Home  / Учебник ОБЩАЯ ХИМИЯ / Предисловие

Предисловие

Основные трудности в преподавании химии проистекают из-за того, что химические явления учителя пытаются объяснить на основе квантовой химии, которую преподавателю трудно понять самому. Широко используемые квантово-химические объяснения включают представления и принципы, чьи физические основы не ясны до сих пор.

Основные недостатки квантово-химических объяснений заключаются в следующем:
1. Нарушено золотое правило обучения, гласящее, что новый материал, объясняемый преподавателем, должен всегда базироваться на знаниях, которые учащиеся приобрели в предшествующий период обучения. Основы квантовой химии даются только как часть университетской программы на 4 курсе физико-математических факультетов.

2.  Объяснения явлений, дискутируемые в науке до настоящего времени, не должны входить в учебник.

Спор о реальности сущего двух титанов - Эйнштейна и Бора, бой между тьмой кванта и светом классики закончился  вничью. Тот самый Эйнштейн, который своей теорией относительности разрушил фундамент классической физики, считал квантовую механику неполной теорией. Бор - создатель первой квантовой теории атома - активно участвовал в  разработке основ квантовой механики.  Они так и не смогли прийти к единому мнению. 

Квантово-химические объяснения  химических явлений в существующих учебниках  не оставляют у студентов сомнений, что такие явления как волновые свойства частиц и делокализованные электроны существуют в действительности, что электроны могут находиться только на орбиталях, и что эти орбитали могут гибридизироваться. То, что квантово-химические объяснения, приведенные в учебниках химии, на самом деле являются выдумкой авторов, было указано в одном из основных учебников "Quantum Chemistry" (Квантовая химия), который  переиздавался Ирой Левин пять раз с 1970 по 2004 г.

В первом издании учебника (1970 г.) на странице 559 написано: "Существует тенденция считать 'конфигурационное взаимодействие', 'гибридизацию' и т.п. реальными физическими явлениями. Эти понятия являются артефактами - названиями приближений используемых при расчетах. Даже понятие орбиталей- не более чем название приближения, и,  строго говоря, орбиталей не существует".

В пятом издании (2004 г.) на странице 609 сказано: "Различие между энергией отдельной структуры I и  энергией, найденной при наложении  всех  структур, полученных по методу валентных связей, является энергией резонанса бензола. Иногда говорят, что бензол "стабилизирован резонансом", но, конечно, резонанс не есть реальное явление".

Такие понятия как "конфигурационное взаимодействие", "резонанс", "гибридизация" и " обменная энергия" - это не реальные физические явления, а только  устаревшие названия  приближений для вычислений. Точно так же понятие орбиталей - всего лишь название математического расчета, и, строго говоря, орбитали не существуют.

Все объяснения, основанные в соответствии с  квантовой химией, на такой аргументации, как орбитали, резонанс, обменная энергия, гибридизация и т.д., воспринимаются студентами   как реальные физические явления. Эти знания являются ложным знанием, которое, как мы знаем, хуже невежества.             

В своем докладе на 225-й заседании Американского Химического Общества в Новом Орлеане, чтобы немного развлечь слушателей, Дж. Спенсеру привел примеры квантово-химических объяснений, взятых из обычных учебников. Слушатели по большей части отреагировали смехом и искренне аплодировали докладчику. Это подтверждает  правильность известного высказывания: «Человечество, смеясь, расстается со своими заблуждениями».

Основные трудности в объяснении студентам химической связи и химических реакций заключаются в том, что в прошлом столетии в рамках квантовой химии наука не смогла объяснить физический смысл образования химической связи, химической реакции и катализа.

Огильве писал: "Каково состояние знаний о теории химической связи в 1990 г.? Мы знаем, что это не палка между двумя шариками, как химики-органики представляли ее в XIX веке. И это, конечно, не орбитали. Если мы знаем, что не является химической связью, можем ли мы сказать, что знаем что представляет собой химическая связь?" [JСЕ, 1990, 67, стр.280]       

«Почему атомы иногда образуют связи? Ответ на этот вопрос, в идеале, должен быть простым. Легкая понятная теория не только должна объяснить почему атомы объединяются, образуя молекулы, но и предсказать трехмерные структуры полученных соединений, а также их энергию и другие свойства образующихся связей. К сожалению, ни одна существующая теория, не выполняет эти задачи удовлетворительно для всего многообразия известных соединений. Кроме того, представляется вероятным, что если такая теория объединит все соединения, то она не будет простой». Stephen Lower, виртуальный учебник химии.
http://www.chem1.com/acad/webtext/chembond/cb02.html#SEC1

Ричард Фейнман, получивший Нобелевскую премию по физике, спрашивал: "Если бы  вас попросили  выразить  для следующего  поколения  одним предложением  самое  важное  знание, которым мы обладаем,  каким бы оно было?" Его собственный ответ звучал так: "Все состоит из атомов". Фейнман продолжает: но следующее поколение может спросить: "Каковы размеры и форма атомов? Как они соединяются друг с другом?" (Фейнмановские лекции по физике, том 1. Современная наука о природе, глава1)

Р.Фейнман озвучил типичные представления физиков о химии: «В наше время неорганическая химия как наука свелась в основном к физической и квантовой химии; первая изучает скорости реакций и прочие их детали (как сталкивается молекула с молекулой, какие связи разрываются в результате  столкновений и т. д.), а вторая помогает понимать происходящее на языке физических законов.  В самых глубинах теоретической химии лежит квантовая механика. Однако объяснение, даваемое квантовой механикой, - это все-таки объяснение в принципе». [т.е. оно не раскрывает физического смысла] Фейнмановские лекции по физике, т.1. Современная наука о природе, глава 2.

В издании «Journal of Computational Chemistry»(№28, выпуск 1,2007) сказано: «Мы надеемся, что в этом специальном выпуске «Журнала Вычислительной Химии»  читатель увидит, что мы все еще далеки от понимания природы химической связи и что еще много предстоит сделать  работ химическому сообществу в этом направлении. С точки зрения химиков, химические связи характеризуют разнообразие химического вещества во Вселенной. Попытка понять суть химических связей в терминах, доступных для человеческого разума, равна пониманию материального мира - вечной задачи для ученых. Диалог химиков о понятии химической связи продолжается...».

Писатель Стивен Вайнберг, лауреат Нобелевской премиипо физике 1979 г, в   «Мечтах об окончательной теории» пишет: «Год назад [~ 1991] Филипп Канделас (физический  факультет в Техасе) и я ждали лифт.  Наш разговор коснулся молодого аспиранта, который подавал надежды как теоретик  и который пропал из виду. Я спросил Фила, что помешало исследованиям бывшего студента. Фил грустно покачал головой и сказал, что тот попытался понять квантовую механику».

Согласно С. Липпарду, (C&EN, 2000, №7, август), в результате недавних революционных изменений в химии старые парадигмы уступили место новым.

В частности парадигма, согласно которой природа химической связи  может быть разрешена только в рамках квантовой механики была изменена. На смену пришла теория, утверждающая, что эту проблему можно решить в рамках классического феноменологического подхода (см. В. и Ю. Ганкины «Как образуется химическая связь и протекают химические реакции», 1998).

В процессе химической революции ответы на такие вопросы как «Как соединяются атомы?» и «Как протекают химические реакции?» позволили понять и объяснить физическую природу основных химических явлений: образование химической связи, кинетики и катализа, а также понять физический смысл основных правил и законов: правила Льюиса, правила резонанса и Периодического закона. Особенно важно для обучения, что эти объяснения стали доступными для понимания.

Точку зрения физиков на химию  в начале XX века выразил Резерфорд (удостоенный Нобелевской премии по химии в 1908г.): «Наука делится на физику и коллекционирование почтовых марок».  Т.е. химия причислялась к эмпирическим наукам.

В 1990 отделение химического образования Американского Химического общества создало Рабочую группу по составлению учебного курса по общей химии. В нее вошли:  

Основной состав: Stephen Berry (Чикагский Университет), George Bodner (Университет Пердью), Orville Chapman (Калифорнийский Университет, Лос-Анджелес), William [Flick] Coleman (Колледж Уэллсли), Arthur Ellis (Висконсинский Университет в Мэдисоне), John Fortman (Государственный Университет Райт), Ron Gillespie (Университет МакМастера), Stephen Hawkes (Орегонский Государственный Университет), Dudley Herschbach (Гарвардский Университет), Herbert Kaesz (Калифорнийский Университет, Лос-Анджелес), Joseph Lagowski (Техасский Университет в Остине),  Ram Lamba (Интерамериканский университет Пуэрто-Рико), David MacInnes (Гилфордский Колледж), Patricia Metz (Техасский Технический Университет), Jerry Mohrig (Колледж Карлтон), Karen Morse (Государственный Университет Юты), Lyman Rickard (Университет Миллесвилля), Ethel Schultz (Национальный научный фонд), James Spencer, председатель рабочей группы (Колледж Франклин и Маршалл), Jeffrey Steinfeld (Массачусетский Технологический Институт), Judith Strong (Государственный Университет Мурхед),  Tamar [University] Susskind  (Оклендский Общинный Колледж), Hessy Taft (Служба тестирования в образовании).  

Запасной состав рабочей группы: Theodore Brown (Иллинойский Университет), Ernest Eliel (Университет Северной Каролины), Clark Fields (Университет Северного Колорадо), Baird Lloyd (Колледж Эмори и Генри), Joseph Morse (Государственный Университет штата Юта), Alan Pribula (Государственный Университет Таусон).

Информацию об этих ученых Вы сможете найти в Википедии и других страницах интернета. 

Точка зрения Р.Дж.Гиллеспи >>

Мнение ученых института >>