu diferența dintre numărul maxim de electroni pe ultimul strat (8, octet) și numărul grupei, astfel:

– gazele rare vor avea valența față de hidrogen 0;

– nemetalele din grupa 17 vor avea valența față de hidrogen 1;

– nemetalele din grupa 16 vor avea valența față de hidrogen 2;

– nemetalele din grupa 15 vor avea valența față de hidrogen 3;

Electrovalența reprezintă valența elementelor care își completează ultimul strat electronic (de valență) prin cedare sau acceptare de electroni și se exprimă printr-o sarcină electrică, numeric egală cu numărul de electroni cedați sau acceptați. Nemetalele prezintă electrovalența negativă. Valența elementelor exprimată prin numărul de electroni pe care un atom îi pune în comun cu un alt atom, până la realizarea unei structuri electronice stabile, reprezintă covalența. Aceasta va fi egală cu numărul legăturilor covalente (covalențe) formate:

H – monovalent, O – divalent, N – trivalent, C – tetravalent, F, Cl, Br, I – monovalent (figura 1.7).

1 legătură 4 legături 3 legături 2 legături 1 legătură

Figura 1.74 Număr de legături covalente formate de atomii nemetalelor

O alternativă mai cuprinzătoare a noțiunii de valență o reprezintă starea de oxidare. Aceasta reprezintă o măsură a gradului de oxidare a unui atom într-un compus chimic. Valorile stărilor de oxidare se stabilesc pe baza coeficienților de electronegativitate, ținând cont de un set de reguli, fluorul având întotdeauna în compuși starea de oxidare -1. Valorile pot fi numere întregi sau fracționare și ele reflectă capacitatea de atragere a electronilor de legătură de către un atom. Pentru oxigen starea de oxidare este -2 cu excepțiile:

– combinat cu fluorul: +2, +1;

– în peroxizi: -1;

– în superoxizi; -1/2;

– în ozonide: -1/3.

Pentru carbon starea de oxidare poate fi considerată (formal) fie pozitivă, fie negativă.

Valorile extreme ale stării de oxidare sunt -4 și + 8.

I.1.4. Structura moleculară a nemetalelor

Nemetalele se pot clasifica în funcție de numărul atomilor din moleculă în:

– Nemetale cu molecule monoatomice, de tipul E: gazele rare – heliu, neon, argon, kripton, xenon și radon;

– Nemetale cu molecule covalente diatomice, de tipul E2: hidrogenul, oxigenul, azotul și halogenii;

– Nemetale cu molecule covalente poliatomice, de tipul Ex; nemetalele solide din grupele 14,15,16.

Figura 1.8 Structuri moleculare ale nemetalelor din grupele IV-VIII

Conform teoriei electronice clasice a lui G.N. Lewis, legăturile chimice într-o moleculă se realizează prin punerea în comun a electronilor de valență (prin perechi de electroni), pentru obținerea configurațiilor stabile. Aceste legături se numesc legături covalente. În funcție de tipul atomilor care participă la formarea legăturii covalente, deosebim legătura covalentă nepolară și legătura covalentă polară, iar moleculele obținute se vor numi molecule nepolare, respectiv polare.

Legătura covalentă nepolară se stabilește între doi atomi identici sau cu electronegativități foarte apropiate, perechea de electroni de legătură aparține în mod egal celor doi atomi (exemplul moleculei de hidrogen, H2 sau clor, Cl2).

Legătura covalentă polară se formează între atomi diferiți, caracterizați prin electronegativități diferite, perechea de electroni fiind deplasată spre elementul cel mai electronegativ, acest fenomen numit polarizare ducând la apariția a doi poli electrici de sarcini subunitare (parțiale), egale, negativă la atomul mai electronegativ și pozitivă la atomul mai puțin electronegativ (exemplul moleculei de acid clorhidric, HCl). În cazul anumitor molecule care conțin atomi diferiți, datorită simetriei, momentele de dipol ale legăturilor se anulează reciproc, astfel moleculele vor fi nepolare (exemplul moleculei de tetraclorură de carbon, CCl4).

Dacă atomii care participă la legătura chimică au fiecare mai mulți electroni neîmperecheați, se vor forma legături duble sau triple (nesaturate). Dacă se analizează energia de legătură, care este energia necesară desfacerii legăturii, respectiv lungimea legăturii, se va constata că legătura dublă are o energie mai mare decât cea simplă și mai mică decât a legăturii triple, iar lungimea legăturii scade pe măsură ce crește gradul de nesaturare al legăturii.

Un tip de legătură covalentă aparte este legătura covalent coordinativă care se poate forma atunci când participă la legătură un orbital complet ocupat (donor) și un orbital liber (acceptor). Acest tip de legătură este specifică, în special, combinațiilor complexe.

Deși teoria Lewis a avut un rol esențial în fundamentarea legăturii covalente, ea prezintă și unele deficiențe:

– nu permite calcule cantitative pentru determinări de distanțe interatomice și energii de legătură;

– nu conduce la determinarea geometriei moleculare;

– nu explică stabilitatea moleculelor deficitare în electroni și unele proprietăți chimice ale compușilor.

Astfel pentru o aprofundare a cunoașterii legăturilor chimice covalente, se va ține cont de orbitalii atomici ce participă la formarea legăturii și de orientarea acestora în spațiu. Două teorii importante, ”Metoda legăturii de valență” (MLV) și ”Metoda Orbitalilor Moleculari” (MOM), explică într-un mod mai complet formarea legăturilor covalente.

Inițiată de W. Heitler și F. London și dezvoltată ulterior de către Slater și Pauling, metoda legăturii de valență preia din teoria cuantică a atomului conceptul de orbital atomic și precizează că legătura covalentă este un rezultat al întrepătrunderii orbitalilor atomici puri sau hibridizați, din stratul de valență, în modul cel mai favorabil din punct de vedere energetic și steric. Conform acestei teorii, legătura covalentă va fi cu atât mai puternică cu cât întrepătrunderea orbitalilor este mai mare, iar stabilitatea speciei rezultate va fi cu atât mai mare cu cât aranjarea spațială a legăturilor este favorabilă unor repulsii cât mai mici între atomii participanți la legătură. Cele două condiții de stabilitate se găsesc în relație de interdependență.

În funcție de modalitatea în care are loc suprapunerea orbitalilor atomici care participă la formarea covalenței se deosebesc mai multe tipuri de covalențe.

Covalența σ se poate forma nu numai prin suprapunerea a doi orbitali atomici s ci și prin suprapunerea unui orbital de tip s cu un lob al unui orbital de tip p, de exemplu covalența din hidracizii halogenilor (figura1.9), seleniului și telurului, precum și din hidrurile fosforului, arseniului și stibiului. Legătura σ simplă, este cea mai stabilă legătură covalentă, bicentrică, bielectronică. Covalențele σ au o simetrie cilindrică și nu sunt întretăiate de nici un plan nodal, ele fiind legăturile de bază dintr-o moleculă, determinându-i configurația.

Figura 1.91 Formarea covalenței σ în molecula de acid clorhidric

Covalența π se constituie ca o legătură secundară în cazurile în care după formarea legăturilor σ, rămân electroni necuplați la ambii atomi. Ea rezultă prin suprapunerea orbitalilor p, d sau f prin câte doi lobi (figura 1.10) și este caracteristică formării legăturilor multiple (duble sau triple)1.

Figura 1.101 Reprezentarea formării unor covalențe de tip π (pp), respectiv π(pd)

Se observă că există mai multe elemente (bor, carbon, sulf și altele) care formează un număr mai mare de covalențe decât numărul electronilor necuplați din stratul de legătură (tabelul 1.6)1.

Tabel. 1.61 Comparație între numărul de covalențe teoretice și reale ale B, S, C

Această anomalie a fost explicată de L. Pauling prin teoria hibridizării orbitalilor atomici. Hibridizarea presupune ”modificarea prin combinarea liniară a funcției de undă a unor orbitali atomici din stratul exterior în momentul formării legăturii, adică trecerea atomilor într-o stare excitată, stare de valență. Această trecere presupune concomitent modificarea formei, egalizarea energetică a orbitalilor hibrizi și distribuția lor spațială cât mai simetrică în jurul nucleului”1.

Se poate concluziona că hibridizarea orbitalilor unui atom este un fenomen ce apare în momentul formării legăturilor chimice, numai dacă specia chimică rezultată va prezenta o stabilitate energetică și sterică mult mai mare decât în cazul în care hibridizarea nu ar avea loc.

Prin participarea orbitalilor hibrizi la legătură se pot realiza doar legături de tip σ (întrepătrundere frontală, coaxială), în timp ce legăturile de tip π se pot realiza doar prin întrepătrunderea (laterală) a orbitalilor puri de tip p sau d. Aceste moduri diferite de formare a legăturilor permite rotația în jurul axei de legătură în cazul legăturii σ (legături simple) și conferă rigiditate în cazul legăturilor π (legături multiple). Hibridizări ale orbitalilor atomici au loc nu numai între orbitali s și p, dar și s, p și d sau (n-1)d, ns și np.

Una dintre teoriile moderne care interpretează configurația geometrică în corelație cu structura electronică o reprezintă ”Metoda lui Gillespie” sau modelul ”Repulsiei Perechilor de Electroni din Stratul de Valență (RPESV)”. În cadrul acestui model se presupune că electronii de valență din jurul unui atom dintr-o specie chimică sunt grupați în perechi, fie de legătură (participante la o legătură simplă sau multiplă), fie de nelegătură (perechi neparticipante), iar aceste perechi se orientează în spațiu astfel încât repulsiile dintre ele să fie minime.

Teoria lui Gilllespie se bazează pe patru reguli empirice, care sunt fundamentale în cadrul mecanicii cuantice. Prima regulă și cea mai importantă se enunță astfel:

”Perechile de electroni din stratul de legătură al unui atom A implicat într-o moleculă de tip ABnEx, adoptă o astfel de poziție reciprocă, încât să se afle la o distanță maximă unele de altele; perechile de electroni din stratul exterior se comportă de parcă s-ar respinge”.

Pentru interpretarea configurațiilor geometrice rezultate în condițiile prezenței unor perechi de electroni neparticipanți aflați în stratul exterior al atomului A, a doua regulă se formulează astfel:”o pereche de electroni neparticipanți (E), ocupă pe suprafața unui atom, un spațiu care este mai mare decât spațiul ocupat de o pereche de electroni de legătură”.

În consecință, repulsia dintre două perechi neparticipante de electroni este mai mare decât repulsia dintre o pereche neparticipantă și una de legătură, care la rândul său este mai mare decâr repulsia dintre două perechi de electroni de legătură. O specie chimică va adopta acea orientare spațială a perechilor de electroni din jurul unui atom astfel încât suma unghiurilor formate între perechile neparticipante de electroni să fie maximă, urmată de suma maximă a unghiurilor formate între perechile neparticipante de electroni și perechile de legătură.

Valoarea unghiurilor de valență este influențată și de electronegativitatea elementelor conform celei de a treia regulă:”spațiul ocupat de către o pereche de electroni angajată într-o legătură covalentă, descrește cu creșterea electronegativității elementului”, iar pentru moleculele ce conțin legături multiple, unghiul de valență poate fi prevăzut pe baza celei de a patra reguli:”două perechi de electroni ai unei legături duble sau trei perechi de electroni ai unei legături triple ocupă un spațiu mai mare decât o pereche de electroni angajată într-o legătură simplă”1.

Prin notația ABnEx, unde A este atomul central, B atomii ce se leagă direct de atomul central, E perechile neparticipante de electroni, n numărul de atomi legați și x numărul de perechi neparticipante de electroni, se poate intui și tipul de hibridizare al atomului central, numărul de orbitali hibrizi fiind egal cu suma n+x. Configurația spațială a moleculelor va fi dictată de tipul de hibridizare a atomului central și de numărul de perechi neparticipante de electroni (tabelul 1.7)2.

Tabel 1.72 Tipuri de hibridizare, forme geometrice asociate, unghiuri de valență.

(roșu – atom central, albastru – liganzi, verde – perechi de electroni neparticipante)

Ca dezavantaj al metodei legăturii de valență și al modelului Gillespie se poate menționa faptul că acestea nu pot explica, de exemplu, stabilitatea unor specii chimice cu număr impar de electroni participanți la legătură (monoxidul de azot, NO) sau proprietățile magnetice ale unor compuși (paramagnetismul moleculei de oxigen, O2).

Aceste aspecte vor putea fi explicate utilizând metoda orbitalilor moleculari, dezvoltată de Hund, Mulliken, Huckel și alții, care pornește de la o altă premisă și anume:”…mișcarea electronilor în moleculele poliatomice se produce simultan în câmpul tuturor nucleelor atomice din moleculă. Edificiul molecular este un tot unic, nucleele atomice formând scheletul moleculei, iar electronii supuși acestui câmp electric nuclear se repartizează în orbitali moleculari în ordinea succesiunii energiei lor. Orbitalii moleculari se formează prin contopirea orbitalilor atomici apropiați ca energie din stratul exterior al atomilor moleculei”1. Deoarece calculul matematic al funcțiilor de undă al acestor orbitali moleculari este dificil, s-au adoptat aproximații ce simplifică modelul, rezultând procedeul de combinare liniară a orbitalilor atomici.

Utilizând ca exemplu molecula de hidrogen, orbitalii moleculari ce se vor forma prin combinarea liniară a funcțiilor de undă a orbitalilor atomici 1s (câte unul la fiecare atom de hidrogen) sunt orbitalul molecular de legătură (liant), de energie joasă și orbitalul molecular de antilegătură (antiliant), de energie înaltă (figura 1.11)2.

Figura 1.112 Diagrama energetică a orbitalilor moleculari pentru molecula H2

În funcție de proveniența lor orbitalii moleculari (OM) se vor nota astfel:

– OM σs de legătură, respectiv OM σs* de antilegătură, obținuți prin combinarea a doi orbitali atomici de tip s;

– OM σsp de legătură, respectiv OM σsp* de antilegătură, obținuți prin combinarea unui orbital atomic de tip s cu unul de tip p;

– OM σp de legătură, respectiv OM σp* de antilegătură sau OM πp de legătură, respectiv OM πp* de antilegătură, obținuți prin combinarea a doi orbitali atomici de tip p.

În perioadă, începând cu molecula de oxigen, apare o contracție energetică a orbitalilor πx și πy față de σ2p ceea ce duce la o inversare a ordinii energetice a acestora (figura 1.12)2.

Figura 1.122 Diagrama orbitalilor pentru molecula de O2

Ocuparea orbitalilor moleculari cu electroni se face asemănător ca și în cazul ocupării cu electroni a orbitalilor atomici, respectând principiile de repartiție cunoscute. Ordinul legăturii dintre doi atomi este egal cu jumătatea diferenței dintre numărul electronilor din orbitalii de legătură și numărul electronilor din orbitalii de antilegătură. Lungimea legăturii descrește cu creșterea ordinului de legătură. Moleculele diamagnetice (molecula de azot) prezintă numai electroni împerecheați în configurația electronică spre deosebire de moleculele paramagnetice (molecula de oxigen) care au în configurație și electroni neîmperecheați. Pe lângă orbitalii moleculari de legătură (OML) și orbitalii moleculari de antilegătură (OMA) se pot forma și orbitali moleculari de nelegătură (OMN) ce provin din perechi complet ocupate de orbitalii moleculari de legătură și orbitalii moleculari de antilegătură de același tip, sau din orbitali atomici neparticipanți la legătură.

În concluzie, atât teoria electronică clasică cât și teoriile moderne care completează aspectele deficitare ale acesteia, ne oferă o imagine completă a structurii electronice a straturilor exterioare ale elementelor chimice în general, deci și a nemetalelor, proprietățile fizice și chimice ale acestora fiind strâns legate de toate aceste aspecte.

I.2. Oxigenul

I.2.1. Aspecte generale și răspândire în natură

Oxigenul este un nemetal care se găsește în grupa a 16-a (VIA) a sistemului periodic alături de sulf, seleniu, telur și poloniu. Elementele acestei grupe poartă numele de calcogeni (în limba greacă, chalkos înseamnă minereu), denumirea putând fi justificată prin faptul că oxigenul și sulful se găsesc aproape în toate minereurile.

Oxigenul a fost descoperit de către Joseph Priestley, (figura 1.13), prin experimentele făcute în anul 1771, calcinarea salpetrului, și 1774, calcinarea oxidului roșu de mercur, numindu-l aer deflogisticat.

Figura 1.136 Joseph Priestley

Lucrând independent, Carl Wilhelm Scheele (figura 1.14), a preparat oxigen (1771-1772) prin descompunerea oxidului roșu de mercur, prin calcinarea salpetrului sau prin acțiunea acidului sulfuric asupra dioxidului de mangan, dar rezultatele sale au fost publicate abia în anul 1777 .

Figura 1.147 Carl Wilhelm Scheele

Fiind adepți și apărători ai teoriei flogisticului, care susținea că orice material inflamabil conține flogistic, o substanță fără culoare, miros, gust, greutate iar prin ardere materialul pierde flogisticul devenind calx,  C. W. Scheele și J. Priestley nu au putut trage concluziile care se impuneau din experiențele lor.

Astfel că, rolul important în stabilirea faptului că ceea ce descoperiseră cei doi oameni de știință anterior, este de fapt un element chimic, îi revine lui Antoine Laurent Lavoisier, (figura 1.15), care a realizat primele experimente cantitative adecvate cu privire la oxidare și care a elaborat explicații corecte referitoare la modul în care funcționează arderea, discreditând teoria flogisticului. În urma experiențelor efectuate de Lavoisier, acesta a stabilit că aerul este un amestec de două gaze: aer vital, esențial pentru ardere și respirație și azote (fără viață), care nu le întreține deloc.

În anul 1777, a redenumit aerul vital în oxigen, considerând eronat că oxigenul este constituent al tuturor acizilor, denumirea fiind alcătuită din cuvintele de origine greacă ”oxus” (acid) și ”gennae” (a produce) dar, deși greșeala a fost demonstrată ulterior, această denumire de oxigen a fost păstrată.

Figura 1.159 A.L. Lavoisier

Oxigenul, indispensabil vieții pe Pământ, reprezintă elementul cel mai răspândit de pe planeta noastră, proporția fiind de 46,6 %, regăsindu-se în învelișul gazos (atmosferă), lichid (hidrosferă) și solid (litosferă).

Component esențial al aerului și al apei, oxigenul se găsește liber în aerul atmosferic în proporție de 20,9 % (procente de volum), respectiv 23 % (procente de masă), în timp ce în apă, combinat cu hidrogenul, proporția este de 89% (procente de masă).

Conform opiniilor oamenilor de știință, atmosfera originară a Pământului conținea mai mult metan (CH4) și dioxid de carbon (CO2) și mai puțin oxigen decât cea actuală. Metanul s-a oxidat cu timpul la dioxid de carbon, iar acesta a fost transformat de către plante și animale în oxigen și substanțe organice, acestea din urmă dând naștere marilor zăcăminte fosile de cărbune și petrol. De la apariția vieții pe Pământ până în prezent, procentul de oxigen din aer a crescut necontenit. Existența oxigenului molecular, în atmosfera Terrei, este de o importanță primordială pentru viața pe această planetă. Animalele cu sânge cald mor, în absența oxigenului, în câteva minute. Cele cu sânge rece, la fel și plantele, deși mai puțin sensibile, nu se pot nici ele lipsi de oxigen. Aceste viețuitoare aerobe consumă oxigen pentru oxidarea anumitor substanțe organice, eliberându-se dioxid de carbon, apă și o cantitate de energie (reacții exoterme). Energia eliberată în acest proces de respirație este folosită pentru diversele funcțiuni vitale, producerea de căldură, de travaliu muscular, sau pentru sinteza diferitelor substanțe din organism.

În plantele verzi, expuse luminii, are loc, alături de respirație, și un alt schimb gazos cu atmosfera, asimilația clorofiliană (fotosinteza), în care se consumă dioxid de carbon și se elimină oxigen, energia consumată fiind energia solară (reacții endoterme).

clorofilă

CO2 + H2O + hν → O2 + [CH2O]n (I.15)

enzime

Doar puține viețuitoare inferioare, numite anaerobe, de exemplu drojdiile și unele bacterii, își duc viața în absența permanentă a oxigenului.

Oxigenul intră în compoziția multor minerale, în special în oxizi, silicați și carbonați și reprezintă o componentă importantă a materiei din organismele vii: zaharide, grăsimi, proteine, alcooli, etc.3

Formă alotropică a oxigenului, ozonul, O3, se găsește în cantități mici în straturile superioare ale atmosferei (aproximativ 10-6 volume %) și are rolul de a proteja Pământul de radiațiile ultraviolete provenite de la Soare. De asemenea, prin căldura degajată la disocierea sa în oxigen, straturile superioare ale atmosferei au o temperatură relativ ridicată.

I.2.2. Metode de obținere

Pornind de la primele experimente efectuate de descoperitorii elementului chimic oxigen, J. Priestley, C.W. Scheele, A. L. Lavoisier, amintite în subcapitolul anterior, și continuând cu experiența acumulată prin contribuția succesorilor lor, se poate face o clasificare a metodelor de obținere a oxigenului în metode de laborator și metode industriale.

În laborator, oxigenul poate fi obținut prin electroliza apei acidulate sau prin descompunerea termică sau catalitică a unor compuși oxigenați care conțin un procent mare de oxigen: oxosăruri, peroxizi, oxizi.

Electroliza reprezintă fenomenul care apare la trecerea curentului electric prin soluția sau topitura unei substanțe, și anume, disocierea în ioni a substanței respective denumită electrolit, orientarea ionilor către electrozi în funcție de sarcina acestora (ionii pozitivi sau cationii sunt dirijați către catod, polul negativ, respectiv ionii negativi sau anionii sunt dirijați către anod, polul pozitiv) unde își pierd sarcina și se depun sau intră în reacții chimice. La catod se produce un proces de reducere, în timp ce la anod are loc un proces de oxidare. Vasul în care se desfășoară electroliza se numește electrolizor, iar pentru furnizarea de curent electric se utilizează un generator de curent continuu. În ceea ce privește electroliza apei, întrucât apa în stare pură, nu este bună conducătoare de electricitate, procesul desfășurându-se cu viteză foarte mică fiind greu de observat, pentru metoda de laborator se utilizează apă în care s-a adăugat acid sulfuric, mărindu-se astfel conductibilitatea electrică a apei (figura 1.16).

Figura 1.1610

Schema electrolizei apei acidulate cu ajutorul electrolizorului Hoffman

Prin disocierea apei și a acidului sulfuric se vor obține ioni hidroniu H3O+, ionii hidroxid HO- , sulfat acid HSO4- și sulfat neutru SO42-, conform reacțiilor următoare:

(I.16)

(1.17)

HSO4- + H2O → H3O+ + SO42- (I.18)

Însumând aceste procese se obține reacția :

H2SO4 + 4H2O → 3H3O+ +HO- + SO42- (I.19)

Procesele care au loc la electrozi sunt:

C (-) 2H2O(l) +2e- → H2 (g) + 2HO-(aq) reducere (I.20)

A (+) 3H2O(l) → ½ O2 (g) + 2H3O+(aq) + 2e- oxidare (I.21)

Ecuația reacției totale este: H2O(l) → H2 (g) + ½ O2 (g) (I.22)

Deci la catod se degajă hidrogenul, iar la anod se obține oxigenul. Recunoașterea hidrogenului se face prin aprindere (H2 arde), în timp ce oxigenul nu arde, dar întreține arderea.

Reacțiile de descompunere termică sau catalitică

Oxigenul poate fi obținut în laborator prin descompunerea termică a unor oxizi:

Ag2O → 2Ag + ½ O2 (182°C) (I.23)

2HgO → 2Hg + O2 (480°C) (I.24)

2PbO2 → 2PbO + O2 (344-590°C) (I.25)

4CrO3 → 2Cr2O3 + 3O2 (I.26)

3MnO2 → Mn3O4 + O2 (500°C) (I.27)

3Fe2O3 → 2Fe3O4 + ½O2 (1470°C) (I.28)

Fe3O4 → 3Fe + 2O2 (3025 °C) (I.29)

2BaO2 → 2BaO + O2 (I.30)

De asemenea, se pot descompune termic în laborator cloratul de potasiu, peroxisulfații, perclorații, permanganații și peroxicarbonații. Reacția de descompunere termică a cloratului de potasiu poate fi catalizată de diferiți oxizi metalici. Cu dioxidul de mangan, oxidul de fier (III), oxidul de cupru (II) reacția are loc la 205°C, cu negru de platină la 270°C, cu oxidul de plumb la 285°C. Hipocloriții și hipobromiții se descompun termic cu eliberare de oxigen:

2KClO3 → 2KCl + 3O2 (I.31)

KClO2 → KCl + O2 (I.32)

KClO4 → KCl + 2O2 (I.33)

(NH4)2S2O8 →(NH4)2SO4+SO2 + O2 (I.37)

2K2C2O6 → 2K2CO3 +2CO2 + O2 (I.34)

2KMnO4 → K2MnO4 + MnO2 + O2 (I.35)

2CaOCl2 → 2CaCl2 + O2 (I.36)

Acidul azotic gazos se poate descompune spre a da oxigen (H. S. Johnston -1955):

2HNO3 → 2NO2 + ½ O2 +H2O (400°C) (I.38)

Pe cale umedă, la rece, oxigenul se poate obține prin procedee variate. Astfel, apa de Javel poate fi descompusă catalitic în clorură de potasiu și oxigen de sărurile de Co, Ni, Mn, Fe și Cu:

KClO → KCl + ½ O2 (I.39)

Peroxizii alcalini sunt descompuși de apă. Sărurile metalice ca sulfatul de cupru (II) sau de nichel (II) accelerează descompunerea. Amestecul de oxilită constă din Na2O2, K2O2 și CuSO4. Un alt amestec conține peroxid de sodiu și clorură de var. Oxilita servește la încărcarea aparatelor respiratoare utilizate în submarine (G. F. Jaubert -1902):

Na2O2 + 2H2O → 2NaOH + H2O2 (I.40)

H2O2 → H2O + ½ O2 (I.41)

CaOCl2 + Na2O2 + H2O → Ca(OH)2 +2NaCl + O2 (I.42)

Permanganatul de potasiu acționează la rece asupra unei soluții acide de apă oxigenată producând oxigen. Apa oxigenată este descompusă catalitic de o serie de alte substanțe ca: PbO2, CaOCl2, MnO2, K2Cr2O7 etc:

2KMnO4 + 5H2O2 + 3H2SO4 → K2SO4 + 2MnSO4 + 8H2O + 5O2 (I.43)

Pe cale umedă, la cald, există un mare număr de reacții care produc oxigen în laborator. Astfel, dioxidul de mangan este descompus de acidul sulfuric concentrat la aproximativ 100°C. Acidul sulfuric concentrat mai acționează la cald și asupra trioxidului de crom, a dicromatului de potasiu (A. Vogel -1834) și asupra permanganatului de potasiu (W. H. Balmain -1842):

2K2Cr2O7 + 8H2SO4 → 2K2SO4 + 2Cr2(SO4)3 + 8H2O +3O2 (I.44)

4CrO3 + 6H2SO4 → 2Cr2(SO4)3 + 6H2O + 3O2 (I.45)

2MnO2 + 2H2SO4 → 2MnSO4 + 2H2O + O2 (I.46)

2KMnO4 + 3H2SO4 → K2SO4 + 2MnSO4 + 3H2O + 5/2O2 (I.47)

În locul acidului sulfuric se poate utiliza acid azotic sau acid fosforic. Apa oxigenată este descompusă în mediu alcalin de hexacianoferatul (III) de potasiu:

2K3[Fe(CN)6] + 2KOH + H2O2 → 2H2O + 2K4[Fe(CN)6] + O2 (I.48)

cu degajare de oxigen.

Metodele industriale prin care se poate obține oxigenul se bazează pe extragerea lui din apă și din aer. Aceste procedee pot fi clasificate în procedee chimice și procedee fizice.

Procedeul industrial bazat pe electroliza apei, utilizează apa alcalinizată cu hidroxid de sodiu. Soluția alcalină (15-30%), care nu conține mai mult de 0,1 % sulfați, azotați sau cloruri, se electrolizează în celulele cu diafragmă (figura 1.17) și electrozi de fier sau nichel. Se utilizează tensiuni de sute de volți și curenți de sute de amperi. Electroliza se conduce la cald (60-80°C). În apa alcalinizată cu hidroxid de sodiu se vor găsi ionii hidroxid HO-, proveniți din disocierea apei și hidroxidului de sodiu la dizolvare, care vor migra la anod, alături de ionii hidroniu H3O+ și sodiu Na+ care vor migra la catod. Reacțiile primare, respectiv secundare pot fi exprimate astfel:

A(+) 2HO- – 2e- →H2O + ∙O∙ (I.49) Figura 1.17 Celulă cu diafragmă

∙O∙ → ½ O2 (I.50)

C(-) 2H3O+ + 2e- → 2H2O + 2H∙ (I.51)

2H∙ → H2 (I.52)

Ionii de Na+ nu vor participa la procesele redox deoarece valoarea potențialului de reducere este mai scăzută. Procedeul este deosebit de avantajos deoarece se obține atât oxigen cât și hidrogen de înaltă puritate, ce se pot utiliza în diferite domenii industriale.

Alte procedee chimice de obținere a oxigenului în industrie sunt descrise de metodele prezentate în continuare.

Astfel, clorura de cupru (I) trece cu oxigenul din aer la încălzire moderată în oxiclorură (J. T. A. Mallet -1865), care la încălzire mai puternică cedează oxigenul:

4CuCl + O2 → 2Cu2OCl2 (I.53)

Prin încălzirea piroluzitei cu hidroxid de sodiu, în aer, se formează un manganat de sodiu, care la încălzire mai puternică cedează oxigenul (C. M. Tessie du Motay, C.R. Maréchal -1866): (I.54)

Oxidul de plumb încălzit în prezența aerului și a oxidului de calciu este oxidat la dioxid PbO2·2CaO sau plumbat de calciu Ca2PbO4, care apoi se disociază la încălzire mai puternică:

PbO2·2CaO → PbO + 2CaO + ½O2 (I.55)

Se poate trata plumbatul de calciu cu o soluție de carbonat de sodiu sau de potasiu. PbO2·2CaO + 2Na2CO3 + 2H2O → 4NaOH +2CaCO3 + PbO2 (I.56)

Precipitatul rezultat conține carbonat de calciu și dioxid de plumb și se separă prin filtrare.

Încălzind acest precipitat la 500°C, se degajă oxigen (G. Kassner – 1880).

Bazându-se pe reacția descoperită de J. B. J. D. Boussingault (1851), L. Q și A. Brin au pus la punct o metodă de extragere a oxigenului din aer cu ajutorul oxidului de bariu. Prin încălzirea oxidului de bariu în aer la 500°C, acesta fixează oxigen, formând peroxid de bariu. Prin încălzirea peroxidului de bariu la 750°C la presiune atmosferică sau la 450°C în vid, acesta cedează oxigen: BaO2 → BaO + ½O2 (I.57)

și se reformează substanța inițială8.

Dintre procedeele fizice de obținere industrială a oxigenului, se poate aminti metoda distilării fracționate a aerului lichid. Inițial, aerul este purificat prin îndepărtarea particulelor solide, a dioxidului de carbon și a apei, fiind ulterior comprimat pentru a se lichefia. T. Andrews (1869) a arătat că pentru a lichefia un gaz el trebuie răcit sub temperatura critică. Temperatura critică a oxigenului este –118,75°C. Răcit puțin sub această temperatură el poate fi lichefiat aplicându-i-se o presiune de peste 50,2 atm (A. Pictet și L. Cailletet – 1877). În anul 1895 W. Hampson, în Anglia și K. von Linde în Germania au realizat lichefierea industrială a aerului. Ei au folosit efectul Joule-Thomson, adică detenta cu lucru mecanic exterior al aerului în prealabil comprimat. În anul 1900, G. Claude a imaginat detenta cu lucru mecanic exterior, pentru a provoca apoi lichefierea sub presiune8.

Componentele aerului lichefiat, oxigen, azot și gaze rare (menținut la temperatura de 80K), se separă prin distilare fracționată, pe baza diferenței dintre punctele de fierbere, în instalații speciale. Datorită faptului că punctul de fierbere al oxigenului (-182,9°C) este destul de apropiat de cel al azotului (-195,7°C), distilarea aerului lichid este destul de dificilă. Oxigenul se poate păstra și transporta în tuburi de oțel (butelii) sub presiune (150-225 atm).

I.2.3. Proprietăți fizice

Oxigenul este, în condiții normale de temperatură și presiune, un gaz incolor, inodor și insipid. Ca o caracteristică aparte, oxigenul este singurul element în stare gazoasă la temperatură ordinară care prezintă două forme alotropice: oxigenul propriu-zis, O2 și ozonul, O3.

Oxigenul atmosferic constă din trei izotopi de mase 16,17,18 (F. W. Gianque și H. L. Johnston -1929). Abundența celor trei izotopi este 99,8%, 0,04% și respectiv 0,2%. Pe lângă aceștia mai există trei izotopi radioactivi de mase 14, 15 și 19. Proporția izotopilor nu este constantă în elementul natural (M. Dole – 1935). Procentul în 16O depinde într-o măsură oarecare de proveniența sa. Izotopul 16O a fost utilizat pentru multe reacții de schimb ca și pentru studiul unor mecanisme de reacție8. În stare lichidă oxigenul are culoare albastră și are o densitate mai mare decât a apei. Temperatura de lichefiere a oxigenului este de -182,96°C. Culoarea albastră este datorată unei benzi de absorbție a moleculei O2 la 6340 Å. Fotonul corespunzător posedă o energie suficientă pentru a ridica doi electroni, din două molecule diferite, la starea excitată. Excitarea are loc simultan în două molecule în curs de ciocnire (și nu în molecule O4, cum s-a crezut înainte)3. Oxigenul solid obținut prin răcire la -218,1°C sub formă de gheață albăstruie cristalizează în trei forme α, β, γ care aparțin sistemelor romboedric centrat, romboedric și respective cubic cu fețe centrate.

Molecula de oxigen posedă doi electroni impari (necuplați), cu spini paraleli, care ocupă fiecare câte un orbital de tip π, ceea ce face ca structura sa să fie aparte. Configurația electronică a moleculei de oxigen, O2, conform teoriei orbitalilor moleculari, este:

O2: σ1s2 σ1s*2 σ2s2 σ2s*2 σ2p2 πx2 πy2 πx*1 πy*1

Datorită celor doi electroni necuplați molecula O2 este paramagnetică, o proprietate rar întâlnită la elementele din grupele principale și la combinațiile acestora (figura 1.18)2.

Figura 1.182 Molecula de O2 (paramagnetică)

Molecula de oxigen este diatomică. Paramagnetismul moleculei de oxigen nu este compatibil cu structura care prevede existența unei legături duble, analizată din punct de vedere al teoriei legăturii de valență, astfel că, pentru a indica prezența a doi electroni impari, L. Pauling admite că ”cei doi atomi sunt legați printr-o legătură covalentă și două legături de trei electroni”. Energia de disociere a moleculei este de 117,96 kcal/mol. Disocierea sa în atomi nu se poate aprecia sub 2000°C. La 3000°C gradul de disociere este 0,85%.

Oxigenul este parțial solubil în apă, la 0°C se dizolvă într-un litru de apă 0,049 litri de oxigen, această proprietate fâcând posibilă existența viețuitoarelor subacvatice. Solubilitatea oxigenului depinde de temperatură și crește cu presiunea oxigenului. Oxigenul se dizolvă parțial în metale topite, cum ar fi argintul, cuprul, nichelul, platina, acesta îndepărtându-se la solidificarea topiturilor metalelor menționate. Alte constante fizice ale oxigenului sunt următoarele:

Punctul de fierbere: – 182,9°C

Punctul de topire: – 218,9°C

Densitatea (gaz):1,4289g/l (0°C, 760 torr);

Densitatea (lichid): 1,118g/cm3 (la p.f.)

Densitatea (solid): 1,27g/l

Indicele de refracție: 1,000266

I.2.4. Proprietăți chimice

Proprietățile chimice ale oxigenului sunt determinate de structura învelișului electronic al atomului. Configurația electronică a oxigenului este (figura 1.19)2:

[2He]2s22p4

Figura 1.192

Distribuția electronilor pe nivele energetice în atomul de oxigen

Atomul de oxigen, cu 6 electroni pe ultimul strat (stratul de valență), se comportă ca un element cu caracter electronegativ, ca un nemetal. În tendința de a ajunge la o configurație stabilă de octet, poate primi doi electroni formând ionul oxid, O2- sau în alte reacții chimice poate pune în comun cu alte elemente doi electroni, formând astfel două covalențe. Astfel, în majoritatea compușilor, numărul de oxidare al oxigenului este -2, cu excepția peroxizilor (peroxid de hidrogen sau apa oxigenată) unde numărul de oxidare este -1, a HO2 sau derivaților săi precum KO2 unde este -1/2 sau a compușilor cu fluorul unde starea de oxidare are valoarea +2, fluorul fiind singurul element mai electronegativ decât oxigenul. Datorită acestei electronegativități ridicate, oxigenul are o reactivitate chimică ridicată și un caracter oxidant puternic, astfel că reacționează direct cu majoritatea elementelor, cu excepția gazelor rare, halogenilor și a unor metale nobile (Au, Pt) formând în general oxizi (excepție unele metale alcaline cu care formează peroxizi sau superoxizi). Pe cale indirectă formează oxizi cu halogenii și metalele prețioase (Au,Pt).

Proprietatea esențială a oxigenului este de a oxida substanțele cu care reacționează. Pornind de la cuvântul ”oxigen”, prin derivare a apărut forma verbală „a oxida”, acțiunea de a (se) oxida și rezultatul ei fiind exprimată de cuvântul ”oxidare”, care astăzi are un sens mai larg. În sens restrâns, oxidare înseamnă combinare cu oxigenul8.

După energia cu care se face oxidarea, respectiv după cantitatea de căldură degajată, procesele de combinare cu oxigenul pot fi clasificate în oxidări vii (arderi), lente și catalitice.

Arderile vii sunt procese de oxidare energetice care au loc cu viteze mari, fiind însoțite de o degajare mare de căldură și lumină. Aceste reacții decurg mai violent în oxigen curat decât în aer, deoarece în aer presiunea parțială a oxigenului este mai mică, iar o parte din căldură se consumă la încălzirea azotului. Nemetalele și metalele ard în oxigen, dar și diferitele combinații chimice. La temperatură obișnuită, oxigenul are o reactivitate mică, astfel că pentru producerea acestor reacții este necesară o preîncălzire a substanțelor până la atingerea temperaturii de aprindere, apoi reacția va continua de la sine, datorită căldurii degajate.

Arderea nemetalelor

Hidrogenul arde în oxigen cu generarea unei cantități mari de energie, în timp ce arderea fosforului alb are loc la temperatura camerei, iar a sulfului la cald:

H2 + ½ O2 → H2O (I.58)

P4 + 5O2 → 2P2O5 (I.59)

S + O2 → SO2 (I.60)

Carbonul poate arde în oxigen sau în aer cu obținerea dioxidului de carbon sau a monoxidului de carbon, în funcție de cantitatea de oxigen utilizată și de temperatură:

C + O2 → CO2 + Q (t < 800°C) (I.61)

C + ½ O2 → CO + Q (t >800°C) (I.62)

La temperaturi mai mari de 800°C are loc și reacția de reducere a CO2:

CO2 + C → 2CO (t < 800°C) (I.63)

Arderea metalelor. Metalele ard în oxigen la o temperatură cu atât mai joasă cu cât metalul este mai electropozitiv. Natura oxizilor rezultați va depinde de stabilitatea stărilor de oxidare și de temperatură. Metalele alcaline și alcalino-pământoase ard la temperatură ambiantă, plumbul la 500°C. Când oxidarea se produce la temperatură înaltă, oxidul format are tendință de disociere. În multe cazuri se formează de preferință peroxizi. Deoarece temperatura de aprindere a substanțelor solide depinde de gradul de mărunțire, numeroase metale ard în oxigen numai sub formă de pulberi sau sârme subțiri. De exemplu, suprafața aluminiului se acoperă cu un strat protector de oxid de aluminiu, acesta nefiind atacat în aer. Totuși, sub formă de pulbere sau fin divizat, aluminiul arde în oxigen cu flacără strălucitoare:

4Al + 3O2 → 2Al2O3 (I.64)

Metalele alcaline reacționează în mod diferit cu oxigenul, litiul fiind singurul care în exces de oxigen formează oxid, Li2O. Sodiul, datorită reactivității sale ridicate, se aprinde în aer, și de aceea este păstrat în eter de petrol. Acesta formează oxid numai în prezența unei cantități limitate de oxigen, iar în exces de oxigen formează peroxid de sodiu, Na2O2. Celelalte metale alcaline, potasiul, rubidiul și cesiul reacționează cu oxigenul cu formare de superoxizi care conțin anionul superoxid, O2-. Peroxizii și superoxizii în reacția cu apa sau dioxidul de carbon eliberează oxigen și formează hidroxizi, respectiv carbonați2.

4Li(s) + O2(g) → 2Li2O(s) (I.65)

2Na(s) + O2(g) → Na2O2(s) (I.66)

K(s) + O2(g) → KO2(s) (I.67)

superoxidul de potasiu

Na2O2(s) + 2H2O(l) → 2NaOH(aq) + H2O2(aq) (I.68)

H2O2 → H2O + [O] oxigen activ (I.69)

2Na2O2(s) + 2CO2(g) → 2Na2CO3(s) +O2(g) (I.70)

2KO2(s) + 2H2O(l) → 2KOH(aq) + O2(g) + H2O2(aq) (I.71)

4KO2(s) + 2CO2(g) → 2K2CO3 + 3O2(g) (I.72)

În cazul magneziului, după aprindere la 750°C, arderea este foarte energică, fiind însoțită de o lumină orbitoare și o degajare de căldură ce atinge aproximativ 3000°C, iar fierul arde și mai greu:

2Mg + O2 → 2MgO (I.73)

3Fe + 2O2 → Fe3O4 (I.74)

În ce privește combustiile, se deosebesc combustii cu flacără în cazul corpurilor care conțin substanțe volatile (sulful, cărbunii naturali etc.) și fără flacără, în lipsa acestora (cărbunele de lemn, fierul). Temperatura la care apare flacăra se numește temperatură de inflamabilitate. Pentru fosfor sub formă de bucăți, temperatura de aprindere este de circa 60°C, pentru sulf 250°C, pentru cărbune 350-650°C, după varietate. Uneori combustiile sunt atât de energice încât pot avea loc cu explozie, de exemplu amestecul de aer cu unele gaze (H2, CH4, acetilenă etc.).$H4H4

Arderi ca sursă de energie. Deosebit de importantă este arderea cărbunilor fosili și a hidrocarburilor, căci aceste reacții constituie principala sursă de căldură, folosită în industrie pentru producerea de abur și indirect de energie. Arderea hidrocarburilor în motoarele cu ardere internă este în prezent una din principalele surse de energie3.

Reacții cu compuși cu caracter reducător – arderi lente

Arderile lente sunt oxidări care au loc într-un interval de timp lung la temperaturi scăzute și cu viteză mică, fiind în general însoțite de o luminiscență rece și fără dezvoltare aparentă de căldură. Pot fi exemplificate oxidarea lentă a fosforului, ruginirea fierului în aer umed, oxidarea unor sulfuri la sulfați, putrezirea lemnului, respirația animală etc.

Oxigenul reacționează la diferite temperaturi cu un mare număr de compuși anorganici. Astfel, datorită afinității sale față de hidrogen, oxigenul reacționează ușor cu hidracizii. Cu acidul clorhidric reacția decurge la cald în fază gazoasă:

(I.75)

În cazul acizilor bromhidric și iodhidric în soluție, reacția are loc lent:

2HBr + ½ O2 → H2O + Br2 (I.76)

2HI + ½ O2 → H2O + I2 (I.77)

La fel este oxidat hidrogenul sulfurat:

H2S + ½ O2 → H2O + S (I.78)

Un caz particular de oxidare lentă întâlnită mai ales la substanțele depozitate în cantități mari, timp îndelungat, îl constituie fenomenul de autoaprindere. El constă din acumularea de căldură eliberată în timpul oxidării lente și neîndepărtarea la timp, mai ales din lipsa aerisirii. O dată atinsă temperatura de aprindere, arderea lentă se transformă în ardere vie, cazul autoaprinderii depozitelor de cărbuni, cereal, paie, fân etc.1. Oxidările lente ce se petrec în organisme vii, esențiale pentru viața acestora, sunt reacții catalizate de catalizatori organici sau enzime, specific adaptate pentru oxidarea anumitor substanțe (oxidaze, dehidraze).

Reacții de oxidare catalitică

Un număr mare de reacții chimice de oxidare care au aplicații practice importante sunt cele care se defășoară în prezența catalizatorilor. Astfel, oxidarea amoniacului are loc în prezența unui catalizator de Pt-Rh cu formarea monoxidului de azot, această reacție reprezentând prima etapă în obținerea industrială a acidului azotic:

2NH3 + 5/2O2 t°C, Pt-Rh → 2NO +3H2O (I.79)

De asemenea, în procesul industrial de obținere a acidului sulfuric, oxidarea SO2 la SO3 are loc în prezența V2O5:

SO2 + ½ O2 t°C, V2O5 → SO3 (I.80)

Mulți reducători fixează oxigenul în soluție apoasă. Astfel, de exemplu, pirogalolul C6H3(OH)3, fixează oxigenul în mediu acid, iar în mediul alcalin este fixat rapid de ionii; V2+, Cr2+, V3+, Ti3+ și mai lent de ionii Cu+, Hg22+, Fe2+ etc.

Substanțele organice ard în oxigen. Combustia lor poate fi realizată fără flacără cu ajutorul unui catalizator de platină. Prin arderea substanțelor organice se formează apă și dioxid de carbon. Oxidarea unor substanțe organice sau minerale nu se poate face decât în prezența unor catalizatori. Principalii catalizatori sunt metalele în stare fin divizată precum platină, paladiu, iridiu, rodiu, argint, cobaltul, nichelul, cuprul. Atunci când încălzim până la roșu o lamă de platină deasupra unei flăcări de hidrogen sau a unui arzător de gaz, dacă după ce se stinge flacăra și are loc o ușoară răcire reintroducem lama de platină în amestecul de gaz și aer, aceasta devine iarăși roșie. Lama incandescentă aprinde gazul (J. W. Dobereiner – 1823).

Oxizii metalelor care se caracterizează printr-o multitudine de stări de oxidare ca Mn, Cr, V, Cu etc. sunt catalizatori remarcabili de oxidare. Sărurile de mangan (II), sărurile acizilor organici slabi (succinați, acetați etc.), sărurile acizilor minerali slabi ca boratul de mangan, catalizează sicativitatea (de exemplu fixarea oxigenului de uleiul de in sau de alte uleiuri vegetale). Aceste săruri ușor hidrolizabile dau MnO·H2O care fixează oxigenul din aer sau din apă și se transformă în MnO2·H2O. Acesta este redus din nou la MnO·H2O de către substanța oxidabilă. În unele cazuri, oxidarea nu se efectuează decât în prezența urmelor de apă.

Catalizatorii organici, enzimele sub numele de oxidaze, catalizează multe reacții de oxidare. Există reacții de oxidare, mai ales ale substanțelor organice, care au loc în prezența luminii, adică fotooxidări (Ch. Dufraisse – 1955)8.

Oxigenul atomic

Obținut prin acțiunea descărcărilor electrice în absența luminii la presiune sub 1 mm/Hg sau prin iradierea cu lumină produsă de o lampă cu neon la o lungime de undă din domeniul absorbției continue a oxigenului, oxigenul atomic este puțin activ. Astfel, reacționează în cantitate mică cu hidrogenul, metanul, acidul cianhidric și oxidul de carbon. Poate reacționa total cu acidul bromhidric, acidul sulfhidric, disulfura de carbon, cloroformul și alte substanțe organice.

Ozonul

Formă alotropică a oxigenului, foarte endotermă, ozonul, O3, se formează prin acțiunea descărcărilor electrice asupra oxigenului în atmosferă ori în instalații denumite ozonizatoare. În concentrații ridicate are loc reacția de descompunere a ozonului în oxigen molecular, cu degajare de energie, iar în cazul ozonului pur reacția este explozivă:

(I.81)

Ozonul lichid explodează prin simplă lovire sau spontan, iar în fază solidă explodează prin atingere chiar la – 250°C.

Ozonul este unul dintre agenții oxidanți cei mai puternici, depășind oxigenul molecular. Din această cauză poate oxida substanțe cum sunt PbS la PbSO4, argintul la Ag2O, în condiții în care oxigenul nu are astfel de posibilități:

PbS + 4O3 → PbSO4 + 4O2 (I.82)

De asemenea, nemetalele sunt oxidate din combinațiile lor, în atmosferă de ozon. Astfel, în contact cu acizii clorhidric, bromhidric și iodhidric, pune în libertate halogenii respectivi:

2HX + O3 → X2 + H2O + O2; X=Cl, Br, I. (I.83)

Reacția de oxidare a soluțiilor de KI în prezență de amidon este utilizată la identificarea ozonului:

2KI +O3 + H2O → I2 + KOH + O2 (I.84)

Ionii de S2- și SO32- sunt oxidați la SO42, iar fosfina PH3, arsina AsH3 și stibina SbH3 la PO42-, AsO42-, Sb(OH)6-, cei din urmă chiar la -90°C. De asemenea, în prezența umidității, oxidează toate metalele cu excepția celor din familia platinei. Sulfurile de Pb, Zn, Cd, Cu, Ag sunt transformate în sulfați, sărurile de Hg (I) la Hg (II), de Tl (I) la Tl (III), de Pb (II) la PbO2, iar de Mn(II) la MnO4-. Reacționează energic cu substanțele organice, fapt pentru care bucăți de vată îmbibate cu eter, alcool sau terebentină, se aprind în atmosferă de ozon. Substanțele organice nesaturate, prin adiție de ozon la dubla legătură, formează ozonide1.

Cauciucul, care conține în structura sa legături duble între atomii de carbon, devine sfărâmicios ca urmare a acțiunii ozonului, în timp ce coloranții organici se decolorează. În afara rolului său de strat protector față de radiațiile ultraviolete ale Soarelui, amintit anterior, ozonul distruge microorganismele din aer și apă și este un bun dezinfectant pentru apa de băut.

I.2.5. Utilizări practice

Din punct de vedere biologic, oxigenul reprezintă elementul fără de care viața pe planeta noastră nu ar putea exista, toate viețuitoarele consumând oxigen în procesul de respirație. Valoarea sa evidentă este reliefată și de faptul că este o resursă prețioasă pentru tehnică și industrie, utilizările sale fiind variate. Corespunzător proprietății sale de a întreține arderea, oxigenul se folosește pentru obținerea flăcării oxihidrice (obținută prin arderea hidrogenului într-un curent de oxigen) sau a flăcării oxiacetilenice (arderea acetilenei în oxigen pur – suflătorul cu acetilenă). Temperaturile înalte dezvoltate (de peste 3000°C) sunt utilizate pentru tăierea, topirea sau sudarea autogenă a metalelor (figura 1.20).

Figura 1.2012 Suflător oxiacetilenic

Ca urmare a caracterului său oxidant, oxigenul poate fi utilizat în industria siderurgică la obținerea fontei și a oțelului, (figura 1.21), la îndepărtarea controlată a carbonului și a altor impurități din oțel.

Figura 1.2113 Producerea fontei și oțelului

În industria chimică este resursă pentru fabricarea acidului sulfuric, acidului azotic, explozivilor și a altor compuși chimici.

În medicină, oxigenul amestecat cu CO2 este utilizat în oxigenoterapie, (figura 1.22), în cazul intoxicațiilor cu gaze nocive, în cazul bolilor de inimă (măștile de oxigen), reanimare, respirație artificială sau narcoză.

Figura 1.2214 Butelii de oxigen

Cei care muncesc într-o atmosferă săracă în oxigen (galerii subterane, mari altitudini), în mediul subacvatic sau astronauții utilizează măștile speciale alimentate cu oxigen din butelii de oxigen cu pereții rezistenți. Oxigenul este utilizat în analiza organică prin combustie, întreține arderea combustibililor în diferitele tipuri de motoare.

Arderile din organism sunt oxidări lente care asigură corpului viețuitoarelor energia necesară vieții. Deși oxigenul se consumă prin procesul de respirație, aceasta diminuând proporția de oxigen din aer, în același timp furnizarea de oxigen de către plantele verzi în urma procesului de fotosinteză face ca procentul de oxigen din aer să se păstreze relativ constant. De fapt, acest lucru este posibil prin realizarea circuitului oxigenului în natură (figura 1.23).

Figura 1.2315 Circuitul oxigenului în natură

I.3. Carbonul

I.3.1. Aspecte generale și răspândire în natură

Carbonul reprezintă ”elementul esențial al materiei vii” (Dumitru Negoiu). Prin caracteristicele sale notabile, formele diferite în care se poate găsi, capacitatea deosebită de a forma legături chimice cu alți atomi, prezența în produșii naturali fosili, cărbunii și petrolul, care sunt resurse valoroase în prezent, existența a peste 10 milioane de compuși cunoscuți, felul complex în care participă la procesele fizice din biosfera Terrei și din organismele vii, carbonul este element fundamental și, alături de oxigen, susține miracolul existenței vieții pe Pământ. Numele elementului provine din cuvântul ”charbone” (limba franceză), care derivă la rândul său din latinescul ”carbo”, însemnând cărbune. Deși proporția carbonului în învelișurile exterioare ale planetei (litosferă, hidrosferă, atmosferă) este mică, 0,09%, contribuția acestui element chimic în aspectul actual al planetei este remarcabilă. Carbonul este al 15-lea element ca răspândire în scoarța Pământului și al patrulea cel mai răspândit element din Univers (în procente de masă), după hidrogen, heliu și oxigen. Este prezent în toate formele de viață bazate pe carbon, în corpul uman carbonul fiind al doilea cel mai prezent element, (aproximativ 18,5% în procente de masă), după oxigen. Răspândirea largă a elementului, împreună cu o diversitate aparte a compușilor organici și a proprietății remarcabile a acestora de a forma polimeri la temperaturile întâlnite în mod obișnuit pe Pământ, fac ca elementul carbon să reprezinte fundamentul chimic al vieții în toate formele cunoscute.

Carbonul se poate găsi în natură atât în stare liberă, cât și sub formă de combinații. Carbonul se evidențiază prin prezența sa sub mai multe forme alotropice. Principalele forme cristaline sub care se găsește în stare elementară sunt diamantul și grafitul, o formă alotropică a carbonului mai recent descoperită reprezentând-o fulerenele, care sunt clusteri ai carbonului. Forma amorfă este cărbunele. Cărbunele amorf se găsește în cărbunii de pământ (cărbunii naturali) în proporție de până la 99%. În stare combinată, carbonul este prezent în toate substanțele organice, în plante, animale, petrol, gaze naturale, dar și în compuși anorganici, dioxid de carbon și carbonați.

Diamantul

Diamantul se găsește fie în zăcămintele primare, în care s-a format, fie în aluviunile (provenite din aceste roci primare) unor râuri. Zăcămintele primare sunt roci eruptive (silicați), care au luat naștere din magmă topită, pătrunsă vertical din adâncime prin scoarța solidă a Pământului, unde s-a solidificat sub presiune mare. În zăcămintele diamantifere, care se găsesc numai în puține puncte de pe glob (Rusia, Botswana, Canada, Congo, Brazilia, Guineea, Ghana, Liberia, Sierra Leone, Angola, Namibia, Tanzania, Africa de Sud, India, Australia, Borneo, Ural), diamantele sunt conținute de obicei sub formă de cristale mici (0,1-0,5g/tonă) și numai rar ca bucăți mai mari de forme neregulate3. Denumirea de diamant provine din limba franceză semnificația cuvântului fiind de ”indestructibil”, arabii spunându-i ”al-mas” adică ”cel mai dur”.

Grafitul

Grafitul apare mai frecvent și în cantități mai mari decât diamantul, fiind totuși un mineral destul de rar. Grafitul natural conține adesea silicați, greu de îndepărtat, cu care este amestecat în zăcământ. Forma obișnuită a grafitului natural este aceea a unei mase pământoase sau stratificate, opacă, cenușie, cu luciu metalic, rece și unsuroasă la pipăit. Cantități importante de grafit se găsesc în România, Brazilia, Ucraina, Cehia, Ceylon, Ural, Siberia, Bavaria, Boemia, S.U.A., Madagascar, Austria și Coreea3. Denumirea de grafit provine din limba greacă,”graphein” (ce se traduce ”a scrie”), care indică o substanță care lasă urme pe hârtie.

Fulerenele

Acestea reprezintă o clasă de compuși de atomi de carbon care din punct de vedere al legăturilor chimice dintrea atomii de carbon constituenți, este înrudită structural cu grafitul. Numele de fulerene provine de la numele arhitectului american Richard Buckminster Fuller, creatorul domului geodezic. Fulerenele au fost descoperite de către Harold Croto, Richard Smalley și Robert Curl în 1985 la Rice University. Pentru descoperirea făcută, aceștia au fost recompensați cu acordarea Premiului Nobel pentru chimie, în anul 1996.

Cărbunii naturali (cărbunii de pământ)

Cărbunii fosili sau cărbunii de pământ s-au format din plante prin transformări biologice (sub acțiunea unor microorganisme) și chimice, în timpul unor lungi perioade, în absența oxigenului din aer (căci putrezirea obișnuită, în condiții aerobe, duce numai la CO2, H2O, NH3 și H2S). În cursul acestor transformări anaerobe, oxigenul conținut în materialul inițial s-a eliminat, în cea mai mare parte, sub formă de H2O și CO2, iar azotul sub formă de NH3 și N2. În cursul acestui procent lent de incarbonizare, conținutul în carbon a crescut cu vârsta zăcământului. După urmele găsite, au putut fi identificate speciile botanice din care s-au format diferiții cărbuni.

Se disting trei specii principale (și numeroase varietăți) de cărbuni fosili: cărbunii de pământ propriu-ziși, cărbunii bruni și turba. Cărbunii de pământ, cum sunt antracitul și huila, lasă pe o placă de porțelan poros o dâră neagră, iar cărbunii bruni o dâră cafenie3. Cărbunii se mai clasifică în funcție de puterea calorică (cantitatea de căldură eliberată prin ardere completă), cenușa rămasă în urma arderii, procentul de apă și epoca de formare.

Antracitul este cărbunele natural cel mai bogat în carbon, fiind și cel mai vechi (epoca Carbonifer, Jurasic). Are culoare neagră sau cenușie, putere calorică mare și este sărac în substanțe volatile. Se găsește în Anglia și S.U.A. În România, antracitul se găsește lângă localitatea Schela, în județul Gorj. Fosta mină de cărbune, care a fost deschisă în 1891, a fost închisă pentru că și-a terminat rezerva. La circa 800 m de mina închisă, sub un platou de 2 hectare, se mai află o rezervă de circa 3 milioane de tone de antracit, dar în prezent nimeni nu redeschide exploatarea. Alte acumulări de antracit se mai găsesc la Culmea Obârșiei, Crasna-Stănești, Râul Lung, Râul Alb din partea internă a Autohtonului Danubian, zona Presacina.

Huila este cel mai prețios cărbune fiind cel mai important combustibil, prin încălzire degajând suficiente materii volatile pentru aprindere. Ca vechime aparține perioadei Cretacic și Jurasic. Huilele se pot clasifica în huile slabe, grase, de gaz iar după lungimea flăcării dată de produșii gazoși în huile cu flacără scurtă sau lungă. Depozite importante de huilă se găsesc în S.U.A., Anglia, Germania, Rusia, Polonia, Franța, Belgia. În România zăcăminte de huilă se găsesc în Carpații Meridionali, atât în Autohtonul Danubian (Svinița-Svinecea Mare), cât și în Pânza Getică (Resița-Moldova Nouă). Dintre acestea amintim: zăcămintele Camenița, Dragosela-Tulinberg-Baia Nouă, Cozla, Șopot, Crivi-Rudaria, Chiacovăț-Ostreșu, Pregheda, Talva cu Rugi, Lupac, Anina, Doman, Secu, Zagardia, Ranchina, Anina Vest Brădet, respectiv

bazinul carbonifer Petroșani, bazinul Rusca Montană.17

Lignitul este un cărbune brun din perioada Paleogen, care prin încălzire degajă multe materii volatile și are o putere calorică ridicată. Poate fi găsit în cantități mari și în România, în bazinul Olteniei, în Depresiunea Panonică, Platforma Moesică sau Platforma Moldovenească în zăcămintele de la: Motru, Rovinari, Curtea de Argeș, Schitu Golești, Aninoasa, Șotânga-Mărgineanca, Filipeștii de Pădure, Ceptura-Călugăreni, Ojasca, Fălticeni-Boroaia-Bogdănești-Sasca-Hârtop, Bahna-Orșova, Sichevița, Oravița, Bozovici-Nera, Caransebeș Mehadia, Lugoj-Sinersig, Roșiori-Oradea, Baia Mare, Oaș.17

Turba este cel mai tânăr cărbune, din Neogen și reprezintă primul produs de fosilizare a plantelor de origine palustră. Este un combustibil cu o putere calorică mai scăzută. La noi în țară se găsesc depozite de turbă în depresiunile intramontane ale Carpaților Orientali (Miercurea Ciuc, Siculeni, Toplița,), în depresiunea Maramureș, în bazinul Transilvaniei, pe Platforma Moldovenească (Dersca-Lozna), în Munții Călimani, Munții Gutâiului, Munții Bârgăului (Bazinul Dornelor), Munții Apuseni, Carpații Meridionali (Făgăraș, Sebeș, Semenic).17

Există și cărbuni care se pot obține pe cale artificială prin metode variate: cărbunele negru, negrul de fum (funinginea), cărbunele de lemn, cocsul, cărbunele de retortă, cărbunele de oase, cărbunele activ.

Combinațiile carbonului anorganice și organice

Dioxidul de carbon se găsește în atmosferă în procent de 0,03% sau în apele naturale. El provine din respirația viețuitoarelor, din procesele de fermentație, din arderea combustibililor lichizi, solizi și gazoși, în același timp fiind necesar plantelor în procesul de fotosinteză.

Carbonații se găsesc în scoarța Pământului în rocile sedimentare. În cantitățile cele mai mari se găsește carbonatul de calciu CaCO3 cu formele sale: piatră de var, marmură, și, mai rar, calcită cristalizată. Alți carbonați naturali: magnezit, MgCO3, dolomitul MgCa(CO3)2, sideritul, FeCO3. Recifele și insulele de corali din mările calde pot fi și ele amintite ca depozite, rezultând cantități uriașe de carbonat de calciu care intră în componența scheletului coralilor. Calcarul constituie roca principală din care sunt formate lanțuri muntoase, astfel în țara noastră, pot fi dați ca exemplu: Munții Bucegi și Carpații Apuseni.

Pornind de la definiția chimiei organice aceasta fiind denumită ”chimia carbonului” sau mai corect, conform lui Schorlemmer (1889), ”a hidrocarburilor și a derivaților acestora”, hidrocarburile fiind compuși ai carbonului cu hidrogenul, este evidentă însemnătatea elementului carbon, prezența sa în compușii organici făcându-l de fapt ”ingredientul vieții”.

Ca o concluzie, lumea întreagă este așa cum o vedem pentru că, în multe dintre obiectele, țesuturile și corpurile fizice de pe Pământ sau din spațiul cosmic, există carbon, încât Universul întreg ar arăta altfel, fără existența acestui element.

I.3.2. Proprietăți fizice. Diamant, grafit, fulerene, cărbuni de pământ.

Proprietățile fizice, dar și cele chimice, ale tuturor formelor sub care se găsește carbonul în natură sunt determinate de structura electronică a atomului de carbon, de posibilitățile pe care le are carbonul de a forma legături chimice cu alți atomi de carbon, deosebirile fiind datorate diferențelor structurale.

Configurația electronică a atomului de carbon este [2He]2s22p2. În atomul liber de carbon cei patru electroni de valență sunt repartizați astfel: doi electroni (cu spin opus) în orbitalul 2s și doi electroni în orbitalul p (câte unul în fiecare, cu spin paralel). O proprietate specifică a elementelor din perioada a doua, deci și a carbonului, o reprezintă hibridizarea, acest fenomen apărând la formarea legăturilor covalente. În general, carbonul formează, fie cu alți atomi de carbon, fie cu atomi ai altor elemente, legături covalente la care poate participa cu orbitali hibridizați sp3, sp2 sau sp (figura 1.24). Cu cât energia orbitalilor este mai mică cu atât aceștia sunt mai stabili (energia orbitalilor sp este mai mică decât cea a orbitalilor sp2, respectiv orbitalii sp2 au energie mai mică decât cea a orbitalilor sp3).

Figura 1.2418 Tipuri de hibridizări la atomul de carbon

Diamantul

În diamant, atomii de carbon sunt hibridizați sp3, rețeaua cristalină care se formează fiind cubică cu fețe centrate. Într-o astfel de rețea, fiecare atom de carbon este înconjurat tetraedric de alți patru atomi de carbon la distanța de 1,54Å, distanță specifică legăturii σ dintre doi atomi de carbon hibridizați sp3. Unghiul dintre două valențe este de 109°28҆. Prin cele patru valențe ale sale, fiecare atom de carbon este legat covalent de alți patru atomi de carbon, formând astfel o rețea tridimensională infinită. Întreg cristalul constituie de fapt o întreagă moleculă. Spre deosebire de alte rețele compacte de sfere egale, unde atomii de carbon ocupă 74% din spațiul disponibil, rețeaua diamantului este o rețea ”afânată”, unde atomii de carbon ocupă doar 34% din spațiul disponibil (figura 1.25)2.

Figura 1.252 Structura cristalină a diamantului

Această structură cristalină a diamantului determină proprietățile sale specifice. Astfel, diamantul pur este incolor, transparent, strălucitor și puternic refringent, indicele de refracție neobișnuit de mare (n=2,407 pentru lumina roșie și 2,465 pentru lumina violetă) dând naștere jocului de lumină specific acestei pietre prețioase. Există și diamante colorate în roșu, trandafiriu, galben, albastru, verde, negru care se găsesc mai rar. Diamantul prezintă duritatea cea mai mare pe scara Mohs, valoarea 10, aceasta fiind datorată naturii covalente a legăturilor între toți atomii cristalului și a energiei de legătură excepțional de mare dintre ei. Poate fi zgâriat doar de carbura de tetrabor, B4C, care este folosită și pentru șlefuirea sa. Densitatea diamantului are valoarea de 3,514 g/cm3 și variază cu tipul de diamant. Este diamagnetic, nu conduce curentul electric dar are o conductivitate termică ridicată, este insolubil în orice dizolvant. Punctele de topire (3500°C) și de fierbere (4827°C) sunt foarte ridicate, la temperaturi de peste 2000°C, diamantul începe să se transforme în grafit.

Diamantele capătă o valoare mai mare prin șlefuire cu pulbere de diamant și formarea unor noi fațete. Ele se transformă în briliante, al căror joc de culori este mult mai puternic. Greutatea diamantelor și a briliantelor se exprimă în carate. Un carat corespunde la 0,205 g. Prețul diamantelor depinde de greutate, claritate și putere de refracție a luminii8.

Grafitul

În grafit, atomii de carbon sunt hibridizați sp2, fiecare atom de carbon fiind legat de trei atomi vecini prin trei legături σ, care formează între ele unghiuri de 120°. După formarea unei legături σ între aceștia, fiecare atom de carbon mai are un electron. Aceștia se împerechează pentru a da legături π conjugate.Această structură este în rezonanță cu altele care au un aranjament diferit al dublelor legături. Legăturile dintre atomii de carbon sunt echivalente și au o lungime de 1,415Å. Atomii de carbon vor fi dispuși în planuri paralele formând o rețea hexagonală, stratificată. Straturile plane de atomi ce compun un cristal sunt menținute prin forțe van der Waals, în poziții paralele, la distanța de 3,354Å. În același timp, planurile paralele sunt deplasate în așa fel, încât fiecare atom dintr-un plan se găsește situat în centrul hexagonului din planul următor (figura 1.26)2.

Figura 1.262 Structura cristalină a grafitului

Conform diferențelor de structură, proprietățile grafitului, comparativ cu ale diamantului, diferă în multe privințe. Grafitul se prezintă ca o masă solzoasă, opacă, cenușie. Mai rar se întâlnește ca lamele hexagonale, care clivează ușor, paralel cu baza. Este unsuros la pipăit, are luciu metalic, lasă urme pe hârtie. Structura stratificată explică clivajul ușor al cristalelor, duritatea mică, 1-2 pe scara Mohs, (straturile plane de atomi se rup succesiv la forfecare), precum și proprietățile lubrifiante ale grafitului. Densitatea grafitului, este de 2,26 g/cm3, în timp ce indicele de refracție este de maxim 2,15. Punctul de topire foarte înalt nu poate fi determinat cu precizie deoarece grafitul (ca și diamantul) sublimează, la presiunea normală fără a se topi. Dintre toate varietățile de carbon, grafitul este cel mai bun conducător de căldură și electricitate. Structura stratificată și prezența electronilor mobili în planurile paralele determină o conductibilitate mai mare paralel cu planurile decât perpendicular pe ele (substanță anizotropă) și explică opacitatea grafitului. De asemenea, prezintă susceptibilitate diamagnetică și rezonanță electronică de spin. Este insolubil în orice dizolvant.

Fulerene

Formă alotropică a carbonului, mai recent descoperită, în anul 1985, fulerenele reprezintă clusteri ai carbonului de forma Cn, unde n este un număr par, C60, C70 etc.

Fulerena C60, (figura 1.27)2, prezintă o structură icosaedrică (dom geodezic), un poliedru care conține 12 cicluri de 5 atomi și 20 de cicluri de 6 atomi.

Figura 1.272 Structura fulerenei C60

Din punct de vedere structural, fulerenele sunt înrudite cu grafitul. Toți atomii de carbon sunt hibridizați sp2, fețele fulerenelor sunt ”acoperite” cu electroni π, care nu sunt delocalizați ca în grafit, ci aparțin ciclurilor hexagonale de atomi de carbon. Fulerenele sunt solide negre, opace, cu duritate mică și slab conducătoare de căldură și electricitate. În stare pură sunt solubile în hidrocarburi aromatice (soluțiile sunt de culoare violet). Nanotuburile de carbon, practic fulerene mult alungite, au fost descoperite după anul 1991, de către specialistul în microscopie electronică, japonezul Sumio Iijima.

Cărbunii de pământ

Formă amorfă a carbonului, cărbunii de pământ (cărbunii naturali) pot fi clasificați după puterea calorică și procentul de carbon în cărbuni superiori (putere calorică mare, procent ridicat de carbon) și inferiori (putere calorică mică, procent scăzut de carbon).

Ca și caracteristici fizice se pot aminti:

Antracitul – solid, negru, strălucitor, compact, se aprinde greu, dar după aprindere arde fără fum și lasă puțină cenușă;

Huila – solid, negru, cu o strălucire unsuroasă, de cele mai multe ori sfărâmicios și prăfos, lasă urme pe hârtie, arde fără fum, dar după ardere lasă mai multă cenușă;

Lignitul – solid, brun, cu structura fibroasă a lemnului din care provine, arde cu fum și miros neplăcut;

Turba – solidă, cafenie, cu aspect buretos, structură vegetală fibroasă pronunșată. Arde încet cu mult fum și miros neplăcut.

I.3.3. Proprietăți chimice

Elementul carbon se găsește în grupa a 14-a (IVA) alături de siliciu, germaniu, staniu și plumb. Carbonul are caracter de nemetal, în timp ce siliciul și germaniul manifestă proprietăți semimetalice, iar staniul și plumbul sunt metale. După cum s-a menționat și în cazul proprietăților fizice, structura electronică a carbonului cu cei patru electroni de valență și capacitatea sa de a realiza hibridizări de tipul sp3, sp2 și sp determină proprietățile chimice și tipul compușilor ce apar în urma reacțiilor chimice cu substanțele simple sau compuse. În general, carbonul formează combinații cu legături covalente unde numărul de oxidare are valoarea +4. Starea de oxidare +2, este prezentă în monoxidul de carbon. Există puține combinații ale carbonului în care pot apare cationi de tipul C4+ sau anioni de tipul C4-. Formarea legăturilor covalente cu alți atomi de carbon sau cu hidrogenul este posibilă datorită electronegativităților apropiate și de volumul atomic mic al atomului de carbon. Combinațiile formate pot fi anorganice sau organice.

În concordanță cu locul ocupat în sistemul periodic și cu structura sa electronică, carbonul este un element destul de inert și rezistent la acțiunea agenților chimici, comportarea variind în funcție de forma alotropică implicată și de gradul de diviziune. Astfel, diamantul este cel mai puțin reactiv, grafitul (datorită structurii sale stratificate) și cărbunii având o reactivitate mai mare. Totuși, datorită reactivității relativ mici, carbonul va reacționa fie cu nemetalele cu formare de combinații covalente, fie cu metalele formând carburi metalice, aceste reacții desfășurându-se numai la temperaturi ridicate. Pentru a crește randamentul unor reacții sau reducerea temperaturii la care au loc acestea sunt utilizați catalizatori.

Carbonul arde în aer, în funcție de cantitatea de oxigen, obținându-se dioxid de carbon sau monoxid de carbon, reacțiile fiind exoterme:

C + O2 → CO2 + Q (ardere completă) (I.85)

C + ½ O2 → CO + Q (ardere incompletă) (1.86)

Acești doi produși de reacție sunt diferiți ca structură electronică prin legăturile care se formează între atomi și prin starea de oxidare diferită a carbonului +4 (CO2), respective +2 (CO) (figura 1.28)2:

Figura 1.282 Structuri comparative CO și CO2

Dioxidul de carbon are și aplicații practice importante: în stare gazoasă, fabricarea băuturilor carbogazoase, a materialelor plastice, stingerea incendiilor (în extinctoare); în stare solidă, denumit zăpadă carbonică, se folosește ca agent de răcire; în stare lichidă este utilizat ca solvent fiind nepoluant. Este implicat și în circuitul carbonului în natură. Prin proprietatea sa de a reacționa cu apa de var, Ca(OH)2, dioxidul de carbon este pus în evidență ca urmare a formării carbonatului de calciu ce tulbură soluția.

CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3 ↓ + H2O (1.87)

Monoxidul de carbon este un gaz incolor, inodor, insipid, toxic; inspirat poate duce la moarte datorită unei reacții ireversibile pe care o dă cu hemoglobina din sânge. În urma acestei reacții se formează carboxihemoglobina, combinație complexă stabilă care nu mai poate juca rolul de transportor de oxigen al hemoglobinei.

Reacția cu hidrogenul are loc la temperatură ridicată, în prezența catalizatorului de nichel cu formare de metan:

C + 2H2 Ni → CH4 (t =1100°C) (1.88)

Conform procedeului lui M. Berthelot8, carbonul se poate combina cu hidrogenul obținându-se acetilenă, în arcul electric format între doi electrozi de cărbune plasați într-o atmosferă de hidrogen. Acetilena este instabilă descompunându-se spontan în negru de acetilenă, la aproximativ 800°C: (1.89)

În procesul F. Bergius8 de hidrogenare a huilei și mai ales a ligniților, se obține un produs a cărui distilare până la 170°C dă o fracțiune gazoasă (metan, etan, propan, butan), o fracție de benzină (C5-C12) și un reziduu de uleiuri medii care se recirculă, din o tonă de lignit obținându-se astfel aproximativ 0,6 tone de benzină.

nC + (n+1)H2 → CnH2n+2 (1.90)

Reacția carbonului cu sulful duce al obținerea disulfurii de carbon, iar în reacția cu azotul se formează dician (randament scăzut):

C+ 2S → CS2 (t=900°C) (1.91)

(1.92)

Reacția cu halogenii decurge diferit în funcție de varietatea de carbon. Astfel carbonul amorf reacționează cu fluorul la temperatură obișnuită cu incandescență:

C+ 2F2 → CF4 (1.93)

În schimb diamantul nu reacționează, iar grafitul reacționează la aproximativ 500°C. Clorul, bromul și iodul reacționează numai la temperatura arcului electric dintre doi electrozi de carbon.

Caracterul reducător al carbonului poate fi evidențiat prin reacții cu substanțe compuse.

Reacție de importanță industrială, reacția carbonului cu vaporii de apă duce la formarea gazului de apă:

C + H2O(vap) → CO + H2 (1.94)

În exces de carbon, la temperatură mai mică de 400°C se obține CO2, în urma reacției cu cocsul (C) incandescent obținându-se monoxid de carbon:

C(s) + CO2(g) → 2CO (1.95)

În reacțiile desfășurate în absența oxigenului, carbonul poate reduce oxizii metalici cu formare de oxizi sau de carburi.

În funcție de temperatură oxizii metalici se pot reduce cu formare de dioxid de carbon sau de monoxid de carbon. De exemplu, la aproximativ 600°C, oxizii metalele prețioase, ai plumbului și cuprului se reduc total cu formare de CO2, în timp ce la temperaturi între 1000 – 1500°C oxizii FeO, ZnO, MnO formează CO.

2CuO + C →t° 2Cu + CO2 (1.96)

2Fe2O3 + 3C →t° 4Fe + 3CO2 (1.97)

ZnO + C →t° Zn + CO (1.98)

În cazul oxizilor metalelor foarte oxidabile (Al, Ca, etc.) reducerea are loc în cuptorul electric, metalul obținut formând cu carbonul în exces carburi metalice (de exemplu, carbid – CaC2, respectiv Al4C3):

CaO + 3C →t° CaC2 + CO (1.99)

4Al + 3C →t° Al4C3 (1.100)

Carburile pot fi clasificate în carburi saline (conțin metale din grupele 1, 2, 11, 12, 13), carburi refractare (interstițiale – conțin Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo,W), carburi covalente (conțin Si, B).

Caracterul reducător al carbonului poate fi demonstrat și în reacțiile cu acizii cu caracter oxidant. Astfel acidul azotic este redus la temperatura camerei iar acidul sulfuric la fierbere:

3C + 4HNO3 → 3CO2 + 4NO + 2H2O (1.101)

C + 2H2SO4 → CO2(g) + 2SO2(g) + 2H2O (1.102)

La temperaturi mai ridicate (peste 1000°C) pot fi reduși fosfații, carbonații, arsenații, acidul metafosforic, în timp ce reacțiile cu azotații, clorații, perclorații sunt explozibile.

În ceea ce privește combinațiile organice ale carbonului, hidrurile de carbon sunt combinații covalente. Hidrocarburile se găsesc într-un număr foarte mare, deosebindu-se de hidrurile altor elemente. Stabilitatea deosebită a hidrocarburilor este deterrminată de inerția covalențelor carbonului (energii de activare mari în reacții). Tendința de a forma legături covalente, caracterul neutru și posibilitățile de hibridizare ale atomilor de carbon, fac posibilă formarea catenelor de atomi de carboni și, implicit, a unui număr mare de hidrocarburi.

În funcție de tipul de hibridizare al atomilor de carbon din moleculele lor, de dispunerea catenelor, hidrocarburile se pot clasifica astfel:

hidrocarburi alifatice:

alifatice saturate aciclice (alcani) și alifatice saturate ciclice (cicloalcani);

alifatice nesaturate aciclice (alchene, diene, alchine) și alifatice nesaturate ciclice (cicloalchene, ciclodiene, cicloalchine);

hidrocarburi aromatice:

mononucleare;

polinucleare.

Utilitatea acestor substanțe în foarte multe domenii și prezența lor în viața cotidiană sub forme diferite, uneori fiind de neînlocuit, demonstrează importanța cunoașterii proprietăților lor, mai ales din punct de vedere al aplicabilității lor practice.

I.3.4. Utilizări practice

După cum s-a putut observa anterior, procesele la care participă carbonul sunt diverse, fiind prezente atât în atmosfera terestră și în procesele vulcanice, cât și în reacțiile nucleare din stele, în viața celulelor și în corpul uman. Prin utilizările pe scară largă în viața de zi cu zi, atât carbonul cât și compușii acestuia au jucat un rol desoebit în dezvoltarea civilizației umane.

În funcție de varietățile de carbon și utilizările acestora pot fi descrise pentru fiecare formă în parte.

Diamantul

În concordanță cu proprietățile sale fizice, diamantul natural este utilizat ca piatră prețioasă, ca bijuterie, indicele de refracție ridicat determinând strălucirea sa specifică intensă. Prin șlefuire și formarea de noi fațete se obțin briliantele (figura 1.29). Datorită durității sale se folosește pentru fabricarea uneltelor de tăiat, găurit sau lustruit materiale foarte dure (de exemplu, tăierea sticlei). Figura 1.2919 Briliant

Grafitul

Proprietatea sa de a lăsa urme pe hârtie face ca grafitul (figura 1.30) să fie utilizat pentru confecționarea minelor de creion. La temperaturi ridicate conductibilitatea electrică și termică a grafitului artificial (electrografit) este comparabilă cu a metalelor astfel că aplicațiile practice pot fi variate: confecționarea termocuplurilor, electrozi ai cuptoarelor electrice cu arc, în procesele de electroliză (cuve electrolitice), schimbătoare de căldură în metalurgie, colectoare pentru motoare electrice.

Figura 1.3020 Grafit

În reactoare nucleare grafitul poate fi folosit ca moderator al neutronilor, reflector, bare de control iar în laboratoare sub formă de creuzete. Deoarece obiectele acoperite cu un strat de pirografit au o rezistență deosebită la oxidare și la alte acțiuni ale agenților chimici, acest material se folosește la fabricarea de aparate chimice și la construcția navelor spațiale. Ca urmare a ușurinței clivajului și a forțelor de legătură mici dintre straturile din structura sa cristalină, grafitul manifestă proprietăți lubrifiante. Fibrele de carbon își găsesc aplicații în industria aeronautică, fiind un material care prezintă un raport rezistență/greutate de neîntrecut în acest moment.

Fulerene

Odată cu descoperirea fulerenelor și posibilitatea sintetizării acestora în laborator, s-a încercat valorificarea potențialului energetic al acestora și, în special, al nanotuburilor (figura 1.31). Prin implicațiile pe termen scurt, dar mai ales pe termen lung pe care le are nanotehnologia, devine cu atât mai înteresant de urmărit cum vor evolua aplicații ca: nanoroboții (medicină), hârtia minune, ”buckypaper”, minigeneratoarele electrice, nanospiralele, tranzistorii de dimensiuni reduse, ecranele de tipul ”touch-screen”, etc.

Figura 1.3121 Nanotuburi de carbon Cărbunii naturali și artificiali

După cum s-a menționat anterior, la descrierea tipurilor de cărbuni, cărbunii naturali (figura 1.32) au ca principală proprietate, proprietatea de a arde, fiind utilizați ca și combustibili, cu randamente mai ridicate sau mai scăzute în funcție de tipul lor, de puterea calorică. Figura 1.3222 Cărbuni de pământ

Celelalte varietăți de cărbuni au utilizări specifice caracteristicilor pe care le dețin.

Negrul de fum poate fi folosit la fabricarea cernelii de tipar, vopselelor, anvelopelor pentru automobile. Cărbunele de lemn își găsește întrebuințări în metalurgie la fabricarea aliajelor fontă și oțel, pentru obținerea unor metale din oxizi, rafinarea cuprului sau în medicină. Cocsul este materie primă importantă în metalurgie. Cărbunele activ se poate folosi ca și catalizator în reacțiile între gaze, în măștile contra gazelor toxice.

Izotopul de 146C este întrebuințat pentru datări arheologice, acest izotop găsindu-se în organismele vii. Adăugând la toate utilizările menționate anterior, faptul că în urma reacțiilor chimice ale carbonului se obțin materii prime pentru diverse procese industriale cum ar fi cele bazate pe conversia gazului de sinteză sau din metalurgie, rolul deosebit în viața plantelor și animalelor fiind evident, se poate afirma că atât elementul carbon, cât și combinațiile sale, sunt ”cărămizi” care stau la baza existenței vieții pe Pâmânt și a tot ceea ce vedem în jurul nostru în fiecare zi.  

I.3.5. Circuitul carbonului în natură

Circuitul în natură al carbonului este strâns legat de dioxidul de carbon, substanță gazoasă care se regăsește în învelișurile planetei noastre sub diferite forme, după cum este ilustrat în figura 1.33:

Figura 1.3323 Circuitul carbonului în natură

Astfel, carbonul se găsește înmagazinat în biosferă, prezent în corpul organismelor vii, în atmosferă, sub formă de dioxid de carbon gazos, în hidrosferă, sub forma dioxidului de carbon dizolvat, carbonului organic (organisme marine) și în litosferă, sub formă de combustibili fosili, roci sedimentare (depozite de calcar, dolomit) sau materii organice din sol.

Desigur că între aceste medii au loc schimburi de substanță ce fac posibilă circulația acestui element. Prin procesul de fotosinteză, sub acțiunea luminii solare, plantele verzi preiau dioxidul de carbon din atmosferă și îl transformă în combinații organice ce conțin carbon, eliberându-se oxigenul. Viețuitoarele elimină în procesul de respirație dioxid de carbon în mediul înconjurător, pe de altă parte, acestea introduc prin alimentație compuși organici (rețele trofice), realizându-se astfel un transfer de substanță între atmosferă și biosferă. Legătura între hidrosferă și atmosferă se bazează pe faptul că dioxidul de carbon se găsește dizolvat în apa mărilor și oceanelor (difuzie), putând fi eliberat în atmosferă prin creșterea temperaturii la nivelul acestora.

De-a lungul erelor geologice, prin fosilizarea resturilor animale și vegetale, sedimentarea acestora în straturi în scoarța terestră, prin procese de fermentație s-au format combustibilii fosili (cărbunii de pămînt). Materiile organice din sol sunt necesare pentru dezvoltarea plantelor astfel reieșind schimbul de substanță dintre biosferă și litosferă.

În ceea ce privește relația de legătură dintre atmosferă și litosferă, prin arderea combustibililor fosili ajung în atmosferă cantități mari de dioxid de carbon, concentrațiile prea ridicate de CO2 ducând la apariția ”efectului de seră”.

Analizând toate procesele complexe care au loc și în cadrul acestui circuit al carbonului, se poate aprecia încă o dată rolul decisiv al acestui element în întreținerea condițiilor favorabile vieții, în reglarea temperaturii, în diversitatea formelor de materie organică de pe Terra.

Capitolul II

Considerații metodice privind eficientizarea și perfecționarea lecției de chimie

II.1. Noțiuni generale. Aplicarea principiilor didactice în lecțiile de chimie. Poziția chimiei în planul de învățământ la nivel gimnazial. Rolul chimiei în curriculumul centrat pe competențe. Programa școlară la disciplina chimie la nivel gimnazial. Elementele strategiei didactice și adaptarea predării noțiunilor de chimie la nivel gimnazial

Reforma învățământului din țara noastră a reprezentat un obiectiv important în societatea românească de după anul 1989, aceasta vizând mai multe componente: curriculum, evaluare, manuale școlare, formarea cadrelor didactice, managementul școlar și standardele ocupaționale.”Promovarea unui învățământ orientat pe valori, creativitate, capacități cognitive, capacități volitive și capacități acționale, cunoștințe fundamentale și cunoștințe, competențe și abilități de utilitate directă, în profesie și în societate” (LEN, 2011, art. 2, alin. 1), precum și ”formarea, prin educație, a infrastructurii mentale a societății românești, în acord cu noile cerințe, derivate din statutul României de țară membră a Uniunii Europene și din funcționarea în contextul globalizării, și de generare sustenabilă a unei resurse umane naționale înalt competitive, capabilă să funcționeze eficient în societatea actuală și viitoare” (LEN, 2011, art. 2, alin. 2), reprezintă viziunea și misiunea asumată pentru a realiza finalitatea principală a educației și a formării profesionale a tinerilor, și anume formarea de competențe, ”înțelese ca ansamblu multifuncțional și transferabil de cunoștințe, deprinderi/abilități și aptitudini” ((LEN, 2011, art. 4). Bineînțeles că reforma sistemului de învățământ nu putea fi realizată fără o reformă a curriculum-ului școlar, astfel fiind necesară o trecere de la modelul de proiectare curriculară centrat pe obiective – elaborat și implementat în sistemul românesc de învățământ la mijlocul anilor ‘90 – la modelul centrat pe competențe. Având ca țintă educațională majoră învățarea pe tot parcursul vieții, ”profilul de formare european” al absolventului învățământului obligatoriu este strucurat pe opt domenii de competență cheie:

Comunicare în limba maternă;

Comunicare în limbi străine;

Competențe matematice și competențe de bază în științe și tehnologii;

Competența digitală;

A învăța să înveți;

Spirit de inițiativă și antreprenoriat;

Sensibilizare și exprimare culturală;

Competente sociale și civice.

În urma demersurilor întreprinse au fost elaborate ”acele documente școlare cu rol reglator în cadrul cărora se consemnează datele esențiale privind procesele educative și experiențele de învățare pe care școala le oferă elevului”, curriculum-ul formal, în strânsă legătură cu sistemul de competențe-cheie. Astfel, ariile curriculare sunt compatibile cu cele 8 domenii de competențe-cheie stabilite la nivel european, planul de învățământ și programele vizând în mod direct formarea echilibrată a competențelor-cheie din toate aceste domenii prin însușirea de către elevi a cunoștințelor necesare și prin formarea deprinderilor și atitudinilor corespunzătoare, competențele fiind în același timp și transversale, formându-se prin mai multe discipline și nu doar prin studiul unei anumite discipline.

Chimia reprezintă una dintre disciplinele fundamentale care face parte din planurile de învățământ. știință a naturii, chimia ne oferă posibilitatea de a înțelege structura, compoziția materialelor din universul în care trăim, de a descoperi frumusețea fenomenelor ce au loc în jurul nostru dar și în corpurile noastre, substanțele chimice fiind fundamentul existenței noastre.

Curriculumul la disciplina Chimie este parte componentă a Curriculumului Național, elaborat în baza standardelor educaționale de competență, și reprezintă un document normativ și un instrument didactic pentru organizarea eficientă a procesului educațional la chimie în învățământul gimnazial. Curriculum-ul Național este structurat pe șapte arii curriculare, chimia alături de matematică, fizică și biologie, formează aria curriculară ”Matematică și științe”. Programa școlară pentru disciplina chimie vizează cu prioritate valorizarea competențelor cheie care se adresează direct domeniului specific de cunoaștere academică (Competențe matematice și competențe de bază în științe și tehnologie), precum și asigurarea transferabilității tuturor celorlalte competențe cheie, prin deschiderea către abordări inter- și transdisciplinare în interiorul ariei curriculare „Matematică și științe ale naturii” și cu celelalte discipline de studiu. Dacă primele noțiuni de chimie apar în clasele a II-a, a III-a, a IV-a, fiind studiate de elevii din învățământul primar în cadrul obiectului ”Științe”, în planul de învățământ, ”Chimia” apare ca obiect de studiu începând cu clasa a VII-a. Pentru elevii mici stimularea dragostei pentru natură, ocrotirea și îngrijirea mediului înconjurător, observarea cu dezvoltarea capacității investigative a fenomenenelor din natură reprezintă obiective importante ale lecțiilor de la ”Științe”, în timp ce pentru viitorii ”chimiști” din clasele a VII-a și a VIII-a, obiectul ”Chimie” va contribui la o înțelegere științifică a realității înconjurătoare și la conștientizarea rolului esențial al acestei discipline pentru viață și pentru evoluția societății.

Procesul educațional la chimie este orientat spre formarea la elevi a următoarelor competențe generale:

Explicarea unor fenomene, procese, procedee întâlnite în viața de zi cu zi;

Investigarea comportării unor substanțe sau sisteme chimice;

Rezolvarea de probleme în scopul stabilirii unor corelații relevante, demonstrând raționamente deductive și inductive;

Comunicarea înțelegerii conceptelor în rezolvarea de probleme, în formularea explicațiilor, în conducerea investigațiilor și în raportarea rezultatelor;

Evaluarea consecințelor proceselor și acțiunii produselor chimice asupra propriei persoane și asupra mediului.

Competențele specifice disciplinei sunt deduse în temeiul competențelor-cheie, competențelor transdisciplinare, potențialului formativ al disciplinei, particularităților ariei curriculare, ținându-se seama de vârsta elevilor:

• competența de a dobândi cunoștințe fundamentale, abilități și valori din domeniul chimiei;

• competența de a comunica în limbajul specific chimiei;

• competența de a rezolva probleme/situații-problemă;

• competența de a investiga experimental substanțele și procesele chimice;

• competența de a utiliza inofensiv substanțele chimice.

Învățarea chimiei deschide posibilități pentru dobândirea achizițiilor fundamentale din acest domeniu și aprecierea valorilor științifice universale. Conținuturile și activitățile de predare-învățare-evaluare propuse prin Curriculum asigură suportul pentru formarea competențelor specifice proiectate, stimulând elevii să comunice într-un limbaj științific argumentat, să propună idei și soluții de rezolvare a problemelor, să investigheze experimental comportarea substanțelor chimice și să acționeze autonom și creativ în diferite situații de viață.

În conformitate cu curriculum-ul la chimie și cu ghidurile elaborate pentru gimnaziu, cadrul didactic elaborează proiectele didactice de lungă durată (planificări anuale, pe unități de învățare) și proiectele didactice de scurtă durată (proiecte zilnice ale lecțiilor de chimie). Proiectarea didactică de lungă durată trebuie să presupună o perspectivă îndelungată asupra predării-învățării disciplinei Chimie. În acest scop trebuie să se țină cont de corelarea competențelor, subcompetențelor cu conținuturile, strategiile didactice și cu timpul în care ele se vor forma. De asemeni este necesară și corelarea cu conținuturile altor obiecte de studiu. 

Programa școlară reprezintă elementul central al proiectării didactice. La proiectarea didactică profesorul trebuie să urmărească:

a) operaționalizarea obiectivelor, determinarea, respectiv precizarea competențelor specifice și a subcompetențelor ce se formează prin conținutul respectiv;

b) analiza resurselor (temporale, materiale);

c) elaborarea strategiilor didactice;

d) evaluarea.

Pentru a fi un bun profesor, acesta trebuie să aibă mai multe competențe care să se îmbine armonios împreună cu personalitatea sa:

competențe de specialitate:

cunoașterea curriculum-ului, a materiei predate;

capacitatea de a stabili legături între teorie și practică;

capacitatea de a fi receptiv la nou, în pas cu noile progrese ale științei.

competențe psihopedagogice:

capacitatea de a cunoaște elevii și de a se adapta la particularitățile lor de vârstă și individuale;

capacitatea de a a pregăti elevii pentru autoinstruire și autoeducare.

competențe manageriale:

capacitatea de a aplica metodele interactive și de a organiza activitățile în grupuri;

capacitatea de a explica, anticipa unele întrebări, a soluționa conflicte;

capacitatea de a îndruma și motiva, de a lua decizii sau a-și asuma răspunderi.

În procesul de predare-învățare-evaluare profesorul de chimie își concentrează atenția asupra următoarelor aspecte:

proiectarea didactică de lungă durată și proiectarea zilnică a lecțiilor în conformitate cu cerințele Curriculum-ului la chimie pentru gimnaziu;

organizarea activității elevilor la lecție, îmbinând rațional formele de activitate individuală și în grup cu cele frontale;

formarea la elevi a competențelor de aplicare a limbajului chimic, de lucru cu manualul, literatura didactică, schemele, tabelele și cu alte surse informaționale;

formarea la elevi a competențelor de rezolvare a problemelor;

formarea la elevi a competențelor de realizare a experimentului chimic respectând regulile tehnicii securității, cu prevenirea utilizării incorecte a substanțelor și a efectelor dăunătoare;

aplicarea metodelor interactive în cadrul predării chimiei;

transferul în situații noi a algoritmilor cunoscuți de acțiune;

crearea condițiilor pentru manifestarea capacităților creative ale elevilor și dezvoltarea interesului pentru studiul chimiei.

Principiile predării-învățării chimiei reprezintă resurse procedurale valoroase care trebuie valorificate în scopul obținerii unor rezultate cât mai bune în activitatea cu elevii. Principiile didactice au un ”caracter general, fiind cuprinse în toate componentele activității didactice, normativ, cu rol important în stabilirea strategiei didactice, sistemic, acționând ca un sistem de norme interdependente și un caracter dinamic, oferind posibilități de multiplicare sau integrare în principii cu o sferă mai largă”24. Aceste principii sunt:

Principiul participării active și conștiente a elevilor în activitatea de învățare.

În cadrul acestui principiu, este importantă implicarea elevului în procesul de învățare, însemnând înțelegerea conținuturilor de învățat și nu doar o memorare mecanică a cunoștințelor, astfel poate fi asigurată o durabilitate a acestora și posibilitatea utilizării lor în practică și în viața de zi cu zi. Printr-o participare conștientă la procesul de învățare elevul va activa atât componente cognitive, cât și afective și motivaționale ale gândirii, esențial devenind efortul propriu depus pentru a înțelege ceea ce învață, pentru a găsi utilitatea cunoștințelor și a deveni creativ în aplicarea acestora. Înțelegerea stimulează interpretarea critică, capacitatea de argumentare, capacitatea de prelucrare și organizare în manieră proprie a informațiilor, capacitatea de a opera cu datele, de a le aplica în rezolvarea unor probleme teoretice și practice și de asemenea, favorizează asociația de date, idei, articularea între datele noi și cele vechi, integrarea cunoștințelor noi în structurile anterioare și restructurarea acestora potrivit noilor asimilări. Chimia fiind o știință, predarea și învățarea acesteia fac apel la o gîndire ordonată, logică, procesele intelectuale necesitând efectuarea unor operații de analiză, sinteză, ordonare, comparare, selecție, asociere și generalizare a cunoștințelor, astfel învățarea fiind rezultat al unei participări active, conștiente a elevului. Activitățile de învățare în care se poate aplica acest principiu sunt variate:

organizarea datelor referitoare la reacții chimice, sub formă de fișe de observații, tabele, grafice;

corelarea aplicațiilor practice ale unor substanțe simple și compuse/materiale (aliaje, sticlă, materiale de construcție, îngrășăminte chimice etc.) cu proprietățile acestora;

selectarea și ordonarea informațiilor obținute dintr-un tabel, grafic, diagramă, film didactic, soft educațional, cu referire la caracterul nemetalic/metalic al elementelor, caracterul acid/bazic/neutru al soluțiilor;

compararea de date cantitative privind proprietățile fizice ale diferitelor substanțe;

compararea unor ordine de mărime (raze atomice, raza ionice, legături chimice etc.);

compararea particulelor din punct de vedere al dimensiunii, al sarcinii și al masei;

clasificarea oxizilor în nemetalici/metalici, a acizilor în hidracizi/oxiacizi, a bazelor în solubile/insolubile, a sărurilor în acide/neutre;

sintetizarea informațiilor și prezentarea unor referate elaborate în urma unui demers de investigare.

Aplicarea acestui principiu depinde de competența psihopedagogică a cadrului didactic, în utilizarea unor metode, procedee activ-participative, crearea unor situații de învățare care conduc la stimularea imaginației creatoare, a potențialului lor creator, a gândirii critice dar și a gândirii divergente centrată pe strategii euristice.

Principiul unității dintre senzorial-rațional și concret-abstract.

Comenius afirma următoarele: „Începutul cunoașterii trebuie întotdeauna să plece de la simțuri pentru că nimic nu se găsește în intelectul nostru care să nu fi fost mai întâi în simțuri”.

Acest principiu pune accent pe ”rolul intuiției, a senzorialului, care se îmbină organic, în forme variate, cu acțiunea de abstractizare în toate momentele complexului proces de cunoaștere”24. În psihologie, conceptul de intuiție are înțelesul de cunoaștere nemijlocită, directă a obiectelor și fenomenelor, prin intermediul analizatorilor. La nivelul gimnaziului, la orele de chimie elevii intuiesc cu ajutorul analizatorilor proprietățile substanțelor simple sau compuse, fenomene fizice sau chimice, metode de obținere, parcurgând drumul de la concret, senzații și percepții, la abstract, la generalizări. Prin intermediul operațiilor de abstractizare și generalizare elevii vor desprinde însușirile generale și esențiale ale anumitor clase de obiecte, fenomene, relații, vor face clasificări, sistematizări ale noțiunilor învățate. Pentru o eficiență crescută a aplicării acestui principiu profesorul va urmări folosirea rațională a materialului didactic cu rol intuitiv, dozarea raportului dintre cuvânt și intuiție, dirijarea atentă a observației elevilor, solicitarea intensă a elevului în efectuarea unor activități de selectare, analiză, sinteză, comparație, verbalizare prin activități de învățare ca:

observarea proprietăților fizice ale metalelor și nemetalelor;

interpretarea fenomenelor fizice și chimice, în scopul diferențierii acestora;

încadrarea unor substanțe investigate în clasa de apartenență;

formularea de concluzii referitoare la comportarea substanțelor simple și compuse în timpul unor reacții chimice;

Principiul sistematizării, structurării și continuității.

Esența acestui principiu se exprimă prin cerința ca toate conținuturile, priceperile, deprinderile transmise prin procesul de învățământ să fie astfel organizate și proiectate încât să reprezinte o continuare logică a celor însușite anterior, asigurând un progres în învățare. În aplicarea acestui principiu este importantă atât activitatea profesorului cât și cea a elevului. Planul cadru, programele școlare, manualele școlare asigură sistematizarea noțiunilor într-un sistem ordonat și logic permițând articularea firească a conținuturilor, la acestea adăugându-se proiectarea riguroasă a activității didactice (anuală, semestrială, pe unități de învățare și a fiecărei lecții) de către cadrul didactic. Elevul va trebui să manifeste responsabilitate în parcurgerea tuturor conținuturilor, evitarea discontinuităților în învățare, să-și formeze o disciplină în gândire pentru a-și forma un stil de învățare eficient. Profesorul are ca sarcină să controleze sistematic însușirea cunoștințelor predate, să stabilească legături între cunoștințele vechi și noi, să extindă cercul de reprezentări și noțiuni utilizând interdisciplinaritatea, transdisciplinaritatea. Printr-un efort comun atât al profesorului cât și al elevului, se vor forma deprinderi de activitate sistematică care vor avea efecte formative în planul dezvoltării personalității elevilor.

Principiul legării teoriei de practică.

Principiul legării teoriei cu practica exprimă necesitatea de a îmbina în mod continuu însușirea cunoștințelor teoretice cu posibilitatea aplicării lor în practică. Având în vedere curriculum-ul centrat pe competențe și faptul că în accepțiunea Comisiei europene, competențele”trebuie dezvoltate până la finalizarea educației obligatorii și trebuie să acționeze ca un fundament pentru învățarea în continuare, ca parte a învățării pe parcursul întregii vieți”, putem spune că este necesară valorificarea cunoștințelor teoretice în activitățile ulterioare (practică) pentru realizarea unei optime inserții sociale și profesionale. Pe de altă parte, practica poate constitui punct de plecare în asimilarea cunoștințelor, aplicarea cunoștințelor, dezvoltarea curiozității, imaginației, creativității, facilitând formularea unor întrebări și dezvoltarea unei motivații adecvate pentru găsirea răspunsurilor, soluțiilor precum și formarea deprinderilor de muncă independentă și a deprinderilor practice. Prin aplicarea acestui principiu, elevii vor descoperi rolul cunoștințelor teoretice în aplicarea lor cu success în practică, pentru desfășurarea diferitelor activități cotidiene sau pentru obținerea unor produse atât de necesare în viața noastră, făcând legătura dintre a ști și a ști să faci, a ști să aplici.

Modalitățile concrete de legare a teoriei cu practica în orele de chimie pot fi realizate prin activități de învățare de tipul:

prepararea unei soluții;

rezolvare de probleme referitoare la concentrația în procente de masă a soluțiilor;

organizarea unui atelier de lucru pe teme care vizează degradarea mediului înconjurător;

identificarea factorilor de risc rezultați în urma aplicării în practică a unor reacții chimice;

stabilirea surselor de poluare a mediului înconjurător prin observare și investigare;

organizarea unor ateliere de lucru pe tema studierii acțiunii a unor substanțe asupra organismului uman și mediului, a factorilor care determină coroziunea etc.

Principiul accesibilității, sau al respectării particularităților de vârstă și individuale

În cazul acestui principiu se impune ca ”organizarea și desfășurarea procesului de învăământ să se realizeze pe măsura posibilităților reale ale elevilor, în funcție de particularitățile de vârstă, sex, nivelul pregătirii anterioare, precum și de potențialul intelectual și fizic individual”24. Prin accesibilitate se înțelege, în general, stabilirea unei concordanțe între sarcinile de învățare și particularitățile specifice unei vârste, iar aplicarea acestui principiu înseamnă că orice secvență de învățare are la bază trecerea de la inferior la superior, de la apropiat la îndepărtat, de la simplu la complex, de la particular la general. Dar accesibilitate nu înseamnă absența dificultăților, „scutirea” elevului de efort, ci oferirea de sarcini cu grad de dificultate ce poate fi depășit prin mobilizarea potențialului intelectual al elevului și cu îndrumarea, monitorizarea profesorului. Formularea unor cerințe care depășesc posibilitățile maxime solicitând un efort intelectual exagerat sau a altora care se situează sub aceste posibilități determină efecte negative (încurajarea memorării mecanice, scăderea motivației, indiferență, apatie etc) și stagnare în dezvoltarea psihică. Astfel, pentru aplicarea acestui principiu se impune utilizarea unor strategii de diferențiere și individualizare, în consens cu exigențele învățământului modern centrat pe trecerea de la „o școală pentru toți” la „o școală pentru fiecare”. Deci, pentru a crea situații de învățare adecvate, cadrul didactic poate utiliza diferite procedee de tratare individuală și diferențiată a elevilor:

”acțiuni individualizate ce se desfășoară pe fondul activităților frontale, cu întreaga clasă de elevi; în această situație, tratarea individuală este subordonată celei frontale, în sensul că în anumite momente profesorul poate avea în atenție doar câțiva elevi, în timp ce ceilalți realizează sarcinile formulate anterior de către acesta;

acțiuni individualizate sugerate și impuse în cadrul procesului de învățământ, dar care se realizează în afara lui (de exemplu, temele diferențiate pentru acasă);

activități pe grupe de nivel (împărțirea clasei în grupe relativ apropiate sub raportul potențialului intelectual și repartizarea unor sarcini diferite);

activități în clase speciale, pentru elevi cu aptitudini deosebite sau pentru elevi cu handicapuri (cu programe și metodologii specifice)”.

Principiul temeiniciei și durabilității rezultatelor obținute în procesul de învățământ.

Pentru realizarea obiectivelor educaționale propuse prin sistemul de învățământ actual, aprofundarea cunoștințelor asimilate, durabilitatea lor în timp, rapiditatea și fidelitatea cu care acestea sunt reactualizate, precum și folosirea eficientă, operativă a capacităților, priceperilor, deprinderilor în activitățile de învățare și în cele practice reprezintă condiții importante, având efecte și asupra vieții ulterioare a școlarului, viitorului profesionist dintr-un anumit domeniu de activitate.

Memorarea logică, bazată pe înțelegere, pe stabilirea asemănărilor și deosebirilor, pe integrarea noilor cunoștințe în sistemul cognitiv dobândit anterior este superioară memorării mecanice, bazată pe simpla repetare a materialului. Repetarea trebuie să fie realizată independent și activ, bazată pe aprofundarea înțelesului și pe încercarea de reproducere cu cuvintele proprii, poate fi curentă, de sistematizare, de sinteză, reprezentând o condiție esențială a învățării. Controlul și evaluarea continuă (formativă) a rezultatelor școlare constituie atât momente de repetare, de recapitulare a cunoștințelor, de realizare a unor conexiuni intra- și interdisciplinare cât și de feedback pentru asigurarea condițiilor psihopedagogice necesare întăririi acestor rezultate.

În concluzie, ”pentru a avea succes în societatea cunoașterii, într-o economie a competiției crescute, toți elevii trebuie să învețe să comunice, să gândească și să raționeze eficient, să rezolve probleme complexe, să lucreze cu date multidimensionale și reprezentări sofisticate, să formuleze judecăți referitoare la acuratețea masei de informație, să colaboreze în diverse echipe și să demonstreze o puternică automotivare. În vederea valorizării competențelor-cheie și a asigurării transferabilității la nivelul activității educaționale, se recomandă ca strategiile didactice utilizate în predarea disciplinei chimie la gimnaziu să pună accent pe: construcția progresivă a cunoașterii; flexibilitatea abordărilor și parcursul diferențiat; coerență și abordări inter- și transdisciplinare”.

II.2. Scurtă descriere a metodelor de învățământ utilizate în lecțiile de chimie

”Nu există metode bune sau rele, ci metode adecvate, bine sau prost utilizate.”

(Ioan Cerghit)

II.2.1. Metoda expunerii

Metoda expunerii este o metodă de comunicare orală care constă în prezentarea monologată a unui volum de informație de către cadrul didactic către elevi, în concordanță cu prevederile programei disciplinei. Ea reprezintă o metodă de predare, după gradul de angajare a elevului fiind o metoda expozitivă, care situează elevul în postura de receptor. Deoarece este utilizată de mult timp în procesul de învățământ, această metodă se încadrează în metodele de tip tradițional. În funcție de vârsta elevilor, de gradul de complexitate al informațiilor prezentate, poate apare sub mai multe forme: povestirea, explicația, prelegerea școlară, expunerea cu oponent. Metoda expunerii didactice este „o modalitate funcțională și parcimonioasă de predare, elevii putând sesiza direct, în gândirea profesorului, un model de discriminare și de operare teoretică.

Expunerea verbală, chiar dacă are o pondere mai redusă în lecțiile de chimie, este utilă deoarece:

permite transmiterea în scurt timp a unui ansamblu de concepte, teorii, legi; 

se formează convingeri, atitudini, opinii și sentimente în rândul elevilor;

are valoare formativă.

Câteva dezavantaje ale utilizării acestei metode ar putea fi:

prezentarea informațiilor este efectuată de profesor, elevii fiind doar receptori, deci implicarea lor este mai scăzută;

fluxul comunicării este unidirecțional, dinspre cadru didactic către elevi;

este centrată pe profesor, fără a oferi elevilor posibilități de inițiativă.

Referitor la conținutul expunerii se vor urmări câteva aspecte:

alcătuirea unui plan închegat și comunicat elevilor; 

selectarea și esențializarea ideilor în funcție de valoarea lor cognitivă și educativă;

folosirea unui limbaj expresiv;

formularea unor concluzii parțiale sau generale, precum și a unor întrebări la care elevii să reflecteze după expunere.

Receptarea expunerii profesorului va fi eficientă dacă profesorul:

are foarte clar în minte ceea ce are de expus pentru a putea ,,vorbi liber” și a menține contactul vizual cu elevii (astfel el simte pulsul clasei și își poate reconsidera expunerea în funcție de interesul elevilor și a atmosferei din clasă); 

folosește o exprimare elegantă, clară, propoziții și fraze scurte în termeni corespunzători nivelului de cunoștințe și de înțelegere a elevilor;

marchează ideile mai importante prin ton și intonație;

folosește diagrame, scheme, fixe sau dinamice în cursul prezentării, ceea ce concentrează atenția elevilor asupra esențialului, mobilizând gândirea și imaginația acestora;

distribuie anticipat elevilor materiale ,,suport” referitoare la tema expusă: scheme, chestionare, rezumate, întrebări cheie, pe care elevii le vor completa după ce vor audia conținutul expunerii.

II.2.2. Metoda explicației

Formă de expunere orală, în care predomină argumentarea rațională, explicația este o metodă prin care profesorul prezintă conținuturile de cunoștințe noi, pe baza argumentațiilor deductive. Astfel, profesorul enunță mai întâi o definiție, un concept, un principiu sau prezintă un fenomen și după aceea analizează diferitele exemple și argumente, prezentând cauzele, interpretările sau aplicațiile posibile. În explicație, profesorul e dator să folosească cuvintele adecvate (riguros din punct de vedere științific, corect gramatical), să realizeze o argumentare logică și să fie preocupat de captarea atenției și interesului elevilor. Elevii vor fi ajutați în felul acesta să-și clarifice și să-și adâncească înțelegerea noilor cunoștințe, să facă conexiuni, să investigheze și să descopere cursul firesc al fenomenelor, să le explice prin cauzele lor. Este necesar ca în anumite situații profesorul să reformuleze anumite cunoștințe și să le adapteze nivelului cognitiv al elevului, apelând astfel la dezvoltări, substituiri, descrieri, comparații ce vor face posibilă înțelegerea noțiunilor necunoscute de către elevi. După cum afirmă Ioan Cerghit, ”se disting mai multe tipuri de explicații, în funcție de obiectivele dezvăluirii:

explicația cauzală (de ce?), cu accentul pe relevarea cauzelor care justifică apariția, existența, manifestarea unui fenomen, fapt etc;

explicația normativă – de analiză după criterii stabilite, a caracteristicilor esențiale, a asemănărilor și deosebirilor etc.;

explicația procedurală (cum?, care?), de evidențiere a operațiilor necesare pentru producerea unui lucru;

explicația teleologică (pentru ce?), în vederea justificării unei acțiuni prin referințe la scop;

explicația consecutivă (care?), de prezentare în sens enumerativ a evenimentelor, stărilor ce conduc la o situație finală;

explicația prin mecanism (cum?), de prezentare a principiilor funcționării.”

Această metodă câștigă în claritate și valoare, precum și în economisirea timpului, dacă se folosesc ca suport diferite materiale didactice.

II.2.3. Metoda demonstrației

Metodă de predare-învățare, în cadrul căreia mesajul de transmis către elev se cuprinde într-un obiect concret, o acțiune concretă sau substitutele lor, metoda demonstrației are ca scop asigurarea unui suport concret-senzorial, care va facilita cunoașterea unor aspecte ale realității sau reproducerea unor acțiuni ce stau la baza unor comportamente de ordin practic. Este utilizată frecvent în predarea-învățarea chimiei, aceasta fiind o disciplină care explorează direct realitatea concretă. La baza demonstrației se află un suport material (natural, figurativ sau simbolic), de la care se pleacă și se construiesc reprezentări, constatări, interpretări.

În funcție de mijlocul pe care se bazează fiecare, formele demonstrației pot fi:

demonstrația cu obiecte în stare naturală;

demonstrația cu acțiuni;

demonstrația cu substitutele obiectelor, fenomenelor, acțiunilor;

demonstrația de tip combinat;

demonstrația cu mijloace tehnice.

Demonstrația cu obiecte naturale

Se caracterizează prin faptul că sursa principală a informației elevului constă dintr-un obiect natural (roci, substanțe chimice), încadrate pe cât posibil în mediul lor de existență, de aici provenind avantajul unei învățări eficiente, dată fiind evidența faptelor constatate de elevi în acest fel.

Pentru folosirea acestei metode trebuie îndeplinite anumite cerințe didactice:

așezarea și gruparea elevilor să fie concepute astfel încât să favorizeze receptarea convenabilă de către toți (pentru o demonstrație frontală, dispunerea în semicerc a elevilor sau dacă există suficiente materiale ce pot fi distribuite, elevii se dispun în grupuri mici);

obiectele să le fie prezentate elevilor numai atunci când trebuie să fie explicate pentru a nu reprezenta o continuă cauză de distragere a atenției;

sensibilizarea și orientarea în prealabil a elevilor asupra obiectelor ce urmează a fi demonstrate;

acordarea unui scurt timp de satisfacere a curiozității elevilor atunci când obiectele prezintă niște aspecte deosebit de atrăgătoare prin ineditul lor;

prezentarea elevului de situații tipice din realitate;

atunci când obiectele sunt prea mici sau de prea mare varietate este indicat ca prezentarea lor să se facă în colecții;

ori de câte ori situația o îngăduie, obiectele să fie percepute prin participarea cât mai multor simțuri;

să se pornească de la intuirea întregului, să se continue cu prezentarea analitică, să se încheie cu revenirea la ansamblu.

Bineînțeles că trebuie avută în vedere respectarea măsurilor de securitate a muncii în cazul substanțelor nocive sau periculoase, manevrarea acestora trebuie să fie făcută exclusiv de către profesor.

Demonstrația cu acțiuni

Având în vedere că disciplina chimie este o știință experimentală cu un pronunțat caracter practic-aplicativ, elevul este condus de la observarea unor fenomene chimice, pe baza demonstrației, la observarea fenomenelor prin activitate proprie, respectiv verificarea și aplicarea acestora în practică. Dacă sursa cunoașterii pentru elev o reprezintă acțiunea pe care profesorul o realizează, atunci scopul final îl reprezintă transformarea acelei acțiuni într-o deprindere, în formarea unei competențe. Încă din primul an de studiu al chimiei, elevii vor fi puși în situația de a-și forma deprinderi motorii de manipulare a aparaturii de laborator, confecționată din sticlă (eprubete, pahare Berzelius, Erlenmeyer, pâlnii, baghete, pipete) sau a ustensilelor de laborator (spatulă, lingură de ars, clește de lemn, suporturi), surselor de încălzire. Pentru ca elevii să-și formeze aceste deprinderi se vor respecta anumite cerințe în aplicarea metodei:

așezarea, gruparea și instruirea prealabilă a elevilor;

exersare prealabilă suficientă a acțiunii de către profesor;

demonstrația să fie înfăptuită efectiv pentru a putea fi observată de către elev;

implicarea elevului și realizarea acțiunii de către acesta sub îndrumarea atentă a cadrului didactic;

explicarea parte cu parte a acțiunilor mai complexe.

Demonstrația cu substitute

Această formă a demonstrației utilizează substitutele sau materialele confecționate, preparate, care au rolul de a reproduce fidel sau convențional obiectele sau fenomenele ce vor fi demonstrate. Aceste materiale au avantajul că pot fi la îndemâna cadrului didactic, aceste modele asigurând un suport concret-senzorial procesului de învățământ. Substitutele pot apare sub mai multe forme:

materiale tridimensionale (modele utilizate pentru reprezentarea strucuturii moleculelor: de tip sfere-bețișoare, de schelet de tip Dreiding, tip calotă), machete (diverse instalații);

planșe diverse, reprezentări grafice (desene fidele originalului; scheme cu caracter convențional; liste de reprezentări grafice, tabele; scheme ale unor procese tehnologice, instalații; simboluri, formule chimice; sistem periodic al elementelor; seria de activitate a metalelor);

Motivația utilizării acestor substitute se poate datora unor aspecte ca:

distanța în timp și spațiu nu permite, în multe cazuri, apelul direct la obiectele sau fenomenele concrete;

alcătuirea prea complicată  a obiectelor și fenomenelor din realitate, alcătuire care prin intermediul substitutelor se poate simplifica, fie prin vizualizare, fie prin schematizare;

pot sta la dispoziția cadrului didactic timp nelimitat; 

efortul financiar mai mic, în raport cu originalele.

Și în această formă a demonstrației trebuie respectate anumite cerințe didactice:

așezarea și dispunerea în spațiu a elevilor pentru o observare cât mai bună;

respectarea unor exigențe didactice de execuție prin sugerarea proporțiilor dimensionale ale diferitelor realități substituite, fie prin utilizarea diverselor procedee de redare, care sporesc claritatea reprezentărilor grafice: linii îngroșate, linii punctate, trasare cu culori diferite, în scopul reținerii unor semnificații diferite ale conținuturilor vizate;

conformarea la exigențele de ordin estetic.

Demonstrația combinată

Combinațiile demonstrative care apar în forme relativ constante sunt:

demonstrația prin experiențe;

demonstrația prin desen didactic.

Demonstrația prin experiențe (experiment demonstrativ) reprezintă combinația dintre demonstrația cu obiecte și cea cu acțiuni. Ea implică acțiunea de provocare a unui fenomen, concomitent cu explicarea obiectelor care se transformă prin respectivul fenomen, ea realizând atât cunoașterea obiectelor cât și însușirea acțiunii de experimentare, iar profesorul le demonstrează pe ambele. Motivația utilizării ei constă în faptul că redă, redus la scară, conținutul unei serii întregi de fenomene, cultivând totodată capacitatea elevului de a investiga realitatea singur, după modelul pe care îl pune la dispoziție profesorul, în timpul desfășurării experienței.

Demonstrația prin desen didactic se concretizează în efectuarea desenului de către profesor în fața elevilor, aceștia din urmă desenând în paralel cu el. Combinația ce se cuprinde aici este cea dintre o acțiune și un substitut. Scopul este dublu: adâncirea informației elevului, respectiv formarea deprinderii lui de a reda grafic conținuturile ce trebuiesc învățate.

Referitor la regulile didactice ce trebuiesc urmărite în cadrul celor două forme combinate de demonstrație, ele se pot reda doar ca idee, prin însumarea regulilor menționate în dreptul fiecărei componente: ale demonstrației cu obiecte și ale demonstrației cu acțiuni, în cadrul experienței; ale demonstrației cu acțiuni și cu substitute, în cadrul desenului didactic.

Demonstrația cu mijloace tehnice

Această formă de demonstrație, utilizează diferite tipuri de mijloacele tehnice: mijloace audio; mijloace video; mijloace audio-vizuale. În prezent, mijloacele tradiționale (benzi magnetice, discuri, aspectomat, casetele audio și video) nu mai sunt utilizate probabil deloc, dezvoltarea tehnologiei informaționale, a calculatoarelor, a internetului fâcând posibilă apariția unor noi tehnologii de instruire și integrarea acestor mijloace în activitățile didactice (calculator, proiector, softuri educaționale, sistem AEL).

Astfel elevii își vor forma deprinderi de utilizare a tehnologiilor informatice care oferă diverse avantaje:

redau cu mare fidelitate, atât în plan sonor, cât și vizual;

pot surprinde aspecte care pe altă cale ar fi imposibil sau cel puțin foarte greu de redat;

grație diferitelor aplicații informatice, pot separa, descompune și reda fenomene insesizabile pe altă cale;

ele permit reluarea rapidă, ori de câte ori este nevoie;

datorită ineditului pe care îl conțin și chiar aspectului estetic pe care îl implică, ele sunt mai atractive pentru elevi și mai productive.

Cerințele pe care le implică sunt:

organizarea specială a spațiului în care se fac demonstrațiile de acest fel;

alegerea judicioasă a momentului utilizării demonstrațiilor de acest fel;

pregătirea specială a profesorului pentru utilizarea și pentru întreținerea în stare funcțională a dispozitivelor, materialelor, aparaturii cuprinse în acest demers.

II.2.4. Metoda conversației

Conversația este metoda didactică care vehiculează cunoștințele prin intermediul dialogului (întrebărilor și răspunsurilor) al discuțiilor sau al dezbaterilor. ”În învățământ, dialogul este în întregime subordonat realizării unor sarcini didactice și educative, este axat pe procesul de învățare și dezvoltare a personalității. Ca structură specifică, elaborată, de predare/învățare, metoda conversației bine condusă, anagajează un sistem determinat de interacțiuni verbale profesor-elevi”29.

În funcție de anumite criterii se pot face mai multe clasificări ale metodei conversației.

 După numărul participanților implicați putem vorbi de:

conversație frontală;

conversație individuală.

După momentul din lecție în care are loc:

conversația introductivă – acest tip de conversație se desfășoară în timpul evenimentelor de captare a atenției, informarea asupra obiectivelor urmărite, pentru reactualizarea cunoștințelor anterior însușite;

conversația care servește la transmiterea de noi cunoștințe – acest tip de conversație se desfășoară în timpul evenimentelor de dirijare a învățării sau în etapele de fixare a cunoștințelor.

După tipul de raționament:

conversație euristică – la acest tip de conversație întrebările se adresează gândirii și o dirijează spre efectuarea de raționamente din care să rezulte soluția;

conversație catehetică – la acest tip de conversație, întrebările se adresează memoriei, iar răspunsurile sunt reproduceri de enunțuri, formule, etc așa cum au fost ele prezentate în lecțiile anterioare.

”În raport cu obiectivele instructive-educative urmărite, ea își asumă o multitudine de funcții, ceea ce îi conferă valoarea unui prețios instrument didactic în mâna profesorului. Ca esențiale se disting:

funcția euristică, de redescoperire a unor adevăruri și formativă în același timp (conversația de tip euristic);

funcția de clarificare, de sintetizare și aprofundare a cunoștințelor, cu care elevii au avut un anumit contact cognitiv în prealabil (conversația de aprofundare);

funcția de consolidare și sistematizare a cunoștințelor, de întărire a convingerilor științifice (conversația de consolidare);

funcția de verificare sau de control (de examinare și evaluare) a performanțelor învățării (conversația de verificare)”29.

Cel mai des utilizată în lecțiile de chimie este conversația euristică. Având la bază maieutica socratică, arta aflării adevărurilor printr-un șir de întrebări oportun puse, profesorul îi va putea îndemna pe elevi să efectueze investigații în sfera informațiilor existente deja în mintea lor, să facă asociații, să depună un efort personal de căutare, metoda conversației euristice fiind o metodă incitativă.

Ca etape de desfășurare în aplicarea metodei se poate vedea că întrebările și răspunsurile se grupează în serii compacte, fiecare nouă întrebare avându-și punctul de plecare în răspunsul anterior.

”Când pui o întrebare luminezi lucrurile. Este vorba de o iluminare a lor la propriu, o punere a lor în lumină, în sensul că deschizi un orizont…”.

Atât profesorul, cât și elevii pot formula întrebări referitoare la tema lecției. Profesorul, spre a vedea cum au fost receptate și înțelese mesajele sale didactice, elevii pentru a lămuri anumite neclarități sau pentru a-și completa informațiile de care dispun, în legătură cu subiectul aflat în discuție. Întrebările puse de profesor trebuie să se adreseze cu precădere gândirii elevilor, nu memoriei lor și să fie astfel formulate încât să îi incite la dialog, potrivit ideii că orice cercetare pornește de la o problemă: ”explicați de ce…?”, ”ce s-ar întâmpla dacă…?”, ”ce credeți despre…?”, ”după părerea voastră, de ce…?”, ”interpretați …”, ”ce concluzii puteți trage…”. Întrebările formulate de profesor vor avea în vedere cunoștințele anterioare și experiențele elevilor. În caz contrar, răspunsurile așteptate vor veni doar de la elevii care beneficiază acasă de îndrumare sau de la cei interesați de tema discutată, pe care au studiat-o pe cont propriu în prealabil.

Pentru realizarea obiectivelor învățării se recomandă întrebările ,,deschise” care solicită inteligența productivă, lasă libertate de manifestare spontaneității și inițiativei elevilor, îndeamnă la anumite acțiuni, sugerează sau anticipează anumite operațiuni de efectuat, stimulează curiozitatea elevilor, suscită interesul și participarea lor activă în timpul desfășurării lecțiilor, dezvoltă capacitatea de a explora, de a examina cu atenție realitatea. ”În acest sens, o frecventă utilizare în didactica actuală au:

întrebările convergente, care îndeamnă la analize, comparații, sinteze, asociații de idei, explicații ;

întrebările divergente, care exersează gândirea pe traiectorii inedite, originale, evidențiind o diversitate de soluții la aceeași problemă;

întrebările de evaluare solicită elevii să emită judecăți proprii asupra aspectelor întâlnite, în funcție de criterii diferite”24.

Ca și condiții pentru o aplicare corectă a acestei metode ar putea fi enumerate:

timpul care se lasă între întrebare și răspuns să fie bine dozat, după dificultățile de alcătuire a răspunsului;

acordarea timpului de reflecție dar și de liberă alegere a mijloacelor de expresie;

tolerarea exprimării libere a gândurilor elevului, chiar și a anumitor greșeli de exprimare, de coerență în faza inițială, pentru a nu îl intimida, ulterior după exprimarea răspunsului aducându-se eventualele corecturi necesare;

acordarea unei atenții deosebite ”sancționării răspunsurilor”, întăririi pozitive a acestora prin stimuli verbali, mimică și gestică sau diferite alte forme ale încurajării.

II.2.5. Problematizarea

Această metodă constă în posibilitatea de a crea în mintea elevului o stare conflictuală pozitivă, o ”situație-problemă”, determinată de necesitatea cunoașterii unui fenomen, substanță, proces sau a rezolvării unei probleme pe cale logico-matematică sau experimentală.

Problematizarea este metoda de învățământ prin care se generează în mintea elevului un conflict (real sau aparent) între datele noi pe care le primește și cele anterioare punându-l pe acesta în situația de a căuta răspunsuri, soluții. Contradicția poate apare între noțiuni teoretice și aspecte practice, între general și particular, ducând la apariția unei stări de tensiune psihică, de curiozitate, care sunt urmate de raționament din partea elevilor prin metode diverse: intuiție, deducție, analogie, reducere la absurd, formularea de ipoteze, verificarea acestora și stabilirea de concluzii. Etapele acestui proces complex ar pute fi structurate astfel:

Cunoașterea și înțelegerea datelor problemei;

Reorganizarea comportamentului mental sau practic și formularea ipotezei de lucru;

Întocmirea planului de rezolvare și alegerea soluției optime;

Verificarea exactității rezolvării.

În cadrul lecțiilor de chimie, instruirea prin problematizare se poate face în contexte diferite:

Expunerea problematizată de către profesor a materialului de învățat;

Crearea de către profesor a unei situații-problemă și rezolvarea ei de către elevi împreună cu profesorul;

Crearea de către profesor a unei situații-problemă și rezolvarea ei de către elevi în mod independent;

Sesizarea și rezolvarea problemei de către elevi.

Formele concrete prin care se poate realiza instruirea problematizată sunt:

Situația-problemă;

Întrebarea-problemă;

Exerciții problematizate , fișe de lucru problematizate;

Experimente prezentate problematizat.

Situația-problemă – este tipul de problematizare care produce o stare conflictuală puternică și complexă, incluzând un sistem de probleme teoretice sau practice care se cer rezolvate. Pentru soluționarea acestor situații-problemă, Thornidike sugerează următoarele cinci faze:

Definirea problemei și a obiectelor necesare în direcția unei eventuale soluții;

Gruparea și selecționarea informației;

Elaborarea informației prin reflectare, avându-se în vedere o soluție;

Elaborarea soluției, făcând apel la idei și sfârșind cu adoptarea unei decizii;

Punerea în aplicare a soluției găsite și reflectarea asupra rezultatelor.24

Întrebarea-problemă – produce o stare conflictuală relativ restrânsă ca dificultate sau complexitate abordând de regulă o singură chestiune. Acest tip de problematizare se folosește la verificările curente, examene orale. Întrebările-problemă nu urmăresc răspunsuri predeterminate și nici nu reclamă expuneri simple ale faptelor ci trebuie să trezească elevilor curiozitatea intelectuală, dorința de a găsi răspunsul. Răspunsul obținut prin rezolvarea situației conflictuale determinate de întrebarea problemă constituie o condiție a trecerii elevilor la o nouă etapă de informare în domeniul chimiei. Întrebările-problemă se deosebesc de cele folosite la lecțiile clasice prin aceea că determină o situație de conflict informațional obligându-l pe elev să realizeze selecții, ierarhizări, prelucrări și reorganizări ale datelor acumulate până atunci pentru a le transforma în cunoștințe noi.

Exercițiile problematizate – produc un conflict intelectual sau informațional mai mult sau mai puțin complex. Pot fi utilizate fișe de lucru problematizate de diverse tipuri: fișe de instruire, fișe de dezvoltare, fișe de completare a cunoștințelor, fișe de instruire pe nivele diferențiate.

Experimente prezentate problematizat.

Experiențele efectuate în laboratorul de chimie transpun elevul în situația cercetătorului, asigurându-i o mare independență de acțiune, astfel creându-se situații în care acesta trebuie să formuleze ipoteze în mod independent, pe care apoi să le verifice atât pe cale experimentală, cât și teoretică.

Avantajele și limitele problematizării

Dintre avantajele utilizării problematizării în lecțiile de chimie se pot aminti :

Asigură pe toată durata activității didactice motivația intrinsecă a învățării, situând elevii în interiorul unor situații-problemă care le polarizează interesele;

Problemele pot fi valorificate atât la începutul activității didactice ca puncte de plecare în trezirea interesului elevilor precum și la finalul activității didactice ca un instrument de fixare, consolidare și evaluare a cunoștințelor;

Problemele dau cadrului didactic certitudinea că situația de instruire promovează o învățare activă și dezvoltă o gândire flexibilă, divergentă, euristică și creatoare;

Sprijină procesul de evaluare astfel încât prin rezolvarea situațiilor-problemă elevii demonstrează că au atins performanțele descrise în obiectivele operaționale cu care ele sunt corelate.

Există câteva limite în utilizarea problematizării în lecțiile de chimie dintre care amintim:

Timpul – activitățile didactice bazate pe problematizare presupun activitatea independentă a elevilor și necesită un volum mare de timp. Un timp de lucru prea mare poate determina o oarecare atenuare a motivației și a curiozității elevilor;

Solicită din partea profesorului o activitate de restructurare, sistematizare logică a conținutului științific și o prelucrare metodică a acestuia în vederea conceperii problemelor și coordonării procesului de rezolvare a acestora;

Participarea intensă a elevilor la activitățile didactice poate duce la apariția oboselii care ar putea genera inactivitate și dezinteres.

II.2.6. Exemple de folosire a metodelor de instruire prin comunicare scrisă

Metodele de comunicarea scrisă ce pot fi utilizate în lecțiile de chimie sunt tehnica lecturii și instructajul scris. În cadrul acestor metode instruirea elevilor are loc fără participarea directă a profesorului, prin organizarea unei activități de învățare cu ajutorul sau sub îndrumarea unor materiale special elaborate în vederea acestui scop. Autoinformarea elevilor se realizează pe două căi: primire de informații și prelucrare de informații. Primirea de informații se obține prin citirea (lectura) manualului, cărților de specialitate, documentațiilor, diverselor materiale selectate. Prelucrarea de informații are scopul de a forma deprinderi de muncă intelectuală și se pot forma prin întocmire de planuri pentru lucrări individuale, extrageri de date, eseuri, conspecte, fișe, clasificări, referate.

Perceperea corectă a înțelesului cuvintelor (termenilor științifici de specialitate) și a înlănțuirilor de cuvinte (propoziții);

Investigație și sesizare a ideilor principale și a detaliilor semnificative care le însoțesc și o anumită ordonare a ideilor;

Punerea în mișcarea a operațiilor de gândire, de imaginație, îndeosebi a operațiilor de analiză și sinteză, de asociație și emitere de ipoteze, dar și de procesare a informațiilor și de stocare a acestora în memorie;

Asimilare a cunoștințelor, dar și ca reacție efectivă la acestea, luată în sens de reflecție, de interpretare, de examinare și evaluare critică, de atitudine și decizie, de construcție a unei argumentații sau contraargumentații.

După modelul de realizare a lecturii putem deosebi: lectura critică, lectura explicativă, lectura problematizată, lectura selectivă, lectura continuă de informare, lectura cu caracter analitic sau sintetic, lectura dirijată, lectura autodirijată, lectura de asimilare. Este important pentru elevi să deprindă și să alterneze diferitele tehnici de lectură, apelând și la tehnici de accelerare sau de încetinire a ritmului în timp și în loc.29

Instructajul scris precede sau însoțește desfășurarea unei activități practice (de laborator), în scopul precizării și clarificării sarcinilor de îndeplinit, a condițiilor și regulilor de ordine și disciplină (norme de protecția muncii), a modului de comportare a elevilor, fiind de fapt o enumerare de acțiuni care urmează a fi efectuate într-o anumită succesiune. În cadrul instructajului se dau indicații obiective, prescripții, comenzi, instrucțiuni cu privire la modul în care este necesar să se acționeze în condiții de maximă eficiență.

Avantaje ale utilizării metodelor de instruire prin comunicare scrisă:

Dezvoltă capacitățile individuale de planificare și organizare;

Formează algoritmi de lucru și automatizează deprinderi;

Stimulează spiritul de inițiativă și capacitățile individuale de activitate nedirijată de profesor;

Sporește încrederea în forțele proprii;

Limite ale utilizării metodelor de instruire prin comunicare scrisă:

Necesită eforturi personale creative importante;

Apare decalajul în pregătirea elevilor;

Pentru asimilarea tehnicilor de muncă intelectuală este necesară o perioadă de inițiere și exersare.

II.2.7. Modelarea

Modelarea reprezintă metoda euristică care favorizează transmiterea informațiilor către elevi prin intermediul modelului, asigurând cercetarea proceselor și fenomenelor chimice prin analogia dintre model și sistemul modelat. Modelul reprezintă o reproducere simplificată a unui obiect, fenomen sau proces chimic într-un sistem construit artificial. Ceea ce nu este accesibil într-o formă materială autentică devine accesibil cu ajutorul modelului care reproduce în esență sau parțial originalul, cu scopul de a-i descoperi noi proprietăți. Modelarea reprezintă o metodă de folosire a modelelor didactice, pentru ca elevii, sub îndrumarea profesorului, să sesizeze și să descopere anumite proprietăți, informații și relații despre fenomenele și procesele din natură.

În predarea chimiei se utilizează modelarea similară și modelarea prin analogie.

Modelarea similară se realizează folosind modele materiale (obiecte sau substanțe, fizice sau concrete, tehnice sau intuitive) care reproduc fidel sistemul original. Această metodă este utilizată în chimia anorganică pentru studierea formei cristalelor și a rețelelor cristaline, în timp ce în chimia organică se poate folosi pentru studierea catenelor, a izomeriei, orientarea valențelor. Modelele utilizate pot fi: modele de tip sfere-bețișoare (ace-bile), modele de schelet de tip Dreiding, modele de volum (de tip calotă – tip Stuart). Profesorul are rolul de a îndruma elevii în trecerea de pe un model pe altul, indicând limitele fiecăruia.

Modelarea prin analogie se bazează pe asemănarea dintre model și original, care nu este o asemănare perfectă, ci din punct de vedere esențial. În acest caz se folosesc modele simbolice teoretice sau ideale caracterizate prin absența formei fizice. Din categoria modelelor simbolice fac parte modelele grafice, modelele matematice, modelele logice. Modelele grafice (figurale sau configurale) care sunt utilizate în învățarea chimiei pot fi: simbolurile chimice, liniuțele ce indică legăturile, punctele ce desemnează electronii, formule moleculare și de structură, săgețile drepte, curbe sau cu dublu sens, diverse reprezentări grafice, reprezentarea unor scheme tehnologice. Pot fi reprezentate prin desene pe hârtie, desene pe tablă sau pe planșe, construcții grafice pe tablă magnetică. Dintre modelele matematice se pot aminti formulele chimice, ecuațiile reacțiilor chimice, diverse legi (legile gazelor, legile electrolizei) care prezintă realități obiectuale sau transformări. Modelele logice sau propoziționale pot fi exemplificate prin relații, corelații dintre structura substanțelor și proprietățile acestora.

Modelarea poate fi utilizată și ca metodă de investigare științifică dacă se respectă anumite cerințe:

asigurarea demonstrației intuitive atunci când sunt utilizate modele materiale și iconice;

analiza caracteristicilor esențiale ale modelului;

considerarea modelului ca un sistem închis;

modelul trebuie să fie adecvat temei;

modelul trebuie să reproducă caracteristicile esențiale ale originalului.

Metoda modelării poate fi considerată una dintre metodele de bază utilizate în studiul chimiei, elevii putând sesiza, explica și însuși mai ușor anumite caracteristici structurale ale substanțelor, proprietățile fizice și chimice ce decurg din acestea, având ca suport diferitele tipuri de modele.

II.2.8. Observația sistematică (independentă sau dirijată)

Metodă de explorare directă a realității, metoda observației sistematice presupune urmărirea, investigarea în cadrul orelor de chimie dar și în afara acestora, a unor substanțe sau fenomene chimice în vederea obținerii de informații despre acestea. Ca metodă de învățământ, observarea este intenționată, organizată și sistematică și reprezintă o modalitate de instruire a elevilor prin organizarea și stimularea unor activități de investigație proprie pentru dobândirea și formarea prin efort personal a cunoștințelor, a capacităților și deprinderilor, apropiind investigația de specificul cercetării științifice. Astfel prin proprie experiență cognitivă, elevul află ”citind” direct din marea ”Carte a naturii”(nu numai din manuale), că adevărurile științifice sunt rodul unui laborios proces de cercetare, că știința însăși se dezvoltă, că cei care o slujesc nu fac decât decât să se apropie de ”adevărul căutat”29, constituind pentru el ”o știință din experiență”.

Această metodă constă în urmărirea atentă de către elevi a obiectelor, substanțelor, fenomenelor, proceselor chimice, fie sub îndrumarea profesorului (observarea dirijată), fie în mod independent (observarea independentă), cu scopul identificării unor noi aspecte ale realității și întregirii cunoștințelor. Observarea, de scurtă durată sau de lungă durată, are valoare euristică și participativă deoarece se bazează pe receptivitatea elevilor față de cunoaștere, urmărindu-se explicarea, descrierea, interpretarea fenomenelor sau proceselor studiate din perspectiva unei sarcini concrete de învățare, exprimarea și explicarea rezultatelor cu ajutorul unor suporturi materiale cum ar fi referatele, tabelele, diagramele, graficele.

După I. Cerghit29, pentru a imprima observării un caracter activ de cercetare este necesar ca ea să fie organizată după rigorile observării științifice, desfășurându-se în mai multe etape:

1. Punerea problemei: se ia ca punct de pornire o problemă care s-a ridicat în cadrul activității didactice; de exemplu, identificarea caracterului acido-bazic al unor substanțe utilizate frecvent în viața cotidiană, în predarea lecțiilor ,,Acizi”, ”Baze”, la clasa a VIII-a.

2. Discutarea problemei – obiective și sarcini:

– se dezbate problema cu elevii până când aceasta devine clară;

– se precizează abordările și sarcinile concrete ale elevilor, aceștia conștientizând ceea ce cercetează și cu ce mijloace vor realiza studiul.

3. Cercetarea observativă realizată de elevi pe grupe sau individual; în exemplul dat, cu ajutorul hârtiilor indicatoare de pH se vor stabili de către elevi în ce categorie se încadrează substanțele cercetate în funcție de valorile înregistrate;

4. Consemnarea datelor – datele observate sunt consemnate de elevi în caiete sau fișe de observație;

5. Analiza și prelucrarea rezultatelor – aspectele descoperite sunt prezentate de către fiecare grupă în scris (pe foi de flip-chart) sau oral, însoțite de fișe etalon; rezultatele sunt dezbătute și se ajunge la rezolvarea problemei;

6. Conturarea concluziilor finale și valorificarea informațiilor obținute în activități ulterioare.

Din analiza aspectelor prezentate reiese rolul deosebit al acestei metode în dezvoltarea gândirii și a spiritului de observare și cercetare reprezentând un exercițiu veritabil de gândire analitică și sintetică de formare a unor deprinderi de investigație inductivă, de gândire cauzală, independentă, de cultivare și menținere a gustului pentru observare, de suscitare a interesului, inclusiv pentru activități experimentale.

Observarea independentă dezvoltă la elevi obiectivitatea, spiritul de rigoare și de precizie, elemente componente ale spiritului științific, cultivă capacitatea de a judeca profund realitatea înconjurătoare, de a investiga procesele și fenomenele chimice cu ochi de cercetător, adică de a le privi din unghiuri diferite de vedere, de a-și pune întrebări și probleme și de a încerca să răspundă la ele prin căutări de soluții, interpretând rezultatele independent și creator.

Observarea proceselor și fenomenelor chimice, reprezintă deseori premise ale punerii de probleme și ale rezolvării acestora de către elevi, în corelație cu învățarea prin descoperire și problematizarea. Metoda observării independente, verigă esențială în cunoașterea prin acțiune a lumii vii, se află în strânsă corelație cu alte metode, în principal cu experimentul și lucrările de laborator, care nu pot fi aplicate decât cu ajutorul observării independente.

În realizarea observării independente, a experimentului și lucrărilor de laborator, asigurarea individualizării muncii elevilor se face cu ajutorul fișei de lucru, care reprezintă un mijloc deosebit de eficient în investigarea proceselor și fenomenelor chimice și care face posibilă, totodată, aplicarea problematizării, a învățării prin descoperire, a modelării, algoritmizării. Fișa de lucru este concepută de profesor în mod logic, fiind multiplicată pentru toți elevii, scrisă pe tablă sau proiectată. Fișa cuprinde mai multe sarcini de lucru motrice și/sau intelectuale și permite descoperirea sau aprofundarea de către elevi a informațiilor chimice, precum și formarea (fixarea) unor deprinderi de lucru. În fișă sunt incluse sarcini de lucru în predarea-învățarea disciplinei chimie care trebuie să facă în așa fel încât să asigure asimilarea corectă a cunoștințelor și dezvoltarea operațiilor gândirii.

Observarea dirijată se împletește cu cea independentă, se pune în aplicare de către profesor printr-un sistem de indicații sau instrucțiuni determinate, prevăzute eventual în fișe de observații, grile de observații urmând ca treptat să se lase loc autodirijării. Această metodă contribuie la formarea și consolidarea unor calități comportamentale specifice cum ar fi: consecvența, răbdarea, perseverența, perspicacitatea, imaginația.

II.2.9. Experimentul

Pornind de la dezideratul exprimat încă de la sfârșitul secolului al XIX-lea de adepții ”școlii active” și anume că ”experimentarea și observarea nemijlocită a realității constituie cei doi stâlpi de susținere ai unei metodologii active în predarea chimiei și a celorlate științe”, școala modernă consideră experimentul ca o metodă specifică de studiere a științei și metodă fundamentală în învățământul științelor naturii.

Experimentul reprezintă o observare provocată în scopul cercetării unui proces sau fenomen chimic, în condiții determinate, impuse de ipoteza de lucru; este o acțiune de căutare a legităților specifice din mediul înconjurător, o provocare intenționată a unui proces sau fenomen chimic, în scopul descoperirii esenței acestuia, pentru cercetarea raporturilor de cauzalitate specifice.

Chimia, știință experimentală, își bazează procesul teoretic și își găsește aplicativitatea practică în încercările de laborator, experimentul fiind utilizat atât ca metodă de investigație științifică, cât și ca metodă de învățare. Aplicarea experimentului de laborator în învățământul chimic nu se reduce numai la utilizarea unor instrumente și tehnici de lucru, ci presupune o intervenție activă din partea elevilor pentru modificarea condițiilor de manifestare a proceselor și fenomenelor studiate, pentru a se ajunge pe această cale la descoperirea unor informații cuprinse în lecția sau activitatea didactică respectivă, la date noi care concretizează procesul sau fenomenul chimic cercetat. Experimentul apropie activitatea elevilor de specificul actului de cercetare experimentală specific chimiei, elevii realizând investigarea mediului în care trăim, a naturii, a propriei vieți de fapt. A experimenta înseamnă a-i pune pe elevi să conceapă și să aplice o serie de operații cu scopul de a provoca, a observa și a studia, a dovedi sau a aprecia efectele provocate, facilitând astfel procesul de cunoaștere a fenomenelor chimice. Experiementul de laborator cu scop de cercetare, alături de observarea de tip investigativ reprezintă strategii euristice, deoarece elevii, prin modificarea condițiilor de manifestare a proceselor și fenomenelor chimice ajung la descoperirea esenței acestora, la achiziții informaționale și operaționale.

J. Piaget afirma că ”încă de la vârsta de 11-14 ani elevii pot fi inițiați în cercetarea experimentală, deoarece în această perioadă se structurează gândirea formală, se dobândesc instrumentele mintale, judecăți, raționamente inductive, deductive și ipotetice, capacitatea de a combina ipoteze, de a le verifica experimental – capacități necesare într-o asemenea activitate.”

Conceput în corelație cu principiile didactice moderne, experimentul de laborator urmează treptele ierarhice ale învățării, conducând elevul de la observarea unor fenomene chimice, pe baza demonstrației, la observarea fenomenelor prin activitatea proprie (faza formării operațiilor concrete), apoi la verificarea și aplicarea în practică a acestora (faza operațiilor formale), când se cristalizează structura formală a intelectului și, în continuare, la interpretarea fenomenelor observate, care corespunde cu faza cea mai înaltă din treptele ierarhice ale dezvoltării (faza operațiilor sintetice)24. Metoda experimentului de laborator accentuează caracterul aplicativ al predării, favorizând o mai strânsă legătură dintre teorie și practică, contribuind la apropierea învățământului științelor naturii, respectiv al chimiei, de problemele tehnico-științifice, deoarece, participând la experiențe și experimente, la rezolvarea unor probleme științifico-tehnice, elevii vor putea cunoaște mai bine domeniile numeroase de aplicare a chimiei, importanța acesteia pentru viața lor.

O descriere mai detaliată a tipurilor de experimente de laborator, a modului de organizare și desfășurare a acestora va fi făcută ulterior în cuprinsul acestui capitol.

II.2.10 Algoritmizarea

Noțiunea de ”algoritm”, cu origini în numele lui Al. Horesmi, matematician arab de la începutul secolului al IX-lea, este un procedeu care permite, pornind de la anumite date inițiale, găsirea unor rezultate prin intermediul unui șir finit de operații. Din observațiile mai multor cercetători, s-a stabilit că, atât la copii cât și la adulți, există o tendință de a construi structuri generale de comportament cu aspect algoritmic în situația rezolvării unui anumit tip de probleme, astfel că apare ca o nouă metodă de instruire, algoritmizarea.

Astfel, algoritmizarea este ”acea metodă de învățământ cu ajutorul căreia achiziționarea noilor cunoștințe se realizează prin parcurgerea succesivă a unor etape la capătul cărora se obține rezultatul dorit, soluția unei probleme”24.

Algoritmul nu reprezintă doar o simplă schemă de operații, ci reprezintă o construcție conștientă care anticipează un program de acțiune viitoare și se distinge prin anumite caracteristici:

precizie – în sensul că toate operațiile de efectuat sunt determinate, descrise. El fixează

obiectivul de atins, informația necesară, sistemul de indicații (reguli) de aplicat și ordinea în care ele vor fi parcurse;

măsură (finitudine) – este un ansamblu de operații sau de pași teoretic finit, oricât de mare ar fi numărul de ”pași” de parcurs acesta fiind limitat;

generalitate – sau valabilitatea sa pentru o întreagă clasă de probleme sau pentru a oricărei probleme din clasa respectivă;

posibilitate de rezolvare – toți cei care aplică același algoritm trebuie să ajungă în mod corect la rezolvare, la aceeași soluție (finalitate certă)29.

Cunoscând traseul ce trebuie parcurs, elevii vor avea obligația de a înainta conform structurii impuse de algoritm. Elaborarea unui algoritm operațional care poate fi utilizat în învățare, parcurge următoarele etape:

Analiza procesului (fenomenului, problemei) de învățat;

Descompunerea lui în operații elementare;

Stabilirea unei succesiuni optime a acestor operații;

Verificarea, pe cale experimentală sau mintală, a concordanței dintre gradul de dificultate al operațiilor și nivelul de pregătire al elevilor;

Definirea listei de operații și a etapelor de realizare;

Aplicarea algoritmului astfel stabilit la rezolvarea unui anumit tip de probleme;

Corectarea algoritmului după aplicări repetate.

Pot fi elaborate astfel diferite tipuri de algoritmi:

Algoritmi pentru descrierea obiectivelor;

Algoritmi de conținut (descrierea unei unități de conținut; exemplu: ”Substanțe simple – Nemetale – Oxigenul, Carbonul”);

Algoritmi de identificare, constând dintr-o listă de întrebări puse într-o manieră ordonată și ierarhizată care să conducă la o concluzie de clasificare, adică de recunoaștere a apartenenței unei probleme la o clasă determinată de probleme (de exemplu: definirea valenței, caracterizarea fenomenului de coroziune, enunțul legii periodicității, descrierea proprietăților fizice ale nemetalelor);

Algoritmi de rezolvare (exerciții, probleme);

Algoritmi motrici (de execuție a unei acțiuni, de exemplu mojararea substanțelor solide, adăugarea de reactiv cu pipeta în laborator);

Algoritmi de instruire sau didactici (algoritmi de predare sau învățare);

Algoritmi pentru descrierea evaluării;

Algoritmi pentru descrierea reglării prin feedback a proceselor de învățare și predare.

În predarea chimiei se întâlnesc diferiți algoritmi care se pot grupa în:

Algoritmi de rezolvare, prezenți sub forma unor scheme de rezolvare a unor probleme de chimie de diferite tipuri;

De exemplu: algoritmul utilizat în rezolvarea unor probleme de calcul stoechiometric (clasa a VIII-a) sau rezolvarea unor probleme de calcul a concentrațiilor procentuale (Soluții, clasa a VII-a);

Algoritmii utilizați la calcule chimice pe baza formulelor chimice: masă moleculară, raport atomic, raport de masă, compoziție procentuală, calculul numărului de moli;

Algoritmul pentru stabilirea formulelor chimice pe baza valenței;

Algoritmul pentru stabilirea coeficienților unei reacții chimice;

Algoritmul sub forma unui model sau a unei scheme de desfășurare a unui raționament logic.

De exemplu: identificarea unor caracteristici ale unui element chimic (valența, caracter electrochimic, proprietăți) pornind de la structura sa atomică, structura învelișului electronic.

Algoritm sub formă de instrucțiuni pentru efectuarea unor lucrări practice de laborator.

Algoritmi de recunoaștere sau identificare, menționați anterior la clasificarea tipurilor de algoritmi.

Analizând avantajele ce decurg din utilizarea acestei metode se pot menționa:

Evitarea pierderii de timp;

Evitarea căutărilor inutile și a erorilor;

Mărirea siguranței în rezolvarea unui anumit tip de probleme;

Esențializarea și structurarea conținutului instruirii;

Formarea unor deprinderi (intelectuale și practice) trainice;

Asigurarea unei bune organizări și sistematizări a activităților profesorilor și elevilor.

Dintre limitele metodei se pot enumera:

Nu toate situațiile se pretează la algoritmizare;

Poate conduce, la aplicarea excesivă a metodei, la uniformitate în gândire.

Analizând întrebarea: ” Există oare compatibilitate între algoritmizare și creativitate?”, putem răspunde că este important ca elevii să utilizeze anumiți algoritmi în învățarea noțiunilor chimice dar, și mai important, este ca ei să-și formeze deprinderi de a-i construi singuri, să învețe să analizeze problemele, să recurgă la procese cognitive superioare în rezolvarea lor și să completeze aceste aspecte cu efortul creator, cu imaginația, cu spontaneitatea și capacitatea de a se adapta în funcție de tipul problemelor abordate.

II.2.11. Metoda exercițiului

Pornind de la ideea că învățarea deprinderilor motorii (manuale), ca și a celor mintale (intelectuale) nu se face prin ”comunicare verbală” și că deprinderile nu pot fi formate prin indicații, elevul pentru a deprinde o acțiune trebuind să încerce, să facă, să repete până când intră în posesia modelului acțiunii respective, metoda exercițiului are ca scop efectuarea repetată, sistematică a unor operații și activități pentru formarea și dezvoltarea unor priceperi sau pentru consolidarea acestora. Judecând în această accepție, metoda exersării prin execuția unei acțiuni directe se încadrează în aria concepției learning by doing luată în înțelesul de a învăța făcând (a învăța prin a face) 29.

În contextul învățării chimiei, prin rezolvarea ”exercițiilor de gândire” elevii își pot forma priceperi și deprinderi cum ar fi deprinderi de a efectua calcule chimice, de a rezolva probleme chimice, de a demonstra relațiile fundamentale care descriu desfășurarea proceselor chimice. Ca metodă didactică fundamentală, funcția exercițiului nu se reduce numai la formarea deprinderilor, dar și la realizarea altor sarcini precum:

Adâncirea înțelegerii noțiunilor, regulilor, principiilor și teoriilor învățate, prin aplicarea lor la situații relativ noi și cât mai variate;

Consolidarea cunoștințelor și deprinderilor însușite;

Dezvoltarea operațiilor mintale și constituirea lor în structuri operaționale;

Sporirea capacității operatorii a cunoștințelor, priceperilor și deprinderilor, oferind noi posibilități de transfer, productiv și eficient al acestora;

Prevenirea uitării și evitarea tendințelor de apariție a confuziilor;

Dezvoltarea unor capacități și aptitudini intelectuale și fizice, a unor calități morale și trăsături de voință și de caracter, în cursul proceselor de învățare;

Învingerea rezistenței opuse de deprinderile și obișnuințele incorecte, dăunătoare, ineficiente și elaborarea altora noi, în raport cu complexitatea noilor sarcini de învățare.

După funcțiile îndeplinite, exercițiile se pot clasifica în: introductive, de observație, de asociație, de bază, de exprimare concretă (desen, lucrări manuale), de exprimare abstractă, repetitive, de operaționalizare, aplicative, de consolidare, de dezvoltare, paralele, operatorii, structurate, de creație (alcătuire de exerciții, probleme), de evaluare, corective. După aspectul social pot fi individuale, de echipă, colective, mixte. După gradul de determinare a activității există exerciții standardizate sau algoritmizate, semialgoritmice (semidirijate) și exerciții libere (autodirijate). După sarcina didactică pot fi de diferite grade de complexitate (dificile, ușoare).

În desfășurarea exercițiului se vor regăsi următoarele etape:

Profesorul va comunica elevilor scopul exercițiului și importanța acestuia în consolidarea cunoștințelor sau în formarea (dezvoltarea) unor deprinderi (capacități, atitudini);

Se explică elevilor în ce constă exercițiul, explicația fiind însoțită de demonstrație;

Elevii vor efectua exercițiul sub supravegherea profesorului, fiind făcute corecturile necesare;

Profesorul împreună cu elevii realizează evaluarea corectitudinii efectuării exercițiului, respectiv a gradului de formare a priceperilor, abilităților.

Pentru reușita exercițiilor, la alegerea acestora, pentru a avea o eficacitate cât mai ridicată, trebuie avute în vedere câteva cerințe psihopedagogice:

Înțelegerea clară a scopului pentru care se efectuează exercițiile;

Aplicarea diferențiată sau nuanțată în funcție de specificul vârstei elevilor; eficientă poate fi utilizarea unui sistem de fișe cu exerciții de grade diferite de dificultate, utilizate individual sau în microgrupuri omogene sau eterogene, în care elevii buni învață unii de la alții (învățarea prin învățare), iar cei mai slabi de la colegii lor;

Aplicarea gradată ca dificultate conform regulii ”de la ușor la greu”, ”de la simplu la complex”;

Să fie realizate corespunzător pe parcursul învățării;

Variația exercițiilor pentru a preveni monotonia, oboseala, respectiv menținerea unei atenții sporite;

Verificarea imediată, controlul și autocontrolul conștient pentru reglarea sau autoreglarea acțiunii și obținerea de performanțe superioare;

Creșterea treptată a gradului de independență a elevilor în executarea exercițiilor de la exerciții dirijate spre exerciții autodirijate, independente.

Exercițiile și problemele se folosesc frecvent în predarea chimiei cu scopul de a favoriza înțelegerea unor noțiuni și reținerea acestora, pentru a forma deprinderea elevilor de a raționa și de a opera cu calcule chimice și matematice. Prin atingerea unor scopuri ca: formarea capacității de a corela anumite noțiuni și anumiți factori, de a transfera cunoștințele, de a formula ipoteze, de a stabili concluzii, de a generaliza, de a cuprinde într-o formă concisă aspecte esențiale calitative și cantitative ale fenomenelor chimice, înțelegerea clară a relațiilor dintre structura și proprietățile substanțelor, dezvoltarea unui sistem de gândire chimic bazat pe raporturile dintre diferitele transformări chimice și legile care le guvernează, înțelegerea relațiilor dintre noțiunile fizice, chimice și matematice, exercițiile și problemele concretizează în mod eficient predarea-învățarea chimiei de către elevi.

II.2.12. Studiul de caz

Născută din necesitatea găsirii unor căi de apropiere a instruirii de modelul vieții reale, al activității practice sociale sau productive, metoda studiului de caz reprezintă o metodă activă de mare valoare euristică, dar și aplicativă, cu largi posibilități de utilizare în învățământ.

Metoda studiului de caz ,,mijlocește o confruntare directă cu o situație din viața reală, autentică”29, punând elevii în contact cu realitățile complexe, autentice, din domeniul chimiei și testându-le totodată gradul de operaționalitate a cunoștințelor însușite și a capacităților formate, în situații-limită.

Studiul de caz lărgește câmpul cunoașterii, căci un caz invocat poate servi ca suport al cunoașterii inductive, care trece de la premise particulare la dezvăluirea generalului dar și ca bază a unei cunoașteri deductive de trecere de la general la particular. Această metodă prezintă ca principal avantaj faptul că îi poate apropia pe elevi de problemele care țin de practică, de situații cu care vor fi confruntați în viață și în activitatea socio-profesională ulterioară, disciplina chimie având ca țintă îmbinarea teoriei cu practica și formarea de competențe care vor fi utile elevilor în viața de zi zu zi. Metoda studiului de caz facilitează aplicarea sau valorificarea în mod creativ a unei experiențe deja însușite la situații noi, la probleme noi care își vor găsi rezolvarea pe baza unui efort propriu de gândire și imaginație, îmbogățindu-se astfel experiența proprie.

Pentru ca o anumită situație să poată fi considerată și analizată precum un ,,caz”, ea trebuie să aibă anumite particularități:

să prezinte relevanță în raport cu obiectivele activității;

să fie autentică;

să fie motivantă, să suscite interes din partea elevilor;

să dețină valoare instructivă în raport cu competențele profesionale, științifice, etice.

Pentru o desfășurare logică, acest demers trebuie să urmărească anumiți pași:

Prezentarea clară, precisă și completă a cazului, în concordanță cu obiectivele propuse;

Clarificarea eventualelor neînțelegeri în legătură cu acel caz;

Studiul individual al cazului – elevii se documentează, identifică soluții de rezolvare a cazului, pe care le și notează;

Dezbaterea în grup a modurilor de soluționare a cazului – analiza diferitelor variante de soluționare a cazului; analiza critică a fiecăreia dintre acestea; ierarhizarea soluțiilor;

Luarea deciziei în legătură cu soluția cea mai potrivită și formularea concluziilor;

Evaluarea modului de soluționare a cazului și evaluarea elevilor.

Conform lui Cerghit29 există trei variante ale metodei care au mai mare aplicabilitate:

Metoda situației (Case-Study-Method) implică o prezentare completă a cazului, inclusiv a informațiilor necesare soluționării acestuia.

Studiul analitic al cazului (Incidence Method) presupune prezentarea completă a situației existente, fără a se reda sau redându-se doar parțial informațiile necesare soluționării.

Elevii nu beneficiază de o prezentare completă asupra situației și nici nu primesc informațiile necesare rezolvării cazului-problemă; li se propun doar sarcini concrete de rezolvat, urmând să se descurce prin eforturi proprii.

Analizând avantajele ce decurg din utilizarea acestei metode:

familiarizarea elevilor cu situații concrete de viață;

valorificarea cunoștințelor și capacităților elevilor în contexte reale, realizând astfel legătura teoriei cu practica;

dezvoltarea cooperării;

dezvoltarea gândirii și a operațiilor acesteia;

formarea și dezvoltarea competențelor cognitive și metacognitive;

dezvoltarea competențelor comunicaționale;

dezvoltarea capacității investigative;

dezvoltarea capacității de luare a deciziilor,

dar și limitele sale:

dificultăți legate de alegerea unor cazuri relevante;

dificultăți legate de accesul la sursele de informare necesare soluționării cazului;

experiența redusă a unora dintre elevi creează dificultăți în găsirea soluției optime, cu efecte nedorite în gradul de implicare motivațională în activitate;

consum mare de timp,

se poate concluziona că, per ansamblu, metoda studiului de caz are un pronunțat caracter activ, care solicită o intensă activitate personală sau de echipă, concretizată prin adunarea și valorificarea informațiilor, elaborarea deciziilor, evaluarea critică a alternativelor, exprimarea, sinceră a opiniilor elevilor, cultivarea spiritului de responsabilitate și de implicare în activitățile practice.

II.2.13. Metode de acțiune simulată sau fictivă (jocuri)

Metodele de simulare, care au la bază analogia sprijinită pe analiza riguroasă a faptelor, ne oferă posibilitatea de a a învăța nu numai din experiența directă, trăită, ci și din experiența simulată. Implicarea elevilor în situații și circumstanțe simulate poate lua forme diferite cum ar fi jocurile didactice, jocuri de simulare, jocul de rol, învățarea pe simulatoare sau chiar combinații între activitățile simulate cu cele nesimulate (studiul de caz, dezbaterea în grup).

Prin utilizarea jocurilor se determină un transfer de energie, de motivație funcțională dinspre jocul propriu-zis spre activitatea de învățare, se asociază un interes imediat și puternic, specific jocului, unor obiective sau sarcini de învățare existând posibilitatea ca acțiunea distractivă să se transforme într-un important factor de exersare, fără ca elevul să fi avut această intenție24.

Prin joc, activității didactice i se imprimă un caracter mai viu și mai atrăgător, creând în rândul elevilor bună dispoziție, veselie, bucurie, destindere combătând monotonia, plictiseala, oboseala, oferind o motivație stimulatorie pentru activitatea respectivă, situația de joc putând fi transformată într-o situație de învățare. Elevii vor fi capabili să aplice la situații noi, date și concepte însușite anterior, să-și lărgească orizontul de cunoștințe, să-și formeze deprinderi, toate acestea prin creativitate și imaginație, ajungând de fapt să cunoască mai bine lumea reală. Prin această metodă se valorifică avantajele dinamicii de grup, interdependențele și spritul de cooperare, de competiție pozitivă între elevi, participarea efectivă și totală la joc permițând și elevilor mai timizi sau mai slabi să se implice, obținându-se un grad de coeziune mai ridicat în colectivul de elevi. Se dezvoltă și spiritul critic, atitudinea de a face față unor situații conflictuale, inițiativa și spiritul de răspundere, câștigul unui joc, miza, fiind de fapt, reușita tuturor.

Metoda jocului de rol duce la creșterea gradului de adaptabilitate și la ameliorarea relațiilor dintre elevi fiind parcurse anumite etape:

stabilirea obiectivelor vizate, a temei/problemei pe care jocul de rol trebuie să le ilustreze;

pregătirea fișelor cu descrierile de rol;

stabilirea împreună cu elevii a condițiilor de desfășurare; câți vor juca roluri, câți vor fi observatori, dacă se interpretează în grupuri mici sau cu toată clasa;

stabilirea modului în care se va desfășura jocul de rol;

încălzirea (obișnuirea) grupului în vederea acceptării jocului de rol;

acordarea unui timp pentru analiza situației și pentru pregătirea elevilor;

interpretarea jocului de rol de către elevi;

evaluarea activității împreună cu ”actorii” și ”spectatorii”.

Există o multitudine de jocuri care pot fi clasificate în funcție de criterii diferite:

după conținutul și obiectivele urmărite pot fi: jocuri senzoriale, jocuri de observare a naturii, de dezvoltare a vorbirii, de asociere de idei și de raționament, jocuri matematice, jocuri de construcții tehnice, jocuri demonstrative, jocuri de creație, jocuri simbolice, jocuri de îndemânare etc.

după materialul folosit: jocuri cu materiale, jocuri fără materiale, jocuri orale, jocuri cu întrebări (”cine știe, câștigă), jocuri ghicitori, jocuri de cuvinte încrucișate etc.

care utilizează calculatorul: jocuri computerizate.

În cadrul orelor de chimie pot fi utilizate jocuri cu întrebări, rebusuri, aritmogrif, jocuri aplicative, jocuri de îndemânare, jocuri de asociere de idei, jocuri ghicitori, jocuri de spargere a gheții (icebreaking) și altele, în funcție de specificul fiecărei activități. De exemplu, pentru învățarea simbolurilor chimice se pot face jocuri cu cuvinte scrise corect dar din punct de vedere chimic: CONSTaNTiN, CrISTiNa, CAlCaN, fiecare cuvânt conținând de fapt simboluri chimice ale căror semnificații le vor cunoaște elevii.

Putem spune că jocurile de simulare constituie o metodă atractivă de explorare a realității, de aplicare a unor noțiuni și teorii abstracte, reprezentând modalități de activizare, modelând gândirea și imaginația, ascuțind spiritul de observație, dezvoltând ingeniozitatea și inventivitatea, cultivând spiritul de investigație atât de util în învățarea chimiei.

II.2.14. Metoda instruirii asistate de calculator

Instruirea asistată de calculator reprezintă o metodă care are la bază instruirea programată și care devine o prezență din ce în ce mai accentuată în activitatea didactică, ca urmare a exploziei informaționale susținută de o dezvoltare accelerată a mijloacelor tehnologice informaționale. Desigur pentru integrarea și aplicarea acestei metode în procesul didactic există condiții determinate de:

asigurarea resurselor hardware, calculatoare, eventual dispuse în rețea și conectate la internet, laboratoare AeL, gestiune și întreținere constantă a acestora, care necesită și competențe în utilizarea calculatorului;

asigurarea resurselor software, programe educaționale distribuite pe CD-uri, DVD-uri, softuri educaționale, abilități specifice de manipulare a informației, cunoașterea diferitelor limbaje (simbolice, iconice, limbaje de programare).

În ziua de astăzi, calculatorul reprezintă un instrument valoros care poate fi considerat un auxiliar al profesorului dar și un ”meditator” pentru elev. Și în lecțiile de chimie se poate folosi cu mare succes această resursă. Astfel în predarea lecțiilor, profesorul poate prezenta cu ajutorul calculatorului, fenomene chimice, ilustrarea animată a unor mecanisme de reacție, ilustrarea grafică spațială a unor concepte abstracte, calcule laborioase, trasare de grafice, iar cu ajutorul softurilor educaționale se pot parcurge lecții însoțite de suport vizual și auditiv atractiv și sugestiv. Ca alternativă pentru experimentul de laborator real, programele informatice pot fi utilizate pentru predarea-învățarea structurii substanțelor, mecanismelor de reacție nesesizabile cu ochiul liber, desfășurarea unor reacții cu substanțe care prezintă dificultăți în manipularea lor, sesizarea anumitor detalii care altfel nu ar putea fi descoperite de către elevi. Pentru profesor calculatorul este un suport care îl ajută să fie mai convingător, în timp ce elevilor le va fi mai ușor să înțeleagă unele probleme mai dificile care apar în studiul chimiei.

De asemenea, computerul poate fi de un real folos profesorului de chimie pentru conceperea testelor, fișelor de lucru, fișelor experimentale, modelelor, simulărilor, graficelor, proiectarea lecțiilor, stocarea informațiilor. În același timp, elevii pot utiliza programele informatice pentru redactarea de documente (referate), proiecte, efectuarea de calcule, realizarea unor modele, jocuri didactice, căutarea de informații, pot învăța și se pot autoevalua prin lecțiile în format AeL sau prin utilizarea diferitelor softuri educaționale specifice disciplinei chimie. Prin impactul pe care îl are atât în rândul profesorilor, cât și în cel al elevilor, respectiv în activitățile didactice desfășurate, învățarea asistată de calculator prezintă multe avantaje33:

personalizarea actului de învățare;

parcurgerea secvențelor de învățare-evaluare în ritmul propriu al utilizatorului;

motivarea utilizatorului spre o învățare temeinică într-un timp scurt;

eliminarea timpilor morți din procesul instructiv;

schimbarea relațiilor profesor-elev, elevul devenind partener al profesorului în actul propriei formări;

dar și anumite limite:

cost ridicat pentru echipamentele informatice și facilitățile necesare derulării instruirii asistate de calculator;

nu poate înlocui practicile experințelor și experimentelor de laborator și nici formația prin cercetare de laborator;

diminuarea relațiilor interumane și sociale care ar putea duce la efecte de înstrăinare, de dezumanizare a procesului de învățământ.

Judecând în ansamblu, se poate spune că metoda instruirii asistate de calculator deține un potențial semnificativ pentru instruire. Ea asigură o tratare interdisciplinară a conținuturilor date, prezintă noile cunoștințe într-o manieră interactivă, se bazează pe un feedback imediat prin modalitățile de interogare inteligentă, reprezintă o excelentă bază de demonstrații preluând sarcini de laborator, reproducând anumite experiențe sau completând anumite demonstrații de laborator, antrenează elevii în jocuri pedagogice care solicită inteligență, perspicacitate, atenție distributivă, creativitate. Din perspectiva individualizării învățării calculatorul facilitează o angajare activă a elevului în actul de învățare desfășurat într-un ritm propriu, respectiv o evaluare și autoevaluare permanentă, iar din perspectiva educației permanente metoda aduce contribuții notabile la pregătirea elevului pentru o viață trăită într-o societate a cunoșterii, a informației adică, pentru o învățare continuă pe tot parcursul vieții (”lifelong learning”).

II.3. Mijloace de instruire utilizate în studiul chimiei

Mijloacele de învățământ reprezintă o componentă structurală a procesului de învățământ, care contribuie la realizarea obiectivelor activității instructiv-educative, alături de celelalte componente ale procesului de învățământ, prin valorificarea potențialului lor pedagogic. Și în cadrul disciplinei chimie, mijloacele de învățământ constituie ansamblul de instrumente, materiale, dispozitive, aparate, ustensile care au un rol deosebit în a ușura transmiterea de cunoștințe, formarea de deprinderi, de competențe specifice, de a înregistra și a evalua rezultatele obținute de elevi. Mijloacele de învățământ reprezintă auxiliare pedagogice, ele trebuind corelate cu obiectivele și conținuturile instruirii, cu metodele și procedeele didactice, cu particularitățile de vârstă și individuale ale elevilor. Referitor la funcțiile pe care le pot îndeplini mijloacele de învățământ, acestea sunt multiple:

funcția cognitivă: mijloacele de învățământ sunt instrumente prin care se comunică date, informații asupra realității studiate, facilitând înțelegerea, însușirea și reținerea acestora, prin îmbinarea obiectelor reale cu cuvântul, a scrisului cu acțiunea, a cunoașterii senzoriale cu cunoașterea rațională;

funcția formativă: mijloacele de învățământ permit dezvoltarea gândirii și a operațiilor acesteia, a spiritului de observație, atenției, formarea atitudinilor și convingerilor științifice, tehnice, culturale, contribuind și la formarea noțiunilor și a capacității de corelare interdisciplinară, la stimularea motivației învățării, determinând participarea activă a elevilor în cadrul procesului instructiv-educativ;

funcția demonstrativă: prin mijloacele de învățământ li se înfățișează elevilor o multitudine de aspecte ale realității, care sunt greu accesibile cunoașterii directe, acest lucru contribuind la formarea corectă a reprezentărilor și dezvoltarea imaginației;

funcția ergonomică: se referă la contribuția mijloacelor de învățământ la raționalizarea eforturilor profesorilor (în predare) și elevilor (în învățare), în cadrul activităților didactice;

funcția de evaluare: se referă la posibilitatea pe care o oferă unele mijloace de învățământ de a obține informații despre rezultatele elevilor, nivelul performanțelor atinse;

funcția estetică: mijloacele de învățământ sunt astfel concepute și utilizate, încât să declanșeze trăiri afective, să cultive capacitatea de înțelegere și apreciere a frumosului, simțul echilibrului;

funcția de școlarizare substitutivă sau de realizare a învățământului la/de la distanță.

După destinație, mijloacele de învățământ pot fi:

mijloace de învățământ care cuprind mesajul didactic – materiale didactice;

mijloace de învățământ care facilitează transmiterea mesajelor didactice – mijloace tehnice.

În cadrul lecțiilor de chimie, materialele didactice care pot fi utilizate sunt variate:

Materiale informativ-demonstrative care au rolul de a constitui sursă de informații sau sprijină profesorul în exemplificări ale unor noțiuni chimice, demonstrarea anumitor afirmații:

materiale intuitive naturale: colecții de minerale, roci, substanțe, aparate (ampermetru, voltmetru, celule de electroliză), machete ale unor elemente din diverse instalații utilizate în industria chimică (schimbătoare de căldură, vase de amestecare cu diferite agitatoare, furnal, cuptor electric etc.);

obiecte elaborate sau construite special, utilizate pentru studierea structurii substanțelor, atomilor (modele de tip sfere-bețișoare, de schelet tip Dreiding, tip calotă – tip Stuart, bile și tije);

materiale sau reprezentări figurative și grafice: planșe (sistem periodic, seria de activitate a metalelor, substanțe compuse, tipuri de reacții chimice etc.), panouri, fotografii, tablouri, hărți, grafice, desene realizate pe tablă, foi de hârtie;

reprezentări simbolice-raționale: simboluri chimice, diferite tipuri de formule chimice (brute, moleculare, de conformație, de configurație), formule matematice, toate având rol în facilitarea trecerii de la concret la abstract;

Materiale acționale, funcționale pentru formarea și exersarea deprinderilor care pot fi utilizate pentru efectuarea experimentelor de laborator: truse de chimie cu substanțe chimice, reactivi, ustensile de laborator, sticlărie, aparatură specifică.

Materiale destinate raționalizării timpului în cadrul lecțiilor, de exemplu conturul unor instalații folosite în industria chimică (modele tridimensionale, modelul mut al furnalului).

Materiale de evaluare a rezultatelor învățării: fișe, teste, fișe experimentale, referate, proiecte, portofolii etc.

Mijloacele tehnice audio-vizuale reprezintă instrumente pedagogice de substituire a realității prin procedee moderne de redare a imaginilor și sunetelor în scopul realizării obiectivelor propuse (mijloace audio: discuri, emisiuni radio; mijloace video: diapozitive, diafilme, folii pentru retroproiector; mijloace audio-video: filme didactice, emisiuni școlare TV.). Cu ajutorul acestora se recreează realul, se organizează informațiile astfel încât devine posibilă intuirea unor structuri microscopice sau macroscopice, surprinderea esențialului; se pot prezenta fenomene ce se desfășoară prea lent sau prea rapid pentru perceperea normală. Fenomenele, procesele sunt prezentate în dinamica desfășurării lor astfel încât elevii pot sesiza și distinge transformările successive, etapele principale ale evoluției acestora.

Importanța mijloacelor audio-vizuale în activitatea didactică rezidă în faptul că asociază modalități diferite de receptare a informației care pot fi asociate cu acțiunile practice și mintale în scopul consolidării cunoștințelor, formării deprinderilor. S-a constatat că omul reține 30% din ceea ce vede, 20% din ceea ce ascultă și 65% din ceea ce vede și ascultă în același timp. Asociate aceste două modalități de receptare cu acțiunea conduc la creșterea volumului de informații până la 90%33.

Ca avantaje ale utilizării mijloacelor audio-vizuale: suplimentează explicațiile verbale, oferindu-le un suport intuitiv; îi familiarizează pe elevi cu o realitate greu accesibilă pe cale directă; provoacă și susțin motivații și interese cognitive; consolidează cunoștințe și abilități; eficientizează folosirea timpului de instruire, iar ca dezavantaje: predispun la o uniformizare a perceperii și interpretării realității; predispun la receptarea pasivă; produc, uneori, exagerări și denaturări ale fenomenelor.

Utilizarea mijloacelor didactice poate fi realizată în cadrul activității individuale, activității frontale sau activității pe grupe cu elevii, adoptarea uneia sau alteia dintre aceste modalități depinzând de obiectivele urmărite, strategiile folosite, dotările tehnico-materiale.

II.4. Experimentul de laborator în procesul de predare-învățare la chimie

II.4.1. Laboratorul de chimie în școlile gimnaziale

Chimia este o știință care se bazează pe experiment atât în ceea ce privește înțelegerea aspectelor teoretice cât și în ceea ce privește aplicațiile practice. De aceea se spune despre chimie că este o "știință experimentală" pentru studiul căreia experimentul de laborator joacă un dublu rol: de metodă de învățare și metodă de investigație științifică.

Laboratorul de chimie din gimnaziu dispune, în general, de mai multe încăperi, cu destinații diferite, formând un ansamblu, un sistem complex cu funcționare unitară.

Laboratorul de chimie este dotat cu:

rețea electrică, care servește atât iluminatului general, cât și diferitelor aparate;

instalație de ventilație naturală (ferestre, uși), cât și prin hote și nișe (unde este cazul), folosită la uscarea rapidă a vaselor de laborator, la calcinări etc;

instalație de încălzire;

Dispozitivele si aparatele pentru încălzire pot fi:

Becuri de gaze – utilizate fie pentru încălzirea directă în flacără, sub agitare continuă, a eprubetelor, paharelor, baloanelor din sticlă termorezistentă, fie pentru încălzirea pe sita cu azbest sau sita din sârmă, a vaselor din sticlă, a capsulelor, la distilare, dizolvare. Nu se vor încălzi direct pe flacără substanțele volatile și inflamabile. Cele mai uzuale sunt becurile de gaze Teclu si Bunsen;

Reșouri, plite electrice – utilizate pentru încălzirea directă a paharelor, baloanelor cu fund plat;

Fierbătoare de imersie – utilizate pentru încălzirea lichidelor;

Băile de încălzire – folosesc substanțe gazoase, lichide, solide ce nu sunt bune conducătoare de căldură;

Cuptoare electrice – în care se încălzesc, în general, creuzete, se fac uscări, calcinări, coaceri (etuve, utilizate pentru uscări, temperaturi până la 200º C sau cuptoare de calcinare, temperaturi mai ridicate, necesare operațiilor de calcinare și anume 400-1200º C);

instalație de gaze naturale;

instalație de apă (țevi de plumb, oțel zincat), chiuvete din fontă sau materiale antiacide (gresie, faianță), prevăzute cu robinete terminate prin tuburi alungite cu filet;

instalație de canalizare: servește la evacuarea apei murdare, de obicei se execută din țevi de fontă înconjurate cu tuburi de beton.

depozite pentru reactivi, ustensile de laborator, aparate.

Dintre vasele din sticlă din laboratorul de chimie al școlii, caracterizate prin rezistența față de diferiți agenți chimici, transparență, rezistența mecanică și termică, se pot enumera:

Eprubete – utilizate pentru efectuarea unor experiențe simple și care permit elevilor să-și formeze deprinderi practice, de regulă confecționate din sticlă termorezistentă, gradate sau negradate;

Pahare de laborator – utilizate pentru efectuarea reacțiilor care au loc la temperaturi nu prea ridicate, sau a unor operații precum: dizolvarea, evaporarea, fierberea, precipitarea, decantarea, filtrarea, titrarea volumetrică etc. Au capacități cuprinse între 25-3000 ml și sunt de mai multe tipuri, cele mai uzuale fiind paharele Berzellius, de formă cilindrică, paharele Erlenmeyer – conice, utilizate în special pentru titrări volumetrice, pahare conice gradate, pahare conice, de trompă, de titrare cu tub;

Baloane – au utilizări multiple, capacități și forme diferite în funcție de destinație, după cum urmează:

baloane cu fund plat și rotund – utilizate pentru fierberea soluțiilor, determinarea unor constante fizice; au capacități cuprinse între 50-500 ml;

baloane rotunde cu tub lateral Wurtz și baloane Engler – utilizate pentru distilări, respectiv determinarea vâscozității unor produse;

baloane cotate – utilizate pentru prepararea soluțiilor de concentrații date și pentru măsurarea cu exactitate a volumelor de lichide. Sunt baloane cu fundul plat și gâtul alungit, acesta din urmă fiind prevăzut cu un semn circular care delimitează capacitatea de umplere a balonului cotat. Aceasta variază între 25-300 ml. Capacitatea balonului este gravată pe aceasta ca și temperatura de etalonare. Sunt prevăzute cu dopuri rodate care permit agitarea conținutului;

baloane Kjeldal – utilizate pentru determinarea azotului din substanțe organice; au forma alungită;

Cilindri gradați – utilizați la măsurarea aproximativă a volumelor de lichide. Sunt confecționați din sticlă groasă și gradați în mililitri și fracțiuni de mililitru, având marcată la partea superioară capacitatea maximă de umplere care variază între 5-200 ml și temperatura de etalonare, de obicei 20ºC;

Pipete – utilizate pentru măsurarea volumelor de lichide, au capacități diferite, sunt calibrate pentru anumite temperaturi, se păstrează în stative de lemn sau metal speciale și sunt de diferite tipuri;

Biurete – utilizate pentru titrări volumetrice cu soluții de diverși reactivi sau pentru măsurarea cu exactitate a volumelor de lichide sau de gaze (biurete pentru gaze). Din punct de vedere constructiv, sunt tuburi cilindrice gradate care au la partea inferioară un dizpozitiv de încheiere și reglare a curgerii soluției. Acest dispozitiv poate fi un tub din cauciuc cu clemă sau un robinet din sticlă;

Sticluțe picurătoare – sunt de diferite tipuri și se utilizează pentru picurarea unor cantități mici de lichide, de exemplu, indicatori.

Flacoane pentru păstrarea substanțelor – au diferite forme, sunt închise cu dopuri, cele destinate păstrării substanțelor sensibile la lumină fiind colorate;

Pâlnii – sunt de mai multe tipuri, în funcție de utilizări și anume:

pâlnii de filtrare, utilizate la filtrarea precipitatelor;

pâlnii pentru transvasarea lichidelor;

pâlnii de separare, utilizate pentru separarea lichidelor nemiscibile cu densități diferite; sunt prevăzute cu dop șlefuit și robinet și au diferite capacități; pâlnia este susținută de un stativ de oțel cu ajutorul unui inel metalic;

pâlnii de picurare, utilizate pentru picurarea unor cantități de lichid în baloane de reacție;

Picnometre – vase de sticlă având capacitatea cuprinsă între 10 si 100 cm3, utilizate pentru măsurarea densității;

Fiole de cântărire – utilizate pentru cântărirea cu precizie a substanțelor lichide sau solide sub formă de pulberi;

Sticle de ceas – utilizate pentru cântărirea substanțelor solide, acoperirea paharelor, a cristalizoarelor, în analiza preliminară a substanțelor;

Cristalizoare – utilizate pentru concentrarea rapidă a soluțiilor, pentru recristalizare;

Refrigerente – utilizate pentru răcirea vaporilor și a gazelor, pentru condensarea vaporilor;

Exicatoare – utilizate pentru uscarea lentă și conservarea substanțelor care necesită un mediu uscat;

Mojare – utilizate pentru mărunțirea materialelor solide, mărunțirea realizându-se cu ajutorul pistilului;

Piseta – utilizată pentru păstrarea apei distilate, necesară în operații de spălare a precipitatelor, lucrările de analiză chimică, pentru aducerea la semn în vasele de măsură;

Aparatul Kipp – utilizat pentru prepararea diferitelor gaze precum: hidrogenul sulfurat, dioxidul de carbon etc.

Baghete din sticlă cu manșon de cauciuc – utilizate în general pentru omogenizarea substanțelor lichide.

Dintre vasele de laborator din porțelan regăsim : pâlnii Buchner – utilizate pentru filtrarea la vid, creuzete – utilizate pentru uscarea sau calcinarea precipitatelor, pentru dezagregarea probelor, capsule – utilizate pentru concentrarea soluțiilor prin evaporare, recristalizare, mojare, cristalizatoare.

Pentru montarea aparatelor sunt necesare în laborator o serie de elemente de susținere și de legătură precum: stative, cleme, mufe, inele clești, trepiede, site cu azbest, triunghiuri cu porțelan, spatule, linguri de ars, pere din cauciuc etc. Aceste ustensile se confecționează din materiale metalice, din plastic, din lemn, porțelan, cauciuc etc.

Mobilierul de laborator este alcătuit din mese de laborator, scaune, dulapuri, nișă.

Masa de laborator servește la așezarea materialelor și aparatelor pe ea, este acoperită cu faianță, gresie sau material plastic; se pot utiliza etajere pe care se așează sticlăria de laborator și substanțele de lucru. Fiecare masă trebuie prevăzută cu instalația de apă, gaze, curent electric, aer comprimat, vid. Dulapurile sunt necesare în laborator pentru depozitarea  ustensilelor de laborator și aparatelor.

Nișa are forma unui dulap cu trei pereți de sticlă, unul dintre aceștia trebuie să fie mobil, pentru a permite introducerea și scoaterea substanțelor și aparatelor. Nișa trebuie racordată la sistemul de aerisire al laboratorului.

Multe experiențe pot deveni periculoase dacă experimentatorul nu cunoaște natura reactivilor utilizați, caracteristicile acestora și ale aparaturii sau nu este atent la manipularea, respectiv manevrarea lor. În vederea protecției și prevenirii accidentelor din laborator este necesar respectarea unor reguli numite norme. Orice accident care survine în laborator trebuie imediat adus la cunoștința cadrului didactic de către elevi, apreciindu-se gravitatea acestuia și stabilindu-se măsurile de prim ajutor, o intervenție imediată putând preveni o agravare a situației.

II.4.2. Obiectivele lucrărilor experimentale la chimie

Obiectivele generale urmărite prin activități de tipul lucrărilor de laborator pot fi variate în funcție de tipul competențelor urmărite:

verificarea legilor, relațiilor, metodelor de obținere, reactivității unor substanțe sau redescoperirea acestora;

planificarea și realizarea unor activități de explorare-investigare prin folosirea de ustensile, reactivi și operații proprii chimiei;

determinarea valorilor și mărimilor, interpretarea calitativă și cantitativă a datelor obținute experimental;

fixarea și consolidarea unor cunoștințe însușite anterior de către elevi, însușirea unor cunoștințe noi pe baza propriilor observații; 

formarea priceperilor și deprinderilor de mânuire a unor instrumente, aparate și materiale specifice laboratorului de chimie;

dezvoltarea capacității de comunicare utilă lucrului individual și în echipă, cu accent pe folosirea limbajului specific chimiei;

formarea abilităților de aplicare a cunoștințelor acumulate în viața cotidiană, precum și a interesului pentru cunoaștere.

II.4.3. Criterii de clasificare a experimentelor de laborator

Clasificarea experimentelor de laborator este determinată de varietatea de sarcini care pot fi executate îm laborator și ar putea fi grupate după mai multe criterii.

În funcție de criteriul locului în ierarhia învățării, experimentele de laborator pot fi:

reproductive (demonstrația se reproduce după un program dinainte stabilit indicându-se atât ceea ce trebuie să se observe, cât și concluzia la care se ajunge); marea majoritate a experiențelor care se efectuează în școală au o funcție reproductivă și pot fi integrate în orice moment în lecție.

productiv-creative și de cercetare (au loc în context problematizat, în care se folosesc capacități operaționale de nivel superior); pentru realizarea acestor tipuri de experimente se impune parcurgerea a trei etape distincte, obligatorii:

– etapa pregătitoare (constă în introducerea elevului în problemele experimentului, stabilirea motivației teoretice, a condițiilor materiale, formularea unor ipoteze, stabilirea ordinii operațiilor de efectuat);

– etapa de efectuare (constă în realizarea experimentului, observarea directă a fenomenului și interpretarea acestor observații);

– etapa de evaluare (constă în formularea concluziilor pe baza interpretării observațiilor și a le confrunta cu ipotezele).

În funcție de criteriul participativ al elevilor, experimentele de laborator pot fi:

experiment demonstrativ efectuat de profesor sau de o grupă de elevi;

experiment frontal realizat de toți elevii în același timp, individual sau pe grupe.

În funcție de criteriul capacității umane, de competențele urmărite putem vorbi despre:

experimentele pentru deprinderi motorii;

În gimnaziu, la chimie, în cadrul lecțiilor de laborator, elevii sunt puși în situația de a lucra cu aparatura de uz general, confecționată din ustensilele din sticlă (eprubete, pahare Berzelius, pahare Erlenmeyer, pâlnii etc.) și cu uneltele de laborator (clește pentru eprubete, spatule, linguri de ars etc.), să manipuleze sursele de încălzire, dezvoltându-se astfel deprinderi motorii;

  experimente pentru deprinderi intelectuale.

Este evident că nu poate exista experiment de laborator care să fie destinat în exclusivitate însușirii deprinderilor motorii, astfel prin îmbinarea celor două activități se formează concomitent și deprinderile intelectuale, fiecare activitate experimentală fiind concepută sub forma unei anumite strategii de învățare:

Experimente pentru învățarea de noțiuni și concepte;

Experimente pentru stabilirea și verificarea unor reguli;

Experimente pentru rezolvarea unor probleme.

În funcție de criteriul locului în lecția de chimie, experimentele pot fi:

experimente pentru stimularea interesului față de noile informații (se efectuează în momentul introductiv al lecției);

experimente pentru învățarea noilor informații, aprofundarea sau extinderea lor (în lecția propriu-zisă);

 experimente pentru fixarea cunoștințelor (se introduc pe parcursul lecției în momentele de feed-back sau în lecții de recapitulare);

 experimente pentru evaluare (pot fi utilizate la începutul învățării, pe parcursul ei sau la sfârșitul procesului de învățare)24.

II.4.4. Metodica organizării lucrărilor experimentale

Lucrările experimentale sunt cele mai importante lecții de chimie, din perspectiva valorii lor instructive-educative, neputând fi suplinită de nici o altă activitate în procesul cunoașterii. În cadrul lecțiilor de laborator sarcinile didactice sunt specifice, ca de altfel și locul particular (laboratorul de chimie), în care se desfășoară activitatea propusă.

Pentru a se atinge scopul activităților de învățare este necesar ca lucrările de laborator să fie bine organizate. Lucrările experimentale sunt alese astfel încât să se raporteze la problemele esențiale din programa analitică de chimie, ținând cont de legătura dintre cunoștințele predate și experiențele ce se vor efectua. Experiențele alese vor fi simple și sugestive, pentru a concretiza rapid cunoștințele teoretice ce urmează a fi fixate. Timpul pentru efectuarea lucrărilor trebuie just dozat, astfel încât să nu existe timpi morți, dar nici să nu fie necesar un ritm rapid de execuție, care ar avea drept consecință neînțelegerea fenomenelor reproduse. Pentru a evita aceste posibile inconveniente, profesorul anunță tematica lucrărilor, normează timpul necesar pentru executarea fiecărei experiențe în parte.

Lecția de laborator se poate desfășura fie frontal, toți elevii executând în același timp (pe grupe sau individual) același experiment, fie pe grupe care execută în același timp experimente diferite.

Organizarea experimentelor după metoda frontală prezintă pentru profesor o serie de avantaje și anume:

stimulează elevii în efectuarea corectă a experimentului, toți urmărind aceleași rezultate;

ușurează conducerea lecției, controlul elevilor, discutarea rezultatelor obținute și formularea concluziilor.

Lucrările de laborator vor fi organizate, pe cât posibil, pentru a se executa individual. În cazul în care spațiul și dotarea laboratorului nu permit aceasta, unele lucrări se pot face pe grupe de 2-3 elevi, stabilind, în acest caz, în grupe, ordinea de experimentare, pentru a oferi posibilități egale de lucru tuturor elevilor. Uneori, pentru a putea ilustra toate proprietățile de bază ale unei substanțe sau ale unui grup de substanțe, se poate recurge și la experimente cu caracter demonstrativ, care vor fi executate de către unii elevi.

Structura unei lecții de laborator cuprinde următoarele etape principale:

o parte introductivă, care cuprinde anunțarea temei și organizarea activității;

La inceputul lecției se anunță elevilor tema, se arată scopul ei și se comunică planul lucrărilor ce se vor executa. Pregătirea elevilor pentru lecția de laborator se realizează prin:

repartizarea elevilor la locul unde urmează să execute lucrarea;

distribuirea unor materiale care nu se găsesc pe mesele de lucru;

 instruirea elevilor cu privire la tehnica de lucru; aceasta se face diferențiat, în funcție de clasa cu care se lucrează, de nivelul de pregătire al elevilor, de gradul de dificultate al experimentelor propuse;

Profesorul va da anumite instrucțiuni asupra modului cum se vor face observațiile si cum se vor nota rezultatele, utilizând fișa de activitate experimentală. Pentru buna desfășurare a lucrărilor, profesorul reamintește regulile de bază în ceea ce privește conduita elevilor în laborator și, în mod special, face observații referitoare la respectarea normelor de lucru pentru prevenirea accidentelor.

o parte fundamentală – desfășurarea lucrărilor propriu-zise;

Desfășurarea lucrărilor practice se face pe baza planului stabilit. În această parte a lecției, profesorul trebuie să verifice dacă elevii au înțeles cu adevărat problemele care se pun și tehnica de lucru, pe baza răspunsurilor primite de la elevi și a felului în care ei lucrează. Profesorul va observa modul de lucru al fiecărui elev și îi va obișnui cu observarea corectă a experiențelor. Deoarece elevii au tendința ca în descrierea reacțiilor pe care le efectuează să treacă direct la concluzii, fără menționarea fenomenelor care se petrec intermediar (de exemplu, schimbarea culorii înainte de topirea unei substanțe, apariția bulelor de gaz pe suprafața metalelor înainte de degajarea propriu-zisă a gazului, în reacția acestora cu acizii, apariția de precipitat etc.), aceștia vor fi îndrumați să facă distincție între observații și interpretarea lor. Înlocuirea observațiilor prin concluzii contravine unui experiment de calitate. De aceea, profesorul conduce observația și orientează discuțiile, pentru formularea concluziilor juste ce se desprind din lucrări. În cazul în care un experiment nu reușește, acesta va fi reluat în cadrul aceleiași lecții sau, cel mai târziu, în lecția următoare, lămurindu-se exact cauzele nereușitei. În felul acesta se evită neîncrederea elevilor cu privire la caracterul obiectiv al fenomenului urmărit, sau la priceperea profesorului.

După executarea fiecărui experiment, elevii își notează în caiete (fișe) cele observate, inclusiv ecuațiile reacțiilor chimice care au avut loc. Pentru a se asigura caracteristicile acestora, un elev le va scrie pe tablă. Cu ajutorul planului de pe tablă, care se completează treptat, pe măsură ce se execută experimentele, cât și în baza datelor notate de elevi, se întocmește referatul lucrării respective. Referatele au mare valoare formativă, deprinzând elevii cu o muncă ordonată și sistemică. Acestea trebuie să cuprindă descrierea experimentului, observațiile elevilor, ecuațiile reacțiilor chimice

și concluziile și, dacă este cazul, schemele instalațiilor folosite. În funcție de lucrarea executată, referatul mai poate să conțină răspunsurile la unele întrebări, puse în partea introductivă a lucrării, precum și domeniile de aplicare a experimentului.

discuții de incheiere – stabilirea unor concluzii;

 Discuția de încheiere urmărește să scoată în evidență importanța teoretică și practică a lucrărilor de laborator și trage concluziile asupra modului cum s-au desfășurat ele. Tot aici, profesorul verifică schița referatelor elevilor (fișelor experimentale), face observații pe marginea acestora, notează unii elevi, în funcție de modul în care au lucrat și de rezultatele obținute. Ultimele minute ale unei lecții de laborator sunt rezervate pentru strângerea materialelor și punerea în ordine a locului de muncă.

d)  tema pentru acasă.

Tema pentru acasă reprezintă întocmirea referatului (fișa experimentală), care cuprinde concluziile experimentelor efectuate.

II.5. Experimentul virtual – punte între modelul teoretic și experimentul real (de laborator)

Utilizarea experimentului de laborator contribuie la îmbunătățirea calității procesului instructiv-educativ, având un caracter activ-participativ și o reală valoare activ-formativă asupra personalității elevului. În organizarea unui învățământ centrat pe elev, profesorul devine un coparticipant alături de elev la activitățile desfășurate. Folosirea experimentului de laborator îi ajută pe profesori să-i îndrume pe elevi în procesul de învățare, deoarece creează contextul favorabil pentru: motivarea și implicarea activă a elevilor în învățare; facilitarea gândirii elevilor, în special a celei critice și a celei creative; procesarea informației de către elevi prin exersarea operațiilor gândirii atât de către elevi, cât și de către profesor; proiectarea unor activități care să ajute la realizarea acestor scopuri; abordarea interdisciplinară a conținutului; oferirea unui material de discuție; angajarea elevilor într-un discurs permanent ceea ce permite monitorizarea înțelegerii; stimularea schimbării și a reflecției personale; încurajarea exprimării libere și în siguranță a tuturor opiniilor; confruntarea de idei și opinii în condiții de respect; sprijinirea elevilor în producerea opiniilor, a întrebărilor și în căutarea răspunsurilor proprii; organizarea predării; stabilirea unor scopuri pentru învățare și satisfacerea anumitor nevoi individuale.

Pregătirea tinerilor pentru o societate a cunoașterii impune utilizarea unor tehnologii didactice adecvate capabile să asigure:

integrarea informației într-o manieră interactivă – multimedia (foto, sunet, film);

conservarea informației prezentate ad-hoc – text și audio precum și transpunerea ei pe suport electronic (note de curs integrate în programe de prezentare realizate în Power Point, utilizarea programului AeL);

vizualizarea on-line, la nivelul unei săli de curs, a informației disponibile pe Internet (laboratoare virtuale, biblioteci, simulări, proiecte de cercetare, instituții de specialitate, muzee).

Experimentul virtual reprezintă o resursă alternativă sau complementară în studiul fenomenelor și proceselor existente în natură. Fiind utilizat pe scară din ce în ce mai mare în învățământul preuniversitar românesc, experimentul virtual este recomandat a fi utilizat atunci când :

– realizarea experimentului virtual urmează realizării efective a experimentului (real) și permite elevilor controlul asupra unui număr mai mare de factori care influențează fenomenul studiat;

– resursele existente nu permit realizarea efectivă a unor experimente necesare înțelegerii fenomenelor studiate;

– prin experimentul virtual este facilitată înțelegerea fenomenului studiat de către elevii care au deficiențe motorii și nu pot realiza cu alt sprijin experimentul efectiv;

– realizarea efectivă a experimentului (real) pune în pericol sănătatea elevilor.

Experimentele virtuale utilizate în scop didactic trebuie să fie caracterizate de ușurință în utilizare (nivel începător) și limbaj specific disciplinei chimie.

Demersul didactic însoțit de (cel puțin) un experiment virtual trebuie să propună un proiect de lecție foarte bine structurat și realizat, astfel încât să capteze și să mențină interesul elevilor în permanență. Tocmai din acest motiv, componentele interactive ale unei astfel de lecții devin extrem de importante. În acest sens, interactivitatea poate fi realizată în mai multe moduri, în strânsă legătură cu obiectivul educațional, obiectul de învățare cuprinzând:

– animație (realizată în cadrul unui fișier) – utilizarea animațiilor poate oferi prezentări atractive care să capteze atenția elevilor și să inducă găsirea soluției unei probleme.

– simulare – asigură un grad de interactivitate ridicat dar poate avea costuri importante. Totuși, simulările sunt recomandate chiar dacă, în unele cazuri, simplifică condițiile experimentului real. În acest din urmă caz, obiectivele principale ale lecției devin: ghidarea utilizării și executării experimentului virtual, furnizarea de instrucțiuni on-line, asigurarea de informații legate de subiectele discutate și participarea elevului.

În general, abordarea utilizării experimentului virtual în clasă are o rată mai mare de succes în îmbunătățirea eficienției lecției, deoarece pune accent pe activitățile practice conduse de un cuplu de profesori inedit: cel care se găsește la catedră și cel virtual! De fapt, o lecție care folosește avantajele tehnologiilor Internet și multimedia se comportă sub forma unui profesor virtual, oferind un nivel ridicat de asistență prin:

– prelegeri cu suport multimedia;

– activități practice asistate de calculator;

– instrumente pentru evaluare;

– instrumente pentru învățare prin cooperare.

II.5.1. Instruirea programată

B.F.Skinner și Norman Crowder, teoreticieni americani, sunt considerați pionierii tehnicilor moderne de instruire cu ajutorul calculatorului, care au emis primele idei despre instruirea programată. Metoda instruirii programate constituie o metodă de tip algoritmic, care cuprinde un ansamblu de principii și mijloace pedagogice promovate de dezvoltarea ciberneticii, a logicii matematice. Principiile ce stau la baza instruirii programate sunt:

Principiul participării active și independente a elevului – elevul va trebui să lucreze cu fiecare unitate de informație, fiind pus de fiecare dată în fața unui exercițiu;

Principiul pașilor mici – materia se descompune în unități mici pentru a face posibilă oferirea unui număr cât mai mare de întăriri sub forma confirmării răspunsului corect;

Principiul progresului gradat – dificultățile sunt redate într-o succesiune care să-i permită elevului să meargă de la simplu la complex, de la ușor la dificil;

Principiul întăririi imediate a răspunsului – după fiecare operație elevul va trebui să cunoască rezultatul, să aibă un sentiment de satisfacție prin posibilitatea comparării răspunsului său cu cel corect;

Principiul ritmului individual de studiu – elevul va lucra în ritmul său, fără limitări în privința timpului ;

Principiul răspunsurilor corecte – informațiile și sarcina de lucru trebuie astfel elaborate și gradate încât să asigure reușita și să evite eșecul.

În practica școlară se întâlnesc două tipuri de programări pedagogice:

Programare liniară (tip Skinner) – elevul este condus la însușirea cunoștințelor printr-o succesiune de pași mici, astfel organizați încât să reducă la minimum greșelile posibile, elevul fiind pus mereu în situația de a construi un răspuns correct;

Programarea ramificată (tip Crowder) – în acest caz o dată cu informația și tema respectivă se prezintă mai multe răspunsuri, din care elevul îl alege pe cel care îl consideră corect.

Punerea în valoare a potențialului formativ al instruirii programate depinde, în principal, nu de activitatea individuală a elevilor, ci de conținutul și orientarea ei, de structura sarcinilor prin care sunt solicitați elevii și, mai ales, de modul de dirijare a activității lor practice și mentale, în vederea stimulării și dezvoltării unor capacități intelectuale de activitate independentă la elev24.

II.5.2. Instruirea asistată de calculator

Experimentul virtual, asistat de calculator, realizează trecerea de la învățarea indusă sau receptată, la învățarea interactivă, bazată pe dialogul inteligent cu calculatorul, care poate amplifica capacitatea de prelucrare și asimilare a informațiilor, poate spori performanțele intelectuale ale elevilor.

Intervenind cu discernământ în contextul lecțiilor clasice, învățământul programat respectiv experimental virtual contribuie la organizarea mai rațională a muncii școlare, influențând atât activitatea elevului, cât și cea a profesorului. Elevul este determinat să gândească și să lucreze efectiv întreaga oră, să se concentreze, să ia o anumită atitudine, să aplice cunoștințele acumulate la condiții noi, să revină asupra aspectelor neînțelese, în scopul însușirii temeinice a cunoștintelor.

Activitatea profesorului capătă un conținut nou: munca de programare impune organizarea muncii individuale a elevilor, tratarea lor diferențiată, analiza mai temeinică a lecțiilor obișnuite, cunoașterea celor mai dificile momente ale acestora și o bună pregătire în domeniul ciberneticii.

Prin introducerea experimentului computerizat, accesul elevilor la substanțele chimice este mult lărgit, ei putând simula pe calculator procese chimice, urmări modul de desfășurare al reacțiilor chimice, indiferent de gradul lor de periculozitate. În etapa actuală se pune un accent deosebit pe joc, pe antrenarea capacităților individuale ale tuturor elevilor pentru stimularea, atât a însușirii noilor cunoștințe cât și a obținerii unui minim progres din partea elevilor cu capacități normale de lucru dar și a celor cu cerințe speciale. Calculatorul, ca instrument didactic, este utilizat atât de profesor cât și de elevi:

tehnoredactarea computerizată a documentelor școlare, rezultate ale proiectării didactice la nivel micro: planificări, proiecte de unități de învățare, proiecte de lecție, cît și a unor documente de evidență școlară cum ar fi cele legate de prezența la anumite activități didactice sau notarea evoluției elevilor la activitățile de verificare și evaluare a cunoștințelor;

mijloc de predare în cadrul lecțiilor de comunicare de noi cunoștințe, de recapitulare sau a prelegerilor în care calculatorul poate reprezenta suport al unor sinteze, imagini, figuri ce pot fi proiectate în scopul transmiterii de cunoștințe; elevii au posibilitatea să vizioneze o expunere concretă și clară a legilor, principiilor chimice, pot să urmărească pe ecran imaginea unor fenomene sau procese simulate pe calculator;

realizarea unor calcule numerice, mai mult sau mai puțin complicate, în scopul formării deprinderilor de calcul sau al eliberării de etapa calculatorie în rezolvarea unor probleme, prelucrarea unor date;

realizarea unor bănci de date, adică stocarea de informații din domeniul chimiei într-o modalitate care să permită ulterior regăsirea informațiilor după anumite criterii;

realizarea unor bloguri, prezentări PowerPoint;

învățarea unui limbaj de programare ;

realizarea unor activități de laborator asistate de calculator;

utilizarea softurilor educaționale specifice chimiei sau a sistemelor expert educaționale cu componenta de ”courseware”, destinată elaborării de lecții prin asistența calculatorului.

Meritul deosebit al instruirii asistate de calculator constă în faptul că presupune participarea activă a elevilor în procesul de predare-învățare și că permite dezvoltarea intelectuală a acestora, adecvată ritmului lor de lucru.

Analizând aspectele legate de importanța experimentului de laborator real și cel virtual se poate spune că acestea sunt deosebit de utile în procesul învățării chimiei, aceste metode nu se exclud, ci se completează reciproc (tabel 2.1 și tabel 2.2).

Tabel 2.1 Avantaje și dezavantaje ale experimentului de laborator (real)

Tabel 2.2 Avantaje și dezavantaje ale experimentului de laborator virtual

II.6. Experimentul de laborator în studiul proprietăților fizice și chimice ale oxigenului și carbonului

II.6.1. Activități experimentale specifice studiului proprietăților fizice și chimice ale oxigenului

Proiect didactic (I)

DATA:

CLASA: a VIII –a

PROFESOR: Ichim Constantin

ARIA CURICULARĂ: Matematică și științe ale naturii

DISCIPLINA: Chimie

TEMA: Oxigenul. Structură. Proprietăți fizice.

TIPUL LECȚIEI: lecție de comunicare de noi cunoștințe

Competențe specifice:

C1 Formularea de concluzii și de generalități pentru punerea în evidență a proprietăților fizice și chimice ale substanțelor simple

C2 Utilizarea aparaturii și a echipamentelor de laborator, a tehnologiilor informatice pentru studiul diferitelor substanțe

Obiective operaționale:

La sfârșitul lecției fiecare elev va fi capabil:

O1 Să modeleze structura atomului de oxigen;

O2 Să calculeze masa molară și molul acestei substanțe;

O3 Să dea exemple de compuși în structura cărora se găsește oxigen, bazându-se pe cunoștințele din clasa a VII-a despre compuși binari și ternari;

O4 Să enumere proprietățile fizice ale oxigenului;

O5 Să efectueze experimente virtuale în programul Ael.

Strategii didactice

a) metode și procedee: conversația, expunerea, algoritmizarea, modelarea, experimentul de laborator virtual;

b) mijloace de învățământ: manualul, fișe de lucru, sistem periodic al elementelor, calculator, proiector, rețea AeL;

c) modul de organizarea a instruirii: individual, frontal;.

Tipuri, forme, strategii și instrumente de evaluare/autoevaluare:

orală și scrisă, individuală, autoevaluarea

Bibliografie:

Sanda Fătu,”Didactica chimiei” – Editura Corint, București, 2007;

Sanda Fătu, Felicia Stroe, Constantin Stroe, „Chimie” – manual pentru clasa a VIII-a, Editura Corint, 2008;

Valerica Ignătescu, Olga-Olimpia Ignătescu, Petronela Bobric – ”Chimie” – caiet pentru clasa a VIII-a, Editura AXA Botoșani, 2010;

e-chimie.upb.ro ;

e-scoala.edu.ro

www.didactic.ro.

www.advancedelearning.com.

Desfășurarea lecției

Anexa 1 Numele și prenumele

Data

Fișa de evaluare/ autoevaluare

Completați spațiile punctate:

Oxigenul este un ……………., se află situat în grupa ……… perioada ……….., este cel mai răspândit element de pe planetă, găsindu-se atât în stare ………. sub formă de ………(O2) în aer (21%), fie sub formă de …………(O3) în straturile superioare ale atmosferei, cât și sub formă de ………………….anorganice sau …………. Oxigenul este un ……….incolor, …………. și ………………, are densitatea mai ………decât a aerului. Este parțial …………..în apă.

Configurația electronică a oxigenului este:

a) K: 2e b) K: 2e L: 6e c) K: 2e L: 6e M: 8e

Alegeți răspunsurile corecte:

Oxigenul este un metal / nemetal. El este un lichid / gaz, este foarte solubil / parțial solubil în apă și intreține / nu întreține arderea.

Citește afirmațiile de mai jos și încercuiește litera corespunzătoare:

A – adevărat, F – fals

Oxigenul este constant divalent. A/F

Oxigenul are molecula triatomică. A/F

Oxigenul are miros înțepător. A/F

Oxigenul este insolubil în apă. A/F

Densitatea oxigenului este mai mare decât a aerului. A/F

Barem: 1- 30p ; 2-10p; 3-25p; 4-25p; Se acordă 10p din oficiu

Proiect didactic (II)

DATA:

CLASA: a VIII –a

PROFESOR: Ichim Constantin

ARIA CURICULARĂ: Matematică și științe ale naturii

DISCIPLINA: Chimie

TEMA: Oxigenul. Proprietăți chimice.Utilizări practice.

TIPUL LECȚIEI: lecție de comunicare de noi cunoștințe

Competențe specifice:

C1 Analizarea, interpretarea observațiilor/datelor obținute prin activitate investigativă

C2 Formularea de concluzii și de generalități pentru punerea în evidență a proprietăților fizice și chimice ale substanțelor simple

C3Utilizarea aparaturii și a echipamentelor de laborator, a tehnologiilor informatice pentru studiul diferitelor substanțe

C4 Aprecierea avantajelor și dezavantajelor utilizării unor substanțe chimice.

Obiective operaționale:

O1 Să utilizeze aparatura și ustensilele de laborator pentru investigarea proprietăților chimice ale oxigenului;

O2 Să completeze fișele de observație experimentală prin care să evidențieze proprietățile chimice ale oxigenului;

O3 Să modeleze ecuațiile chimice prin care se ilustrează proprietățile chimice ale oxigenului;

O4 Să coreleze proprietățile fizice și chimice cu utilizările oxigenului.

Strategii didactice

a) metode și procedee: conversația, demonstrația, algoritmizarea, experimentul de laborator, referatul;

b) mijloace de învățământ: manualul, fișe de lucru, sistem periodic al elementelor,

ustensile de laborator, substanțe chimice;

c) modul de organizarea a instruirii: frontal, în grupuri mici.

Tipuri, forme, strategii și instrumente de evaluare:

Observarea sistematică a elevilor, verificarea aptitudinilor motorii și a deprinderilor practice, fișe de observații experimentale, referatul

Bibliografie:

Sanda Fătu,”Didactica chimiei” – Editura Corint, București, 2007;

Sanda Fătu, Felicia Stroe, Constantin Stroe, „Chimie” – manual pentru clasa a VIII-a, Editura Corint, 2008;

Valerica Ignătescu, Olga-Olimpia Ignătescu, Petronela Bobric – ”Chimie” – caiet pentru clasa a VIII-a, Editura AXA Botoșani, 2010;

e-chimie.upb.ro ;

e-scoala.edu.ro

www.didactic.ro.

Desfășurarea lecției

Anexa 1 Fișa experimentală pentru studiul

proprietăților chimice ale oxigenului

II.6.2. Activități experimentale specifice studiului proprietăților fizice și chimice ale carbonului

Proiect didactic (I)

DATA:

CLASA: a VIII –a

PROFESOR: Ichim Constantin

ARIA CURICULARĂ: Matematică și științe ale naturii

DISCIPLINA: Chimie

TEMA: Carbonul. Structură. Proprietăți fizice.

TIPUL LECȚIEI: Lecție de verificare și sistematizare a cunoștințelor

Competențe specifice:

C1 Formularea de concluzii și de generalități pentru punerea în evidență a proprietăților fizice și chimice ale substanțelor simple

C2 Utilizarea aparaturii și a echipamentelor de laborator, a tehnologiilor informatice pentru studiul diferitelor substanțe

Obiective operaționale:

O1 Să modeleze structura atomică a carbonului;

O2 Să dea exemple de compuși în structura cărora se găsește carbon, bazându-se pe cunoștințele din clasa a VII-a despre compuși binari și ternari;

O3 Să analizeze diferențele structurale ale formelor alotropice ale carbonului utilizând platforma AeL;

O4 Să compare proprietățile fizice ale diamantului, grafitului, fulerenelor și cărbunilor de pământ.

Strategii didactice

a) metode și procedee: conversația, ciorchine, turul galeriei, experimentul de laborator virtual;

b) mijloace de învățământ: manualul, fișe de lucru, sistem periodic al elementelor, calculatoare, rețea AeL;

c) modul de organizarea a instruirii: individual, frontal, în echipă.

Tipuri, forme, strategii și instrumente de evaluare/autoevaluare:

formativă, interevaluare, autoevaluare

Bibliografie:

Sanda Fătu,”Didactica chimiei” – Editura Corint, București, 2007;

Sanda Fătu, Felicia Stroe, Constantin Stroe, „Chimie” – manual pentru clasa a VIII-a, Editura Corint, 2008;

Valerica Ignătescu, Olga-Olimpia Ignătescu, Petronela Bobric – ”Chimie” – caiet pentru clasa a VIII-a, Editura AXA Botoșani, 2010;

www.didactic.ro; e-scoala.edu.ro; e-chimie.upb.ro.

www.advancedelearning.com

Demers didactic

Anexa 1 Ciorchine Carbon

Proiect didactic (II)

DATA:

CLASA: a VIII –a

PROFESOR: Ichim Constantin

ARIA CURICULARĂ: Matematică și științe ale naturii

DISCIPLINA: Chimie

TEMA: Carbonul. Proprietăți chimice.Utilizări practice.

TIPUL LECȚIEI: lecție de comunicare de noi cunoștințe

Competențe specifice:

C1 Analizarea, interpretarea observațiilor/datelor obținute prin activitate investigativă

C2 Formularea de concluzii și de generalități pentru punerea în evidență a proprietăților fizice și chimice ale substanțelor simple

C3Utilizarea aparaturii și a echipamentelor de laborator, a tehnologiilor informatice pentru studiul diferitelor substanțe

C4 Aprecierea avantajelor și dezavantajelor utilizării unor substanțe chimice.

Obiective operaționale:

O1 Să utilizeze aparatura și ustensilele de laborator pentru investigarea proprietăților chimice ale carbonului;

O2 Să completeze fișele de observație experimentală prin care să evidențieze proprietățile chimice ale carbonului;

O3 Să modeleze ecuațiile chimice prin care se ilustrează proprietățile chimice ale carbonului;

O4 Să coreleze proprietățile fizice și chimice cu utilizările carbonului.

Strategii didactice

metode și procedee: conversația, demonstrația, algoritmizarea, experimentul de laborator, rebus chimic;

mijloace de învățământ: manualul, fișe de lucru, sistem periodic al elementelor,

calculator, proiector, ustensile de laborator, substanțe chimice;

modul de organizarea a instruirii: frontal, în grupuri mici.

Tipuri, forme, strategii și instrumente de evaluare:

Observarea sistematică a elevilor, verificarea aptitudinilor motorii și a deprinderilor practice, fișe de observații experimentale

Bibliografie:

Sanda Fătu,”Didactica chimiei” – Editura Corint, București, 2007;

Sanda Fătu, Felicia Stroe, Constantin Stroe, „Chimie” – manual pentru clasa a VIII-a, Editura Corint, 2008;

Valerica Ignătescu, Olga-Olimpia Ignătescu, Petronela Bobric – ”Chimie” – caiet pentru clasa a VIII-a, Editura AXA Botoșani, 2010;

www.didactic.ro; e-scoala.edu.ro; e-chimie.upb.ro.;

www.winschool.ro.

Demersul didactic

Anexa 1 Fișă experimentală pentru studiul

proprietăților chimice ale carbonului

Anexa 2 REBUS

A

Completați șirurile orizontale din figura următoare, utilizând indicațiile 1-6 astfel încât să obțineți pe coloana A-B, denumirea primului element din grupa a 14-a a sistemului periodic al elementelor.

forma amorfă sub care se găsește carbonul liber în natură; B

o formă cristalizată a carbonului care lasă urme pe hârtie;

proprietate chimică, comună carbonului și hidrogenului care determină utilizarea lor drept combustibili;

rețea în care cristalizează diamantul;

diamantul posedă proprietăți …… deosebite care-i conferă o strălucire specifică;

substanța cu duritatea cea mai mare.

Capitolul III

Cercetare experimentală: ”Experimentul de laborator – resursă pentru motivarea și implicarea activă a elevilor în învățarea chimiei”

III.1. Prezentarea scopului și obiectivelor cercetării

Creșterea continuă a volumului de informații și utilizarea tehnologiilor moderne necesită acumularea și înțelegerea unui număr tot mai mare de cunoștințe și de informații, de către tot mai mulți oameni. Tehnicile moderne de învățare, pentru a fi eficiente, trebuie să aibă un anumit grad de interactivitate cu subiectul uman și să transmită informația pe mai multe canale (text, sunet și imagini) într-o manieră asociată. Învățarea prin experimentare este de tip inductiv, centrată pe cel care învață și orientată spre activitate. Efectuarea experiențelor și experimentelor capătă o importanță tot mai mare, iar formarea spiritului experimental la elevi devine o sarcină esențială. Adesea noțiunea de experiment este sinonimă cu cea de experiență, iar metoda experimentală este considerată ca fiind echivalentă cu metoda de lucru în laborator. Experimentul reprezintă producerea sau modificarea intenționată a unui fenomen sau proces în scopul studierii acestuia. Combinând experiența cu acțiunea, metodele experimentale accentuează caracterul aplicativ al predării, favorizează realizarea unei mai strânse legături a teoriei cu practica. Realizarea obiectivelor specifice chimiei se face folosind metoda experimentului științific, metodă de bază în studiul lumii înconjurătoare și calea principală în dobândirea cunoștințelor prin efort propriu.

A experimenta înseamnă a-i pune pe elevi în situația de a concepe și de a practica un anumit gen de operații cu scopul de a observa, a studia, a dovedi, a verifica, a măsura rezultatele. Învățarea experimentală nu presupune doar mânuirea unor instrumente sau punerea în funcțiune a unei aparaturi speciale, ci presupune o intervenție activă din partea elevilor pentru a produce transformarea substanțelor urmărind fenomenele ce însoțesc aceste transformări în scopul de a descoperi singuri datele și noțiunile noi propuse în lecție. Multe din schimbările intervenite în activitățile întreprinse de profesori reflectă pur și simplu schimbările în ceea ce vor face elevii, asigură dezvoltarea puternică a capacităților intelectuale și profesionale, îndeosebi imaginația și gândirea creatoare, accentuând caracterul activ-participativ, formativ-aplicativ și creativ al învățării.

În raport cu titlul acestui capitol, scopul urmărit prin cercetarea experimentală de față este acela de a stabili dacă, prin integrarea experimentului de laborator în lecțiile de chimie, elevul poate fi dinamizat spre căutare, explorări și munca personală independentă sau în echipă, prin documentare și activități experimentale-aplicative, prin investigație științifică și tehnică, obținând astfel și rezultate școlare superioare. Lucrările de laborator trebuie să reprezinte o cale de dezvoltare a interesului pentru chimie ca știință, o motivație, care să determine elevii să devină responsabili în procesul de învățare și de dobândire de competențe.

Chimia este o știință în continuă evoluție, cu o lume fascinantă și misterioasă, de o importanță majoră în formarea personalității elevilor și în pregătirea lor pentru viață și cum ar putea fi oare altfel să fie atrași elevii spre descoperirea tuturor acestor lucruri, dacă nu prin experimentele de laborator?

Obiective ale cercetării experimentale:

integrarea experimentului de laborator în activitățile de învățare pentru formarea de atitudini manifestate prin colaborare, dialog și empatie, eliminarea stării de neîncredere în forțele proprii și prevenirea eșecului școlar;

desfășurarea de activități experimentale cu scopul de a le cultiva elevilor spiritul de observație  asupra lumii înconjurătoare, creativitatea gândirii și a le stimula imaginația creatoare;

sporirea ponderii învățării prin activități de instruire active/interactive, bazate pe implicarea autentică a elevilor în activitățile practice de laborator;

dezvoltarea motivației intrinseci a elevilor și asigurarea unui caracter conștient al învățării;

contribuția experimentului de laborator la consolidarea cunoștințelor elevilor și la creșterea randamentului școlar;

urmărirea progreselor înregistrate de elevi în activitățile independente și de grup;

III.2. Ipoteze de cercetare

În activitatea de cunoaștere prin experiment profesorul utilizează potențialul latent al elevului stimulându-i diferite activități mentale care vor determina anumite laturi ale personalității sale.

În cadrul cercetării întreprinse am pornit de la presupunerea că integrarea  experimentului de laborator, atât  a celui real, cât și al  celui virtual în lecțiile de chimie, va conduce la o creștere  a interesului,  a eficienței învățării și implicit a randamentului școlar la disciplina chimie. Am dorit să urmăresc dacă metoda experimentului de laborator poate reprezenta un factor esențial în motivarea și implicarea activă a unui număr cât mai mare de elevi de gimnaziu în studiul chimiei, și dacă acest factor poate fi evidențiat și prin  progresul școlar.   

III.3. Metodologia cercetării

Tipul cercetării: formativ-ameliorativă

Designul cercetării: design intrasubiect

Locul de desfășurare a cercetării: Școala Gimnazială ”Samson Bodnărescu” Gălănești

Perioada de cercetare: 15.09.2014 – 20.06.2015

III.3.1. Prezentarea lotului de subiecți

Eșantionul de subiecți

Cercetarea s-a desfășurat pe un eșantion de 27 de elevi, din clasa a VIII-a, de la Școala Gimnazială ”Samson Bodnărescu” Gălănești, județul Suceava, pe parcursul anului școlar 2014-2015.

Lotul experimental a fost alcătuit din 27 de elevi, toți din mediul rural, structurat astfel: 11 fete (41% din numărul total al elevilor din eșantion), respectiv 16 băieți (59% din numărul total al elevilor din eșantion). Colectivul de elevi este eterogen, fiind alcătuit din elevi cu nivele diferite de cunoștințe la disciplina chimie, conform performanțelor școlare asociate acestora. Pentru o imagine clară a nivelului de start la începutul clasei a VIII-a, în perioada premergătoare desfășurării cercetării experimentale, vor fi prezentate mediile finale obținute de elevi la disciplina chimie, la sfârșitul clasei a VII-a. Trebuie menționat că în lotul de subiecți analizat (27 de elevi clasa a VIII-a), comparativ cu clasa a VII-a (26 elevi), se regăsește un elev transferat din Italia, care nu a studiat în programa școlară disciplina chimie, fiind necesară o tratare diferențiată a acestuia, respectiv o monitorizare particulară a progresului său școlar.

III.3.2. Variabilele cercetării

Variabila independentă:

Utilizarea și integrarea experimentului de laborator în lecțiile de chimie aplicată elevilor de gimnaziu (clasa a VIII-a).

Variabilele dependente:

Evoluția rezultatelor obținute la testele pedagogice de cunoștințe, de eșantionul unic, de-a lungul experimentului formativ;

Creșterea interesului și motivației elevilor pentru studiul chimiei;

Creșterea gradului de implicare a elevilor în timpul lecțiilor;

Creșterea randamentului școlar și prevenirea eșecului școlar.

III.3.3. Instrumentul folosit

Pentru a verifica incidența acestor ipoteze asupra activității de cercetare propuse, culegerea și înregistrarea datelor cercetării a fost realizată prin intermediul mai multor metode:

Metoda experimentului psihopedagogic de tip formativ-ameliorativ, colectiv;

Metoda chestionarului – a vizat acumularea unor date (opinii, interese, dorințe, aspirații) în legătură cu motivația învățării, volumul informațional și timpul necesar asimilării cunoștințelor, rolul culturii generale în formarea culturii profesionale, semnificația notei și succesului școlar, rolul și importanța instruirii practice prin lucrări de laborator în formarea deprinderilor, abilităților și priceperilor specifice chimiei;

Metoda cercetării documentelor curriculare și a altor documente școlare;

Metoda testelor – a vizat evaluarea formativă și sumativă a progresului înregistrat de către elevi în urma intervenției factorului experimental;

Tabel. 3.1 Corelația dintre variabilele dependente și instrumentele folosite:

III.3.4. Procedura de desfășurare a cercetării

Cercetarea a cuprins trei etape:

Etapa inițială care a avut un caracter constatativ, a reprezentat de fapt faza prealabilă intervenției factorului experimental;

Etapa intervenției ameliorative cu valoare formativă în stimularea proceselor psihice și a personalității elevilor, a reprezentat faza administrării factorului experimental și a testării variabilelor dependente;

Etapa evaluării ce a avut un caracter comparativ, cu privire la rezultatele obținute în urma demersului experimental.

Demersurile întreprinse în etapa constatativă.

Obiectivele etapei constatative au fost subordonate obiectivelor cercetării și s-au dezvoltat în vederea stabilirii datelor de început ale cercetării și ale eșantionării:

O1 – Analiza eșantionului din punct de vedere calitativ în etapa prealabilă acțiunii variabilei independente prin utilizarea metodei cercetării documentelor școlare (registre matricole), respectiv mediile generale la disciplina chimie la sfârșitul clasei a VII-a (diagrama 3.1).

Diagrama areolară 3.1 Prezentarea eșantionului de subiecți din punct de vedere calitativ

O2 – Determinarea nivelului de cunoștinte, deprinderi, aptitudini ale elevilor, la disciplina chimie, la începutul perioadei de cercetare și a structurii valorice a eșantionului unic testat prin administrarea testului de evaluare ințială.

Test de evaluare inițială

Disciplina: Chimie

Clasa: a VIII-a

Data susținerii testului: 28.09.2014

Conținuturi evaluate:

Structura atomului.

Sistemul periodic al elementelor

Formule chimice

Reacții chimice

Calcule chimice pe baza formulelor chimice

Competențe corespunzătoare nivelurilor taxonomice:

C1: identificarea legilor, principiilor, caracteristicilor definitorii ale unor particule, mărimi caracteristice, proprietăți ale unor substanțe chimice;

C2: rezolvarea unor probleme cu caracter teoretic sau aplicativ;

C3: analizarea/generalizarea/interpretarea relațiilor cauzale prezente în cadrul fenomenelor fizice și chimice studiate;

C4: aprecierea/evaluarea/transferul proceselor, fenomenelor, situațiilor în contexte diferite.

Relația competențe specifice urmărite-conținuturi de evaluat:

Relația competențe specifice urmărite–itemi:

Test inițial

Cea mai mică particulă dintr-o substanță care nu mai poate fi fragmentată prin procedee chimice obișnuite se numește:

a) element chimic b) ion c) moleculă d) atom 5p

2. Completați afirmațiile următoare:

a) Partea centrală, încărcată pozitiv, a unui atom se numește ……………………………………

b) Particulele elementare din atom se numesc: …………………., …………………, …………….

c) Sistemul periodic al elementelor este alcătuit din: ……………………. și ……………………

d) Capacitatea de combinare a unui atom cu un alt atom se numește ………………………

10p

3. Scrieți simbolurile următoarelor elemente: calciu, sodiu, azot, sulf, potasiu, cupru, mercur, oxigen, fier, fosfor. 10p

4. Se consideră elementul chimic Na (Z=11; A=23). Determinați :

a) structura atomului;

b) structura învelișului electronic;

c) locul ocupat în sistemul periodic. 15p

Modelați procesul de ionizare al atomului de oxigen. Precizați caracterul chimic,

electrochimic al elementului. 5 p

Determinați formula chimică a compusului format din AlIII și OII . 5p

Calculați masa moleculară a următoarelor substanțe chimice: H2O și H2SO4 5p

Calculați raportul de atomi, raportul de masă și compoziția procentuală

corespunzătoare formulei chimice CO2. 5p

9. Calculați:

3 moli de Ca =……….g = ……………….atomi

2,7 g Al =……………moli = …………… atomi 5p

10. Scrieți formulele chimice ale următoarelor substanțe chimice:

dioxid de carbon…………….. ; apa………….. ; acid clorhidric…………….. ;

hidroxid de calciu…………….; sulfat de cupru …………… 5p

11. Asociați formulele chimice cu denumirile corespunzătoare: 5p

a) H2SO4 1. hidroxid de sodiu

b) CO2 2. oxid de aluminiu

c) Al2O3 3. acid sulfuric

d) NaOH 4. dioxid de carbon

12. Se dau reacțiile chimice: 15p

Na + O2 = Na2O

Zn + HCl = ZnCl2 + H2

NaOH + H2SO4 = Na2SO4 + H2O

NaNO3 = NaNO2 + O2

Stabiliți coeficienții și precizați tipul fiecărei reacții chimice .

Se dau: AH = 1 ; AS = 32 ; AO = 16 ; ACa = 40 ; AN = 14 ; AAl = 27 ; AC =12

Se acordă 10 p din oficiu.

Barem de corectare:

d) atom 5 p

2. a) nucleu b)protoni, neutroni, electroni c) grupe, perioade d) valența 10p

Ca, Na, N, S, K, Cu, Hg, O, Fe, P 10p

a) 11protoni, 12 neutroni, 11 electroni 5p

b) K 2e, L 8e, M 1e 5p

c) gr. IA, perioada a 3-a 5p

5. O2- ; nemetalic, electronegativ 5p

6. Al2O3 5p

7. M H2O = 18 u.a.m.; M H2SO4 = 98 u.a.m. 5p

8. raport de atomi C:O 1:2, raport de masă C:O 3:8,

compoziția procentuală C = 27,27%, O = 72,73% 5p

9. 120g Ca, 3*6,023*1023 atomi 5p

0,1 moli Al, 6,023*1022 atomi

10. CO2; H2O; HCl; Ca(OH)2; CuSO4. 5p

11. a – 3 5p

b – 4

c – 2

d – 1

12. 4Na + O2 = 2Na2O (combinare) 15 p

Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2 (substituție)

2NaOH + H2SO4 = Na2SO4 + 2H2O (schimb)

2NaNO3 = 2NaNO2 + O2 (descompunere)

O3 – Alcătuirea eșantionului de conținut, respectiv selectarea unităților de învățare care vor fi utilizate în etapa experimentului formativ.

Eșantionul de conținut

Aria curriculară: Matematică și științe ale naturii

Disciplina: Chimie, clasa a VIII-a

Capitolul: Substanțe simple cu utilizări practice. Nemetale.

Unități de învățare:

Oxigenul

Carbonul

Teme:

Oxigenul. Proprietăți fizice și chimice.

Carbonul. Proprietăți fizice și chimice.

O4 – Investigarea, prin intermediul chestionarului scris, a interesului și motivației elevilor

pentru studiul chimiei.

CHESTIONAR adresat elevilor

Sunteți rugați să precizați următoarele:

Școala:………………………………………………………………………………………..…

Mediul școlii: O rural O urban

Clasa: ………………………………..

Nivelul de învățământ: …………………………………………

Situează chimia, ținând seama de accesibilitate, aplicabilitate, atractivitate într -un top 5 al materiilor preferate:

____________________________________________________________

____________________________________________________________

____________________________________________________________

IV. _____________________________________________________________

V. _____________________________________________________________

2. În ce activități ți-ai dori să fii implicat la ora de chimie sau legat de ora de chimie?

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Care sunt cele mai apreciate 3 activități de la ora de chimie?

experimente virtuale

experimente reale

explicații

scrierea ecuațiilor reacțiilor chimice

discuții despre aplicațiile practice ale substanțelor

rezolvare de probleme

prezentarea portofoliilor

altele (specificați) ____________________________________________________

4. Alegeți trei dintre activitățile care vă plac mai puțin la ora de chimie?

scrierea ecuațiilor reacțiilor chimice

experimente virtuale

experimente reale

rezolvare de probleme

discuții despre aplicații practice ale substanțelor chimice

prezentarea temelor de portofoliu

altele (specificați)______________________________________________________

5. Cum credeți că v-ați putea îmbunătăți performanțele școlare la chimie?

efectuând probleme de calcul chimic

desfășurând cât mai multe activități practice în laboratorul de chimie

utilizând informațiilor obținute din diverse surse (internet, televizor, etc)

alte activități (specificați)___________________________________________________

6. Experimentul de laborator este o activitate care vă dezvoltă capacitățile și vă completează cunoștințele de chimie:

1. deloc 2. în mică măsură 3. moderat 4. în mare măsură 5. foarte mult

7. Activitățile practice (de laborator real sau virtual) de la ora de chimie sunt preferate de către voi:

1. deloc 2. în mică măsură 3. moderat 4. în mare măsură 5. foarte mult

8. Considerați că rezultatele școlare, notele obținute la evaluări, ar putea fi mai bune dacă ați fi implicați mai mult în activități experimentale de laborator:

1. deloc 2. în mică măsură 3. moderat 4. în mare măsură 5. foarte mult

9. Cât de mult te atrage și te motivează participarea la o oră de chimie desfășurată în laborator comparativ cu orele care nu conțin activități practice de laborator?

1. deloc 2. în mică măsură 3. moderat 4. în mare măsură 5. foare mult

Argumentați răspunsul oferit.

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

10. Cum apreciați din punct de vedere al atractivității orei de chimie și al dorinței de a progresa la disciplina chimie, participarea la activitățile de laborator real sau virtual desfășurate în școala voastră?

1. deloc importantă 2. puțin importantă 3. importantă 4. foarte importantă

11. Considerați că disciplina chimie reprezintă una din materiile importante pentru pregătirea voastră profesională viitoare, respectiv cultura generală a fiecăruia dintre voi?

Da Nu

Argumentați pe scurt răspunsul.

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

VĂ MULȚUMESC pentru colaborare !

Etapa intervenției ameliorative

Cercetarea psihopedagogică prin designul intrasubiect bazat pe tehnica grupului unic a urmărit evoluția comportamentului elevilor de-a lungul unităților de învățare ”Oxigenul” și ”Carbonul”, sub acțiunea variabilei independente și anume utilizarea experimentului de laborator, comparându-se rezultatele obținute în etapa de posttest cu cele din etapa de pretest. S-a prelucrat sistematic fiecare unitate de învățare luată ca bază în experiment, pentru a stabili particularitățile predării în concordanță cu vârsta elevilor și a evidenția interrelațiile dintre cunoștințele noi, pe de o parte și dintre cele asimilate deja și cele nou predate, pe de altă parte, precum și pentru a forma elevilor o viziune unitară, sistemică față de cunoștințele referitoare la fenomenele specifice studiate. S-au stabilit obiectivele instructiv-educative ale ale fiecărei lecții în parte, în conformitate cu cerințele specifice predării didacticii actuale. În cadrul sistemului metodologic s-a inclus metoda experimentului de laborator dar și alte metode preponderent euristice, care promovează munca în grup sau activitatea independentă și care contribuie în mare măsură la îndeplinirea obiectivelor prevăzute. S-au elaborat proiectele de lecție astfel încât elevii să fie antrenați cât mai mult posibil, asigurându-li-se activismul, receptivitatea, implicarea și interesul crescut. Pe parcursul predării lecțiilor, pentru a realiza feed-back-ul, respectiv pentru a constata progresele și acțiunea cu scop ameliorativ în procesele de predare-învățare a cunoștințelor, a formării capacităților, deprinderilor și atitudinilor pozitive față de învățarea chimiei, s-au aplicat teste formative (pretest 1, pretest 2).

Introducerea activităților experimentale de laborator a reprezentat factorul determinant în această etapă a cercetării și a fost monitorizată desfășurarea acestor activități prin fișele de laborator realizate de elevi în urma observațiilor experimentale, stabilindu-se gradul de asimilare, consolidare, operaționalizare a conceptelor învățate, precum și a nivelului de motivație și interes din partea elevilor, verificându-se astfel ipoteza cercetării (proiecte de lecții).

Pentru etapa de posttest, au fost aplicate teste echivalente din punct de vedere al nivelelor taxonomice vizate, al nivelului de dificultate și al ponderii diferitelor tipuri de itemi cu cele din pretest (posttest 1, posttest 2). Scopul aplicării acestora a fost monitorizarea evoluției rezultatelor elevilor în timp și a modificărilor de comportament care au apărut în urma aplicării variabilei independente, în această etapă a experimentului formativ-ameliorativ.

Etapa evaluării

Etapa evaluării  a constat în în aplicarea unor teste de evaluare sumative în scopul comparării rezultatelor obținute după proiectarea și desfășurarea lecțiilor cu ajutorul metodei experimentului de laborator, respectiv a rezultatelor obținute conform tehnicii eșantionului unic (Bocoș, M., Metodologia cercetării pedagogice):

Tabel 3.2 Design experimental intrasubiect

Pentru a putea verifica reușita acestui demers didactic s-au comparat variabilele dependente (performanțele obținute de elevi), în funcție de variabila independentă (factorul experimental), adică performanțele de la care s-a plecat, cu cele la care s-a ajuns, grație implicării tuturor factorilor ce au ținut de realizarea acestui obiectiv. Astfel a fost efectuată diferența dintre rezultate: Ree**- Ree*, pentru a se evidenția intervenția ameliorativă a factorului experimental, a variabilei independente.

III.3.5. Planuri de lecții pentru unitățile de învățare ”Oxigen” și ”Carbon”

Proiect didactic (I)

DATA:

CLASA: a VIII –a

PROFESOR: Ichim Constantin

ARIA CURICULARĂ: Matematică și științe ale naturii

DISCIPLINA: Chimie

TEMA: Oxigenul. Stare naturală. Structură. Proprietăți fizice.

TIPUL LECȚIEI: lecție de comunicare de noi cunoștințe

Competențe specifice :

C1 Formularea de concluzii și de generalități pentru punerea în evidență a proprietăților fizice și chimice ale substanțelor simple;

C2 Utilizarea aparaturii și a echipamentelor de laborator, a tehnologiilor informatice pentru studiul diferitelor substanțe;

C3 Aprecierea avantajelor și dezavantajelor utilizării unor substanțe chimice.

Obiective operaționale:

Cognitive. Pe parcursul acestei lecții fiecare elev va fi capabil:

Oc1 Să explice starea naturală a oxigenului;

Oc2 Să recunoască metodele de obținere în industrie și laborator a oxigenului;

Oc3 Să enumere principalele proprietăți fizice;

Procedurale. Pe parcursul acestei lecții elevii trebuie:

Op1 Să determine numărul particulelor componente ale atomului de oxigen;

Op2 Să repartizeze electronii pe straturi și să deducă poziția în sistemul periodic al elementelor pentru oxigen;

Op3 Să investigheze proprietățile fizice ale oxigenului.

Condiții prealabile – elevii au unele cunoștințe anterioare despre structura atomului, poziționarea unui element în sistemul periodic în funcție de structura electronică a atomului, modelarea unor formule chimice ale substanțelor simple și compuse, scrierea ecuațiilor reacțiilor chimice, cunoașterea noțiunilor de proprietate fizică și chimică a unei substanțe.

Strategii didactice

a) metode și procedee: descoperirea dirijată, tabelul incomplet, Știu-Vreau să știu-Am învățat, experimentul virtual;

b) mijloace de învățământ: planșe, manual, fișe de lucru, tablă, calculatoare conectate la Internet, rețea AeL;

c) modul de organizare a instruirii: individual, frontal, în grupuri mici.

Tipuri, forme, strategii și instrumente de evaluare/autoevaluare:

– de conținut: răspunsurile la întrebări, rezolvarea unei cerințe, competarea unor spații punctate.

– de utilizare a operațiilor gândirii: explicarea noțiunilor, sintetizarea și algoritmizarea ideilor, argumentarea răspunsurilor, explicarea fenomenelor observate în timpul experimentelor.

Bibliografie:

Sanda Fătu,”Didactica chimiei” – Editura Corint, București, 2007;

Sanda Fătu, Felicia Stroe, Constantin Stroe, „Chimie” – manual pentru clasa a VIII-a, Editura Corint, 2008;

Valerica Ignătescu, Olga-Olimpia Ignătescu, Petronela Bobric – ”Chimie” – caiet pentru clasa a VIII-a, Editura AXA Botoșani, 2010;

e-chimie.upb.ro;

e-scoala.edu.ro

www.didactic.ro.

www.advancedelearning.com.

Desfășurarea lecției

Prima etapă este centrată pe întrebarea „Ce știu despre oxigen?”.

Comunicarea sarcinii de lucru: ”Scrieți timp de 5 minute toate informațiile cunoscute despre oxigen referitoare la stare naturală, structură, stare de agregare, combinații ale oxigenului ce ar putea fi utilizate pentru obținerea acestui element ”.

Se explică elevilor modalitatea de desfășurare a acestei prime etape, se grupează în echipe de câte 3-4 elevi, li se cere să colaboreze și să facă schimb de opinii utilizând noțiunile învățate în clasa a VII-a la chimie sau la alte discipline din categoria științelor naturii (biologie, fizică).

Elevii sunt îndrumați să împartă o filă a caietului în trei coloane cu următoarea rubricație, un tabel cu acest format fiind schițat și pe tablă:

După parcurgerea timpului propus pentru discuții se colectează toate informațiile și se notează în rubrica „Știu” ideile scrise de elevi.

A doua etapă, este centrată pe întrebarea „Ce vreau să știu?”

Profesorul va solicita de la fiecare grupă una sau mai multe întrebări și se vor scrie în rubrica ”Vreau să știu”.

Etapa a treia reprezintă începutul învățării și va avea ca suport activitatea experimentală.

Pentru aceasta elevii sunt îndrumați să caute răspunsurile la întrebările prezentate, realizând o activitate de laborator virtual utilizând resursele informatice puse la dispoziție.

Captură ecran http://escoala.edu.ro/labs/#chimie Captură ecran Proprietăți fizice ale oxigenului.AeL

Pentru stabilirea proprietăților fizice elevii se vor ghida după sarcini de lucru exprimate astfel: ”Cum este densitatea oxigenului față de aer, dacă oxigenul se poate colecta în vase cu gura în sus? Indicați comportarea oxigenului față de apă știind că apa este mediul de existență al viețuitoarele acvatice.”

Pe baza observațiilor experimentale elevii vor completa completa tabelul:

Etapa a patra va fi concentrată pe rubrica „Am învățat” și va consta în monitorizarea cunoștințelor noi și sistematizarea lor. Elevii vor completa ultima rubrică cu toate noțiunile învățate utilizând resursele menționate anterior.

Etapa a cincea este centrată pe întrebarea „Ce altceva aș dori să mai învăț despre oxigen?” Profesorul poate prezenta elevilor o temă de referat sau de proiect, cu referințele bibliografice ajutătoare, ce ar putea completa noțiunile învățate: ”Efectele nocive ale poluării atmosferei.”

În secvența de lecție atribuită întăririi retenției și asigurării transferului de cunoștințe, elevii vor rezolva testul de verificare a cunoștințelor din baza de date AeL, având posibilitatea de a-și autoevalua propria performanță.

În final profesorul propune elevilor să completeze ”eseul de 5 minute” structurat astfel:

Cum apreciați activitatea desfășurată astăzi la ora de chimie?

Evaluați prin acordarea unei note implicarea voastră pe parcursul tuturor momentelor din lecție. Motivați calificativul acordat.

Proiect didactic (II)

DATA:

CLASA: a VIII –a

PROFESOR: Ichim Constantin

ARIA CURICULARĂ: Matematică și științe ale naturii

DISCIPLINA: Chimie

TEMA: Oxigenul. Proprietăți chimice. Utilizări.

TIPUL LECȚIEI: lecție pentru formarea și consolidarea priceperilor și deprinderilor

Competențe specifice:

C1 Formularea de concluzii și de generalități pentru punerea în evidență a proprietăților fizice și chimice ale substanțelor simple;

C2 Utilizarea aparaturii și a echipamentelor de laborator, a tehnologiilor informatice pentru studiul diferitelor substanțe;

C3 Aprecierea avantajelor și dezavantajelor utilizării unor substanțe chimice.

Obiective operaționale:

Cognitive. Pe parcursul acestei lecții fiecare elev va fi capabil:

Oc1 Să verifice experimental proprietățile chimice ale oxigenului;

Oc2 să coreleze proprietățile oxigenului cu aplicațiile sale practice.

Procedurale. Pe parcursul acestei lecții elevii trebuie:

Op1 Să transpună în ecuații proprietățile chimice studiate;

Op2 Să identifice utilizările oxigenului.

Atitudinale. Pe parcursul acestei lecții elevii trebuie:

Oa1 Să lucreze ordonat, să respecte normele de protecția muncii;

Oa2 Să efectueze sarcinile de lucru în timpul acordat;

Oa3 Să sintetizeze informațiile.

Condiții prealabile – elevii au unele cunoștințe anterioare despre structura atomului, poziționarea unui element în sistemul periodic în funcție de structura electronică a atomului, modelarea unor formule chimice ale substanțelor simple și compuse, scrierea ecuațiilor reacțiilor chimice, cunoașterea noțiunilor de proprietate fizică și chimică a unei substanțe.

Strategii didactice

a) metode și procedee: Gândiți/Lucrați în echipă/Comunicați, conversația, ciorchinele, algoritmizarea, experimentul de laborator;

b) mijloace de învățământ: manual, fișa experimentală, ustensile de laborator, reactivi chimici;

c) modul de organizare a instruirii: individual, frontal, în grupuri mici, în perechi.

Tipuri, forme, strategii și instrumente de evaluare:

formativă, orală și scrisă, individuală, interevaluarea, fișe de observații experimentale, fișe de evaluare

Bibliografie:

Sanda Fătu,”Didactica chimiei” – Editura Corint, București, 2007;

Sanda Fătu, Felicia Stroe, Constantin Stroe, „Chimie” – manual pentru clasa a VIII-a, Editura Corint, 2008;

Valerica Ignătescu, Olga-Olimpia Ignătescu, Petronela Bobric – ”Chimie” – caiet pentru clasa a VIII-a, Editura AXA Botoșani, 2010;

www.didactic.ro;

e-scoala.edu.ro;

e-chimie.upb.ro.

Desfășurarea lecției

Anexa 1

Anexa 2 FIȘA DE ACTIVITĂȚI EXPERIMENTALE

Proprietățile chimice ale oxigenului

Anexa 3 Fișa de evaluare/autoevaluare

Completați chenarele goale din schema următoare cu produșii de reacție. Scrieți ecuațiile reacțiilor chimice corespunzătoare.

Indicați prin săgeți corespondența oxidărilor vii și a celor lente cu fenomenele de mai jos.

Arderea metalelor și nemetalelor

Arderea lemnului

Ruginirea fierului

Arderea alcoolului în spirtieră

Oxidări vii Râncezirea grăsimilor Oxidări lente

Arderea gazului metan

Coclirea vaselor de aramă

Oțetirea vinului

Arderile din organism

Găsiți corelațiile între proprietățile oxigenului și utilizările lui.

Întreține arderea Întreține viața

Tăierea și sudarea metalelor

Face posibilă viața subacvatică

Transformă unii compuși Explozibili

oxigenați în alții Medicină – oxigenoterapie

Este parțial solubil în apă Albirea țesăturilor

Este implicat în reacțiile de oxidare În industria chimică la fabricarea oxizilor, acizilor

Umplerea tuburilor de oxigen pentru scafandri

Fabricarea fontei și a oțelului

Combustia motoarelor

Barem de corectare:

50p 2. 20p 3. 20p Se acordă din oficiu 10p

Proiect didactic (III)

DATA:

CLASA: a VIII –a

PROFESOR: Ichim Constantin

ARIA CURICULARĂ: Matematică și științe ale naturii

DISCIPLINA: Chimie

TEMA: Carbonul. Proprietăți chimice.

TIPUL LECȚIEI: lecție pentru formarea și consolidarea priceperilor și deprinderilor

ELEMENTE DE CONȚINUT:

Carbonul. Proprietăți chimice.

Experimentul real; Experimente virtuale din programul AeL.

Test de fixare a cunoștințelor.

VALORI ȘI ATITUDINI:

Respect pentru adevăr și rigurozitate;

Încredere în adevărurile științifice și în aprecierea critică a limitelor acestora;

Disponibilitate de ameliorare a propriei performanțe;

Interes și curiozitate;

Respect față de argumentația științifică;

Interes pentru explorarea diferitelor modalități de comunicare, inclusiv pentru cele furnizate de TIC.

Competențe specifice:

C1 Utilizarea corectă a terminologiei științifice și a simbolisticii.

C2 Descrierea proceselor fizice și chimice ce stau la baza experimentelor reale și virtuale realizate.

C3 Formularea concluziilor ca urmare a experimentelor și raționamentelor efectuate.

Obiective operaționale:

O1 Să descrie caracterele generale ale atomului de carbon (structură, poziție în sistemul

periodic,valență, ioni, masă atomică, număr de masă);

O2 Să diferențieze formele alotropice ale carbonului;

O3 Să investigheze experimental proprietățile chimice ale carbonului;

O4 Să modeleze ecuațiile reacțiilor chimice ce descriu comportamentul chimic al carbonului;

O5 Să rezolve sarcinile de lucru din programul AeL.

Strategii didactice:

metode și procedee: descoperirea dirijată, algoritmizarea, experimentul de laborator real și virtual, instruirea asistată de calculator.

mijloace de învățământ: fișe de lucru, laborator tip SEI cu calculatoare și rețea AeL, sistemul periodic, soft educațional lecții AeL, substanțe chimice, ustensile;

modul de organizare a instruirii: individual, frontal, în echipe.

Tipuri, forme, strategii și instrumente de evaluare/autoevaluare:

formativă, autoevaluare, evaluarea asistată de calculator, fișe de observații experimentale

Bibliografie:

Sanda Fătu,”Didactica chimiei” – Editura Corint, București, 2007;

Sanda Fătu, Felicia Stroe, Constantin Stroe, „Chimie” – manual pentru clasa a VIII-a, Editura Corint, 2008;

www.advancedelearning.com

Demers didactic

Moment organizatoric: verificarea prezenței și organizarea elevilor pentru activități practice desfășurate în echipă. (2 min)

Enunțarea obiectivelor: (2 min)

La sfârșitul lecției elevii vor fi familiarizați cu proprietățile chimice ale carbonului și vor aplica noțiunile dobândite pentru rezolvarea unor situații-problemă. Lecția se va derula prin îmbinarea experimentului de laborator real cu cel virtual (parcurgerea secvențelor AeL de la lecția ”Carbonul – proprietăți chimice”), respectiv prin fixarea noilor cunoștințe prin rezolvarea testelor de evaluare în format electronic.

Reactualizarea cunoștințelor: (8 min)

O1, O2 Elevii vor reactualiza cunoștințele legate de structură, starea naturală, proprietățile fizice ale carbonului prin completarea unei fișe de lucru (Anexa 1).

Dirijarea învățării, obținerea performanței și realizarea feedback-ului (25 min)

Profesorul propune elevilor desfășurarea unei activități practice prin care va fi pusă în evidență proprietatea carbonului de a arde, respectiv recunoașterea produsului gazos obținut (dioxidul de carbon).

Activitate independentă a elevilor

Într-un cilindru se introduce o cantitate mică de apă de var (soluție limpede de hidroxid de calciu). Separat, într-o lingură de ars, la care s-a adaptat un capac de carton, se încălzește o bucată de cărbune până ce aceasta se aprinde. Se introduce apoi lingura de ars cu cărbunele aprins în cilindru și se astupă cu capacul de carton. Ce se observă?

În urma efectuării experimentului elevii vor constata arderea carbonului în aer și formarea dioxidului de carbon. Acest produs gazos va fi pus în evidență prin proprietatea sa de a tulbura apa de var, respectiv apariția precipitatului de carbonat de calciu. Observațiile, concluziile și reacțiile care au avut loc vor fi consemnate în fișa de laborator.

Pentru observarea fenomenelor care explică comportarea carbonului față de alte substanțe, simple sau compuse, unele reacții necesitând condiții speciale ce nu pot fi reproduse în laborator, elevii vor parcurge experimentele virtuale cu ajutorul platformei AeL.

Întărirea retenției și asigurarea transferului:

Captură ecran Carbonul. AeL

Evaluare (3 min)

Profesorul împreună cu elevii analizează rezultatele obținute la testele de evaluare parcurse în cadrul secvențelor AeL, precum și rezultatul autoevaluării la testul de fixare a cunoștințelor.

Se fac aprecieri asupra modului în care s-au defășurat experimentele reale și virtuale, se evidențiază elevii care au dovedit abilități practice, spirit de observație și eficiență în rezolvarea sarcinilor de lucru.

Anexa 1 Fișă de lucru – Carbonul

Carbonul se află în stare liberă sub formă de :

………………………………………………..;

…………………………………………………;

…………………………………………………;

…………………………………………………..

Carbonul se găsește și sub formă de compuși:

compuși anorganici: …………………………………………………………………………………;

compuși ……………………..

Stabiliți structura atomului elementului carbon ():

Comparați proprietățile fizice ale formelor alotropice ale carbonului pe baza diferențelor structurale.

Proiect didactic (IV)

Data:

Profesor: Ichim Constantin

Aria curriculară: Matematică și științe

Disciplina: Chimie

Clasa: a VIII-a

Unitatea de învățare: Substanțe simple cu utilizări practice. Nemetale

Subiectul lecției: Nemetale.Oxigenul. Carbonul.

Tipul lecției: Lecție de recapitulare și sistematizare a cunoștințelor

Scopul lecției: verificarea și evaluarea cunoștințelor privind structura, starea naturală, proprietățile fizice și chimice, utilizările oxigenului și carbonului

Competențe specifice:

2.1 Analizarea, interpretarea informațiilor/datelor obținute prin activitate investigativă

2.3 Formularea de concluzii și de generalizări pentru punerea în evidență a proprietăților fizice ale oxigenului și carbonului

Obiective operaționale:

La sfârșitul lecției elevii vor fi capabili:

O1: să modeleze structura atomilor elementelor oxigen și carbon;

O2: să descrie starea naturală a oxigenului și carbonului;

O3: să verifice experimental proprietățile fizice și chimice ale oxigenului și carbonului;

O4: să scrie ecuațiile reacțiilor chimice care ilustrează proprietățile chimice ale oxigenului și carbonului.

Strategii didactice:

metode și procedee: cubul, conversația euristică, explicația, descoperirea dirijată, experimentul de laborator;

mijloace de învățământ: cubul, fișe de lucru, manual, sistemul periodic al elementelor, substanțe și ustensile;

modul de organizare a instruirii: individual, frontal, pe grupe eterogene.

Tipuri, forme, strategii și instrumente de evaluare:

observarea sistematică a activităților și a comportamentului elevilor, fișe de lucru, fișe de laborator

Bibliografie:

Sanda Fătu,”Didactica chimiei” – Editura Corint, București, 2007;

Sanda Fătu, Felicia Stroe, Constantin Stroe, „Chimie” – manual pentru clasa a VIII-a, Editura Corint, 2008;

Valerica Ignătescu, Olga-Olimpia Ignătescu, Petronela Bobric – ”Chimie”– caiet pentru clasa a VIII-a, Editura AXA Botoșani, 2010;

www.didactic.ro.

Desfășurarea lecției

Moment organizatoric

Notarea absențelor și pregătirea clasei pentru lecție.

Anunțarea temei: Nemetale – oxigenul, carbonul. Recapitularea și sistematizarea cunoștințelor prin metode activ–participative și aplicații practice de laborator

Plan de recapitulare: Oxigenul. Carbonul.

Structură. Stare naturală.

Metode de obținere

Proprietăți fizice

Proprietăți chimice

Utilizări practice. Importanță biologică.

Circuitul în natură

Profesorul adresează câteva întrebări elevilor:

”Unde sunt situate nemetalele în sistemul periodic? Ce caracteristici generale ale acestora cunoașteți? Dați exemple de nemetale.”

Activitatea 1 (activ-participativă)

Se împarte colectivul de elevi în 6 echipe eterogene (4-5 elevi). Se vor desemna lideri de echipă care vor roti cubul și vor primi sarcina care va apărea pe una dintre fețele cubului. Se vor utiliza fișe de exerciții care corespund fețelor cubului (6), fiecare echipă având de concretizat o cerință diferită.

La final fiecare lider de grupă sau un alt reprezentant al echipei va prezenta soluțiile găsite. Ceilalți elevi vor corecta, dacă este cazul, informațiile incorecte sau vor completa cu opinii personale prezentările făcute.

Anexa 1

DESCRIE starea naturală a oxigenului și a carbonului.

ANALIZEAZĂ natura diferențelor existente între formele alotropice ale carbonului, respectiv ale oxigenului.

COMPARĂ a) procentul de oxigen și de carbon din următorii oxizi CO2, CO;

b) ecuațiile reacțiilor chimice de obținere a celor 2 oxizi amintiți.

ASOCIAZĂ corespunzător cifrele coloanei A cu literele coloanei B.

A B

1. Oxigenul a. este forma alotropică a oxigenului

2. Aerul b. este un gaz insipid, incolor, inodor care întreține arderea

3. Ozonul c. are duritatea cea mai mare

4. Diamantul d. este un bun conducător electric

5. Grafitul e. Este un amestec de gaze care conține 21% oxigen

5. APLICĂ regulile de calcul pe baza ecuațiilor reacțiilor chimice.

Câte grame de cărbune de puritate 80% pot arde în 6 moli de oxigen?

6. ARGUMENTEAZĂ

a) de ce oxigenul se găsește în grupa a VI-a A, perioada a 2-a și are valența II, știind că Z=8.

b) de ce carbonul este un nemetal tetravalent, din grupa a IV-a A, perioada a 2-a, știind că Z=6.

Activitatea 2 (experimentală)

Elevii vor primi fișele de activitate experimentală (anexa 2); se comunică sarcinile de lucru în cadrul grupului astfel încât fiecare elev din cadrul echipei să fie implicat. Se reamintesc elevilor normele de protecția muncii în laborator. Se desfășoară experimentele sub supravegherea profesorului, se completează observațiile experimentale, reacțiile chimice, se stabilesc concluzii.

Anexa 2 FIȘA DE LABORATOR – PROPRIETĂȚI CHIMICE ALE

OXIGENULUI ȘI CARBONULUI

Asigurarea feed-back-ului

Profesorul solicită elevilor răspunsuri la câteva întrebări:

”Ce aplicații practice au nemetalele studiate de voi? Ce legătură există între proprietățile acestora și utilizările lor? Cum puteți caracteriza importanța pentru viață a nemetalelor oxigen și carbon?”

Evaluarea activității elevilor prin notare și aprecieri verbale.

Este evaluată activitatea elevilor individual și în cadrul grupului, abilitățile practice demonstrate în etapa de lucru experimentală.

Profesorul indică tema pentru acasă

Tema de proiect: ”S.O.S Natura. Tu cum te implici?”- proiect de educație ecologică

Proiect didactic (V)

Data:

Profesor: Ichim Constantin

Aria curriculară: Matematică și științe

Disciplina: Chimie

Clasa: a VIII-a

Unitatea de învățare: Substanțe simple cu utilizări practice. Nemetale

Subiectul lecției: Nemetale.Oxigenul. Carbonul.

Tipul lecției: Lecție de recapitulare și sistematizare a cunoștințelor

Scopul lecției: verificarea și evaluarea cunoștințelor privind structura, starea naturală, proprietățile fizice și chimice, utilizările oxigenului și carbonului

Competențe specifice:

3.3 Aplicarea regulilor/ legilor în scopul rezolvării de probleme

5.1 Aprecierea avantajelor și a dezavantajelor utilizării unor substanțe chimice.

Obiective operaționale:

La sfârșitul lecției elevii vor fi capabili;

O1 să aplice noțiunile învățate în situații noi problematizate;

O2 să rezolve probleme de calcul stoechiometric;

O3 să comunice, sub formă orală sau scrisă, informații privind aplicațiile practice ale oxigenului și carbonului.

Strategii didactice:

metode și procedee: conversația euristică, exercițiul, algoritmizarea, problematizarea, proiectul;

mijloace de învățământ: fișe de exerciții, manual, culegeri de exerciții și probleme, sistemul periodic al elementelor;

modul de organizare a instruirii: individual, frontal.

Tipuri, forme, strategii și instrumente de evaluare:

observarea sistematică a activităților și a comportamentului elevilor, fișe de exerciții și probleme.

Bibliografie:

Sanda Fătu,”Didactica chimiei” – Editura Corint, București, 2007;

Sanda Fătu, Felicia Stroe, Constantin Stroe, „Chimie” – manual pentru clasa a VIII-a, Editura Corint, 2008;

Valerica Ignătescu, Olga-Olimpia Ignătescu, Petronela Bobric – ”Chimie”– caiet pentru clasa a VIII-a, Editura AXA Botoșani, 2010;

www.didactic.ro

Desfășurarea lecției

Moment organizatoric

Notarea absențelor și pregătirea clasei pentru lecție.

Anunțarea temei: Nemetale – oxigenul, carbonul. Recapitularea și sistematizarea cunoștințelor prin rezolvare de exerciții și probleme.

Plan de recapitulare: Oxigenul. Carbonul.

Structură. Stare naturală.

Metode de obținere

Proprietăți fizice

Proprietăți chimice

Utilizări practice. Importanță biologică.

Circuitul în natură

Profesorul adresează câteva întrebări elevilor:

” Ce caracteristici generale au nemetalele? În ce domenii de activitate își găsesc aplicabilitatea nemetalele cunoscute de voi? Cum pot fi determinate cantitățile de substanțe implicate în diferitele procese chimice întâlnite în viața cotidiană?”

Activitate independentă

Activitatea 1 (schema de reacții problematizată)

Identificați substanța A știind că aceasta este un gaz care întreține arderea, indispensabilă vieții pe Pământ; scrieți toate ecuațiile reacțiilor chimice care au loc.

Activitatea 2 (fișă problematizată)

Obs. Elevii cu dificultăți de învățare vor primi o fișă de exerciții (fișa de exerciții nr. 2), adaptată potențialului lor.

Fișă de exerciții – nr. 1

1. Se dau următoarele substanțe: H2O, H2O2, NaOH, PbO2, KClO3, Zn, Fe, HgO. Alege acele substanțe care supuse unor transformări chimice duc la degajarea de oxigen. Scrie ecuațiile reacțiilor chimice corespunzătoare.

2. Determinați masa dioxidului de carbon care se poate obține prin arderea a 2 kg cărbune cu puritatea 90 %. Calculați volumul de aer necesar arderii, știind că oxigenul se găsește în aer în proporție de 21% în volume.

3. Calculează masa atomică relativă a oxigenului, știind că acesta se găsește în natură sub forma a trei izotopi, în paranteză fiind dat procentul de răspândire a fiecăruia: 16O (99,76%), 17O (0,04%); 18O (0,20%).

4. Conținutul aerului dintr-o sală de clasă cu următoarele dimensiuni: lungime 10m, lățimea 6 m, înălțimea 3m, în dioxid de carbon este de 0,03% (procente de volum). Să se calculeze volumul de dioxid de carbon din sală.

Fișă de exerciții – nr. 2

Clasificați următoarele elemente în metale și nemetale:

Al Ag C Cl Mg O Na S N P K Fe I Zn

METALE:____________________________________

NEMETALE:__________________________________

Informație: Metalele sunt situate în sistemul periodic sub linia îngroșată, iar nemetalele sunt situate deasupra liniei îngroșate.

Stabiliți corelația dintre formulele chimice și denumirile substanțelor chimice corespunzătoare:

Apa CH4

Dioxid de carbon MgO

Oxid de magneziu H2O

Metan CO2

Se dă tabelul următor și se cere să stabiliți corespondența dintre reactanți și produșii de reacție corespunzători pentru ca reacțiile să fie corecte.

Asigurarea feed-back-ului

Profesorul solicită elevilor răspunsuri la câteva întrebări:

”Care considerați că sunt avantajele utilizării nemetalelor oxigen și carbon în activitățile cotidiene?

Cum ați descrie circuitul oxigenului, respectiv al carbonului în natură?”

Evaluarea activității elevilor prin notare și aprecieri verbale.

Este evaluată deprinderea elevilor de a rezolva exerciții și probleme chimice, capacitatea de transfer a cunoștințelor și aplicarea acestora în contexte noi, capacitatea de a organiza și a sintetiza cunoștințe.

Profesorul indică tema pentru acasă

Tema de proiect: ”Surse de poluare în mediul în care trăiți. Modalități de combatere a poluării și de protejare a mediului înconjurător.”

III.3.6. Teste de evaluare aplicate

Pretest 1 – Oxigenul

Testul formativ fost aplicat în cadrul unității de învățare Oxigen după parcurgerea conținuturilor referitoare la structură, stare naturală, metode de obținere, proprietăți fizice, proprietăți chimice, având ca scop identificarea gradului de asimilare a cunoștințelor esențiale ale elevilor, identificarea lacunelor, respectiv adoptarea unor măsuri de recuperare, ameliorare.

Demersul didactic s-a bazat pe strategii de predare care nu au inclus metoda experimentului de laborator, variabila independentă.

Test de evaluare (I) OXIGENUL

1. Alege răspunsul corect: 10p

Simbolul chimic al oxigenului este:

a) O2; b) O; c) O3.

Oxigenul, element descoperit de către Lavoisier în 1774, este :

a) metal ; b) nemetal ; c) semimetal.

Oxigenul este un gaz:

a) insolubil în apă; b) mai ușor ca aerul; c) cu moleculă diatomică.

Reprezintă proprietate chimică a oxigenului:

a) dizolvarea oxigenului în apă; b) arderea metalelor în oxigen; c) oxigenul este incolor

2. Completeazǎ spațiile libere pentru fiecare din afirmațiile urmǎtoare: 10p

a) Oxigenul este cel mai . . . . . . . . . element de pe Pǎmânt (49%).

b) Se gǎsește . . . . . în aerul atmosferic (21%).

c) Ruginirea fierului, coclirea vaselor de cupru în aer umed, râncezirea grǎsimilor, respirația

organismelor vii sunt . . . . . . . lente.

d) Oxigenul este parțial . . . . . . . în apǎ.

e) Oxigenul este un amestec de trei . . . . . . . 16O, 17O, 18O.

3. Reprezentați structura atomică a elementului O știind că Z = 8 și A = 16, modelați configurația electronică și precizați poziția elementului în sistemul periodic:

10p

E

L … e- => grupa ……………………………perioada………….

K … e-

4. Asociați corespondența cifrelor coloanei A cu literele coloanei B: 5p

A B

1. Oxigenul a) este un amestesc de gaze care conține 21% oxigen

2. Aerul b) este un oxid acid (de nemetal )

3. Dioxidul de sulf c) vital pentru toate formele de viață

5. Citește afirmațiile de mai jos.

Încercuiește litera corespunzătoare: A- adevărat, F- fals. 5p

Oxigenul este un gaz incolor. A / F

Oxigenul are miros înțepător. A / F

Oxigenul se folosește în medicină. A / F

Oxigenul este situat în grupa VI A pentru că are 2e pe ultimul strat. A / F

6. Câte grame reprezintă 0,25 moli O2:

8g b)22,4g c)16g d)32g 10 p

7. Scrieți ecuațiile reacțiilor chimice din schema de mai jos : 12p

O2 + Mg → a (1)

O2 + Na → b (2)

O2 + SO2 → c (3)

O2 + S → d (4)

8. Câte grame de oxigen se găsesc în 160g SO3 ? (AS = 32; AO = 16 ) 10p

9. Prin arderea sodiului în aer s-au consumat 6,4 g oxigen. Calculați: 18p

– masa sodiului arsă;

– cantitatea oxidului format în urma reacției;

– concentrația procentuală a soluției obținută prin reacția oxidului format cu 100 mL apă.

Se dau masele atomice: ANa = 23; AO = 16; AH = 1 (ρ apă = 1g/cm³)

Se acordă 10p din oficiu

SUCCES!

BAREM DE CORECTARE

1. b, b, c, b 2,5p x 4 = 10p

2. răspândit, liber, oxidări, solubil, izotopi 2p x 5 = 10p

3. 8p, 8n, 8e , K = 2e, L = 6e , grupa a VI-a A, perioada 2 10p

4. 1-c 2-a 3-b 1,66p x 3 = 5p

5. A, F, A, F 1,25p x 4 = 5p

6. 0,25 moli O2 = 8g O2

7. O2 +2 Mg →2 MgO a = MgO (1)

O2 +4 Na →2 Na2O b = Na2O (2)

O2 +2 SO2 → 2 SO3 c = SO3 (3)

O2 + S → SO2 d = SO2 (4) 3p x 4 = 12p

8. Masa moleculară – 80 u.a.m. 5p

m oxigen – 96g 5p

9. ecuația chimică 2,5 p Total 18p

18,4 g Na 2,5 p

0,4 moli ( 24,8 g) Na2O 2,5 p

a doua ecuație chimică 2,5 p

masa de apă reacționată = 7,2 g 2,5 p

masa de apă în exces = 92,8 g 2,5 p

md NaOH = 32g 1 p

ms = 124,8g 1 p

c = 25,64% 1 p

Posttest 1

Testul sumativ a fost aplicat la finalul unității de învățare ”Oxigen”, echivalent din punct de vedere al nivelului de dificultate și al ponderii diferitelor tipuri de itemi cu cel anterior, pretest 1. Procesul de instruire al elevilor s-a axat în perioada intermediară pretest-posttest pe reluarea conținuturilor „Proprietăți fizice, Proprietăți chimice” și utilizarea experimentului de laborator ca metodă de lucru, urmărind și componenta ameliorativă a procedurii desfășurate.

Test de evaluare (II) – Oxigenul

Se acordă 10p din oficiu.

1. (10p) Apreciază cu adevărat A sau fals F următoarele afirmații:

a) Oxigenul este folosit în respirația animalelor și viețuitoarelor subacvatice. A / F

b) Prin tratarea oxigenului cu nemetale se obțin oxizi metalici. A / F

c) Oxigenul este folosit în medicină A / F

d) Ruginirea fierului este o oxidare energică. A / F

2. (10p) Completați spațiile libere astfel încât să obțineți afirmații complete:

Oxigenul este cel mai ……………….. element din natură. El se găsește răspândit în stare …. și sub formă de……………….. Oxigenul are stare de agregare ………… și este ……………., …………și …………………… Oxigenul are ca utilizări:

………….., …………………., …………………………, ………………………, ……………………………… .

3. (10p) Știind că elementul O, are Z = 8 și A = 16 determinați:

formează ioni ……… de forma ……., molecula este ………

K … e-

L … e- =>grupa ……………perioada…………., caracter chimic….. electrochimic…

4. (5p) Care sunt oxidările vii din reacțiile de oxidare indicate:

a) arderea lemnului în sobă

b) oțetirea vinului

c) arderea lumânării

d) râncezirea grăsimilor

e) arderea magneziului

f) coclirea vaselor de aramă

5. (5p) Asociazǎ coloanele A și B:

A B

1. C + O2 = a) 2Al2O3

2. 4P + 5O2 = b) 2Na2O

3. 4Al + 3O2= c) 2P2O5

4. 4Na + O2 = d) CO2

6. (10p) Care este concentrația procentuală a oxigenului în molecula de apă? Exprimați rezultatul în procente de masă (AH = 1; AO= 16).

7. (15 p) Completează următoarele ecuații ale reacțiilor chimice și stabilește coeficienții:

Al +O……….

………+ O SO2

H2O2 ………. + ……..

………… KCl +O

………. +………. NaO

8. (20p) Se ard 150 g carbon de puritate 80%. Câte grame dioxid de carbon se obțin și câți moli de oxigen se consumă?

9. (5p) Care este rolul biologic al oxigenului? Dar importanța stratului de ozon ?

Se dau masele atomice: AC = 12u.a.m. , AO = 16u.a.m.

Succes !

Barem de corectare:

Se acordă 10 p din oficiu

1. a A , b F, c A , d F 10p (fiecare răspuns corect 2,5 p)

2. răspândit, liberă, combinații, gazoasă, inodor, incolor, insipid, respirație, medicină, motoare, sudura metalelor, aparat autonom scafandri 10p

3. 8p, 8n, 8e , 16 nucleoni, K = 2e, L = 6e , grupa a VI-a A, perioada 2, ioni negativi, O2-, caracter chimic nemetalic, electrochimic electronegativ, molecula O2 10p

4. a, e 5p

5. 1-d, 2-c, 3-a, 4-b 5p

6. %H= 11,1% ; %O = 88,89% 10 p

7. 4Al +3O2Al2O3 15p (3p pentru fiecare reacție)

S.+ O SO2

2H2O2 2H2O. + O2

2KClO3. 2KCl +3O

4Na+2O2 2NaO

8. 120 g C pur, 10 moli C Se obțin 440 g CO2 , se consumă 10 moli de O2

20 p (10p pentru fiecare cerință)

9. respirația organismelor vii (om ,animale, viețuitoare subacvatice), 5p

Ozon – strat protector în atmosferă împotriva radiației ultraviolete

Pretest 2

Testul formativ a fost aplicat în cadrul unității de învățare Carbon după parcurgerea conținuturilor referitoare la structură, stare naturală, metode de obținere, proprietăți fizice, proprietăți chimice, având scopul de a identifica nivelul cunoștințelor elevilor și de a întreprinde măsurile necesare pentru o fixare mai temeinică a acestora.

Demersul didactic s-a bazat și în acest caz pe strategii de predare care nu au inclus metoda experimentului de laborator, variabila independentă.

Test de evaluare (I) –Carbon

(10p) 1. Completați spațiile libere:

Carbonul se găsește în stare liberă cristalizat sub formă de ………………….., ………,………..

iar amorf sub formă de………………..

Substanțele compuse ce conțin carbon sunt……………………….și …………………………

Carbonul este situat în grupa…………..și perioada…………., are valența……………..iar masa atomică este……….. Compușii carbonului cu hidrogenul se numesc…………………

(10p) 2. Indicați prin săgeți categoria corespunzătoare cărbunilor menționați mai jos:

Antracit

Cărbuni naturali (de pământ) Mangal

Turbă

Cocs

Cărbuni artificiali Huilă

Lignit

Cărbune animal

(10p) 3. Realizați prin săgeți corespondența dintre fiecare formă alotropică (coloana B), proprietățile lor caracteristice (coloana A) și utilizări (coloana C).

(10p) 4. Citește afirmațiile de mai jos. Încercuiește litera corespunzătoare: A – adevărat, F – fals.

a) Diamantul este folosit la confecționarea minelor de creion. A/F

b) Grafitul clivează pe hârtie și este un bun conducător de căldură și electricitate A/F

c) Carbonul este insolubil în apă. A/F

d) Prin arderea cărbunilor de pământ se dezvoltă căldură. A/F

(10p) 5. Numărul de protoni din 120g carbon este:

a) 60*6,023*1024

b) 6*6,023*1024

c)12*6,023*1024

(10p) 6. Compoziția procentuală a metanului (procente de masă) este:

75% C, 25% H; b) 25% C, 75% H; c) 50% C, 50% H; d) 30% C, 70% H.

(10p) 7. Asociați fiecărui tip de reacție din coloana 1-3 reacțiile chimice din coloana a-f:

1. ……………arderea carbonului a) C + O2 = CO2

2. ………….. reducerea oxizilor b) C + 2CuO = 2Cu + CO2

3. …………..sinteza metanului c) C + H2O (v) = CO + H2

d) 2C + O2 = 2CO

e) PbO + C = CO + Pb

f) C +2H2 = CH4

(15p) 8. Se ard complet 300 Kg cărbune de puritate 20% . Ce cantitate în grame și moli de

produs de reacție se obține?

(5p) 9. Completați rebusul astfel încât de la A la B sa obțineți denumirea nemetalului studiat.

A

B

Succes!

Barem de corectare:

Diamant, grafit, fulerene, cărbuni de pământ, anorganice, organice, gr. IVA, per. 2, valența IV, AC = 12 u.a.m, hidrocarburi 10p

Naturali: antracit, huilă, lignit, turbă; Artificiali: mangal, cocs, cărbune animal 10p

Diamant: refractă lumina, este foarte dur, bijuterii. Șlefuirea metalelor 10p

Grafit: clivează, bun conducător de electricitate, electrozi, creion

Cărbuni de pământ: ard cu degajare de căldură, combustibili

a – f; b – A; c – F; d – A; 4 x 2,5p = 10p

b) 10p

a) 10p

1 a,d; 2 b, c, e; 3 f. 10p

m Cpur = 60 kg; 5 kmoli= 5000 moli CO2; 220 kg CO2 3 x 5p = 15p

1. Sticlă 2. Grafit 3. Patru 4. Turbă 5. Solidă 6. Diamant 5p

Posttest 2

Testul sumativ a fost aplicat la finalul unității de învățare Carbon”, echivalent din punct de vedere al nivelului de dificultate și al ponderii diferitelor tipuri de itemi cu cel anterior, pretest 1. Reluarea conținuturilor „Proprietăți fizice, Proprietăți chimice” cu centrarea activităților pe integrarea experimentului de laborator au avut ca scop testarea variabilei independente și monitorizarea evoluției elevilor.

Test de evaluare (II) – Carbonul

(10p) 1. Atomul de carbon are următoarea structură :

E

Caracteristicile atomului sunt:

L

Z = 6

K A =12

Nucleu …………

iar poziția lui în sistemul periodic este: …………………………………, valență …….

(10p) 2. Completați spațiile libere:

Carbonul în natură se găsește în stare liberă sub formă de …………, ……… ,……… ,

…………….. care diferă între ele prin………………………….., cât și sub formă de

combinații ………………………..și………………………….

(10p) 3. Apreciază cu adevărat (A) sau fals (F) următoarele afirmații:

a) Carbonul este un gaz incolor, fǎra gust, fǎra miros. A / F.

b) Monoxidul de carbon este un gaz toxic. A / F.

c) Grafitul este utilizat la tǎierea sticlei. A / F.

d) Diamantul lasǎ urme pe hârtie. A / F.

e) Grafitul este utilizat la fabricarea electrozilor. A / F.

f) Diamantul și grafitul se dizolvǎ în apǎ. A / F.

(10p) 4. Asociați proprietăților coloanei B forma corespunzătoare din coloana A:

A B

1. ……………….diamant a. transparent

2. ……………….grafit b. clivează

3. ……………… cărbuni naturali c. negru-lucios

d. izolator

e. conductor

f. combustibil

g. duritate 10

(10p) 5. Carbonatul care conține 12 % C este:

a) CaCO3

b) MgCO3

c) Na2CO3

(5p) 6. Pentru recunoașterea CO2 se folosește:

a) turnesol

b) apă de var

c) fenolftaleină

(10p) 7. Încălzind într-o eprubetă carbonat de amoniu ați recunoscut:

a) CO2 cu ajutorul unui chibrit aprins

b) NH3 cu o hârtie de turnesol umezită

c) H2O după picăturile de pe pereții eprubetei

d) toate răspunsurile corecte

(15p) 8. Completați ecuațiile următoare și stabiliți coeficienții:

C + H2O (v) = ………. + ……..

C + CuO = Cu + ……..

C + O2= ……….. (ardere completă)

C+ O2 = ………….(ardere incompletă)

C + Fe2O3 = ………. + CO

10p 9. Se descompun termic 500 kg calcar (CaCO3.) cu 20% impuritǎți. Volumul de CO2 obținut este:

a) 89,6l; b) 22,4l; c) 89,6 m3; d) 44,8m3

Se acordă 10 puncte din oficiu.

Succes!

Barem de corectare:

6p, 6n, 6e, K2L4, gr. 14 (IVA), per. 2, tetravalent 10p

Diamant, grafit, fulerene, cărbuni de pământ, structură, organice și anorganice 10p

a – A; b – F; c – F; d – F; e – A; f – F 10p

1a, d, g; 2b, e; 3c, f. 10p

a 10p

b 5p

d) 10p

C + H2O (v) = CO + H2 5x3p = 15p

C + 2CuO = 2Cu + CO2

C + O2 = CO2. (ardere completă)

2C+ O2 = 2CO (ardere incompletă)

3C + 2Fe2O3 =4Fe + 3CO2

Ecuația reacției 5p total 10p

c)V=89,6 m3 CO2 5p

Test de evaluare sumativă – NEMETALE: Oxigen, Carbon

(10p) 1. Alege răspunsul/răspunsurile corect/corecte.

Ponderea răspândirii oxigenului în natură este: a) 21%; b) 49% ; c) 78%.

Diamantul este: a) transparent; b) opac; c) negru.

Suferă fenomenul de clivaj: a) diamantul ; b) cărbunii de pământ ; c) grafitul.

Este prezent în toți compușii organici: a) oxigenul; b) carbonul; c) alt element

Carbonul este un nemetal: a) în stare lichidă, la temperatură obișnuită; b) insolubil în apă; c) în stare gazoasă la 100oC, d) cu miros sufocant.

Reprezintă proprietăți chimice ale oxigenului: a) dizolvarea oxigenului în apă; b) arderea metalelor în oxigen; c) comprimarea oxigenului în cilindrii de speciali; d) arderea nemetalelor în oxigen.

(10p) 2. Apreciază cu adevărat (A) sau fals (F) următoarele afirmații:

Carbonul este un gaz incolor, fǎra gust, fǎră miros. A / F.

Monoxidul de carbon este un gaz toxic. A / F.

Oxigenul este folosit în respirația animalelor și viețuitoarelor subacvatice. A / F

Prin tratarea oxigenului cu nemetale se obțin oxizi metalici. A / F

Ruginirea fierului este o oxidare energică. A / F

(10p) 3. Completați spațiile libere astfel încât să obțineți afirmații complete:

Oxigenul este cel mai ……………….. element din natură. El se găsește răspândit în

stare …………….. și sub formă de ……………….. În urma reacției carbonului cu hidrogenul se obține ………………………… care are formula moleculară…………………….……

Oxigenul are ca utilizări: ………….., …………………., …………………………,……………………..,

……………………….. Cea mai dură substanță cunoscută este ……………………

(25p) 4. Se dă următoarea schemă de reacții în care b este cel mai răspândit element în natură:

1) a → KCl + b↑

2) c → H2O + b↑

3) b + Fe → d

4) b + S→ e

5) Ca + b → f

6) C + b g ( ardere completă)

7) C + b h ( ardere incompletă)

Completează cerințele din tabelul de mai jos.

(10p) 5. Asociați cifrelor din coloana A literele din coloana B:

A B

a…………C 1. cea mai mare duritate;

b………….diamant 2. folosiți drept combustibili

c………….grafit 3. prezintă fenomenul de clivaj

d………….cărbuni de pământ 4. nemetal prezent în toate substanțele organice

(10p) 6. Ce cantitate de hidrogen se consumă în reacție cu 20 g de cărbune de puritate 72% ? Ce volum de gaz rezultă din reacție ? (AH =1; AC =12)

(15p) 7. Reacționează 160 g de sulf cu oxigen. Calculează:

masa de oxigen care a reacționat;

masa de dioxid de sulf obținută;

masa de soluție de acid sulfuros 10% obținută în urma reacției apei cu substanța obținută la punctul b).

Succes!

Barem de corectare:

49%; transparent; grafitul; carbonul; insolubil în apă; arderea metalelor în oxigen, arderea nemetalelor în oxigen 10p

a – F ; b – A; c – A; d – F; e – F 10p

răspândit, liberă, combinații (compuși), metan, CH4, indispensabil vieții, respirație, tăierea metalelor, aparat autonom, medicină, diamant 10p

1) 2KClO3 → 2KCl + 3O2↑ a = KClO3 7 x 3p = 21p

2) 2H2O2 → 2H2O + O2↑ b = O2 8 x 0,25p = 4p

3) 2O2 + 3Fe → Fe3O4 c = H2O2 total 25p

4) O2 + S→ SO2 d = Fe3O4

5) 2Ca + O2 → 2CaO e = SO2

6) C + O2 CO2 ( ardere completă) f = CaO

7) 2C + O2 2CO ( ardere incompletă) g = CO2

h = CO

a – 4 b -1 c -3 d -2 5p

14, 4 g C pur = 1,2 moli C; 2,4 moli H2= 4,8g H2; VCH4= 26,88 l 10p

a) 160 g O2; b) 320 g SO2; c) md= 460g H2SO3; ms = 4600g sol 10% H2SO3

3x5p =15p

III.4. Rezultate și interpretare

Analiza eșantionului din punct de vedere calitativ în etapa prealabilă acțiunii variabilei independente prin utilizarea metodei cercetării documentelor școlare (registre matricole), a permis înregistrarea unor valori reprezentative privitoare la variabilele implicate înaintea experimentării și anume mediile generale la disciplina chimie la sfârșitul clasei a VII-a (anul școlar anterior). Prin aplicarea metodei de măsurare a datelor numită determinarea tendinței centrale a datelor, respectiv media media aritmetică aplicată astfel:

Media aritmetică a colectivului (M): M =, unde:

= sumă de; XI – notele individuale înregistrate; N = nr. elevilor;

Tabel analitic 3.3

Nr. elevi cu medii cuprinse între:

s-a calculat că: M = = 7,53

În urma aplicării testului de evaluare inițială (prezentat la pagina 145-146), conform obiectivului 2 al etapei constatative, s-au obținut următoarele rezultate:

Tabel analitic 3.4

Rezultatele obținute în urma aplicării testului inițial la eșantionul experimental

Media clasei: a VIII-a: 6,35

Tabel sintetic 3.5 (test inițial pagina 145-146)

Rezultate absolute și procentuale (pe itemi)

Concluziile stabilite în urma aplicării testului inițial:

O parte dintre elevi întâmpină dificultăți în efectuarea de calcule bazate pe utilizarea formulelor chimice (itemul 9 nefiind rezolvat decât de un număr scăzut de elevi, 14,2%, itemul 8, 30%), în modelarea proceselor de ionizare (itemul 5, 17,7%), impunându-se revenirea asupra acestor noțiuni (formule chimice, ionizare, calcule chimice) și introducerea acestora în planul de recuperare pentru semestrul I.

S-au observat dificultăți în rândul unor elevi la scrierea reacțiilor chimice, egalarea și recunoașterea tipului de reacție (itemul 12, 42,3%), chiar și la modelarea structurii atomice și la calcularea maselor moleculare (itemul 4, 50,3% și itemul 7, 53%).

Măsuri de remediere:

Alcătuirea unor grupe de nivel asemănător pentru a rezolva sarcini de complexitate diferențiată;

Elaborarea unor fișe de lucru pentru individualizarea învățării;

Activități de învățare care să alterneze munca colectivă cu cea individuală și cu munca în echipă;

Rezolvarea unor sarcini de lucru cu punerea accentului pe noțiunile deficitare observate.

Pentru a stabili reperele inițiale referitoare la motivația învățării, rolul culturii generale în formarea culturii profesionale, semnificația notei și succesului școlar, rolul și importanța instruirii practice prin lucrări de laborator în formarea deprinderilor, abilităților și priceperilor specifice chimiei, au fost prelucrate datele obținute în urma aplicării chestionarului.

Prima întrebare a urmărit ”situarea chimiei, ținând seama de accesibilitate, aplicabilitate, atractivitate într -un top 5 al materiilor preferate”, rezultatele fiind grupate astfel:

Diagrama de comparație 3.2

Se poate observa că, totuși, doar un număr mic de elevi situează chimia ca fiind o disciplină favorită, marea majoritate clasând-o pe locurile 4 sau 5, considerând că materia este solicitantă, greu accesibilă și presupune un efort intelectual sporit. Anticipând parțial acest răspuns al elevilor, următoarea întrebare ”În ce activități ți-ai dori să fii implicat la ora de chimie sau legat de ora de chimie?” a avut rolul de a veni în întâmpinarea copiilor și a identifica ceea ce preferă ei și ceea ce i-ar putea motiva în a recepta cu mai multă plăcere noțiunile de chimie:

Diagrama de comparație 3.3

Cei mai mulți dintre elevi au ales implicarea în activități de laborator ca fiind opțiunea lor predominantă, indicând potențialul acestei metode pentru a suscita interesul mai mare în desfășurarea lecțiilor de chimie. Deoarece chimia este o știință experimentală, dar și o știință exactă care necesită raționament, care face apel la algoritmizare, problematizare, s-a dorit a se sonda opinia elevilor referitoare la diversele tipuri de activități care sunt cuprinse în procesul de predare-învățare-evaluare la chimie. Astfel se observă că la activitățile preferate se găsesc cele care cuprind partea practic-aplicativă (experimente reale, virtuale sau discuții despre utilizări și aplicații practice ale substanțelor chimice), la polul opus regăsindu-se activitățile care includ rezolvarea de probleme, scrierea reacțiilor chimice:

Histograma 3.1

Luând în considerare și randamentul școlar obținut de elevi, procentul celor care consideră că activitățile de laborator i-ar putea ajuta să-și îmbunătățească performanțele este unul ridicat:

Diagrama areolară 3.4

Același lucru se poate evidenția și din comparațiile indicate în graficele reprezentate ca urmare a colectării răspunsurilor elevilor la întrebările 6, 7, 8, 9:

Histograma 3.2

Întrebarea care dorește să concluzioneze stadiul inițial al experimentării și anume: ”Considerați că disciplina chimie reprezintă una din materiile importante pentru pregătirea voastră profesională viitoare, respectiv cultura generală a fiecăruia dintre voi?” a solicitat din partea elevilor un răspuns de tipul ”Da sau Nu” cu argumentarea fiecărei situații. Au existat motivări interesante ale elevilor atât ”pro” cât și ”contra” bazate pe sinceritate. Astfel din cei 27 de elevi au dat răspunsul ”Nu” 6 elevi motivând acest răspuns cu afirmații precum:

”Nu îmi place chimia”, ”Nu o consider importantă pentru mine”, ”Nu, deoarece mă voi îndrepta spre alt domeniu”, aceștia din urmă referindu-se la orientarea lor școlară și profesională ulterioară. Pe de altă parte, 21 de elevi au răspuns cu ”Da”, motivând variat răspunsul:

” Învățăm despre natură”, ”Pentru viața de zi cu zi”, ”Ne poate ajuta în viitor chiar dacă nu vom alege un domeniu legat de ea”, ”Voi ști să utilizez substanțele chimice și să mă feresc de cele dăunătoare”, ”Învățăm lucruri importante”,”Vom deveni ceva în viață și vom putea să-i ajutăm pe cei ce nu știu chimie”, ”Îmi doresc să continui în acest domeniu al științelor naturii care ne oferă informații folositoare pentru viață”, ”Deoarece substanțele chimice există peste tot și ar trebui să știm ceva despre ele”,”Pentru a mă ajuta să devin medic”, ”Deoarece mă îndrept spre un liceu de profil și cred că chimia trebuie studiată și, mai ales, experimentată cât mai des”, ”Învățăm despre substanțele din corpul nostru”.

Urmărind aceste răspunsuri finale ale elevilor, s-a concluzionat că punerea în aplicare a demersului experimental în etapa următoare, respectiv aplicarea variabilei independente, va avea ca scop validarea ipotezelor inițiate, în același timp încercându-se ”câștigarea” și atragerea elevilor spre studiul chimiei, oferindu-le alternative de studiu interesante care să le insufle dorința de a se apropia cât mai mult de această disciplină.

În etapa intervenției ameliorative, a cercetării propriu-zise, s-a urmărit parcurgerea lecțiilor din eșantionul de conținut, aplicându-se preteste atât la unitatea de învățare ”Oxigen” (pretest 1), cât și la unitatea de învățare ”Carbon” (pretest 2), lecțiile desfășurându-se în varianta clasică.

Rezultatele înregistrate în urma aplicării acestor teste au fost următoarele:

Tabel sintetic 3.6 Diagrama de comparație 3.5

Rezultate pretest 1 (Oxigen):

Media aritmetică a colectivului (M): M =, M = 6,62

Modulul sau dominanta (m) – valoarea sau media cu cea mai mare frecvență din șirul măsurătorilor: m = 6,53

Tabel sintetic 3.7 Diagrama de comparație 3.6

Rezultate pretest 2 (Carbon)

Media aritmetică a colectivului (M): M =, M = 6,33

Modulul (dominanta), m = 7

În această etapă s-au avut în vedere, pe lângă introducerea experimentului de laborator ca factor esențial în desfășurarea demersului de cercetare, și câteva principii și reguli de bază pentru completarea demersului ameliorativ în cadrul colectivului de elevi:

– dezvoltarea unui program de recuperare – destinat elevilor cu lacune, esențial în pregătirea anterioară și organizat în vederea atingerii performanțelor minimal acceptabile, aplicând fișe individualizate, diferențiate;

– dezvoltarea unui program de îmbogățire – destinat elevilor capabili de performanțe superioare standardelor prevăzute de programele școlare, de asemenea utilizând aplicând fișe individualizate, diferențiate;

– învățarea a fost motivată; tuturor elevilor le-au fost sugerate căi viabile de rezolvare, încredere în ei înșiși;

– elevii au fost încurajați să colaboreze desfășurând proiecte în echipă, dar și să se întreacă unul pe altul, stimulând competiția;

– fiecare elev în parte a fost conștientizat în mod direct că este capabil de performanțe extraordinare, dacă va depune eforturi mai mari și se va concentra mai mult.

Rezultate obținute de către elevi după intervenția variabilei independente, la posttest:

Tabel sintetic 3.8 Rezultate Posttest1 (Oxigen) Diagrama de comparație 3.7

Media aritmetică a colectivului (M): M =, M = 7, 37

Modulul (dominanta), m = 7,5

Tabel sintetic 3.9 Diagrama de comparație 3.8

Rezultate Posttest2 (Carbon):

Media aritmetică a colectivului (M): M =, M = 7,48

Modulul (dominanta), m=7,5

Comparând cele 2 categorii de rezultate se poate observa o reală îmbunătățire a rezultatelor elevilor. Astfel progresul școlar obținut la parcurgerea unității de învățare Oxigen este reflectat de diferența dintre mediile obținute de către eșantion înainte și după aplicarea experimentului de laborator, ca variabilă independentă:

Poligon de frecvență 3.1

Diagrama de progres după media clasei 3.9

Pentru unitatea de învățare Carbon, rezultatele obținute de către elevi în urma aplicării la clasă a experimentului de laborator sunt semnificativ mai ridicate ceea ce indică un randament

crescut al învățării:

Poligon de frecvență 3.2

Diagrama de progres după media clasei 3.10

Se poate constata deci că intervenția factorului experimental a condus în ceea ce privește variabilele dependente la:

– deplasarea frecvenței notelor corespunzătoare zonei submediocrității spre zona rezultatelor bune, chiar foarte bune la învățătură;

– anularea frecvenței notelor aflate sub valoarea minim acceptabilă și apariția celor corespunzătoare zonei apropiate nivelului standard maximal.

De asemenea pentru a măsura gradul de influență a utilizării metodei experimentului de laborator asupra performanțelor școalare ale elevilor s-a aplicat un test sumativ la finalul parcurgerii învățării la nemetalele oxigen și carbon. Rezultatele obținute ilustrează un progres comparativ cu rezultatele obținute la testul inițial administrat în etapa premergătoare demersului cercetării propriu-zise.

Tabel sintetic 3.10

Rezultate test sumativ:

Media aritmetică a colectivului (M): M =,

M = 7,22

Diagrama de comparație 3.11