Химия в школе: учение о химической связи Текст научной статьи по специальности «Химические науки»
Аннотация научной статьи по химическим наукам, автор научной работы — Никольский Алексей Борисович, Телешов Сергей Владимирович
Статья посвящена одной из проблем, связанных с введением в действие государственного Образовательного стандарта основного общего образования и Образовательного стандарта среднего (полного) общего образования по химии: как объяснить школьнику основные позиции теории химической связи. При этом мы должны стараться упростить многие моменты в объяснении, не искажая их физический смысл. Шкала электроотрицательности представляется подходящим инструментом для классификации химических связей, однако её введение требует слишком глубокого погружения в ВУЗовский курс химии. Мы предлагаем другой путь, приемлемый для школьных учебников и тестов: от наблюдаемых свойств веществ к обобщениям по поводу типов связки и вновь к расширенному набору свойств веществ. Такой подход был использован Д. И. Менделеевым при открытии периодического закона. Библиогр. 17 назв. Табл. 1.
Похожие темы научных работ по химическим наукам , автор научной работы — Никольский Алексей Борисович, Телешов Сергей Владимирович
Chemistry at school: the chemical bond theory
The article is devoted to one of the problems concerning modern school education: how to explain the main positions of chemical bond theory at a secondary school. We must try to simplify many things during teaching at school, but we have no right to distort the scientific truth. Electronegativity scale seems to be a reasonable instrument for classifying chemical bonds, but it demands too deep immersion into the university course. We suggest another way for text-books and test-tasks: from observable properties of substances to generalization readily accessible for schoolchildren and then to a more comprehensive set of properties again, which is the approach used by Mendeleev in his work on the periodic law.
Текст научной работы на тему «Химия в школе: учение о химической связи»
Сер. 4. 2009. Вып. 3
ВЕСТНИК САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
УДК 373.523 + 54.371.3
А. Б. Никольский, С. В. Телешов
ХИМИЯ В ШКОЛЕ: УЧЕНИЕ О ХИМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ
Введение. В связи с введением в действие государственного Образовательного стандарта основного общего образования и Образовательного стандарта среднего (полного) общего образования по химии некоторые вопросы, касающиеся содержания этого учебного предмета, вновь обратили на себя внимание методистов. Одним из таких вопросов является рассмотрение природы химической связи. В соответствии с названными Образовательными стандартами подлежит изучению следующий материал: «Молекулы и химическая связь. Классификация химических связей. Ковалентная связь и её разновидности, механизмы образования. Комплексные соединения. Электроотрицательность. Степень окисления и валентность. Гибридизация орбиталей в молекуле. Геометрия молекул. Полярность молекул. Ионная связь как предельный случай полярной ковалентной связи. Катионы и анионы. Металлическая связь. Внутримолекулярные и межмолекулярные водородные связи. Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия. Единая природа химических связей. Вещества молекулярного и немолекулярного строения. Современные представления о строении твёрдых, жидких и газообразных веществ».
Стандарт требует, чтобы ученик умел:
• определять валентность и (или) степень окисления химических элементов по формулам их соединений,
• определять вид химической связи между атомами элементов в простых веществах и типичных соединениях,
• характеризовать свойства химических соединений, исходя из вида химической связи и типа кристаллической решетки,
• объяснять зависимость свойств веществ от их строения и вида химической связи.
Как мы видим, ученик должен освоить весьма обширный и достаточно сложный материал. Что же и как сообщать школьникам в классе? Что считать критерием (критериями) для определения вида химической связи? Авторы настоящей статьи - преподаватели, университетский и школьный, - обнаружили, что в различных школьных учебниках и пособиях по химии вопрос о природе химической связи излагается настолько по-разному, что свести всё воедино становится весьма затруднительно. Мы хотим обратить внимание читателей на противоречия в материалах, предлагаемых школьнику, и, изложить свою точку зрения на то, что действительно важно знать школьнику о химической связи.
Что говорят школьные учебники и пособия. Между тем история отечественных школьных учебников приближается к своему 180-летнему рубежу - имеются в виду учебники, созданные для средних учебных заведений Н. П. Щегловым (1830 г.) [1], Г. И. Гессом (1834 г.) [2], Н. Т. Щегловым (1841 г.) [3]. До появления «Основ химии»
© А. Б. Никольский, С. В. Телешов, 2009
Д. И. Менделеева и открытия периодического закона (1869 г.) первые школьные учебники по химии включали в себя обзор практически полного массива химических знаний, известных учёному сообществу в это время. Шло время, развивалась и усложнялась химическая наука, совершенствовалась и система школьного образования, в том числе методика обучения химии, основой которой стал периодический закон. В 20-30 х годах ХХ века в нашей стране настала пора массовой средней школы и учебников, которые выходили значительными тиражами. К этому же времени относится становление электронной теории химической связи [4, 5] и определение различных типов связи. Вот как это отражено, например, в школьном учебнике В. Н. Верховского 1947 г. [6]: «Возможны несколько типов химической связи между атомами. Первый тип - так называемая ковалентная связь, когда электроны у двух или нескольких атомов делаются общими. Примерами могут служить молекулы Н2, F2, NHз, СН4, SiCl4. Второй тип химической связи - ионная связь. Эта связь между атомами, либо потерявшими электроны, либо получившими лишние электроны. Противоположно заряженные ионы благодаря электростатическому притяжению образуют молекулу соединения, атомы которого связаны ионной связью. Рассмотрим образование молекулы хлористого натрия. »
Эти же формулировки сохранились и в пришедшем в 1949 г. на смену стабильному учебнику Верховского новом учебнике В. В. Левченко с соавторами [7]: «Образование молекулы хлористого натрия представляет собой яркий пример, когда соединяются атомы, из которых один (натрий) сравнительно легко отдает свой электрон, а другой (хлор) очень энергично присоединяет электрон. Оба образовавшихся иона совершенно самостоятельны. В молекулу же они объединяются потому, что удерживаются друг около друга силой электростатического притяжения. Так как такая молекула состоит из разноимённо заряженных ионов, она называется ионной».
При всём уважении к В. Н. Верховскому и В. В. Левченко с соавторами мы не можем в очередной раз не отметить, что в этих учебниках настойчиво говорится о молекулах соединений с ионной связью, хотя главным свойством ионных соединений является тот факт, что они не состоят из молекул, а образуют кристаллы. Дело в том, что куло-новские силы электростатического притяжения между ионами ненаправленные, они обладают сферической симметрией, что ведёт к построению трёхмерной кристаллической решетки, в которой каждый катион симметрично окружён определённым количеством анионов, а анионы - определённым количеством катионов. Соотношение общего количества катионов и анионов определяется составом соединения, а характер кристаллической решетки - их относительными размерами. Если реализуются условия для образования катионов и анионов, то образование ионных кристаллов всегда энергетически выгоднее, чем образование молекул с ионной связью.
Вернёмся к требованиям, предъявляемым современным школьникам. Они должны не только давать характеристику различных видов химической связи, но и определять вид связи (ковалентная или ионная) в конкретных соединениях. Обратимся сначала за помощью к учебникам для средней школы, по которым учились нынешние эксперты РАО. Например, в учебнике Ю. В. Ходакова с соавторами [8] мы находим следующее: «Ионная связь обусловливается притяжением друг к другу ионов, как разноимённо заряженных тел. Ионная связь возникает при соединении химических элементов, наиболее отличных по своей химической природе, а именно типичных металлов с типичными неметаллами». «Связь атомов посредством электронных пар называется ковалентной». Затем вводится понятие электроотрицательности (ЭО): «Свойство атомов оттягивать к себе электроны от других атомов для завершения наружного слоя называется электроотрицательностью. Чем сильнее проявляется у элемента это свойство, тем более
он электроотрицателен». Далее ЭО связывается с положением элемента в таблице периодической системы, но не предлагается в качестве критерия типа связи, и количественных оценок ЭО не дается.
Отметим сразу, что здесь предлагается вполне доступный школьнику критерий типа связи, надо только научить его грамотно пользоваться периодическим законом и периодической системой. Вызывает замечание лишь использование понятия «слой»: электронным слоем в учении о строении атома называется совокупность электронов с одинаковым значением главного квантового числа и, например, переход от атома хлора с главным квантовым числом 3, ведущий к аниону С1_ с электронной конфигурацией аргона, оставляет слой всё же незавершённым, так как в нём не хватает десяти 3^-электронов.
В учебнике Г. Е. Рудзитиса и Ф. Г. Фельдмана [9] авторы предварительно вводят понятие электроотрицательности, а затем на этой основе рассматривают главные типы химической связи. «Электроотрицательность - это полусумма энергии ионизации и сродства к электрону». (Подстрочно: «Известны и другие подходы к измерению и определению величины электроотрицательностей элементов»). Приводится таблица электроотрицательности важнейших химических элементов, которая далее используется не для определения количественного критерия типа связи, служит для того, чтобы на качественном уровне различать три случая:
1. ЭО резко отличаются - ионная связь.
2. ЭО одинаковы - ковалентная (атомная) неполярная связь.
3. ЭО отличаются, но не очень сильно - ковалентная полярная связь.
Такой подход представляется вполне доступным школьнику, если не считать того, что шкала ЭО по Р.-С. Малликену возведена в ранг определения понятия электроотрицательности, а также того, что определение того или иного типа связи основано исключительно на электроотрицательности элементов.
Анализ учебников для школ XXI века показывает, что почти все они рекомендуют учащемуся определять тип химической связи, ориентируясь на электроотрицательность элементов и только на неё. При этом можно выделить две группы учебников и пособий:
Первая группа [10-12] содержит количественный критерий, основанный исключительно на использовании понятия об электроотрицательности, трактуемого авторами учебников по-разному.
Вторая группа [13-17] не содержит количественных критериев, хотя и связывает характер химической связи с электроотрицательностью на качественном уровне.
Вот несколько характерных цитат из учебников первой группы. С. С. Бердоносов [10, С. 98-100]: «Отметим, что если разность значений ЭО (имеется в виду одна из шкал Л. Полинга, введённая без объяснения её физического смысла. - Авт.) двух атомов, образующих химическую связь, около двух или выше, то связь будет иметь ионный характер, если меньше двух - связь будет полярной ковалентной».
Н. Е. Кузнецова с соавторами [11]: «Химическая связь - это сила (правильно: химическая связь - это причина, удерживающая атомы или ионы в соединениях; её никак нельзя отождествлять с силой, хотя можно характеризовать энергией, направленностью и т. д. - Авт.), соединяющая два или несколько взаимодействующих атомов в молекулы и другие частицы». «Чем больше разность между значениями относительной электроотрицательностью (ОЭО) (имеется в виду шкала Малликена, опять-таки введённая без объяснения её физического смысла - Авт.) атомов, тем выше степень
ионности их соединений. Связи с разностью ОЭО больше 2,1 можно отнести к ионным (более 50 % ионности)».
И. Н. Новошинский с коллегой пишут [12]: «Ионная связь образуется между атомами типичных металлов и атомами типичных неметаллов, т. е. между элементами, атомы которых резко отличаются по электроотрицательности (здесь явочным порядком используется одна из шкал Л. Полинга. - Авт.) - разность между электроотрицательностями ЭО атомов больше 1,7», затем следует серия упражнений, например: «2. Выпишите из предложенного ряда веществ ионные соединения: CH4, CaCl2, O2, KF, NH3, Mg».
Нетрудно видеть, что разные авторы используют разные шкалы ЭО без объяснения их происхождения и физического смысла и при этом дают разные численные критерии типа связи также без особых обоснований.
Для иллюстрации подхода к определению типа химической связи в учебниках второй группы, не содержащих количественных критериев, мы ограничимся одной характерной цитатой.
О. С. Габриелян [13]: «Электроотрицательность (ЭО) - это способность атомов химического элемента оттягивать к себе электронные пары, участвующие в образовании химической связи. Электроотрицательность можно охарактеризовать как меру неме-талличности элементов. Пользуясь рядом ЭО, можно определить, куда смещаются общие электронные пары. Они всегда смещены к атомам элемента с более высокой ЭО.
Например, в молекуле НС1 общая электронная пара смещена к атому хлора, так как его ЭО больше, чем у водорода. Поэтому такую ковалентную связь называют полярной». Здесь же даётся любопытное упражнение 1: «Атомы водорода и фосфора имеют одинаковые значения ЭО. Какой вид химической связи в молекуле фосфина РН3?»
Здесь продемонстрирован доступный школьникам подход, однако он всё-таки неявно основан на количественной оценке ЭО. Более того, добавляется ещё одно ненаблюдаемое свойство - «неметалличность», определение которого отсутствует. Кроме того, следует отметить, что понятие электроотрицательности связано со смещением любых электронов, в том числе неподелённых пар данного атома и неспаренных, а не только именно связывающих пар, как настаивает автор учебника.
Для полноты картины отметим, что существуют отдельные учебники и пособия, в которых авторы упоминают о некоторых характерных наблюдаемых свойствах ионных соединений [14-17]. Например, Р. Г. Иванова [14] пишет: «Вещества с ионной связью образуют ионные кристаллы. Они все твёрдые и тугоплавкие. Такую ионную кристаллическую решётку имеют щёлочи, соли, например КОН, NaCl, KCl, и др.» Перед этим, однако, когда читатели этого ещё не видели, но познакомились с электроотрицательностью, предлагается упражнение: «1. Какая химическая связь (ионная, ковалентная неполярная или ковалентная полярная) в веществах: сероводороде H2S, хлориде калия KC1, воде H2O, кристаллической сере Ss, йоде I2, оксиде магния MgO?»
Таким образом, общей чертой современных учебников является то, что тип химической связи рекомендуется определять по различию в электроотрицательности партнёров по связи. Отличия между учебниками сводятся к использованию-неиспользованию величины ЭО в качестве количественного критерия для оценки характера химической связи.
Что мы можем предложить. Рассматривая ситуацию в целом, мы видим, что знакомство с химической связью в средней школе в значительной степени сводится к введению условных понятий: ионность-ковалентность, электроотрицательность, степень ионности, металличность-неметалличность, которым ставятся в соответствие
ненаблюдаемые величины. При этом в большинстве случаев данные понятия вводятся некорректно, что вполне понятно, так как корректное их введение требует весьма серьёзного обоснования, явно неуместного в учебнике для средней школы. Зачем же понадобились эти условные понятия? Затем, чтобы с их помощью объяснять и предсказывать наблюдаемые свойства веществ. А откуда же возникли наши условные понятия? Очевидно, что из анализа наблюдаемых свойств веществ, как это, например, блестяще сделал Д. И. Менделеев при обосновании периодического закона. Таким образом, логически и исторически познание химии идёт по пути «наблюдаемые свойства вещества - обобщения - более широкий набор свойств более широкого набора веществ». Если снова обратиться к Д. И. Менделееву и периодическому закону, то начало пути - это такие свойства элементов как атомная масса, физические и химические свойства простых веществ, состав и свойства оксидов и гидридов, физические, кристаллохимические и химические свойства галогенидов и других соединений. Потом последовало знаменитое обобщение - периодический закон и многочисленные уточнения и предсказания.
Сейчас же школьнику для освоения учения о химической связи предлагается сразу вторая половина логического пути: «обобщения - свойства вещества», причём очевидно, что обобщения можно вводить только простые, доступные для понимания без сложного математического аппарата. В нашем случае это, прежде всего, электроотрицательность - условное ненаблюдаемое свойство атомов в соединениях, обобщённое по всем соединениям данного элемента. Если мы хотим, чтобы школьник умел грамотно пользоваться этим понятием, то надо подробно охарактеризовать его физический смысл, а если нам нужна ещё шкала электроотрицательностей, то надо обоснованно выбрать одну из предложенных на сегодня шкал (а их введено в научный обиход около 20) и пояснить её происхождение. В любом случае это происхождение основано в конечном итоге на наблюдаемых свойствах. Такой сложный путь явно нерационален, а тесты и задачи, опирающиеся на количественную шкалу электроотрицательности применительно к отдельным веществам, - явно некорректны. Отметим также, что разность ЭО, оценённая по любой из имеющихся шкал, в принципе недостаточна для оценки типа связи по ряду причин. Во-первых, как отмечено выше, электроотрицательность усреднена по всем соединениям данного элемента и, следовательно, по разным степеням окисления. Во-вторых, для образования ионной связи между атомами двух элементов важно не только перемещение электронов, но и соотношение размеров ионов и их поляризуемость. Например, А12 Оз принято рассматривать как ионное соединение, так как разность ЭО кислорода и алюминия велика - 2,0 по термохимической шкале Полинга. Действительно, оксид алюминия в виде корунда представляет собой исключительно твёрдые и тугоплавкие кристаллы (Тпл = 2050 °С), что характерно для соединений с преимущественно ионной связью. В то же время разность ЭО фтора и водорода по той же шкале составляет почти такую же величину, а именно 1,9, и школьные учебники дружно и вполне правильно рассматривают HF как соединение с полярной ковалентной связью. В то же время ионные иодиды натрия и калия характеризуются ещё меньшей разностью ЭО: 1,5 и 1,6, соответственно.
Что можно предложить взамен критикуемого подхода без введения лишних понятий и без потери стройности системы обучения? Ответ прост: уже прозвучавшее «наблюдаемые свойства веществ - обобщения - расширенный набор свойств веществ». Исходим из наблюдаемых свойств известных соединений, сведения о которых легко доступны школьнику, делаем заключения о виде связи и, опираясь на периодический закон, предсказываем вид связи и свойства любых веществ. Проще всего пояснить это на примерах.
Пусть нас интересует ионная связь, причём мы хорошо знаем, что речь идёт о преимущественно ионной связи. Типичные соединения с ионной связью - это тугоплавкие, труднолетучие хрупкие кристаллы, обладающие высокой твёрдостью и исключительно низкой электрической проводимостью, в то время как их расплавы хорошо проводят электрический ток. Соединения же с ковалентной связью построены из отдельных молекул, относительно слабо связанных друг с другом. Они представляют собой газы, жидкости или легкоплавкие, часто летучие, кристаллы, которые обладают низкой электрической проводимостью так же, как и их расплавы. Отметим, что окончательное и обоснованное заключение о преимущественно ионном или ковалентном характере твёрдых соединений можно сделать только на основании анализа кристалллических решёток веществ, что выходит далеко за рамки школьной химии.
В качестве примера обратимся к данным табл. 1. Нетрудно видеть:
1. Все фториды - преимущественно ионные соединения.
2. В ряду галогенидов элементов второй группы «степень ионности» у галогенидов бериллия минимальна.
3. «Степень ионности» для каждого элемента II группы уменьшается при переходе от фторидов к иодидам.
Также хорошо видно, что любые количественные оценки «степени ионности» были бы ненадёжными и необоснованными, но в разумно построенных рядах родственных соединений с одинаковой стехиометрией достаточно надёжно прослеживается ход изменений, что и можно положить в основу соответствующих тестов. Примеров, подобных приведённому, можно предложить великое множество, но это уже выходит за рамки данной статьи. На основе наблюдаемых характеристик можно далее сравнивать ход изменений металлических и неметаллических свойств элементов, их относительную электроотрицательность (без введения каких-либо шкал), склонность к гидролизу, кислотно-основные свойства, растворимость, способность к образованию кристаллогидратов и т. д.
Таким образом, мы считаем, что при обсуждении природы химических связей в средней школе необходимо соблюдать следующую логику:
• Рассматривать наблюдаемые свойства веществ, которые может объяснить теория химической связи;
• Изучить основные положения теории химической связи;
• Показать, как она работает, т. е. как объясняет и предсказывает наблюдаемые свойства веществ.
И, конечно же, все некорректные определения понятий, упражнения и тесты должны быть полностью изъяты из обращения, что посильно лишь специалистам с глубоким знанием химии и смежных естественнонаучных дисциплин.
Таблица 1 Температуры плавления и кипения галогенидов элементов второй группы