Home  / Учебник ОБЩАЯ ХИМИЯ / Предисловие / Мнение ученых института

Мнение ученых института

В конце 80-х годов Отдел химического образования Американского химического общества признал необходимость создать альтернативную методику преподавания и изменить  учебники общей химии. Для этого была создана Рабочая группа по вопросам преподавания общей химии.

Основной вывод, сделанный Рабочей группой: обучение химии сводится к запоминанию материала, а не к пониманию. С другой стороны, в итоговой статье Р. Гиллеспи «Комментарии: Реформирование учебника по общей химии», опубликованной  Journal of Chemical Education (JCE №7, 1997), было внесено предложение ограничить курс общей химии объяснениями шести величайших принципов.

Мы полностью согласны с основным  выводом Рабочей группы и поддерживаем ограничение курса общей химии. В тоже время хотим отметить, что достижения Рабочей группы основывались на знаниях и открытиях, полученных до 30-х годов прошлого столетия. Шесть принципов Гиллеспи не были объединены причинно-следственными связями. Физический смысл основных понятия и объяснений не был ясен.  В химии господствовала квантово-химическое направление.

В настоящее  время видно, что квантово-химические объяснения химических явлений в своем развитии прошли три стадии: 1 стадия - эйфория, 2 стадия - критический подход, 3 стадия - разочарование.  Эйфория возникла в результате удивительного совпадения расчета длины и энергии химических  связей, а также радиуса молекулы водорода и энергии H₂⁺  с экспериментальными данными.  Точность расчетов достигала третьего знака, а впоследствии и 7-го. Расчет скорости химической реакции  и энергии активации отличался от экспериментальных значений всего на 10 %. Это было весомым аргументом в корректности квантово-химического подхода в химии. Впоследствии, когда были уточнены экспериментальные значения, стало ясно, что расчетные данные и экспериментальные расходились в разы. Эйфория от квантовой химии сменилась критикой этого подхода, а потом и разочарованием. Для нас очевидны неограниченные возможности этого направления  по подгонке расчетных значений к  экспериментальным.

Рабочая группа внесла предложение исключить квантово-химические объяснения из курса общей химии, однако учебники, выпущенные впоследствии членами рабочей группы, воплотить это  не смогли. В 70-х года XX века прошла тихая химическая революция [Стефен Дж. Липпард, статья «Тихая революция в химии», Каталитический бюллетень, 2005], в результате которой было достигнуто понимание физической природы основных физических явлений. Это было кардинальное  событие в химии и химическом образовании. Теперь стало возможно создать учебники, в которых понимание химических явлений станет обычным явлением  в отличие от книг прошлых лет.

Также к этому моменту произошли  значительные изменения в  технике обучения: образование стало дистанционным, появились он-лайновые версии учебных пособий.  Поэтому логично, что мы предлагаем  не только учебник, но создали он-лайновую версию этого учебника.  

Химические связи

Основное отличие наших интерпретаций от «старых»  заключается в том, что мы объясняем:

1.  Физический смысл химической связи между атомами;
2. Какова природа сил, которые связывают атомы в молекулы, а молекулы в вещества;
3. Какие взаимодействия между ядрами и электронами являются наиболее важными;
4. Почему термическое разрушение связи требует в два раза больше энергии, чем высвобождается  при формировании связи;
5. Почему благородные газы не образуют ковалентные химические связи между собой;

6. Почему связи между элементами II группы на порядок слабее связей между элементами I и III групп и т.д

Новое объяснение является  феноменологическим, оно полностью построено на основании анализа и сравнения экспериментальных данных. 

Так например, заключение относительно слоистого строения атомов и количества электронов во внешней оболочке атомов делается на основании данных по энергии ионизации атомов элементов 2-го и 3-го периода.

Все объяснения теории химических связей построены на сравнении экспериментальных данных относительно количества электронов на внешней оболочке и данных по валентности элементов. На основании этого  сравнения была построена  модель химической связи в молекуле водорода. Согласно этой модели, ковалентная химическая связь образуется из двух электронов, вращающихся в плоскости, перпендикулярной оси,  соединяющей ядра. При этом, оба связующих электрона входят во внешние оболочки обоих связываемых атомов.

В молекуле водорода (два протона и два электрона) между четырьмя частицами существует обычное электростатическое взаимодействие, энергия молекулы вычисляется посредством аналитического (алгебраического) решения. Значение энергии молекулы, полученное при этом вычислении, отличается от значения, полученного в результате эксперимента, менее, чем на 3% и по длине связи менее, чем на 2%, что говорит о корректности данной модели.

Уравнения, составленные на основании модели, позволяют ответить на следующий вопрос: «Каково оптимальное количество электронов, необходимых для образования связи?» или «Почему в образовании связи принимают участие два электрона, а не один или три?» Расчеты показывают, что если в образовании связи между двумя нейтральными атомами в газовой фазе принимают участие один или три электрона,  то выигрыша в энергии при образовании связи не будет.

В результате расчетов модели химической связи, было показано, что энергия связи увеличивается с увеличением разницы между первыми энергиями ионизации связываемых атомов. Рассчитанная зависимость энергии связи одного атома с другими (зависимость энергии связи от первой энергии ионизации второго атома) совпали с результатами экспериментальных исследований. Это доказывает, что в ходе образования ионных соединений типа NaCl, перехода электрона от Na к Cl не происходит. В  этом случае, выигрыш  в энергии будет при более значительном приближении пары связующих электронов к ядру атома с большей первой энергией ионизации.

Гиллеспи предлагает объяснение ионных и ковалентных связей ограничить на уровне правил Льюиса, предложенных Льюисом в 1913 году.

Правила Льюиса включают в себя такие объяснения, как желание атомов достроить свои оболочки до оболочек инертных газов посредством a) переноса электронов, либо б) обобществлением электронов. Ни одно из этих предположений не имеет физического смысла. Общее предположение относительно атомов, желающих достроить свои оболочки до оболочек инертных газов, имеет антропофизический смысл. Льюис ввел эти правила с целью объединить ионные и ковалентные связи.

Согласно нашему объяснению энергии связи, такой как гомоатомная (H₂, Cl₂) и гетерополярная (NaCl), оба связывающих электрона входят во внешние оболочки связываемых атомов. Это означает, что число электронов на внешней оболочке обоих связываемых атомов увеличивается на один электрон. Соответствующим образом, 8 электронов внешних оболочек атомов второго и третьего периодов вовсе не являются целью атома при образовании стабильной молекулы, а  ограничивают возможности атома присоединять (связывать) другие атомы. Соответственно, антропофизический компонент  правила Льюиса исключается! Электронодефицитные соединения не являются исключениями в рамках данной теории.

Эта теория, помимо анализа данных по валентности стабильных соединений и количества электронов на внешних электронных слоях атомов второго и третьего периодов, также включает в себя анализ экспериментальных данных по электронной изомеризации. Эти экспериментальные данные были получены во второй половине двадцатого века.

Экспериментальным путем было доказано, что когда один атом связан с другим аналогичным атомом каким-либо видом связей (единичной, двойной, донорно-акцепторной, ковалентной, ван-дер-ваальсовой), электронные изомеры превращаются один в другой с большой скоростью благодаря быстрому перемещению электронов. То есть, вопрос, обсуждавшийся на протяжении 50 лет - строение соединений типа SO₂, C₆H₆, I₃, PCl₅, SF₄, и XeF₄ - был решен.

Это объяснение является одним-единственным для всех соединений и не требует знания квантово-химических гипотез и теорий.

Идея исключения квантовой химии из химических курсов не встретила существенных возражений со стороны многих преподавателей. Большинство из них и ранее было против преподавания этого раздела из-за трудностей, как его изложения, так и восприятия учащимися. Даже сами создатели квантовой механики - основы квантовой химии (А.Эйнштейн, Н.Бор, Э.Шредингер) - не понимали физического смысла этой науки?

Эйнштейн писал: «Все эти пятьдесят лет мучительных раз­мышлений не приблизили меня к ответу на вопрос: Что же такое квант света? Сегодня любой Том, Дик или Генри думает, что он знает, что это такое, но он ошибается».

Как известно, Н. Бор, так сказал о квантовой механике: «Если Вы думаете, что Вы понимаете ее, то это только показывает, что Вы не имеете даже первого представления о ней».

Э.Шредингер также писал о квантовой механике:  сказав: «Это не только практически недоступно, но и просто немыслимо. Или, чтобы быть более точным, мы, конечно, можем думать об этом, что это более понятно, чем треугольный круг и менее понятно, чем крылатый лев»

«Никто не понимает квантовую теорию», сказал в 1980 г. Р. Фейнман, один из крупнейших физиков нашего времени.

Основные проблемы теоретической химии базируются на представлениях о физической природе     химической связи и химических реакций.  Квантовая химия не дает ответа на эти вопросы.

Химические реакции

Изменения в понимании и объяснении химических реакций в  последние годы произошли на уровне изменений парадигм. Было установлено, что:  

1) Взаимодействие насыщенных молекул происходит не по молекулярному механизму, а по цепному, где носители - цепи (ионы, радикалы и т.д.). Эти активные частицы образуются из исходных насыщенных молекул в результате диссоциации, которая вызывается термическим, фотохимическим и другими путями диссоциации исходных молекул.

До сих пор предполагалось, что прямое молекулярное взаимодействие является общим механизмом химических реакций, а цепные реакции рассматриваются  как частные случаи. 

2) Взаимодействие активных частиц с насыщенными молекулами происходит не через переходное состояние (ПС), находящееся на верху потенциального барьера, а через промежуточное соединение (ПрС), расположенное в минимуме (см. энергетический профиль реакции).

3) В общем случае, лежащем в основе старой модели, предполагалось, что взаимодействие молекул между собой и активных частиц с молекулами происходило в один этап. Согласно новой теории (новой парадигме), взаимодействие активных частиц с молекулами происходит в три этапа: ассоциации, электронной изомеризации, и диссоциации.

4) Согласно старой модели, главной движущей силой химических реакций была кинетическая энергия исходных молекул [теория активных столкновений (TAC) и теория переходного состояния (ТПС)], которая тратится на разрушение старых химических связей во время реакции. В рамках этой парадигмы оставалось не понятно, как  в ходе химических реакций, проходящих при температурах 30-200^о С, разрушались  химические связи, хотя для термического  разрушения им требовалась температура свыше 2000^о C(!). Т.е. теории противоречили экспериментальным данным.

Согласно новой теории, во время взаимодействия активной частицы с насыщенной молекулой, (проходящего вышеназванные этапы) в результате реакции электронной изомеризации, сильная старая ковалентная связь превращается в слабую ван-дер-ваальсовою связь (ВВС) без каких-либо энергетических затрат или расхода энергии во время изомеризации. Выделяющаяся термическая энергия, также тратится на разрыв связей и образование дополнительного (малого) количества активных частиц.

Чем прочнее связь, образующаяся в результате реакции, тем быстрее идет реакция.

5) В рамках механического подхода, при описании факторов, определяющих скорость реакции, описывалось только влияние температуры и концентрация исходного вещества. 

Вопрос относительно влияния химического строения реагирующих веществ на скорость реакции даже не поднимался.

Согласно экспериментальным данным, скорость химических реакций в первую очередь определяется химической природой реагирующих веществ. Радикалы, например, вступают во взаимодействие с насыщенными молекулами более, чем в 10 000 раз быстрее по сравнению со скоростью взаимодействия насыщенных молекул между собой. 

В рамках нового подхода удалось понять и объяснить влияние природы реагирующих веществ на скорость химических реакций.   

6) В рамках старой интерпретации, общее объяснение  катализа было  «черной дырой».

При объяснении катализа говорили, что его «влияние сказывается  через экспоненциальный член». Известно, что каталитические реакции протекают через образование промежуточных соединений, концентрация которых во  много раз меньше концентрации исходных веществ. Их кинетическая энергия в случае гетерогенного катализа близка к нулю. Согласно теории активных столкновений и переходного состояния, скорость каталитической  реакции должна быть много ниже, чем некаталитической, т.е. экспериментальные данные для гетерогенного катализа находятся о полном противоречии с основными концепциями обеих теорий: теории активных столкновений и теории переходного состояния.

7) Неотъемлемой частью учебника является логическая интерпретация  физической природы химической связи и химической реакции. 

Энергия и энтропия

Гиллеспи считает, что термодинамика слишком сложна для преподавания и предлагает включить этот раздел в вводный курс химии поскольку энергия и энтропия позволяют ответить на следующие вопросы: 1) Почему одни реакции происходят, а другие нет? 2) Почему одни реакции протекают до конца, а другие нет? 

В ходе химической революции было обнаружено, что реакции протекают, когда в системе имеются химически активные частицы. Ответ на второй вопрос будет очевиден и доступен для понимания,  если мы будем изучать не только прямые реакции, но и обратные. Мы считаем, что ответ на его надо включить в физическую химию для студентов, специализирующихся в этой области.

Надо ли говорить об энтропии?- спорно, по следующим причинам: из двух объяснений по энтропии, обсуждаемых в литературе,  термодинамического и статического (Больцман), первое очень трудно для преподавания, в то время как второе является математическим, поскольку не имеет физического содержания.

Понятия «свободная энергия» по отношению к химии  является общим (т.е. философским) вопросом. Поняв, как формируются и разрушаются химические связи, непроизводительный расход энергии во время термического разрушения связи, которая приводит к снижению потенциальной энергии электронов (увеличение расстояния между связующими электронами и ядрами) в неразрушенных молекулах, все химические вопросы можно объяснить без введения понятий «свободная энергии» и «энтропия».  

Периодический закон  

Периодический закон, сформулированный Менделеевым в 1869 г., выглядел следующим образом: свойства химических элементов не произвольны, а находятся в периодической зависимости от их атомной массы. В рамках основных научных парадигм, царивших в науке со времен Ньютона, этот закон выглядел свершено парадоксально. После открытия строения атома и выяснения того факта, что атомная масса сосредоточена в ядре атома, парадоксальность периодического закона еще больше возросла. Мозли переформулировал закон: «заряд ядра, а не атомная масса, является важнейшим свойством элемента, определяющим его химические свойства» (Р.Дикерсон, Г.Грей, Дж.Хейт, Основные законы химии,  Мир, 1982   т.1, с .312). Как это маленькое ядро, окруженное большим количеством электронов, влияет на свойства атома и молекул?

Для выяснения физического смысла Периодического закона нами были использованы экспериментальные данные по  первому потенциалу ионизации атомов, радиус атомов и количество электронов во внешнем слое атомов. Периодичность изменения этих свойств атомов совпадала с периодичностью изменения химических и физических свойств элементов (например, для 2-го и 3-го периода 8), что позволило сделать вывод, что именно эти три свойства атомов определяют химические и физические свойства элементов.

Мы смогли найти ответы на вопросы:

Почему эти три свойства меняются периодически?
Каким образом (каков механизм)заряд ядра элемента  влияет на химические свойства элемента?
Почему периодичность изменения физических и химических свойства элемента для второго и третьего периода 8 элементов, а основное химическое свойство элемента валентность в этих периодах имеет значение 4 элемента?

Ответом на первый вопрос явились экспериментальные данные по энергии ионизации, которые показывали, что внутренние слои всех элементов содержат одинаковое количество электронов (два в слое ближайшем к ядру и  восемь в остальных внутренних слоях). Соответственно, увеличение количества электронов в атомах, происходящее при увеличении заряда ядер, приводит к тому, что количество электронов на внешнем слое атомов  при линейном росте заряда ядер меняется периодически. Качественным объяснением одинакового количества электронов во внутренних слоях всех элементов является следующее объяснение: при увеличении заряда ядра атома на единицу протона с одновременным присоединением к нему электрона во внешний электронный слой происходит выигрыш энергии за счет приближения нового электрона к ядру атома (наибольший выигрыш в энергии происходит при вхождении нового электрона во внешний слой атома) и проигрыш энергии за счет приближения этого электрона к электронам, находящимся в атоме, прежде всего к электронам, находящимся во внешнем слое атома. Т.е. модель, предполагающая, что электроны, окружающие ядро, вращаются вокруг него по концентрическим окружностям, лежащим в одной плоскости, имеет аналитическое решение и рассмотрена в нашей работе. Согласно этой модели, например, к атому водорода электрон может присоединиться в существующий верхний слой, а к атому гелия электрон не присоединяется, что и наблюдается в  эксперименте: сродство атомов гелия к электрону имеет отрицательное значение.    

Согласно расчету  модели, к атому, имеющему заряд ядра 3 ед. протона электрон присоединялся,  но не в существующий верхний слой, а начинал образовывать новый верхний электронный слой, что также наблюдается в эксперименте. (Сродство атома лития к электрону 0,6 эВ). В расчетах  модели предполагалось, что электроны и ядра являются частицами, между которыми действуют силы Кулона. Количественное совпадение расчета с экспериментом являлось онтологическим (из первых принципов) объяснением физической природы слоистого строения атомов, а также периодического изменения радиусов атомов и их энергии ионизации, зависящих согласно модели и эксперименту, от количества электронов во внешнем слое.

После выяснения физической природы периодического изменения количества электронов во внешнем слое настала очередь для ответа на вопрос, почему валентность элементов второго и третьего периода меняется с периодом в четыре элемента, в то время как количество электронов на внешнем слое и зависящие от него свойства: первый потенциал ионизации и радиус атомов менялся с периодом в 8 элементов. Это удалось в ходе выяснения причин аномальности ряда элементов (имеется дополнительное препятствие для проникновения извне в наружный слой атома).

Мы поняли физический смысл Периодического закона после уяснения, что химические реакции протекают по цепному механизму, где активные частицы - это частицы с незаполненным внешним слоем. Мы поняли и объяснили физический смысл правил Льюиса, правил валентности, правил Семенова - Поляни. 

Мы также включили  курс общей химии:  вопрос корреляции макроскопического мира наблюдений  и микроскопического мира атомов и молекул.             

В разделе «Мир вещества» мы описали связи между параметрами атомов и молекул и физическими и химическими свойствами веществ, образовавшихся из этих атомов и молекул. 

В Америке дискуссии о химическом образовании продолжались 30 лет. Главный тормоз в разрешении проблемы был связан в первую очередь с эйфорией от первых успехов квантовой механики, во вторую - с  инерцией мышления. По результатам работы комиссии вышли три статьи, опубликованные в Америке еще до 1990 г. В этих статьях основное внимание было уделено устранению квантово-химических объяснений, однако новых вариантов объяснений предложено не было.

К результатам деятельности Рабочей группы можно отнести и создание новых учебников. Выпущенные членами рабочей группы учебники содержат 6 основных тем, отраженных в заключительном отчете. Но эти темы не объединены причинно-следственными связями, изложенные законы и правила с неясным физическим смыслом. Несмотря на  критику квантово-химических объяснений, эти авторы не смогли представить общую химию без квантово-химической теории, которая мало доступна пониманию.  Рабочая группа Отдела химического образования обсуждала методику курса общей химии. Она поднимала вопросы: объема и состава курса, глубину изложения материала, какими темами ограничить  учебник. Но при этом опиралась на достижения 20-х годов прошлого столетия.

В химическом образовании в  течение последних 50 лет  нарушается «золотое» правило любого образования: новый материал, объясняемый учащимся, должен быть основан на материале, который учащиеся освоили в предшествующий период обучения. В настоящее время основные химические явления в учебниках объясняются на основе квантовой механики. Основу квантово-механических объяснений химических и физических явлений составляет математический аппарат, который изучается на последних курсах физико-математических факультетов университетов. 

Мы считаем, что учебник должен быть освобожден от неразрешенных, и тем более, от неправильно решенных вопросов. Должны быть исключены те объяснения, которые за последние десятилетия признаны ошибочными: ионная связь, металлическая связь, существование орбиталей и таких  явлений как гибридизация, резонанс структур и.т.д.

Р. Дж.Гиллеспи считал, что «даже если [студенты] ставят перед собою цель понять [химию], то обычно вскоре приходят к выводу, что это слишком сложно, по крайней мере, в рамках доступного времени, и тогда они обращаются, как и другие, к изучению материала. Под этим понятием они подразумевают заучивание названий веществ, формул, типов реакций, форм орбиталей, способов расчета степеней окисления и вычисления pH и пр., и пр.». Однако понять материал, излагаемый в современных учебниках, включая учебники предложенные членами рабочей групп, невозможно, т.к. они ограничиваются описанием законов и правил (правила Льюиса, Правила резонанса, Периодического закона и т.д.) на уровне знаний  20-х годов прошлого века. В это время не был ясен физический смысл этих законов и правил. Такой материал можно было только запомнить и нельзя понять. Словосочетание «понять химию» предполагает понимание физической сущности химических явлений.  Химия за прошедшее столетие достигла высокого уровня систематизации эмпирических данных в виде законов и правил, но осталась на уровне «коллекционирования марок», как говорил Резерфорд. В течение 1960-х - 2000-х годов нам удалось понять и объяснить физический смысл правил Льюиса, правил резонанса, правил валентности, правил Семенова  - Поляни, Периодического закона и других законов и правил и опубликовать  учебники и учебные пособия, альтернативные существующим, как в виде печатных изданий, так и в интернете. 

В Росcии в 1986-1987 г. нами были опубликованы две работы, где предлагались новые объяснения процесса образования химической связи и протекания химической реакции. В 1991 г. вышла на русском языке книга «Новая теория химической связи и химической кинетики и катализа», а в 1992 г. - на английском. Однако эти книги практически остались незамеченными. Помимо основной причины такого отношения -всеобщей тенденции избегать чего бы то ни было нового - была и другая причина большинство наших работ по этой тематике (более 30) было задепонировано в ЦСИФ ЦНИИТЭНефтехим в 1982 г. и опубликовано в нереферируемых журналом Chemical Abstracts источниках. Главным отличием наших учебников от всех предыдущих является то, что они позволяют ПОНЯТЬ химические явления, ПОНЯТЬ их физический смысл и перейти от ЗАПОМИНАНИЯ материала, изложенного в учебниках, к его ПОНИМАНИЮ, о чем мечтал Дж.Гиллеспи. 

Инерция мышления преодолевается в ходе научной дискуссии. Мы приглашаем читателей к конструктивному, непредвзятому и обстоятельному обсуждению.  

на страницу мнение Р.Гиллеспи >>                на страницу учебник по химии >>          наверх ↑