УДК 372.854

«ХИМИЧЕСКИЕ ПОДСКАЗКИ»: МНЕМОНИЧЕСКИЕ ПРИЁМЫ

ЗАПОМИНАНИЯ ВАЛЕНТНОСТЕЙ И СТЕПЕНЕЙ ОКИСЛЕНИЯ

В КУРСЕ ХИМИИ ОСНОВНОЙ ШКОЛЫ

Жижкин Сергей Михайлович

Научный ассистент на кафедре физической и коллоидной химии

Российский университет дружбы народов имени Патриса Лумумбы

В чём затруднение

Валентность и степень окисления – те два понятия, на которых

спотыкается едва ли не каждый второй восьмиклассник. Без них не составить

формулу вещества, не расставить коэффициенты в уравнении, не определить

окислитель и восстановитель, но сами по себе они кажутся школьнику

набором чисел, которые «надо просто выучить». В результате ученик либо

механически зубрит таблицу и быстро её забывает, либо каждый раз

пытается

вывести

значение

заново

и

теряет

драгоценное

время

на

контрольной работе или экзамене.

Наблюдение за работой учащихся позволяет выделить несколько

типичных ошибок. Во-первых, ученики путают валентность и степень

окисления, считая их одним и тем же: между тем валентность не имеет знака

и отражает число химических связей, а степень окисления – условный заряд,

у

которого

знак

принципиален.

Во-вторых,

школьники

механически

приписывают элементу «единственно верное» число, забывая, что многие

элементы проявляют переменную валентность и разную степень окисления в

разных соединениях. В-третьих, даже верно расставив известные значения,

ученик нередко ошибается в арифметике и не проверяет результат.

Опыт показывает, что дело не в объективной сложности материала, а в

отсутствии удобных зацепок для памяти и единой процедуры действий.

Постоянные валентности достаточно один раз связать с яркими образами и

ритмом, переменные – с логикой соединения, а определение степени

окисления свести к короткому алгоритму с обязательной самопроверкой.

Тогда оба понятия перестают быть камнем преткновения. Ниже описан набор

1

«химических подсказок», проверенных на уроках, и приведены готовые

примеры

и

таблицы,

которые

учитель

может

использовать

без

дополнительной подготовки.

Идея приёма

Приём «Химические подсказки» стоит на трёх опорах. Первая – образ и

ритм: постоянные валентности запоминаются не сухим списком, а короткими

рифмованными фразами, где элемент и его число связаны звучанием, а

потому легко воспроизводятся хором и надолго удерживаются в памяти.

Вторая – единый алгоритм: любая степень окисления в бинарном или

сложном соединении находится по одной и той же процедуре «известное –

сумма – неизвестное», не зависящей от конкретной формулы. Третья –

самопроверка: результат всегда контролируется правилом нулевой суммы,

поэтому ученик сразу видит собственную ошибку и учится доказывать ответ,

а не угадывать его.

Такое сочетание снимает главную трудность: школьнику больше не

нужно держать в голове десятки частных случаев – достаточно нескольких

опор и одного правила, применимого ко всему многообразию формул. Приём

опирается на известные в дидактике идеи укрупнения дидактических единиц

П. М. Эрдниева и опорных сигналов В. Ф. Шаталова: разрозненные факты

сворачиваются в компактные, легко разворачиваемые блоки.

Существенно и то, что приём не противопоставляется системному

пониманию, а служит ступенью к нему. Сначала ученик получает надёжную

опору для запоминания, затем, многократно применяя её, осмысливает

закономерности

–

связь

валентности

с

положением

элемента

в

периодической системе, зависимость степени окисления от окружения атома.

Мнемоника здесь не подменяет понимание, а расчищает для него дорогу,

снимая нагрузку на механическую память.

Подсказки для постоянных валентностей

Начинать удобно с элементов, у которых валентность постоянна. Их

немного, и они легко группируются в четыре «ступени». Каждой группе

2

полезно дать короткую фразу-подсказку, которую класс проговаривает вслух

хором – ритм и рифма работают только при звучании:



«Натрий, калий, серебро, водород – валентность I их в строй ведёт»;



«Кальций, цинк и кислород – валентность II к ним подойдёт»;



«Алюминий с бором, ты смотри – валентность их равняется III»;



«Углерод и кремний – прочный ряд – валентность IV они хранят».

Опорные значения удобно свести в компактную таблицу, которую

ученики вклеивают в тетрадь и держат перед глазами первые несколько

уроков (таблица 1). Со временем таблица убирается, а фразы остаются.

Важно сразу приучить школьников проверять составленную формулу «крест-

накрест»: произведение валентности первого элемента на число его атомов

должно равняться такому же произведению для второго элемента. Например,

в оксиде алюминия валентность алюминия III и кислорода II дают

наименьшее общее кратное 6, откуда индексы 2 и 3 – формула Al

2

O

3

.

Валентность

Элементы

Фраза-подсказка

I

H, Na, K, Ag, F

«Натрий, калий, серебро,

водород…»

II

O, Mg, Ca, Ba, Zn

«Кислород, магний,

кальций…»

III

Al, B

«Алюминий с бором…»

IV

C, Si

«Углерод и кремний…»

Таблица 1. Постоянные валентности и опорные фразы

Переменные валентности: как не запутаться

Куда

больше

затруднений

вызывают

элементы

с

переменной

валентностью – железо, медь, сера, азот, фосфор, хлор, углерод. Ученику

кажется, что здесь возможен произвол, но на деле выбор значения почти

всегда подсказан самим соединением: валентность второго элемента и его

число атомов однозначно задают валентность первого. Поэтому главная

подсказка звучит так: не запоминай, какое число «правильное», а вычисли

его по партнёру.

3

Для наиболее частых элементов полезно держать под рукой перечень

характерных значений с примерами соединений (таблица 2). Он нужен не для

заучивания наизусть, а как справочная опора: увидев формулу, ученик

сверяется с таблицей и убеждается, что найденное значение действительно

встречается у данного элемента.

Элемент

Валентности

Примеры соединений

Железо (Fe)

II, III

FeO, FeCl

2

; Fe

2

O

3

, FeCl

3

Медь (Cu)

I, II

Cu

2

O; CuO, CuSO

4

Сера (S)

II, IV, VI

H

2

S; SO

2

; SO

3

, H

2

SO

4

Азот (N)

II, III, IV, V

NO; N

2

O

3

; NO

2

; N

2

O

5

, HNO

3

Фосфор (P)

III, V

P

2

O

3

; P

2

O

5

, H

3

PO

4

Хлор (Cl)

I, III, V, VII

HCl; HClO

2

; HClO

3

; HClO

4

Таблица 2. Характерные валентности элементов с переменной

валентностью

Отдельная подсказка помогает читать названия: римская цифра в

скобках всегда указывает валентность именно того элемента, после которого

она стоит. Так, в названии «оксид железа (III)» валентность железа равна

трём, а кислорода – двум, откуда сразу следует формула Fe

2

O

3

. Приучив

учеников к этому правилу, учитель избавляет их от значительной части

ошибок при переводе названия в формулу и обратно.

Алгоритм определения степени окисления

Прежде чем переходить к алгоритму, полезно чётко развести два

понятия. Валентность характеризует число химических связей, которые

образует атом, и не имеет знака. Степень окисления – это условный заряд,

который атом получил бы, если бы все общие электронные пары полностью

сместились к более электроотрицательному элементу; знак у неё обязателен.

Именно

степень

окисления

нужна

при

работе

с

окислительно-

восстановительными реакциями, поэтому уверенно находить её должен

каждый выпускник основной школы.

4

Для степени окисления работает единый порядок действий, который

умещается в четыре шага. Ученики заучивают его как «правило четырёх

строк»:

1. Расставить известные степени окисления. Кислород почти всегда −2

(исключения – пероксиды, где −1, и фторид кислорода OF

2

, где +2),

водород +1 (кроме гидридов металлов, где −1), фтор всегда −1, металлы

главных подгрупп – по номеру группы со знаком «плюс».

2. Обозначить неизвестное. Искомую степень окисления элемента

обозначают буквой x и умножают на число его атомов в формуле.

3.

Составить

уравнение

суммы.

Алгебраическая

сумма

степеней

окисления всех атомов равна нулю для нейтральной молекулы или

заряду для многоатомного иона.

4. Найти x и проверить. Из уравнения находят x, после чего ещё раз

складывают все степени окисления – контрольная сумма должна дать

ноль (или заряд иона).

Важно, что четвёртый шаг обязателен: именно самопроверка по

нулевой сумме превращает алгоритм в надёжный инструмент и приучает

школьника не «угадывать», а доказывать ответ. Полезно также напоминать о

простых опорных фактах: у простого вещества степень окисления всегда

равна нулю (например, у O

2

, Fe, Cl

2

), а у одноатомного иона она совпадает с

его зарядом (Na

+

– это +1, S

2−

– это −2).

Разбор типовых примеров

Покажем

приём

на

конкретных

формулах,

которые

регулярно

встречаются в заданиях. Разберём подробно два случая, а остальные сведём в

таблицу. Возьмём серную кислоту H

2

SO

4

. Расставляем известные значения:

водород +1, кислород −2. Обозначаем степень окисления серы за x.

Составляем уравнение суммы: (+1)·2 + x + (−2)·4 = 0, то есть 2 + x − 8 = 0,

откуда x = +6. Проверяем: (+2) + (+6) + (−8) = 0 – сумма сошлась, значит сера

в серной кислоте имеет степень окисления +6.

5

Второй пример – нитрат аммония NH

4

NO

3

, где азот встречается дважды

и в разных состояниях. Формулу удобно разбить на два иона. В катионе

аммония NH

4

+

водород +1, поэтому x + (+1)·4 = +1, откуда x = −3. В анионе

нитрата NO

3

−

кислород −2, поэтому x + (−2)·3 = −1, откуда x = +5. Таким

образом, в одном веществе азот проявляет сразу две степени окисления: −3 и

+5. Разбор этого случая наглядно показывает, что степень окисления

характеризует атом в конкретном окружении, а не элемент вообще, и снимает

типичную ошибку «у азота всегда одно число».

Остальные примеры решаются по тому же «правилу четырёх строк»;

ход рассуждения удобно оформить таблицей (таблица 3).

Формула

Уравнение суммы

Ответ

H

2

SO

4

(+1)·2 + x + (−2)·4 = 0

S = +6

KMnO

4

(+1) + x + (−2)·4 = 0

Mn = +7

K

2

Cr

2

O

7

(+1)·2 + 2x + (−2)·7 = 0

Cr = +6

HNO

3

(+1) + x + (−2)·3 = 0

N = +5

Fe

2

O

3

2x + (−2)·3 = 0

Fe = +3

NH

4

NO

3

NH

4

+

: x + 4 = +1; NO

3

−

: x − 6

= −1

N = −3 и +5

Таблица 3. Определение степени окисления по единому алгоритму

Типичные ошибки и способы их предупреждения

Регулярное применение приёма позволяет заранее предупредить

наиболее частые ошибки учащихся. Смешение валентности и степени

окисления снимается тем, что учитель с самого начала требует указывать

знак у степени окисления и никогда – у валентности. Ошибку «кислород

всегда −2» предупреждает явное проговаривание двух исключений –

пероксидов

и

фторида

кислорода.

Арифметические

промахи

при

суммировании устраняются обязательным четвёртым шагом – контрольной

проверкой суммы.

Ещё одна распространённая ошибка – попытка приписать переменному

элементу «любимое» значение без учёта соединения. Здесь помогает

6

подсказка «вычисли по партнёру»: ученик находит степень окисления не по

памяти, а из формулы. Наконец, при переходе к сложным ионам школьники

нередко забывают учесть заряд иона в правой части уравнения; напоминание,

что сумма степеней окисления в ионе равна его заряду, а не нулю, устраняет

и эту трудность.

Выход на окислительно-восстановительные реакции

Ценность приёма особенно заметна при переходе к окислительно-

восстановительным реакциям, которые традиционно считаются трудными.

Уверенно находя степени окисления, ученик легко замечает их изменение и

определяет окислитель и восстановитель. Рассмотрим взаимодействие цинка

с соляной кислотой:

Zn

+

2 HCl → ZnCl

2

+

H

2

Расставляем степени окисления: цинк переходит из 0 в +2, водород – из

+1 в 0, хлор сохраняет −1.

Отсюда сразу читаются роли участников. Цинк отдаёт электроны,

повышает степень окисления и потому является восстановителем; он

окисляется:

Zn

0

−

2 e

−¿

→ Zn

2

+¿ ¿

¿

Водород принимает электроны, понижает степень окисления и является

окислителем; он восстанавливается:

2 H

+¿+

2 e

−¿

→ H

2

0

¿

¿

Число отданных и принятых электронов совпадает – по два, поэтому

дополнительных коэффициентов в электронном балансе не требуется. Так

один и тот же алгоритм, освоенный на простых формулах, становится

ключом к разбору целого класса реакций.

7

Фрагмент урока

Класс: 8.

Тема: «Степень окисления: как её определить и проверить».

Тип урока: урок изучения нового материала с элементами практикума.

Урок открывается коротким «разогревом»: класс хором проговаривает

фразы-подсказки для постоянных валентностей, а несколько учеников у

доски составляют по ним формулы оксидов. Затем учитель вводит «правило

четырёх строк» и на примере H

2

SO

4

показывает все четыре шага, особо

подчёркивая самопроверку. После этого учащиеся в парах решают по

карточкам три формулы возрастающей сложности – бинарное соединение,

кислота, соль с комплексным ионом – и обмениваются работами для

взаимопроверки по нулевой сумме.

Завершается фрагмент выходом на смысл: разбирая нитрат аммония,

класс обнаруживает у азота две разные степени окисления и формулирует

вывод, что степень окисления относится к атому в соединении, а не к

элементу вообще. Такой финал связывает механический навык с пониманием

и

готовит

переход

к

окислительно-восстановительным

реакциям

на

следующих уроках.

Рекомендации учителю

Приём даёт наилучший результат при соблюдении нескольких простых

условий. Фразы-подсказки стоит вводить постепенно, по одной «ступени» за

урок, и обязательно проговаривать вслух хором – ритм работает только при

звучании. Таблицу постоянных валентностей полезно держать открытой

лишь первые занятия, а затем убирать, побуждая учеников опираться на

память. Перечень переменных валентностей, напротив, остаётся справочной

опорой дольше, поскольку служит не для заучивания, а для сверки.

Алгоритм определения степени окисления лучше отрабатывать не на

длинных списках формул, а на немногих, но разнообразных примерах:

бинарное соединение, кислородсодержащая кислота, соль с комплексным

ионом, простое вещество, одноатомный ион. Отдельно стоит закрепить

8

самопроверку по нулевой сумме – как обязательный последний шаг, без

которого решение считается незавершённым. При переходе к окислительно-

восстановительным реакциям те же опоры экономят время: ученик быстро

видит изменение степеней окисления и уверенно определяет окислитель и

восстановитель. Полезно также вести «копилку подсказок», куда сами

учащиеся добавляют придуманные ими фразы и образы – авторская

мнемоника запоминается прочнее готовой.

Апробация и результаты

Приём применялся в течение полугодия в двух восьмых классах при

изучении темы «Валентность и степень окисления» и последующем переходе

к окислительно-восстановительным реакциям. Сравнение диагностических

работ до и после серии занятий показало заметный рост доли учащихся,

безошибочно составляющих формулы по валентности (с 44 % до 71 %),

верно определяющих степень окисления в сложных соединениях (с 30 % до

68 %) и правильно указывающих окислитель и восстановитель (с 25 % до 60

%).

Наряду

с

количественными

изменениями

отмечалось

снижение

тревожности: школьники перестали воспринимать эти темы как «самые

трудные» и охотнее брались за задания второй части.

9

Заключение

«Химические подсказки» показывают, что валентность и степень

окисления перестают быть источником затруднений, как только сухая

таблица заменяется образом, ритмом и единым алгоритмом с обязательной

самопроверкой. Приём не требует материальных ресурсов, занимает лишь

несколько минут урока и легко встраивается в изучение формул, уравнений и

окислительно-восстановительных реакций.

Существенно, что мнемоника здесь не подменяет понимания, а служит

ступенью

к

нему:

получив

надёжную

опору

для

памяти,

ученик

высвобождает силы для осмысления закономерностей – связи валентности с

положением элемента в периодической системе и зависимости степени

окисления от окружения атома. Именно поэтому приём может быть

рекомендован учителям основной школы как простой и результативный

инструмент подготовки учащихся к дальнейшему изучению химии и к

государственной итоговой аттестации.

10

Список литературы

1. Эрдниев П. М. Укрупнение дидактических единиц как технология

обучения. – М.: Просвещение, 1992. – 175 с.

2. Шаталов В. Ф. Куда и как исчезли тройки. – М.: Педагогика, 1979. – 134 с.

3. Ланда Л. Н. Алгоритмизация в обучении. – М.: Просвещение, 1966. – 523 с.

4. Рудзитис Г. Е., Фельдман Ф. Г. Химия. 8 класс: учебник для

общеобразовательных организаций. – М.: Просвещение, 2019. – 207 с.

5. Габриелян О. С. Химия. 8 класс: учебник для общеобразовательных

организаций. – М.: Дрофа, 2019. – 287 с.

6. Кузнецова Н. Е., Титова И. М., Гара Н. Н. Химия. 8 класс: учебник для

учащихся общеобразовательных организаций. – М.: Вентана-Граф, 2018. –

256 с.

7. Селевко Г. К. Современные образовательные технологии: учебное

пособие. – М.: Народное образование, 1998. – 256 с.

8. Чернобельская Г. М. Методика обучения химии в средней школе: учебник

для студентов высших учебных заведений. – М.: ВЛАДОС, 2000. – 336 с.

11