2019 г. был юбилейным со дня рождения Д.И. Менделеева и создания им Периодической системы элементов. Поэтому вполне логично, что был опубликован ряд статей, посвященных развитию представлений о периодичности и современным формулировкам Периодического закона. Первый дискуссионный аспект касался понятия «периодичность». В работе [1] было предложено изменить принятую на сегодняшний день формулировку Периодического закона следующим образом: «большинство свойств химических элементов и их соединений находится в близкой к периодической зависимости от заряда соответствующих им нуклидов (атомных ядер)». Аргументом для такой поправки явилась неподчинимость изменения «ни одного из известных на сегодняшний день свойств химических элементов» математической функции f(x+T) = f(x) (где Т – период), например тригонометрической функции. Да, действительно, изменение свойств нельзя описать функцией, подобной тригонометрической, или даже больше − их комбинацией, отсутствует строгая математическая зависимость свойств конкретно от заряда ядра. Но еще в 1969 г., в год 100-летия Периодического закона, была опубликована статья [2], в которой предложены функциональные зависимости точек плавления (в транскрипции автора) переходных металлов от главного квантового числа и числа d-электронов. Там же приведены уравнения для хода изменения точек плавления, точек кипения и теплот сублимации в зависимости от главного квантового числа и числа s-, p-, (s+d)-электронов; обсуждена зависимость электропроводности простых веществ от главного и побочного квантовых чисел и т.д. Поэтому аргумент, что ни одно свойство невозможно описать математически, не вполне справедлив. А поправка «близкой к …» мало что добавляет к раскрытию смысла понятия «периодичность».
Отсутствие «чистой периодичности» и неподчинимость тому же математическому уравнению обсуждаются и в работе [3]. Автор предлагает заменить понятие «периодичность» более общим понятием «ритмичность», а именно: «физические и химические свойства элементов, зависящие от электронной структуры атомов, а также формы и свойства соединений ритмически варьируют с изменением заряда ядра атома». А все многообразие зависимостей между свойствами элементов (вторичная, двойная периодичность, диагональное сходство, явление «химических близнецов») следует рассматривать как каскады функциональных связей, каскады ритмов (или сокращенно «ритмокаскады»). Возможно, в данной формулировке есть определенная логика. Однако не очень понятно, какие физические свойства элементов автор имеет в виду. Все-таки физические свойства присущи отдельным атомам и веществам. Кроме того, само слово «ритмокаскады» семантически более сложное, чем слово «периодичность», встречается впервые, что может привести к усложнению и без того непростой темы.
Еще одна обсуждаемая поправка формулировки Периодического закона касается заряда ядра атома [4]. На основании обобщения теоретических и экспериментальных исследований квантово-механических аспектов химических свойств веществ и первых результатов изучения антивещества авторами выдвинута гипотеза о существовании новой фундаментальной характеристики химического элемента – «менделеевского числа» (Мч). Менделеевское число – величина, имеющая фундаментальное значение и математически соответствующая натуральному ряду чисел. Авторы предлагают следующую формулировку Периодического закона: «Свойства химических элементов в нуклидолептонных формах атомов и ионов, а также формы и свойства соединений этих элементов находятся в периодической зависимости от менделеевского числа, определяющего структуру и основные свойства химического проявления их электронной конфигурации», более адекватную современным представлениям. Для учебных целей ее можно упростить до: «Свойства химических элементов, а также формы и свойства соединений этих элементов находятся в периодической зависимости от менделеевского числа, определяющего структуру электронной конфигурации атомов» [4].
Появление цитируемых работ очень важно для педагогов-неоргаников, поскольку организационно-методической стороне учебного процесса (как преподавать?) уделяется должное внимание в периодической литературе, в то время как содержательная педагогика высшей школы (что преподавать?) обсуждается довольно редко. Выделим здесь некоторые справедливые замечания в статье [5]. Но подобных статей очень мало, а их актуальность чрезвычайно высока. Например, для магистров направления «Педагогическое образование» очень важен такой системообразующий курс, как «Методологические принципы общей и неорганической химии», обобщающий буквально-фактологические знания будущих учителей до уровня методологического мышления. Но соответствующий учебник пока отсутствует. Поэтому подобные статьи о развитии представлений о Периодическом законе очень своевременны и могут использоваться в практике преподавания как иллюстрация одного из основных принципов неорганической химии – принципа развития.
Применительно к изучению темы «Периодической закон и периодическая система элементов» на 1-м курсе бакалавриата преподавать с учетом предлагаемых изменений пока вряд ли целесообразно. Ведь это потребует переучивания школьного материала, поиска смыслов новых понятий и иного, что всегда тяжело, да и вряд ли оправдано последующим применением Периодического закона, в первую очередь при изучении химии элементов, тем более что для подавляющего большинства учащихся учебники – это догма. И здесь существует еще одна проблема, требующая, на наш взгляд, обсуждения. Издательский рынок сегодня предлагает большое разнообразие учебников как отечественных, так и зарубежных авторов, в которых изложены самые разные авторские концепции курса неорганической химии. Это относится и к теме «Периодической закон и периодическая система элементов» − одной из основополагающих в традиции российской школы методики преподавания химии. По нашему мнению, от того, какова цель изучения этой темы, насколько глубоко студенты воспримут и прочувствуют смысл Периодического закона, т.е. знание какого уровня у них сформируется (знание-представление, знание-воспроизведение или знание-понимание) [6, 7], во многом зависит дальнейший успех изучения всей химии элементов.
Цель исследования: проанализировать формулировки Периодического закона и раскрытие его содержания в учебниках отечественных и зарубежных авторов и разработать методические материалы, направленные на восполнение необходимой информации и формирование умений применять периодические закономерности для последующего изучения химии элементов.
Материал и методы исследования
Материалами исследования явились учебники по общей и неорганической химии отечественных и зарубежных авторов. В исследовании использованы методы: теоретические – анализ учебной и методической литературы, обобщение и систематизация данных о Периодическом законе; эмпирические – педагогическое наблюдение за студентами 1-го курса бакалавриата химических направлений при проведении учебных занятий по неорганической химии.
Результаты исследования и их обсуждение
Проанализируем, как сейчас в разных учебниках излагается тема «Периодический закон и периодическая система элементов Д.И. Менделеева». Приведем некоторые формулировки, представленные в известных учебниках (табл. 1).
Таблица 1
Формулировки, представленные в известных учебниках
Формулировка |
Литература |
Свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов элементов |
[8] |
Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных веществ находятся в периодической зависимости от заряда их ядер |
[9] |
Свойства простых веществ, а также свойства и формы соединений элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов элементов |
[10] |
Свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра их атомов |
[11] |
Видно, что формулировки, кроме [8] и [10], несколько отличаются друг от друга. К слову сказать, в переводных учебниках, даже изданных под рубрикой «Лучший зарубежный учебник», а также в некоторых отечественных учебниках формулировки Периодического закона вообще отсутствуют. В учебниках [8] и [10] определение начинается со свойств простых веществ, а в [9] и [11] – со свойств элементов. И далее периодичность чаще всего иллюстрируется изменениями значений радиусов, энергий ионизации, сродства к электрону, электроотрицательности и степени окисления в зависимости от порядкового номера/заряда ядра атома элемента. Очевидно, что эти характеристики относятся к свойствам атомов элементов, и в текстах всеми авторами это подчеркивается. Но с методической точки зрения, если мы ставим целью раскрытие смысла Периодического закона, это должно быть отражено в формулировке.
На 1-м курсе, в процессе адаптации к новой системе преподавания, особенно при изучении базовых дисциплин, очень важна не только научность, но и продуманная методичность изложения информации. Должны быть неизбыточность требований, четкая ориентация на востребованность знаний на ближайшее время [6]. Таким востребованным в ближайшей перспективе знанием будет знание форм (а точнее, формул) сложных веществ и свойств (физических и химических) простых и сложных веществ. Но в теме «Периодический закон и периодическая система элементов» периодичность физических свойств простых веществ обсуждается только в переводных учебниках [12, 13, 14]. Наиболее полно графические зависимости физических свойств: температур кипения и плавления, энтальпии испарения и плавления, плотности – представлены в учебнике Майкла Фримантла [14]. В учебниках [12, 13] представлены зависимости атомных (молярных) объемов элементов. Но здесь, пожалуй, мы согласимся с мнением отечественных авторов, что для последующего применения Периодического закона в целях изучения химии элементов эти зависимости не имеют столь принципиального значения. Возможно, имеет смысл рассматривать только наиболее понятную первокурсникам зависимость температур плавления как иллюстрацию применимости Периодического закона к физическим константам простых веществ.
Более принципиальным и требующим пристального изучения моментом является периодичность формул сложных веществ и химических свойств простых и сложных веществ. Однако периодичность форм выделена только в формулировках [8] и [10], и ни в одном учебнике она в контексте периодичности не обсуждается, хотя это крайне необходимо, чтобы далее при изучении химии элементов студенты не воспринимали формулы сложных веществ (особенно «нешкольных» элементов) как нечто новое и пытались их механически запоминать. Для этого достаточно всего лишь одной таблицы с формулами оксидов, гидратов оксидов и солей в высшей степени окисления, комментария к ней и набора практических заданий, сформулированных так, чтобы поиск правильного ответа базировался на понимании смысла периодичности, а не на вспоминании известной информации, например:
Исходя из положения мышьяка и молибдена в Периодической таблице напишите формулы оксидов и гидратов оксидов этих элементов в высшей степени окисления.
При ответе на данное задание студенты должны вспомнить известные из курса школы формулы ортофосфорной и хромовой кислот и по аналогии составить предложенные неизвестные формулы. Как показывают педагогические наблюдения, задания подобного типа не вызывают больших затруднений. Следующее затем обсуждение периодичности металлических и неметаллических свойств простых веществ также не вызывает затруднений. Это как раз то, что студенты хорошо усвоили еще в школе. В вузе только требуется дополнение об их взаимосвязи с основными атомными характеристиками. И, наконец, переход к кислотно-основным свойствам базируется на генетической связи между классами неорганических соединений, также хорошо известной из школьного курса:
металл → основный оксид → основание,
неметалл → кислотный оксид → кислородсодержащая кислота.
Объяснение логично вытекает из методологического принципа детерминизма: чем меньше потенциал ионизации и электроотрицательность, тем более выражены металлические свойства, следовательно, оксид и гидрат оксида (основание) проявляют более сильные основные свойства. Аналогичная закономерность наблюдается и в ряду неметаллов и их кислородных соединений: чем больше электроотрицательность и сильнее неметаллические свойства, тем в большей степени выражены кислотные свойства оксида и соответствующего гидрата оксида (кислоты). Здесь мы намеренно не говорим о сродстве к электрону, так как эта характеристика более сложно меняется в группах и периодах. Эти закономерности характерны как для главных и побочных подгрупп, так и для атомов элементов главных подгрупп одного периода. На наш взгляд, в этом случае целесообразно использовать короткопериодный вариант Периодической таблицы. Но обязательно следует подчеркнуть, что это общая качественная немонотонная тенденция, а о количественных закономерностях и некоторых исключениях будем говорить далее при подробном изучении химии элементов. Для закрепления теории мы разработали экспериментальную лабораторную работу и практические задания.
Пример практического задания
Используя периодические закономерности изменения кислотно-основных свойств в группах и периодах, дайте мотивированный ответ на вопрос, какой из двух гидратов оксидов обладает более сильными основными свойствами: Mg(OH)2 или Sr(OH)2, Y(OH)3 или Zr(OH)4; более сильными кислотными свойствами: H2SO4 или H2SeO4, H3AsO4 или H2SeO4?
Опять в данных заданиях для понимания смысла периодичности мы специально предлагаем предположить свойства соединений таких элементов, которые не изучались в школе.
Пример фрагмента лабораторной работы
Опыт 1. Исследование закономерности изменения металлических свойств простых веществ в периодах.
Исследование закономерности изменения металлических свойств в периодах мы будем проводить на примере простых веществ элементов III периода Периодической системы Д.И. Менделеева.
1. (демонстрационный опыт) Возьмите кристаллизатор с водой, добавьте 2–3 капли раствора фенолфталеина и перемешайте полученный раствор. Осторожно опустите маленький кусочек металлического натрия (размером меньше горошины). Что наблюдаете? Запишите уравнение реакции и ваши наблюдения (признак реакции и ее скорость).
2. Возьмите три пробирки и насыпьте в каждую немного порошка магния. В первую пробирку налейте 2–3 мл дистиллированной воды, во вторую – 2–3 мл разбавленной соляной кислоты, в третью – 2–3 мл разбавленной щелочи. Что наблюдаете? Если взаимодействие не протекает, содержимое пробирки немного подогрейте. Запишите уравнение реакции и ваши наблюдения (признак реакции и ее скорость).
3. Возьмите три пробирки и поместите в каждую немного стружек алюминия. В первую пробирку налейте 2–3 мл дистиллированной воды, во вторую – 2–3 мл разбавленной соляной кислоты, в третью – 2–3 мл разбавленной щелочи. Что наблюдаете? Запишите уравнение реакции и ваши наблюдения (признак реакции и ее скорость).
На основании наблюдений о взаимодействии натрия, магния и алюминия с водой сделайте вывод об изменении их металлических свойств. (Например, так как натрий реагирует с водой (как?) ……, магний реагирует (как?), алюминий – (как?), следовательно, ……). На основании наблюдений о взаимодействии магния и алюминия с соляной кислотой сделайте вывод об изменении их металлических свойств. На основании наблюдений о взаимодействии магния и алюминия с гидроксидом калия или натрия сделайте вывод об изменении их металлических свойств. Сделайте общий вывод об изменении металлических свойств в ряду натрий – магний – алюминий. Сравните теоретический и экспериментальный выводы.
Очень кратко похожие рассуждения приведены в учебнике [15], но, на наш взгляд, хаотично, без соблюдения принципа детерминизма и всесторонности, логических построений. Кроме того, чисто текстовая форма подачи материала (без формул, графиков, выделений жирным шрифтом и т.п.) затрудняет формирование смыслов. Несколько интереснее и нагляднее периодичность кислотно-основных свойств изложена в учебнике [14], однако также недостаточно полно.
Мы категорически не согласны с периодичностью окислительно-восстановительных свойств [14]. Здесь автор сам себе противоречит, используя в качестве примера восстановительные свойства s-элементов и связывая их со значениями энергии ионизации, сродства к электрону и электроотрицательности. Видимо, имеется в виду положение щелочных и щелочноземельных элементов в ряду напряжений. Хотя хорошо известно, что последовательность их расположения в ряду напряжений не совпадает с закономерностями изменения их атомных характеристик. Тем более периодичность никак не проявляется в окислительно-восстановительных свойствах сложных веществ. Их сила определяется совсем другими причинами, в частности устойчивостью соединений в соответствующей степени окисления.
Заключение
Таким образом, представленные в различных учебниках формулировки Периодического закона не полностью соответствуют раскрываемому далее смыслу. Фундаментальность данного знания предъявляет особые требования к рассмотрению его содержания. Они должны отвечать всем основным методологическим принципам неорганической химии – развития, детерминизма, системности, объективности, всесторонности, практики. Именно методология служит основой той самой методики преподавания, в русле которой «учить надо так, чтобы в дальнейшем человек доучивался, но не переучивался» [5]. При таком подходе, когда последовательно иллюстрируется каждое ключевое слово Периодического закона, студент расширяет знания о периодичности, полученные в школе, формирует логические связи между изучаемыми понятиями, проверяет их на практике, что является основой всестороннего системного знания. Их дальнейшее развитие происходит уже при изучении химии элементов, поэтому вполне понятно, что в учебниках [9, 12] Периодический закон рассматривается непосредственно перед химией элементов. Несмотря на то что в изменении формул и свойств отсутствует строгая математическая периодичность, очевидна химическая периодичность. И на 1-м курсе это представляет отдельную методическую ценность, так как видны основа, тенденции, позволяющие формировать тот фундамент, на основе которого далее студенты наращивают свой учебный потенциал.