химия. Российская академия образования институт содержания и методов обучения
 Скачать 0.77 Mb.
|
|
Часть 1 знакомит учащихся с устойчивостью электронных оболочек. Пользователю предлагается выбрать количество электронов из предложенного ряда от 1 до 32-ух, из которых будет составлена модель электронной оболочки. После выбора на экране появляется изображение соответствующего кольцегранника в контурных линиях. Пользователю предлагается «раскрасить» кольцегранную модель электронной оболочки в два цвета таким образом, чтобы оболочка «не развалилась» при ее проверке на «магнитную устойчивость». Использование двух разных цветов подразумевает наличие у колец, моделирующих электроны, двух различных способов расположения в оболочке, связанных с наличием у электрона магнитных свойств (спин – характеристики «+» или «»). Проверка правильности раскрашивания осуществляется автоматически по окончании выбора цветов. Для правильного выбора цвета необходимо соблюдать правила чередования магнитных свойств (спин – характеристик) электронов в оболочке, что отражается различными цветами колец, участвующих в образовании кольцегранника, моделирующего электронную оболочку. Симметричность кольцегранной фигуры, моделирующей электронную оболочку, является одним из критериев устойчивости оболочки. Если пользователь убежден, что он не только правильно расставил цвета колец в оболочке, но и верно выбрал число электронов, из которых состоит симметричная оболочка, он может провести проверку оболочки на устойчивость. В случае ошибки оболочка разрушается, вращаясь вокруг оси, относительно которой она не является симметричной. Затем следует предложение повторить попытку. Предусмотрен режим демонстрации правильно собранных электронных оболочек: демонстрируется вращение устойчивых оболочек в виде компьютерной мультипликации. В части 2. «Глобус атома» проводится сборка электронного глобуса атома. Предлагается распределить все электроны выбранного атома по разным уровням, или возможным оболочкам с учетом заряда ядра. При наборе электронов на каждую оболочку на экране идет демонстрация ее заполнения. После окончания распределения электронов по оболочкам предоставляется время для размышлений и исправлений до выбора команды “проверка”. В случае неправильной сборки происходит демонстрация перестроения электронных оболочек - переходов электронов на другие уровни и правильное их распределение по оболочкам. По окончании демонстрации верного распределения электронов задача предлагается снова: информация о правильном распределении электронов скрывается для предоставления учащимся возможности самостоятельно распределить электроны по оболочкам. Предусмотрена показательная демонстрация правильной сборки одного сложного атома – радона (Ra). По окончании правильной сборки какого-либо атома, в качестве приза и факта окончания работы идет непрерывная демонстрация правильной “сборки - разборки” верно собранного элемента. Для удобства оценки результативности работы учеников в обеих частях программы предусмотрен счетчик времени работы и запись лучших результатов и фамилий исполнителей. Работа с обучающей компьютерной графической программой “Глобус атома” проводилась в УВК №1679 в течение двух учебных сезонов 1995-96 годов и 1996-97 годов с учащимися 8 –11 классов. Компьютерная программа «Глобус атома» не охватывает всего материала курса физики и химии и поэтому представляет собой лишь часть компьютерной поддержки курса, касающегося электронного строения атома в виде кольцегранников. Существенным в кольцегранных моделях является возможность демонстрации процесса потери электронами в электронных оболочках своей индивидуальности и их объединение в общий для всей оболочки атома процесс волн электронной плотности. Процесс обобществления электронов можно рассмотреть на примере самой устойчивой оболочки из восьми электронов. В предлагаемой модели под термином “волна электронной плотности” подразумевается не некоторая неопределенная величина типа “плотности вероятности” нахождения всего электрона в определенной области, а определенная форма волнового процесса, составляющего общую электронную оболочку и каждый электрон в отдельности. Модель оболочки из восьми электронов можно исполнить двумя способами. Первый - это сборка фигуры из четырех колец одного цвета и четырех другого (рис. 2). Второй - та же форма, но из восьми пестрых колец. В ней все кольца трехцветные, а фрагменты колец каждого цвета составляют замкнутые изогнутые линии, огибающие по максимальному радиусу всю электронную оболочку. Каждая из четырех замкнутых линий своего цвета представляет собой изогнутое кольцо, деформация которого соответствует наличию в кольце трех длин волн. Эти цветные линии расположены симметрично относительно геометрического центра фигуры, в котором должно находится ядро атома (рис. 13). Эти линии геометрически изображают электронные волны оболочки, или волны электронной плотности, соответствующие волновым уравнениям для четырех пар электронов оболочки. Каждая пара образуется электронами с различными знаками спин характеристик. Такая модель наглядно показывает причину стремления любого атома к завершению электронной оболочки. Причина - это замыкание самих на себя электрических потоков, создающих эквипотенциальную поверхность. Этим достигается их стационарность и отсутствие излучения электромагнитной энергии. Это принципиально важно для объяснения таких «необъяснимых с точки зрения электродинамики» процессов как захват нейтральным атомом электрона с последующим превращением атома в ион. Демонстрацию замыкания не только электрических, но и магнитных силовых линий можно провести с помощью конструкционного набора “Магеом”. Для этого используется кольцегранник из базовых колец: кольца обозначают электроны оболочки, а совмещаемые с ними спиральные замкнутые линии обозначают магнитные силовые линии электронов (рис. 14). Спирали, символически изображающие магнитные силовые линии электронов (также как и электрические, рассматривавшиеся ранее), могут быть обобществлены, включаясь в общий для всей оболочки стационарный процесс. Символически это может быть показано одной линией, обвивающей всю электронную оболочку (рис. 15). Рассмотрим возможность демонстрации "электроотрицательности" или "сродства к электрону" на примере такого процесса как захват электрона атомом галогена. Захват галогеном, имеющего на внешней оболочке семь электронов, восьмого электрона, которого не хватает до завершения оболочки, ранее лишь декларировался из-за затруднения корректного объяснения и наглядной демонстрации. На модели (рис. 16) видно как магнитные силовые линии соседних колец - электронов создают вокруг вакантного места в оболочке галогена конфигурацию магнитного поля, аналогичную той, которая создается вокруг каждого электрона. Таким образом, электронами создается “магнитная ловушка”, в которую "попадает" свободный или слабосвязанный электрон из окружения. Аналогичным способом с использованием модели кольцевого электрона с расширенными дидактическими свойствами (электрона в виде контура с окружающими его магнитными силовыми линиями) могут демонстрироваться процессы образования ионов и соединений с различными типами ковалентных связей. Предлагаемый способ построения моделей электронных поверхностей молекул значителен тем, что объясняет закономерности их формообразования. А это уже новое качество знания. У геометрической модели электрона в виде кольца с обвивающей его спиралью появляется новая дидактическая функция - наглядная демонстрация отличия частицы от античастицы. Навивающаяся на кольцо спираль может быть как правой (для частиц), так и левой (для античастиц). Зеркальное отражение модели представляет собой модель античастицы. Обычно модель элементарной частицы обозначает лишь факт наличия и расположения частицы в пространстве, при этом остальные ее свойства подразумеваются. Предлагаемая модель позволяет эти “скрытые” свойства демонстрировать. Кольцегранные, то есть составленные из колец, модели атомных оболочек, наглядны и легко воспринимаются учениками благодаря своей простоте и отсутствию внутренних противоречий. Они позволяют демонстрировать большое число ненаблюдаемых внутриатомных процессов и обладают важным свойством - они очевидны и могут быть собраны руками обучаемых при использования набора в качестве раздаточного материала. А это облегчает усвоение учебного материала. Все модели имеют границы применимости. Поэтому совместимость моделей подразумевает не только их взаимную непротиворечивость, но и возможность пересечения границ их применения. Рассмотрим примеры пересечения границ применимости моделей. При рассмотрении электрона как устойчивой элементарной частицы в процессах, характеризующихся точностью не выше 2Ǻ (ангстрем), модель электрона в виде точки и модель в виде кольца диаметра 1Ǻ ведут себя одинаково - они равнозначны. При такой точности моделирования кольцо диаметром 1Ǻ (10–10 м) может изображаться точкой. Например, это могут быть процессы движения электрона как самостоятельной частицы или процессы ионизации. Для моделирования процессов, характеризующихся точностью выше 2 Ǻ, то есть при рассмотрении процессов внутри атома, например, при объяснении целочисленности главного квантового числа, электрон можно изображать волновым кольцом из целого числа волн (рис. 7, 8, 10, 11). Геометрически модель волнового кольца может состоять из двух пересекающихся линий разных цветов. Они обозначают амплитуды синусоидальных колебаний волны, отличающиеся по фазе на 180º. Такая модель не противоречит кольцевой модели электрона. А за счет усложнения изображения добавляет новые возможности описания квантовых состояний электронов в атоме. В учебнике физики 9 [26] в разделе “Квантово-механическая модель атома” рассмотрена возможность изображения электрона в атоме водорода в виде кольца из целого числа волн, называемых электронными волнами. В учебниках по химии также используется аналогия между состоянием электрона в атоме и состоянием звучащей струны, на которой образуются стоячие волны [25, с. 73]. Подобное предположение делал еще де Бройль, предлагая мыслить электрон струной, свернутой в кольцо, колеблющейся в вакууме без трения. Де Бройль смог дать новое определение понятия "стационарная орбита" электрона в атоме: это такая орбита, на которой укладывается целое число "волн электрона". Свернув такую струну в кольцо вокруг ядра, мы получаем модель электрона, объясняющую, откуда берутся целочисленные квантовые числа “n” - номера разрешенных орбит электрона в атоме. (Как мы знаем, уравнение Э.Шредингера, представляющее поведение электрона в атоме через некую волновую функцию (x), очень похоже на уравнение колебания струны.) Такая модель, изображая электроны в виде волновых колец, демонстрирует целочисленность главного квантового числа, характеризующего различные энергетические уровни расположения электронов. Например, на первой орбите (в пределах первой оболочки) электроны находятся в таком энергетическом состоянии, когда в кольце уложено две длины волны (рис. 7), а на второй – три (рис. 8, 9). Эта модель настолько проста и очевидна, что может использоваться для изучения основ квантовой физики и химии не только в классах с углубленным изучением предмета [76, с.160]. Рассмотрение электронов не в виде маленьких частиц, находящиеся в атоме везде и нигде (как облако), а в виде больших колец, которые не летают в атоме, а просто окружают ядро, существенно упрощает мысленную картину атома. Если у атома один электрон - кольцо, то ядро располагается в его центре. При этом один электрон - незакрепленное кольцо может быть настолько подвижным, что нами будет восприниматься как шар. Так же ведут себя и два электрона. Поэтому и один, и два электрона могут быть представлены как аналог шарообразных электронных облаков или орбиталей. Если электронов больше двух, то формы уже будут сложнее: три кольца могут взаимно расположиться под углами 120, а четыре под углами 109. Аналогичные углы можно обнаружить в соответствующих химических соединениях борной кислоты и тетраэдрических соединениях углерода. При построении таких моделей нет необходимости рассматривать гибридизацию электронных орбиталей. Используются только модели электронов в виде колец. Кольца могут деформироваться в электрических и магнитных полях, сохраняя при этом форму замкнутого контура, близкого к кольцу. При использовании такого средства наглядного моделирования нет необходимости использования различных форм электронных облаков и их гибридов. Рассмотрение этих вопросов можно оставить для классов с углубленным изучением химии для изучения распределения электронов по энергетическим уровням [30, 31, 14]. При этом объяснение электронного строения атома существенно упрощается. Электроны заряжены отрицательно и отталкиваются друг от друга. Поэтому в сложных атомах электроны мешают друг другу занять центральное положение и группируются вокруг ядра слоями. Этими слоями являются электронные оболочки. Полностью электронное окружение атома выглядит в виде нескольких кольцегранников, вложенных один в другой. Устойчивость электронной оболочки демонстрируется на модели симметричностью кольцегранника, кольца которого мысленно наделяются магнитными свойствами. Магнитные свойства электронов определяют геометрию электронных оболочек, а их геометрия определяет химические свойства соединений. Форма внешней электронной оболочки диктует строгие углы взаимодействия между атомами. Размер атома (его валентный радиус) определяется размером внешней электронной оболочки. Важнейшим следствием и преимуществом использования новой модели является то, что при изготовлении моделей химических соединений нет необходимости задавать валентные углы - они сами образуются в процессе построения модели. Это следует из предложения конкретной формы модели электрона и определенных способов моделирования химических соединений. Собираемые модели не только демонстрируют процесс образования химических связей, но и объясняют причину образования определенных валентных углов. Взаиморасположение моделей атомов объясняется определенной формой электронных оболочек, которая в свою очередь, зависит от геометрии модели электрона и приписываемых электрону физических свойств. Для демонстрации дидактических свойств кольцегранных моделей рассмотрим пример изготовления модели электронной поверхности молекулы. Известно, что молекула метана характеризуется тетраэдрическими валентными углами. Проследим, как это получается на примере построения её кольцегранной модели. Атом углерода имеет четыре электрона на внешней оболочке, что можно изобразить четырьмя кольцами. Четыре кольца, расположенные в гранях тетраэдра, образуют симметричную фигуру. Но она не является моделью устойчивой оболочки, так как невозможно добиться обязательного чередования двух цветов всех соприкасающихся колец. Кроме того, в этой конфигурации невозможно выделить пары электронов – так называемые «спаренные электроны». В кольцегранных моделях «спаренные электроны» изображаются двумя кольцами, лежащими в параллельных плоскостях с разных сторон от ядра атома (рис. 5, 6). Неспаренные электроны изображаются одиночными кольцами, не имеющими пары «напротив ядра», или цветом: одно из колец пары делается бесцветным. Таким образом, кольцегранная модель оболочки из четырёх неспаренных электронов должна выглядеть в виде фигуры из восьми колец, четыре из которых отсутствуют, или выполнены бесцветными (рис. 1). Как известно [57], наибольшая положительная степень окисления атома равна числу валентных электронов, которое определяется по номеру группы. Отрицательная степень окисления равна числу неспаренных электронов на внешней оболочке атома данного элемента. У углерода она равна –4. Кольцегранная модель это демонстрирует строением и цветовой кодировкой: четыре кольца – синего цвета и четыре – бесцветных (прозрачных). Наличие бесцветных колец показывает, что оболочка является незавершённой. Элемент с незавершённой оболочкой реакционноспособен. Поэтому углерод образует ковалентные связи, например, присоединяет атомы водорода и образует с их помощью завершенную молекулярную оболочку. Соединение одного углерода с четырьмя атомами водорода – метан (CH4). Модель молекулы метана изображается в виде фигуры из восьми колец: четыре большего радиуса синего цвета, остальные четыре собраны из желтых более коротких трубочек. Синие кольца изображают электроны углерода, а желтые - атомы водорода (рис. 21). Новые дидактические возможности кольцегранных моделей проявляются в том, что материал, предназначенный для обучения в классах с углубленным изучением химии, может быть рассмотрен и в базовом курсе, или материал, изучаемый в 10-х и 11-х классах, может быть рассмотрен ранее. Например, рассмотрение тетраэдрической, но искаженной симметрии молекулы NH3 [31, с. 50]: «три из четырех отталкивающихся максимумов – электроны на связывающих молекулярных орбиталях (МО), а один – на атомарной орбитали (АО) азота, не принимающий участия в образовании связи. Поэтому реализуется тетраэдрическая симметрия молекулы, но искаженная, и угол HNH, равный 107, отличается от идеального тетраэдрического. Молекула NH3 - пирамидальная». На кольцегранных моделях это можно показать, не прибегая к сложным объяснениям. Для этого также как и в модели молекулы метана и воды используются кольца различных размеров, отражающие отличие размеров колец, обозначающих электроны от колец – атомов водорода. Три из восьми колец в фигуре имеют меньший размер, что определяет деформацию фигуры и уменьшение углов H-N-H по сравнению с идеальным тетраэдрическим (рис. 20). А уже как следствие особенностей строения, демонстрируемых на этой же модели, «наличие несвязывающей электронной пары обуславливает полярность молекулы»[128, с. 32]. Аналогичным способом кольцегранная модель молекулы воды (структурной единицы воды) демонстрирует уменьшение валентного угла HOH до 104,5 за счёт использования при моделировании колец меньшего размера, изображающих атомы водорода (рис. 19). На кольцегранных моделях можно демонстрировать и увеличение валентного угла до значения тетраэдрического (109.5) при замерзании воды. Образование симметричной тетраэдрической структуры водородных связей приводит к уменьшению двух из шести колец электронов кислорода до размеров электронов атомов водорода, участвующих в образовании водородных связей (таблицы 4, 9, 11 приложения 4). Отличительной особенностью такого способа моделирования является наглядность изменений формы электронной оболочки химического соединения при изменении её состава. Например, при моделировании иона OH–, отличающегося от молекулы воды на один протон – ядро атома водорода, изменения в модели электронной оболочки выразятся в увеличении диаметра кольца, моделирующего акцепторный электрон, придающего отрицательный заряд соединению (рис. 24): его размер (равный остальным кольцам - электронам кислорода) отражает его равноценное участие в оболочке, а его цвет (жёлтый, или отличный от цвета оболочки кислорода) отражает его принадлежность (свидетельствует о том, что этот электрон – акцепторный). Для сравнения приведена модель гидроксильной группы (рис. 23), в которой одно прозрачное кольцо обозначает вакантное место в оболочке, чем обозначает ее реакционную способность. Подобные алгоритмы моделирования применимы ко многим соединениям, изучаемым в базовом курсе химии. Приведу ещё один пример: модель этанола имеет угол при центральном атоме углерода (между кислородом и вторым атомом углерода) близкий к тетраэдрическому. Для изготовления молекулы этилового спирта, нужно взять модель метана и заменить два кольца, изображающих атомы водорода, моделями соответствующих радикалов –OH и –CH3. В производстве это делается в несколько этапов с помощью катализаторов, или расщеплением более сложных молекул, типа глюкозы. Если это не является целью урока, то при сборке модели специфику производственного процесса можно не упоминать: взять модель метана и убрать два из четырех желтых кольца, присоединяя к освободившимся местам заранее подготовленные модели радикалов: гидроксильной группы в виде модели молекулы воды, у которой не хватает одного желтого кольца (рис. 27) и метила в виде модели молекулы метана, в которой отсутствует одно желтое кольцо (рис. 26). Размеры моделей гидроксила –OH и метила –CH3 отличаются, из-за небольшой разницы в ковалентных радиусах кислорода и углерода. Поэтому угол между радикалами при центральном атоме углерода незначительно отличается от соответствующего в модели метана, но остается близким к тетраэдрическому (рис. 29). Также угол, близкий к тетраэдрическому образуется при сборке модели молекулы серной кислоты (H2SO4). Эта модель интересна тем, что на ней можно показать отличия среди ковалентных связей. Две из связей серы с кислородом имеют выраженный ионный характер: эти атомы кислорода оттягивают на себя по одному электрону с внешней оболочки атома серы. Это показано цветом: по одному из электронов в этих оболочках имеют не красный цвет, а тот, которым кодируются электроны серы. Дополнительно наложенное ионное взаимодействие, связанное с локальным перераспределением заряда, приводит сближению оболочек серы и этих двух атомов кислорода, оттянувших по одному электрону от атома серы. Это и приводит к уменьшению длин двух из четырех связей в молекуле H2SO4 (рис. 30). Рассмотрим общие правила построения кольцегранных моделей. В модели электронной поверхности любого ковалентного соединения кольца, символизирующие валентные электроны взаимодействующих атомов, располагаются таким образом, что образуют общую поверхность вокруг нескольких ядер атомов, входящих в соединение. Такую поверхность можно назвать молекулярной оболочкой, общей для нескольких атомов. В модели общей молекулярной оболочки в контакт входят только кольца, символизирующие электроны с различной характеристикой спин. Используя для моделирования кольца двух цветов, надо соблюдать правило: в оболочке должны соприкасаться только кольца разных цветов. В моделях соединений, образованных атомами одного элемента, из электронных колец образуется поверхность, характеризующаяся одинаковой величиной напряженности электростатического поля системы ядер. В моделях соединений, образованных атомами разных элементов, кольца - электроны, принадлежащие разным атомам, могут отличаться по диаметрам, отражая разницу в ковалентных радиусах атомов, входящих в соединение. Например, в модели молекулы серной кислоты (рис. 30) кольца желтого цвета, изображающие электроны внешней оболочки атома серы, имеют два размера. Большего размера кольца соответствуют ковалентному радиусу атома серы, а меньшего размера, желтые кольца, участвующие в завершении оболочек двух атомов кислорода, соответствуют ковалентным радиусам атомов кислорода. Этот переход электронов серы в оболочки атомов кислорода, входящих в соединение, отражает ионный характер этих ковалентных связей. Общим правилом при моделировании электронной оболочки молекулы, составленной атомами с различными ковалентными радиусами, является расположение колец – электронов в модели таким образом, чтобы изменения напряженности электростатического поля в области контакта электронных оболочек атомов, входящих в соединение были плавные, а не скачкообразные от кольца к кольцу, что соответствовало бы наименьшим изменениям напряженности электрического поля в каждом кольце. В простых моделях это выполняется простым подбором размеров колец, соответствующих ковалентным радиусам, как в модели галогенида углеводорода с различными радикалами - CHClFBr (рис. 31). Равномерное расположение электронов на эквипотенциальной поверхности иногда приводит к деформации всей электронной оболочки (как в молекулах воды, и аммиака) или некоторых колец – электронов, как в модели молекулы циклогексана (приложение 1, 5). Рассмотрим подробнее правила моделирования форм электронных поверхностей химических соединений с различными типами ковалентных связей в виде кольцегранников. Моделирование одинарной ковалентной связи. Электронов внешней оболочки, представленных кольцами может быть от 4 до 7. Кольца располагаются в гранях октаэдра таким образом, что образуют одно или несколько вакантных (пустующих) мест в оболочке, каждое из которых может быть заполнено одним кольцом. Этими вакантными местами соприкасаются входящие во взаимодействие электронные оболочки, образуя общую молекулярную оболочку. В случае взаимодействия с водородным атомом, кольцо, моделирующее электрон атома водорода, заполняет вакантное место (рис. 17 - 23). Моделирование двойной ковалентной связи. Как и в случае с одинарной ковалентной связью, электроны внешней оболочки, представленные кольцами, располагаются в гранях октаэдра. Эти кольца (их может быть от 4 до 6 штук) образуют октаэдрическую (восьмигранную) оболочку, в которой отсутствует одна или две пары соприкасающихся колец. Образуются вакансии, которые могут быть заполнены только двумя кольцами. Контакт двух оболочек местами двойных вакансий моделирует образование двойной ковалентной связи между взаимодействующими атомами (рис. 32). Примером может служить молекула кислорода (рис. 33). Модель трехатомного соединения с двойными связями (молекула углекислого газа - СО2) демонстрирует, что угол при центральном атоме равен 180º (рис. 34). Тройная ковалентная связь. Кольца, символизирующие электроны, располагаются вокруг двух взаимодействующих ядер в соответствии с общими правилами построения моделей. В результате образуется фигура из десяти колец (рис. 37). В образовании связи участвуют все электроны углерода, то есть четыре, а не три, как это происходит при образовании одинарных связей. При этом утрачивается октаэдрическая (восьмигранная) симметрия расположения электронных колец вокруг ядра. Положение колец – электронов углерода близко к расположению в гранях куба – то есть под прямым углом, или в перпендикулярных плоскостях. Это совпадает с общепринятым представлением о строении тройной связи: «обе - связи лежат во взаимно перпендикулярных плоскостях; - связи в молекуле ацетилена охватывают оба атома углерода так, что они оказываются погруженными в цилиндрическое облако - электронной плотности; атомы водорода находятся за пределами этого цилиндра» [120, с. 41]. Сопряженные (полуторные, резонансные) ковалентные связи. Кольца, символизирующие электроны, располагаются вокруг ядра в параллельных плоскостях, параллельно электронам внутренней оболочки. Электроны атомов водорода присоединяются к ним таким образом, что образуют трехгранную призму из колец, внутри которой располагается еще пара колец, параллельных основаниям призмы (смотри таблица приложения 1). Кольца, составляющие грани призмы, могут своим отсутствием (одного, двух или всех трех) представлять вакансии, по которым образуются связи. Внешняя молекулярная оболочка бензола моделируется двумя плоскостями, составленными из колец – электронов углерода, ограниченными присоединенными к ним под прямым углом кольцами - атомами водорода (рис. 36). Параллельное расположение колец – электронов углерода (рис. 35) приводит к двум следствиям: сокращается длина связи между атомами углерода, по сравнению с простой ковалентной связью и увеличивается расстояние между электронами внешней оболочки и ядром атома за счёт взаимного отталкивания трёх пар электронов, расположенных в параллельных плоскостях (аналогично расположению s- орбиталей). Оба эти следствия подтверждаются экспериментально: значением длин связей в молекулах ароматических соединений и тем, что максимумы электронной плотности p- орбиталей расположены ближе к ядру, чем для s- орбиталей [67]. Взаимное расположение вакансий в полученных кольцегранных фигурах определяет углы образования химических связей в соединениях, а размеры колец позволяют определять геометрическим построением межъядерные расстояния. Размеры колец определяются величиной напряженности электростатического поля ядра (или системы ядер взаимодействующих атомов), взаимным влиянием внешних и внутренних электронных оболочек и геометрическими особенностями расположения электронов - колец в оболочке. В современных методиках преподавания химии принято одинарные связи характеризовать как - связи, а двойные и резонансные (ароматические) как комбинацию - и - связей. В эту систематику плохо вписываются связи с неявно выраженным характером: сильно поляризованные ковалентные связи, или ковалентные с ионным характером, а также ароматические. И. Н. Чертков обращает внимание на существующий парадокс: в неорганической химии, как в науке и учебном предмете, степень окисления – одно из основных понятий, а в органической химии – нет. Для органической химии важна не степень окисления, а смещение электронной плотности [130, с. 31]. Предлагаемый способ моделирования электронных оболочек в виде кольцегранников представляет собой общий подход к объяснению процесса образования химических связей. Рассматривается процесс образования общей молекулярной оболочки. И в зависимости от числа электронов на внешней оболочке образуются различные виды связей. Это рациональный и более современный способ объяснения. Общепринятые условные обозначения связей также можно использовать и даже демонстрировать с помощью предлагаемых моделей. Например, размер тора (кольца), моделирующего электрон, зависит от расстояния до ядра атома: чем ближе к ядру, тем меньше, дальше от ядра - больше. Различные его возможные положения около ядра описывают форму, близкую к конусу, направленному к ядру, а второй электрон, противоположного знака спин, описывает встречный ему конус. В сумме эти состояния пары электронов приблизительно описывают так называемую “гантелевидную форму”. Соответственно сечение этой гантелевидной формы эквипотенциальной поверхностью (или полой сферой) будет выглядеть как пара колец (или круговых сегментов), окружающих ядро. Связь в предлагаемой модели образуется по вакантному месту в оболочке, то есть вдоль оси этой “гантелевидной формы”, в которой не хватает одного электрона. В ароматических соединениях типа бензола - связи также образуются по вакантным направлениям. А перпендикулярные им - связи демонстрируются расположением колец, изображающих электроны углерода, в одной плоскости (см. рис. 36). Так называемое их “перекрывание” заключается в контакте соприкасающихся колец, моделирующих электроны. Направление образования связи перпендикулярно плоскости, в которой находится кольцо – электрон. Поэтому в моделях направления образования связей - и - также можно считать перпендикулярными. Это не противоречит, а иллюстрирует традиционное определение «перекрывания электронных облаков атомных орбиталей двух атомов: - «лобовое» и - «боковое». Электронное строение очень многих (но не всех, конечно) молекул можно описать в рамках представлений о ковалентной связи, осуществляемой общей для двух атомов парой электронов. Как отмечал В. И. Дайнеко [37, с. 38], «пользуясь этим представлением, нельзя забывать, что оно является приближением и применимо далеко не всегда. Например, с его помощью нельзя описать строение таких несложных молекул, как SF4, IF3. Здесь и в других подобных случаях надо пользоваться более глубокими квантово-химическими методами». Кольцегранные модели и в этом случае могут упрощенно заменить сложные для преподавания квантово-химические методы. Модели соединений SF4 и IF3 изготавливаются по общему вышеизложенному алгоритму, изложенному выше. Отличительной чертой этих соединений будет использование в качестве общей молекулярной оболочки кольцегранника из десяти колец, а не из восьми как в большинстве случаев. Из десяти колец в соединении SF4 шесть принадлежат атому серы, а четыре являются вакантными местами, по которым образуется ковалентная связь с атомами фтора; аналогично и в IF3 - семь принадлежат атому йода, а три являются вакантными местами, по которым образуется ковалентная связь с атомами фтора. Также весьма сложным и декларативным является общепринятое объяснение неустойчивости молекулы S2: «Для серы как элемента, расположенного ниже второго периода, (p – p) - связи энергетически не выгодны и, следовательно, двухатомные молекулы S=S неустойчивы» [112, c. 9]. Использование кольцегранных моделей позволяет упростить изложение, сделав его более наглядным. Сера, являясь гомологом кислорода, отличается наличием внутренней оболочки из восьми электронов. В моделях это изображается кольцегранником из восьми колец в качестве предвнешней оболочки (рисунок в таблице приложения 1). Очевидно, что при попытке изготовления модели молекулы S=S, аналогичной O=O (рис. 33), внутренние кольцегранники (смотри таблица приложения 1) ориентированы таким образом, что вынуждены соприкасаться рёбрами октаэдров (в которые вписаны кольцегранники, а не гранями, в которых расположены кольца). Такое тесное соприкосновение, вызывает электрическое отталкивание, а положение механически неустойчивое вызывает отсутствие магнитного взаимодействия, обеспечивающего прочность химической связи. Таким образом, наличие внутренней оболочки затрудняет образование связи S=S, что может демонстрироваться кольцегранными моделями. Благодаря расширенным дидактическим возможностям: простота, наглядность, широкий диапазон применения, кольцегранные модели можно вводить в процесс обучения в качестве необходимых моделей, дополняющих традиционные. 2.3. Характеристика комплекта моделей для изучения строения веществ. Исторически сложилась последовательность использования моделей атомов, молекул и составляющих их элементарных частиц, используемая в современной системе обучения. По мере продвижения научного познания и совершенствования науки развиваются, уточняются и обогащаются её понятия [58]. Уже давно наступило время внедрения системного подхода. Системный подход проявляется в системно-структурном и структурно-функциональном анализе понятий и их систем при изучении сложных химических объектов как целостных формирований. Одним из путей интенсификации обучения химии и формирования систем понятий является структурирование понятийного содержания с целью его сжатия, упорядочения и выделения оптимальных вариантов важнейших систем понятий курса [58]. Вместе с понятийной базой системно развиваются и средства обучения, появляются новые модели. Наглядные модели, как существенная составная часть средств обучения, тоже должны быть объединены в систему для использования в качестве необходимого дополнения в комплексе моделей. Использование новых моделей электронов, атомов и молекул является естественным дополнением уже существующего компонентного состава моделей по химии. Особенности конструкций моделей и наглядная форма их представления указаны в таблице 2.1. Таблица представляет собой фрагмент таблицы 8 из [73, с.99], или ранее [28, с.18], дополненный нами с учетом новых моделей электронов, атомов и молекул. Таблица 2.1 Определение компонентного состава моделей по химии
|