Понятие о химической организации веществ на макроуровне

включает следующие знания: агрегатное состояние и агрегатные изменения веществ, вещества молекулярного и немолекулярного строения, кристаллическое строение твердых веществ, кристалли­ческие решетки, их типы.

В химии выделено три основных формы химической организа­ции веществ на макроскопическом уровне (Ю. А. Жданов, В. И. Кузнецов и др.).

1. Дальтонидная форма, подразумевающая как микрочастицы'(молекулы, сложные ионы, свободные радикалы), так и макрове­щества, образованные данными частицами (молекулярные веще­ства, многие ионные соединения в парообразном состоянии и др.).
В школьном курсе химии эта основная форма химической органи­зации вещества представлена преимущественно молекулярными веществами, т. е. как форма, характерная для веществ, состоя­
щих из молекул в любом агрегатном состоянии. Ее характеризу­ют: дискретность, постоянство состава соединений, прочность хи­мических связей в молекулах мельчайших носителях их
химических  свойств. Молекулярные соединения — относительно замкнутые электронно-ядерные системы.

2. Бертоллидная форма, присущая и микрочастицам, и их макросистемам, способным к «бесконечному» их росту в трехмерном пространстве. К ним относятся такие химические соединения переменного состава, как твердые металлические сплавы ряд кристаллических оксидов металлов, гидридов, солей, носителями свойств которых являются монокристаллы; жидкие рас
творы, носителями свойств которых являются сольваты; коллоиды; некоторые поверхностные соединения, образующиеся в результате химического взаимодействия монокристалла с молекулами
или атомами в результате их хемосорбции. Соединения бертоллидной формы характеризуются непрерывностью изменений энергии связей, которая варьируется в широких пределах, а отсюда
и их состава, нецельночисленными значениями валентности элементов их составляющих.

3. Переходное состояние, или активизированный комплекс.  В отличие от дальтонидов и бертоллидов частицы активированного комплекса возбуждены, а поэтому отличаются максимумом
потенциальной энергии, динамичностью и неустойчивостью.

Центральные понятия блока знаний о структуре на макроуровне — «кристалл», «кристаллическая решетка». Они изучаются с опорой на понятие «форма соединения», теорию строения атома и теорию твердого тела (физика). Их характеризуют более частные понятия — характеристики: форма кристалла, энергия кристаллической решетки, внутреннее строение кристалла, его обусловленность природой частиц в узлах решетки и силами, связывающими их. Объем этих основных понятий расширяют типы кристаллических решеток (ионные, атомные, молекулярные, металлические) и их классификация по форме упаковки (кубиче­ская, гексагональная и пр.). Содержание понятия «кристалл», «кристаллическая решетка» раскрывается с опорой на межпред­метные понятия «форма», «симметрия», «твердое тело», «энергия плавления», «межмолекулярное взаимодействие частиц» и другие.

3.   Подсистема (блок, модуль) знаний «свойства веществ» включает понятия, отражающие изменения веществ: «химические и физиче­ские свойства», «химическая активность», «реакционная способ­ность». Как правило, все эти понятия используются, но не рас­крываются в материале учебников химии. Поэтому остановимся на их содержании и рассмотрим их взаимосвязи. Известно, что все вещества подвержены изменениям, неизменяемых веществ нет. Вместе с тем каждое имеет качественную определенность, обу­словленную его природой (составом, структурой и другими сущ­ностными признаками). Свойства — это внешнее проявление ка­честв вещества, позволяющее установить его сходства и различия с другими веществами, выделить его из множества других ве­ществ.

Различают физические и химические свойства веществ. Физи­ческие свойства — это свойства, обусловленные макроэнергетическими изменениями, не затрагивающими внутренней природы ве­ществ. Для химического познания наиболее важны химические свойства веществ, т. е. свойства, обусловленные изменением их внутренней природы и связанные с превращениями исходных ве­ществ в новые, с новыми качествами (составом, строением и свойствами). Химические свойства проявляются в химических ре­акциях, во взаимодействиях с другими веществами. В качествен­ном плане они характеризуются химической активностью реаги­рующих веществ.

Физические и химические свойства проявляют реальные ве­щества в их макроформе. Учащиеся наблюдают их визуально, а изучают с помощью физического и химического эксперимента.

В реальных условиях бывает сложно разделить физические и химические свойства (растворение вещества, фазовые переходы, аллотропные видоизменения и др.), поскольку реальному вещест­ву как виду материи присущи разные формы движения. Вместе с тем в обучении химии на первый план выдвигаются химические свойства веществ. Говорить о химических свойствах микрочастиц не корректно. Здесь уместнее использовать понятие «реакцион­ная способность».

Реакционная способность веществ связана с понятиями «хими­ческие свойства», «химическая активность» как более высокий их гомолог. Реакционная способность предполагает и учитывает наличие всех видов взаимодействия данного вещества (его мик­рочастиц и их связей), а также характер протекания реакции во времени. Следовательно, можно говорить о реакционной способно­сти вещества, его частиц и их химических связей. Химическая же активность характеризует лишь отдельные химические свой­ства реальных веществ с качественной стороны. Однако качественная определенность проявляется прежде всего в совокупности существенных свойств вещества. Реакционная способность ве­щества— это вся совокупность его химических свойств.

Реакционная способность вещества обусловлена не только его составом и строением, но и влиянием многих внешних факторов. В обучении следует постоянно подчеркивать, что свойства ве­ществ как проявление их качественной определенности могут количественно изменяться только до определенного предела.

Наблюдая взаимодействия магния и цинка с растворами кис­лот одинаковой концентрации, учащиеся делают вывод о большей химической активности магния по отношению к кислоте. Вывод же о реакционной способности этих веществ они могут сделать лишь на основе теоретического анализа всей совокупности знаний. Следовательно, сформировать эти понятия целесообразно по схеме: свойства веществ — химические свойства — химическая активность — реакционная способность — функция соединения. Реакционная способность как бы фокусирует в себе субстанциональную (статическую) и динамическую стороны химической организации веществ, т. е. всю совокупность знаний о строении веществ и химических реакциях. В этом проявляется системообразующая и обобщающая функция данного понятия, его мировоззренческое значение.

Зависимость свойств веществ от их состава и строения - основная идея химии (В. В. Быков, Б. М. Кедров, В. И. Кузнецов А. А. Печенкин) и ведущая идея построения школьного курса химии. В процессе ее изучения важно устанавливать взаимосвязь между составом, строением и свойствами веществ на всех этапах обучения и разных уровнях химической организации веществ (атомном, надатомном, макромолекулярном).

Взаимосвязь между составом, строением и свойствами веществ на атомном уровне раскрывается на основе межпредметных связей с физикой, так как здесь имеет место ее подчинение законам микромира, описываемым квантовой механикой. Электронно-ядерная система — основной объект этого уровня. Зависимость свойств атомов от состава и строения в данном случае не равнозначна. Одни из свойств атома функционально связаны с ее ставом (заряд ядра, относительная атомная масса), другие - в большей степени с его строением (число валентных электронов валентность, электроотрицательность, энергия ионизации, сродство к электрону). Эти функциональные зависимости свойств атомов от их состава и строения рассматриваются на примере конкретных элементов. Например, анализируя состав атомов азота (ядро атома которого состоит из 7 протонов и 7 нейтронов, вокруг ядра вращается 7 электронов), учащиеся предсказывают его cвойства (заряд ядра, равный +7, и массовое число, равное 14 ) Аналогично раскрывается связь «строение — свойства» (посколь- ку атом азота имеет 5 валентных электронов, из которых 2 прочно спарены, а 3 расспарены, то его максимальная валентность 4 , а степень окисления +5).

По мере усложнения химической организации веществ услож­няются функциональные связи между их составом, строением и свойствами.

Следующий уровень — надатомный, или молекулярный, имеет наиболее важное значение для уяснения химической специфики взаимосвязи строения и свойств веществ, которая обусловлена взаимодействиями электронных оболочек соединяющихся атомов, поэтому главным системообразующим понятием является хими­ческая связь. От ее характера в прямой зависимости находится реакционная способность веществ. Простым молекулам (СО, СН4, NH3, H2O и др.) присуща однозначная зависимость строения от их состава. У более сложных молекул уже на этом уровне строение приобретает независимость от их состава (многочислен­ные случаи изомерии).

   Для большинства веществ зависимость их свойств от строения может быть выяснена лишь на макромолекулярном уровне хими­ческой организации. Только на этом уровне можно обсуждать физические и физико-химические свойства (твердость, электро- и теплопроводность, растворимость и др.). Связи между составом, строением и свойствами веществ здесь наиболее сложны и мно­гообразны. Особую сложность для понимания учащихся пред­ставляют фазовые переходы и процессы растворения веществ. Наиболее легко они устанавливают функциональные зависимости между составом, строением и свойствами тех веществ, которые имеют молекулярное строение во всех состояниях (Н2, НС1, NH3 и др.) и проявляют свои химические свойства в любой фазе поч­ти одинаково.

    Важнейшее системообразующее понятие на макроуровне — «кристаллическая решетка» (структура). Твердые кристалличе­ские вещества представляют принципиально иную группу веществ, в твердой фазе они представлены ионными, атомными и метал­лическими кристаллами. Многие металлы в газообразном со­стоянии состоят из молекул, образованных ковалентной связью (литий, натрий и др.), а в твердом состоянии образуют кристал­лы с помощью особой металлической связи. Ряд соединений, имеющих в газообразной фазе молекулярное строение, конденси­руясь, образуют ионные кристаллы (например, хлорид фосфо­ра (V)). Кроме того, твердые металлы в зависимости от упа­ковки их кристаллов проявляют разную твердость, пластичность и другие свойства.

    При установлении взаимосвязи свойств веществ и их состава и строения учителю следует иметь в виду, что в зависимости от условий и состояния вещество проявляет свойства по-разному.

    Структура системы понятий о веществе. Структуру, или внут­реннюю организацию, системы понятий следует рассматривать как важную часть ее содержания (В. С. Тюхтин и др.). Исходя из такого понимания структуры в обучении очень важно установить и выделить структуру в краткой и наглядной графической форме.

т. е. в виде абстрактно-общего инварианта системы, блоки понятий системы — «атомы», «химическая связь», «химическое соединение», «реакционная способность», их признаки и основные связи системообразования и функционирования. В качестве по­следних прежде всего выделяются закономерности состава, строе­ния и поведения веществ. В этом случае будет обеспечено си­стемное и рациональное усвоение учащимися понятий о веществах.

      2. МЕТОДИКА ФОРМИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ПЕРВОНАЧАЛЬНЫХ ПОНЯТИЙ О ВЕЩЕСТВЕ

  В процессе первоначального познания веществ применяют гене­тический подход: от видимых свойств веществ — к их внутренней организации, к установлению зависимости свойств веществ от их состава и частично атомно-молекулярного строения.

   Формирование первоначальных понятий о веществе проходит три весьма кратких стадии:

 1) эмпирическую; 2) образование ис­ходной системы первоначальных понятий и абстракций;

 3) разви­тие последних на основе атомно-молекулярного учения.

    Важнейшее назначение первоначального этапа изучения ве­ществ состоит в накоплении минимума необходимого эмпириче­ского материала о веществах, в усвоении исходных для даль­нейшего изучения химии понятий и абстракций, элементов хими­ческого языка и опыта познания химии.

   Особенность предлагаемой методики заключена в том, что уже на этом этапе большое внимание уделяется единству экспе­риментального и теоретического изучения веществ, включению вновь формируемых понятий и вводимых абстракций в систему имеющихся знаний, установлению их взаимосвязей, раскрытию и применению химических законов и закономерностей, чет­кому выделению и осознанию сущности понятий и их отношений с помощью символико-графических средств, вооружению метода­ми познания химии. На первом уроке учащиеся узнают, что хи­мия занимается изучением и получением веществ с заданными свойствами, следовательно, они будут изучать три основных об­ласти (группы) химических знаний — вещества, их превращения и технологию промышленного получения вещества с нужными че­ловеку свойствами. На этом уроке учащиеся знакомятся с мето­дами эмпирического познания веществ: наблюдением, описанием, сравнительным методом. Определение понятия вещества учащиеся получили в начальном курсе физики при изучении понятия «тело». На уроке химии следует разграничить эти понятия путем их со­поставления. Для этого используются коллекции: а) тел, образо­ванных одним и тем же веществом (алюминиевые стаканчики, фольга, проволока, пуговица, пластинка), и б) твердых веществ одинаковой формы (палочки меди, цинка, серы, алюминия и др.). Дифференциации понятий «вещество» и «тело» способствует ре­шение познавательных задач. Так, например: докажите, что вода является веществом, опираясь на знания ее агрегатных состояний.

  На основе сравнений тел и веществ уточняются определения этих понятий. Делается вывод: то, из чего состоят физические тела, называется веществом.

  Чтобы разобраться в многообразии окружающих нас веществ и управлять их изменениями, превращениями, надо знать их свой­ства. Свойствами называют признаки, позволяющие отличать од­ни вещества от других или устанавливать их сходство.

  Наблюдение демонстрируемых веществ, работа с раздаточным материалом обеспечивают непосредственно их восприятие. На зна­нии свойств основаны методы эмпирического познания — описа­ния и сравнения веществ.

Описание осуществляется на основе визуально воспринимае­мых свойств веществ. Обучение этому методу учащихся начинает­ся с мотивации его, с составления плана описания.

К осознанию закономерности «свойства — применение» уча­щиеся подводятся на основе собственных примеров и графики. Свойства веществ обусловливают также способы получения, кон­струкцию лабораторных установок и заводских аппаратов, в ко­торых они получаются.

Сравнение — другой метод познания веществ, включающий приемы сопоставления и противопоставления. Он связан с описа­нием. Следует обучить учащихся сравнительному описанию ве­ществ.