Важнейшее значение для понимания качественного состава соединения имеют характеристики элементов, отражающие их состояние в соединениях: валентность, степень окисления, относительная электроотрицателыюсть, потенциал ионизации и сродство к электрону. Две последние характеристики — предмет обсуждения на факультативных занятиях.
В систему знаний о составе необходимо ввести понятие о переменном составе веществ, так как отсутствие этого понятия ведет к ошибочному пониманию состава, структуры и формул многих реальных соединений — бертоллидов.
2. Подсистема (блок, модуль) понятий о строении (структуре) веществ,
где понятия раскрываются на трех уровнях химической организации веществ: атомном, молекулярном, макромолекулярном.
Знания о строении веществ на атомном уровне представлены следующими понятиями: «группировка электронов и ядер в атомные частицы», «форма электронных облаков и их расположение в пространстве», «энергетические уровни атомов и их заполняемость электронами», «электронная конфигурация атомов и их периодическая изменяемость»,«спаренные и неспаренные электроны», «валентное состояние атомов и атомных частиц». Содержание понятий о строении веществ на атомном уровне тесно смыкается с физическими знаниями.
Строение веществ на надатомном или молекулярном уровне их химической организации. Химическое связывание атомных частиц осуществляется в процессе их взаимодействия. Результатом его в соответствующих условиях является образование «молекулярных» частиц (молекул, ионных пар, атомных и ионных комплексов и др.). Молекулы — это относительно замкнутые электронно-ядерные системы, а атомные и ионные комплексы — химические соединения с ненасыщенными на поверхности связями. Центральное понятие этого уровня — «химическая связь». Опору для его образования составляют понятия: «электронное строение атомов», «валентные электроны». Содержание основного понятия «химическая связь» раскрывается с помощью видовых, подчиненных ему понятий: «электронная пара», «природа связи», «механизм», «тип связи», «ее характер или свойства», а также с помощью вспомогательных понятий — параметров: «энергия», «длина», «кратность связи», «направленность в пространстве» и др. Совокупность этих понятий вскрывает сущность строения молекул и «молекулярных частиц» (ионных пар, радикалов, атомных комплексов и др.). Объем понятия «химическая связь» составляют типы химических связей (ковалентная, ионная и др.) и виды связей, обусловленные характером перекрывания орбиталей (о- и л-связи, ординарные, двойные, тройные и пр.).
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).