Глава I. Пути развития понятия о химической реакции в науке и обучении химии

Источник всех наших знаний о природе - ощущения, которые возникают при воздействии внешнего мира на органы чувств и представляют первую ступень отражения предметов и явлений в сознании человека. Ощущения отражают отдельные свойства и стороны предметов и явлений. Так, при наблюдении различных химических реакций учащийся в одном случае видит изменение цвета, происходящее при нагревании смеси веществ, в другом - появление запаха, в третьем - выделение теплоты и т. п.

Взаимодействие ощущений, возникающих при воз-действии одного и того же предмета или явления на раз-личные органы чувств человека, способствует появлению образа предмета или явления. Такой образ называют восприятием. Он возникает на основе некоторого обобщения различных ощущений при участии ранее накопленных знаний.

Предположим, что на одном из первых уроков химии учащемуся будет предложено нагреть пробирку с кристаллами двухромовокислого аммония. При выполнении этого опыта учащийся заметит искры и услышит треск. В пробирке вместо оранжевых кристаллов образуется серо-зеленый порошок, занимающий большую часть сосуда, чем взятые кристаллы. Если до этого с учащимися были разобраны другие химические превращения, в частности такие, которые идут с выделением теплоты, то у каждого учащегося на основе отдельных ощущений (слышится треск, видны искры, увеличивается объем вещества и т. д.) возникает единый образ явления, происходящего при нагревании оранжевых кристаллов и сопровождающегося выделением теплоты.

Для правильной организации восприятий учащимися изучаемых на уроках химии явлений важно учитывать, что в основе восприятия лежит объективная связь их сторон и что вместе с тем в каждом восприятии содержится субъективный элемент. У двух учащихся, в зависимости от развития и состояния органов чувств (зрения, слуха и др.), от предшествующих восприятий и ранее накопленных знаний восприятия одного и того же явления могут несколько различаться.

Восприятия, возникавшие у людей, которые принимали участие в развитии науки, также имели элементы субъективности, но общественно-историческая практика человека способствовала удалению их из восприятий, а тем самым более правильному отражению в сознания объективной связи тех или иных сторон предметов и явлений. Выработанный в дальнейшем метод научного наблюдения дал возможность отразить в восприятии то, что действительно есть в объективной реальности, отбросить все субъективное.

Борьба за правильное отражение в восприятиях объективных связей отдельных сторон предметов и явлений должна проводиться и в обучении. В частности, при формировании понятий об отдельных химических явлениях, как основы для развития понятий о химической реакции вообще, необходимо подготавливать учащихся к живому созерцанию этих явлений, ставя цель наблюдений, указывая, на что следует обратить особое внимание, что может ускользнуть от наблюдения. В некоторых случаях полезно также использовать для наблюдения приборы и аппаратуру (лупа, цветовые эталоны, термоскоп н др.), помогающие совершенствовать способности учащихся ощущать мало заметные стороны явления.

Восприятия в нашем мозгу могут воспроизводиться по памяти в отсутствии соответствующих предметов или явлений. Запечатленное в памяти восприятие - новая ступень в познании объективной реальности, оно называется представлением.

Мы знаем, что учащийся может представить себе то или иное химическое явление, которое ему когда-то приходилось наблюдать, например разложение окиси ртути. Здесь мы имеем дело с представлением памяти.

При формировании понятия о химической реакции приходится иметь дело, кроме того, с представлениями

воображения. Такие представления образуются у учащихся, когда они знакомятся с новым химическим явлением не на основе наблюдения, а по рассказу или при чтении его описания. В этом случае образ явления возникает при комбинации представлений памяти о многих химических реакциях, когда-то непосредственно наблюдавшихся. Например, рассказывая о взаимодействии фтора с водородом, учитель создает у учащихся представление об этом явлении на основе того, что они наблюдали при демонстрации реакций хлора с водородом и др,

В познании объективной реальности представления играют важную роль, они необходимы для развития науки. Уступая восприятиям в яркости, представления являются известным обобщением наблюдаемого, а нахождение общего - важнейшая задача научного познания.

По степени обобщенности восприятий представления делятся на единичные и общие. Когда учащийся вспоминает явление горения серы в кислороде, которое он наблюдал один раз и которое возникло при наблюдении данного единичного явления, то- такое представление называется единичным. При повторном наблюдении горения серы представления становятся более обобщенными и, наконец, возникает общее представление о нем.

На основе восприятий и представлений возникает новая, еще более высокая ступень познания - понятие. Если в восприятиях и представлениях отражаются только наблюдаемые стороны предметов, веществ и явлений, то в понятиях посредством мышления раскрывается их сущность. Для формирования понятия о химической реакции важно, чтобы учащиеся наблюдали химические явления, имели представления о них. Однако понятие о химической реакции возникает у учащихся только тогда, когда они начинают думать о внутренних изменениях, происходящих с веществами при химических превращениях, и понимать эти изменения в свете представлений о строении вещества.

Уже в представлении происходит обобщение восприятий; оно отражает общее во внешних сторонах наблюдавшегося предмета (вещества, явления). Понятия, в отличие от представлений, отражают общие связи и отношения предметов и явлений природы более глубоко и разносторонне. Так, если в представлении о разложении основной углекислой меди у учащегося возникает образ явления, сопровождающегося почернением помещенного в пробирку зеленого порошка, выделением углекислого газа и появлением на стенках пробирки капель воды, то в понятии об этой химической реакции отражаются связи между внешними изменениями вещества и внутренними изменениями его состава, между составом молекул основной углекислой меди и веществ, получающихся при ее разложении, и др.

Каждая наука, в том числе и химия, включает систему относящихся к ней понятий.

В систему химических знаний, наряду с понятиями об отдельных химических явлениях (горение ацетилена, восстановление меди из окиси меди и др.), входят понятия о типах химических реакций (разложение, соединение, обмен и др.) и о химическом явлении вообще.

Понятие о реакции связано в науке с общими понятиями о веществе и о химическом элементе, а через них со знаниями о классах веществ, группах'элементов, об отдельных веществах и химических элементах.

Знания о химическом явлении вообще представляют в свою очередь определенную систему понятий^* для выявления которой нужно было познакомиться с тем, как развивались знания о химической реакции в истории науки и каков их современный уровень.

^* (См.: Т. 3. Савич. Система понятий о химической реакции, "Известия АПН РСФСР", вып. 122, М., 1962.)

Рассмотрение сущности химических процессов началось в XVII в., когда развитие производительных сил общества настойчиво требовало обобщить накопленные эмпирические данные. В определении химического элемента, данном Р. Бойлем, оформилось первое понятие о невозможности такого химического превращения, при котором в веществах, взятых и полученных, содержались бы разные элементы. Hai основе теории флогистона была сделана первая попытка объяснить сущность химических реакций окисления и восстановления металлов. Возникли первоначальные понятия о типах химической реакции (разложение, соединение и др.).

Значительное развитие понятие о химической реакции получило в трудах великого русского ученого М. В. Ломоносова. Химическое ^изменение веществ он считал особым родом движения атомов. Признавая неразложимость атомов при реакциях, Ломоносов доказал, что масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе веществ, полученных в результате реакции.

В связи с разработкой в науке методов химического анализа шло дальнейшее развитие понятия о химической реакции. В начале XIX в. в химии утвердились законы стехиометрии. Вместе с законом постоянства состава (Ж. Пруст) прочное место занял закон определенных весовых отношений реагирующих веществ (И. Рихтер). Закон простых объемных отношений (Ж. Гей-Люссак), один из газовых законов (А. Авогадро) способствовали разграничению понятий и о молекуле, и об атоме; атомно-молекулярная теория позволила объяснить различие физических и химических явлений.

Быстрое развитие химического производства требовало указаний для расчета предельного выхода продуктов и учета влияния на химический процесс различных факторов (изменения температуры, концентраций и др.). В связи с этим потребовали теоретической разработки проблемы скорости реакции и химического равновесия.

Во второй половине XIX в. в систему научных знаний вошла новая наука - физическая химия, основы которой были заложены еще в трудах М. В. Ломоносова. Голландский ученый Я. Вант-Гофф развил учение о химическом равновесии, изучил с количественной стороны зависимость между изменением условий и смещением химического равновесия. При этом он обнаружил, что равновесие под влиянием внешних воздействий смещается в том направлении, в каком эти воздействия ослабляются. Окончательно данное положение сформулировал французский ученый Ле Шателье.

В 1889 г. шведский ученый С. Аррениус ввел понятие об активных молекулах и предложил гипотезу, по которой химическое взаимодействие может происходить только при столкновении активных молекул.

Идея М. В. Ломоносова о материальной сущности химического превращения развивалась в трудах русских ученых. Н. Н. Бекетов (середина XIX в.) доказал, что течение химической реакции зависит от двух факторов: внутреннего строения веществ и внешних физических условий. Д. И. Менделеев своими работами подготовил почву для осознания диалектико-материалистической сущности химических процессов. Открытие им перйодического закона позволило предсказывать химические от ношения веществ.

В начале XX в. русский химик Н. А. Шилов выдвинул положение о том, что истинный ход химической реакции, ее механизм может быть совершенно иным, чем можно предположить по ее обычному уравнению.

На основе теории строения атомов в 1914 г. Л. В. Писаржевский пришел к выводу, что сущность химического взаимодействия сводится к проявлению электрических сил, а химическое сродство - к электрическому притяжению.

Химическая кинетика в XX в. стала учением не только о скорости реакции, но и о самом химическом превращении. Согласно учению Н. Н. Семенова, химическая реакция - это цепь элементарных химических превращений. Судьба каждой возникшей цени различна: цепь может развиваться или оборваться. Обрыв происходит в том случае, если частица реагирующего вещества передает свою энергию не продукту реакции, а посторонней частице, которая может находиться либо в смеси реагирующих веществ, либо на стенке сосуда.

Ученые все больше внимания стали обращать на промежуточные продукты и механизмы реакций. Развивается понятие "активного комплекса" ("переходного состояния")-важной промежуточной ступени реакции; от вероятности образования "активного комплекса" и его средней скорости движения через энергетический барьер зависит скорость химической реакции.

Содержание современного понятия о химической ре-акции в самых общих чертах можно охарактеризовать так: химическая реакция - одна из форм совершающегося в природе непрерывного движения материи. Носителями этой формы движения материи являются атомы. Для нее характерно противоречие между процессами образования и разложения молекул, обуславливающее преобразование одних веществ в другие.

Процесс химического превращения чрезвычайно сложен, он состоит из ряда связанных между собой элементарных химических актов, в которых принимают участие молекулы, атомы, ионы, свободные радикалы, электроны, В зависимости от возникновения в процессе реакции тех или иных частиц возможен ионный, радикальный или атомный механизм реакции.

Химическое превращение вызывается возникающими в веществе внутренними противоречиями, которые заложены в самой структуре частиц. Нарастанию внутренних противоречий способствует изменение условий. Реакции могут происходить под действием нагревания, электрического тока, света, радиоактивных излучений, механических воздействий. Они непосредственно связаны также с фактором времени, так как длительный контакт частиц увеличивает вероятность их взаимодействия. Большое значение имеет окружающая среда (сосуд, растворитель, примеси и т. п.), поскольку и она может принимать участие в реакции, способствуя образованию реакционноспособных промежуточных продуктов или вызывая обрыв цепей.

Химический процесс идет с определенной скоростью, которая зависит от вероятности образования активного промежуточного комплекса и средней скорости превращения его в конечные продукты. На скорость реакции влияет поверхность соприкосновения реагирующих веществ, присутствие катализаторов, интенсивность притока энергии. Под действием катализатора изменяется и направление взаимодействия веществ, так как катализатор из нескольких возможных реакций ускоряет одну.

Во многих случаях в результате химической реакции возникает состояние подвижного равновесия, которое может смешаться при изменении условий.

Химическая реакция как одна из форм движения материи подчиняется общему закону сохранения материи и ее движения.

Изучая историю химии, можно убедиться, что познание лишь постепенно по мере развития науки раскрывало сущность химического превращения веществ, его закономерные связи с другими явлениями.

Если мы перейдем в область изучения химии, то окажется, что учащиеся также не сразу овладевают всеми необходимыми им знаниями о химической реакции. В начале изучения химии у них возникает понятие о химическом превращении веществ, недостаточно глубоко раскрывающее сущность химического явления, бедное по содержанию. В дальнейшем с учащимися рассматривают многообразные связи и отношения химической реакции с другими явлениями, изучают ряд законов химической реакции, сущность химического превращения раскрывают в свете теории строения атома. Все это значительно обогащает содержание понятия.

При определении этого содержания, при отборе ряда входящих в него частных понятий, следует исходить из задач обучения химии, которые охарактеризованы в действующей программе^*.

^* ("Программы средней школы на 1966/67 учебный год. Химия". М., "Просвещение", 1966)

Чтобы развивать у учащихся умения наблюдать и объяснять химические процессы, совершающиеся в природе, лаборатории, на производстве и в повседневной жизни, их нужно ознакомить с признаками и сущностью химического превращения. При формировании умений выполнять химические опыты нужно опираться на знания о важнейших условиях возникновения и течения реакций, о некоторых законах химического превращения, о скорости и обратимости реакции, химическом равновесии. Развитие многих из перечисленных здесь понятий имеет также большое значение для изучения важнейших химических производств.

Раскрытие сущности химических явлений должно происходить на основе все более углубляемых знаний учащихся о строении вещества, т. е. с использованием теорий строения атома, электролитической диссоциации, структурной теории. В таком случае к концу изучения курса химии средней школы учащиеся будут представлять химические реакции как явления превращения одних веществ в другие с изменением их состава и строения, происходящие при взаимодействии мельчайших частиц - молекул, атомов, ионов. Они будут знать, что большую роль при химических процессах играют валентные электроны; при этих превращениях происходит разъединение и возникновение электронных пар, переход электронов от одного атома (или иона) к другому атому (или иону), объединение или разъединение противоположно заряженных ионов.

Развивая понятие о химической реакции как закономерно возникающем процессе, необходимо ознакомить учащихся с такими условиями ее возникновения и течения, как наличие реакционноспособных веществ, их контакт друг с другом, если реакция происходит между двумя веществами, в ряде случаев присутствие растворителя, энергетические условия, необходимые для достаточно активного состояния молекул.

Из знаний, относящихся к скорости химической реакции, учащимся нужно дать понятия о том, что реакция идет во времени, что ее скорость зависит от природы веществ и физических условий, а также от наличия катализатора. Реакция, происходящая в однородной среде, ускоряется при увеличении концентраций, а идущая в неоднородной среде - также и при увеличении поверхности соприкосновения реагирующих веществ.

Ускорение реакции при увеличении концентраций реагирующих веществ и поверхности их соприкосновения следует объяснить учащимся на основе их знаний о необходимости встреч молекул для их химического превращения. При объяснении влияния температуры нужно привлечь знания об увеличении с ее повышением скорости движения молекул и количества частиц, достаточно активных для химического взаимодействия. Объяснение действия катализатора необходимо дать в свете основных положений теории промежуточных соединений, которая может, по-видимому, объединить самые различные теории гомогенного и гетерогенного катализа.

Путь к формированию понятий об обратимости химических реакций и химическом равновесии лежит через ознакомление учащихся VII-VIII классов с тем, что химические реакции могут идти до конца и не до конца, что важнейшее условие течения реакции до конца - от-деление продуктов реакции друг от друга или удаление этих продуктов из сферы реакции (раствора). Далее в IX классе, когда понятие о химическом равновесии уже сформировано, развивают знания учащихся о смещении этого равновесия и влиянии на него различных условий.

В курсе химии школьников знакомят в настоящее время с законами сохранения массы веществ, определенных весовых отношений при химической реакции; учащимся дают понятие о значении периодического закона и периодической системы Д. И. Менделеева для предсказания возможных химических превращений. Усовершенствование обучения химии в средней школе требует обратить внимание на энергетическую сторону химических процессов и тем самым показать, что эти процессы, как и другие явления, подчиняются всеобщему закону сохранения материи и ее движения (энергии).