И.Н. ЧЕРТКОВ
МЕТОДИКА ФОРМИРОВАНИЯ У УЧАЩИХСЯ ОСНОВНЫХ ПОНЯТИЙ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Пособие для учителя
Рекомендовано Главным учебно-методическим управлением общего среднего образования Госкомитета СССР по народному образованию
2-Е ИЗДАНИЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ
МОСКВА «ПРОСВЕЩЕНИЕ» 1990


ББК 74.265.7 4-50
Рецензенты:
Старший научный сотрудник НИИСиМО АПН СССР к.п.н. Князева Р. И.
Доцент кафедры химии МГЗПИ к.п.н. Хачатурян М. А.
Чертков И. Н.
4-50 Методика формирования у учащихся основных понятий органической химии: Пособие для учителя.— 2-е изд., пере- раб.— М.: Просвещение, 1990.— 191 с., 191 л. ил.: ил.— 18ВЫ 5-09-002634-3
В книге рассматривается система основных понятий школьного курса органической химии, их классификация на основе содержания школьной программы и нового конкурсного учебника. Автор обращает особое внимание на логико-методический аспект раскрытия понятий и их обобщение на разных этапах обучения, приводит примеры из опыта работы передовых учителей. Книга расширит знания учителей, преподавателей техникумов и ПТУ по предмету, а также может быть использована студентами педагогических институтов, для проведения занятий на педагогической практике.
ББК 74.265.7 „ 4306010000-528 ] 37-99 103(03)—90
Учебное издание
ЧЕРТКОВ ИЗРАИЛ НАУМОВИЧ
МЕТОДИКА ФОРМИРОВАНИЯ У УЧАЩИХСЯ ОСНОВНЫХ ПОНЯТИЙ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Зав. редакцией Соколов А. Н.
Редактор Ларкина 3. В., Юрченко О. В.
Младший редактор Клюева Т. Н.
Художник Вехтер Б. С.
Художественный редактор Короткова И. В.
Технический редактор Носкова Г. М.
Корректор Сергеева М. Ю.
ИБ № 12515
Сдано в набор 22.06.89. Подписано к печати 24.04.90. Формат 60Х90'/|б.
Бум. офсетная № 2. Гарнитура литературная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 12+форз. 0,25+вкл. 0,5. Усл. кр.-отт. 14,69. Уч. изд. л. 12,88-Ьфорз. 0,42+вкл. 0,53. Тираж 100 000 экз. Заказ 2175. Цена 80 к.
Ордена Трудового Красного Знамени издательство «Просвещение* Государственного комитета РСФСР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. 129846, Москва, 3-й проезд Марьиной рощи, 41.
Смоленский полиграфкомбинат Госкомиздата РСФСР. 214020, Смоленск, ул. Смольянинова, 1.
|$В1Ч 5-09-002634-3 © Чертков И. Н., 1990 г.


ВВЕДЕНИЕ
В данной книге рассматривается методика формирования основных понятий органической химии, их «линейное» развитие в курсе.
Для школьного курса химии наибольшее значение имеют те понятия, которые составляют теорию строения, так как они позволяют объяснить различные химические явления, процессы.
При формировании понятий следует обратить внимание на их содержание и объем. Содержание любого понятия раскрывается системой взаимосвязанных существенных признаков, объем его определяется числом объектов, на которых раскрывается понятие. Содержание и объем находятся во внутреннем единстве. Отсюда следует, что каждое основное понятие должно иметь оптимальное число существенных признаков, систематически раскрываемых на достаточном числе веществ в процессе преподавания органической химии.
В совершенствовании методики изучения основных понятий большое значение имеет вопрос систематического анализа ошибок, которые допускают учащиеся. Анализ позволил установить, что больше всего учащиеся допускают ошибки следующих типов: смешивают понятия, перенося признаки одного понятия на другое, что приводит к логическим ошибкам; опускают существенные признаки понятий; строение вещества не связывают с его свойствами; затрудняются в переносе знаний на новые факты (применение знаний в новой ситуации); недостаточно используют теорию для объяснения фактов; затрудняются устанавливать логические связи между признаками отдельных понятий и связи между различными понятиями; слабо знают химический язык.
Можно отметить следующие общие причины ошибок: отсутствие полноты раскрытия некоторых понятий; недостаточное использование упражнений, имеющихся в учебнике органической химии; отсутствие систематического развития некоторых понятий в процессе преподавания; недостаточное использование моделей, что влияет на развитие модельных представлений (по химическому, электронному и пространственному строению); слабое закрепление понятий, изучавшихся в курсе неорганической химии; недостаточное использование логических приемов, особенно систематизации и обобщения знаний, неумение выделять главное.
Однако недостаточно выявить типичные ошибки и причины их появления. Важно найти пути предотвращения появления ошибок, разработать предложения по усовершенствованию методики фор мирования и развития понятий.
1*
з


Необходимо иметь в виду, что большинство рассматриваемых в книге понятий, касающихся строения вещества и химических процессов, в равной степени относится как к органической, так и неорганической химии. Автор ставил перед собой задачу осветить < специфику формирования понятий при изучении органической химии.
Отметим еще, что перед данной книгой не ставилась задача всестороннего освещения всех методических вопросов, связанных с преподаванием органической химии; не стояла также задача излагать материал в такой последовательности, как это предусмотрено , программой и учебником органической химии. Эти задачи успешнр решаются методикой преподавания органической химии. Задачей данной книги было вычленить основные понятия школьного курса органической химии, рассмотреть их в развитии и предложить методику формирования понятий.
Книга состоит из двух частей. В первой части освещаются некоторые общие вопросы: дается краткий обзор развития важнейших понятий органической химии, классификация понятий, рассматриваются связи между ними, особенности и условия успешного формирования основных понятий органической химии. Во второй части освещается пять групп понятий: понятия теории химического строения, понятия электронной теории (электронное строение органических соединений, взаимное влияние атомов, механизмы химических реакций), стереохимические понятия, понятия о закономерностях химических реакций и понятия высокомолекулярной химии. Книга заканчивается главой, в которой рассматривается вопрос обобщения понятий, приводятся заключительные уроки по курсу органической химии.
У читателя может возникнуть вопрос, почему по-разному «вводятся» познавательные проблемы — в одном случае они непосредственно включаются в методику изучения понятий (например, понятия о взаимном влиянии атомов), в другом — познавательные проблемы предлагаются после рассмотрения этапов формирования понятий. Такой подход обусловлен различной степенью освещения методики изучения отдельных понятий.
Содержание книги прошло экспериментальную проверку в школах, в ней приняли участие учителя и методисты: А. В. Лаврентьева, М. М. Горелик, Л. С. Понтак, А. С. Корощенко, Н. П. Сальникова, С. Н. Дроздов, Ю. А. Колударов. Автор выражает им глубокую признательность и благодарность.
Автор выражает глубокую признательность академику АПН СССР П. Ф. Буцкусу, доктору химических наук Э. Е. Нифантьеву, кандидату химических наук С. С. Чуранову, доктору педагогических наук Г. И. Шелинскому, учителям А. М. Черкасовой, Н. М. Чагиной, взявшим па себя труд просмотра рукописи и своими ценными замечаниями способствовавшим ее улучшению, а также доцентам Р. П. Лапиной, М. И. Гапоненко, С. В. Дьяковичу и учителю А. А. Шарову, давшим полезные советы по совершенствованию первого издания этой книги.


Глава 1 РАЗВИТИЕ ПОНЯТИЙ ОРГАНИЧЕСКОЙ
ХИМИИ
Совершенствовать содержание и методику рассмотрения понятий в процессе преподавания органической химии, излагать материал проблемно, с усилением исторического подхода позволит знакомство с вопросом развития понятий в науке.
В развитии основных понятий органической химии можно выделить несколько этапов. Первый включает доструктурные теории, второй охватывает классическую теорию химического строения и классическую стереохимию, третий включает электронные теории и квантовомеханические представления о строении вещества.
На всех этих этапах происходило познание вещества: вначале на атомно-молекулярном (первый и второй этапы), а затем — электронном и квантовомеханическом уровнях.
Б. М. Кедров отмечает три исторически взаимосвязанные ступени познания вещества: на первой познают свойства, так как они являются внешним проявлением вещества, на второй раскрывают вещественные носители — выясняется элементный состав, на третьей устанавливают строение вещества. В дальнейшем, в связи с развитием знаний о строении вещества, познание снова возвращается к свойствам, но уже на новой, более глубокой основе.
Современная теория строения объединяет понятия теории химического строения, понятия электронного и пространственного строения. Для уяснения вопроса о значении теории химического строения важно понять, на какой базе она создавалась, что она взяла от предшествовавших теорий.
§ 1. 	ДОСТРУКТУРНЫЕ ТЕОРИИ. ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
Создатели доструктурных теорий — теории радикалов и теории типов — пытались на основании состава и свойств разгадать природу молекул органических веществ, стремились создать систему, которая позволила бы связать воедино разрозненные факты, накопившиеся к началу XIX в. м
Сущность теории радикалов (30-е годы XIX в., И. Берцелиус, Ю. Либих, Ф. Велер и др.) можно свести к следующим положениям:
а) 	в состав органических веществ входят радикалы, несущие на себе положительный заряд;
5


б) 	радикалы всегда постоянны, не подвергаются изменениям, они без изменений переходят из одной молекулы в другую;
в) 	радикалы могут существовать в свободном виде.
Постепенно в науке накапливались факты, противоречащие теории радикалов. Так, Ж. Дюма провел замещение водорода хлором в углеводородных радикалах. Ученым — приверженцам теории радикалов — казалось невероятным, чтобы хлор, заряженный отрицательно, играл в соединениях роль водорода, заряженного положительно. В дальнейшем Ж. Дюма получил трихлоруксусную кислоту из уксусной.
Теория радикалов была постепенно отвергнута, однако она оставила глубокий след в органической химии: понятие «радикал» прочно вошло в химию. Верным оказалось допущение о возможности существования радикалов в свободном виде, утверждение, что в огромном числе реакций определенные группы атомов переходят из одного соединения в другое.
В 40-х годах XIX в. было положено начало учению о гомологии, позволившему выяснить некоторые отношения между составом и свойствами соединений. Выявлены гомологические ряды, гомологическая разность, что позволило классифицировать органические вещества. Эта классификация, по мнению Ш. Жерара, имеет то преимущество, что обращает внимание на пробелы, которые надо заполнить, и указывает наперед место тех веществ, которые надо еще открыть, она предсказывает их поведение, если уже известны реакции некоторых веществ этого ряда.
Классификация органических соединений на основе гомологии позволила систематизировать обильный фактический материал, накопившийся в органической химии, предсказать новые вещества. Вместе с тем она привела к возникновению теории тцпов (40—50-е годы XIX в., Ш. Жерар, А. Кекуле и др.). Сущность ее заключается в следующем:
а) 	в основу теории положена аналогия в реакциях между органическими и некоторыми неорганическими веществами, принятыми В качестве типов (типы: водород, вода, аммиак и др.). Замещая в типе вещества атомы водорода на другие группы атомов, ученые предсказывали различные производные. Например, замещение атома водорода в молекуле воды на радикал метил приводит к возникновению молекулы спирта. Замещение двух атомов водорода — к появлению молекулы простого эфира:
”)о с«»}0 сн,}0
п ) п ) Спз )
6) 	молекулы органических веществ представляют собой систему, состоящую из атомов, порядок соединения которых неизвестен; на свойства соединения влияет совокупность всех атомов молекулы;
в) 	невозможно познать строение вещества: веществу приписывают формулу, соответствующую той реакции, в которую вступает данное вещество. Поэтому для каждого вещества можно написать (>


столько рациональных формул, сколько различных видов превращений может испытывать вещество.
Теория типов сыграла большую роль в развитии органической химии, так как она позволила предсказать и открыть ряд веществ; оказала положительное влияние на развитие учения о валентности; обратила внимание на изучение химических превращений органических соединений, что пбзволило глубже изучить свойства , веществ, а также свойства предсказываемых соединений; создала совершенную для того времени систематизацию органических соединений.
В 50-е годы XIX в. в химии вводится важное понятие — валентность. Исследуя металлоорганические соединения с целью выявления радикалов, Э. Франкланд установил валентность для ряда металлов. Постепенно понятие валентности (атомности) было распространено на многие элементы. А. Кекуле предложил считать атом углерода четырехвалентным; Важным открытием для органической химии явилась гипотеза о способности атомов углерода к образованию цепей (А. КекулеГХ КуперТ
Все рациональное и ценное, что было в теориях радикалов и типов, было в дальнейшем ассимилировано теорией химического строения.
Основными предпосылками, подготовившими почву для возник новения теории химического строения, были учение о валентности и межатомной связи, представления о цепеобразном соединении атомов четырехвалентного углерода, выработка правильного представления об атомах и молекулах. Касаясь последнего пункта, следует отметить, что до второй половины 50-х годов XIX в. не было общепризнанных критериев для определения понятий «атом», «молекула», «атомная масса», «молекулярная масса». Только на международном конгрессе химиков в Карлсруэ (1860 г.) были четко определены эти понятия, что предопределило развитие теории валентности, возникновение теории химического строения.
Перед органической химией того времени стоял вопрос: каким путем определить химическое строение соединений? Ответ на него впервые дал А. М. Бутлеров в 1861 г.
«Заключения о химическом строении веществ,— говорил он,— по всей вероятности, можно всего лучше будет основывать на изучении способов их синтетического образования — и преимущественно — на таких синтезах, которые совершаются при температуре мало повышенной и — вообще — при условиях, где можно следить за ходом постепенного усложнения химической частицы... Для каждого тела возможна будет, в этом смысле, лишь одна рациональная формула, и когда сделаются известными общие законы зависимости химических свойств тел от их химического строения, то подобная формула будет выражением всех этих свойств» [21, с. 50, 54].
Таким образом, о химическом строении вещества можно судить на основе тех реакций синтеза, разложения, замещения, которые проходят с наименьшим изменением химического строения, с участием минимального числа связей. Это позволило А. М. Бутлерову 7


указать на возможность познания строения вещества химическим путем: «Нередко можно, с достаточной вероятностью, делать заключения о химическом строении вещества по его превращениям й7 наоборот, предвидеть до некоторой степени свойства тела, имеющего определенное, известное химическое строение» [2, с. 441].
Основное положение теории химического строения А. М. Бутлеров сформулировал так (1861 г.): «Химическая натура сложной частицы (молекулы. — И.Ч.) определяется натурой элементарных составных частей (атомов. — И.Ч ), количеством их и химическим строением...» [3, с. 72]. «Каждый химический атом, входящий в состав тела, принимает участие в образовании этого последнего и действует здесь определенным количеством принадлежащей ему химической силы (сродства), я называю химическим строением распределение действия этой силы, вследствие которого химические атомы, посредственно или непосредственно влияя друг на друга, соединяются в химическую частицу» [1, с. 70]. Понимая под химическим строением взаимодействие атомов, А. М. Бутлеров высказал положение, согласно которому каждый атом связан с другими атомами в молекуле.
Выдвинутые положения теории химического строения А. М. Бутлерова давали ключ к пониманию строения молекул, к пониманию вопроса взаимного влияния атомов.
После установления А. М. Бутлеровым понятий «химическое строение» и «зависимость свойств от строения» можно было перейти к вопросу о взаимном влиянии атомов в молекулах.
Большой вклад в развитие понятия о взаимном влиянии атомов внес В. В. Марковников. На основе экспериментальных данных им выведен ряд закономерностей протекания реакций замещения, присоединения, отщепления и окисления.
Согласно учению Бутлерова — Марковникова, особенности химических связей зависят от взаимного влияния атомов. Этот важный для науки вывод имеет значение и в настоящее время.
Теория химического строения объяснила наиболее запутанный в то время вопрос — явление изомерии. Это понятие явилось пробным камнем для проверки теории химического строения. А. М. Бутлерову и его ученикам удалось синтезировать ряд веществ, предсказанных ими на основании предлагаемой теории (изобутан, изобутилен, изомасляная кислота, третичные спирты и т. д.).
Касаясь значения явления изомерии для теории химического строения, В. В. Марковников писал: «Теория химического строения, вызванная на свет преимущественно явлением изомерии, главным образом обязана своим утверждением и господством в науке изучению изомеров» [12, с. 281].
С помощью теории химического строения удалось подтвердить предположение Э. Эрленмейера о наличии кратных связей в непредельных соединениях. Наглядным примером, который приводит в своей книге Ю. И. Соловьев [20, с. 202], является экспериментальное доказательство А. М. Бутлеровым структурной формулы этилена:


{Н2 С12^ СН2С1 нон сн2он [о] соон сн2 СН2С1 сн2он соон
Теория химического строения А. М. Бутлерова, установление кратных связей позволили А. Кекуле установить строение ароматических соединений.
Теорию, как бы она ни была совершенна, А. М. Бутлеров рассматривал как приближение к истине. Разрабатывая теорию химического строения, он не отрицал возможности установления «физического строения» соединений, т. е. их пространственного строения: «...если атомы действительно существуют, то я не вижу, почему все наши попытки определить их пространственное расположение должны быть... напрасны, почему будущее не сможет научить нас производить подобные определения» [3, с. 86]. Он считал, что для суждения о пространственном строении не было никакой экспериментальной базы в 60-х годах XIX в.
В своем развитии теория химического строения встретилась с фактами, которые никак не укладывались в ее рамки: было установлено, что для ряда веществ может быть больше изомеров, чем это допускалось теорией химического строения; в рамках теории химического строения не поддавались объяснению оптическая и геометрическая изомерия (молочные кислоты, малеиновая и фумаровая кислоты). Исследования причин изомерии на базе теории химического строения привели к созданию стереохимии.
В. В. Марковников считал, что между химическим и пространственным строением имеется тесная связь: «Трудно, однако, себе представить, чтобы между химическим взаимодействием и физическим положением атомов в частице не существовало прямых, определенных соотношений... Каковы эти соотношения, мы теперь сказать не можем; но это — один из ближайших очередных вопросов, который должен быть разрешен так или иначе» [12, с. 284]. Этот вопрос был разрешен Я. Вант-Гоффом и Ж. Ле Белем (1874 г.), создателями классической стереохимии. Ими предложена тетраэдрическая модель строения атома углерода в органических соединениях. ~К началу 70-х годов XIX в. было установлено тождество четьР' рех единиц сродства углерода. Это обстоятельство сыграло большую роль в создании концепции тетраэдрической модели атома углерода, где одинаковые четыре связи направлены к вершинам тетраэдра, в центре которого находится атом углерода.
Стереохимические работы Я. Вант-Гоффа и Ж. Ле Беля позволили объяснить оптическую и геометрическую изомерию.
Классическая стереохимия в течение первых 10 лет показала свою плодотворность: она не только объяснила причины пространственной изомерии, но и позволила разработать методы получения стереоизомеров, изучить их физические и химические свойства, взаимные переходы.
В дальнейшем содержание стереохимии расширилось введением теории напряжения А. Байера (1885 г.). Согласно этой теории, 9


в основу которой положена тетраэдрическая модель атома углерода, углеродный скелет циклических соединений рассматривается как плоский многоугольник. Байер рассчитал валентные углы для молекул циклопарафинов, установив их отклонение от нормального угла (109°28')« Он предположил, что устойчивость высших циклов должна падать, но, как это было в дальнейшем установлено, такие циклы достаточно прочны. Это объясняется тем, что идея о плоском строении, которая была положена в основу теории, пригодна лишь для объяснения трехчленного цикла. Начиная с четырех-^ членного цикла, следует говорить о неплоском строении. Так, теория Байера пришла в противоречие с фактами.
В развитии стереохимии большое значение имела идея И. Висли- ценуса (1887 г.), согласно которой различные заместители при двух атомах углерода, соединенных простой связью, могут препятствовать свободному вращению (по теории Вант-Гоффа допускалось свободное вращение вокруг простой связи), что приводит к образованию соединений определенного пространственного строения. К. Бишоф (1887 г.) указал на роль взаимного отталкивания атомов и групп атомов в молекулах при стабилизации конфигураций. Идеи И. Вислиценуса и К. Бишофа послужили истоком для учения о конформационном анализе (его иногда называют поворотной изомерией), одновременно они были поворотным шагом для классической стереохимии. Таким образом, классические теории химического строения и стереохимии дали мощный толчок развитию органической химии. Вместе с тем к концу XIX в. в органической химии накопились факты, которые не укладывались в рамки классических теорий (химического строения, стереохимии): загадкой стало строение молекулы бензола, непонятным было поведение сопряженных систем, трудности возникли в объяснении строения молекул с кратными связями, в объяснении реакционной способности органических веществ и т. д. Для объяснения этих фактов необходимо было выяснить физический смысл валентности, природу химической связи, механизм взаимного влияния атомов, особенно не связанных непосредственно друг с другом атомов, и другие вопросы.
$ 2. ЭЛЕКТРОННЫЕ ТЕОРИИ И КВАНТОВОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРОЕНИИ ВЕЩЕСТВА
К концу XIX и началу XX в. были все предпосылки для возникновения электронных представлений, с помощью которых можно было дать ответы на поставленные вопросы. К ним относятся: а) открытие в физике электрона (1897 г.), позволившее химикам осмыслить понятия о химическом сродстве, валентности и химической связи; б) координационная теория Вернера, заставившая пересмотреть взгляды на строение молекул; в) теория электролитической диссоциации Аррениуса.
Первые элекронные теории по органической химии были связаны с понятием об ионной связи (это обусловлено работами в области ю


растворов), но в дальнейшем оказалось, что эта связь не характерна для органических соединений.
Более плодотворной оказалась идея о ковалентной связи (Г. Льюис, И. Лэнгмюр). В развитии этой качественной электрон- ной уеории Г. В. Быков [4] выделяет три этапа: первый — возникновение понятия о ковалентной связи (конец 1900-х — начало 1920-х гг.), второй (1920—1930-е гг.) — использование ковалентной связи для характеристики электронных смещений, третий (с 1930-х гг. по настоящее время)—распространение теории электронных смещений на различные классы органических соединений и химические реакции.
Касаясь вопроса обобществления пары электронов (образования ковалентной связи) в молекулах веществ, Г. Льюис отмечает возможность смещения пары электронов к более электроотрица- тельному атому (проявление полярной связи). Идея Г. Льюиса о смещении электронной пары к одному из атомов в молекуле послужила исходным пунктом для разработки теории электронных смещений. Г. Льюис впервые ввел в науку (1916 г.) понятие о затухающем индукционном смещении электронов. Им также высказана идея о распространении (делокализации) «ненасыщенности» на простую связь в сопряженных системах, что приводит к повышению стабильности молекул. Эти идеи Г. Льюиса нашли свое дальнейшее развитие в работах Г. И. Лукаса, Р. Робинсона, К. Ингольда и др.
Исследуя затухающее индукционное влияние, Г. И. Лукас высказал предположение, что между связями С—Н, занимающими неодинаковое структурное положение в органических соединениях, имеются различия. Это предположение он подтвердил экспериментально и объяснил его неодинаковым смещением электронов в связях С—Н (это сказывается на направлении реакций замещения, отщепления). Р. Робинсон исследовал сопряженные системы (бутадиен, фенол, ароматические амины), указал на возможность взаимопроявления двух видов электронных смещений (индукционного эффекта и эффекта сопряжения). Он объяснил ориентацию замещения в ароматическом ядре электронным смещением, рассмотрел влияние заместителей, которые отталкивают электроны к бензольному кольцу и благоприятствуют орто- и пара-замещению, и заместителей, которые оттягивают на себя электроны, способствуя жета-за- мещению.
К- Ингольд, используя электронные смещения, подробно изучил механизм замещения в бензольном ядре. Он впервые вводит понятия положительного и отрицательного индукционного эффекта, понятие мезомерного эффекта (положительного и отрицательного), выясняет соотношение этих двух электронных эффектов. К- Ингольд различает два состояния молекул: одно характеризуется статическим распределением электронной плотности (поляризация), другое — подвижностью зарядов, перераспределением электронной плотности (поляризуемость).
Велика заслуга К. Ингольда в изучении механизмов реакций, он впервые вводит понятия «электрофильный реагент» и «нуклео


фильный реагент». Большое внимание уделено им вопросу выяснения причин электронных смещений. Он считает причиной индукционного эффекта — стремление к сохранению электронных октетов, а причиной мезомерного эффекта — мезомерию. Вещество можно изобразить несколькими граничными формулами, наиболее устойчивое промежуточное состояние — мезомерное.
К. Ингольд совместно с Д. Бартоном (1928 г.) создал учение о свободных радикалах и ионах, согласно которому энергетическая устойчивость частиц достигается делокализацией заряда.
Таким образом, теория ковалентной связи, выводы, сделанные на ее основе, оказали огромное влияние на развитие органической химии. Однако октетная теория химической связи пришла в противоречие с представлениями о строении атома, согласно которым электроны не фиксируются в определенном месте пространства. Стало непонятно, как может электронная пара образовать устойчивую, определенно направленную связь между двумя атомами.
В 20-е годы нашего века произошел значительный перелом в развитии структурной теории органической химии, который связан, во-первых, с применением новых методов исследования (рентгенографического, спектроскопического, электронографического), позволивших дать количественную характеристику химических связей (определить их длину, энергию, направление в пространстве и т. д.), т. е. определить физические параметры молекул органических веществ, решить вопрос о пространственных эффектах (способствующих или препятствующих реакциям), о существовании конформаций; во-вторых, с применением методов квантовой механики.
Квантовая механика утверждает, что электрон обладает двойственной природой — проявляет свойства частицы и волны. С помощью расчетов удалось установить распределение вероятности нахождения электрона в простейшем атоме — атоме водорода; заряд электрона в атоме можно условно принять «размазанным» в объеме в соответствии с вероятностью нахождения электрона в различных участках атома. Квантовая механика характеризует состояние электрона четырьмя квантовыми числами.
Квантовая химия органических соединений начинает проявляться в строении атома углерода (распадение одной из электронных пар — возникновение возбужденного состояния атома) и гибридизации электронных орбиталей (Л. Полинг, 1928 г.). Понятие гибридизации было введено с целью доказательства идентичности химических связей углерода.
Все это позволило разработать квантовомеханическое учение о валентности и химической связи.
На примере образования молекулы водорода было доказано, что происходит взаимодействие электронов в поле двух ядер и, так как электроны имеют антипараллельные спины, то электронная плотность в пространстве между ядрами становится больше суммы электронных плотностей двух изолированных атомов. При этом уменьшается энергия системы в результате установления связи.
12


В 30-е годы XX в. вводится в органическую химию представление о о- и л-связях, об их различной прочности (Ф. Хунд), дается объяснение электронному строению и энергетике бензола и других сопряженных систем, пространственной направленности связей углерода, их тетраэдрической, тригональной и диагональной направленности, аргументируется отсутствие вращения вокруг двойной связи, широко используются понятия «поляризация» и «поляризуемость».
В эти же годы изучаются различные механизмы реакций, проводится их классификация (К. Ингольд, Е. Хьюз).
Большой вклад в химию элементоорганических соединений сделан А. Н. Несмеяновым. Им открыты и изучены новые типы элементоорганических соединений, выявлены закономерности двойственной реакционной способности.
Успехи теоретической химии, развитие квантовой механики позволили ввести количественные приближенные расчеты электронной структуры молекул. Имеются два метода расчета: метод валентных связей (электронных пар) и метод молекулярных орбиталей. Первый метод приобрел широкое распространение в 30-е годы XX в., для него присущ взгляд на химическую связь как на связь, образованную парой электронов с противоположными спинами. При этом электронные облака, частично перекрываясь, распределяются в пространстве между ядрами связывающихся атомов; электронная плотность локализована в поле двух связанных атомов. Фактически метод валентных связей можно рассматривать как развитие с позиций квантовой механики теории Льюиса.
Метод валентных связей (ВС) позволил объяснить валентность элементов в типичных соединениях, изучить вопрос распределения электронной плотности в молекулах (на основе электронных эффектов), объяснить свойства предельных и непредельных соединений (на основе понятий о а- и л-связях), их пространственное строение (на основе постулата о гибридизации).
С методом валентных связей связана теория резонанса (Л. Полинг), которая в настоящее время не отличается от теории мезомерии (истинное состояние молекулы является промежуточным — мезомерным между несколькими «предельными структурами»). Широко используется резонансная валентная схема, позволяющая описать специфические особенности сопряженных систем.
Более универсальным методом расчета молекул оказался метод молекулярных орбиталей (МО). Согласно этому методу молекулы рассматриваются как единые системы, состоящие из ядер и электронов. Состояние молекул можно описать как совокупность молекулярных орбиталей. Электрон в молекулах рассматривается не локализованным в одной связи (как в случае метода валентных связей), а движущимся в поле группы ядер, экранированных другими электронами. Данный метод позволяет с большей степенью приближения объяснить устойчивость или неустойчивость молекул, свойства ароматических и полиеновых углеводородов, а также «сэндвичевых» соединений, чем метод валентных связей.
На электронных теориях базируется современная стереохимия.
13


Установление с помощью физических методов исследования пространственного строения молекул, их геометрических параметров делает стереохимию количественной наукой; разработка на основа квантовой химии учения о природе химической связи подводит под стереохимию фундамент в виде физической теории. В связи с этим наука может точно описать пространственное строение органических соединений. Она также изучает стереохимию химических реакций.
В последние десятилетия бурно развивается конформационная изомерия (поворотная изомерия), которая позволяет глубже рассматривать строение и свойства органических соединений.
По некоторым затронутым в этом обзоре понятиям имеются различные точки зрения. Например, одни ученые склонны рассматривать понятие гибридизации как служебное, временное; другие считают, что оно лишено физического смысла, и, следовательно, отрицают его. Такое же положение с понятиями а- и л-связи, сверхсопряжением и др. Поэтому не удивительно, что ученые в поисках истины выдвигают новые гипотезы. Так, например, вместо о- и л-свя- зей, различных по своей «природе», предлагаются «банановые» связи, не отличающиеся между собой.
Все эти факты говорят о том, что современная теория химической связи не все может объяснить, они подтверждают мысль А. М. Бутлерова о том, что всякая научная теория является лишь определенным исторически обусловленным этапом в познании объективной истины. «...Факты, не объяснимые существующими теориями, наиболее дороги для науки, от их разработки следует по преимуществу ожидать ее развития в ближайшем будущем... Само собой разумеется, что когда мы будем знать ближе натуру химической энергии, самый род атомного движения, когда законы механики получат и здесь применение, тогда учение о химическом строении падет, как падали прежние химические теории, но, подобно большинству этих теорий, оно падет не для того, чтобы исчезнуть, а для того, чтобы войти в измененном виде в круг новых и более широких воззрений» [1, с. 380, 383].
Краткий обзор теоретических понятий органической химии позволяет сделать ряд выводов для школьного курса, дать некоторые рекомендации учителям:
1. 	Развитие органической химии, ее теорий — это история идей, борьбы различных точек зрения; идеи, теории, если они были прогрессивными на определенном этапе развития науки (например, теория радикалов, теория типов), оставляли след в ней в виде отдельных понятий, ассимилированных последующими новыми теориями (теорией химического строения). Краткое рассмотрение до- структурных теорий важно для лучшего понимания теории химического строения, ее оценки в формировании объективного взгляда на развитие науки.
2. 	Процесс познания (теорий, понятий) носит противоречивый характер. Факты, которые не укладывались в те или иные теории, явились стимулом научного исследования процесса движения к исти14


не. Такие факты, научные проблемы важны и в обучении, так как процесс движения к истине через возникновение и разрешение противоречий присущ и продуктивной познавательной деятельности учащихся.
\ 3- Основой строения органических веществ являются части¬
цы — молекулы. Они прошли в своем развитии три этапа: первый — представление о молекуле как о единой системе, характеризующейся хаотичным скоплением атомов (теория типов); второй — молекула представляет собой упорядоченную систему, наделенную динамикой взаимодействующих атомов (теория химического строения); третий — молекула рассматривается как система характеризующаяся не только химическим, но и электронным и пространственным строением. На эти три уровня познания молекул веществ следует обратить внимание в процессе изучения органической химии, что позволит раскрыть бесконечный процесс познания объективной истины, объективной действительности.
4. 	В изучении органической химии в школе большое значение должен приобрести предложенный А. М. Бутлеровым химический метод установления строения молекул, так как он является наиболее простым, наглядным и доступным по сравнению с физическими методами. Он позволяет, например, доказывать наличие в молекулах веществ двойной связи, функциональных групп.
Важное значение для характеристики органических соединений, изучения их строения и свойств будет иметь ознакдмление учащихся с некоторыми современными, доступными для них физическими методами исследования (например, спектроскопией). Их использование в процессе преподавания позволит усилить доказательность, установить связи химии и физики.
5. 	Основным вопросом органической химии является зависимость свойств вещества от его строения, для школьного курса этот вопрос имеет первостепенное значение. Для его понимания учащиеся должны получить знания о теориях химического и электронного строения органических веществ, а также некоторые знания по стереохимии.
6. 	Учителю следует знать, что из двух методов описания химических связей в молекулах более доступен для школы метод валентных связей. Качественная сторона этого метода позволит характеризовать химические связи на квантовомеханическом уровне, объяснять пространственное строение молекул (на основе понятия о гибридизации). Данный метод позволяет более глубоко рассматривать химическое строение, не отрываясь от структурных формул. Для курса химии представляют большой интерес некоторые положения метода молекулярных орбиталей (качественная сторона), в частности образование единого л-электронного облака в ароматических и диеновых углеводородах; идея о том, что костяк молекулы составляют ядра атомов, их расположение характеризует геометрию молекулы.
7. 	Краткий анализ развития понятий органической химии показывает, что ее фундаментом является теория химического строе15


ния веществ. Отказ от нее и переход только на современные электронные теории был бы серьезной методологической ошибкой. Для школьного курса органической химии, построенного на определен* ных дидактических принципах (научность, доказательность, доступность, историчность и др.), основой должна быть теория химического строения. В подтверждение этому уместно привести высказывание А. Н. Несмеянова: «Созданная в 1861 г. теория строения служила и служит стержнем развития органической химии и в настоящее время» [15, с. 19].
Краткий обзор развития основных понятий, теорий органической химии, начиная с теории радикалов и кончая современными электронными теориями, показывает бурный рост этой области химической науки, рост роли теорий в объяснении фактов и явлений. Наука от эмпирического периода накопления фактов (до начала XIX в.) перешла к более высокому уровню развития — к широким теоретическим обобщениям, что определило возрастание роли научного предвидения.
Обзор развития понятий органической химии позволяет посмотреть на школьный курс химии, который, с одной стороны, не должен отставать от современного состояния науки, а с другой стороны, должен быть доступен для учащихся. Речь не идет о том, что школьный курс органической химии должен заключать в себе все понятия, теории науки. Логика его построения отличается от логики развития науки. Только строгий отбор теорий и законов, понятий и фактов, стройное логическое структурирование учебного материала позволят учащимся приобретать систематические знания по органической химии.
Краткий анализ развития понятий органической химии позволяет обратить внимание учителей на использование в процессе преподавания принципа историзма, который дает возможность более интересно, проблемно строить изложение учебного материала, позволяет акцентировать внимание на развитии понятий, сопровождающемся борьбой мнений, идей, так как история науки — это история развития идей. Все это не может не повлиять на формирование научно-материалистических взглядов учащихся.


Глава || ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОНЯТИЯ ШКОЛЬНОГО КУРСА ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ
§ 3. 	КЛАССИФИКАЦИЯ ПОНЯТИЙ
Современный школьный курс органической химии включает не только классическую теорию химического строения (она является его основой), но и электронную теорию химической связи и вопросы стереохимии, позволяющие учащимся глубже понять зависимость свойств от строения. Поэтому в курсе развиваются два главных взаимосвязанных направления: строение вещества (химическое, электронное, пространственное) и химические процессы.
Строение вещества рассматривается на различных теоретических уровнях: атомно-молекулярном, электронном и квантовомеханическом — с использованием преимущественно качественной характеристики метода валентных связей и теории гибридизации, а также весьма ограниченно, метода молекулярных орбиталей (понятие о едином л-электронном облаке). Метод валентных связей и теория гибридизации позволяют изучить такие понятия, как «образование химической (ковалентной) связи перекрыванием электронных облаков», «пространственная направленность валентных связей», «о- и л-связи», «электронная трактовка взаимного влияния (непосредственно связанных и непосредственно не связанных атомов)», «электронное и пространственное строение органических соединений», «механизмы химических реакций» и др.
Курс органической химии включает следующие понятия классической теории строения: «химическое строение», «структурная изомерия», «гомология» («гомологический ряд», «гомологическая разность», «общая формула» и др.), «углеводородные радикалы», «классификация органических соединений», «функциональные группы», «зависимость свойств от химического строения» и др.
В курс введены стереохимические понятия: «тетраэдрическое, тригональное (плоское) и диагональное (линейное) строение», «вращение атомов вокруг простой связи — пространственные формы», «геометрическая изомерия», «циклическая форма моносахаридов» и др.
Нашли свое отражение и понятия высокомолекулярной химии: «полимеризация», «поликонденсация», «мономер», «полимер», «степень полимеризации», «геометрическая структура», «молекулярная масса полимера», «стереорегулярная структура» и др.
Некоторые понятия в курсе органической химии даны как бы в незавершенном виде, поэтому, очевидно, они не имеют названия. Например, поворотная изомерия не изучается в школьном курсе, тем не менее причина этого явления и различные поворотные изомеры 17


(пентана) рассматриваются. Это же касается электронных смещений: освещаются вопросы смещения электронной плотности по цепи а-связей, взаимодействия р-электронов с л-электронным облаком, однако названия электронных эффектов — индукционный эффект и эффект сопряжения — отсутствуют.
Такой методический подход имеет свое обоснование. Он позволяет обратить внимание на отдельные наиболее существенные стороны понятий, которые могут быть в доступной форме развиты далее в курсе органической химии. Так, указание на вращение атомов вокруг простой связи позволяет рассматривать пространственные формы (этот термин имеется в курсе) веществ, относящихся к различным классам соединений.
В связи с повышением теоретического уровня школьного курса органической химии повысилось число изучаемых понятий. В настоящее время курс включает в общей сложности более 50 теоретических понятий, около 20 видов химических реакций. Вопрос их классификации приобретает значение в связи с обобщением сведений на заключительном этапе изучения химии.
При классификации понятий следует исходить из теоретических основ предмета (теории химического, электронного и пространственного строения), а также из того положения, что формирование ряда понятий органической химии происходит на базе понятий неорганической химии («химический элемент», «строение атомов», «химическая связь» и др.).
Учитывая это, целесообразно проводить классификацию теоретических понятий школьного курса органической химии, исходя из исторически сложившихся уровней познания строения вещества. В этом случае понятия органической химии можно рассматривать на различных теоретических уровнях: атомно-молекулярном и электронном. При этом следует уточнить, что необходимо понимать под электронным уровнем. Развитие учения о строении вещества для химической науки всегда (с момента установления строения атома) было связано с понятием «электрон»: появившиеся вначале электронные теории в органической химии, а затем их углубление на основании квантово-механических представлений характеризуются различным уровнем познания веществ, и прежде всего электрона. Естественно, когда речь идет об электронном уровне, то следует понимать современное толкование вопроса о строении вещества.
Первый уровень включает классическую теорию химического строения и классическую стереохимию; второй — электронную природу ковалентной связи, электронные смещения (взаимное влияние атомов), электронное строение атома углерода, гибридизацию, понятие об электронном облаке, образовании о- и л-связей, физических параметрах связей, понятие о едином л-электронном облаке, водородной связи.
В курсе органической химии большинство понятий рассматривается в основном не поэтапно, не в соответствии с теоретическим уровнем, т. е. одно и то же понятие не изучается вначале на атомномолекулярном уровне, затем — на электронном, а по принципу 18


органического сочетания теоретических уровней. Рассмотрим это положение подробней.
Классическая теория химического строения, как известно, дает возможность судить о порядке соединения атомов в молекулах, позволяет отражать строение в виде структурных формул, по строению предсказывать их свойства. Структурные формулы — основа научного языка органической химии, с их помощью формируются многие химические понятия. На структурных формулах рассматриваются электронные смещения (электронные эффекты) в молекулах (вносится дополнительная символика), реакционная способность веществ и другие понятия электронного уровня. Когда, например, излагается вопрос о взаимном влиянии атомов, рассматривают его не на атомно-молекулярном уровне, а на электронном, позволяющем раскрыть механизм взаимного влияния.
Таким образом, в курсе органической химии все время идет «накладка* теоретических уровней. Это обстоятельство необходимо иметь в виду при классификации понятий органической химии. Отметив общую тенденцию в соотношении теоретических уровней в курсе органической химии, мы тем не менее должны указать на то, что небольшой по объему материал дается на атомно-молекулярном уровне. Это касается теории химического строения (начало курса), ряда структурных формул и уравнений реакций.
Понятия можно объединить по принадлежности их к тем или иным теориям, областям науки. При этом учитываются теоретические уровни познания вещества.
1. 	Понятия теории химического строения.
2. 	Понятия электронной теории.
3. 	Стереохимические понятия.
4. 	Понятия о закономерностях химических реакций.
5. 	Понятие высокомолекулярной химии.
Понятия органической химии по характеру использования можно подразделить на три группы: опорные понятия, развивающиеся понятия и понятия ознакомительного характера. При формировании основных понятий курса часто приходится прибегать к опорным понятиям, ранее сформированным. Например, понятие «радикал» обслуживает основные понятия: «химическое строение», «взаимное влияние атомов» и др.; понятие «л-связи» является опорным для изучения геометрической изомерии.
Развивающиеся понятия позволяют раскрыть ведущие научные идеи курса, определяют его логическую структуру. Понятия, получающие развитие в курсе, характеризуются большей полнотой раскрытия существенных признаков, большими возможностями использования их учащимися в учебном процессе, чем понятия ознакомительного характера (обычно у таких понятий отсутствуют некоторые признаки). Примерами развивающихся понятий являются «изомерия», «гомология», «взаимное влияние атомов» и др.
Полноте раскрытия развивающихся понятий способствует большое число упражнений, в случае ознакомительных понятий упражнений мало или они вовсе отсутствуют. Отдавая предпочтение 19


развивающимся понятиям, нельзя недооценивать понятия ознакомительного характера, поскольку они также играют важную роль в научном познании. Речь в данном случае идет о понятиях, отражающих основные тенденции развития науки, важнейшие ее достижения, например отдельные механизмы реакций.
Ознакомительные понятия имеют ту особенность, что они всегда связаны с определенными гранями развивающихся понятий. При отсутствии таких связей, очевидно, отпадает надобность в освещении того или иного ознакомительного понятия.
§ 4. 	СВЯЗЬ ПОНЯТИЙ В СИСТЕМЕ КУРСА ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Школьный курс органической химии характеризуется определенной структурой, под которой следует понимать принцип, способ, закон связи элементов в рамках данного целого. Элементами курса как целостной системы являются основные понятия. Каждое понятие в свою очередь — система, состоящая из существенных признаков — элементов. Сущность этой «иерархии» раскрывает схема 1 (см. форзац I).
Она позволяет устанавливать не только связи, но и взаимовлияния элементов целостных систем, т. е. взаимовлияния понятий. В процессе обучения основное внимание уделяется выявлению связей, так как невозможно усвоение учебного материала без образования системы связей между понятиями.
Связи между понятиями нельзя рассматривать вне системы курса органической химии. Поэтому весьма кратко охарактеризуем ее.
В основу системы курса положена идея усложнения строения вещества: от относительно простых соединений, например углеводородов, до сложных соединений — белков и нуклеиновых кислот. Эта идея, естественно, отражает ступени организации материи. Как отмечает В. И. Кузнецов (11), высшей ступенью организации материи являются сложные биоорганические вещества (нуклеиновые кислоты, белки), они представляют химическую основу жизни.
Белковые молекулы характеризуются полифункциональностью, которую определяют спиртовая, карбонильная, карбоксильная, слож- ноэфирная группы, аминогруппа. Пространственное строение белков, высокая реакционная способность функциональных групп, образование различных форм связей внутри одной молекулы и между молекулами, подвижность связей — все это является определенным обобщением понятий о строении и свойствах различных классов органических соединений.
Таким образом, вершина школьного курса органической химии — это сложные биоорганические соединения. Для понимания их строения необходимы знания различных классов органических соединений, что показано на схеме 2.
Рассмотрим эту схему с точки зрения усложнения вещества.
20


По сравнению с предельными углеводородами у циклопарафинов появляется новое структурное звено — цикл. В строении этиленовых и диеновых углеводородов наблюдается новый элемент — двойные связи, у ацетиленовых — тройная связь, а у ароматических — ароматическая связь. У кислородсодержащих соединений постепенно усложняется функциональная группа: гидроксильная группа, альдегидная группа, карбоксильная группа, сложноэфирная группа.
Схема 2
Расположение классов органических соединений по мере усложнения их строения
Нуклеиновые кислоты-< Белкин
Сложные эфиры ►Жиры
1
Карбоновые кислоты Аминокислоты
Углеводы I
“ Альдегиды Гетероцикли- -« Амины
। ческие со- | ’ ' единения
Фенолы
Спирты
I
Ароматические углеводороды
I
Ацетиленовые углеводороды
т
Диеновые углеводороды
I
Этиленовые углеводороды
I
Циклопарафины
Преде пьные углеводороды
Пояснения требует расположение в схеме 2 гетероциклических соединений, содержащих в циклах атомы азота. Совмещение у них ароматических и основных свойств требует знания строения и свойств ароматических углеводородов и аминов. Гетероциклы и углеводы непосредственно связаны с нуклеиновыми кислотами. Последовательность изучения классов органических соединений, показанная на схеме 2, в основном сохраняется, если рассматривать классы органических соединений сточки зрения химических связей и строения функциональных групп (см. табл. 1 на форзаце II).
Рассмотрим подробнее эту таблицу.
Согласно программе по химии, последовательность изучения углеводородов следующая: простая а-связь (первое валентное состояние) — предельные углеводороды и циклопарафины; п- и л-связь (второе валентное состояние)—этиленовые и диеновые углеводороды (у некоторых диеновых углеводородов происходит сопряжение о- и л-связей); а- и две л-связи (третье валентное состоя21


ние) — ацетиленовые углеводороды и, наконец, связь у ароматических углеводородов.
Если исходить из типа гибридизации атома углерода и эффекта сопряжения, то ароматические углеводороды следовало бы рассматривать после диеновых, а ацетиленовые углеводороды должны изучаться последними. Указанную последовательность можно отразить такой схемой: связь С—С (парафины, циклопарафи- ны)-+связь С=С (этиленовые углеводороды)-^сопряженная связь С=С—С=С (диеновые углеводороды)-^ароматическая связь (ароматические углеводороды)-+связь С=С (ацетилены). '
Рассмотренная последовательность не исключает л другой порядок следования связей углеводородов: связь С—С (парафины, циклопарафины) -+связь С=С (этиленовые углеводороды) -►
связь С=С (ацетиленовые углеводороды)сопряженная связь С=С—С=С (диеновые углеводороды)-*-ароматическая связь (ароматические углеводороды). В данном случае вначале рассматривается связь между атомами углерода, находящимися в $р3-, эр2- и ^-состояниях, затем — сопряженные связи.
Может возникнуть вопрос: почему связь С—(например, в аминах, аминокислотах) не рассматривается вместе с другими простыми связями: С—С, С—Н, С—С1 и т. д.? Представим себе, что эта связь (а следовательно, и соединения) дана среди других простых связей, тогда:
а) 	классы соединений, содержащие связь С—М, не найдут своего приложения, развития вплоть до изучения аминокислот, они будут «островками» в структуре курса;
б) 	соединения с указанной связью внесут диссонанс в сложившуюся структуру курса.
Для установления связей между различными понятиями нужно вычленить нечто общее, характерное для них. Что же является фундаментом всех понятий? Чтобы ответить на этот вопрос, обратимся снова к системе курса. В основу построения системы положен принцип усложнения вещества, его строения, поэтому для всех понятий исходными должны быть понятия «состав» и «строение».
Любое органическое соединение характеризуется определенным составом, химическим, электронным и пространственным строением. Известно, что элементный состав — материальный носитель вещества. Пользуясь, этим понятием, можно вывести определенные зависимости свойств от элементного состава, относительной молекулярной массы и т. п. Выбор понятия — «строение» — позволяет ответить на основные вопросы органической химии: как построено вещество и какие свойства оно проявляет?
Выбор этих понятий дает возможность установить историкологические связи между понятиями, рассмотреть понятия на любом теоретическом уровне, в их развитии.
Рассмотрим связи между пятью группами понятий (см. схему 1 на форзаце I) в историко-логическом плане. Известно, что установление таких понятий, как «атом», «молекула», «валентность», в том числе «валентность углерода», «атомная и молекулярная 22


масса», позволило правильно отразить качественный и количественный состав молекул веществ. Вместе с тем знание валентности, понятия частицы («атом», «молекула») послужили основой понятия химического строения.
Молекула вещества характеризуется не только химическим строением, но и пространственным. Не зная одного — химического строения, невозможно узнать другое — расположение атомов молекулы в пространстве. Химическое строение — это базис для установления пространственного строения. Таким образом, теория химического строения непосредственно связана со стереохимией. Можно сказать, что установление пространственного строения — это более высокий этап познания строения.
Дальнейшее развитие понятия строения дается на электронном уровне. Электронная теория химической связи дала возможность более глубоко рассмотреть химическое и пространственное строение. Эта связь может быть отражена «познавательным» треугольником:
Химическое строение
Электронное строение ►Пространственное строение
Для понимания закономерностей химических реакций необходимы знания о составе, химическом, пространственном строении и электронной теории химической связи. Известно, что при химических реакциях изменяется состав веществ, происходит перегруппировка атомов, разрушаются одни связи и образуются другие, разрушаются одни «постройки» (структуры) и создаются другие. При выявлении реакционной способности веществ прибегают к физическим параметрам химических связей, учитывают геометрию молекул.
Понятия химии высокомолекулярных соединений непосредственно связаны с составом и строением. Макромолекулу можно рассматривать как усложнение вещества. В этом плане понятие «состав» получает свое дальнейшее развитие. Вместе с тем усложнение связано со строением: образованием новых связей, их пространственной направленностью, геометрической формой макромолекул.
Таким образом, краткий обзор структуры групп понятий позволяет сделать вывод, что все они находятся во взаимосвязи, взаимозависимости и в совокупности образуют систему курса.
Здесь не раскрываются связи внутри групп понятий, это будет сделано в последующих главах.
Определив круг основных понятий курса органической химии, важно далее рассмотреть условия их успешного формирования.


Глава III ПУТИ УСПЕШНОГО ФОРМИРОВАНИЯ ОСНОВНЫХ ПОНЯТИЙ ОРГАНИЧЕСКОЙ химии
$ 5. ХАРАКТЕР И ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ПОНЯТИЙ
При формировании понятий органической химии необходим^ учитывать следующее: курс органической химии изучается учащимися, возраст которых позволяет широко применять логические операции, особенно систематизацию и обобщение; изучение органической химии происходит на базе приобретенных знаний об основных понятиях неорганической химии (строение вещества, периодический закон, химическая связь, закономерности химических реакций, электролитическая диссоциация). Отсюда вытекают особенности формируемых понятий органической химии.
В курсе органической химии в отличие от неорганической меняется соотношение конкретного и абстрактного материала в сторону усиления абстрактного. Многие понятия органической химии связаны с познанием явлений микромира, это касается электронной при- родь! химической связи, стереохимических понятий, где в основном отсутствует возможность использования химического эксперимента.
Понятия химии получают свое завершение в курсе органической химии (электронное и пространственное строение вещества). В связи с этим возрастает роль систематизации и обобщения знаний.
Структура курса органической химии, в основу которой положены принципы усложнения строения вещества и генетической связи между классами соединений, создает благоприятные условия для формирования и развития понятий.
Отметим еще, что речь идет о формировании научных, а не учебных понятий — это выражение еще иногда встречается в педагогической литературе. Видимо, оно возникло в связи с бытующим на практике традиционным термином «учебный предмет». В школе изучают основы наук, поэтому речь может идти только о научных понятиях. Несмотря на то что часто содержание и объем понятий представлены в школьном курсе в урезанном виде, от этого они не перестают оставаться научными.
В педагогической практике часто используется представление как синоним понятия, хотя они отличаются друг от друга. Представления являются предпосылками перехода от чувственного познания (ощущения, восприятия) к абстрактному мышлению в форме понятия. Они отличаются от понятий по своему содержанию и познавательному значению:
1. 	Представление зависит от знаний конкретного человека, его опыта и трудовой деятельности. Содержание понятия не зависит от личности.
24


2. 	Представление характеризуется чувственно-конкретным воспроизведением предмета. Понятие лишено этой наглядности.
3. 	Представление включает в себя не только существенные, но и второстепенные признаки. Понятие как форма обобщенного отражения действительности выражает только существенные признаки.
4. 	Представление возникает непроизвольно, поэтому оно нередко бывает нечетким, смутным. В формировании понятия большое значение имеют теоретическое обобщение и практическая проверка.
Особенности понятий тесно связаны с условиями их успешного формирования.
§ 6. 	УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ОСНОВНЫХ ПОНЯТИЙ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Условия формирования понятий имеют различные аспекты: логический, психологический, дидактический и др. Рассмотрим эти условия в логическом и методическом аспектах.
1. 	Каждое формируемое понятие имеет определенные корни в общей теоретической базе курса химии, поэтому, чем больше опорных знаний (опорных понятий), тем лучше подготовка учащихся к восприятию вновь формируемого понятия. Например, для формирования понятия «полимер» необходимы знания о составе, молекулярной массе, об углеводородных радикалах, функциональных группах, химических реакциях (особенно реакций присоединения), механизмах химических реакций (особенно свободнорадикальный), о о- и л-связях. Отсутствие, к примеру, знаний о реакционной способности функциональных групп затруднит понимание реакции поликонденсации и некоторых свойств полимеров.
2. 	Одним из важных требований, предъявляемых диалектической логикой к понятиям, является вычленение существенных, определяющих признаков понятия, установление субординации признаков. Отсюда следует, что при формировании понятия нужно соблюдать два условия: определить существенные признаки данного понятия и установить последовательность их раскрытия, г. е. установить связи между признаками внутри понятия.
Существенные признаки любого понятия, как мы убедились, можно разделить на признаки, раскрывающие причины явления, и признаки, выявляющие следствия. Таким образом, выяснение существенных признаков, их субординации происходит путем выяснения причинно-следственных связей. Рассмотрим пример.
Понятие л-связи включает следующие существенные признаки: причины — образовавшаяся за счет небольшого бокового перекрывания негибридизованных элекронных облаков атомов углерода л-связь расположена перпендикулярно плоскости о-связи; следствия — связь непрочная, легко поляризуется, отличается высокой реакционной способностью, характеризуется плоским (в случае двойной связи) или линейным (в случае тройной связи) строением молекулы или части ее.
25


Все существенные признаки взаимосвязаны. В результате небольшого перекрывания р-электронных облаков (расположенных перпендикулярно плоскости а-связей) двух атомов углерода обра- . зуется л-связь, плоскость которой будет перпендикулярна плоскости а-связей. Небольшое электронное перекрывание вне плоскости а-связей обусловливает непрочность л-связи (в целом двойная связь прочнее а-связи), ее легкую поляризуемость, а следовательно, высокую реакционную способность соединений, содержащих такую связь. Соответствующее расположение л-связи вызывает плоское * строение молекулы или части ее. '
3. 	При формировании конкретного понятия важно проследить не только внутренние связи, но и внешние связи его с другими понятиями, так как «Каждое понятие,— указывал В. И. Ленин,— находится в известном отношении, в известной связи со всеми остальными» (Ленин В. И. Философские тетради // Поли. собр. соч.— Т. 29.— С. 179).
Только рассмотрение многосторонних связей для каждого понятия позволит установить координацию и субординацию понятий, даст возможность всесторонне и достаточно глубоко изучать конкретные понятия.
Продолжая обсуждать тот же пример, который дан в предыдущем пункте (речь идет о л-связи), укажем следующее. Понятие «л-связь» является видовым по отношению к более широкому родовому понятию «химическая связь», которое обусловливает строение и реакционную способность соединений. л-Связь находится во взаимосвязи с такими понятиями, как «гибридизация», «пространственное строение», «взаимное влияние атомов», «механизмы химических реакций», «реакционная способность соединений» и др.
4. 	Понятие должно характеризоваться таким числом существенных признаков, которое достаточно не только для формирования, но и для развития и применения его. При отсутствии каких- либо существенных признаков возникают затруднения в применении понятия. Рассмотрим это положение на примере.
Понятию а-связь свойственны такие существенные признаки: область перекрывания электронных облаков находится на прямой, соединяющей ядра атома, связь прочная, характеризуется пространственным направлением, длиной, энергией, полярностью, поляризуемостью. Этих признаков достаточно для развития и применения понятия «а-связь». Если, например, не указывать пространственную направленность а-связей, то нельзя будет судить о геометрии молекул; указание на полярность связи позволит рассмотреть взаимное влияние атомов, реакционную способность соединений, их свойства; зная энергию связи, можно судить о ее прочности, а следовательно, об условиях, необходимых для протекания реакции.
5. 	Понятие приобретает доказательный и убедительный характер, если оно обеспечено оптимальным количеством фактов. С их помощью подтверждаются в первую очередь существенные призна-
26


ки понятий. Очевидно, подкрепление второстепенными признаками может привести к «обрастанию» понятия, к затушевыванию главного в его сущности. Понятие «стереорегулярность», например, трудно было бы осмыслить учащимся, если бы его рассматривать в общем виде. «Привязка» этого понятия к конкретным фактам (в данном случае полипропилен, изопреновый синтетический каучук) позволяет раскрыть не только сущность понятия, но и применение его.
При недостаточном количестве фактов и доказательств появляется догматизм в преподавании, а при их избытке — перегрузка фактическим материалом. Формулировке понятия должно предшествовать оптимальное количество фактов.
6. 	В формировании понятий важное значение имеет исторический подход, позволяющий проследить развитие понятия, его оформление, выявить борьбу различных идей, точек зрения, что имеет большое значение для развития у учащихся диалектико-материалистического’подхода к химическим явлениям. Так, например, раскрывая теорию химического строения, отмечают, что она родилась в результате борьбы с господствовавшей в середине XIX в. в науке теорией типов, отрицавшей возможность познания строения вещества. Теория химического строения наглядно доказала познаваемость веществ, их свойств.
Естественно, исторический подход должен быть применен не ко всем понятиям, а лишь к тем, «рождение» которых было связано с значительной борьбой принципиальных мнений о познаваемости химических явлений, развитии материи и т. д. Только *на таких примерах можно формировать диалектико-материалистическое мировоззрение учащихся.
7. 	В формировании понятий органической химии необходимо придерживаться принципа постепенного их развития (химическое строение, электронное и пространственное строение и др.). По мере изучения классов соединений органической химии, усложнения их строения конкретизируются и углубляются те или иные понятия.
«Если подойти к преподаванию диалектически, то каждое данное явление нужно рассматривать на каждом этапе с разных сторон, вскрывать новое в изучении данного предмета. Мы должны развивать понятия у учащихся, подводить их к понятиям, не давать сразу все, не забегать вперед...» [6, с. 27].
Для методики формирования понятия (в содержание включается и его развитие) крайне важно выделить этапы. При вычлении этапов принимается во внимание содержание и объем понятия, последовательность его раскрытия и развития, методика изучения понятия.
8. 	Возрастание абстрактной мыслительной деятельности учащихся в связи с повышением теоретического уровня курса органической химии приводит к повышению роли различных средств наглядности (моделирования, химического эксперимента, технических средств и др.) в процессе формирования понятий. Все больше возрастает гносеологическая роль моделей, так как современное
27


научное знание становится все опосредованнее, абстрактнее. Модели в учебном процессе облегчают задачу учащихся в познании абстрактных понятий курса органической химии.
Модель позволяет выделить наиболее существенные стороны объекта, обратить на них основное внимание. Так, например, при рассмотрении моделей строения молекул предельных углеводородов акцент делается на тетраэдрическое строение атома углерода.
Изучение строения различных органических соединений с привлечением моделей позволяет рассмотреть современную теорию электронного и пространственного строения органических веществч
Модели возможно использовать для проблемного изложения. Например, выяснив вопрос о тетраэдрическом строении молекулы метана, можно будет поставить перед учащимися проблему о пространственном строении его гомологов.
В процессе обучения органической химии используются различные модели: знаковые (молекулярные и структурные формулы), шаростержневые и масштабные.
О всех этих моделях, отражающих различные теоретические уровни познания строения вещества, об их особенностях, преимуществах и недостатках у учащихся должно быть четкое представление.
Опыт показывает, чем шире используются в учебном процессе модели (структурные формулы, шаростержневые и масштабные модели), тем более глубокие знания учащихся о химическом, электронном и пространственном строении веществ.
9. 	Повышение теоретического уровня курса органической химии, возрастание абстрактной мыслительной деятельности учащихся приводят к усилению роли различных упражнений, особенно продуктивного характера, в процессе формирования понятий. Упражнения позволят учителю не только проверять и закреплять пройденный материал, но и обучать применению знаний. С помощью упражнений устанавливаются новые дополнительные связи с другими понятиями, расширяется объем и углубляется содержание формируемого понятия. Упражнения при изучении органической химии позволяют широко пользоваться различными логическими операциями, что сказывается на развитии познавательных способностей учащихся, их самостоятельности.
Упражнения в курсе органической химии могут иметь различный характер в зависимости от разрешаемой учебной задачи и используемых учащимися средств для их выполнения. В процессе выполнения упражнения могут быть использованы: а) модели, б) химический эксперимент, в) расчеты, г) логические операции — сравнение и аналогия, анализ и синтез, систематизация и обобщение.
Следовательно, в основе выполнения упражнений лежат умственные действия.
Система упражнений, предложенная в курсе органической химии, способствует раскрытию многообразия органических соединений, их строения и свойств, генетической связи между различными классами органических веществ.
28


10. 	Повышение теоретического уровня курса органической химии, а также строгая его логическая структура способствуют возрастанию роли проблемного подхода в обучении. К этому следует добавить, что учащиеся X—XI классов, имеющие определенный багаж химических знаний и соответствующую общеобразовательную подготовку, способны к осознанному решению более сложных проблемных вопросов, способны к более широким обобщениям, чем учащиеся младших классов.
В курсе органической химии имеются большие возможности ^для создания системы проблемных ситуаций, способствующих активизации познавательной деятельности учащихся, осознанному восприятию понятий, теорий. Это связано с тем, что он построен на идеях зависимости свойств веществ от их строения, использования исторического подхода, систематического применения химического метода доказательства строения вещества (на основании химических свойств). Поэтому в процессе изучения учебного материала можно создать проблемные ситуации, связанные с прогнозированием строения и свойств соединений, выяснением некоторых закономерностей (например, в гомологических рядах). Возникшее противоречие между фактами и теориями (часто эти противоречия имели место в науке) разрешает частично или полностью сам ученик, если он в состоянии установить причинно-следственные связи для данного понятия или связи между понятиями.
Проблемный подход в обучении органической химии имеет своей целью раскрытие существенных признаков понятия. Это осуществляется различными путями. Укажем лишь несколько:
а) Знание одного существенного признака служит материалом для проблемного выяснения другого существенного признака. Например, знание о строении вещества позволяет поставить проблемный вопрос о свойствах, обусловленных таким строением. Приведем конкретный пример. Известно, что вещества, имеющие одинаковое химическое строение, характеризуются одинаковыми свойствами. Но вот две формулы вещества (записываются структурные формулы ццс-траяс-изомеров) имеют одинаковое химическое строение, но различные свойства (указываются для каждого изомера). Как объяснить это явление? Знания учащихся здесь пришли в противоречие с фактом, и это противоречие подводит учащихся к пониманию пространственной изомерии.
б) Часто в качестве фактора, противоречащего теории, знаниям учащихся, выступает химический эксперимент. Например, опыт, доказывающий, 'что бензол не окисляется, приходит в противоречие со знаниями о непредельности соединений. В. данном случае опыт выступает как причина проблемной ситуации. Химический эксперимент служит средством не только для постановки проблем, но и для их разрешения.
В процессе проблемного обучения можно выделить четыре звена: появление и осознание проблемной ситуации; формулировка конкретной проблемы; выдвижение гипотезы (или гипотез) для решения проблемы; проверка правильности решения проблемы
29


Указанные звенья рассмотрим на примере установления строения молекулы этанола. Учащимся дается молекулярная формула этанола и предлагается написать возможные формулы, отвечающие данному составу. Обычно они записывают две формулы, данные в учебнике. Нужно решить, какая формула соответствует спирту (проблема), зная, что каждому веществу соответствует одна формула. Затем учащимся предлагается охарактеризовать смещение электронной плотности в молекулах веществ и высказать свою гипотезу. Обычно они делают такое предположение: в веществе строения
н н
I 1 «- «+
н—с—с—о*-н (1)
н н
наиболее электроотрицательный атом — кислород непосредственно связан с атомом водорода, от которого он с большой силой оттягивает электронную плотность, поэтому данный атом водорода приобретает большую подвижность по сравнению с другими атомами водорода. Известно, что наиболее сильно взаимное влияние непосредственно связанных атомов. В другой формуле
Н Н
и I I
Н—Сч-О^-С—Н (2)
А все атомы водорода равноценны, они непосредственно не соединены с кислородом, поэтому их подвижность должна быть незначительная. Отсюда учащиеся делают вывод, что вещество, имеющее первую формулу, может проявлять кислотные свойства; подвижный атом водорода может замещаться металлом.
Далее учитель приливает несколько капель раствора индикатора к жидкости: окраска не изменяется. Учащиеся делают вывод об отсутствии ионов водорода. (Константа диссоциации спирта примерно такая же, как и воды (10“,8). Ионы Н + в растворе имеются, но их очень мало.) Учитель демонстрирует взаимодействие исследуемого вещества с натрием, обнаруживает водород. Второе вещество не вступает в реакцию с металлом (опыт можно показать на диэтиловом эфире). Таким образом, гипотеза учащихся проверена. Учителю остается лишь сказать, что первая формула отвечает спирту.
В ряде случаев может отсутствовать первое звено — появление и осознание проблемной ситуации, хотя и имеется конкретная проблема. Например, зная электронное строение бензола, какие можно предположить у него химические свойства?
11. 	При формировании понятий имеет большое значение прием изложения материала — индуктивный или дедуктивный. Дедуктивный подход, вполне приемлемый в старших классах, сокращает путь формирования понятия, позволяет сэкономить учебное время (освободившееся время можно использовать для выполнения упраж30


нений). Приведем пример.. Изучение свойств непредельных углеводородов на основании их строения проходило ранее в два этапа: вначале рассматривались свойства, механизм реакции присоединения на примере простейшего непредельного углеводорода — этилена, затем — гомологического ряда этилена. Изучение свойств, механизма реакций присоединения на примере гомологического ряда дает большую свободу учителю в оперировании фактами (позволяет ему прибегать к различным гомологам и изомерам), помогает' экономить время.
Следует иметь в виду, что в действительности нет в чистом виде индуктивного или дедуктивного подхода. Они всегда сочетаются в различных пропорциях. Речь идет о том, чтобы усилить дедукцию, особенно при изучении свойств веществ.
12. 	При формировании понятий большое значение имеют межпредметные связи. Сведения, получаемые учащимися по другим предметам (физике, биологии, географии), способствуют более осознанному усвоению тех или иных понятий органической химии. Например, знания, которые получают учащиеся по общей биологии о роли углеводов, в частности глюкозы, для организма, используются при характеристике энергетической стороны реакции окисления глюкозы, выяснении роли аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ).
Все эти условия формирования понятий следует рассматривать в единстве, взаимосвязи, при этом необходимо иметь в виду, что они по-разному проявляются для конкретных понятий.
В формировании любого понятия можно всегда выделить три части, или области: область опорных понятий, область формируемого понятия, область применения понятия. Все они связаны между собой. Область формируемого понятия находится в зависимости от области опорных понятий и обусловливает область применения понятия. Область формируемого понятия включает его существенные признаки, определение понятия (если это требуется), этапы формирования понятия, т. е. его развитие. Область применения понятия выражается в использовании его в разных ситуациях, выполнении заданий различного характера.
Изложенное может быть выражено в виде схемы 3.
Кратко остановимся на определении понятия. Определение фактически завершает логическое формирование понятия. Дать определение — значит раскрыть существенные признаки содержания понятия. Разумеется, определение может претерпевать изменения в связи с появлением 'новых признаков понятия, углублением его содержания. Поэтому не всегда следует требовать от учащихся дословного воспроизведения определения, данного в учебнике. Главное, чтобы они могли своими словами верно выразить логическую последовательность существенных признаков понятия, усвоили содержание. При этом следует учитывать, что содержание понятия и выражение этого содержания в определении — это не одно и то же. Содержание понятия богаче определения. Любое определение отражает лишь основные, существенные признаки.
31


Схема 3
Связь областей формируемого понятия
При формировании понятий важно обратить внимание на их определения через ближайший род и видовые отличия. Так, при определении понятия «гомолог» учитываются его отличия от понятия «изомер», данные видовые понятия подводят под ближайшее родовое понятие — химическое строение.
О сформированности понятия необходимо судить не только по тому, что учащиеся указывают существенные признаки понятия, устанавливают связи между ними, умеют устанавливать связи данного понятия с другими понятиями, но и по тому, как они могут применять данное понятие в разных ситуациях, выполнять задания различного характера.
Указанная в общем плане связь областей формируемого понятия будет рассмотрена на конкретных понятиях в последующих главах.
§ 7. 	РОЛЬ ХИМИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА И ДРУГИХ СРЕДСТВ НАГЛЯДНОСТИ В ФОРМИРОВАНИИ ПОНЯТИЙ
Рассмотрим более подробно роль наглядных средств в формировании понятий. Речь будет идти о таких приемах познания, как химический эксперимент, мысленный эксперимент, использование моделей, а также о графических пособиях и аудиовизуальных средствах обучения. С их помощью усваиваются теоретические вопросы, решаются познавательные задачи теоретического и эмпирического характера.
В основу познания законов, явлений положен химический метод— эксперимент. Его значение высоко оценивалось многими учеными.
32


Химический метод установления строения веществ, предложенный А. М. Бутлеровым в 60-е годы XIX в., вполне себя оправдал и принес успехи органической химии. Изучение химических свойств тех или иных веществ в сравнении всегда дает определенную информацию для суждения о химическом строении. При этом важно избрать такие свойства, которые наиболее ярко характеризуют реакционноспособные центры вещества, раскрывают главное, существенное в его строении.
Используя те или иные реакции, можно доказать существование кратной связи, функциональных групп (спиртовой, альдегидной, карбоксильной, аминогруппы и др.). Рассмотрим примеры.
При выяснении строения молекулы этанола доказывают большую подвижность одного из шести атомов водорода, способного замещаться на металл. На этом основании делают вывод об особом положении этого атома водорода в молекуле этанола. Учащихся подводят к логическому выводу о нахождении активного атома водорода в гидроксильной группе. В данном случае указанный эксперимент имеет своей целью установить лишь наиболее существенное в строении молекулы спирта, при этом не имелось в виду подтвердить наличие в молекуле всех атомов, химических связей, углеводородного радикала.
С помощью реакции серебряного зеркала устанавливают только способность связи С—Н функциональной группы альдегида к окислению; на основании этого реакционного центра судят в целом о строении молекулы альдегида. К сожалению, пока отсутствует доступная для школьных условий реакция на карбонильную группу, что позволило бы судить в целом об альдегидной группе. О присутствии функциональной группы карбоновой кислоты делается вывод по проявлению повышенной активности атома водорода связи О—Н карбоксильной группы (действие индикатора, металла, карбоната натрия). Образованием соли амина (действие минеральной кислоты) подтверждают только наличие аминогруппы.
Таким образом, при выяснении строения вещества устанавливают реакционные центры молекулы; чем больше их подтверждают химическим путем, тем полнее, доказательнее становится строение вещества. В школьной практике обычно доказывается один реакционный центр, за редким исключением — два (например, аминокислоты, фенол).
Об элементах строения неизвестного вещества иногда судят по строению известного соединения, из которого его можно получить. Например, по реакции дегидрирования циклогексана и получения бензола можно сделать вывод о циклическом строении последнего.
Часто строение вещества познается путем сравнения его с другим веществом, по действию на него реагентом. То, что фенол легко реагирует с раствором гидроксида натрия (калия), а спирт при этих же условиях не вступает в реакцию с щелочью, позволяет сделать вывод о большей протонизации водорода гидроксильной группы фенола по сравнению со спиртом.
2 Зак. 2175 И. Н. Чертков
33


В химическом эксперименте имеются большие возможности для использования логических операций: сравнение свойств веществ, вычленение существенных признаков, что важно в вопросе классификации соединений (первый уровень); анализ и синтез, например• анализ веществ (установление определенных элементов), синтез свойств для конкретного соединения (второй уровень); систематизация и обобщение, например решение экспериментальных задач на распознавание (третий уровень). Указанные уровни отличаются степенью усложнения ученического эксперимента и сложностью, логических операций. ч
Нами рассмотрены лишь отдельные примеры выяснения строения молекул органических веществ, их химических свойств. Однако следует иметь в виду, что химический метод не всегда позволяет дать полный ответ о строении молекул. В качестве примера приведем бензол. Реакцией дегидрирования циклогексана, как известно, доказывается циклическое строение бензола, действием перманганата калия и бромной воды отмечается отсутствие окислительных свойств и обычных двойных связей у бензола. Рассмотренных экспериментальных данных недостаточно для того, чтобы изобразить модель строения молекулы. Для этого нужны еще данные, полученные физическими методами. По расположению ядер атомов молекулы бензола можно судить о плоском строении молекулы, о длине связей, валентных углах. Следовательно, только сочетанием химических и физических методов можно получить современную модель строения вещества.
Так как в школе нет возможности использовать физические методы для установления строения вещества, то приходится пользоваться результатами, полученными этими методами.
Мысленный эксперимент имеет большое познавательное значение. Он позволяет ставить проблемы перед учащимися (создавать проблемные ситуации) в процессе обучения, намечать пути их решения, подтверждать или отвергать предположения — все это важно для развития мыслительной деятельности учащихся, их самостоятельности.
Мысленный эксперимент отличается от реального (химического) эксперимента тем, что он представляет собой форму абстракции. По существу, он не является экспериментом, так как в нем нет процесса воспроизведения на практике изучаемого явления. Это рассуждения, правильность которых зависит от правильности мышления.
Классическим примером мысленного эксперимента являются законы осмотического давления, выведенные Вант-Гоффом и подтвержденные в дальнейшем реальным экспериментом.
Мысленный эксперимент таит в себе возможность ошибок, так как он происходит исключительно в сфере сознания, вне объективной действительности, в которой существуют причинные связи. Только практикой можно решить правильность рассуждений, допущений. Поэтому мысленный эксперимент не является той базой, на которой возможно построение теории.
34


Между указанными видами экспериментов имеется общее: и мысленному, и реальному эксперименту предшествует продумывание, выдвижение гипотез, составление плана решения проблемы, задачи. Для них характерна высокая активность учащихся.
В учебном процессе мысленный эксперимент начинается с построения учеником идеальной (мысленной) модели решения вопроса с учетов конкретного материала. В основе этого эксперимента лежит знание теорий, фактов, т. е. при построении идеальной модели ученик исходит из накопленного багажа знаний.
При построении мысленного эксперимента, как правило, используется аналогия, т. е. перенос знаний, полученных при изучении другого объекта. Разумеется, выводы по аналогии будут вероятными; они будут обоснованными, если посылки верны. Выводы мысленного эксперимента проверяются реальным экспериментом.
Применительно к учебному процессу мысленный эксперимент может проявляться по-разному.
1. 	Для аналогии имеются правильные посылки и, как следствие, правильные выводы. Например, наличие гидроксильных групп у глицерина позволяет учащимся предположить, что это вещество (по аналогии с этиловым спиртом) должно вступать в реакцию с металлическим натрием. Химический эксперимент подтверждает предположение.
2. 	Используются формально правильные посылки для аналогии, но выводы не подтверждаются на опыте. Например, анализ молекулярной формулы бензола подводит учащихся к выводу, что это вещество сильно непредельное: оно должно вступать в реакцию с бромной водой и перманганатом калия. Химические опыты опровергают вывод, сделанный только на основании состава данного вещества.
3. 	Посылки для аналогии неверны, следовательно, и выводы неверны. Например, по аналогии с кислотами, вступающими в реакцию с щелочами, учащиеся делают предположение о возможности реакции одноатомного спирта с щелочью. Химические опыты опровергают высказанное предположение. При взаимодействии спирта с щелочью преобладает обратная реакция — гидролиз алкоголята:
К—ОН + \аО\ К—О\а + Н2О
Как было сказано, в основу мысленного эксперимента положены приобретенные знания. Рассмотрим с этой точки зрения случаи применения мысленного эксперимента в учебном процессе.
Первый случай. Для решения вопроса у учащихся имеются достаточные знания, позволяющие выдвинуть предположения, сделать вывод. Приведем примеры.
а) 	Решение экспериментальных задач по распознаванию веществ основано на использовании известных учащимся качественных или характерных реакций. При решении таких задач имеют значение: последовательность действий ученика, сопоставление действий одного и того же реактива на предложенные вещества, выбор рационального пути (плана) решения экспериментальной задачи. Иначе говоря, ученик как бы мысленно должен «провести эксперимент», сопоставив раз личные варианты решения задачи. Например, выданное вещество содержит эле2*
35


менты С, Н и О. Определите, является ли оно спиртом (одно- или многоатомным), альдегидом или кислотой.
б) 	Решение экспериментальных задач на генетическую связь основано, как правило, на известных учащимся свойствах веществ. Так, чтобы осуществить превращения:
этанол -> этилен -► дибромэтан, необходимо знать свойства веществ, о которых идет речь в цепи превращений.
в) 	На основании строения веществ учащиеся выдвигают предположения об их химических свойствах, и наоборот, на основании химических свойств они делают заключение о строении вещества. Наличие, например, в молекулах карбоксильной и аминогруппы позволяет учащимся сделать вывод об амфотерных свойствах ами- * нокислот, об их способности вступать в реакцию поликонденсации. Установление с помощью соответствующих реактивов б молекулах карбоксильной группы и характера связей (обесцвечивание раствора перманганата калия и бромной воды) дает основание сделать вывод о том, что это вещество — непредельная кислота.
Второй случай. Для решения задачи у учащихся отсутствуют знания или имеются элементы знаний, недостаточных для того, чтобы сделать выводы. Например, учащимся известно, что чувствительным реактивом на альдегидную группу является фуксинсер- нистая кислота. Учитель приливает данный реактив к раствору глюкозы — характерная для альдегидов окраска не появляется. Возникает проблема: каково же в действительности строение молекулы глюкозы? Подобный подход может быть использован при выяснении строения молекулы бензола и некоторых других органических веществ.
Мысленный эксперимент может быть связан с моделированием строения неизвестного вещества и предсказанием его свойств. Например, зная пространственное и электронное строение предельных (метана) и этиленовых (этилена) углеводородов, учащиеся могут сделать предположение о пространственном и электронном строении молекулы ацетилена, построить ее модель. Для создания такой модели у них имеются опорные знания: они знают, как образуются о- и л-связи. Хотя здесь есть элементы аналогии, однако новым для учащихся является линейное расположение о-связей, взаимно перпендикулярное положение л-связей. Вторая задача — предсказание свойств вещества — решается учащимися быстро и правильно.
Сочетание химического и мысленного эксперимента дает большой педагогический эффект: прочные и глубокие знания, развитие творческой самостоятельности учащихся, формирование экспериментальных умений и навыков.
Современный школьный курс органической химии невозможно преподавать без моделей. Модели позволяют глубже проникнуть в объективную действительность (в этом отношении модель в учебном процессе не отличается от модели в научном исследовании). Вместе с тем учащиеся должны понимать, что модели упрощают объект; так как в них отражаются лишь определенные существенные стороны объекта; вместе с тем модели отражают современное знание об объекте, они не отходят от истины, а приближаются к ней.
Модели позволяют создать теории, но модель нельзя отождествлять с теорией; модель, в отличие от теории, не может раскрывать содержание объекта познания в форме понятий. Модель 36


сама нуждается в теоретическом истолковании. Модель выступает как средство построения теории.
Возникновение той или иной модели связано с процессом познания материи, уровнем развития науки. Теория химического строения дала толчок развитию органической химии, а следовательно, к использованию экспериментально подтверждаемых структурных формул.
На основе экспериментальных данных химики, исследуя неизвестное вещество, строили гипотетическую структурную модель молекулы, которая может видоизменяться в соответствии с новыми фактами. Модель в этом случае выступает в форме гипотезы. Гипотеза приобретает характер достоверного знания, когда удается синтезировать вещество или доказать другим методом.
Как утверждает Ю. А. Жданов, существование модели еще не дает гарантии утверждать, что ей будет соответствовать какое- либо вещество. Вещество состава С2Н4О может быть выражено в виде следующих структурных моделей:
СНз—СН; Н2С—СНо; СН2=СН
11 V ' 1
о ° он
Однако лишь первые две модели отражают действительное строение веществ указанного состава.
Тетраэдрическая модель атома углерода возникла из необходимости объяснить многообразие оптических изомеров. Эта модель, подтвержденная позднее физическими методами, послужила основой для пространственного моделирования с использованием шариков и проволочек (модели Кекуле — Вант-Гоффа). Такие модели имели тот недостаток, что они могли ввести в заблуждение относительно заполнения пространства внутри молекулы, так как на самом деле атомы в молекуле находятся на очень близком расстоянии.
Развитие электронной теории позволило дополнить модельные представления. В 1934 г. Г. А. Стюарт разработал объемные (полусферические) модели, позднее усовершенствованные Г. Бриг- лебом. Эти модели правильно передают форму и размер атомов, межатомные радиусы, валентные углы.
На основе элекронной теории появились динамические модели, раскрывающие внутреннее движение атомов, их взаимное влияние, например:
С1 —снэ*-с—о*-н
2 II о
Формирование понятий о моделях начинается при изучении метана, и поэтому весьма целесообразно уже на первоначальном этапе приучить учащихся к изготовлению простейших моделей, например модели молекулы метана. При этом они получают 37


представления о тетраэдрическом строении атома углерода, о валентных углах и пространственном направлении связей, об образовании связей перекрыванием электронных облаков и др.
При изучении строения метана учащиеся впервые знакомятся с различными типами моделей. Этому вопросу следует придать большое значение, так как моделированием простейшего вещества — метана закладываются основы правильного понимания пространственного и электронного строения более сложных органических соединений. От того, насколько правильно учащиеся поймут модели на примере изучения метана, зависит усвоение вопроса о строении и свойствах предельных углеводородов и других соединений. Рассмотрение моделей метана проводится в два приема: на первом этапе учитель рассказывает о назначении моделей и демонстрирует построение модели; на втором — учащиеся сами строят шаростержневую и объемную (масштабную) модели.
Успех работы учащихся зависит от правильных установок учителя по собиранию моделей. Содержание и последовательность изложения учителем данного вопроса может быть следующим:
1. 	Значение моделей для науки.
2. 	Типы моделей.
3. 	Объяснение элементов шаростержневой модели: условное обозначение шариков, стержней, тетраэдричность атома углерода, направление валентных связей, валентный угол.
4. 	Объяснение элементов масштабной модели: условное обозначение атомов, их сплющенность (перекрывание электронных облаков) .
5. 	Сравнение типов моделей.
6. 	Квантовомеханическая модель (модель, в которой отражены форма и направление электронных облаков).
После рассказа и демонстрации учителя учащиеся сами изготовляют шаростержневую и масштабную модели. При этом они делают соответствующие записи и зарисовки (первый этап моделирования).
Второй этап в моделировании — изучение учащимися гомологов метана. На этом этапе они должны получить практический навык в изготовлении моделей углеводородов, их различных пространственных форм. По моделированию гомологов метана проводится лабораторная работа. Учащиеся получают вначале задание на построение моделей этана, пропана, изомеров бутана, пентана. Одновременно рассматриваются модели различных пространственных форм. При этом учащиеся убеждаются в том, что с увеличение м числа связей С—С увеличивается количество пространственных форм для одного и того же вещества.
В процессе моделирования отдельные учащиеся допускают ошибки, не соблюдая валентный угол, тетраэдричность атома углерода. На эти вопросы следует обратить особое внимание.
Третий этап моделирования связан с изучением непредельных углеводородов, цис-транс-изомерии. Опыт показывает, что удачным «модельным» переходом является переход от шаростержневой моде38


ли этана к шаростержневой модели этилена («удаление» двух атомов водорода). После объяснения учителем на моделях «образования» л-связи, показа масштабной модели этилена, рассмотрения на шаростержневой модели цис-транс-изомеров учащимся предлагается «построить» модель молекулы этилена (для изображения плоскости о-связей учащимся дан небольшой лист картона с прорезью в центре, а для «образования» л-связи — восьмерки из картона или проволоки), модели цис-транс-изомеров для дихлорэтилена.
При моделировании важно проследить за тем, чтобы учащиеся могли отразить на бумаге графическое строение предельных и непредельных углеводородов.
Приобретенные практические умения по моделированию молекул предельных и этиленовых углеводородов помогут учащимся более осознанно понимать последующий материал органической химии. Чтобы учащиеся не забывали приобретенные знания по моделированию, им следует давать время от времени упражнения (в процессе изложения нового материала, закрепления, повторения). Например, при изучении спиртов учащимся можно дать задание собрать шаростержневую и масштабную модели молекулы этанола, молекулы бутанола-1 (удлинение углеродной цепи важно для того, чтобы вспомнить ее зигзагообразное строение).
В зависимости от оснащенности кабинета, наличия наборов моделей целесообразно предложить учащимся изготовить модели молекул глюкозы (особенно а- и р-форм), фрагментов макромолекул стереорегулярного каучука и т. д.
Опыт показывает, что объяснение тех или иных моделей должно сопровождаться графическими рисунками учителя. В процессе зарисовки учащиеся лучше понимают материал. В том случае когда графическое изображение отдельных моделей вызывает большие трудности (например, изображение перекрывания р-облаков при образовании л-связей для молекулы ацетилена или л-электронной системы для бензола), следует прибегать к готовым таблицам.
Большую помощь при объяснении химических связей в органических веществах могут оказать динамические модели, предложенные Л. К. Шириной и В. С. Полосиным. Для демонстрации валентных состояний атома углерода удачными оказались надувные резиновые шары, предложенные Е. Е. Миллиареси и Б. В. Ерофеевым. И. М. Гапоненко [8] предложил модели для изучения глюкозы, Г. В. Коломиец разработал технику изготовления моделей молекул из пустотелых шаров. -
Как показал В. Я. Вивюрский, классную работу по моделированию необходимо сочетать с большим числом домашних заданий, способствующих лучшему усвоению электронного и пространственного строения органических веществ. Им разработана система домашних заданий по моделированию, которая включает задания на формирование понятий, на нахождение ошибок, задания с выбором ответа.
Таким образом, при систематическом использовании моделей в процессе преподавания химии необходимо:
39


а) 	сочетать различные типы моделей: плоскостные, объемные, шаростержневые, динамические, квантовомеханические. Их сочетание зависит от содержания излагаемого материала. Например, при выяснении строения молекулы метана необходимо применять объемные, шаростержневые и квантовомеханические модели, а при изучении строения молекулы этилена, кроме перечисленных, добавляются еще плоскостные и динамические модели. При объяснении различных пространственных форм предельных углеводородов и цис-транс-изомерии наиболее наглядными будут шаростержневые ‘ модели, так как у них «просматриваются» (можно измерите) валентные углы;
б) 	демонстрацию моделей сочетать с самостоятельной работой учащихся по моделированию;
в) 	демонстрацию моделей сочетать с использованием таблиц, рисунков.
В систематическом использовании моделей (их демонстрации) необходимо обратить большое внимание на размерность деталей. Исследования Ю. А. Колударова показывают, что применение мелких моделей, не просматривающихся всеми учащимися, не приносит педагогического эффекта. В связи с этим им разработаны оптимальные габариты моделей: диаметр шариков, имитирующих атомы углерода,— 36 мм; диаметр шариков, имитирующих атомы водорода,— 23,4 мм; длина стержней, отражающих длину связи,— 30,8 мм (все размеры взяты в 20-кратном увеличении).
Наблюдается, что учителя используют детали моделей произвольных цветов, не соответствующих общепринятым стандартам. Ниже приводятся рекомендованные цвета «атомов», которые необходимо использовать в процессе преподавания органической химии: углерод — черный, водород — белый, кислород — красный, хлор — зеленый, азот — голубой (синий), сера — желтый.
Кроме химического эксперимента и моделирования, для изучения строения соединений в школьной практике применяются таблицы, кинофрагменты, диапозитивы, диафильмы и транспаранты. Как показывает опыт, весьма целесообразно на уроках сочетать различные пособия, если они дополняют друг друга, если один и тот же объект раскрывается с различной полнотой, если, наконец, одно пособие дает объект в статике, а другое — в динамике. Например, таблицы, диапозитивы и диафильмы позволяют рассмотреть строение молекул вещества преимущественно в статике, что имеет значение для фиксирования внимания учащихся. Кинофрагменты и транспаранты, проецируемые на экран с помощью графопроектора (кодоскопа), дают возможность раскрыть строение в динамике.
Последовательность использования различных пособий для объяснения строения молекулы вещества может быть такой: вначале модели, затем пособия, раскрывающие динамику, и, наконец, пособия, дающие цельный «образ» в статике. В зависимости от учебного материала и материальной базы школы возможны отклонения от предложенной последовательности использования различных пособий. Например, после демонстрации моделей можно прибегнуть к 40


таблицам, или к диапозитивам, или к диафильмам. Важно, чтобы учитель располагал самыми необходимыми пособиями и дидактически верно вводил их в объяснение.
В школьном курсе органической химии наиболее оснащен пособиями раздел «Углеводороды». Для раскрытия строения молекул метана, этилена, ацетилена и бензола имеются (кроме моделей) следующие пособия: таблицы, кинофрагмент «Строение молекулы бензола», транспаранты: «Электронно-пространственное строение молекулы метана», «Схема образования о- и л-связей в молекуле этилена», «Электронное строение молекулы ацетилена», диафильм «Строение и свойства органических веществ» и др.
Для изучения кислород- и азотсодержащих соединений число наглядных средств меньше, так как основное внимание в этих разделах уделяется химическому строению и химическим свойствам веществ.
На уроках учитель использует таблицы с изображениями моделей строения молекул спирта, альдегида, карбоновой кислоты, водородной связи (спирты, кислоты, белки и др.). Определенную помощь могут оказать фильмы, диафильмы (например, «Строение и свойства органических веществ»).
Для раскрытия стереорегулярной структуры соединений, строения белков и нуклеиновых кислот целесообразно использовать не только таблицы (стереорегулярная структура полипропилена, химическое и пространственное строение белков, строение пуриновых и пиримидиновых оснований, нуклеотидов, полинуклеотидов и др.), но и кинофрагменты «Полипропилен», «Первичная, вторичная и третичная структуры белков». Для объяснения темы «Строение углеводов» желательно иметь в химическом кабинете таблицы: а- и 0-формы глюкозы, динамическая равновесная система трех форм глюкозы (альдегидной, а- и 0-форм), строение молекулы сахарозы, макромолекул крахмала и целлюлозы.
Для объяснения вопросов взаимного влияния атомов, распределения электронной плотности в молекулах желательно иметь динамические пособия.


Глава |у
ФОРМИРОВАНИЕ ПОНЯТИЙ ТЕОРИИ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ
§ 8. 	ПОИСКИ УЧИТЕЛЕЙ И МЕТОДИСТОВ
Теория химического строения, решающая роль в создании которой принадлежит А. М. Бутлерову, отражена в школьном курсе органической химии в виде нескольких ее основных положений и понятий (изомерия, функциональная группа и т. д.).
В разработку методики изучения теории химического строения определенный вклад внесли учителя и методисты. Г. И. Шелинский предложил обратить больше внимания на доказательство строения вещества, зависимость свойств от строения молекул.
Е. Ф. Мишина обратила внимание на использование опорных знаний при изучении теории химического строения (ковалентная связь, структурные формулы), на более раннее рассмотрение вопроса взаимного влияния атомов (при изучении основных положений теории химического строения), на систематическое изучение изомерии; исследовала возможности изучения теории А. М. Бутлерова с использованием эвристической беседы.
3. 	Ф. Голикова и М. А. Ярушина предложили методику ознакомления с некоторыми положениями теории химического строения в курсе неорганической химии, исходя из мысли, что теория А. М. Бутлерова является общей для неорганической и органической химии.
А. В. Владыкина исследовала на примере кислородсодержащих соединений методику раскрытия зависимости свойств от строения. А. В. Владыкина и Д. П. Ерыгин считают, что в процессе изучения органической химии следует уделять больше внимания вопросам рассмотрения строения функциональных групп и свойств, обусловленных той или иной функциональной группой. Все это, по их мнению, позволит изжить механическое заучивание свойств веществ.
В плане более глубокого изучения химического строения веществ — структурных формул высказался И. М. Гапоненко. Он отмечает, что недостаточное знание стр\ктурных формул снижает общий уровень подготовки учащихся по органической химии. Поэтому И. М. Гапоненко считает полезным увеличить число упражнений, особенно по изомерии, чаще проводить сравнение структурных формул с моделями молекул изучаемых веществ.
В практике преподавания химии наблюдается тенденция к усилению дедуктивного подхода при изучении классов органических соединений. В. П. Гаркунов считает возможным изучать не отдельные спирты, например этиловый, а давать общий обзор одноатомных 42


спиртов. Р. Д. Бережная пришла к выводу о целесообразности .изучать тему «Углеводороды» дедуктивно. Она предлагает начать изучение предельных углеводородов с выяснения общего понятия «гомологический ряд», затем физических свойств, структурных формул (с прямой углеродной цепью). Когда ученики научатся писать формулы, можно перейти к рассмотрению изомерии. После усвоения фактического материала следует обратиться к электронному и пространственному строению. По утверждению Р. Д. Бережной, такая последовательность изучения предельных углеводородов позволяет обеспечить знание фактического материала. В таком же плане изучаются другие углеводороды.
Р. П. Лапина рекомендует изучать теорию химического строения более углубленно, в виде десяти кратких положений, в каждом из которых одно понятие. Этим самым, полагает она, будет сделан акцент на основные понятия теории. Р. П. Лапина считает, что электронную природу химической связи и стереохимические вопросы возможно изучать после того, как выяснен порядок соединения атомов в молекуле.
С. Н. Дроздов внес предложения по улучшению методики изучения гомологов и изомеров.
Многое сделано учителями и методистами по созданию и методике использования на уроках моделей, позволяющих лучше усвоить химическое строение соединений (И. М. Гапоненко, Ф. Д. Смирнов, Б. П. Пуронас и др.); по совершенствованию химического эксперимента, иллюстрирующего строение и свойства органических соединений (В. Н. Алексинский, Ю. А. Колударов, Н. 3. Цлаф и др.).
Высказывания методистов по совершенствованию методики изучения теории химического строения в той или иной степени использованы нами в этой работе.
§ 9. 	СВЯЗЬ ПОНЯТИЙ ТЕОРИИ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ
Основой теории А. М. Бутлерова является понятие «химическое строение», под которым он подразумевал «...порядок химической связи, существующей между атомами в частице» [3, с. 415]. А. М. Бутлеров считал, что химическим строением веществ не выражается расположение атомов в пространстве, а скорее определяется существующая между ними «зависимость движения», или динамическая зависимость. Химическое строение всегда являлось отправным пунктом в исследовании строения вещества. Можно сказать, что данное понятие центральное, что все остальные понятия теории химического строения являются производными.
Знание химического строения позволяет сделать логический переход к другим понятиям и положениям теории А. М. Бутлерова. Так, химическое строение обусловливает химические свойства соединений. В этом основная идея теории. Установление данной зависимости- позволило доказать возможность познания строения вещества химическими методами, вскрыть внутренние причины, опре43


деляющие свойства соединений. Из химических методов А. М. Бутлеров большое значение придавал синтезам.
Исходя из положения о зависимости свойств молекул от их состава и химического строения, А. М. Бутлерову удалось объяснить явление структурной изомерии. Тем самым появилась возможность предсказывать и синтезировать новые органические соединения, объяснять многообразие веществ. Выяснение причины изменения свойств в молекулах изомеров подводит к вопросу о влиянии атомов друг на друга в зависимости от химического строения молекул. г
Понятие химического строения позволило А. М. Бутлерову высказать мысль о том, что каждому веществу отвечает одна химическая формула, которая выражает все его химические свойства. Формула, таким образом, отражает строение реально существующих молекул вещества. Этим было опровергнуто ранее существовавшее мнение, согласно которому одному и тому же веществу приписывалось несколько формул в зависимости от его химических свойств.
Рассмотрение структурной изомерии привело к фактам, противоречившим теории химического строения: обнаружены вещества с одинаковым химическим строением, но с разными свойствами. Так, структурная изомерия способствовала открытию пространственной изомерии.
Понятия химического строения, изомерии позволили дать объяснение явлению гомологии. Хотя это понятие появилось задолго до теории химического строения и формулировалось на основании зависимости свойств от состава (определение Жерара), раскрытие оно получило лишь после выяснения понятия химического строения, в частности изомерии. Зная порядок соединения атомов в молекулах, можно было судить о сходстве в строении гомологов, выяснить сущность понятий «гомологическая разность», «гомологический ряд».
Таким образом, основные положения и понятия теории химического строения образуют стройную логическую систему, где компоненты теории взаимосвязаны.
При ознакомлении учащихся с теорией А. М. Бутлерова необходимо обратить большое внимание на исходное понятие — «химическое строение» и на важнейшее следствие из него — «зависимость свойств от химического строения».
Следует указать учащимся, что А. М. Бутлеров рассматривал химическое строение соединений в динамике. При этом он различал несколько видов движения: 1) непрерывные внутренние перемещения атомов в молекуле около некоторых состояний равновесия; 2) взаимное влияние всех атомов в молекуле. Интересно отметить, что движение, изменение в строении молекул веществ А. М. Бутлеров связывал с изменением химической энергии.
А. М. Бутлеров считал, что понятие «химическое строение» имеет определенные границы применимости. «...Я утверждаю, что понятие о химическом строении может быть прилагаемо всюду 44


там, где прилагается строго понятие об определении химической частицы [молекулы.— И. V.) вещества. Вместе с последним оно возникает, вместе с ним и падает. Распространять понятие о химическом строении на все вещества без исключения невозможно, точно так же как невозможно распространить на них и понятие о химической частице» [1, с. 385].
Значение теории химического строения можно свести к следующему:
теория позволила с помощью химических методов установить порядок соединения (связи) атомов в молекулах, этим самым была доказана возможность познания строения вещества;
она дала возможность предвидеть свойства органических соединений, синтезировать новые вещества, придерживаясь плана. О ее прогнозирующем значении указывал А. М. Бутлеров: «Принцип химического строения... может служить в настоящее время лучшим руководителем при исследовании вопросов, относящихся к изомерии. Основываясь на нем, можно предвидеть такие явления, которые не могли быть ни объяснены, ни предсказаны при помощи прежних воззрений» [1, с. 199];
с помощью теории химического строения удалось научно объяснить накопившиеся факты в органической химии (изомерия, гомология и др.);
она позволила также установить зависимость химических свойств от строения и взаимного влияния атомов в молекулах, выявила в той или иной степени реакционную способность веществ, направление реакций;
теория дала возможность объяснить многообразие органических веществ;
она внесла новые элементы в атомно-молекулярное учение: порядок расположения атомов в молекулах, взаимное влияние атомов. В результате атомно-молекулярное учение получило свое дальнейшее развитие, что имело большое значение для химии;
теория дала мощный толчок синтезу органических соединений.
Следует сказать учащимся, что А. М. Бутлеров считал, что теория химического строения не имеет абсолютного характера, что в ее развитии накапливаются факты, которые не укладываются в рамках теории. Он писал, что теория химического строения не исчезнет, а войдет в измененном виде в круг «более широких воззрений». Действительно, теория химического строения, сохраняя свою принципиальную основу, явилась фундаментом современных теоретических воззрений органической химии. Некоторые методологические вопросы теории химического строения рассмотрены В. М. Потаповым [18].
Отметим лишь некоторые аспекты мировоззренческого значения теории химического строения для диалектико-материалистического воспитания учащихся.
По своему содержанию теория химического строения, создателем которой является А. М. Бутлеров,— материалистическая. В ней утверждается материальность мира и возможность его познания.
45


Это проявляется в признании реально существующих атомов и молекул, в возможности познания их строения (химического и пространственного) и свойств. Химическая формула, следовательно, отражает реально существующую молекулу, связь атомов. '
Изучение теории химического строения подводит учащихся к выводу о непрерывном движении материи как проявлении ее основного свойства. Неудивительно, что химическое строение А. М. Бутлеров формулирует как «определенную зависимость движения атомов составных частей» [3, с. 413]. В подтверждение можно привести * явления взаимного влияния атомов в молекулах, динамическое рав^ новесие между изомерами, различные химические превращения.
Теория химического строения убеждает в том, что на появление нового качества влияют не только количественные изменения, но и химическое строение (изомерия).
Теория химического строения учит школьников находить причинно-следственные связи. Зная причину (строение), можно вывести следствие (химические свойства). Фактически А. М. Бутлеров обосновал объективную связь: состав—строение — свойства, что позволяет теории химического строения выполнять не только объясняющую, но и прогностическую функцию (функцию предсказания).
Изучение теории химического строения убеждает учащихся в том, что она связана с практикой, что, руководствуясь теорией, можно осуществить важные для народного хозяйства синтезы, т. е. теория проверяется практикой. А. М. Бутлеров активно выступал против попыток оторвать теорию от практики, а также против тех, кто отрицал значение теории; он был против слепого верования в научные теории, которое приводит к непризнанию новых истин. А. М. Бутлеров считал, что теория химического строения, как любая теория, находится в развитии.
Изучение теории химического строения убеждает в том, что развитие науки происходит путем преодоления противоречий. Так, теория химического строения пришла на смену теории радикалов и теории типов, вобрав в себя то рациональное, что было в предшествующих теориях.
В заключение отметим, что создание теории химического строения, как считает Ю. А. Жданов, является не только поворотным пунктом в развитии органической химии, но она, эта теория, знаменует собой новый этап процесса познания: если ранее движение мысли шло от чувственно-конкретного к абстрактному, то теперь оно приобрело в целом противоположное направление, т. е. с возникновением теории химического строения центр тяжести в методе познания переместился на дедукцию. Этот вывод имеет значение для методики преподавания органической химии.
§ 10. 	ФОРМИРОВАНИЕ ПОНЯТИЙ ИЗОМЕРИИ И ГОМОЛОГИИ
При изучении теории химического строения больше всего ошибок у учащихся появляется по вопросам изомерии и гомологии. В методической литературе [9, 10, 23] указывается на типичные ошибки.
46


Учащиеся путают понятия «гомолог» и «изомер»; переносят существенные признаки одного понятия на другое; приводят общую формулу, например С„Н2л, и не учитывают строение углеводородов; считают, что общей формуле, например СлН2л + 2> соответствует лишь один, гомологический ряд — ряд метана, а любой молекулярной формуле — только одно вещество, например формуле СбНб отвечает бензол, при этом учащиеся не учитывают того, что этой формуле могут соответствовать вещества различного строения.
В определении гомологов они руководствуются лишь одним признаком — составом (изменение состава на СЬЬ-группу), а в определении изомеров учитывают три признака — состав, строение и свойства. Слабым местом в знаниях учащихся является вопрос изомерии между различными группами и классами соединений.
Причина этих ошибок заключается в том, что в процессе преподавания мало внимания уделяется развитию понятия «химическое строение»: недостаточно отрабатывается материал о структурных формулах, функциональных группах изучаемых классов органических соединений, учащиеся мало практикуются в изготовлении моделей различных соединений, несистематически выполняют упражнения по изомерии, гомологии, генетической связи, имеющиеся в достаточном количестве в учебнике органической химии.
Следует иметь в виду еще и то, что учащиеся при изучении неорганической химии приучены в значительной мере к молекулярным формулам, к изучению зависимости свойств веществ от их количественного и качественного состава.
Как же формировать понятия «гомолог» и «изомер»?
Школьный курс органической химии [22] построен таким образом, что вначале учащиеся знакомятся с изомерией, затем — с гомологией. Такая последовательность вполне закономерна по следующим причинам:
теория химического строения получила свое подтверждение и развитие на явлении изомерии. Получение А. М. Бутлеровым предсказанных им изомеров явилось доказательством жизненности теории строения;
гомологию возможно рассматривать лишь после того, как учащиеся уже знакомы со строением и свойствами предельных углеводородов, т. е. когда будут накоплены некоторые сведения, позволяющие им убедиться в сходстве веществ по строению и свойствам.
В преподавании органической химии важно не противопоставлять понятия «гомолрг» и «изомер» в процессе их формирования, а рассматривать эти понятия в единстве, как различные стороны химического строения вещества.
Область опорных понятий явления изомерии включает знания о молекулярных формулах (качественном и количественном составе веществ), аллотропии (для аналогии с изомерией), химическом строении.
Формирование понятия изомерии слагается из трех этапов: первый включает выделение существенных признаков понятия и его определение; второй связан с выявлением связи между изоме47


рами и гомологами; третий включает различные формы проявления существенных признаков изомерии при изучении последующих классов органических веществ, а также изомерию между веществами различных классов.
Первый и второй этапы рассматриваются на примере предельных углеводородов. Отмечается значение изомерии в становлении и развитии теории химического строения, указываются существенные признаки структурной изомерии, устанавливаются логические связи между ними. В общем виде связь существенных признаков изомерии может быть выражена схемой: состав-^химическое строение-^свойства.
Однако признаки здесь даны в обобщенном виде, что не позволит в дальнейшем отличить явления изомерии от гомологии (для гомологии действительна такая же схема, как и для изомерии). Поэтому существенные признаки изомерии можно дать в такой последовательности:
одинаковый качественный состав-^одинаковый количественный состав-+различное химическое строение^различные свойства. На первый взгляд возникает сомнение, нужно ли расшифровывать понятие состав. Нельзя ли вообще обойтись без него, так как для изомерии главная зависимость проявляется в признаках: различное химическое строение — различные свойства? Однако состав необходимо указывать для того, чтобы увидеть разницу между изомерами и гомологами по этому важному признаку. Поэтому существенными признаками причинного характера понятия изомерии являются одинаковый количественный состав, различное химическое строение и как следствие различные свойства изомеров.
Возвратимся к схеме связи существенных признаков. В ней требует уточнения вопрос о различных свойствах изомеров. Обычно в учебной и методической литературе приводятся данные о физических свойствах изомеров и не говорится о химических свойствах. В данном случае не разрешается противоречие: теория химического строения утверждает, что строение определяет прежде всего химические свойства вещества. Очевидно, при характеристике свойств изомеров следует указывать на различную их химическую активность (например, различная способность к замещению атома водорода у первичного, вторичного и третичного углеродного атома). Это положение можно рассмотреть на бутане и изобутане. При их бромировании с большей скоростью замещается водород у наименее гидрогенизированного атома углерода, т. е. в СН-группе изобутана.
На втором этапе устанавливают связи между изомерией и гомологией. Для этого вначале указывают на существенные признаки понятия гомологии и дают ему определение. Признаки гомологии раскрывают в такой логической последовательности: одинаковый качественный состав—^различный количественный состав-^сходное ст роениесходные свойства.
Признаками причинного порядка здесь являются различный количественный состав, сходное строение, отсюда следствие — сходные свойства.
48


Сравнивая эту схему со схемой, данной для изомеров, можно отметить один повторяющийся признак — одинаковый качественный состав. Он дан с той целью, чтобы учащиеся могли заметить элемент сходства между понятиями. Кроме того, обычно у учащихся при пользовании понятиями изомерии и гомологии исчезает из поля зренй$ состав вещества.
Признак «сходные свойства» требует уточнения в приведенной выше схеме. В данном случае речь идет о сходстве химических свойств. Как быть с физическими свойствами? Известно, что изменение количественного состава (изменение на гомологическую разность) приводит к изменению физических свойств, поэтому последовательность признаков может быть такой: одинаковый качественный состав~+различный количественный состав-^различные физические свойства—^сходное химическое строение-^сходные химические свойства. Мы не касаемся вопроса зависимости физических свойств от электронного строения, так как он почти не рассматривается в курсе органической химии.
Установление существенных признаков изомерии и гомологии позволяет перейти к выяснению взаимосвязи понятий «гомолог» и «изомер». Если написать структурные формулы нескольких гомологических рядов предельных углеводородов, то вертикально будут расположены гомологи, а горизонтально — изомеры (табл. 2).
Можно заметить, что, например, 2-метилбутан
СНз—СН—СНг—СНз
I
СНз
— один из трех изомеров, имеющих состав С5Н12,— одновременно является гомологом веществ 2-метилпропана СНз—СН—СНз,
I
СНз 2-метилпентана СН3—СН—СНг—СНг—СН3, которые отличаются
СНз на гомологическую разность, но имеют сходное химическое строение.
Далее можно установить следующее: каждый изомер, имеет «свой» гомологический ряд, например изомер
СНз
СНз—С—СНз I СНз является первым членом гомологического ряда 2,2-диметилпро- пана.
В связи с этим общей формуле СлНгя+2 соответствует большое число гомологических рядов; каждый гомологический ряд имеет характерный для него тип строения, например для ряда 2-метилпро-
49


пана тип строения СН<—СН—СН2 эта часть молекулы как бы
С п.|
остается неизменной в данном ряду. Построение гомологов происходит за счет внедрения в углеродную цепь метиленовых групп.
На третьем этапе развитие понятий гомологии и изомерии продолжается на примерах структурных группировок различных классов соединений.
Последовательное развитие понятия структурной изомерии в курсе химии показано на рисунке I. Первое представление об изомерии учащиеся получают на примере предельных углеводородов, для которых характерна п-связь между атомами углерода, поэтому речь может идти об изомерии углеродного скелета (А). Далее, следуя курсу органической химии, нужно было бы перейти к изомерии циклопарафинов, т. е. от прямых и разветвленных цепей, характерных дЛя предельных углеводородов, обратиться к циклам. Этот переход оказался бы неожиданным, тем более что за циклопарафинами изучаются непредельные углеводороды, у которых снова же прямые и разветвленные цепи. Поэтому логично после изомерии углеродного скелета рассматривать изомерию непредельных углеводородов. Возможно, по этой причине, а также по причине сложности вопроса изомерия циклопарафннов не представлена в курсе органической химии
Для строения молекул этиленовых углеводородов характерно л


наличие л-связи, поэтому у них изомерия углеродного скелета дополняется изомерией положения кратной связи (Б). Этот вид изомерии далее закрепляется на ацетиленовых углеводородах.
У диеновых и ароматических углеводородов, кроме изомерии углеродного скелета, появляется изомерия взаимного положения (В): у первых это связано с различным положением кратных связей, у вторых — с различным положением замещающих групп.
На примере предельных одноатомных спиртов впервые рассматривается изомерия положения функциональных групп в сочетании с изомерией углеродного скелета (Г). При изучении других кислородсодержащих соединений — альдегидов и кислот внимание обращается на изомерию углеродного скелета (радикала).
В сложных эфирах и аминах появляется новый вид изомерии, характеризующийся различным положением в молекулах группировок атомов (Д). Например:
сн3—с с2н,—с' н—с
хо—с2н5, хо—сн3, х>—с3н7,
(СН3)3Ы, сн3—мн—с2н5, с3н^—мн2
В курсе органической химии учащихся знакомят с изомерией, наблюдающейся между различными классами органических соединений. Ознакомление с этим видом изомерии расширит представления учащихся о многообразии органических соединений. Обычно изомерия такого рода наблюдается между двумя соседними группами или классами органических соединений, например:
Олефины Цикдопарафины \с Н 7 П 2П X
Гексен-1 Циклогексан
Спирты Простые
одноатомные эфиры
/С„Н2„ + 2О\^ Этанол Диметиловый
эфир
Карбоновые Сложные
кислоты (пред.) эфиры
7 п 2п 2 X
Бутановая Этиловый эфир
кислота уксусной
кислоты
Ацетилены Диены
СпН2л-2^^ Бутин-1 Бутадиен-1,3
Альдегиды Кетоны
7 П 2П X
Пропаналь Диметилкетон
Аминокислоты Нитросоединения
Аминоуксусная Нитроэтан
кислота
52


Из этого краткого анализа следует, что в курсе органической химии имеется материал, который играет основную роль в процессе формирования понятия изомерии. Это предельные углеводороды (изомерия углеродного скелета), этиленовые углеводороды (изомерия положения кратной связи) и спирты (изомерия положения функции). Усвоение этих видов изомерии при изучении указанных соединений обеспечивает понимание других видов изомерии.
Сведения, получаемые учащимися о видах структурной изо- _ мерии, обобщаются в конце курса органической химии.
Первоначальные сведения о гомологии в курсе органической химии даются индуктивно: вначале изучаются один-два наиболее типичных и важных гомолога (состав, строение, физические свойства), а затем — гомологический ряд. Этот принцип соблюдается при рассмотрении предельных, непредельных (этиленовых, ацетиленовых) и ароматических углеводородов и спиртов. Начиная с альдегидов и карбоновых кислот, вводится дедуктивный принцип изучения гомологии, который сохраняется для всех последующих классов соединений. В данном случае изучение гомологических рядов происходит без предварительного накопления сведений об отдельных гомологах; необходимые сведения о них даются после изучения гомологического ряда.
В процессе формирования понятия гомологии важное значение для методики имеют вопросы отбора гомологов, проблема начального члена гомологического ряда [23].
В основе методики изучения явления гомологии лежат такие логические приемы, как аналогия, анализ, синтез и обобщение.
Изучив сущность понятия гомологии на примере предельных углеводородов, учащиеся способны составить по аналогии формулы веществ, принадлежащих к гомологическим рядам других классов органических соединений. При этом они опираются на количественный признак понятия — гомологическую разность как постоянную величину — и на качественный признак — сходство в химическом, электронном и пространственном строении.
Аналогия позволяет на небольшом числе гомологов дать представление о гомологическом ряде. На эту особенность гомологии обратил внимание Д. И. Менделеев. «Дать описание одного члена гомологического ряда, описать производные от него соединения — значит дать общий очерк для множества гомологов и их производных, дать систему для огромного ряда тел» [13, с. 118].
Установление различий в количественном составе вещества, сходства в строении и свойствах (анализ) подводит учащихся к пониманию гомологического ряда (синтез). Обнаружение связей между отдельными гомологическими рядами, например, предельных углеводородов позволяет вывести общую формулу для всей группы предельных углеводородов.
На основе понятия гомологии возможны широкие обобщения знаний об отдельных классах органических соединений, а также сравнения^классов соединений по различным признакам (состав, строение, свойства).
53


Эти логические приемы позволяют раскрыть то общее, что свойственно явлению гомологии, отдельным гомологическим рядам, т. е. раскрыть связь особенного и общего. Эта связь дает возможность рассмотреть закономерности изменения свойств в гомологических рядах.
Для методики важна не только эта связь, т. е. особенного и общего, но и связь единичного и особенного. Выявление особенностей наиболее важных гомологов (в теоретическом и практическом планах) тех или иных рядов позволит глубже рассмотреть строение вещества, зависимость свойств от строения.
Изучение понятия гомологии на классах органических соединений (по мере их усложнения) дает возможность решить основной вопрос содержания обучения органической химии — вопрос зависимости свойств от строения. В связи с этим при изучении гомологических рядов особенно велико значение той части молекулы вещества, которая обусловливает основные, характерные свойства, т. е. функциональной группы. В широком смысле функциональную группу можно рассматривать как реакционный центр молекулы. В этом плане кратные связи можно считать такой же функциональной группой, как спиртовая, альдегидная и т. д. Функциональная группа как важная часть целого — молекулы находится в тесной взаимосвязи с другой частью молекулы — радикалом. Эти части молекулы влияют друг на друга и составляют противоречивое единство. Их единство абсолютно, а противоречивость относительна: функциональная группа более изменяющаяся часть, чем радикал.
Явление гомологии позволяет понять закон перехода количественных изменений в качественные. На это обратил внимание К. Маркс, он писал: «...как и в естествознании, подтверждается правильность того закона, что ... чисто количественные изменения на известной ступени переходят в качественные различия. Принятая в современной химии молекулярная теория ... основывается именно на этом законе» (Маркс К. Капитал // Маркс К., Энгельс Ф. Соч.— 2-е изд.— Т. 23.— С. 318.)
Рассмотрение вопроса гомологии не только дает возможность выявить определенные закономерности зависимости свойств от строения, но и позволяет раскрыть такие важные понятия, как «генетическая связь», «многообразие органических соединений».
Изучение гомологических рядов создает картину многообразия органических веществ, обусловленную составом и строением вещества (химическим, электронным, пространственным). Целена правленное внимание на причины и формы проявления многооб разия соединений - важнейшая задача в процессе преподавания.
Многообразие соединений в какой-то мере можно обнаружить уже в курсе неорганической химии: кислородные и водородные соединения одного и того же элемента (например, оксиды углерода, азота; вода и пероксид водорода), явление аллотропии, изотопы. При этом учащиеся могут убедиться, что в органической химии многообразие соединений намного богаче, чрм в неоргани ческой химии


В результате изучения явления гомологии учащиеся должны усвоить следующее: а) гомология является принципом классификации и систематизации органических соединений; б) гомологию следует рассматривать, отмечает Ю. А. Жданов, как общее свойство органических соединений, как закономерность, объективную связь, пронизывающую многообразный конкретный материал; в) гомология является важнейшей формой развития, усложнения соединений углерода; г) гомология имеет значение для прогнозирования неизвестных веществ; д) на примере гомологии можно проследить переход количественных изменений в качественные, единство противоположностей.
Ю. А. Жданов отмечает, что отличительной особенностью химического мышления является способность оперировать свойствами соединений гомологического ряда или целым классом соединений. Этого необходимо добиваться при обучении учащихся.
При формировании понятий изомерии и гомологии необходимо обратить внимание на логические связи между ними. Для этого надо широко и систематически использовать упражнения, модели, таб л и цы.
Учащимся необходимо предлагать не только вопросы, устанавливающие понимание существенных признаков, но и тесты, например:
отберите признаки, которые характеризуют структурные изомеры, и расположите их в логической последовательности:
1. 	Вещества имеют одинаковое химическое строение.
2. 	Вещества имеют сходное химическое строение.
3. 	Вещества различаются химическим строением.
4. 	Вещества имеют одинаковый количественный состав
5. 	Вещества отличаются количественным составом.
6. 	Вещества сходны по физическим свойствам.
7. 	Вещества отличаются по физическим свойствам.
8. 	Вещества сходны по химическим свойствам.
9. 	Вещества отличаются по химическим свойствам.
Отберите признаки, которые характеризуют гомологи, и расположите их в логической последовательности:
1. 	Вещества имеют одинаковый количественный состав
2. 	Вещества отличаются количественным составом.
3. 	Вещества сходны по химическим свойствам.
4. 	Вещества имеют одинаковые химические свойства
5. 	Вещества не отличаются по физическим свойствам
6. 	Вещества отличаются по физическим свойствам.
7. 	Вещества сходны по химическому строению.
8. 	Вещества имеют одинаковое химическое строение.
В эти тесты включены признаки различных понятий. Например, в тест, где нужно отобрать признаки, характеризующие понятие «гомолог», включены признаки понятия «изомер». Подобные зада ния позволяют учащимся разграничивать понятия, особенно такие которые можно подвести под родовое понятие например «Хими ческое строение».


§ 11. МЕТОДИКА ФОРМИРОВАНИЯ ПОНЯТИЙ ТЕОРИИ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ
Система упражнений. В формировании понятий теории химического строения важное место отводится системе упражнений. Дидактическая особенность ее заключается в построении по принципу: от простого к сложному. По содержанию упражнения должны иметь преимущественно продуктивный характер.
При ознакомлении с теорией химического строения учащимся предлагаются упражнения, в которых они должны указать отличий в способе написания формул. Например, отличаются ли между собой схемы формул:
Найдите вещества одинакового строения среди тех, формулы которых указаны ниже:
н н н н
1) 	зС^СН—СН3 ; 2) Н—с—С—С—(^—Н ;
нзс 1111
н н н
н—с—н
I н сн3
3) СН2—СН2 ; 4) СН3—СН2—СН—СН3 ;
сн3 сн3
Г
5) 	Н—С—СН3 ; 6) СН3—СН2—СН2—СН3
сн3
Затем, при изучении предельных углеводородов, даются упражнения на написание изомеров и гомологов по формуле. Например, напишите для вещества, формула которого СНз—СН—СН2—СНз, один изомер и один гомолог. Учащиеся
СНз
могут написать формулу гомолога с меньшим или большим числом 56


атомов углерода по сравнению с заданным соединением. Далее можно предложить учащимся написать для данного вещества два изомера и два гомолога.
Для лучшего уяснения понятий «гомолог» и «изомер» учащимся предлагают задание такого типа: расположите в определенной логической последовательности существенные признаки изомеров; то же сделайте и для гомологов.
В процессе отработки понятия «изомер» необходимо использовать’ упражнение типа: напишите структурные формулы всех изомерных гексанов, а также упражнения, для выполнения которых целесообразно использовать модели. В этом плане интересно задание: приготовьте дома модели молекул дифтордихлорметана. Решите при помощи моделирования, одно или два вещества представлены следующими формулами:
Г । С1—С—С1 ; С1—С—Р
Подобные упражнения с использованием моделей следует широко применять в процессе преподавания.
Для отработки с учащимися понятий «изомер» и «гомолог» целесообразно использовать таблицу 2. При работе с ней можно дать такие упражнения:
1. 	Может ли изомер строения СН3—СН—СН2—СН2—СН3 быть одновременно
СН3 гомологом?
2. 	Какой изомер, отвечающий составу С4Н10, является начальным членом гомологического ряда?
3. 	К каким гомологическим рядам принадлежат следующие вещества: пропан, 2-метилпропан и 2,2-диметилпропан?
Закрепление понятий «гомолог» и «изомер» проводится при изучении этиленовых углеводородов, спиртов и других классов органических соединений.
Опыт показывает, что учащиеся после изучения предельных углеводородов (с использованием таблицы 2) могут самостоятельно составить несколько гомологических рядов этиленовых углеводородов и выделить для каждого ряда тип строения. Поэтому им следует дать задание составить таблицу гомологических рядов веществ общей формулы СлНгл (этиленовые углеводороды). Выполненное задание учащиеся затем сверяют с таблицей, вывешенной в классе.
Практика показывает, что для изучения понятий гомологии и изомерии достаточно иметь в классе три таблицы гомологических рядов веществ общей формулы: СлЬЬл+г, СлН2л (этиленовые углеводороды) и СлН2л + |ОН (предельные одноатомные спирты).
Когда учащиеся усвоят различный порядок записи формул 57


веществ, покажут умение применять свои знания, то объем заданий можно увеличить. Не следует стремиться к тому, чтобы в одном упражнении были представлены все функциональные группы, изучаемые в курсе органической химии. Это приводит лишь к «запутыванию» учащихся, так как такие упражнения требуют много умственных операций: классификация веществ по функциональным группам, анализ веществ одного класса, нахождение изомеров между различными классами. Желательно, чтобы в одном упражнении было не более трех классов соединений.
Приведем несколько упражнений, с помощью которых можно закрепить понятия «изомер» и «гомолог»:
I. 	Напишите для глицерина формулы двух гомологов и двух изомеров.
2. 	Напишите для стирола формулы одного гомолога и одного изомера.
3. 	Напишите формулы изомеров состава С4НнО, С4Н|0О и назовите их. Какому составу отвечает больше изомеров?
4. 	Сколько веществ представлено следующими формулами:
СН3—сн2—СН2ОН ; снз—СН—СН3 ; СН3—СН—ОН ,
ОН сн3
о снз-сн2 о
снз—сн2—СН2—Сч , СН2—С ?
хн хн
При изучении различных классов соединений обращают внимание на отработку материала о строении функциональных групп, на генетическую связь между различными классами соединений.
Познавательные проблемы при изучении вопросов теории химического строения. Теория химического строения формировалась и развивалась в рамках атомно-молекулярного учения. Учитывая, что понятия теории химического строения получили современное электронное толкование, мы приведем лишь несколько примеров таких познавательных проблем, которые решаются на теоретическом уровне атомно-молекулярного учения (табл. 3).
Методический прием составления формул изомеров. Методика, предлагаемая в школьном учебнике органической химии, рассчитана на составление небольшого числа изомеров (для С4Ню и С5Н12). Она исходит из того, что атом углерода может соединиться с различным числом других атомов углерода (с двумя, тремя, четырьмя). Путем подбора таких связей ученики составляют соответствующие формулы изомеров. Однако большие трудности возникают у них при написании формул изомеров для состава СбН|4 и выше. Другая методика (К. Ф. Скребков) составления формул изомеров заключается в постепенном уменьшении главной углеродной цепи.
Рассмотрим вывод изомеров для состава СьН|4. Записывают формулу нормального строения (дается только костяк):
С—С—С—С—С—С (1)
Для составления формул изомеров разветвленного строения уменьшают нормальную (главную) цепь углеродных атомов до пяти,
58


Таблица 3.
Некоторые познавательные проблемы при изучении теории химического строении
Появление проблемной Л9 ситуации.
11' Формулировка проблемы
Возможная гипотеза или _
ее предпосылки Решение проблемы
1 Теория химического строе* ния. Состав органических соединений С2Н6, С3Н8, С4Ню. Какова валентность углерода в них? (Обычные представления о валентности приходят в противоречие с составом соединений.) Выяснить валентность атомов углерода в органических соединениях
2 Многоатомные спирты. Отличаются ли по свойствам спирты, содержащие несколько гидроксильных групп, от спиртов, имеющих в своем составе одну гидроксильную группу? Влияние числа гидроксильных групп на свойства спирта.
Опыт взаимодействия глицерина с основаниями при- лодит к противоречию со знаниями учащихся: им известно, что одноатомные спирты при нормальных условиях не реагир)- ют с основаниями. Объяснение реакции глицерина с основанием
3 Глюкоза. Глюкоза
С6Н|2О6. Какие функции характеризуют ее строение? Экспериментальным путем установить строение молекулы глюкозы.
1) Учащиеся знают, что Написание структурных валентность должна быть формул убеждает в четы- выражена только целыми рехвалентности атома уг- числами. 2) Знания о кри- лерода. Учитель отмечает, сталлических решетках что валентность углерода (алмаза, графита и др.) постоянна во всех орга позволяют сделать пред- нических соединениях положение о возможности связи между атомами углерода
Учащиеся считают, что Учитель подтверждает на между одноатомными и опыте возможность реак- многоатомными спиртами ции глицерина или эти- имеется сходство: и те, и ленгликоля с натрием. За- другие вступают в реак- тем он ставит опыт взаи- цию с активными метал- модействия глицерина с лами, но не должны реа- нерастворимым основани- гировать с основаниями, ем
Учащиеся не в состоянии Объяснение учителя о вза выдвинуть гипотезу имном ВЛИЯНИИ ГИДр’«
ксильных групп
Учащиеся выдвигают Проверка на опытах пред-
предположения о присут- положений учащихся. До ствии групп СООН, ОН, полнительные объяснения СНО в молекуле глю- учителя о строении моле- козы кулы глюкозы (альдегид¬
ная форма).
Учитель провоДит опыт взаимодействия формалина и глюкозы с фуксин- сернистой кислотой.
Если в молекуле глюкозы имеется альдегидная группа, то почему она не реа¬
Учащиеся затрудняются Учитель дает циклическую сделать какие-либо пред- форму глюкозы. Объясня- положения ет ее строение.
гирует с фуксинсернисъ'й кислотой?
Строение молекулы глюкозы
4 Свойства аминокислот.
Какие свойства можно предположить у вещества строения МНг—СН2—
—СООН? Как действует
Учащиеся, зная свойства Учитель демонстрирует аминов и карбоновых кис- амфотерные свойства ами- лот, считают: вещество нокислоты должно проявлять как свойства кислот, так и
59


Продолжение
Мо Появление проблемной Г ситуации.
' Формулировка проблемы
Возможная гипотеза или ее предпосылки
Решение проблемы
раствор этого соединения на индикатор?
Определить свойства аминокислоты
5 Гомология, изомерия.
Можно ли считать, что общая формула СлН2л_2 характерна только для ацетиленовых углеводородов?
Установить гомологические ряды общей формулы СлН2л —2
6 Может ли гомолог быть одновременно изомером? Когда это невозможно? (на примере предельных углеводородов).
Разграничение понятий гомолог, изомер
7 Можно ли считать, что общей формуле СлН2л+2 соответствует один гомологический ряд метана? Выяснить понятие общей формулы для группы предельных углеводородов
свойства оснований (амфотерные свойства). Данное вещество не должно влиять на индикатор, так как действие аминогруппы нейтрализуется карбоксильной группой Обсуждение вопроса на конкретном примере приводит учащихся к мысли: отсутствие четырех атомов водорода в молекулах, отвечающих составу СлН2л_2, по сравнению с предельными углеводородами может быть выражено двумя двойными связями (диеновые углеводороды)
Учащиеся отмечают, что у метана, этана и пропана нет изомеров. Они затрудняются высказать предположения по первому вопросу
Учащиеся затрудняются высказать гипотезу
Учащиеся составляют гомологические ряды указанной общей формулы
Учитель предлагает таблицу, из которой видно, что гомолог может быть одновременно изомером
Учитель, пользуясь таблицей, показывает, что общей формуле соответствует множество гомологических рядов
затем четырех, недостающие атомы углерода присоединяют к главной цепи в виде боковых ответвлений. В случае пяти атомов углерода шестой атом можно присоединить к цепи так:
5 4 3 2 1
С—С—С—С—С
I с
(2)
(Эти формулы идентичны.)
(3)
Когда прямая цепь состоит из четырех атомов углерода, возможны два варианта:
60


с
С—С—С—С (4) С—С—С—С (5)
А А <1
Таким образом, у гексана 5 изомеров.
По данной методике составления формул изомеров уменьшается прямая углерод-углеродная цепь, но можно поступить по-другому: удлинять цепочку на гомологическую разность.
Допустим, мы хотим написать изомеры состава С4Н10.
В молекуле пропана имеются две симметричные одинаковые СНз-группы и одна несимметричная СНг-группа (обозначены звездочками). Усложнение молекулы путем внедрения гомологической разности можно себе представить как замену атома водорода на СНз-группу. В нашем случае возможна замена атома водорода в одной из СНз-групп (они идентичные) или в СНг-группе. Такая замена осуществляется через углеводородный радикал:
сн3—сн2—сн3—► сн3— сн2—сн2 —— сн3—сн2—сн2—сн3
I ун>
сн3—сн—сн3 —► сн3—сн—сн3
Этот способ составления формул изомеров позволяет учащимся закрепить материал об углеводородных радикалах.
Опыт показывает, что учащиеся обычно допускают ошибки в том случае, когда имеют дело с формулами изомеров разветвленного строения. Они не учитывают того, что молекулы находятся в постоянном движении, что они могут принимать различную форму, при этом не изменяется последовательность соединения атомов в молекулах. Чтобы избежать этой ошибки, необходимо формулам веществ давать названия. Нумерация самой длинной цепи атомов углерода, начиная с того конца, к которому ближе разветвление, позволит установить одинаковые формулы веществ, имеющих разное изображение. Например, две разные записи одного и того же вещества:
соон сн,
I 	13
С,Нс—С—СН, и сн,—сн,—с—соон
2 	5 । э -3 2 ।
сн3 сн3
2,2-диметилбутановая кислота
Генетические связи. Основная методическая трудность в этом вопросе — правильный отбор конкретного материала. Здесь отмечаются следующие недостатки: а) иногда подбираются такие примеры переходов, которые в действительности неосуществимы, например прямой синтез С2Н51 из этана и йода; б) подбираются примеры, для выполнения которых учащиеся не получают необхо-
61


димых знаний, например: СвНб—СНз-^СьНцСНзС!. Выполнение данного упражнения требует знаний правил ориентации, правил замещения в бензольном кольце. Учащиеся, естественно, допускают ошибки.
Наблюдается, что учащиеся испытывают затруднение в раскрытии генетической связи, когда речь касается единичных фактов, встречающихся в курсе органической химии, например: СьН5МО2-► -► (>г)Н,5МН2. В курсе органической химии учащиеся впервые встретились с реакцией, где атомный водород выступает в качестве активного восстановителя, причем на одном примере: '
СбН5\О2 + 6Н-^С6Н5\Н2 + 2Н2О
Естественно, многие учащиеся по прошествии времени забывают этот частный случай и вместо атомарного водорода пишут молекулярный.
Учащиеся также затрудняются в переходе от карбоновой к аминоуксусной кислоте, так как он единичный в курсе химии.
Для лучшего запоминания указанных единичных превращений целесообразно периодически к ним возвращаться, предлагая учащимся варианты переходов с использованием различных углеводородов и классов соединений.
В генетической цепочке часто приводится переход С2Н>-^ ,0
->СНз—. Такой путь синтеза ацетальдегида весьма важен,
и учащиеся должны его знать. Однако в их ответах часто предлагается длинный путь синтеза, основанный на полученных ими знаниях, например:
н2 сь н2о [о]
г— С.Н.—С.Н,—♦ С.ЩС1 - С2Н$ОН — СНг-С'
24 2 О 2 □ 2 3 Л ^»1
Такое положение можно объяснить тем, что учащиеся механически запоминают реакцию гидратации ацетилена, реакцию Кучерова, как единичный факт.
Очевидно, надо больше обратить внимания на изучение реакции гидратации. Начать следует с более подробного рассмотрения этой реакции на примере олефинов: вначале на этилене, затем — пропилене. При написании уравнений реакции необходимо придерживаться структурных формул, а также, где это возможно, правила Марковникова:
СН2=СН2 + Н + ОН~ ^СНз—СН2ОН
СНз—СН==СН2 + Н + ОН СНз—СН—СНз
6н
62


Одновременно можно указать на возможность реакций дегидратации и записать соответствующие уравнения.
При переходе к реакции Кучерова учащиеся повторяют все, что им известно о реакции гидратации этилена. Уравнение реакции гидратации ацетилена записывают в структурном виде с указанием на изомеризацию винилового спирта в альдегид:
Рассматривая таким образом реакцию гидратации на непредельных углеводородах, мы тем самым формируем в более широком плане понятие о данной реакции.
Большие трудности возникают у учащихся, когда в цепочке генетической связи появляется реакция изомеризации (переход одного изомерного состояния в другое). К сожалению, данная реакция — редкий гость в предлагаемых химических превращениях. Это можно объяснить тем, что реакция изомеризации — единичный факт. О ней идет речь лишь при изучении предельных углеводородов. В действительности реакция изомеризации — не частный случай, а общая реакция в органической химии, имеющая не только промышленное, но и познавательное значение. Учитывая это, учащимся следует дать более широкое представление о реакции изомеризации на различных группах соединений.
Приведем примеры каталитической реакции изомеризации:
СНз—СН2—СН2—СН2—СНз^>СНз—СН—СН2—СНз
1Н
Сгц
с Н 2=С Н—С Н 2—С Нз С Н з—С Н=С Н—С Н з
СН2=СН—СН,—СНзя=^СН2=С—СНз
Ан
Спз
СНеееС—СН2—СНзя=^СНз—С=С—СНз
СНз—СН2—СН,Вг^^СНз—СН— СНз Аг
Наблюдается, что учащиеся при написании определенных синтезов прибегают к качественным реакциям, хорошо известным им из лабораторной практики, а не к реакциям или схемам реакций, осуществляемым в промышленности. Например, при написании уравнений реакций перехода от спирта к альдегиду и от альдегида к кислоте многие учащиеся обычно прибегают к окислителям СиО, 63


А52О, Си (ОН)2. Это говорит о том, что у учащихся отсутствует общий, принципиальный подход к реакции окисления, так окислители возможны различные.
В составлении генетических схем следует придерживаться как связей между конкретными соединениями, так и связей между общими формулами групп или классов соединений (рис. II).
Приведем пример генетической связи между классами соединений в общем виде:
к—н—— к—г—-к—он—-к——-к——— н— ХН Х)Н —Н'
Весьма целесообразно предлагать учащимся цепочку связи, в которой имеются прямые и обратные переходы, а также такие цепочки переходов, в которых указаны только названия веществ, где учащиеся должны написать их формулы и соответствующие превращения, например: метан-*-ацетилен-►ацетальдегид-►уксусная кислота.
Следует предлагать учащимся и такие переходы, в которых указываются только исходное и конечное вещества. В этом случае ученик должен вначале написать схему всех переходов, приводящих к конечному продукту, затем перейти к записям уравнений химических реакций конкретных превращений. Например:
С2Н4
сн.—с' \ос2н5
я 1 2 3 4 г
С.Н.-!-— с.н.он—— сн.сно^-сн.соон—*-сн^-с 2 4 2 5 3 3 хос2н5
Это наиболее рациональный путь решения задачи.
Таким образом, генетическая связь может быть двух типов: первый характеризуется указанием последовательности перехода от одного вещества к другому, т. е. раскрывается путь получения конечного продукта, ученику остается лишь написать соответствующие уравнения реакций; второй тип связан с тем, что сам ученик должен указать путь синтеза конечного продукта реакции. Генетические связи первого типа носят обучающий или проверочный характер, связи второго типа имеют в основном обобщающий, творческий характер, так как ученику необходимо избрать наиболее рациональный путь решения задания. По мере прохождения курса органической химии, накопления знаний о классах соединений задания второго типа должны преобладать в обучении. Именно выполнение таких заданий позволяет учащимся лучше усвоить курс органической химии, шире использовать различныё логические приемы мышления.
64


Для осуществления генетических переходов учащиеся должны хорошо усвоить реакции гидрирования и дегидрирования, гидрата- + н2о
ции и дегидратации (например, СНз—СН=СН2^=^СНз—СН—СН3, (*)Н
„ +Нг +ЗН,
С2П4ч==^С2Н6, С6Н6 < ,г*С6Н|2), окисления и восстановления — Нг —ЗНг
+ Ог
-(например, СНз—СНгОН 1 » СНз—СНО) и некоторые другие.
— ЗНг
Опыт показывает, что только систематическое выполнение учащимися упражнений на генетическую связь дает положительный педагогический эффект: учащиеся лучше понимают учебный материал, строение конкретных соединений, возможности их взаимного перехода. Вместе с тем происходит систематизация и обобщение знаний учащихся.
3 Зяк. 2175 И. Н. Чертков


Глава
ФОРМИРОВАНИЕ ПОНЯТИЙ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОННОГО СТРОЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
§ 12. 	ЭЛЕКТРОННАЯ ПРИРОДА а- И л-СВЯЗЕЙ
Согласно программе, 5- и р-электроны, электронные облака, их перекрывание рассматриваются в первой теме курса органической химии. Целесообразно, на наш взгляд, освещать эти вопросы при повторении в X классе материала из курса неорганической химии, в частности вопросы о химической связи. Этим самым будет показано, что теория строения вещества едина для неорганической и органической химии.
Знания о строении атома углерода, об 5- и р-электронах, форме электронных облаков, электроотрицательности позволяют учащимся понять о- и л-связи. Для объяснения природы этих связей, их особенностей, геометрии молекул органических веществ используется теория гибридизации; она значительно повышает доказательность изучаемого материала о строении молекул органических соединений. Знание о о- и л-связях позволяет судить и о распределении электронной плотности в молекулах, взаимном влиянии атомов, о реакционной способности веществ и механизмах химических реакций.
Методика рассмотрения понятия о природе химической связи в органических соединениях, как и других важнейших понятий электронной теории, освещена в работе Л. А. Цветкова [23].
Опыт показывает, что в процессе изучения понятий о о- и л-связях учащиеся допускают ряд ошибок: часто не указывают форму облаков и области их перекрывания; не дают объяснений, за счет каких электронных облаков образуются о- и л-связи; дают неправильное графическое изображение молекул органических веществ; не умеют связывать свойства соединений с их электронным строением; затрудняются в переносе знаний о строении первого гомолога (метана, этилена) на строение других представителей гомологического ряда.
Наиболее существенные причины допускаемых ошибок следующие: недостаточно используются следствия из теории гибридизации для характеристики химических связей, мало применяются различные модели, особенно объемные и квантовомеханические, не даются упражнения по электронному строению веществ.
В изучении понятия гибридизации (валентных состояний атома углерода) учителя используют два методических приема. Согласно первому приему 'рассматривают все валентные состояния атома углерода на примере его аллотропных видоизменений в курсе IX класса, а затем это понятие закрепляют в X классе. В соот- 66


ветствии со вторым приемом понятие гибридизации рассматривают последовательно по мере изучения предельных, непредельных и ароматических углеводородов (вначале первое, затем второе и, наконец, третье валентные состояния атома углерода), как это дано в учебнике органической химии.
Изучение этих приемов показало, что наибольший педагогический эффект приносит второй прием изучения валентных состояний атома углерода. В этом случае понятие гибридизации будет органически связано со свойствами изучаемых групп соединений; оно будет раскрыто на доступном материале (на углеводородах).
При ознакомлении учащихся с понятием гибридизации необходимо иметь в виду следующее:
а) 	идея о гибридизации электронных облаков является лишь гипотезой, не подтвержденной экспериментально. Однако она позволяет объяснить ряд теоретических вопросов органической химии;
б) 	изучение понятия гибридизации не является самоцелью, оно вводится для того, чтобы учащиеся поняли образующиеся связи, усвоили понятия о а- и л-связях, их особенности, пространственное строение молекул;
в) 	изучение гибридизации целесообразно увязывать с данными, полученными с помощью физических методов исследования (длина связи, валентные углы). Это позволит объяснить строение многих органических веществ, изучаемых в школьном курсе органической химии.
Формирование понятия гибридизации слагается из двух этапов: на первом идет ознакомление с различными валентными состояниями атома углерода при изучении предельных и непредельных углеводородов; на втором этапе происходит закрепление знаний и развитие понятия при прохождении ароматических углеводородов, одноатомных спиртов и альдегидов.
Первое валентное состояние атома углерода изучают на примере метана и закрепляют на этане. При этом обращают внимание на гибридизацию ^-электронного облака с тремя р-электронными облаками ($р3-гибридизация), на пространственную направленность гибридных облаков (тетраэдричность), валентные углы, длину связи, энергию связи (С—Н и С—С) (рис. III). Эти параметры позволяют судить о геометрии молекулы, о прочности химических связей. При рассмотрении $р3-гибридизации необходимо подчеркнуть, что гибридные облака всегда образуют простую, а-связь, которая характеризуется различной прочностью.
Объяснение второго валентного состояния атома углерода проводят на примере этилена. Важно отметить, что гибридные облака, полученные смешением ^-электронного облака и двух р-электрон- ных облаков, образуют о-связи, находящиеся в одной плоскости, а негибридизованные — л-связь, расположенную перпендикулярно плоскости о-связей (рис. IV).
Иногда у учащихся возникает вопрос: почему происходит перекрывание р-электронных облаков (негибридизованных) в молекуле 3*
67


этилена над и под плоскостью о-связи, т. е. почему образуются две области скопления электронной плотности? Объяснить это можно тем, что р-электронные облака двух атомов углерода расположены параллельно относительно друг друга и имеют противоположные спины:
и р Р н >н<
Геометрию молекулы определяют о-связи, находящиеся под углом 120°. В данном случае молекула этилена, в которой симметрично распределена электронная плотность, имеет плоское строение. Кроме валентного угла, указывают на длину связи (С=С), энергию связи. Данные об энергии связи позволяют доказать учащимся, что двойная связь суммарно прочнее простой связи (обычно они считают, что простая связь прочнее двойной). Основное внимание следует обратить на особенности л-связи, обусловленные ее положением в молекуле (легкая поляризуемость, непрочность) .
Говоря о реакционной способности этилена и его гомологов, необходимо отмечать, что двойная связь более реакционноспособна по сравнению с одинарной, из-за большого скопления электронной плотности, доступного для реагента.
Понятие о втором валентном состоянии атома углерода находит свое развитие при изучении диеновых углеводородов — бутадиена. Здесь учащиеся убеждаются, что каждый атом углерода находится в состоянии $р2-гибридизации, что о-связи образуются за счет гибридных облаков (у каждого атома углерода их три). Оставшиеся у атома углерода негибридизованные р-электронные облака перекрываются и образуют единое л-электронное облако или систему из четырех электронов, общую для всех атомов углерода (рис. I). При этом р-электронные облака перекрываются не только между первым и вторым, третьим и четвертым, но также вторым и третьим атомами углерода. Однако данное перекрывание по объему меньше по сравнению с объемом перекрывания между первым и вторым, третьим и четвертым атомами углерода. Этим можно объяснить уменьшение длины связи у центральных атомов углерода. Некоторое выравнивание связей в молекуле бутадиена обусловлено наличием единого л-электронного облака. Образовавшаяся дополнительная связь, находясь в открытой системе, придает энергетическую устойчивость соединению.
Следует обратить внимание на то, что единая л-электронная система активно проявляет себя в химических реакциях, подобно л-связи в этиленовых углеводородах.
Третье валентное состояние изучают на примере ацетилена. Поскольку 5р-электронные облака (гибридизация одного 5- и одного р-электронного облака) образуют о-связи, расположенные на одной прямой, молекула будет иметь линейное строение (см. 68


рис. IV). Вопрос о возможности размещения л-связей в молекуле учащиеся решают самостоятельно.
В курсе органической химии каждое валентное состояние атома углерода объясняют в основном на первом Представителе гомологического ряда углеводородов. Раскрытие понятия гибридизации на более сложных углеводородах сильно затруднено, особенно для непредельных углеводородов. Видимо, к этому не следует стремиться. Важно, чтобы учащиеся на основании рассмотренных примеров могли сделать обобщение, а именно: $р -гибридизация характерна для предельных углеводородов, $р2-гибридизация — для этиленовых, а $р-гибридизация — для ацетиленовых. Если в углерод-углеродной цепи будут, например, простая и двойная связи, то ученик должен указать валентные состояния атомов углерода, валентные углы, длину связи, пространственное строение, например пропилена СРН3—(рис. 2).
Рис. 2. Графическое изображение строения молекулы пропилена. Один атом углерода находится в первом валентном состоянии, два других — во втором валентном состоянии.
На втором этапе при изучении электронного строения бензола происходит, с одной стороны, закрепление понятия о ^-гибридизации атома углерода (плоское строение молекулы, валентный угол 120°), а с другой стороны — развитие знаний об электронном строении — образование единого л-электронного облака бензольного кольца или единой л-электронной системы из шести электронов, общей для всех атомов углерода. Этим и объясняется прочность бензольного кольца, ароматические свойства.
Как и в случае электронного строения молекулы этилена, в молекуле бензола 6 р-электронные облака (негибридизованные) расположены перпендикулярно плоскости а-связей и взаимным перекрыванием образуют л-электронное облако.
о
В отличие от молекулы бутадиена в молекуле бензола 69


замкнутая система, что обусловливает равномерное распределение электронной плотности у атомов углерода и обеспечивает более высокую энергетическую устойчивость по сравнению с бутадиеном.
На одноатомном спирте (метанол, этанол) и предельном альдегиде (метаналь, этаналь) продолжают закрепление и развитие понятия гибридизации. На примере кислот рассматривают только взаимное влияние атомов в молекулах.
В процессе формирования знаний учащихся об электронном строении органических веществ обращают внимание на широкое использование физических данных, полученных с помощью фи^ зико-химических методов: именно они служат научным критерием для характеристики химической связи, строения молекул.
В процессе обучения органической химии можно наблюдать, что некоторые учащиеся допускают ошибки в вопросе установления зависимости свойств веществ от их электронного строения. Так, например, они считают, что этилен вступает в реакцию присоединения, так как в его молекулах имеется двойная связь (л-связь не упоминается); бензол вступает в реакции, характерные для предельных и непредельных углеводородов, так как в его молекулах имеются простые и двойные связи (электронное строение бензола не учитывается). Таких ошибок можно избежать, если после рассмотрения электронного строения вещества сразу переходить к свойствам, непосредственно вытекающим из строения.
Рассмотрим этот вопрос подробней. После изучения строения метана и его гомологов, установления факта полного использования атомами углерода своих валентных возможностей вполне логичен переход к реакции замещения (разрыв связи С—Н), затем — к реакции разложения (разрыв связей С—Н и С—С). Обсуждение строения этилена, а также его гомологов, выяснение особенностей л-связи позволяет начать изучение их химических свойств с реакции присоединения, затем окисления.
Особенно большие затруднения появляются у учащихся при аргументации свойств бензола. Почему для бензола более характерны реакции замещения, чем реакции присоединения? На этот вопрос учащиеся чаще всего не дают ответа. Здесь необходимо, чтобы они поняли следующее: в молекуле бензола, кроме а-связей, расположенных в одной плоскости, имеется единая л-электронная система. Циклическое строение кольца, наличие в нем л-электрон- ной системы, отсутствие «открытых» л-связей, как в случае этилена и его гомологов, придают бензольному кольцу прочность, энергетическую устойчивость.
О прочности бензольного кольца можно судить по теплоте гидрирования бензола. Для сопоставления приведем вначале теплоту гидрирования циклогексена:
/С«2 СЦз
нс^ ^сн2 н2сх ^сн2
|| | + Н2 ► Т |+121 кДж/моль
нс^ ^сн2 н2сх ХСН2
СН2 СН^
70


Следовало бы ожидать, что теплота гидрирования бензола будет в три раза превышать теплоту гидрирования циклогексена, в действительности теплота гидрирования бензола составляет лишь 210 кДж/моль, что на 153 кДж/моль меньше ожидаемого. Эта величина определяет выигрыш в энергии. Известно, чем меньше запас; потенциальной энергии, тем прочнее, энергоустойчивее соединение. Прочность бензольного кольца обусловливает ароматические свойства. Так, бензол не окисляется, подобно непредельным углеводородам; в нем сравнительно легко замещаются атомы водорода на другие атомы, так как замещение их как бы не затрагивает бензольное кольцо, л-электронную систему; значительно труднее проходят реакции присоединения, так как в этом случае разрушается единое л-электронное облако в бензольном кольце.
Уместно провести сравнение строения и свойств бутадиена и бензола, в молекулах которых имеется единая л-электронная система (табл. 4).
Таким образом, только после выяснения химических свойств, обусловленных электронным строением углеводорода, можно переходить к реакции горения, характеризующейся в основном составом.
Этого же приема следует придерживаться при выяснении зависимости свойств от строения спиртов, альдегидов и других классов соединений.
Таблица 4. Сравнение свойств бутадиена и бензола
Бутадиен
Бензол
$р2-гибридизация
$р2-гибридизация
Валентные углы равны 120°
Валентные углы равны 120°
Плоское строение
Плоское строение
Различная длина связей С—С
Одинаковая длина связей С—С
Электронная плотность в молекуле распределена неравномерно
Электронная плотность в молекуле распределена равномерно
Легко окисляется
Не окисляется
Легко вступает в реакцию присоединения
В реакцию присоединения вступает в жестких условиях
Реакции замещения не характерны
Сравнительно легко вступает в реакции замещения
71


§ 13. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИЗУЧЕНИЮ ЭЛЕКТРОННОГО СТРОЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ
Использование физических данных для характеристики электронного строения вещества. С самого начала изучения органической химии вводятся физические величины, характеризующие химические связи: длина связи (межъядерное расстояние связанных атомов), энергия (энергия, которая выделяется при образовании ковалентной связи), полярность (характеризуется смещением электронной плотности от одного атома к другому), пространст-' венная направленность связи.
При рассмотрении строения молекулы метана, его гомологов характеризуют простую а-связь. Вначале приводят данные о связи С—Н, она более прочная. Далее можно предложить учащимся охарактеризовать связь С—С, а затем сравнить длину, энергию и полярность связей С—Н и С—С. В их ответе должно прозвучать следующее: у связи С—С меньше энергия связи (меньше перекрывание электронных облаков), чем у связи С—Н (соответственно 350 и 415 кДж/моль); длина указанных связей находится в обратном отношении: у связи С—С она больше, чем у связи С—Н (см. табл. 5); согласно табличным данным можно констатировать весьма незначительную полярность связи С—Н (0,4) и отсутствие полярности для связи С—С.
Таблица 5. Характеристики ковалентных связей
Тип связи
Длина, нм
Энергия, кДж/моль
Полярность
С—н
0,109
415
0,4
С—Е
0,140
485
1,39
С—С1
0,176
330
1,47
С—В г
0,191
280
1,42
С—I
0,212
240
1,25
С—С
0,154
350
0
С=С
0,133
620
0
с—~с
0,120
810
I)
(2 0
0,143
340
0,7
с—0
0,121
710
2,4
н—н
0,074
437
0
С1—С1
0,196
240
0
Вг—Вг
0,228
194
0
1—1
0,266
150
0
Н—С1
0,127
430
1,03
В процессе изучения химических свойств метана и его гомологов учащиеся знакомятся со связью С—Г (Г — галоген), например СНзВг, С2Н5С1. Можно будет дать им задание охарактеризовать эту связь, пользуясь табличными данными. Из характеристики вытекает, что эта связь по сравнению с изученными (С—Н, С—С) более полярна, т. е. она весьма реакционноспособна.
Химические связи имеют определенную пространственную направленность и характеризуют строение молекулы (ее геометрию 72


или конфигурацию). Обычно строение молекулы определяют валентные углы, образованные валентными связями. Валентный угол зависит от природы центрального атома и полярных заместителей, связанных с центральным атомом. Рассмотрим это на примерах различных классов органических соединений.
Первое представление о геометрии молекул учащиеся получают при изучении предельных углеводородов. Здесь они убеждаются, - что метан и тетрахлорметан имеют форму правильного тетраэдра (угол 109°28').
Замещение одного или трех атомов водорода галогеном в молекуле метана приводит к нарушению тетраэдрического угла, к образованию пирамиды (СН3С1, СНС13, СН3Вг, СНВг3, СН31, СН13). Например, для трихлорметана СНС13 и хлорметана СН3С1. Нарушение тетраэдрического угла объясняется взаимным отталкиванием атомов:
С1
С1
Рассматривая особенности двойной связи, следует остановиться на ее характеристике, сопоставить эту связь с одинарной. Пользуясь табличными данными, можно установить, что энергия связи С=С равна 620 кДж/моль. В связи с этим возникает вопрос: является ли связь С=С суммой двух ординарных связей? Простой подсчет показывает, что если бы это было так, то энергия двойной связи равнялась бы (350X2)700 кДж/моль. Отсюда учащиеся могут сделать вывод о том, что вторая связь у этиленовых углеводородов — это качественно новая связь: она менее прочна, чем а-связь (620 — 350 = 270 кДж/моль).
Далее рассматривают длину связи С=С и сравнивают ее с длиной связи С—С, указывают на причину изменения длины связи. В таком же плане обсуждают вопрос о валентных углах в этиленовых углеводородах, отмечают, что угол 120° является примерным, хотя в целом он характеризует плоское строение.
Характеризуя конфигурацию молекулы этилена и ее гомологов, следует обратить внимание учащихся на то, что валентные углы всегда образованы только а-связями.
Рассматривая строение молекулы бутадиена, отмечают различ- 0,135 0.148 0.135
ную длину связи С’=С2—С3=С4. Учащимся предлагают подумать над вопросом: почему длина связи у С2—С3 меньше длины связи, характерной для нормальной а-связи (0,154 нм)?
При изучении строения молекулы ацетилена уместно спросить учащихся: какие можно сделать предположения о прочности и длине С^С-связи? Знание этиленовых углеводородов позволяет им сделать вывод: тройная связь прочнее, но короче двойной связи. Для подтверждения его они могут воспользоваться табличными данными. Выяснение вопроса направления валентных а-связей 70


углеродных атомов подводит учащихся к выводу о линейном строении ацетиленовых углеводородов.
Объясняя строение молекулы бензола, следует поставить вопрос: какое заключение можно сделать, если длина межуглеродной связи составляет в молекуле бензола 0,14 нм? При сравнении этой длины связи с длиной связей С—С и С=С учащиеся могут прийти к выводу, что в молекуле бензола нет обычных простых а- и л-связей. После объяснения учителем электронного строения бензола, образования единой л-электронной системы можно буде\ дать учащимся задание подсчитать внутренний угол, образованный С—С-связями в молекуле бензола. С этим заданием они легко справляются: пользуясь общей формулой вычисления внутреннего
2<У(п — 2) угла многоугольника , где п — число сторон многоуголь¬
ника, они приходят к выводу о плоском строении молекулы бензола (угол=120°).
Энергию связи в молекуле бензола не следует рассматривать, так как в этом случае возникла бы необходимость объяснять учащимся энергию сопряжения.
При изучении спиртов следует дать представление об их электронном строении (на примере метанола). В данном случае представится возможность провести аналогию между водой и спиртом, сделать выводы о свойствах последнего.
На геометрию молекулы спирта влияет в первую очередь наличие атома кислорода, как и в случае молекулы воды. Вначале следует дать задание учащимся написать квантовомеханическую формулу метанола. Если они не справятся, тогда учитель на доске делает следующую графическую запись (рис. 3), а также запись формулы с обозначением схемы а-связей:
Валентный угол С—О—Н составляет 106°. Интересно сравнить его с валентным углом в молекулах воды и простого эфира:
Метильные радикалы, отталкиваясь друг от друга, увеличивают валентный угол.
Основное внимание при изучении строения спиртов обращают на полярность связей С—О, О—Н, так как они определяют химические свойства соединения.
74


Рис. 3. Строение молекулы метанола. Рис. 4. Строение молекулы формальдегида.
Электронное строение альдегидов следует рассматривать на примере простейшего представителя — формальдегида. Учащиеся, зная строение этилена, в состоянии самостоятельно дать графическую запись строения этого вещества (рис. 4).
Для того чтобы сделать предположения о возможных свойствах формальдегида, учащимся дается задание сравнить его строение со строением этилена (наличие двойной связи) и спирта (наличие а-связи С—О). Сравнивая длину, энергию и полярность связей С=О, С=С, С—О, учащиеся могут прийти к следующим выводам: связь С=О более полярна, чем связи С=С и С—О (соответственно 2,4; 0; 0,7); связи С—О и С=О сходны по некоторым признакам со связями С—С и С=С (аналогия). Здесь также наблюдается повышение прочности двойной связи и уменьшение ее длины (длины связей С—О и С=О соответственно равны 0,143 и 0,121 нм; энергия этих связей 340 и 710 кДж/моль).
Из этого сравнения учащиеся могут сделать вывод о большой реакционной способности связи С=О альдегидной группы, предсказать химические свойства альдегидов.
Изучение водородной связи. Большую роль в строении многих веществ и в объяснении их свойств играет водородная связь, хотя она и уступает по своей прочности ковалентной в 10—20 раз.
Методика изучения водородной связи строится на материале об электронном строении веществ, установлении типов этой связи и на использовании логического приема сравнения (сравнение органических веществ с неорганическими, органических соединений между собой).
Первое представление о водородной связи учащиеся получают на примере одноатомных спиртов. Здесь перед ними возникает проблема, как объяснить высокую температуру кипения спирта по сравнению с углеводородом, имеющим примерно такую же молекулярную массу, как и спирт. Проблема, поставленная перед учащимися, решается после изучения электронного строения спиртов. При дедуктивном изучении спиртов вначале можно рассмотреть их строение, а затем физические и химические свойства. В процессе объяснения материала учащихся подводят к выводу о возможности ассоциации молекул спирта за счет донорноакцепторного взаимодействия (природа водородной связи до конца не выяснена). Знание электронного строения, взаимного влияния


атомов позволяет учащимся лучше понять возникновение водородной связи у спирто^. При объяснении этого вопроса проводят сравнение с водой, для которой характерна водородная связь.
При этом учитывают, что учащиеся знают электронное строение молекулы воды, полярность связи О—Н, т> е. могут указать сходство в строении молекул спирта и воды. Можно сделать такую запись:
5- е 6- х 6- х 6- А 5- я 6- х
XX О* XX 0+ XX 0+ XX 0 + XX 0+ XX 0+
20 Н ... 20 ... 20 — Н ; 20 Н ... 20 — Н ... 20 *-Н
I I I II!
К К К НИН
(водородная связь обозначается тремя точками, неподеленные электронные пары — крестиками).
Электронное облако от атома водорода гидроксильной группы смещается в сторону электроотрицательного атома — кислорода, при этом ядро водорода как бы оголяется (водород протонизи- руется). Несущий на себе положительный заряд атом водорода одной молекулы притягивается к ато^у кислорода, на котором отрицательный заряд, другой молекулы. Образуется связь между молекулами воды или спирта. При этом важно отметить наличие неподеленных электронных пар у электроотрицательных атомов, за счет которых и происходит притяжение ковалентносвязанного протона.
Для одноатомных спиртов и воды водородную связь в общем виде можно записать так:
XX XX
О—Н ... О или 20—Н ... 20
Длина связи различная: у ковалентносвязанных атомов О—Н 0,099 нм, у атомов, связанных водородной связью, Н...О она составляет 0,176 нм (данные взяты для молекул воды).
Далее рассматривают вопрос о влиянии водородной связи на температуру кипения веществ. Отмечают, что с повышением температуры степень ассоциации молекул понижается, а затем появляются отдельные молекулы. Например, вода и спирт в парообразном состоянии находятся в виде отдельных молекул. Сравнение температур кипения спиртов различного строения позволяет учащимся прийти к выводу: изомерные спирты кипят при более низкой температуре, чем спирты, имеющие неразветвленное строение. Это можно объяснить тем, что у изомерных спиртов гидроксильная группа окружена углеводородными радикалами, которые препятствуют ассоциации молекул (появляются пространственные затруднения); у спиртов неразветвленного строения гидроксильная группа менее окружена радикалами, поэтому легче ассоциируются молекулы. Так бутанол-1 СНз—СН2—СН2—СН2ОН имеет температуру кипения
СНз
117,9°С, 2-метилпропанол-2 СН3——ОН 82,8 °С.
з
76


Затем учащимся ставят такой вопрос: возможна ли водородная связь между молекулами различных веществ, например между спиртом и водой? Обычно они дают правильный ответ и верно записывают схему водородной связи между соединениями (формула, спирта берется в общем виде). На основании рассмотренного примера можно сделать заключение, что повышенная растворимость спирта в воде служит указанием на образование водородной связи между веществом и растворителем.
При изучении спиртов для закрепления знаний о водородной связи учащимся предлагают вопросы и упражнения:
1. 	Сохранится ли водородная связь, если заместить водород гидроксильной группы в метиловом спирте углеводородным радикалом С2Н5? Как изменится температура кипения у вновь образовавшегося вещества по сравнению со спиртом?
2. 	Сохранится ли водородная связь, если заместить гидроксильную группу в метиловом спирте бромом? Как это скажется на температуре кипения образовавшегося вещества?
3. 	В каких соединениях будет более прочная водородная связь: у этанола СН3СН2ОН или трихлорэтанола СС1.зСН2ОН? Дайте пояснения.
При изучении многоатомных спиртов учащимся можно будет предложить вопросы, позволяющие выяснить понимание водородной связи:
1. 	Как можно объяснить сиропообразное состояние этиленгликоля и глицерина?
2. 	Будут ли растворяться в воде и этаноле этиленгликоль и глицерин? Проверьте ваши предположения экспериментально (на глицерине).
3. 	Изобразите образование водородной связи между глицерином и водой.
Далее понятие водородной связи закрепляют на примере фенола:
1. 	Будет ли растворяться в воде и в этаноле фенол? Проверьте ваши предположения экспериментально.
2. 	Покажите образование водородной связи между: а) молекулами фенола, б) молекулами фенола и воды.
Рассмотрение одноатомных и многоатомных спиртов, фенола позволяет учащимся сделать вывод, что водородная связь характерна для соединений, которые содержат гидроксильные группы.
При изучении альдегидов целесообразно поставить вопрос: возможна ли у них водородная связь? Этот вопрос не вызывает у учащихся трудностей. Зная закономерности появления водородной связи, они отмечают, что альдегиды не склонны к ассоциации, так как у них отсутствует гидроксильная группа. Поэтому альдегиды кипят при более низкой температуре, чем спирты, например: СНз—СН2—СН2ОН 97,2°С;-СН3—СНг-СНО 49,0 °С.
Примечание. Считают, что в углеводородах, эфирах, альдегидах, кетонах существуют очень слабые водородные связи. Практически их можно не принимать во внимание |26, с. 40).
При рассмотрении карбоновых кислот намечается новый этап формирования понятия «водородная связь»: здесь учащиеся знакомятся как бы с «двойной» водородной связью. Вначале выясняют, возможна ли водородная связь у кислот. Обычно учащиеся приходят к правильному выводу, мотивируя существование такого вида связи тем, что в состав функциональной группы входит гидроксильная группа. Затем предлагают им изобразить образование водородной связи. По аналогии со спиртами они дают такую схему:
77


сО .о*-н...оЭ о*-н...о^ .о—н...
1 I 1
Учитель отмечает, что такая цепочечная ассоциация молекул карбоновых кислот обнаружена, но для них более характерна циклическая ассоциация молекул. Для подтверждения приводят такой факт: при испарении кислот водородная связь не разрушается (в отличие от спиртов и воды), в парах кислоты существуют в виде димера. Объяснить это явление можно на основании электронного строения кислот: по сравнению со спиртом в молекулах кислоты связь О—Н еще более полярна, за счет подвижных атомов водорода и полярных групп С=О образуются димеры с «двойной», более прочной водородной связью:
к—
Н-*О\ к б* о*-н...оп
Примечание. В одном моле уксусной кислоты при 20 ° С содержится: 17% мономерных молекул, 69% кольцевых димеров, 14% цепочечных димеров и более сложных полярных цепочечных ассоциатов [26, с. 411.
При сравнении спиртов и кислот можно сделать вывод: чем больше полярность соединения, тем прочнее водородная связь.
Понятие «водородная связь» закрепляют далее при изучении углеводов: глюкозы, сахарозы, целлюлозы.
Здесь интересно отметить следующее: наличие большого числа гидроксильных групп в молекулах глюкозы и сахарозы позволяет учащимся прийти к выводу о существовании в них водородной связи, а следовательно, о хорошей растворимости в воде. Этот же вывод они переносят на целлюлозу и крахмал. Опыт показывает обратное: целлюлоза не растворяется в воде, несмотря на огромное число гидроксильных групп. Здесь не учтено, что целлюлоза — полимерное вещество, состоящее из крупных линейных макромолекул. Обилие гидроксильных групп с их неподеленными парами электронов создает высокую электронную плотность вдоль всей молекулы целлюлозы. Это обусловливает легкость образования внутри- и межмолекулярных водородных связей, которые имеют значение для стабилизации структуры полисахарида. Этим объясняется прочность и нерастворимость целлюлозы в воде (энергия межмолекулярного взаимодействия значительно превосходит энергию гидратации).
Крахмал тоже не растворяется в воде (в горячей воде он образует коллоидный раствор). Причина здесь в структуре макромолекул. В крахмале преобладают макромолекулы с сильно разветвленной структурой (амилопектин, который составляет 80--90% всех макромолекул), что затрудняет образование водородных связей.
При изучении аминов наступает следующий этап формирования 78


понятия «водородная связь*. Знание учащимися условий появления водородной связи для кислородсодержащих соединений позволяет им понять межмолекулярную водородную связь у аминов. Объяснение ее проводят в сравнении с аммиаком:
н НН
5- 6* 15— I |
... Н-*№ ; Н—№ ... Н—№
Л 1 Л I
Для этих соединений характерен следующий тип водородной XX XX
связи: —Н ... ^ или —Н ... М. Водородная связь у аминов обусловливает их повышенную растворимость, высокую темпера туру кипения, что видно из сравнения амина и неполярного соединения примерно той же молекулярной массы: н-бутиламин (н-С4Н9—МН2) /КИП=78°С; н-пентан (н-С5Н,2) /КИП=36°С.
При дальнейшем изучении курса органической химии учащиеся убеждаются в том, что прочность полимера может быть обусловлена водородной связью, осуществляемой по всей длине макромолекул. Например, у капрона водородная связь между амидными группами различных молекул (показано в учебнике).
На примере белков учащиеся убеждаются в значении водородной связи для структуры белковых молекул. Белковые молекулы состоят из цепей аминокислот, связанных пептидной связью, а вся цепь закручена в спираль, которая стабилизируется (удерживается) водородными связями (показано в учебнике).
Водородная связь имеет большое значение в пространственном строении нуклеиновых кислот. Благодаря ей осуществляется компле- ментарность азотистых оснований в двойной спирали молекулы ДНК, обеспечивается связь между двумя полинуклеотидными цепями: аденин — тимин, гуанин — цитозин.
Познавательные проблемы при изучении электронного строения органических веществ. В процессе изучения строения предельных, непредельных и ароматических углеводородов, а также кислородсодержащих соединений представляются большие возможности для применения познавательных проблем. Примеры таких проблем приведены далее в тексте. Здесь мы не касаемся взаимного влияния атомов, а только рассматриваем образование связей, их особенности, геометрию (частично) молекул.
Строение молекулы метана. Появление проблемной ситуации. Из электронного строения атома углерода вытекает, что в соединениях он должен всегда иметь валентность два, так как присутствуют два неспаренных р-электрона. В действительности углерод в молекуле метана четырехвалентен. Как же разрешить это противоречие?
Возможные предположения. Знаний учащихся недостаточно, чтобы выдвинуть какие-либо предположения.
Решение проблемы. Учитель рассказывает о возбужденном состоянии атома углерода, о переходе одного 5-электрона в р-состояние. Но появляется новое противоречие.
79


Появление новой проблемной ситуации. У возбужденного атома углерода на внешнем электронном слое один 5-электрон и три р-электрона, отличающихся между собой формой обла-* ков, энергией (большей энергией обладает р-электрон) и пространственной направленностью (только р-электронные облака имеют направленность). Могут ли разные электроны образовать одинаковые связи? Химическим путем доказана равноценность всех связей в молекуле метана.
Возможные предположения. Учащиеся выражают сомнение в возможности образования молекулы, мотивируя тем, , что разные электроны, видимо, не образуют одинаковые химические связи. Выдвинуть предположения учащиеся затрудняются.
Решение проблемы. Учитель объясняет гибридизацию электронных облаков, выравнивание их по форме и энергии, говорит об образовании устойчивых молекул метана.
Строение молекулы этилена. Появление проблемной ситуации. В результате эксперимента учащиеся убеждаются в том, что этилен в отличие от предельных углеводородов легко окисляется, вступает в реакцию присоединения. Как объяснить эти свойства этилена?
Возможные предположения. Учащиеся допускают мысль об ином строении этилена по сравнению с метаном и его гомологами.
Решение проблемы. Учитель объясняет свойства этилена наличием двойной связи.
Появление новой проблемной ситуации. Можно ли считать двойную связь суммой двух 0-связей? Какова электронная природа двойной связи?
Возможные предположения. Учащиеся затрудняются выдвинуть какие-либо предположения.
Решение проблемы. Учитель, указав на энергию двойной связи, подводит учащихся к мысли о неравноценности связей в молекуле этилена, объясняет $р2-гибридизацию, образование л-связи и ее особенности.
Другой вариант. Энергия связи С—С 350 кДж/моль, энергия связи С = С 620 кДж/моль. На основании этих данных решить вопрос, является ли двойная связь суммой двух а-связей. Учащиеся, производя расчеты, приходят к выводу о неравноценности связей в молекуле этилена. Далее учитель объясняет электронную природу двойной связи.
Строение молекулы ацетилена. Появление проблемной ситуации. Если ацетилен по составу также относится к непредельным углеводородам, то нет ли сходства в электронном строении и свойствах ацетилена и этилена?
Возможные предположения. Формула ацетилена показывает, что в ее молекуле должна быть одна о-связь и две л-связи. Учащиеся изображают схему электронных облаков в молекуле и выдвигают предположение о свойствах ацетилена, сходных со свойствами этилена.
80


Решение проблемы. Учитель дает обоснование электронному строению молекулы ацетилена и характеризует свойства вещества.
Строение молекулы бензола. Появление проблемной ситуации. Молекулярная формула бензола СбН6. Какое химическое .строение может иметь молекула бензола?
Возможные предположения. Учащиеся считают, что бензол — непредельное соединение, записывают возможное строение молекулы в виде открытой цепи с кратными связями.
Решение проблемы. Учитель проводит опыты с бензолом (реакции с перманганатом калия и бромной водой) с целью обнаружить двойную связь и получает отрицательный ответ. Выдвинутое предположение учащихся отпадает. Далее учитель объясняет циклическое строение бензола, приводит реакции, доказывающие его химическое строение.
Появление новой проблемной ситуации. В структурной формуле молекулы бензола (формула Кекуле) двойные связи чередуются с одинарными. Почему же бензол не окисляется? Каково электронное строение молекулы бензола?
Возможные предположения. Учащиеся, исходя из структурной формулы молекулы бензола, допускают следующее: а) атомы углерода находятся в $р2-гибридизованном состоянии, б) в молекуле должно быть несколько л-связей; в) молекула должна иметь плоское строение, подобно этилену.
Решение проблемы. Учитель приводит данные, полученные физическими методами: все атомы молекулы расположены в одной плоскости, длина связи С—С одинаковая (0,14 нм), валентный угол (его подсчитывают учащиеся) 120°, молекула имеет циклическое строение. Рассматривают образование а-связей и единого л-электронного облака в бензольном кольце.
Строение молекулы этанола. Проблемная ситуация. Молекулярная масса этанола 46, температура кипения 78°С; молекулярная масса бутана 58 и температура кипения —0,3—0,6°С. Как объяснить, что спирт — жидкость, а бутан — газ?
Возможные предположения. Учащиеся не в состоянии указать причины наблюдаемого явления.
Решение проблемы. Учитель рассказывает о водородной связи.
Рис. 5. Образование а-связи: а — неправильно (рисунок ученика); б — правильно.
81


Строение молекулы формальдегида. Появление проблем- 11 о й с и т у а ц и и. В молекуле формальдегида имеется связь Какие можно сделать предположения о ее строении?
Возможные предположения. Учащиеся указывают: а) в связи С=() должны быть а-связь и л-связь, расположенная перпендикулярно по отношению плоскости а-связей (подобно связи С=С в молекуле этилена); б) группа С=О будет иметь плоское строение (подобно группе С=С); в) в отличие от связи С=С связь С=О должна быть поляризована.
Решение проблемы. Учащиеся с помощью учителя зари^ созывают схему расположения а- и л-связей в молекуле формальдегида.
Появление новой проблемной ситуации. Какие свойства альдегидов можно предположить на основе их строения?
Возможные предположения. В молекуле альдегида двойная связь, поэтому он должен иметь сходство с этиленом, вступать в реакции присоединения, полимеризации.
Решение проблемы. Учитель характеризует свойства альдегидов.
О графическом изображении электронного строения молекул органических веществ. В ответах учащихся встречается значительное число ошибок графического порядка, которые показывают непонимание отдельных вопросов электронного строения органических веществ.
Часть учащихся дает неправильное изображение а- и л-связей. Вместо показа образования а-связи по прямой, соединяющей ядра атомов, они указывают связь сбоку (рис. 5). Учащиеся, по-види- мому, не усвоили материал об образовании а-связей.
При графическом изображении формул на рисунках учащихся часто отсутствует та часть электронного облака, где вероятность пребывания электрона наименьшая (рис. 6).
Часто они не «указывают» ядра атомов водорода. Наблюдается, что учащиеся иногда произвольно изображают перекрывание р-электронных облаков в молекуле — образование л-связи (рис. 7). В ответах учащихся наблюдается неправильное изображение перекрывания электронных облаков (рис. 8).
Рис. 6. Неправильное изображение электронных облаков (рисунок учени¬
ка ).
Рис. 7. Неправильное изображение образования л-связи (рисунок ученика).
82


^Рис. 8. Неправильное изображение перекрывания электронных облаков: а — перекрывание не состоялось; б — перекрывание намного больше возможного (рисунок ученика).
При графическом изображении молекул учащиеся далеко не всегда указывают валентные углы, а если и указывают, то часто неправильно. Обычно они указывают угол между облаками, а не их осями (рис. 9).
Рис. 9. Изображение валентного угла: а — неправильно, б — правильно.
Большие трудности возникают у учащихся в графическом изображении л-электронного облака молекулы бензола.
В учебной литературе предлагаются различные приемы изображения л-связи, л-электронной системы, как показано на рисунке 10. Поперечные линии изображают перекрывание р-электронных облаков. Очевидно, этот прием целесообразно использовать в процессе преподавания органической химии в средней школе. При этом необходимо учитывать, что он не позволяет судить о степени перекрывания электронных облаков.
Рис. 10. Способ изображения перекрывания р-электронных облаков.
83


В связи с введением в курс органической химии квантовомеханических представлений о строении вещества возникла методическая трудность в изображении формул. Когда учитель дает зада-- ние изобразить электронную формулу органического вещества, например метана, то ученик, как правило, делает следующую за-
Н
пись: Н:С:Н. Она не вызывает возражения, но учитель хотел дру- того, а именно изображения формулы с электронными облаками, но так как пока эти формулы не имеют названия, то он оказался в затруднительном положении. Учитывая такое «неудобство», целесообразно будет ввести в учебную практику схемы электронных облаков связей в молекулах, а за электронными формулами следует оставить изображение с помощью точек.
Характер упражнений по электронному строению органических веществ. При изучении и закреплении понятий о гибридизации, а- и л-связях для различных соединений, об особенностях этих связей могут быть использованы упражнения различного характера: с применением приема сравнения, с выбором ответа, на нахождение ошибок. Этот далеко не полный перечень упражнений может вызвать сомнение в целесообразности упражнений на нахождение ошибок.
Оказывается, если примеры ошибок взяты типичные, то, наоборот, такие упражнения позволяют более осознанно воспринимать учебный материал. В этом плане можно согласиться с мнением Д. Н. Богоявленского, который считал столкновение ученика с ошибкой необходимым условием ее осознания и недопущения в дальнейшем.
Приведем примеры упражнений, которые можно использовать при изучении и закреплении понятия «о-связь» у предельных углеводородов:
I. 	Укажите тип гибридизации каждого атома углерода в молекуле пентана СНз—СН2—СН2—СН2—СН3. Напишите эту формулу в структурном виде и обозначьте валентные углы.
2. 	Укажите, какая запись более верно отражает строение молекулы бутана:
✓СНгх /СНз
ги Х-ы/ или СНз—СН2—СН2—СН3.
СПз Сп2
3. 	Изобразите схему электронных облаков связей в молекуле пропана. Покажите на ней межъядерные расстояния (для С—С-связей) и валентные углы.
Примеры упражнений при изучении и закреплении понятия «л-связь> (этиленовые и ацетиленовые углеводороды):
1. 	Даны вещества следующего строения: СНз—СН=СН—СНз и СНг=СН—С==СН. Обозначьте тип гибридизации у каждого атома углерода.
2. 	Сравните размещение электронной плотности в молекулах этена и пропена. Стрелками (где это нужно) покажите смещение электронной плотности. Какой можно сделать вывод?
3. 	Из числа представленных схем (рис. 11) укажите, какая схема отражает второе валентное состояние атома углерода (5р2-гибридизацию). Зарисуйте схемы и обозначьте валентные углы.
4. 	Каково строение молекулы углеводорода, если известно, что у одного атома углерода валентные связи находятся под углом 109°28', а у двух других атомов углерода валентные связи - под углом 120°?
84


с
Рис. 11. Схема валентных состояний атома углерода.
5. 	Как изменится пространственное строение углеводорода при следующем переходе: СгНь-^С^Н*-*С2Н2? Приведите для этих соединений данные, характеризующие связи атомов углерода (длина, энергия), укажите тип гибридизаций.
Примеры для закрепления понятия электронного строения при изучении других классов соединений:
1. 	Дайте графическое изображение схемы о-связей молекулы этанола, соблюдая валентные углы.
2. 	Приведите графическое изображение молекулы ацетальдегида, соблюдая валентные углы между химическими связями.
§ 14. УГЛЕВОДОРОДНЫЕ РАДИКАЛЫ
В формировании электронных представлений большое значение имеет понятие «радикал». Это понятие позволяет: а) уяснить химическое и электронное строение вещества; б) понять взаимное влияние атомов в молекулах; в) усвоить механизмы химических реакций; г) уяснить принципы номенклатуры органических соединений. Оно, таким образом, обслуживает более общие понятия органической химии.
В знаниях учащихся о радикалах обнаружен ряд недостатков: не всегда они указывают наличие неспаренных электронов, смешивают, как отмечают В. В. Кустова, Д. П. Ерыгин, понятия «радикал» и «ион», считают, что радикал несет на себе заряд, не разграничивают понятия «радикал» (как группировку атомов в молекуле) и «свободный радикал», имеют ограниченное представление о значении радикалов. Эти недостатки в знаниях учащихся можно объяснить тем, что: а) понятие «радикал» формируется одновременно с другими понятиями; о нем как бы попутно идет речь; б) не рассматриваются строение и свойства свободных радикалов.
Отмеченные недостатки можно изжить, если вопросу изучения радикалов придать большее значение, если усовершенствовать методику формирования понятия о радикалах.
В формировании понятия об углеводородных радикалах с учетом их строения можно выделить четыре ступени: на первой рассматриваются химически связанные радикалы, для которых характерны о-связи, и свободные радикалы; на второй — радика¬


лы, имеющие одну л-связь (например, радикал винил); на третьей ступени — радикалы, для которых характерно единое л-электроннфе облако (радикал фенил); на четвертой — сочетание углеводородных радикалов и функциональных групп. Первые три ступени, таким образом, охватывают класс углеводородов, четвертая — кислород- и азотсодержащие соединения.
Рассмотрим основное содержание отмеченных ступеней. Первая из них включает рассмотрение химически связанных радикалов в молекулах предельных углеводородов нормального (нераз- ветвленного) строения. Не следует требовать от учащихся, толькб что приступивших к изучению органической химии, знаний о радикалах изостроения (изопропил, изобутил и т. д.). Учащиеся получают представление о свободных радикалах с точки зрения их состава, химического и электронного строения. Пространственное строение свободных радикалов изучается на примере наиболее простого радикала метила.
В результате изучения свободных радикалов предельных углеводородов учащиеся должны усвоить следующие основные признаки: наличие неспаренных электронов у атома углерода, плоское строение той части радикала, где атом углерода имеет неспаренный электрон, большая реакционная способность, непродолжительность существования. Чтобы у учащихся не сложилось мнение о существовании только одновалентных радикалов, целесообразно дать самое общее представление о двухвалентном радикале. Это можно осуществить на примере группы метилена.
Вторая ступень изучения радикалов включает: а) влияние строения радикала винила (наличие л-связи, плоское строение) на свойства этиленовых углеводородов; б) взаимное влияние радикалов предельных углеводородов и радикала винил.
На третьей ступени рассматриваются особенности радикала фенила (единое л-электронное облако, плоское строение), изучается взаимное влияние радикала фенила и радикалов предельных углеводородов.
На последней, четвертой ступени изучается взаимное влияние радикалов и функциональных групп.
В формировании понятия об углеводородных радикалах наибольшее значение имеет первая ступень — изучение радикалов предельных углеводородов. Именно на этой ступени раскрываются коренные вопросы о свободных радикалах (образование, электронное и пространственное строение, реакционная способность и др.), их отличие от химически связанных радикалов.
Последовательность изложения признаков формируемого понятия «свободный радикал» может быть дана по такой схеме (схема 4, см. форзац I): свободный углеводородный радикал — частица с неспаренными электронами, у которой отсутствует заряд, имеет пространственное строение; частица характеризуется большим запасом энергии, что обусловливает ее кратковременное существование и высокую химическую активность, подтверждаемую химическими свойствами.
«6


Первые три признака являются признаками причины, остальные признаки характеризуют следствия.
Дальнейшее рассмотрение радикалов в школьном курсе органической химии будет в основном сводиться к использованию сформированного понятия о химически связанном радикале при объяснении сущности взаимного влияния атомов в молекулах.
Рассмотрим кратко методику изучения углеводородных радикалов. Первый вопрос: в каком месте темы «Предельные углеводороды» следует вводить понятие о радикалах? Как показывает опыт, наиболее целесообразно это сделать после изучения строения предельных углеводородов.
Далее появляется вопрос: как изучать углеводородные радикалы? Здесь возможны различные варианты. По первому варианту — дедуктивному — ознакомление учащихся с углеводородными радикалами начинают с обзора их химического и электронного строения. Второй вариант — индуктивный — предусматривает изучение вначале простейшего радикала метила, а затем ознакомление с другими углеводородными радикалами.
Рассмотрим методику изучения указанных радикалов по второму варианту. Учащимся уже знакомо строение предельных углеводородов; они могли заметить, что их молекулы состоят из химически связанных между собой групп атомов. Например, молекула этана НзС:СН3, молекула пропана НзС:СН2:СН3. Отмечаем, что группы, из которых состоят молекулы углеводородов, носят название углеводородных радикалов, но эти радикалы химически связаны между собой. Для рассмотрения вопроса о строении одного радикала делают такую запись:
Н3С:СНз — Н3С’ + вСНз
У каждой группы имеется один неспаренный электрон. Такую группу называют свободным радикалом.
Затем выясняют, имеет ли такой радикал заряд. Если учащиеся затрудняются дать ответ, им предлагают сравнить радикал метил с нейтральным атомом, например:
н
:с1- н:с- н
В результате обсуждения учащиеся приходят к следующим выводам: а) радикал метил, как и атом хлора,— нейтральная частица, не имеет какого-либо заряда; 6) у радикала метила, как и у атома хлора, один неспаренный электрон.
Обсуждение пространственного строения радикала метил учитель ведет, используя модель молекулы метана. В модели «атом углерода» находится в центре тетраэдра. Если «разорвать» одну связь, то «атом углерода» упадет на плоскость, на которой находятся три «атома водорода» (рис. 12). Учащиеся могут сделать правильный вывод: три связи С—Н лежат на одной плоскости и валентный угол между ними составляет 120° (рис. 13). Так как пространственное строение молекулы вещества или частицы опре-
87


Рис. 12. В молекуле метана разорвана одна связь.
Рис. 13. Модель плоского строения радикала метил.
деляется направлениями связей, то можно утверждать, что радикал метил имеет плоское строение.
Далее рассматривают валентность радикалов. Радикал метил одновалентен, так как у него один неспаренный электрон. Затем приводят примеры других одновалентных радикалов и дают им названия:
Этил С2Н5, или СНз—СН2, пропил С3Н7, или СНз—СН2—СН2
Указывают на условное обозначение одновалентных углеводородных радикалов (К’)- Углеводородные радикалы могут иметь валентность два, например радикал метилен СН2.
Затем отмечают, что радикалы СНз, СгН5, СзН7 и др. называют свободными, хотя они существуют доли секунды, например метильный и этильный радикалы существуют всего 0,001 с, радикалы более сложного строения, существуют дольше.
Чтобы обратить внимание на различие между свободными радикалами и радикалами, входящими в состав химических соединений (химически связанные радикалы), целесообразно дать учащимся упражнения, например: укажите, какие частицы являются свободными радикалами и в каких веществах содержатся химически связанные радикалы:
С,Н,С1; С,НИ; 2п(СН,),; СН,—С—СН,; СН,—СН—СН, / Э Э I I Л/ 3 । Л э । □
сн3 сн3
Необходимо подчеркнуть, что свободные радикалы получаются только в процессе реакций: при сильном нагревании, действии видимого или ультрафиолетового света, горении, взрыве, окислении. С помощью физических методов обнаружены свободные радикалы в межзвездном пространстве, а также в обычных материалах и веществах (при дроблении пластмасс, угля, кварца и т. д.).
Далее рассматривают свойства свободных радикалов. Учащиеся самостоятельно приходят к выводу, что свободные радикалы должны обладать высокой реакционной способностью, большой энергией, так как у них имеются неспаренные электроны. Для подтверждения их химической активности приводят следующие реакции:
88


а) 	с металлами:
4СН3—СН2 + РЬ->РЬ (С2Н5)4 тетраэтилсвинец;
б) 	с молекулами галогенов:
К- +СЬ С1 + СЬ;
в) 	с радикалами:
СНз + СНз ^СНз—сн3;
г) 	с молекулами предельных углеводородов:
СН3 + С2Н6 » СН4 + С2Н5
Знание этих свойств подготавливает учащихся к пониманию свободнорадикального механизма реакции замещения.
В заключение учитель подводит итог, в котором отмечает основные признаки углеводородных радикалов, дает им определение как частиц с неспаренными электронами, обладающими высокой реакционной способностью.
Для закрепления понятия об углеводородных радикалах можно предложить учащимся вопросы и упражнения:
1. 	Укажите сходство и различие в строении молекулы метана и радикала метила.
2. 	Выведите формулы возможных одновалентных радикалов из изомеров, соответствующих составу С4Н|0. Рассмотрите, чего больше: изомеров или одновалентных радикалов.
По первому вопросу желательно, чтобы учащиеся сделали такую запись:
СН4 СНз
а) 	все электроны атома углерода спарены,
б) 	отсутствует заряд,
в) 	тетраэдрическое строение,
г) 	находится в свободном виде,
д) 	энергетически устойчива,
е) 	малоактивна при нормальных условиях.
Для решения последнего упражнен
а) 	имеется один неспаренный электрон,
б) 	отсутствует заряд,
в) 	плоское строение,
г) 	в свободном виде существует доли секунды,
д) 	энергетически неустойчив,
е) 	химически весьма активен.
ученик может составить такие схемы:
сн3
сн3—сн2—сн2—сн3
сн3—сн2—сн2—сн2
сн3—сн2—сн—сн3
сн3—СН—СН
сн3—сн—сн2
сн3
сн3—с—сн3
сн3
89


Из этих схем видно, что радикалов может быть больше, чем изомеров.
Изучение радикалов по рассмотренной методике (вычленение существенных признаков, установление связей между ними, использование упражнений и наглядности — модели и графика) позволяет добиться того, что почти все учащиеся рассматривают свободные радикалы как частицы с неспаренными электронами, отмечают их высокую химическую активность и химические свойства.
Рассмотренная глава, таким образом, включает вопросы, раскрытие которых позволяет выявить «внутреннее» электронное строение органических соединений, а также следствия такого строения. К «внутреннему» строению следует отнести образование химических связей (речь идет о о- и л-связях, о л-электронной системе в ароматических соединениях), их характеристику (длина, энергия, полярность связи), распределение электронной плотности в молекулах (все это обусловливает химические свойства соединений, их реакционную активность), водородную связь, которая осуществляется между определенными группами атомов.
«Внутреннее» строение органических соединений обусловливает взаимодействие между молекулами веществ. Углеводородные радикалы как частицы (осколки молекул) характеризуются таким электронным («внутренним») строением, которое определяет их высокую химическую активность.
В данной главе показаны возможности использования некоторых электронных теорий в школьном курсе органической химии.


Глава VI ФОРМИРОВАНИЕ ПОНЯТИЙ ВЗАИМНОГО
ВЛИЯНИЯ АТОМОВ В МОЛЕКУЛАХ
§ 15. СИСТЕМА ФОРМИРОВАНИЯ ПОНЯТИЙ ВЗАИМНОГО ВЛИЯНИЯ АТОМОВ В МОЛЕКУЛАХ
Учение о взаимном влиянии атомов позволяет учащимся понять, что молекула вещества — это не простая сумма атомов, что химическое соединение, как указывал А. М. Бутлеров, представляет собой определенную зависимость движения атомов.
В химии уже давно придается большое значение учению о взаимном влиянии атомов в молекулах как важнейшей составной части теории строения вещества.
Во времена А. М. Бутлерова и В. В. Марковникова была изучена лишь внешняя сторона проявления взаимного влияния атомов в молекулах, о сущности взаимного влияния в то время невозможно было судить, так как не была известна природа химической связи.
Учение о взаимном влиянии получило глубокое обоснование и развитие на основе электронной теории химической связи, позволившей прогнозировать реакционную способность веществ, направление реакций.
В совершенствовании методики изучения понятий взаимного влияния атомов приняли участие учителя и методисты. Г. Н. Осокина исследовала возможности изучения взаимного влияния атомов на электронной основе (на примере кислородсодержащих соединений), Н. П. Сальникова предложила начать формирование понятия взаимного влияния атомов на примере галогенопроизводных предельных углеводородов.
Школьный курс химии предусматривает вначале рассмотрение одностороннего влияния атомов в несложных молекулах неорганических веществ, затем взаимное влияние атомов освещается на галогенопроизводном метана — хлорметане (смещение электронной плотности, появление частичных зарядов), пропилене (сдвиг л-электронной плотности под влиянием метильного радикала), толуоле, а в дальнейшем на кислород- и азотсодержащих соеди-' нениях. Почти везде дается электронная трактовка взаимною влияния, лишь для отдельных соединений дано объяснение на атомно-молекулярном уровне (они обозначены звездочкой в табл. 6).
Сведения о взаимном влиянии атомов в общем усваиваются учащимися, однако часто у них системы знаний не образуется, глубина объяснений недостаточна. Учащиеся затрудняются дать обоснованный ответ об относительной активности кислот в случае появления электроотрицательного заместителя в углеводород ном радикале, указать изменения в распределении электронной плотности в молекулах под влиянием электроотрицательных аю
•и


мов (спирты, галогенопроизводные непредельных углеводородов и др.); многие учащиеся не отмечают влияние углеводородного радикала на поляризацию л-связи в молекулах этиленовых углеводородов; часто они затрудняются применять знания в новых условиях, например правило Марковникова, рассматриваемое в учебнике на реакциях пропилена, не используется, когда речь идет о других несимметричных углеводородах, содержащих радикалы этил, пропил и др.; поэтому часто при выполнении заданий учащиеся свои объяснения строят на примере, данном в учебнике; правилом Марковникова учащиеся пользуются чаще всего в его классическом виде, электронная трактовка правила вызывает много трудностей.
Таблица 6. Понятия взаимного влияния атомов
Темы
Сведения о взаимном влиянии атомов
Теория химического строения А. М. Бутлерова
Предельные углеводороды
Непредельные углеводороды
Ароматические углеводороды
Спирты
Многоатомные спирты
Фенолы
Альдегиды
Карбоновые кислоты
Амины
Анилин
Одностороннее влияние атомов в молекулах неорганических веществ*
Смещение электронной плотности в молекулах галогенопроизводных предельных углеводородов, введение частичных зарядов Электронная трактовка правила Марковникова
Взаимное влияние атомов в молекуле толуола
Указание на распределение электронной плотности в молекуле, поляризацию связи О—Н, объяснение активности атома водорода
Взаимное влияние гидроксильных групп в молекуле глицерина*
Электронная трактовка активности атома водорода гидроксильной группы. Распределение электронной плотности в бензольном кольце
Поляризация связи С==О, ее влияние на свойства вещества
Электронная трактовка взаимного влияния в карбоксильной группе. Влияние галогена на силу кислоты
Отталкивание электронной плотности от радикалов, возрастание электронной плотности на атоме азота
Объяснение основных свойств с электронной точки зрения
Опыт показывает, что эти и другие недостатки в ответах можно избежать, если более систематически рассматривать понятия взаимного влияния с использованием системы упражнений.
В построении системы формирования понятий взаимного влияния атомов следует исходить из того, что это явление общее для всех веществ — неорганических и органических. Знания, получаемые по неорганической химии, послужат базой для систёматиче- 92


ского изучения понятий в курсе органической химии. На первом этапе выясняется преимущественно одностороннее влияние непосредственно связанных атомов с учетом их электроотрицательности (например, на галогеноводородах). Знание электроотрицательности позволит судить о поляризации связи, о распределении электронной плотности в молекулах.
Второй этап включает последовательное и систематическое рассмотрение взаимного влияния атомов при изучении органических веществ.
Остановимся на втором, основном, этапе формирования понятий взаимного влияния атомов.
В школьном курсе химии заложены необходимые знания для формирования понятий о взаимном влиянии атомов, в которых сконцентрирован почти весь теоретический багаж школьников: электроотрицательность, полярность связи, особенности о- и л-связей, электронное строение вещества и т. д. Все эти понятия позволяют более последовательно рассматривать электронные эффекты, особенно индукционный эффект в школьном преподавании органической химии, хотя термин «индукционный эффект» не дается в школе. Под индукционным эффектом следует понимать передачу электронной плотности по цепи а-связей в направлении электроотрицательного атома.
Индукционный эффект раскрывает учитель вначале на галогенопроизводных предельных углеводородов, затем на этиленовых углеводородах, спиртах, альдегидах, кислотах и аминах. При этом прослеживается влияние углеводородных радикалов различного строения на функциональную группу и функциональной группы на углеводородные радикалы.
Такий образом, в формировании понятия взаимного влияния атомов с учетом индукционного эффекта можно обозначить три ступени: первая — взаимное влияние углеводородных радикалов и галогена; вторая — влияние углеводородного радикала на л-связи (или л-электронное облако бензола) и, наоборот, влияние л-связи (л-электронного облака бензола) на подвижность водородных атомов углеводородного радикала; третья — взаимное влияние радикалов и функциональных групп, а также взаимное влияние атомов в самих функциональных группах (схема 5).
Большое значение следует придать первоначальному ознакомлению с индукционным эффектом на примере галогенопроизводных предельных углеводородов. Здесь они получают первые представления о взаимном влиянии атомов, знакомятся с затухающим индукционным эффектом, что позволяет судить о направлении реакции замещения.
Касаясь эффекта сопряжения, необходимо отметить, что сам термин «сопряжение» отсутствует в школьном курсе, вместо него используются выражения «вступают во взаимодействие», «вовлекаются во взаимодействие» (если речь идет об электронах, электронной плотности). Эффект сопряжения выражается в передаче электронной плотности по системе л-связей.
93


Представление об эффекте сопряжения дается на примере бутадиена, затем бензола и его гомологов (толуол), фенола и анилина. Здесь также можно выделить три ступени (схема 5)_ первая ступень позволяет дать представление о распределении электронной плотности в молекулах с сопряженными связями — бутадиене и бензоле — ив связи с этим раскрыть специфичность свойств данных веществ; вторая ступень позволяет рассмотреть взаимное влияние углеводородного радикала и бензольного кольца на примере толуола; на третьей ступени учащиеся знакомятся со взаимным влиянием функциональных групп и бензольного кольца (на примере фенола, нитробензола, анилина).
Схема 5
Ступени формирования понятий взаимного влияния атомов в молекулах органических соединений
При изучении эффекта сопряжения в ароматических соединениях у учащихся складывается мнение, что электронная плотность у них всегда смещена в сторону бензольного кольца. Это представление можно рассеять, если рассматривать ароматические соединения, содержащие электронно-акцепторные группы, например нитрогруппу.
На второй и третьей ступенях рассмотрения эффекта сопряжения возникают методические трудности в трактовке реакции замещения в бензольном кольце. Они связаны с тем, что вопросы мезомерии являются весьма сложными для учащихся. Поэтому рассмотрение в школе эффекта сопряжения необходимо ограничить программой.
94


Система формирования понятий взаимного влияния атомов дает возможность вести постепенное накопление знаний и их обобщение, позволяет выделить места, которые определяют ка- чественно новые знания: галогенопроизводные предельных углеводородов, одноатомные спирты, альдегиды, карбоновые кислоты (частично) — для индукционного эффекта; бутадиен, бензол, толуол (частично), фенол, нитробензол (частично) для эффекта сопряжения.
Предлагаемая система изучения понятий взаимного влияния атомов, а также усовершенствованная методика формирования этих понятий положительно влияет на развитие мышления ума щихся (например, прогнозирование реакционной способности), на закрепление важнейших теоретических вопросов, изучаемых в курсе химии, на повышение качества знаний.
$ 16. МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ ВЗАИМНОГО ВЛИЯНИЯ АТОМОВ В МОЛЕКУЛАХ
Изучение понятий взаимного влияния атомов происходит при изучении почти всех классов органических соединений, что позволяет: а) систематически проводить в курсе органической химии идеи взаимного влияния атомов; б) широко применять знания по данному вопросу в новых ситуациях; в) использовать приемы сравнения, обобщения, а также проблемный подход.
В процессе формирования понятий о взаимном влиянии необходимо иметь в виду высказывания Л. М. Сморгонского и Я. Л. Гольдфарба. Они считают, что учащихся следует подводить к идее взаимного влияния атомов на фактическом материале, увязывая это явление с химическими свойствами тех или иных веществ.
Рассмотрение понятий взаимного влияния в курсе органической химии слагается как бы из двух стадий. На первой стадии, при ознакомлении учащихся с теорией химического строения (в начале курса), приводят примеры одностороннего влияния атомов в молекулах неорганических веществ. На второй, основной, стадии изучают взаимное влияние атомов в молекулах органических веществ.
Формирование понятий взаимного влияния атомов начинают на галогенопроизводных предельных углеводородов Методически это целесообразно сделать после изучения химических свойств углеводородов ряда метана (в этом случае учащиеся будут иметь возможность прибегать к различным галогенопроизводным).
При изучении галогенопроизводных учащихся подводят к еле дующим выводам: а) углеводородные радикалы - доноры электронов; б) наиболее сильное взаимное влияние у непосредственно связанных атомов (углерод — галоген); в) влияние атома галогена на непосредственно не связанные с ним атомы в молекуле постепенно снижается. К таким выводам учащихся подводят в результате 95


рассмотрения вначале простейшего галогенопроизводного (например, хлорметана или бромметана), а затем более сложного соединения, в котором содержится углеводородный радикал этил или* пропил. Проведенный отбор материала обусловлен тем, что на хлор (бром) метане наглядно еще не «просматривается» затухающий характер влияния галогена на другие атомы, соединенные а-связью.
Сравнивая строение молекулы предельного углеводорода и его галогенопроизводного, например метана и хлорметана, учащиеся смогут прийти к выводу: электронная плотность в связи С—С1 более сдвинута в сторону электроотрицательного атома — хлора. Эта связь более полярна, чем связь С—Н.
Выяснение характера распределения электронной плотности в молекулах метана и хлорметана подводит учащихся к вопросу о различной химической активности вещества. Обычно они отмечают большую химическую активность хлорметана, так как у него имеется сильно поляризованная связь С—С1. Но при этом они затрудняются сделать выводы о влиянии атома хлора на связи С—Н, т. е. возникает вопрос о влиянии непосредственно не связанных атомов друг на друга.
Объяснение начинают с выяснения влияния атома хлора на другие атомы, так как именно атом хлора внес изменение в распределение электронной плотности в молекуле. Хлор оттягивает электронную плотность в первую очередь от соседнего с ним атома углерода, на котором создается дефицит электронной плотности. Свой заряд атом углерода компенсирует за счет оттягивания электронной плотности от атомов водорода, в результате чего они приобретают подвижность. Таким образом, атом хлора влияет на непосредственно не связанные с ним атомы водорода.
Рассмотрев влияние атома хлора на другие атомы, можно задать учащимся вопрос: какое соединение с большей скоростью вступит в реакцию замещения (хлорирования): метан СН4 или хлорметан СН3С1? Обычно учащиеся дают правильный ответ: с большей скоростью замещается водород в хлорметане.
Далее отмечают, что и радикал метил влияет на атом хлора. Для большей доказательности целесообразно сравнить хлорметан с хлорводородом. Молекулы этих веществ полярны, но, оказывается, большей полярностью характеризуется хлорметан. Поэтому реакции проходят по сильно полярной связи С—С1 (например, взаимодействие с активным металлом — натрием).
После раскрытия понятия взаимного влияния атомов на примере хлорметана учащимся предлагают рассмотреть распределение электронной плотности в молекуле бромэтана (бромпропана), выяснить влияние брома на радикал этил и дать ответ, равноценны ли по своей прочности связи С—Н в СН2 и СН3-группах. На основании этого нужно ответить, каким образом будет проходить реакция замещения (бромирование) в бромэтане. Знания учащихся о взаимном влиянии атомов в бромметане оказываются явно недостаточными для того, чтобы высказать суждение о влия-
96


нии атома брома на непосредственно не связанные с ним атомы. В связи с этим учащиеся с помощью учителя должны провести обсуждение поставленных вопросов.
Далее рассматривают распределение электронной плотности в молекуле бромэтана. Отмечают, что наибольший сдвиг электронной плотности происходит от непосредственно связанного с бромом атома углерода. Этот атом восполняет убыль в заряде за счет оттягивания электронной плотности от следующего атома углерода и «своих» атомов водорода. Второму атому углерода приходится «довольствоваться» более слабым оттягиванием электронной плотности от «своих» трех атомов водорода. Условно сдвиг электронной плотности можно изобразить стрелками:
Н Н
Ь а
Н—Сд —С5+ —Вг6" ;
I I
н н
В результате учащиеся приходят к следующим выводам: влияние атома брома по цепи а-связей постепенно падает, наиболее подвижными атомами водорода оказываются те, которые находятся ближе к электроотрицательному атому, они замещаются в первую очередь.
Изучение галогенопроизводных позволило установить, что углеводородные радикалы в соединениях, в которых содержится электроотрицательный атом, являются донорами электронов. Это положение готовит учащихся к пониманию вопроса о взаимном влиянии атомов в молекулах этиленовых углеводородов, где двойную связь можно рассматривать как место скопления отрицательного заряда. Взаимное влияние атомов раскрывают на симметричных и несимметричных углеводородах. При этом важно провести сравнение между этими соединениями (например, этиленом и пропиленом), что позволит прийти к выводу о симметричном распределении электронной плотности у одних соединений (этилен) и несимметричном у других (пропилен). Этот вывод подводит учащихся к пониманию частичной поляризации л-связи в молекулах пропилена (в стационарном состоянии) и других несимметричных этиленовых углеводородов, происходящей под влиянием углеводородных радикалов. Вместе с тем это позволяет утверждать, что молекулы веществ, в которых несимметрично распределена электронная плотность, химически более реакционноспособны, чем симметрично построенные молекулы.
Рассмотрим данное положение на примере пропилена. В метильном радикале электронная плотность от атомов водорода смещена к атому углерода, в результате чего на нем скапливается избыточный отрицательный заряд, под влиянием которого происходит сдвиг электронов к центральному атому углерода, последний вызывает сильное смещение л-электронов двойной связи к атому углерода СН2-группы:
4 Зак. 2175 И. Н. Чертков
97


н\ 6+
н-*с—сн=сн2 нх
Таким образом, учащиеся подходят к выводу: чем более поляризована в молекулах этиленовых углеводородов л-связь, тем выше их реакционная способность.
Выполнение упражнений с использованием примеров несимметричных этиленовых углеводородов, в молекулах которых содержатся различные углеводородные радикалы (метил, этил и т. д.), даст возможность учащимся шире применять свои знания, так как они не будут «привязаны» только к метильному радикалу.
Установление распределения электронной плотности в молекуле позволяет обосновать протекание той или иной реакции, дать электронную трактовку правила Марковникова. Опыт показывает, что если учитель при объяснении правила Марковникова делает акцент на схему, в которой указаны одновременно основная и побочная реакции, то часть учащихся в дальнейшем затрудняется в выборе преимущественно идущей реакции. В связи с этим целесообразно рассмотреть, в первую очередь, только основную (преимущественную) реакцию, а когда учащиеся усвоят ее, лишь тогда можно указать на протекание побочной реакции.
6+ 6+5-
СН3—СН=СН2 4- НС1 ► снз—СНС1—снз (преимущественная реакция)
Рассуждения по поводу этой реакции могут быть такие. Прото- низированный водород молекулы хлороводорода в принципе может присоединиться либо к атому углерода метиленовой группы, либо к среднему атому углерода. При этом образуются два катиона:
сн3—сн=сн2
+ н+
|—— сн3-*сн*-сн3
—— сн3—*■ сн2-*сн2
(1)
(2)
Энергетически более выгоден катион 1, чем катион 2, так как положительный заряд в нем частично гасится двумя метильными радикалами. В катионе 2 положительный заряд находится под влиянием одного радикала. Отсюда вывод: более вероятно образование катиона 1. Действительно, образуется преимущественно 2-хлорпропан (90%).
Указанный пример позволяет сделать более общий вывод: реакции протекают предпочтительнее через те промежуточные частицы (в данном случае — катионы), в которых заряд не сосредоточен на одном атоме, а «размазан» (делокализован) между несколькими атомами. Такие частицы обладают меньшей энергией.
Таким образом, при изучении этиленовых углеводородов основное внимание обращают на вопрос о влиянии углеводородных радикалов на л-связь, ее поляризацию. Однако необходимо иметь 98


в виду и влияние двойной связи на характер связи С—Н в радикале. В радикале происходит сдвиг электронной плотности от атомов водорода к атому углерода, поэтому связь С—Н становится более полярной, атомы водорода приобретают подвижность. В подтверждение можно привести реакцию хлорирования, например, пропилена при высокой температуре (500°С). Хлорирование происходит по связи С—Н метильного радикала (реакция замещения), а не по месту двойной связи (реакция присоединения).
СН,—СН=СН, + С1, — СН,—СН=СН, + НС1
3 II । 2 2
С1
3-хлорпропен
На этом примере учащиеся могут убедиться, что изменение условий приводит к изменению механизма реакции.
При изучении этиленовых углеводородов учащимся можно дать задания: а) покажите графически (стрелками), как распределяется электронная плотность в молекуле трифторпропена Г3С—СН=СН2;
б) напишите уравнение реакции взаимодействия этого вещества с бромоводородом. Это упражнение позволит учащимся увидеть границу применения правила Марковникова. Естественно, внедрение трех электроотрицательных атомов в молекулу пропилена приводит к перераспределению электронной плотности, к нарушению правила Марковникова:
Р*-С*С=СН2 + НВг — Рзс—сн2—СН2Вг
I н
Установленные закономерности взаимного влияния атомов для этиленовых углеводородов закрепляют потом на ацетиленовых углеводородах. Здесь можно ограничиться лишь таким упражнением: какое вещество — ацетилен или пропин (метилацетилен) — вступит в реакцию с бромоводородом с большей скоростью? Дайте объяснение и приведите механизм реакции для более активного вещества.
Далее рассматривают взаимное влияние атомов в молекулах, в которых содержится бензольное ядро. Обычно учащиеся затрудняются сами сделать какие-либо выводы о взаимном влиянии атомов в молекуле толуола. Поэтому им предлагается выяснить, какое вещество — толуол или гептан - с большей скоростью вступит в реакцию с бромом. Учащиеся, зная, что углеводородные радикалы являются донорами электронов, приходят к следующим выводам: в отличие от гептана у молекул толуола электронная плотность сдвинута от метильного радикала к бензольному ядру, в результате чего связи С—Н в СН3-группе становятся более полярными, чем такие же связи у гептана, атомы водорода приобретают подвижность, они могут замещаться атомами галогена, подобно предельным углеводородам.
Этот вывод подкрепляется опытом, разработанным Ю. А. Колударовым и Н. П. Сальниковой. В две пробирки наливают: в одну—2 мл гептана, в другую— столько же толуола. В каждую пробирку приливают 2- 3 капли брома (тяга!) и закрывают пробкой. Источник света (лампа на 500 вт, кварцевая лампа и др.) ставят на расстоянии 10 15 см от пробирок. Через I мин происходи! обесцвечивание брома в пробирке с толуолом, и лишь через 8 мин то же паблю- 4*
99


дают в пробирке с гептаном. К отверстию пробирок подносят черную полоску бумаги, смоченную раствором нитрата серебра, и обнаруживают бромоводород. Затем учащиеся составляют уравнения реакций:
СНз— (СН2)4—СН2—СНз + Вг2—СНз— (СН2)4—СНВг—СНз + НВг.
С6Н5—СНз + Вг2-> С6Н5—СН2Вг + НВг
Реакция бромирования толуола более доступна учащимся, чем реакция окисления, где приходится знакомить их с новым классом веществ — ароматическими кислотами.
Под влиянием углеводородного радикала СН3 происходит перераспределение электронной плотности в бензольном кольце молекулы толуола, скопление ее в положениях 2, 4, 6:
н I н—с— н
I
6-
Записью уравнения реакции нитрования подтверждают указанный факт.
Дальнейшее развитие понятий взаимного влияния происходит при изучении темы «Спирты». В связи с тем что свойства спиртов определяются функциональной группой, следует вначале изучить вопрос о влиянии на нее углеводородного радикала нормального строения. Для суждения о распределении электронной плотности в молекуле спирта, например этанола, у учащихся имеются опорные знания: им известно, что гидроксильная группа полярна, что радикал является донором электронов, что атом кислорода в молекуле наиболее электроотрицателен и, следовательно, к нему смещена электронная плотность всех атомов. Эти суждения подводят учащихся к выводу о большой подвижности атома водорода гидроксильной группы, о проявлении этанолом некоторых кислотных свойств (например, взаимодействие с натрием).
Для более глубокого понимания этого вопроса учащимся следует предложить такое упражнение:
Какой спирт — метанол или 2-метилпропанол-2—с большей скоростью будет реагировать с натрием?
В молекуле 2-метилпропанол-2 происходит сдвиг электронной плотности от трех метильных радикалов:
сн3
6— 6+ I 6— 6+
СН,—О-*~Н; СН,— С—О—Н; 6’->6-
3 I сн3 поэтому отрицательный заряд 6“ на атоме кислорода по сравнению с метанолом возрастает, что приводит к более сильному притяжению атома водорода. Значит, с меньшей скоростью будет реагировать с натрием 2-метилпропанол-2.
100


На основании этих примеров можно сделать вывод: чем больше сдвиг электронной плотности к атому кислорода, тем слабее выражены кислотные свойства спирта.
Далее выясняют у учащихся: можно ли повысить кислотные свойства спирта, т. е. повысить подвижность атома водорода гидроксильной группы (степень диссоциации)? Если да, то каким образом? Обычно хорошие ученики приходят к правильному выводу: необходимо оттянуть часть электронной плотности от кислорода, тогда кислород, стремясь компенсировать заряд, будет с большей силой притягивать электрон атома водорода, последний становится более активным. Этого можно достичь, вводя в радикал электроотрицательный атом, например хлор:
6- д + С1^СН2ч-СН2^О^Н
Для выяснения вопроса влияния галогена на подвижность атома водорода в гидроксильной группе учащимся можно дать задание: у какого спирта — этанола СН3СН2ОН, хлорэтанола С1СН2СН2ОН, трихлорэтанола СС13СН2ОН или трифторэтанола СЕ3СН2ОН — больше степень диссоциации? Расположите спирты в порядке убывания степени диссоциации. В результате рассмотрения этих спиртов с точки зрения распределения электронной плотности в их молекулах учащиеся приходят к выводу о наиболее высокой степени диссоциации у трифторэтанола:
СЕ3СН2ОН > СС13СН2ОН > С1СН2СН2ОН > СН3СН2ОН
Влияние гидроксильной группы на радикал лучше всего рассмотреть на примере окисления спирта. Учащимся можно будет дать такое задание: зная распределение электронной плотности в молекуле этанола, укажите, какие атомы водорода будут окисляться в первую очередь. В результате обсуждения они приходят к выводу об окислении атомов водорода метиленовой группы.
н н
I I 6- 6+ н—с—с—о—н
I I
н н
[О]
На примере гидроксильного соединения — фенола происходит совмещение знаний учащихся о взаимном влиянии атомов в спиртах и толуоле. На основании структурной формулы фенола им еще трудно судить о взаимном влиянии атомов в молекуле; обычно они отмечают сходство между фенолом и спиртом, указывают на подвижность атома водорода в гидроксильной группе.
Прежде чем начать объяснение, учитель ставит опыт взаимодействия фенола и этанола с раствором щелочи. Постановка опыта вводит учащихся в проблемную ситуацию: они знают, что вещества, содержащие гидроксильную группу (спирты), не вступают в реакцию со щелочью (при нормальных условиях), но, оказывается, фенол реагирует с гидроксидом натрия. Учащиеся убеждаются 101


в том, что у фенола более выражены кислотные свойства, чем у этанола. Как это объяснить? Учащиеся затрудняются решить поставленную проблему, они не в состоянии указать распределение* электронной плотности в молекуле фенола, сделать выводы о взаимном влиянии атомов в ней.
Здесь важно отметить, что пара электронов атома кислорода, принимающих вид объемных восьмерок, вступает во взаимодействие с л-электронным облаком бензольного ядра.
:о—н6+
«-
В результате этого на кислороде уменьшается отрицательный заряд. Дальше учащиеся сами делают вывод о большой подвижности атома водорода, зная взаимное влияние в молекулах спиртов.
Учитель рассказывает о «нагнетании» электронной плотности в бензольном ядре, о ее распределении в нем, сравнивая фенол с бензолом и толуолом.
При изучении альдегидов обращают внимание на следующие вопросы: влияние углеводородного радикала на карбонильную группу, влияние карбонильной группы на подвижность атома водорода функциональной группы. Рассмотрим эти вопросы на примере сравнения активности муравьиного и уксусного альдегидов. Связь в карбонильной группе муравьиного альдегида
Н—С=О СН,— С=О 6+>6'+
I I
н н
сильно поляризована, на атоме углерода имеется значительный положительный заряд 6+; в уксусном альдегиде положительный заряд 6+ на карбонильном углероде уменьшается, так как его частично гасит метильный радикал, связь С=О становится менее поляризованной по сравнению с метаналем. Следовательно, в реакцию присоединения с большей скоростью вступает муравьиный альдегид, чем уксусный. Это же касается реакции окисления: на атоме углерода связи С=О у муравьиного альдегида больший положительный заряд 6+, чем у уксусного, поэтому он сильнее притягивает электрон от атома водорода альдегидной группы, последний становится более подвижным и легко окисляется.
Для закрепления материала об альдегидах учащимся можно предложить такое упражнение: какой альдегид — уксусный или хлоруксусный — вступает в реакцию с большей скоростью?
Рассмотрение распределения электронной плотности в молекулах указанных альдегидов подводит учащихся к выводу о большей активности хлоруксусного альдегида, так как хлор — электроотрицательный атом — оттягивает часть электронной плотности от атома углерода карбонильной группы:
102


6+гчб С1 —СН,—С=О 2 I н
В результате положительный заряд 6+ на нем возрастает, что приводит к большей поляризации связи С==О и повышению активности водорода альдегидной группы.
Выяснение вопроса взаимного влияния атомов в карбоновых .кислотах можно условно подразделить на два этапа: на первом -вскрывают влияние друг на друга карбонильной и гидроксильной групп, устанавливают высокую активность атома водорода карбоксильной группы; на втором выясняют влияние радикала на карбоксильную группу. Рассмотрение этих этапов позволяет установить химическую активность кислот.
На втором этапе изучают различную активность кислот. Сравнивая муравьиную и уксусную кислоты, можно прийти к выводу, что метильный радикал частично гасит положительный заряд д + на карбоксильном углероде.
6+ • • 6* 6+ .. 6+
Н—С—О —Н ; СН<-С—О—Н
г1 " "
В результате этого оттягивание электронной плотности от кислорода и водорода гидроксильной группы уменьшается, подвижность водорода в уксусной кислоте уменьшается.
В данном случае рассматривается проявление в молекулах кислот индукционного эффекта, в действительности действуют и эффект сопряжения, который преобладает
Радикал этил еще в большей степени гасит частичный положительный заряд на атоме углерода карбоксильной группы, и, следовательно, масляная кислота слабее уксусной. Так, учащиеся приходят к выводу об уменьшении химической активности карбоновых кислот по мере увеличения углеводородного радикала.
Далее учащимся ставится вопрос: можно ли повысить кислотность карбоновой кислоты? Каким образом? После рассмотрения спиртов и альдегидов ответ на этот вопрос не вызывает у учащихся трудностей. Дело здесь сводится к тому, чтобы оттянуть часть электронной плотности от атома углерода карбоксильной группы, несущего частичный положительный заряд, т. е. к необходимости ввести в радикал электроотрицательный атом (фтор, хлор и др.). Примером может быть фторуксусная кислота
Е—СН. — С —О—Н
103


В этом случае повышается положительный заряд 6^ на карбоксильном атоме углерода, последний будет с большей силой, чем в уксусной кислоте, оттягивать электронную плотность от- кислорода и водорода гидроксильной группы, атом водорода легко протонизируется.
Кислотность повышается и при внедрении в радикал гидроксильной группы. Учащимся можно предложить такой вопрос: у какой кислоты — масляной или молочной — выше кислотность? Дайте пояснения. Атом кислорода гидроксильной группы молочной кислоты оттягивает на себя часть электронной плотности от карбоксильного атома углерода, что приводит к увеличению на нем 6 + :
6* 5+
сн,-*сн—С—О—н * <Л-
Поэтому атом водорода гидроксильной группы в молочной кислоте более подвижен, чем в масляной кислоте.
Изучение взаимного влияния, связанного со смещением электронной плотности по цепи о-связей, завершается на аминах. Сравнивая распределение электронной плотности в молекулах этиламина, диэтиламина учащиеся самостоятельно могут установить такую закономерность: чем больше отрицательный заряд 6~ на атоме азота аминогруппы (он увеличивается за счет радикалов), тем более выражены основные свойства у амина.
С2Н5"*ЫН2 С2Н5-*ЫН 6->6- с2н5
Учителю необходимо иметь в виду, что мерность нарушается у триэтиламина. Это установленная законо- можно объяснить тем,
что атом азота плотно окружают три углеводородных радикала, создающих трудности в присоединении протона. Поэтому триэтил- амин уступает по основным свойствам диэтиламину.
Завершается изучение взаимного влияния атомов в ароматических соединениях на примере анилина. Учащиеся, зная строение и свойства предельных аминов и фенола, в состоянии самостоятельно охарактеризовать взаимное влияние атомов в молекулах анилина, объяснить более слабые основные свойства его по сравнению с аминами жирного ряда. Учитель может дополнить их ответ. Единое л-электронное облако вступает во взаимодействие с непо- деленной парой электронов азота аминогруппы:
5
104


Вследствие этого электронная плотность на атоме азота уменьшается, что ослабляет его способность связываться с протоном. Одновременно и аминогруппа влияет на бензольное кольцо, «нагнетая» электронную плотность в положениях 2, 4, 6. В этих положениях ц происходит замещение атомов водорода на другие атомы.
В заключение остановимся на вопросе о графическом изображении смещения электронной плотности в молекулах. Проверка большого числа работ учащихся показала, что учителя по-разному показывают смещение электронной плотности, большей частью произвольно.
Обычно, когда речь идет о смещении электронной плотности по цепи а-связей (индукционный эффект), графически изображают его стрелкой между атомами, совпадающей по направлению с валентным штрихом. Если смещение электронной плотности связано с присутствием в молекуле л-связи или сопряженной системы, то его изображают изогнутой стрелкой, берущей начало от центра л-связи и заканчивающейся на атоме углерода. Например:
сн2=сн*-сн2—сн3
Усовершенствованная методика формирования и развития понятий взаимного влияния, включающая систему упражнений, позволяет значительно улучшить качество знаний учащихся, способствует развитию их мышления, творческой самостоятельности. Так, они успешно справляются с заданиями, в которых нужно определить более активное вещество, влияние радикалов, электроотрицательного атома на поляризацию связи, влияние функциональной группы на радикал, применяют правило Марковникова.
§ 17. ЛОГИЧЕСКИЕ ПРИЕМЫ В ПРОЦЕССЕ ИЗУЧЕНИЯ ВОПРОСА ВЗАИМНОГО ВЛИЯНИЯ АТОМОВ
Сравнения. Весь изучаемый материал о взаимном влиянии атомов построен на сравнениях, так как, для того чтобы стала очевидной взаимность влияния атомов или групп атомов, необходимо сопоставить несколько соединений. При этом можно сравнивать несколько веществ одного класса или различных классов.
Рассматривая понятие о взаимном влиянии на примере галогенопроизводных предельных углеводородов, проводят сравнение связей С—Н и С—Г (Г — галоген), что позволяет установить более легкое прохождение реакций галогенирования у галогенопроизводных.
При изучении этиленовых углеводородов сопоставляют свойства симметричных и несимметричных этиленовых углеводородов: выявляют влияние углеводородного радикала на поляризацию л-связи, реакционную способность несимметричных углеводородов. Подобным приемом пользуются также и с ацетиленовыми углеводородами (симметричными и несимметричными).
105


Рассмотрение влияния углеводородного радикала на бензольное кольцо (толуол) проводят в сравнении с бензолом и метаном. Сопоставляя способность к реакциям замещения у толуола и бензола, отмечают более легкое ее протекание в случае толуола; выясняя влияние бензольного ядра на метильный радикал в молекуле толуола, указывают легкую окисляемость толуола по сравнению с метаном, способность толуола на свету вступать в реакцию галогенирования по связи С—Н группы СН3, подобно предельным углеводородам.
При изучении кислород- и азотсодержащих соединений сравнивают полярность связей С—Н и О—Н в молекулах спирта; влияние различных радикалов на подвижность атома водорода гидроксильной группы; взаимное влияние атомов в молекулах различных альдегидов; влияние радикалов на поляризацию связи С=О, на подвижность водорода альдегидной группы; подвижность атома водорода карбоксильной группы в молекулах кислот под влиянием углеводородных радикалов, электроотрицательных атомов; свойства аммиака со свойствами аминов жирного ряда; строение и свойства аминов жирного ряда со свойствами аминов ароматического ряда; влияние углеводородных радикалов на проявление основных свойств аминами жирного ряда.
Сравним вещества, принадлежащие к разным классам органических соединений. Сравнение имеет большое значение, так как подводит к обобщениям.
Сопоставляя одноосновную кислоту, одноатомный спирт и альдегид, удается выяснить взаимное влияние гидроксильной и карбонильной групп в молекулах карбоновых кислот:
К— С—О—Н ; К-* С—О—Н ; К—С—Н
4 !
Кислота Спирт Альдегид
При сравнении спирта с кислотой выясняют, что подвижность водорода гидроксильной группы кислоты повышается, так как вместо двух атомов водорода появился электроотрицательный атом — карбонильный кислород, оттягивающий часть электронной плотности от кислорода гидроксильной группы. При сравнении кислоты и альдегида можно установить, что замена водорода в альдегиде на гидроксильную, группу изменяет характер карбонильной группы: она становится в кислоте неактивной.
В данном случае были взяты три вещества с различными функциональными группами, у которых попарно имеются некоторые одинаковые элементы строения (ОН-группы, С=О-группы).
Приведем еще пример тройного сравнения. Учащиеся, сопоставляя фенол, бензол и этанол, выясняют взаимное влияние радикала фенила и гидроксильной группы в молекуле фенола:
с2н5он
106


При сравнении бензола и фенола устанавливают влияние гидроксильной группы на бензольное ядро (по действию бромной воды), а сравнение фенола и спирта позволяет выявить влияние на гидроксильную группу радикала фенила (в сравнении с радикалом этила).
ЧастЬ возникает необходимость сравнивать два вещества, принадлежащих к различным классам соединений. Например, при рассмотрении анилина и фенола отмечают общее для них: наличие яеподеленных электронов (у кислорода и азота), взаимодействие пары электронов с л-электронным облаком бензольного ядра.
Аналогия. Приведем несколько примеров аналогий. Учащиеся, узнав о природе влияния атомов в гидроксильной группе предельных одноатомных спиртов, о результатах этого влияния и переходя к изучению многоатомных спиртов и фенола, делают умозаключения по аналогии, а именно: так как у многоатомных спиртов и фенола имеются гидроксильные группы, то в них должно наблюдаться взаимное влияние атомов, подобно тому как у одноатомных спиртов.
Учащимся известно, что аммиак, в молекулах которого на атоме азота содержится неподеленная пара электронов, способен присоединять протон, т. е. проявляет основные свойства. Они приходят к выводу, что амины, в молекулах которых также на атоме азота неподеленная пара электронов, должны проявлять основные свойства.
Зная, что внедрение электроотрицательного атома в углеводородный радикал молекулы спирта приводит к усилению его кислотных свойств, учащиеся по аналогии приходят к такому же выводу в случае карбоновой кислоты, содержащей галоген.
Обобщение. По мере изучения школьного курса органической химии усложняется строение вещества, а следовательно, усложняется и характер взаимного влияния атомов в молекулах. В связи с этим обобщение сведений о взаимном влиянии можно проводить на различном уровне обобщенности понятий. Обобщения могут быть в процессе прохождения отдельных тем курса, например этиленовых углеводородов, спиртов, альдегидов, кислот, аминов.
Могут быть другие варианты в зависимости от поставленной цели. Если цель — обобщить вопрос о кислотных или основных свойствах органических соединений, то обобщения проводят после изучения карбоновых кислот или аминов. Возможно обобщение о взаимном влиянии в ароматических соединениях (при рассмотрении анилина), о реакционной способности органических веществ и др. Весьма целесообразно в процессе изучения понятий взаимного влияния атомов применять различные варианты. Важно при этом, чтобы обобщения проводились систематически: в процессе прохождения отдельных классов органических соединений, в конце разделов (углеводородов, кислородсодержащих соединений) и курса органической химии.
Обобщение сведений о взаимном влиянии следует проводить как в сочетании, взаимосвязи с другими понятиями («электрон107


ное строение», «механизм химических реакций» и др.), так и в виде отдельного вопроса. Обычно в процессе изучения курса органической химии большей частью обобщения проходят комплексно, с включением вопроса взаимного влияния. Такой методический подход позволяет установить связи между различными понятиями, дает возможность проводить широкие обобщения о химических явлениях.
Укажем некоторые примеры обобщения знаний в процессе изучения курса органической химии. В качестве примера возьмем материал о предельных углеводородах. План может быть такой:
1. 	Тетраэдрическое строение атома углерода в молекулах предельных углеводородов.
2. 	Пространственное строение предельных углеводородов.
3. 	Характер химических связей: С-^-С, С—Н, С—Г.
4. 	Свободнорадикальный механизм' реакции замещения.
5. 	Причины взаимного влияния атомов в молекулах органических веществ.
6. 	Взаимное влияние атомов в молекулах галогенопроизводных предельных углеводородов.
Обобщение по данному плану позволяет отметить зависимость взаимного влияния от характера химических связей, указать более реакционноспособные вещества, направление реакции замещения.
После изучения карбоновых кислот можно провести обобщение знаний учащихся по вопросу проявления кислотных свойств органическими веществами.
План может быть такой:
1. 	Кислота с точки зрения протолитической теории.
2. 	Сравнение кислотных свойств этанола, фенола, уксусной кислоты.
3. 	Почему карбоновые кислоты слабее минеральных (хлороводородной, серной, азотной и др.)?
4. 	Как повысить кислотные свойства органических соединений?
Для подготовки к уроку учащиеся повторяют материал, касающийся взаимного влияния атомов в молекулах спиртов, фенола, альдегидов и кислот. Большинство вопросов предложенного плана заставит учащихся искать ответы, думать, сравнивать явления, так как в учебнике они не найдут прямых ответов.
Учитывая, что понятия взаимного влияния атомов находятся в развитии в курсе органической химии, система упражнений должна затрагивать почти все классы органических соединений. Их характер может быть различный: упражнения по определению направления реакции (преимущественной), по установлению более активного вещества, вступающего в реакцию с большей скоростью, чем другие соединения. Примеры упражнений по каждому классу (группе) соединений, многие из которых носят проблемный характер, даны в приложении.


ГлаваVII ФОРМИРОВАНИЕ ПОНЯТИЙ
О МЕХАНИЗМАХ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
§ 18. 	СИСТЕМА И УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПОНЯТИЙ О МЕХАНИЗМАХ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
Изучение механизмов химических реакций имеет большое значение: учащиеся убеждаются в возможности познания сложных химических явлений на основе современных электронных представлений; для них становится ясно, что установление того или иного механизма реакции позволяет найти пути управления ими, а следовательно, синтезировать вещества с заранее заданными свойствами.
Учащимся следует указать на то, что механизмы химических реакций представляют большой интерес для науки, так как в них обобщается большое число фактов. Понимание механизма помогает увидеть определенные закономерности в беспорядочном множестве органических реакций. Зная механизм реакции, можно изменять условия, чтобы увеличить выход необходимого продукта или изменить направление реакции и получить иной продукт.
Раскрытие сущности химических реакций на основе электронных представлений делает изучение курса органической химии более содержательным и осмысленным.
Практика преподавания химии показала, что учащиеся, зная строение вещества, условия, необходимые для протекания реакций по тому или иному механизму, могут иногда предсказывать направление реакции.
Вопросу рассмотрения механизмов химических реакций посвящен ряд исследований. О. Шольц, касаясь проблемы взаимосвязи строения и свойств веществ, считает необходимым расширить круг рассматриваемых в школе механизмов химических реакций. Более обстоятельно исследовала возможности изучения в школе механизмов реакций В. В. Кустова. Она, так же как и О. Шольц, считает нужным расширить круг изучаемых механизмов реакций как по основному курсу органической химии, так и по факультативному. В основном курсе В. В. Кустова предложила рассматривать механизмы реакции бромирования и нитрования бензола, кислотной гидратации этилена, дегидратации спирта, образования простого эфира.
В. В. Кустова выявила ряд недостатков в знаниях учащихся о механизмах реакций (смешивание понятий радикала и иона, частичного и полного заряда и др.) и предложила заслуживающую внимания методику изучения. Основные ее особенности заключаются в широком использовании динамических моделей, таблиц и схем, в сочетании слова учителя и наглядности, в раскрытии механизмов реакций по стадиям.
109


В учебно-методической литературе [17, 23] указывалось на целесообразность введения понятия о способах разрыва ковалентной связи, которое должно предшествовать изучению конкретных механизмов реакций. Такой подход дает возможность судить о самой общей классификации механизмов реакций. Кроме того, свободно-радикальный и ионный механизмы будут «возникать» не случайно, они будут обусловлены способом разрыва ковалентной связи.
Общий подход к изучению механизма реакций (способы разрыва ковалентной связи) отражен в учебнике по органической химии. Из механизмов реакций школьный курс включает изучение свободнорадикального механизма реакций замещения и полимеризации, а также ионный механизм реакции присоединения. Этот материал позволяет дать самое общее представление о некоторых важнейших, доступных для учащихся механизмах реакций.
Учащиеся подготовлены к пониманию механизмов реакций, они располагают определенным запасом знаний о типах химических связей, об электроотрицательности атомов, полярности связи, взаимном влиянии атомов.
Первое понятие о свободнорадикальном механизме реакции замещения дается на примере хлорирования метана и его гомологов, затем оно находит свое развитие при изучении механизма полимеризации (этилена, винилхлорида или стирола).
Для уяснения свободнорадикального механизма учащиеся должны иметь знания об углеводородных радикалах, об электронном строении частиц (молекул, радикалов).
На примере непредельных углеводородов изучается ионный механизм реакции присоединения. Для его понимания необходимы знания об ионах, о донорно-акцепторном механизме образования связи, правиле присоединения Марковникова, электронном и пространственном строении молекул непредельных углеводородов.
Проверка знаний о механизмах химических реакций показала, что учащиеся допускают следующие ошибки: при раскрытии свободнорадикального механизма иногда не пишут стадию образования радикала, а ограничиваются только стадией взаимодействия молекулы метана и атома хлора; в случае более сложного углеводорода, чем метан или этилен, затрудняются в рассмотрении механизма реакции; часто ионный механизм реакции они сводят к правилу Марковникова (не указывают образование катиона). Иногда учащиеся механизм реакции путают с уравнениями реакций, например вместо реакции хлорирования метана они приводят уравнения реакций металепсии. Ионный механизм реакции они усваивают труднее, чем свободнорадикальный.
Характер ошибок показывает, что при изучении механизмов реакций недостаточное внимание обращают на промежуточные частицы — радикалы и ионы.
Избежать большинства указанных недостатков в знаниях учащихся можно, если учесть следующие положения:
понятия о механизмах химических реакций должны рассматрино


ваться более систематически, раскрываться на большом числе примеров, по возможности на различных классах соединений.
В этом случае данные понятия будут находиться в развитии;
для понимания свободнорадикального механизма необходимо, чтобы учащиеся имели предварительные знания о свободных углеводородных радикалах, их свойствах;
лучшему пониманию механизмов реакций способствует конкретное изложение их по стадиям [17];
опыт изучения отдельных механизмов реакций показывает, что процесс их усвоения проходит быстрее и результаты получаются лучше в случае дедуктивного подхода (при освещении свойств гомологов ряда). В этом случае имеется возможность рассматривать механизм реакции на различных гомологах, проводить сравнения и отмечать особенности протекания реакции.
Свободнорадикальный механизм следует рассматривать на различных типах реакций: замещения (например, галогенирование), присоединения (например, полимеризация), отщепления (например, крекинг углеводородов). В этом случае учащиеся получают более систематические знания о свободнорадикальном механизме.
Ионный механизм в основном рассматривают на реакции присоединения молекул неорганических веществ к этиленовым углеводородам. Понятие о механизме реакции присоединения может найти свое развитие при изучении ацетиленовых углеводородов и аминов жирного ряда.
Ионный механизм реакции замещения можно рассмотреть на примере гидролиза галогенопроизводных предельных углеводородов.
Механизм реакции замещения в бензольном кольце представляет большой интерес. Однако в раскрытии этого механизма возникают большие трудности: учащимся пришлось бы объяснять понятия «л- и 0-комплексы».
Таким образом, в школьном курсе органической химии целесообразно изучать следующие механизмы реакций: свободнорадикальный — замещение, присоединение и отщепление; ионный — присоединение, замещение.
§ 19. 	МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ РЕАКЦИЙ, ПРОТЕКАЮЩИХ ПО СВОБОДНОРАДИКАЛЬНОМУ МЕХАНИЗМУ
В раскрытии содержания свободнорадикального механизма реакции замещения выделяют три стадии: образование атакующей частицы (инициирование), развитие реакции и обрыв цепи. Их рассмотрение позволяет создать более четкое и законченное представление о свободнорадикальном механизме. Кроме того, в психологии восприятия понятий отмечается, что учащиеся лучше усваивают материал, который возможно разбить на логически связанные между собой ступени.
При изучении отдельных стадий обращают внимание на такие 111


вопросы: условия, необходимые для образования атакующей частицы; энергия связи реагирующих веществ; образование свободных радикалов, их высокая реакционная способность; пути стабилизации радикалов в устойчивые молекулы; изменение валентного состояния атома углерода в процессе реакции, а также пространственного строения продукта реакции по сравнению с исходным веществом. Так как учащиеся ознакомились по неорганической химии с цепным механизмом реакции образования хлороводорода, то целесообразно провести сравнение его с механизмом реакции замещения.
1. 	Свободнорадикальный механизм реакции замещения рассматривается после изучения понятия «радикал» и химических свойств углеводородов ряда метана. При этом следует иметь в виду, что учащимся доступны реакции замещения на примере метана и этана.
Трудности возникают для других гомологов, содержащих вторичный и третичный атомы углерода (ученики не располагают знаниями о том, в каких группах — СН3, СН2 или СН — быстрее происходит замещение).
Изучение механизма реакции замещения начинают с повторения понятия «радикал», его строения и особенностей, а также характера связей С—С и С—Н. Учащиеся должны прийти к выводу, что эти связи весьма прочны (связь С—С ковалентная неполярная, связь С—Н мало полярная), обладают высокой энергией и разрушаются с трудом. Для протекания реакции замещения (например, хлорирования) используется высокая температура или облучение светом.
Далее изучают хлорирование метана. Выяснив, какие условия необходимы для реакции, указывают, что под действием света (или высокой температуры) происходит разрыв связей в молекулах того вещества, у которого энергия связи наименьшая. Если в смеси находятся молекулы метана и хлора, то разрываются в первую очередь связи в молекулах хлора, так как энергия связи С1—С1 меньше энергии связи С—Н (соответственно 240 и 415 кДж/моль). Образовавшиеся атомы хлора весьма реакционноспособны, они могут атаковать молекулы метана. Это первая стадия процесса — образование атакующих частиц (стадия инициирования).
Затем раскрывается вторая стадия — развитие реакции. Здесь следует обратить внимание на образование органического радикала, а также на то, что активный атом хлора, получающийся при взаимодействии углеводородного радикала с молекулой хлора, начинает новое звено цепной реакции. Нередко на уроках учителя стремятся рассмотреть механизм реакции замещения вплоть до образования тетрахлорметана. На наш взгляд, целесообразно остановиться лишь на образовании только одного галогенопроизводного (хлорметана).
Заключительная стадия реакции — обрыв цепи. Так как в процессе развития реакции образуются нейтральные молекулы (НС1,
112


СН3С1 и др.) и свободные радикалы, то обрыв цепи происходит за счет взаимодействия радикалов:
СНз’ + ’СНз^СНз—СНз; СНз* + *С1->СН3С1; СГ + ’О + С!—С1
В процессе изложения на доске записывают стадии механизма реакции замещения: 1) образование атакующей частицы (или стадия инициирования); 2) образование углеводородного радикала и галогенопроизводного метана (развитие реакции); 3) обрыв цепи.
Запись механизма реакции замещения ограничивается обра- збванием первого продукта — хлорэтана.
Далее дают учащимся задание сравнить механизм реакции замещения с механизмом реакции образования хлороводорода. Результаты записывают в таблицу 7.
Оба механизма реакций являются цепными, хотя и отличаются продуктами реакции: в результате реакции замещения образуются галогенопроизводные предельных углеводородов; в результате реакции соединения — галогеноводород.
Таблица 7. Сравнение механизмов химических реакций
Механизм реакции
Показатели сравнения
замещения соединения
Исходные вещества
Энергия связи, кДж/моль Образование атакующей частицы
Развитие реакции
СН4; С12 Н2; С12
С—Н—415; С1—С1—240 Н—Н—432; С1—С1—240
СЬ -С1 —2СЬ СЬ -С1 -н 2С1-
НзС- .Н + С1.-^НзС.+ н. .н + сь-^ Н-+НС1
-4-НС1;
НзО+СЬ -С1-+ Н-+С1. .С1-*С1-+НС1
— НзС—С1 + С1.
Обрыв цепи
См. в тексте Н • Н • Н—Н; С1 • +
+ СЬ —С1—С1
В итоге рассмотрения механизма реакции замещения представляется возможность указать, чем отличается механизм реакции от уравнения реакции: механизм реакции позволяет раскрыть последовательность элементарных актов разрыва и образования связей, ведущих к превращению исходного вещества в конечный продукт реакции; уравнение реакции отражает исходные и конечные продукты реакции. Изученный материал закрепляют на примере реакции замещения этана. Для удобства формулу молекулы этана записывают так:
Н I сн3—с: н н
из


У учащихся часто возникает вопрос: почему разрывается связь С—Н, если энергия связи С—С (350 кДж/моль) меньше энергии связи С—Н (415 кДж/моль)? Ответ на него можно дать/ если вспомнить пространственное строение молекулы этана: два атома углерода окружены шестью атомами водорода, которые плотно прикрывают связь С—С, поэтому легче оторвать атом водорода, чем разрушить связь С—С.
2. 	Свободнорадикальный механизм реакции отщепления рассматривается на примере крекинга предельных углеводородов. При реакции отщепления происходит разрыв преимущественно С—С-связей, образующиеся свободные углеводородные радикалы претерпевают сложные превращения (димеризация, гидрирование, дегидрирование и другие реакции).
Изучение процесса крекинга углеводородов можно разбить на две стадии: первая — разрыв ковалентной связи и образование свободных радикалов; вторая — различные взаимодействия радикалов, приводящие к образованию стабильных молекул.
Эти стадии упрощенно можно отразить такой схемой:
СН—СН^-СН^-СНу-СНр-СНр-СНз ► СН5-СН5-СН5— сн2- + -сн— СН5—сн3
+Н' |-н-
СНу-СНр- сн—сн3 сн2=сн—сн3
Расщепление молекулы происходит по С—С-связи, так как она менее прочна, чем С—Н-связь. Образование тех или иных продуктов крекинга зависит от температуры и давления. Чем выше температура и ниже давление, тем место разрыва углеродной цепи все больше смещается к ее концу и значительно возрастает выход газообразных продуктов. При температуре порядка 450 °С разрыв происходит посередине цепи. Повышение давления также сдвигает место разрыва к центру молекулы.
Для углеводородов с числом углеродных атомов менее четырех происходит разрыв связи С—Н. Так, распад этана, пропана и бутана проходит в таких направлениях:
с2н6 - 700°с» с2н4 + н2
Г* <^2Н4 + СН4
I— с3н6 + н2
(50%)
(50%)
-*■ С3Н6 + сн4 (60%)
С4Н10 500°С С2Н6 + С2Н4 О°%)
С4Н8 + н2 (10%)
При рассмотрении механизма крекинга может возникнуть вопрос: как объяснить отрыв атома водорода от углеводородного радикала, а в связи с этим образование непредельного углеводорода? Оказывается, отрыв атома водорода от радикала энергетически выгоден, так как он сопровождается малым - тепловым эффектом, что видно из следующих данных:
114


С2Н5 * СгН4 Ч~ 1 /2Н24“ 54 кДж/моль
С3Н7* ► СзНбЧ- 1 /гН2 -Ь 54 кДж/моль
Радикалы с большей молекулярной массой зованием устойчивого этиленового углеводорода
распадаются мгновенно с обра- и нового радикала, например:
Затем возникает такой вопрос: в схемах крекинга обычно указывают на расщепление предельного углеводорода, а что происходит с непредельным: остается он без изменений или подвергается каким-то процессам? Непредельные этиленовые углеводороды также подвергаются распаду по радикальному механизму, например:
СНз—СН?—СНг—СН =СН2 » СН3—СН >—СН2‘ + • СН=СН2
Радикал винил может дальше образовать дивинил. Таким образом, можно сделать вывод: крекинг — сложный процесс.
3. 	Свободнорадикальный механизм реакции полимеризации проходит три стадии: инициирования, роста цепи и обрыва цепи. В отличие от свободнорадикального механизма реакции замещения эти стадии имеют свои особенности: во-первых, при инициировании реакции атакующие частицы не являются непосредственными реагентами, как в случае реакции замещения; во-вторых, процесс роста цепи (развития реакции) заключается^ образовании макрорадикалов; в-третьих, процесс заканчивается образованием макромолекул.
При рассмотрении данного механизма выясняют прежде всего условия протекания реакции полимеризации. Подобно тому как для начала реакции замещения (хлорирования) требуются активные атомы хлора, так и для реакции полимеризации необходимы атакующие мономер частицы, которые могут стать центрами полимеризации. В такие частицы могут превратиться сами молекулы мономера, но для этого нужно затратить много энергии (тепловой, световой и т.п.). Процесс при этом протекает медленно. Реакцию полимеризации можно резко ускорить введением других веществ, легко образующих свободные радикалы (инициаторы). Таким образом, реакция свободнорадикальной полимеризации проходит при нагревании и в присутствии инициатора.
В качестве инициаторов используют перекисные соединения типа К—О—О—К, легко распадающиеся на свободные радикалы, например перекись бензоила:
С6Н5—С—О—О—С—С6Н5 ► 2С6Н5— соо-
О
С6Н5—СОО’ » СО2 + с6н5-
(От учащихся не следует требовать знания этого соединения.) Образующиеся свободные радикалы условно обозначают К’. Они являются первичными. Эти радикалы «атакуют» нейтральные 115


молекулы мономера и становятся центрами полимеризации (роста цепи), образующими макрорадикалы. Рассмотрим этот процесс на примере роста одного свободного радикала (в действительности их много).
Под влиянием свободного радикала (первичного) происходит разрыв л-связи (обозначим двумя точками) в молекуле мономера, например СН2 = СНХ, где X — углеводородные радикалы —СН3; —С2Н5; —СвН5 или галоген (обычно хлор). При этом один электрон образует пару с электроном радикала, а второй электрон остается неспаренным:
к- + —— к—сн,—сн-
I I
X X
Образовавшийся свободный радикал действует на следующую нейтральную молекулу мономера, происходит рост радикала:
К—СН2—СН* + СН2=СН ► К—СН2—СН—СН2—СН* и т.д.
I I
XX X
В результате роста цепи образуется макрорадикал: К—(СНг—СН—)л—СНг—СН*
X X
Таких макрорадикалов получается много, они отличаются друг от друга числом структурных (элементарных) звеньев.
При рассмотрении этой стадии реакции уместно предложить учащимся вопрос: в чем сходство и различие между катализатором и инициатором? Их ответ должен сводиться к следующему: общее для катализатора и инициатора то, что они ускоряют реакцию, вступают во взаимодействие с исходным веществом; различие между ними в том, что катализатор остается без изменений после реакции, а инициатор расходуется, входит в состав макрорадикалов.
Количество применяемого при полимеризации инициатора обычно невелико и колеблется в пределах 0,1 — 1% от массы вступающего в реакцию мономера. Если инициатор ускоряет процесс, то ингибитор замедляет или полностью прекращает реакцию полимеризации. Ингибиторы применяются для предотвращения полимеризации мономеров при хранении.
Заключительная стадия — обрыв цепи. Образование нейтральных макромолекул возможно, например, за счет встречи и соединения двух растущих макрорадикалов. Следует обратить внимание на то, что в результате реакции полимеризации образуются полимеры линейной структуры.
Далее перед учащимися ставят вопрос: в чем различие между механизмами реакций замещения и полимеризации? В результате обсуждения этого вопроса они заполняют таблицу (табл. 8).
116


Таблица 8. Сравнение механизмов реакций замещения и полимеризации
Механизм реакции
замещения
полимеризации
Инициирует реакцию один из реагентов (атомы галогена)
Образуются низкомолекулярные радикалы
Инициирует реакцию специально вводимое вещество, способное дать свободные радикалы (Н«)
Образуются макрорадикалы
Образуются низкомолекулярные гало- Образуются макромолекулы генопроизводные
Отмечают, что на примере свободнорадикальной полимеризации ярко проявляются химические свойства свободных радикалов (способность вызвать химический процесс). Понятие о механизме реакции свободнорадикальной полимеризации далее закрепляют на примере образования полистирола или поливинилхлорида.
§ 20. МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ РЕАКЦИЙ, ПРОТЕКАЮЩИХ ПО ИОННОМУ МЕХАНИЗМУ
При изучении ионного механизма реакции уделяется внимание следующим вопросам: условия протекания реакций; определение преимущественного направления реакции; образование положительно заряженного органического иона — карбокатиона в результате присоединения протона или другой положительной частицы; образование нейтральной молекулы; изменение валентного состояния атома углерода в результате реакции.
Механизм реакции присоединения. В раскрытии механизма реакции присоединения в школьном курсе имеется большая методическая трудность. Она заключается в том, что введение в курс понятия о л-комплексах усложнило бы изложение вопроса. В связи с этим приходится несколько упрощать трактовку механизма реакции, считая, что происходит присоединение к молекуле этиленового углеводорода вначале положительно заряженного иона с образованием карбокатиона, затем — отрицательного иона. Эти ионы возникают в результате сильной поляризации молекул неорганических веществ (галогеноводороды, галогены).
Внесенные упрощения в трактовку механизма реакции присоединения позволяют выделить три стадии: первая — появление атакующей частицы (неорганического иона); вторая — образование органического иона (карбокатиона); третья — взаимодействие ионов — образование нейтральной молекулы.
Ионный механизм реакции присоединения тесно связан со взаимным влиянием атомов. В связи с этим целесообразно рассмотреть механизм присоединения на примерах различного строе117


ния этиленовых углеводородов, раскрыть влияние электронного смещения в молекуле на скорость реакции присоединения. Дальнейшее закрепление ионного механизма реакции присоединения происходит при изучении ацетиленовых углеводородов, спиртов (образование галогенопроизводных предельных углеводородов), аминов жирного ряда (реакция с галогеноводородами).
Механизм реакции присоединения рассматривают на примере непредельных углеводородов ряда этилена. Учащиеся подготовлены к его пониманию: они имеют понятия об ионах (неорганических), полярности связи, о частичном или дробном заряде.
Опыт показывает, что перед изучением механизма реакции присоединения целесообразно повторить понятия «радикал» и «ион», отметить различие между ними, как предлагают В. В. Кустова и Д. П. Ерыгин: радикал имеет неспаренный электрон, у иона все электроны спарены; радикал не имеет заряда, ион заряжён. Это сравнение можно провести на конкретных примерах неорганических и органических радикалов и ионов.
Понятие «дробный заряд» повторяют на примерах галогено- водородов и галогенопроизводных предельных углеводородов. Отмечают, что смещение электронной плотности о-связи в молекуле обозначают прямой стрелкой, например:
64- 6- в-ь 6-
Н->С1; Н3С->С1
Важно при этом отметить, что дробный заряд получается за счет частичного смещения электронной плотности к наиболее электроотрицательному атому.
После повторения указанных вопросов переходят к выяснению сущности механизма реакции присоединения. Его изучают после рассмотрения химических свойств углеводородов ряда этилена.
Рассмотрение данного механизма начинают на примере этилена. При этом механизм реакции присоединения изучают в сравнении с радикальным механизмом. Если реакции с веществами, характеризующимися ковалентной неполярной или мало полярной связью, как правило, протекают по радикальному механизму, то реакции с веществами, у которых сильно полярные связи, обычно проходят по ионному механизму. Затем указывают условия протекания реакции по ионному механизму (наличие полярного растворителя, катализатора и невысокая температура) и сравнивают с условиями прохождения реакции по радикальному механизму.
Далее рассматривают механизм реакции присоединения гало- геноводорода к этилену. С чего начинается эта реакция? В молекуле этилена электронная плотность равномерно распределена между атомами углерода, молекула неполярная. Ее особенность заключается в том, что она легко подвергается воздействию заряженных частиц, так как в молекуле имеется подвижная, легко разрушающаяся л-связь. Очевидно, на поляризацию л-электронов может повлиять положительная частица или частица, несущая на себе частичный положительный заряд. Такие частицы имеются — это ионы водорода (точнее, протонизированные атомы водо118


рода), которые дает галогеноводород, например, хлороводород. Как известно, ион водорода меньше по объему иона хлора. Имея некоторый положительный заряд, он в первую очередь приближается к молекуле этилена. Под влиянием протона двойная связь этилена поляризуется, разрывается л-связь в результате присоединения протона Н + и образуется положительный органический ион (карбокатион):
сн2=сн2 + н* —— сн2—сн3
На примере образования карбокатиона можно закрепить понятие о донорно-акцепторном механизме образования ковалентной связи: протон «садится» на пару электронов двойной связи, которую предоставляет углеродный атом одной из метиленовых групп
Н
СНг—СНг. Второй атом углерода, лишившись электрона, приобретает положительный заряд.
Органический катион весьма активен и вступает в реакцию с неорганическим ионом:
СНз—^Н2 4- С1" ^СНз—СН2С1
При изучении ионного механизма реакции присоединения можно выделить такие стадии:
появление атакующей частицы (неорганического положительного иона, например протона);
образование органического иона (карбокатиона);
взаимодействие ионов — образование нейтральной молекулы.
Выделение указанных стадий положительно влияет на усвоение механизма реакции присоединения, так как мышление ученика характеризуется конкретностью.
Механизм реакции присоединения к симметричным этиленовым углеводородам закрепляют при рассмотрении бутена-2. Учащиеся должны сами объяснить симметричность распределения электронной плотности в этом соединении.
Далее механизм реакции присоединения рассматривают на несимметричных этиленовых углеводородах: вначале на примере пропилена, а затем — бутена-1 (или 2-метилпропена, пентена-1). На этих же примерах изучают правило Марковникова в его классической и современной (электронной) формулировке.
Учащимся известно, что углеводородные радикалы являются более сильными донорами электронов, чем атомы водорода. Перенося эти знания на несимметричные этиленовые углеводороды (например, пропилен), учащиеся приходят к выводу о частичной поляризации л-связи под влиянием углеводородного радикала метил у исходных молекул (до начала реакции). Этот вывод имеет большое значение, так как он позволяет усвоить преимущественное направление реакции. Затем записывают стадии механизма реакции присоединения галогеноводорода к пропилену:
119


НВг Н + Вг
6+ . +
сн3-*сн=сн2 + н+—► сн3—сн—сн3
сн3—сн—сн3 + Вг ►
сн3—сн—сн3 Вг
Таким образом, при изучении механизма реакции присоединения необходимо обратить основное внимание на преимущественную реакцию, которая достаточно аргументирована на основе электронных представлений.
Механизм реакции присоединения рассматривают также на примере реакции между этиленовыми углеводородами и галогенами. Затруднение обычно возникает при объяснении причин поляризации ковалентной связи молекул галогена. Считают, что молекула галогена поляризуется под действием полярных молекул растворителя и электронного облака двойной связи. Для упрощения принимают полный распад молекулы на катион и анион. Как и в случае галогеноводорода, вначале катион (например, бром) взаимодействует с л-электронами двойной связи с образованием карбокатиона, а затем последний реагирует с анионом брома.
Ионный механизм реакции присоединения закрепляют на других примерах. Желательно, чтобы в формулах молекул этиленовых углеводородов были различные углеводородные радикалы, тогда у учащихся не сложится мнение, что только метильный радикал отталкивает от себя электронную плотность. В качестве упражнений им можно предложить:
1. 	Рассмотрите ионный механизм реакции:
СН,
а) СН>=СН—СН2—СНз + Вг2-н б) \>=СН2+НВг
СНз—СН2
2. 	Какое вещество с большей скоростью вступит в реакцию с хлороводородом: этилен, пропилен или 2-метилпропен? Рассмотрите механизм реакции. Учащиеся, зная влияние углеводородных радикалов на поляризацию л-связи, должны прийти к выводу, что с большей скоростью протекает реакция с изобутиленом.
Правило Марковникова, на наш взгляд, не следует рассматривать в отрыве от механизма реакции присоединения. Вместе с тем нельзя сводить механизм реакции к правилу Марковникова, что можно наблюдать в ответах учащихся. Например, когда им дается задание раскрыть механизм реакции присоединения бромоводорода к бутену-1, они дают такую суммарную запись:
СН2=СН —СН2*-СН3 4- НВг — СН3—(|:н—сн2—сн3
Вг
Указывая, куда присоединяются ионы водорода и брома, учащиеся фактически рассматривают правило Марковникова, не касаясь 120


механизма реакции присоединения, его отдельных стадий (не указывают на образование карбокатиона).
Знания об ионном механизме реакции присоединения закрепляют далее на примере непредельных углеводородов и классов органических веществ. Например, предлагают учащимся раскрыть механизм реакции присоединения галогеноводорода НГ к пропину или бутину:
СН3-*СвСН + н+— снз—с=сн2 ;
сн3—с=сн2 + Г-—— сн3—с—сн2 г
Дальнейшее присоединение НГ можно не рассматривать, так как это может вызвать трудности у учащихся (им неизвестно сопряжение л-связи и электронов электроотрицательного атома).
Понятие о механизме реакции присоединения можно закрепить на аминах жирного ряда. При этом представляется возможность провести сравнение между аминами и аммиаком и закрепить понятие о донорно-акцепторном механизме образования ковалентной связи:
Н
«Нз4-Н+— [Н—Н]+;
Н
СНз+Я—Н + Н + -*СНз—ЙНз или [СНз—ННз]+;
Н
[КН4] + 4-С1-— [Ь4Н4] +СГ; [СН3— МН3] + +СГ— [СНзМНз] +СГ
После изучения механизмов реакций замещения и присоединения целесообразно провести их сравнение (см. табл. 9 на II форзаце) .
Ионный механизм реакции замещения рассматривают при изучении вопроса о гидролизе галогенопроизводного предельного углеводорода (в теме «Спирты»), например иодметана:
№ОН^а++ОН-
НзС-Л + ОН-— НзС—ОЩ-Г;
Ыа++1-^№1
Так как на атоме углерода скапливается частичный положительный заряд в результате сдвига электронной плотности к атому иода, то гидроксильная группа, несущая отрицательный заряд и обладающая достаточной энергией, атакует атом углерода.
Мы рассмотрели методику изучения наиболее доступных для учащихся механизмов реакций. По усмотрению учителя, некоторые примеры приводимых механизмов реакций можно опустить. Воз121


можно, у учителя появится желание шире осветить механизм реакции присоединения, прибегнуть к примерам реакций, осуществляемых в промышленности. В этом случае можно рекомендовать рассмотреть механизм реакции гидратации этилена при изучении спиртов.
Реакция начинается с того, что протон фосфорной кислоты присоединяется к этилену и образуется карбокатион:
Н3РО4^Н+ + Н2РО4;
СН2=СН2 + Н + ^СНз—ён2;
СНз—("Нг + Н+ОН +СНз—СН2ОН + Н +.
Освободившийся протон Н+ образует с ионом Н2РОГ фосфорную кислоту. На примере механизма этой реакции учащиеся могут понять действие катализатора.
Механизмы реакций не должны заслонить уравнения реакций, которые менее глубоко отражают химические свойства веществ. Важно, чтобы учащиеся поняли значение того и другого. Чрезмерное увлечение механизмами реакций может привести, как отмечает В. М. Потапов, к нежелательным явлениям: учащиеся довольно легко и быстро приучаются «двигать туда и сюда электроны», но могут потерять за этим подлинное содержание органической химии — специфику ее реакций, фактический материал об отдельных веществах и их значении для жизни современного человека.


ГлаваVIII ФОРМИРОВАНИЕ СТЕРЕОХИМИЧЕСКИХ ПОНЯТИЙ
§ 21. 	СИСТЕМА СТЕРЕОХИМИЧЕСКИХ ПОНЯТИЙ
Программа курса органической химии предусматривает ознакомление учащихся со следующими стереохимическими понятиями: «тетраэдрическое, тригональное и диагональное строение атома углерода»; «зигзагообразное строение углеродной цепи», пространственные формы для одного и того же соединения; «геометрическая (цис-транс-) изомерия»; «пространственная структура природных и синтетических полимеров»; «пространственное строение моносахаридов».
Раскрытие этих понятий возможно на основе рассмотрения электронных представлений: гибридизации, природы о- и л-связей, физических параметров химической связи — валентных углов и длины связи. Геометрия молекулы, следовательно, обусловлена электронным строением ее. Знание природы о- и л-связей позволяет не только установить пространственное строение молекул, но и выяснить причины различных видов пространственной изомерии.
Изучаемые стереохимические понятия позволяют учащимся судить о пространственном строении органических веществ, о зависимости свойств не только от химического, но и пространственного строения.
Значительный вклад в совершенствование методики изучения стереохимических понятий внесли учителя и методисты. Г. Н. Осокина предложила изучать цис-транс-изомерию на различных классах органических соединений, она также высказала мнение о целесообразности рассмотрения некоторых физических методов изучения строения вещества, что позволит более доказательно вести преподавание, а также установить связь с физикой.
А. В. Владыкина выяснила возможность изучения водородной связи для объяснения пространственного строения молекул и пространственных препятствий для ассоциации молекул; указала на необходимость изучения симметрии молекул для суждения о физических свойствах, полярности молекул.
Более последовательно, на различных классах органических соединений (углеводороды, спирты, кислоты), использует принцип симметрии Л. М. Тукмачев. Он показал влияние пространственного строения на физические свойства веществ, используя для этого знания учащихся по математике и физике, а также обратил внимание и на второй принцип, знание которого важно в формировании стереохимических понятий,— принцип минимума потен-
123


циальной энергии. Этот принцип позволяет судить об энергетически выгодной или невыгодной структуре молекул. Таким образом, указанные принципы создают объективные условия для единого методического подхода к формированию стереохимических понятий в курсе органической химии, позволяют глубже и полнее отразить зависимость свойств от пространственного строения молекул.
Ряд предложений по совершенствованию методики рассмотрения стереохимических понятий нашел свое отражение в данной главе.
Изучение знаний учащихся о стереохимических понятиях показало, что они допускают ошибки: не указывают, что вращение атомов вокруг о-связей происходит за счет теплового движения; считают,хчто только атомы углерода вращаются по связи С—С, а другим атомам (например, водороду) вращение это не свойственно; мало указывают пространственных форм (одну-две); считают причиной появления пространственных форм тетраэдрическое направление гибридных электронных облаков атома углерода; в изображении циклической формы глюкозы не всегда правильно обозначают расположение атомов водорода и гидроксильных групп; не характеризуют свойства полимеров, обусловленные их стереорегулярной структурой.
Эти и другие недостатки в знаниях учащихся могут быть изжиты при условии широкого использования моделей (шаростержневых и масштабных); системы упражнений, применения принципа минимума потенциальной энергии, обращения внимания на существенные признаки стереохимических понятий.
Стереохимические понятия представлены в курсе органической химии не в виде отдельного раздела, а «вкраплены» в содержание почти каждой темы. Этим самым создается органическая связь стереохимических понятий и других основных понятий, изучаемых предметом.
На примере предельных углеводородов учащиеся знакомятся с тетраэдрическим направлением четырех гибридных электронных облаков атома углерода, что является причиной зигзагообразного строения углеродной цепи, геометрии молекулы. Для выяснения ее строения характеризуют а-связи: пространственную направленность, длину и валентные углы.
Затем учащиеся получают представление о вращении атомов вокруг а-связей, вследствие чего появляются различные пространственные формы для одного и того же вещества. На основе идеи вращения атомов вокруг а-связи в курсе рассматривают некоторые пространственные формы, которые принимает молекула предельного углеводорода (на примере пентана). При изучении последующего материала курса высказанная идея используется для того, чтобы подвести учащихся к мысли о возможном образовании цикла из прямой углерод-углеродной цепи (циклопарафины, ароматические углеводороды, циклическая форма глюкозы).
В результате изучения предельных углеводородов учащиеся должны усвоить, что пространственное строение этой группы сое124


динений характеризуется тетраэдрическим направлением гибридных электронных облаков атома углерода и вращением атомов вокруг простой связи.
Касаясь предельных углеводородов, целесообразно обратить внимание учащихся на то, что предложенная в свое время Вант-Гоффом тетраэдрическая модель (предположение, что четыре валентности атома углерода направлены в пространстве к четырем углам тетраэдра, в центре которого атом углерода) является ярким примером научного предвидения, полностью подтвердившегося дальнейшим развитием науки.
При характеристике пространственного строения непредельных углеводородов (например, этилена, ацетилена) на основе гибридизации используются данные о параметрах связей (о и л-связей). Отмечается, что с помощью физических методов доказано плоское строение той части молекулы этиленового углеводорода, где находится двойная связь, а также линейное строение той части молекулы ацетиленовых углеводородов, где расположена тройная связь. На примере гомологов этилена и их производных выясняют природу цис-транс-изомерии.
Использование данных физических методов исследования (валентные углы, длина С—С-связи, расположение атомов углерода) поможет учащимся создать четкое представление о геометрии молекулы бензола.
При изучении углеводородов основное внимание уделяют вопросу влияния пространственного строения на свойства. Например, как показывает опыт, учащиеся, зная тетраэдрическое строение молекулы метана, способны сделать выводы о пространственном строении хлорметана, о неравномерном распределении в нем электронной плотности, о его реакционной способности.
Знание пространственного строения молекул одноатомных спиртов и воды помогает аргументировать образование водородной связи, объяснить некоторые физические свойства спиртов.
На полимерных молекулах представляется возможность также иллюстрировать влияние на их свойства пространственной структуры (линейной, разветвленной, трехмерной, стереорегулярной).
В формировании пространственной структуры велика роль водородной связи и функциональных групп. Это особенно наблюдается на примере белковых веществ и нуклеиновых кислот.
Таким образом, в курсе органической химии имеются определенные возможности в изучении пространственного строения веществ.


§ 22. 	МЕТОДИКА ФОРМИРОВАНИЯ ПОНЯТИЙ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ИЗОМЕРИИ
Геометрическая изомерия. Проверка знаний о геометрической изомерии показала, что учащиеся в основном усваивают это понятие. Наиболее частыми ошибками являются следующие: они считают, что только симметричные молекулы веществ, у которых одинаковые заместители у атомов углерода при двойной связи, могут дать геометрические изомеры; полагают, что у цис-транс-изомеров должны быть одинаковые химические свойства, так как у них одно и то же химическое строение; учащиеся затрудняются в переносе знаний, определении возможности существования цис-транс-изомеров по заданным формулам, не указывают все их существенные признаки.
Некоторые из отмеченных недостатков в знаниях учащихся о геометрической изомерии носят объективный характер. Дело в том, что информация о цис-транс-изомерии в школе ограничивается рассмотрением лишь симметрично построенных молекул веществ, у которых одинаковые заместители при двойной связи, например СН3НС=СНСН3, С1НС=СНС1. Такова же природа ошибки, касающейся химических свойств цис-транс-изомеров. Учащиеся считают, если изомеры имеют одно и то же химическое строение, то у них должны быть одинаковые химические свойства. Этот вывод они делают на основании теории химического строения.
Знания учащихся можно улучшить, если будет обращено внимание на последовательность раскрытия существенных признаков понятия о геометрической изомерии, на их взаимосвязь, если это понятие будет рассматриваться на большем числе примеров.
Формирование понятия о геометрической изомерии состоит из трех областей.
Область опорных понятий геометрической изомерии включает знания о химическом строении, углеводородных радикалах, электронном и пространственном строении этиленовых углеводородов.
Область формируемого понятия включает существенные признаки цис-транс-изомерии, которые можно подразделить на признаки причинного характера — двойная связь, наличие различных заместителей у атомов углерода при двойной связи, и признаки следствия—отсутствие вращения атомов, различное пространственное положение заместителей и физических свойств изомеров. Все эти признаки находятся во взаимосвязи и взаимозависимости. Наличие двойной связи обусловливает отсутствие вращения атомов, что в свою очередь приводит к фиксированию положения заместителей в пространстве; наличие различных заместителей при каждом атоме углерода у двойной связи и их различное положение по отношению плоскости л-связи обусловливают различные свойства изомеров. Описанная выше связь между существенными признаками может быть Г2€)


выражена схемой 6, в которой рассмотрены причинно-следственные связи при формировании понятия «геометрическая изомерия».
Схема 6
Причинно-следственные связи при формировании понятая цис-граяс-иэомерии
Выявление указанных на схеме признаков обеспечивает* усвоение, развитие и применение понятия геометрической изомерии. Если же при изучении цис-тране-изомерии не выявляется какой- либо существенный признак, например наличие разных заместителей у каждого атома углерода при двойной связи, то у учащихся возникают затруднения в применении понятия.
В формировании понятия геометрической изомерии можно выделить два этапа. Первый — рассмотрение цис-транс-изоме- ров на примере этиленовых углеводородов и их дигалогенопроизводных; второй этап — ознакомление с изомерией при прохождении каучуков и непредельных карбоновых кислот.
Выделение этих двух этапов изучения геометрической изомерии обусловлено степенью сложности материала. На первом этапе рассматриваются наиболее простые случаи цис-транс-изомерии, а именно примеры, когда у атомов углерода при двойной связи по одному одинаковому или разному заместителю (не считая атомы водорода) согласно общим формулам: АНС=СНА или АНС=СНВ (А и В — заместители). На втором - этапе понятие усложняется: вводятся три заместителя согласно общей формуле АВС==СНО (О — заместитель).
В процессе изучения цыс-транс-изомерии появляется возможность создать проблемную ситуацию по вопросу соотношения понятий «химическое строение» и «геометрическая изомерия». Учащимся дается задание написать структурные формулы возможных изомеров состава С4Нв. При этом их просят по-разному записать формулы:
127


н н
'Чс=с\ н сн2—сн3
(1)
н3с сн3
/с=с\ н н
н сн3
(3)
(2)
н сн,—сн,
/с с\ н н
(4)
/с=с\ н3с сн3 (5)
н сн3
/с=с\
н3с н
(6)
н,с—сн, 2| 12
н2с—сн2
(7)
Учащиеся делают вывод, что две формулы бутена-1 (1 и 4) выражают одно и то же химическое строение; то же касается формул бутена-2 (2, 5 и 6), последовательность соединения атомов у них не изменяется. В этом они убеждаются, собрав шаростержневые модели. Учащиеся приходят также к выводу, что формулы 2 и 5 совсем не отличаются друг от друга.
Далее под формулами 2 и 6 (бутена-2) выписывают данные об их свойствах. Возникает проблема: как объяснить, почему вещества, имеющие одно и то же химическое строение, отличаются по свойствам? Обсуждая эту проблему, учащиеся приходят к выводу, что ответ следует искать в пространственном строении этих веществ. Затем изучают существенные признаки геометрической изомерии. В связи с выяснением причин цис- траке-изомерии можно будет возвратиться к бутену-1 и 2-метил- пропену и объяснить отсутствие у них пространственных изомеров.
Раскрывая строение цис-тране-изомеров, целесообразно графически указать различное положение заместителей по отношению к плоскости л-связи (рис. V). Эти изображения следует считать моделями, которые позволяют понять строение цис-транс- изомеров.
Следовательно, на первом этапе понятие геометрической изомерии изучают на примерах веществ, у изомеров которых два одинаковых заместителя, например (СН3НС=СНСН3). Далее, на примере синтетических каучуков рассматривают более сложные соединения, у изомеров которых имеются три заместителя. Однако в полимерных молекулах каучука трудно выделить заместители. Поэтому указанный вид изомерии раскрывают на низкомолекулярных соединениях, например: СН3НС=С (СН3) С2Н5, С1НС=СС1Вг, затем понятие геометрической изомерии закрепляют на примере непредельных одноосновных кислот (например, олеиновой кислоты).
Изучать соединения, которые могут дать изомеры с четырь128


мя заместителями, не следует, так как учащиеся будут в большом затруднении в написании цис- и транс-изомеров.
При изучении геометрической изомерии находит развитие идея о взаимном влиянии атомов, групп атомов. Особенно это проявляется на цис-изомере, где заместители сильно сближены и отталкиваются друг от друга. Поэтому этот изомер энергетически менее выгоден, чем транс-изомер.
Знания, учащихся о геометрической изомерии можно обобщись, сравнивая ее с пространственным строением предельных углеводородов (табл. 10).
Таблица 10. Сравнение пространственного строения углеводородов
Показатели сравнения
Пространственное строение предельных углеводородов
Пространственное строение этиленовых углеводородов (геометрическая изомерия)
Тип связей
о-связь
а- И Л-СВЯЗИ
Строение
Тетраэдрическое
Тригональное
Причины изомерии
Вращение атомов вокруг простых связей
Наличие, двойной связи и двух разных заместителей у каждого атома углерода, образующего эту связь
Число пространственных форм или изомеров
Много
Два (цис- и транс-)
Для закрепления и переноса знаний нужна система упражнений. Вначале при изучении этиленовых углеводородов учащимся предлагают упражнения, для которых используются соединения с симметричным расположением атомов, например ВгНС=СНВг, С1НС=СНС1 и др. Затем усложняют упражнения: появляется несимметричное расположение атомов в молекулах, например СНз—СН=СН—СН2—СНз, а также увеличивается число заместителей в соединениях.
Укажем примеры упражнений, которые можно предложить учащимся при изучении этиленовых углеводородов, а также других групп и классов соединений:
1. 	У каких соединений, формулы которых указаны ниже, имеются цис-транс- изомеры: Н2С=СНС2Н5; С2Н5СН=СНС2Н5; (СН3)2С=СНС2Н5; Н3ССН=СНС2Н5? Напишите их структурные формулы.
2. 	Какой из изомерных этиленовых углеводородов состава СбНю имеет цис-транс-изомеры? Напишите их структурные формулы.
3. 	У каких соединений, формулы которых даны ниже, возможны цис-транс- изомеры: Н2С=СНС1; СН3С1С=СС1С2Н5; СН3СН=СС12; ВгСН=СС1Вг? Напишите их структурные формулы.
4. 	У каких веществ, формулы которых даны ниже, будут цис-транс-изомеры: а) С6Н5СН=СН2 и СЙН5—СН=СНСН3; б) СН3—СН=СН—СН2—СН2ОН и СН2=СН—СН2—СН2ОН; в) СН3(СН2)7СН=СН— (СН2)7СООН и СН2=С—СООН?
СН3 Напишите структурные формулы изомеров.
Рассмотренные упражнения позволяют учащимся в последующем выполнять задания, требующие большей мыслительной деятельности. Приведем несколько примеров таких заданий:
5. Зак. 2175 И. Н. Чертков
129


1. 	В продуктах реакции ацетилена С2Н2 с хлором С12 при определенных условиях найдены следующие вещества, формулы которых: С2Н2С12,' С2Н3С1 и С2НС1. Напишите их структурные формулы. У какого из этих соединений могут быть цис-транс-изомеры? Напишите их.
2. 	Пентен-1 в присутствии катализатора (141) и при нагревании до 20 °С изомеризуется с образованием цис-транс-изомеров. Напишите схему изомеризации и структурные формулы изомеров.
3. 	Напишите структурные формулы цис-транс-изомеров для непредельного спирта строения СН3—СН=СН—СН2ОН. Изомеры подвергли реакции гидрирования. Исчезнет ли геометрическая изомерия?
4. 	Непредельный альдегид строения СН3—СН=СН—С существует в виде
ч ХН
двух пространственных изомеров. Напишите их структурные формулы. Если провести окисление (по альдегидной группе) цис-транс-изомеров, то сохранится ли геометрическая изомерия. Напишите соответствующие уравнения реакций.
Опыт показывает, что при систематическом использовании системы упражнений учащиеся не «прикованы» к бутену-2 (пример, который дан в учебнике). Благодаря упражнениям они закрепляют знания в установлении и написании формул цис-транс- изомеров.
Для проверки знаний, существенных признаков учащимся целесообразно дать, например, такие упражнения:
1. 	Укажите основные признаки, характеризующие геометрические изомеры, и расположите их в логической последовательности. Дайте обоснование.
2. 	Из указанных ниже признаков отберите те, которые характеризуют геометрическую изомерию: различное положение заместителей по отношению к плоскости л-связи; присутствие двойной связи; свободное движение атомов вокруг связи; одинаковое химическое строение; отсутствие вращения атомов вокруг двойной связи; наличие разных заместителей у каждого атома углерода при двойной связи; различное химическое строение; различные свойства; одинаковые свойства. Отобранные признаки расположите в логической последовательности.
В этом задании признаки понятия геометрической изомерии даны в беспорядке, вперемежку с признаками других понятий.
Отмечается, что учащиеся, выполняя эти упражнения, большей частью придерживаются логической схемы, данной учителем: одинаковое химическое строение^наличие двойной свя- зи^отсутствие вращения атомов вокруг двойной связи^раз- личные заместители^цис-транс-положение заместителей^разные свойства. Здесь за каждой причиной дается следствие. Часть учащихся указывает другую логическую схему: одинаковое химическое строение^-наличие двойной связи—^различные замести- тели-^отсутствие вращения атомов вокруг двойной связи-^цис- транс-положение заместителей-+разные свойства. Здесь перечисляют все причины, а затем указывают следствия. Следовательно, разница в этих двух схемах — в порядке выявления причинно- следственных связей.
Пространственные формы органических соединений. Этот вид изомерии иногда называют поворотной изомерией, а простран- 130


ственные формы — поворотными изомерами (конформациями). В школьном курсе органической химии не изучают поворотную изомерию, а лишь рассматривают причины этого Явления. Однако в практике работы учителей отмечается, что они пользуются терминами «поворотная изомерия» и «поворотный изомер», которые являются малопонятными для учащихся. Для учащихся является аксиомой, что изомеры должны иметь различное химическое строение, здесь же они встречаются с новым явлением: изомеры имеют одинаковое химическое строение, и невозможно выделить отдельные изомеры.
В связи с этим знакомить учащихся с поворотной изомерией (в плане терминологии) на первоначальном этапе изучения органической химии не следует. Однако, учитывая значение поворотной изомерии для понимания строения вещества, реакционной способности, целесообразно подробнее рассмотреть пространственные формы при изучении углеводородов и других классов соединений. В заключение курса органической химии при обобщении сведений можно ввести понятия «поворотная изомерия» и «поворотные изомеры».
Педагогическая практика показывает, что в процессе изучения органической химии понятию о пространственных формах предельных углеводородов не уделяется должного внимания. Обычно материал о пространственных формах изучается бегло. И если объяснение учителя не сопровождалось показом моделей, то у учащихся мало что остается в памяти по данному вопросу. Между тем знания о пространственных формах крайне важны для понимания современной стереохимии.
Опыт показывет, что понятие о пространственных формах следует формировать постепенно, вначале на этане, затем — бутане или пентане, после чего можно перейти к другим группам и классам органических соединений.
Рассмотрение пространственных форм начинают с выяснения причины их появления. Здесь важно, чтобы учащиеся не путали структурообразование молекул, в основе которых лежит тетраэдрическое направление валентных связей, с «образованием» различных пространственных форм, объясняемых химической связью. Поэтому вначале уточняют вопрос о тетраэдрическом строении молекул, образовании зигзагообразной углерод-углеродной цепочки, после чего можно переходить к вопросу о вращении атомов вокруг простой связи — причине появления пространственных форм.
Далее рассматривают шаростержневую модель молекулы этана, показывают свободное вращение одного метильного радикала по отношению к другому. Для наблюдения поворота атомов один из шариков, изображающих атомы водорода «поворачивающейся» группы, отмечают спичкой (если шарик изготовлен из пластилина) или другим образом. Учащиеся убеждаются, что вращение групп атомов вокруг связи С—С возможно. При этом благодаря тепловому движению молекула этана может принять 5*
131


различные пространственные формы (их показывают на модели). Энергетически наиболее устойчива такая форма, которая характеризуется минимумом потенциальной энергии; такое состояние возможно при максимальном удалении друг от друг атомов водорода. Графически эту форму можно изобразить так:
Если посмотреть вдоль оси связи С—С, можно заметить, что связи С—Н первой метильной группы пересекают посредине валентные углы второй СНз-группы.
Молекулы этана находятся все время в движении, одна пространственная форма легко переходит в другую (энергетический барьер очень незначительный).
Далее отмечают, что с увеличением числа атомов углерода в молекуле увеличивается число пространственных форм. В качестве примера рассматривают шаростержневую модель молекулы бутана или пентана. Различные пространственные формы демонстрируют на модели (по-разному «изгибают» цепочку). При этом выясняют такие вопросы: не изменяется ли химическое строение вещества у различных пространственных форм? Не изменяются ли валентные углы с поворотом углеродной цепи? Какая пространственная форма энергетически наиболее выгодна?
Отвечая на эти вопросы, учащиеся должны понять следующее: одно и то же вещество независимо от принимаемой пространственной формы сохраняет химическое строение, валентные углы; молекулы вещества стремятся принять энергетически наиболее выгодную форму, при которой внутренняя энергия минимальна. Учащиеся убеждаются на модели, что наиболее предпочтительной формой является прямая зигзагообразная форма. В этом случае будет минимальное отталкивание атомов водорода, метильные радикалы будут находиться на наибольшем удалении друг от друга. Эту геометрическую форму или конформацию можно изобразить такой моделью:
132


Для проверки понимания учащимися пространственных форм предельных углеводородов им дается упражнение, в котором перечислены существенные признаки структурообразования молекул, причины образования пространственных форм. Упражнение может быть сформулировано так:
«укажите признаки, которые характеризуют пространственное строейие предельных углеводородов (пространственные формы): свободное вращение атомов вокруг о-связей; отсутствует свободное • вращение атомов, зигзагообразная цепь углеродных атомов принимает различные пространственные формы; тетраэдрическое строение атомов углерода обусловливает пространственные формы; при вращении атомов валентные углы остаются без изменений; при вращении атомов вокруг о-связи валентные углы изменяются; атомы водорода (или другие атомы) отталкиваются друг от друга».
Материал о пространственных формах закрепляют на лабораторных занятиях. Целесообразно, как показывает опыт, это занятие посвятить структурной изомерии и пространственному строению предельных углеводородов.
Учащимся предлагают следующие задания:
I. 	Соберите модели изомеров гексана (пентана). Их структурные формулы запишите в тетради. На модели молекулы неразветвленного, гексана покажите, какие пространственные формы она может принимать. Какая форма молекулы энергетически наиболее выгодна? Почему? Изобразите графически 4—5 пространственных форм.
2. 	Соберите модель дихлорэтана, рассмотрите, какие пространственные формы может принять это вещество. Какая форма является предпочтительней? Почему? Дайте ее графическое изображение.
Изображая пространственные формы пентана, учащиеся должны понять, что они показывают лишь часть этих форм, которые возможно записать на бумаге (в одной плоскости). В действительности форм намного больше.
В дихлорэтане С1Н2С—СН2С1 появляются два электроотрицательных заместителя, они стремятся удалиться дальше друг от друга. Поэтому для этого вещества предпочтительна форма:
Идеи о вращении атомов вокруг о-связей, об отталкивании атомов или групп атомов, об энергетически наиболее выгодной пространственной форме должны найти свое развитие в курсе органической химии: образование циклопарафинов и ароматических углеводородов (бензола, толуола) из предельных углеводородов:, циклической формы глюкозы из альдегидной, гибкость полимерных молекул.
133


$ 23. МЕТОДИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ИЗУЧЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО СТРОЕНИЯ УГЛЕВОДОВ И ПОЛИМЕРОВ
Циклическая форма глюкозы. При изучении глюкозы учащиеся хорошо понимают ее альдегидную форму, к восприятию которой они подготовлены полученными знаниями и которая доказывается экспериментально. Трудности возникают у них по вопросу циклической формы глюкозы (строение, ее доказательства и особенно равновесие альдегидной и циклических форм).
Для перехода к циклической форме глюкозы ставят опыт с фуксинсернистой кислотой. Этим чувствительным реактивом легко обнаружить функциональную группу альдегида. Однако глюкоза не дает этой реакции. Знания учащихся приходят в противоречие с опытом. Учитель разъясняет, что в растворе глюкозы только часть молекул находится в альдегидной форме, большинство же молекул имеет циклическое строение.
К возможности образования цикла из молекул линейного строения учащиеся подготовлены: они знают, что атомы могут вращаться вокруг о-связей и если углерод-углеродная цепочка имеет достаточную длину, то может произойти замыкание цикла. Образование циклической формы из альдегидной — это своеобразный химический акт, обусловленный наличием различных функциональных групп, могущих взаимодействовать между собой. Так, альдегидная группа может приблизиться к спиртовой группе, так как атом кислорода карбонильной группы несет на себе частичный отрицательный заряд, а атом водорода спиртовой группы — частичный положительный заряд. При сближении этих двух функциональных групп происходит разрыв л-связи карбонильной группы, к атому кислорода присоединяется водород, а кислород спиртовой группы с атомом углерода замыкают цикл:
н он
н—1 Г 1 Г I ОН I н I он он он
134


Образовалась новая гидроксильная группа (она взята в кружок). Далее выясняют пространственное ее положение в молекуле.
Известно, что молекула стремится к минимуму энергии. В молекуле глюкозы этот минимум достигается, когда гидроксильные группы находятся не по одну сторону плоскости кольца (в противном случае было бы их взаимное отталкивание). Поэтому под плоскостью кольца чередуются атомы и группы атомов: ОН (у С2), Н (у С3), ОН (у С4), Н (у С5). Затем отмечают, что вновь образовавшаяся гидроксильная группа может быть под или над плоскостью кольца (а- и 0-формы).
«Образование» пространственной формулы циклической формы глюкозы можно показать по-иному. После объяснения возможности замыкания цикла за счет реакционноспособных групп указывают на образование новой гидроксильной группы (она выделена шрифтом):
н . он
сГ°
С
НО 1 н хс—
н—С—ОН
н—с—он
н—с—он
НО—С—н н—с—он
но—с—н о |4 н—с—он
или
но—с—н о
Н—С—ОН
н—с—он
н—с
Н
сн2он I
сн2он II
сн2он
Такая запись показывает образование цикла, но она еще не передает пространственное расположение групп. Поэтому циклическую форму глюкозы обычно изображают в виде перспективной формулы. Она может быть построена так. Сначала, пользуясь формулой II, указывают атомы, образующие цикл:
Затем отмечают атомы и группы атомов, заключенные в цикле (формула II), и располагают их под плоскостью:
135


Поворот углеродной цепи приводит к тому, что у С5 над плоскостью будет находиться группа СН2ОН, а под плоскостью — водород. Образующуюся гидроксильную группу у С1 поместим пока под
плоскостью цикла:
При этом отмечают, что углерода обычно не пишут:
в перспективных формулах атомы
В том случае когда вновь образовавшаяся гидроксильная группа (у С1) находится под плоскостью цикла, это а-форма глюкозы; если эта группа находится над плоскостью цикла, это 0-форма глюкозы.
Уместно далее спросить учащихся: какая форма — а- или 0- энергетически предпочтительнее? В результате анализа они приходят к выводу о меньшей устойчивости а-формы (ОН-группы находятся по одну сторону плоскости кольца) и большей устойчивости 0-формы (ОН-группы расположены по разные стороны плоскости кольца). Можно привести данные о содержании указанных форм в водном растворе глюкозы: ~37% а-формы, ~63% 0-формы.
Следует обратить внимание на то, что в растворе содержатся в равновесии а-форма, 0-форма и альдегидная форма. Количество альдегидной формы в равновесной системе крайне невелико — 0,0026%, что можно объяснить высокой реакционной способностью альдегидной группы. Основные особенности этой равновесной системы следующие.
Превращение а-формы в 0-форму и обратно идет через промежуточное образование альдегидной формы:
Равновесная система, состоящая из трех компонентов, динамична. Это выражается в следующем: когда вступает в реакцию альде-
136


гидная форма, циклическая форма полностью переходит в альдегидную. Например, при действии аммиачного раствора оксида серебра (I) реагирует альдегидная форма глюкозы, при этом циклическая форма превращается в альдегидную.
Знания о циклическом строении глюкозы далее закрепляют на пентозах —рибозе и дезоксирибозе. Строение этих веществ по сравнению с глюкозой проще.
Написание а- и 0-форм рибозы или дезоксирибозы, а также их вз^имопереход после изучения глюкозы не представят для учащихся трудностей.
Может возникнуть вопрос: почему не изучать вначале строение пентоз, а затем, гексоз (глюкозу)? Дело в том, что глюкоза более доступна для изучения (возможность поставить химический эксперимент), чем пентозы.
Явление, когда вещества, способные существовать в нескольких взаимопревращающихся изомерных формах, А. М. Бутлеров назвал динамической изомерией, позже это явление названо таутомерией. Он впервые раскрыл сущность этого явления. Некоторые вещества постоянно изомеризуются: «...в некоторых случаях можно встретить и такие тела, масса которых постоянно заключает в заметном количестве изомерные частицы различного химического строения,— частицы, постоянно «соперничествующие» между собою, перегруппировывающиеся взаимно из одного строения в другое... При склонности частиц к перегруппировке вся эта масса, понятно, будет подвергаться реакциям, свойственным одному строению, смотря по натуре реагента, влиянию которого подвергается вещество,— смотря, так сказать, по направлению действия этой реакции» [I, с. 343].
Рассматривая материю в постоянном движении, А. М. Бутлеров считал, что изомеры способны к взаимным превращениям. Явление динамической изомерии указывает на относительность понятия «изомер»; между динамическими изомерами и структурными изомерами нет резкой границы. Так, структурные изомеры 1-бром- пропан и 2-бромпропан устойчивые и существуют раздельно, но при нагревании до 250 °С между обоими веществами устанавливается равновесие:
СНз—СН2—СН2Вг^=^СНз—СНВг—СНз
Стереорегулярная структура полимера. Изучение ответов учащихся показывает, что определенные трудности у них вызывает понятие о стереорегулярной структуре полимера — объяснение его строения и свойств.
При рассмотрении понятия стереорегулярной структуры, как показывает опыт, целесообразно сначала ознакомить учащихся с регулярностью построения полимерной цепи, а затем — с пространственным строением.
На примере пропилена показывают, что элементарные или структурные звенья его могут по-разному соединяться между собой. Условно обозначим в молекуле группы атомов:.
137


0 а сн2=сн (к,
а — «голова», 0 — «хвост».
Первый случай: молекулы мономера могут соединяться по типу: а,а («голова к голове») и 0,0 («хвост к хвосту»):
0 а а 0 0 а а 0
сн,—сн—сн—сн,—сн,—сн—сн—сн,
2 I I I 1
сн3 сн3 сн3 сн3
Второй случай: соединение молекул по типу а,0 («голова к хвосту»):
а 0
сн,—сн—сн,—сн—сн,—сн—сн,—сн
2 I 2 I 2 I 2 I сн3 сн3 сн3 сн3
Третий случай: хаотичное соединение молекул как по типу а,а, так и по-типу а,0:
.СН2—СН—СН—СНг—СН—СН2—СН—СН2—СН?—СН—
(^Н3 СНз СНз (^Нз <^Н3
Учащиеся могут заметить, что регулярное строение полимерной цепи будет во втором случае («голова к хвосту»). Пространственно метильные радикалы в звеньях могут по-разному располагаться по отношению к полимерной цепи (это показано в учебнике). Учащиеся должны запомнить, что стереорегулярные полимеры всегда построены по типу а,0 («голова к хвосту»).
Таким образом, под стереорегулярностью полимера понимают определенный порядок соединения элементарных звеньев и определенное пространственное расположение заместителей по отношению к плоскости основной цепи.
Следует отметить, что стереорегулярная структура полимера обусловливает высокие физико-механические свойства полимера. Объясняется это плотной укладкой макромолекул в полимере, при этом происходит максимальное сближение полимерных цепей, действие межмолекулярных сил становится особенно эффективным. Для подтверждения сказанного можно привести следующие данные: стереорегулярный полипропилен — жесткий материал, он отличается высокой прочностью и имеет температуру плавления 175°С, полипропилен нерегулярного строения каучукоподобен, температура плавления его 80 °С.
Здесь учащиеся убеждаются в том, что изменение строения макромолекул (причина) приводит к новому качеству полимера (следствие).
Далее стереорегулярную структуру рассматривают на изопреновом (натуральном и синтетическом) и дивиниловом каучуках. При изучении их следует указать на определенный порядок


молекул каучука, которая заключается в присоединении звеньев в положении 1,4:
н.с н н.с н
\2 э/ 1 4 3\2 з/
с=с сн. сн, с=сч .1/ \< / *\2 3/ 2\1 / \4
ХСН, СН, /С“С\ Сн2
н,с н
1,4-ммс-полммопрен
Здесь наблюдается не только одинаковая повторяемость звеньев, или регулярность строения, но и определенное пространственное расположение заместителей, например метиленовые.группы в каждом звене находятся по одну сторону плоскости л-связи. Так как в полимерной цепи имеются простые связи, а следовательно, валентный угол в этом случае будет меньше 120 °, двойные связи находятся не на одной линии.
Имеет смысл дать учащимся упрощенную схему цис-полиизо- прена без учета всех валентных углов. Для этого достаточно изобразить два соединенных между собой звена:
После рассмотрения строения изопренового каучука учащиеся самостоятельно могут разобраться в строении дивинилового каучука. Можно рассказать о ценных свойствах стереорегулярных каучуков. Если принять свойства натурального каучука в качестве эталона, то оказывается, что изопреновый каучук (СКИ) приближается по важнейшим показателям — прочности, эластичности, износостойкости — к натуральному каучуку. Дивиниловый каучук (СКД) по эластичности не уступает натуральному каучуку, превосходит его по износостойкости, но уступает по прочности.
Преимущества стереорегулярных каучуков наглядно проявляются, если сравнить их с каучуком нестереорегулярным, например с бутадиеновым. Низкие физико-механические свойства бутадиенового каучука — прочность, эластичность, износостойкость составляют от 50 до 70% по сравнению с натуральным каучуком — объясняются тем, что звенья в макромолекулах соединены не только в положении. 1,4, но и в положении 1,2, что приводит к образованию разветвленной структуры полимерных молекул.
1 2 1
СН,—СН—СН,-
ЭСН
2
чн.
4 I 2 ■СН,—СН.
ГН.


Синтез стереорегулярных каучуков является крупнейшим достижением науки, химической промышленности.
Понятие «стереорегулярность» получает дальнейшее развитие на примере целлюлозы. Ее линейные макромолекулы, как известно, состоят из повторяющихся звеньев, имеющих одинаковое пространственное строение (из 0-глюкозы). Стереорегуляр- ная структура целлюлозы обусловливает высокую прочность целлюлозных материалов. Это объясняется склонностью к межмолекулярной ассоциации, образованием между линейными макромолекулами водородных связей. Чем больше упорядоченность их строения, тем больше прочность. Более глубокое разъяснение этого вопроса сводится к следующему. Огромное число гидроксильных групп с неподеленными парами электронов у атомов кислорода создает высокую электронную плотность вдоль всей молекулы целлюлозы. Это обусловливает легкость образования внутри- и межмолекулярных водородных связей, которые имеют значение для стабилизации структуры полисахарида.
Если после этого спросить учащихся, может ли крахмал иметь стереорегулярную структуру, то они ответят отрицательно: у крахмала преобладают молекулы с большими разветвлениями, что препятствует плотной укладке макромолекул.
Ранее было высказано мнение, что у полимеров есть возможность образовывать пространственные формы в результате вращения атомов вокруг простой связи С—С. Действительно, длина макромолекулы намного превышает ее поперечные размеры, одни части макромолекулы могут «совершать» повороты относительно других, т. е. макромолекула может принимать различные пространственные формы (рис. VI). Однако такое внутреннее вращение в макромолекулах не происходит свободно, так как между ними существует межмолекулярная связь. Кроме того, иногда наблюдается взаимодействие между атомами и группами атомов внутри молекулы, а также взаимодействие между макромолекулами (например, у белковых молекул). Если тепловое движение макромолекул настолько интенсивно, что преодолеваются силы, препятствующие свободному вращению атомов, тогда макромолекула принимает большое число пространственных форм.


ГлаваIX ФОРМИРОВАНИЕ ПОНЯТИЙ
О ЗАКОНОМЕРНОСТЯХ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
§ 24. 	СИСТЕМА ФОРМИРОВАНИЯ ПОНЯТИЙ О ЗАКОНОМЕРНОСТЯХ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
Учащиеся по неорганической химии получают представления о закономерностях химических реакций: скорости реакции и влиянии на нее различных условий, химическом равновесии и условиях сдвига его, тепловом эффекте реакций, термохимических уравнениях. Из указанных понятий в курсе органической химии находит развитие понятие «химическое равновесие», рассматриваемое на примерах реакций этерификации, гидролиза сложных эфиров и гидратации этилена. Этих примеров, как показывает опыт преподавания, недостаточно для развития понятия «химическое равновесие». Понятия о закономерностях химических реакций, приобретенные учащимися в VIII и IX классах, в курсе органической химии мало закрепляются и не развиваются. Большинство учащихся затрудняется указать условия получения веществ.
Как показала А. С. Корощенко, многие учащиеся после изучения неорганической химии имеют пробелы в знаниях по вопросам скорости химических реакций, химического равновесия, катализа. У них складывается неправильное представление о химическом равновесии, так как в школе не акцентируется внимание на динамическом состоянии реагирующей смеси.
Она отмечает, что почти все учащиеся хорошо владеют понятием «катализатор», но лишь некоторые из них указывают на взаимодействие катализатора с реагирующими веществами, на роль катализатора в химическом равновесии.
Многие учащиеся указывают условия смещения химического равновесия (температура, давление, редко указывают на концентрацию), но не приводят пояснений, несмотря на то, что по условию задачи они должны были это сделать.
Краткий анализ знаний учащихся о закономерностях химических реакций позволяет сделать следующий вывод. В курсе неорганической химии ^отсутствуют обобщения о закономерностях химических реакций. Закономерности химических реакций должны быть закреплены на примерах реакций между органическими веществами. Отдельные понятия могут найти здесь дальнейшее развитие, углубление в связи с особенностями электронного и пространственного строения органических веществ.
Только система развивающихся понятий о закономерностях химических реакций, подкрепленная достаточным числом упражнений и задач, может обеспечить глубокие знания учащихся.
141


Разработкой такой системы многие годы занимается Т’ 3. Савич. Ею установлены структура понятий, последовательность их рассмотрения в курсе неорганической химии. В связи с этим мы остановимся лишь на том, как может быть использована система понятий о закономерностях химических реакций в процессе изучения органической химии.
В таблице 11 показано, какие понятия должны быть закреплены, какие находят углубление, развитие.
Таблица 11. Понятия о закономерностях химических реакций
Понятия
Скорость химических реакций
Химическое равновесие
Катализ
Тепловой эффект реакции
Закрепление понятий
Развитие понятий
Примеры реакций с органическими веществами
Некоторые особенности реакций между органическими веществами. Энергия связи. Энергия активации. Влияние электронного и пространственного строения на скорость реакции
Примеры реакций, на которых доказывается влияние условий на смещение химического равновесия
Примеры гомогенных и гетерогенных реакций
Примеры реакций с органическими веществами
Теория промежуточных соединений. Ферменты
Использование энергии связи для подсчета теплового эффекта
Как показывает опыт, знание учащимися энергии связи позволяет им судить о прочности соединений, об их реакционной способности, определять тепловой эффект реакции. В данном случае понятие энергии связи является важным средством, пользуясь которым учащиеся прогнозируют и познают химические процессы. Поэтому целесообразно, чтобы это понятие широко было использовано в курсе органической химии.
Понятие энергии активации дает представление учащимся об энергетических возможностях проведения химических реакций, позволяет выяснить роль катализатора.
С методической точки зрения более всестороннее рассмотрение химических реакций в процессе преподавания органической химии имеет свое обоснование: именно в этом курсе предоставляется возможность подходить к реакции как к целостной системе, где учитываются все факторы (элементы), характеризующие как реагирующие вещества, их реакционную способность, так и протекание самой реакции. Такой широкий подход к химическим реакциям позволяет учащимся прогнозировать возможность осуществления тех или иных процессов. Важно при этом, чтобы учитель развивал на уроках химии «научные поиски» учащихся, приучал их к самостоятельному решению вопросов.
142


§ 25. 	ОСОБЕННОСТИ РЕАКЦИЙ С ОРГАНИЧЕСКИМИ ВЕЩЕСТВАМИ. ИЗУЧЕНИЕ ВОПРОСОВ КИНЕТИКИ И ТЕРМОДИНАМИКИ
В процессе преподавания необходимо подвести учащихся к выводу,, что установленные для неорганических веществ закономерности течения реакций свойственны в такой же степени и органическим соединениям. Однако химическое строение (длинные углерод-углеродные цепочки, их разветвленность), электронное и пространственное строение (наличие, например, л-связей, заместителей, экранирующих реакционноспособную связь) молекул, а также высокая прочность связей С—С, С—О, С—Н и других ковалентных связей обусловливают некоторые особенности протекания химических реакций с органическими веществами. К этим особенностям следует отнести: а) медленное протекание химических реакций; б) наряду с основной реакцией протекают побочные, что влияет на количественный выход целевого продукта реакции; в) ряд реакций может проходить ступенчато; г) при действии реагента на органическое вещество подвергается разрыву, как правило, одна связь. При этом происходят минимальные изменения в энергии и структуре молекул вещества.
Например, при действии натрия на хлоруксусную кислоту в реакцию вступают протонизированные атомы водорода карбоксильной группы, но не атомы хлора. Принцип минимума изменения структуры ярко проявляется в полифункциональных молекулах, в полимерных молекулах.
Эти особенности реакций с органическими веществами вызывают необходимость проводить их каталитически, создавать оптимальные условия, влияющие на увеличение скорости реакций.
Химические реакции связаны с природой вещества, с физическими особенностями связей в молекулах, и прежде всего с энергией связи. Это понятие вводится в курс органической химии с самого начала, при изучении метана, и далее систематически используется в обучении.
В процессе рассмотрения строения молекулы метана следует уточнить понятие энергии связи, напомнить определение его, указать, что она характеризует прочность связи, привести примеры энергии связи: Н—О 465 кДж/моль, С—Н 415 кДж/моль. Чем больше энергия связи, тем, как правило, прочнее соединение. Затем понятие энергии связи используется при характеристике теплоты реакции гореИия или галогенирования (хлорирования). Так как химическая реакция связана с разрывом одних связей (в исходных веществах) и образованием других (в полученных веществах), то, зная энергию этих связей, можно подсчитать тепловой эффект реакции. Рассмотрим это положение на примере хлорирования метана.
При превращении метана в хлорметан разрываются связи С—Н и С1—С1 и образуются две новые связи С—С1 и Н—С1. Пользуясь табличными данными, учащиеся делают такую запись:
143


Н3С—Н + С1— С1-— Нзс—С1 + Н—С1 I 415 240 7 I 330 430 7
655 760
В результате реакции выделяется (760 —655) = 105 кДж/моль, следовательно, она экзотермическая.
Прием подсчета теплового эффекта можно закрепить на примере реакции бромирования. Интересно предложить учащимся такое упражнение: можно ли осуществить иодирование метана при тех же условиях, при которых проводится его хлорирование? Расчеты, которые проводят учащиеся, показывают, что эта реакция при данном условии не пойдет, она сильно эндотермическая.
В практике преподавания химии наблюдается, что учащиеся пишут также уравнения реакций галогенирования, которые не могут быть осуществлены, если не создавать специальных условий. Например, реакция фторирования сильно экзотермическая. Фторирование предельного углеводорода свободным фтором (без специального отвода теплоты из сферы реакции) приводит к разрушению молекул углеводорода (15, с. 71), например:
С2Нб + 7Г2->2СЕ4 + бНЕ
Фторпроизводное, например, можно получить так:
СНз1 + АёЕ + СН3Е + Аё1
Непосредственное иодирование предельных углеводородов при нормальных условиях неосуществимо (15, с. 72). Иодпроизводные можно получить по реакции обмена:
Р—С1 + ^а1->Р—I 4- МаСЕ
Известно, что энергетически более выгодна та реакция, которая идет с выделением теплоты, так как в этом случае система от менее устойчивого переходит к более устойчивому энергетическому состоянию.
Сравнение энергии связей различных соединений позволяет сделать заключение, у какого из них при прочих равных условиях быстрее разорвется связь, а следовательно, соединение быстрее вступит в химическую реакцию. Это наглядно можно показать на примере свободнорадикального механизма реакции замещения.
С точки зрения энергии связи реакция галогенирования метана, постепенное замещение в его молекулах атомов водорода атомами галогена объясняется тем, что затрачиваемая энергия на отрыв атомов водорода в молекуле метана различна. Для отрыва первого атома водорода необходимо затратить 428,4 кДж/моль, для отрыва второго атома — 369,6 кДж/моль. Уменьшение энергии связи С—Н после замещения одного атома водорода хлором облегчает замещение оставшихся атомов водорода. Учащимся известно, что химическая реакция происходит в результате столкновения молекул, имеющих достаточную энергию и соответствующую ориентацию. Скорость реакции определяется числом эффективных столкно144


вений, она слагается из частоты столкновений, энергетического фактора (число столкновений, имеющих достаточную энергию) и фактора ориентации (число столкновений, имеющих нужную ориентацию).
Важнейшим фактором, определяющим скорость, является энергетический фактор, т. е. число столкновений, имеющих достаточную энергию. Этот фактор зависит от температуры и от энергии активации, которая характерна для каждой реакции. Повышение температуры реакционной смеси увеличивает в ней число молекул, обладающих энергией активации.
При изучении неорганической химии Т. 3. Савич предлагает рассматривать энергию активации. При этом она приводит для учащихся такое определение энергии активации: минимум энергии, которым должны обладать молекулы для того, чтобы иметь возможность вступать в химическое взаимодействие. Понятие «энергия активации» может быть закреплено на отдельных реакциях.
При объяснении энергии активации следует обратить внимание на то, что избыток энергии — это еще недостаточное условие для взаимодействия молекул, необходима определенная взаимная ориентация молекул, позволяющая прийти в соприкосновение реакционным центрам.
Касаясь вопроса о скорости реакции, отмечаем влияние на нее не только природы вещества, концентрации реагентов, давления, температуры, катализатора, но и пространственного эффекта. Оказывается, этот эффект снижает скорость реакции, так как атомы или группы атомов плотно окружают реакционноспособное место — реакционный центр.
Например, бензойная кислота СООН легко реагирует
со спиртом, в то же время появление заместителей вблизи СООН- /Вг
группы Л \ приводит к отсутствию реакции, так как
Г у—60014
'Вг
заместители плотно прикрывают реакционный центр (связь С—ОН). Подобные примеры следует приводить учащимся при изучении кислот, спиртов, аминов (карбоновые кислоты и спирты изомерного строения, третичные амицы и др.).
§ 26. 	ПОНЯТИЕ «ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ»
Большинство реакций с органическими веществами обратимы. Рассматривать понятие «химическое равновесие» на каждой реакции нецелесообразно, достаточно изучить небольшое число реакций, вывести определенные закономерности, пользуясь которыми учащиеся смогли бы определить течение конкретных реакций.
145


Обратимые реакции с органическими веществами характеризуются не только общими закономерностями, свойственными всем реакциям (принцип Ле Шателье), но и специфическими особенностями (в отличие от подобных реакций в неорганической химии). Они обусловлены электронным и пространственным строением органических соединений, поэтому при обсуждении обратимых реакций следует учитывать общее и частное.
Химическое равновесие можно рассмотреть вначале на примере реакций гидрирования и дегидрирования различных групп углеводородов, затем на реакции гидратации этилена, ацетилена, гидрирования и дегидрирования альдегидов и, наконец, на реакции этерификации. По усмотрению учителя этот перечень мож.ет быть расширен примерами реакций галогеноводородов с этиленовыми углеводородами и одноатомными спиртами.
Мы остановимся преимущественно на таких реакциях, которые имеют промышленное или познавательное значение.
При изучении химических свойств метана учащимся можно дать задание: какие нужны условия, чтобы осуществить разложение метана на простые вещества? Решение следует начать с записи уравнения реакции и подсчета энергии связи. Из таблицы 5 учащиеся находят данные об энергии связи: С—Н 415 кДж/моль, Н—Н 437 кДж/моль,
СН4^С + 2Н—Н
Суммарная энергия связи молекулы метана (1660) превосходит энергию двух молекул водорода (874) и энергию связи в аморфном углероде (саже), поэтому реакция идет с поглощением теплоты. Таким образом, разрыв прочных о-связей сопровождается расходованием энергии.
Далее учащихся спрашивают, можно ли осуществить обратный процесс: какие нужны условия для получения метана из простых веществ? Записав уравнение реакции и произведя расчеты, они могут прийти к правильному выводу (условия описаны в учебнике).
При изучении этиленовых углеводородов учащимся дается задание провести анализ реакции гидрирования этилена, если реакция обратима. При анализе этой реакции необходимо учитывать наличие л-связи. По таблице 5 находят энергию двойной связи, которая разрывается, энергию а-связи С—С. Кроме того, нужно учесть, что в результате реакции образуются две новые связи С—Н:
н н н н
/■=/ + н—н н—-с—с—н
620-350 = 270 437 2-415 = 830
270 + 437 = 707
146


Энергия связей образующегося вещества превосходит энергию разрушившихся связей в исходных веществах. Реакция сопровождается выделением теплоты, так как на разрыв л-связи затрачивается меньше энергии, чем на образование двух а-связей.
Процодимые расчеты теплового эффекта приближенные. Однако они позволяют оценить, будет ли эндо- или экзотермический эффект.
Далее, учащимся дают задание: в промышленности проводят реакцию дегидрирования этана с целью получения этилена (при высокой температуре). Почему? Какая это реакция: эндо- или экзотермическая?
На' примере реакции гидрирования этилена рассматривается вопрос об участии катализатора в реакции. В результате действия катализатора (1\П) и под влиянием температуры происходит, как полагают: а) разрыв связи Н—Н и образование промежуточного продукта Н — катализатор; б) взаимодействие этилена с продуктом Н — катализатор и образование связи катализатор — углерод; в) связь катализатор — С разрывается, образуются конечный продукт (этан) и свободный катализатор. Скорость образования промежуточных соединений высока, и поэтому в конечном итоге увеличивается скорость всей реакции. Здесь же уточняют вопрос о том, что катализатор не является фактором, влияющим на химическое равновесие; он ускоряет как прямую, так и обратную реакцию, чем способствует быстрому установлению равновесия.
Рассмотрим еще реакцию гидрирования ацетилена. Вначале следует предложить самим учащимся выяснить условия ее протекания и произвести расчеты. Здесь важно, чтобы они учли следующее: энергию тройной связи, энергию С—С-связи. В продукте реакции — этане появляются четыре С—Н-связи:
\ /
н—сес—Н + 2Н—н н—с—с—н
н н
810-350 = 460 2-437 = 874 4-415= 1660
460 + 874=1334
Следовательно, реакция гидрирования сопровождается выделением теплоты, она экзотермическая. Учащиеся самостоятельно решают вопрос об условиях реакции дегидрирования этана.
Целесообразно будет также провести анализ реакции получения ацетилена из метана. У двух молекул метана разрываются связи С—Н:
н н
I I _
н—с—н + н—с—н - Н—С=С-Н + ЗН—н
н н
6-415 = 2490 810 + 3-437=1311 810+1311=2121
147


На основании рассмотренных термохимических уравнений реакций гидрирования и дегидрирования (этот вывод можно сделать после рассмотрения этиленовых или ацетиленовых углеводородов) предлагают учащимся сделать общие выводы:
1. 	Реакция гидрирования связана с разрушением непрочных л-связей и образованием прочных о-связей, она экзотермическая, так как на разрыв л-связей требуется меньше энергии, чем на образование о-связей, поэтому реакцию проводят при низких температурах; реакция дегидрирования связана с разрывом прочных о-связей и образованием непрочных л-связей, она эндотермическая, так как на разрыв о-связей требуется больше энергии, чем на образование л-связей, поэтому реакцию осуществляют при высоких температурах.
2. 	Реакции гидрирования и дегидрирования протекают с изменением объема, поэтому для их осуществления целесообразно использовать давление и увеличение концентрации одного из реагирующих веществ, например избыток водорода.
На указанные выводы следует обратить особое внимание, так как их можно распространить на другие обратимые реакции.
После усвоения этих выводов учащиеся самостоятельно решают вопрос об условиях гидрирования бензола. Они приходят к выводу: так как реакция гидрирования экзотермическая и протекает с уменьшением объема в четыре раза, то необходимы оптимальная температура (300 °С), катализатор и давление (в промышленности используют давление порядка 1,0—1,5 мПа):
+ ЗН,
СбНб +=* СбН|2 + 206 кДж/моль
— ЗН 1
Особенностью этой реакции является ее большой суммарный тепловой эффект, что связано с прочностью ароматического кольца; устойчивость ароматической системы обусловливает ее меньшую реакционную способность при гидрировании по сравнению с этиленовыми углеводородами.
Изучая свойства альдегидов, учащимся предлагают рассмотреть условия перехода альдегида в спирт, указать, что общего в гидрировании этиленового углеводорода и альдегида, осуществить переход от спирта к альдегиду:
,0
СНз—+Н2^СНз—СН2ОН
Основное, на что должны обратить внимание учащиеся,— это связи С=О и С—О—Н. Сопоставляя их со связями С=С и С—С (табл. 5), а также учитывая выводы, сделанные по гидрированию и дегидрированию углеводородов, учащиеся смогут прийти к заключению: реакция гидрирования альдегида проходит с разрушением л-связи, она экзотермическая (выделяется 67—83 кДж/моль) и обычно протекает в присутствии катализатора (1Ч|) и при невысокой 148


температуре (50—150 °С). Процесс ускоряется использованием невысоких давлений (1—2 мПа).
Так как полярность связи С=О выше полярности связи С=С, то реакция гидрирования альдегида должна проходить с большей скоростью, чем гидрирование этиленового углеводорода (нераз- ветвленнйго строения).
Для проведения реакции дегидрирования спирта необходимо затратить, теплоту. Производить подсчеты теплового эффекта, исходя из энергии связей, здесь уже нецелесообразно, так как выяснены некоторые закономерности процессов гидрирования и дегидрирования.
Выводы, сделанные для реакций гидрирования и дегидрирования, пригодны и для других реакций, например гидратации, присоединения галогеноводорода к этиленовому углеводороду.
Рассматривая реакцию гидратации, отмечают ее экзотермич- ность, обратимый характер:
нн нн
С«С + НОН ■ Н—С—С—О—Н + 46 кДж/моль
НН НН
Понижение температуры приводит к смещению равновесия в сторону образования спирта. Затем рассматривают условия реакции гидратации, ее механизм.
При изучении свойств спиртов (этанола) отмечают, что в зависимости от температуры дегидратация может протекать с различной глубиной:
С2Н5ОН^С2Н4+ Н2О — 46 кДж/моль;
2С2НбОН5=^С2Н5—О—С2Нб“НН2О“1- 17,5 кДж/моль
Образованию эфира способствует относительно низкая температура (до 140 °С), повышение ее приводит к выделению этилена.
Гидратация ацетилена — процесс обратимый:
,0
НС=СН + Н2О^СНз—с; ч- 150,1 кДж/моль
Хн
Реакцию гидратации следует проводить при низких температурах (в этом случае она смещена полностью впоаво), в присутствии катализатора, при. температуре выше 300 °С равновесие смещается в сторону разложения ацетальдегида.
Процесс присоединения галогеноводорода к этиленовому углеводороду обратимый, например:
СН2=СН2 + НС1 СНз—СН2С1 + 64,8 кДж/моль
Присоединению НГ благоприятствует понижение температуры, а отщеплению НГ от галогенопроизводного — ее повышение.
В курсе химии большое внимание уделяется рассмотрению реакции этерификации. Она детально была изучена в прошлом 149


веке Н. А. Меншуткиным с точки зрения влияния на скорость реакции концентрации, температуры, катализатора, различного строения реагирующих веществ (объяснить в то время причину влияния строения на скорость этерификации не могли).
Учащимся можно предложить задание прокомментировать результаты научного эксперимента, полученные Н. А. Меншуткиным и др. (табл. 12). В результате анализа они должны прийти к выводам о влиянии строения на скорость реакции этерификации. Отмечается, что учащиеся пытаются решить задание, используя понятие взаимного влияния атомов. Это удается им проследить на спиртах и одноосновных жирных кислотах. Так, например, кдсаясь представленных в таблице кислот, они отмечают следующее: по мере разветвления строения углеводородного радикала увеличивается сдвиг электронной плотности к атому углерода карбоксильной группы, несущему на себе некоторый положительный заряд; это заряд частично гасится, что приводит к меньшему оттягиванию электронной плотности от атома водорода:
сн, I ..
сн3—С—С—о—н
В связи с этим 2,2-диметилпропановая кислота слабее 2-метил- пропановой и пропановой кислот, относительная скорость ее этерификации очень мала (0,1).
Затем у учащихся появляется большое затруднение: как объяснить относительную скорость этерификации для ароматических кислот? Учитель отмечает, что во всех рассматриваемых случаях реакции этерификации на ее скорость в большей степени сказывается пространственный эффект, чем взаимное влияние атомов. Метильные радикалы в молекулах кислот затрудняют приближение спиртовой группы к С—О—Н-связи карбоксильной группы. Такое же явление наблюдается у спиртов: метильные радикалы сдерживают приближение карбоксильной группы кислоты к функциональной группе спирта.
Далее указывают, что удлинение цепи углеводородного радикала спирта или кислоты замедляет скорость реакции этерификации. Например, муравьиная кислота имеет относительную скорость реакции (в %) 96,04, уксусная — 65,38, пропионовая — 59,94, метанол — 71,45, этанол — 47,0. Эти свойства учащиеся сами объясняют взаимным влиянием атомов в молекулах.
Указанных примеров обратимых реакций вполне достаточно для того, чтобы закрепить и развить знания учащихся о химическом равновесии, понять некоторые специфические особенности обратимых реакций с органическими веществами. Эти особенности следующие:
обратимые реакции часто сопровождаются побочными реакциями, большей частью необратимыми. Например, процесс по150


лучения ацетилена из метана сопровождается реакцией разложения ацетилена на простые вещества;
обратимые процессы могут протекать ступенчато, например, гидрирование ацетилена.
Таблица 12. Влияние строения спирта и кислоты на скорость реакции этерификации
Название
Формула спирта и кислоты
Относительная скорость этерификации
Бутанол-1
Бута нол-2
2-Метилпропанол-1
СНз—СН2—СН2—СН2ОН
СНз—-СН—СН2—СНз
<!)н
СНз—СН—СН2ОН
23,5
11
I
Пропановая кислота 2-Метилпропановая кислота
СНз—СН,—СООН
3
1
СНз
2,2-Диметил пропановая
0,1
СНз
Примечание. Указанные здесь спирты вступали в реакцию с одной и той же карбоновой кислотой неразвегвленного строения (например, уксусной). Это же касается карбоновых кислот: они реагировали с одним и тем же спиртом нераз- ветвленного строения (например, этанолом).
На скорости прямой и обратной реакций сказываются химическое строение веществ, распределение электронной плотности, пространственное строение.
В курсе органической химии необходимо систематически при151


менять различного рода задания о закономерностях химических реакций. Задания могут иметь различное назначение: закрепить понятие о тепловом эффекте, химическом равновесии или скорости реакции и др.
Примеры заданий по различным классам органических соединений даны в приложении.
Опыт показывает, что в самом начале изучения химических свойств класса соединений формулы органических веществ, участвующих в реакциях, следует писать в структурном виде. Такой методический прием необходим для того, чтобы учащиеся лучше усвоили строение органических соединений. В дальнейшем, когда они усвоят строение молекул веществ, можно переходить к сокращенным структурным формулам, а в ряде случаев — к молекулярным формулам (например, формулы предельных углеводородов).
В заключение перечислим те реакции, которые чаще всего встречаются в курсе органической химии: гидрирование, дегидрирование, гидратация, дегидратация, галогенирование (хлорирование, бромирование), гидрогалогенирование, дегидрогалогенирование, этерификация, гидролиз, полимеризация, поликонденсация, нитрование и окисление. Более подробные сведения о классификации химических реакций с участием органических веществ даны в главе «Обобщение теоретических понятий».


ГлаваX ФОРМИРОВАНИЕ ПОНЯТИЙ химии ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
§ 27. 	СИСТЕМА И СТРУКТУРА ПОНЯТИЙ ХИМИИ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
В курсе органической химии рассматривается небольшое число высокомолекулярных соединений, тем не менее отобранный материал позволяет: а) раскрыть важнейшие понятия высокомолекулярной химии и способы синтеза полимеров; б) представить наиболее важные, имеющие широкое народнохозяйственное значение полимерные материалы; в) провести простейшую классификацию полимеров и полимерных материалов.
Система формирования понятий высокомолекулярной химии в школьном курсе характеризуется следующими особенностями:
1. 	Она включает основные понятия высокомолекулярной химии, рассматриваемые преимущественно с точки зрения химических особенностей.
2. 	Основные понятия, отобранные для изучения, находятся в определенной взаимосвязи и развитии. Вначале некоторые понятия о высокомолекулярных соединениях рассматриваются на этиленовых углеводородах, затем многие понятия освещаются на примере природных полимеров, и наконец, при изучении заключительной темы «Синтетические высокомолекулярные соединения и полимерные материалы на их основе», происходит обобщение и развитие понятий, формируются новые понятия, позволяющие осмыслить свойства полимеров (табл. 13).
3. 	Система охватывает основные типы полимерных материалов (пластмассы, волокна и каучуки). Ими завершается рассмотрение высокомолекулярных соединений в курсе органической химии. Такой подход вполне логичен: в народном хозяйстве, быту, как правило, используются полимерные материалы.
В связи с тем что в курсе неорганической химии возможно дать первое представление о полимерах, система формирования понятий о высокомолекулярных соединениях в общем плане может состоять из трех этапов: первый — рассмотрение неорганических полимеров, второй — органических полимеров и третий — обобщение сведений о неорганических и органических полимерах в конце курса химии. Представления о неорганических полимерах позволят: а) установить общее в строении полимеров независимо от их происхождения; б) подготовить учащихся к восприятию материала об органических полимерах, проводить аналогии между полимерами.
153


Таблица 13. Последовательность формирования основных понятий высокомолекулярной химии
т Полимер, полимерный
1 м материал
Изучаемые понятия
Непредельные Полиэтилен, углеводороды полипропилен
Реакция полимеризации, ее определение, уравнение реакции полимеризации этиленовых углеводородов. Полимер, высокомолекулярное вещество, линейное строение
Натуральный каучук, резина
Ступенчатая реакция полимеризации диенового углеводорода. Линейное (клубкообразное) строение, пространственная структура. Эластичность, вулканизация
Поливинилхлорид
Уравнение реакции полимеризации (схема)
Углеводы Крахмал
Линейное и разветвленное строение полимера, гидролиз, схема образования макромолекулы из глюкозы
Целлюлоза
Линейное строение, ориентация макромолекул, водородная связь между макромолекулами и их влияние на прочность
Ацетатное волокно
Линейное строение
Белки, нуклеино- Белки вые кислоты
Синтез полипептида, гидролиз полипептида, первичная, вторичная и третичная структура белка
Нуклеиновые кислоты
Структурное звено — нуклеотид, строение кислот из нуклеотидов, полинуклеотиды, двойная спираль
Синтетические высокомолекулярные соединения и полимерные материалы на их основе
Общие понятия о высокомолекулярных соединениях: реакция полимеризации, мономер, полимер, структурное звено, степень полимеризации, геометрическая форма макромолекул (линейная, разветвленная, пространственная), кристаллическое и аморфное строение, молекулярная масса, зависимость свойств полимеров от их строения. Механизм реакции полимеризации (радикальный), инициатор; реакция поликонденсации (на примерах образования пептидов, поликонденсация двухосновной кислоты и двухатомного спирта в общем виде)
Полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, полиметилметакрилат, фенолформальдегидные пластмассы
Пластмассы, их состав; термопластичные полимеры, термореактивные полимеры
Свойства термопластов, степень кристалличности, применение пластмассы на основе ее свойств. Стереорегулярность (на примере полипропилена), деполимеризация (на примере полистирола), термореактивная пластмасса
154


Продолжение
Тема
Полимер, полимерный материал
Изучаемые понятия
Лавсан
Капрон
Бутадиеновый синтетический каучук (СКБ)
Классификация волокон
Синтетические волокна, химические волокна
Полиэфир, реакция поликонденсации двухосновной кислоты и двухатомного спирта, свойства лавсана, обусловленные строением макромолекул
Полиамидное волокно, поликонденсация аминокапроновой кислоты. Свойства капронового волокна, обусловленные строением макромолекул
Синтетический каучук. Реакция полимеризации диенового углеводорода (бутадиена)
Полиизопреновый синте- Стереорегулярные каучуки (СКИ, СКД) тический каучук (СКИ), Стереорегулярное строение, цнс-форма дивиниловый синтетичес- макромолекул, свойства, обусловлен- кий каучук (СКД) ные стереорегулярным строением
На примерах неорганических полимеров — пластической серы, алмаза, графита и кварца — учащиеся получат первоначальные понятия о линейной и пространственной структуре полимеров, о влиянии строения на свойства полимеров.
Обратимся к органическим полимерам. Согласно изучаемому курсу органической химии, формирование понятий о высокомолекулярных соединениях начинается с реакции полимеризации, ее определения, определения понятия «полимер», его линейного строения. Дальнейшее развитие понятия «линейное строение» происходит при изучении натурального каучука: клубкообразное строение молекул, объяснение свойства эластичности, возможность осуществления химических связей между линейными макромолекулами с образованием пространственной структуры полимера (резины).
На примере полисахаридов — крахмала и целлюлозы — углубляется понятие «геометрическое строение»: объясняется прочность линейного полимера (ориентация макромолекул, появление водородной связи), рассматривается разветвленное строение макромолекул, гидролиз — расщепление макромолекул.
Дальнейшее развитие понятия «геометрическое строение» происходит при изучении белков: образование линейных макромолекул в результате синтеза полипептида, его гидролиз, первичная, вторичная и третичная структура белков.
На примере нуклеиновых кислот продолжается развитие понятия о строении макромолекул: появляются более сложные структурные звенья — нуклеотиды, первичная и вторичная структура
155


полинуклеотидов, двойная спираль, рассматривается влияние строения на функции нуклеиновых кислот в живых организмах.
Таким образом, постепенно происходит развитие понятий, особенно понятий, характеризующих строение полимерных молекул, их усложнение.
В теме «Синтетические высокомолекулярные соединения и полимерные материалы на их основе» обобщаются понятия о геометрической форме макромолекул, о реакциях полимеризации и поликонденсации и др. Одновременно формируются такие понятия: мономер, структурное звено, степень полимеризации, кристаллическое и аморфное строение, молекулярная масса, зависимость свойств от молекулярной массы и строения, механизм реакции полимеризации, термопластичность, термореактивность, стереорегулярность, полимерные материалы, их классификация.
Рассмотрим связь понятий высокомолекулярной химии, последовательность их изучения (схема 7). Исходное понятие — мономер. Основная особенность мономера — это наличие не менее одного реакционного центра (например, л-связи в случае реакции полимеризации) или не менее двух реакционных центров (различных функциональных групп в случае реакции поликонденсации). Таким образом, мономер должен быть весьма реакционноспособным веществом.
В результате реакции полимеризации или поликонденсации образуется полимер (макромолекула). При характеристике макромолекулы вначале отмечают элементарное или структурное звено, его строение, что позволит судить о свойствах (большей частью химических) полимера, затем указывают число элементарных звеньев — степень полимеризации. Это понятие дает возможность перейти к молекулярной массе полимера.
Характер соединения структурных звеньев и их пространственное строение определяют геометрическую структуру макромолекул полимера.
Состав структурных звеньев, молекулярная масса макромолекул, их строение (химическое, электронное и пространственное) определяют свойства полимеров. Для характеристики свойств полимера важно знать его кристаллическое и аморфное строение, степень кристалличности. В этом случае следует опираться на знания учащихся из курса физики. Им известно, что аморфные тела характеризует беспорядочность расположения молекул, изотропность. В кристаллических телах молекулы расположены упорядоченно, физические свойства у них неодинаковы в различных направлениях, но совпадают в параллельных направлениях (ани- затропность), где силы взаимодействия молекул наиболее прочны. Эти знания по физике дополняются такими сведениями: синтетические полимеры также могут иметь аморфное или кристаллическое строение, но у кристаллических полимеров имеются участки аморфного строения. Поэтому обычно говорят о степени кристалличности полимера.
156


Связь понятий высокомолекулярной химии
Схема 7
9
§ 28. 	К ВОПРОСУ ФОРМИРОВАНИЯ ОБЩИХ ПОНЯТИЙ ХИМИИ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Для лучшего понимания учащимися органических высокомолекулярных соединений целесообразно обратиться к неорганическим полимерам, которые в той или иной степени известны им. В этом случае обзор общих понятий о полимерах будет полнее. Так, при ознакомлении учащихся с вопросом строения полимеров можно использовать их знания об алмазе и кварце. Это позволит им понять трехмерное строение. Вместе с тем знания об алмазе и кварце дадут возможность подтвердить положение о влиянии пространственного строения на физико-механические свойства полимеров. Следует 157


указать учащимся, что в дальнейшем они встретятся с органическими полимерами, имеющими трехмерное строение.
Касаясь линейной структуры, можно привести пример пластической серы. Здесь уместно указать на схему превращения восьмичленной циклической формы при нагревании в пластическую:
"ХхИ ~ ...
Макромолекулы образуются за счет разрыва восьмичленного цикла. Пластическая сера состоит из беспорядочно перепутанных цепочкообразных молекул большой длины; ее растяжение объясняется расправлением нитевидных макромолекул.
Рассмотрим некоторые вопросы методики формирования понятий о высокомолекулярных соединениях при изучении курса органической химии, в котором освещаются вначале природные, а затем синтетические полимеры. Для подготовки учащихся к изучению полимеров вводятся понятия: мономер, полимер (высокомолекулярное вещество), степень полимеризации, элементарное или структурное звено. Логика подсказывает, что понятие «полимер» не может быть без понятия «мономер». Очевидно, необходимо пояснить, что обозначает «и» в схемах реакции полимеризации. Тем более что сущность «л» неоднозначна: в левой части схемы обозначает число молекул мономера, вступивших в реакцию, в правой части — число элементарных (структурных) звеньев.
Чтобы избежать часто встречающуюся ошибку в записи элементарного звена в случае гомологов этилена, необходимо обратить внимание на те атомы углерода, которые образуют полимерную цепочку.
С целью закрепления умения учащихся писать уравнения реакции полимеризации, а в связи с этим понимания ими степени полимеризации, структурных звеньев учащимся предлагаются упражнения. Например, составить уравнения реакции полимеризации винилхлорида (ацетиленовые углеводороды), стирола (ароматические углеводороды), метилового эфира метакриловой кислоты (сложные эфиры).
Методика изучения природных полимеров с достаточной глубиной освещена в методической литературе [23]. Новым материалом являются нуклеиновые кислоты. Их изучение позволяет глубже раскрыть биосинтез белков, понять передачу наследственных признаков, обобщить знания о функциональных группах, водородной связи и др. Хотя строение нуклеиновых кислот намного сложнее белков, тем не менее для их изучения используется общий подход к выяснению строения природных полимеров, а именно аналитический. Гидролиз крупных молекул происходит постепенно: вначале образуются промежуточные продукты, а затем продукты полного гидролиза. В случае нуклеиновых кислот образуются различные нуклеотиды, которые гидролизуются на пентозу, основания и фосфорную кислоту. Этот процесс можно изобразить в виде схемы:
158


Дезоксирибоза
А, Г, Ц, Н3РО4
Рибоза
Отсюда видно, что в молекулах ДНК и РНК содержатся одни и/ге же основания (аденин, гуанин и цитозин); тимин встречается в ДНК, а урацил — в РНК.
Сравнивая химическое и пространственное строение белков и нуклеиновых кислот, можно отметить их первичную и вторичную структуры. Если в белковых молекулах различные аминокислоты соединены посредством амидных связей —К—С— , в нуклеиновых А А
кислотах соединение различных нуклеотидов осуществляется за счет эфирных мостиков между ОН-группой пентозы в положении 3 одного нуклеотида и ОН-группы пентозы в положении 5 другого нуклеотида. Основную полимерную цепь образуют остатки пентозы и фосфорной кислоты. Основания образуют боковые группы. У белковых молекул полимерная цепь состоит только из остатков аминокислот.
159


Вторичная структура у белков и нуклеиновых кислот поддерживается за счет водородных связей. Различие в том, что у белковых молекул одна спираль, а у нуклеиновых кислот (ДНК) — двойная спираль (рис. VII).
Сведения, полученные при изучении непредельных углеводородов (реакция полимеризации, линейное строение макромолекул и др.) и природных полимеров (полисахаридов, белков, нуклеиновых кислот), позволяют обобщить понятия химии высокомолекулярных соединений, аргументированно рассмотреть зависимость свойств полимеров от их строения, глубже раскрыть основные методы синтеза полимеров.
При освещении общих понятий химии высокомолекулярных соединений следует выяснить, чем существенно новым отличаются высокомолекулярные соединения от низкомолекулярных. Прежде всего необходимо отметить, что длина макромолекул во много раз превосходит их поперечник. Так, в случае линейного полимера поперечник макромолекулы соответствует размеру молекулы мономера, а длина в сотни и тысячи раз превышает эту величину.
Большая длина макромолекул обусловливает их гибкость. Гибкость полимерной цепи в значительной степени повышается в результате вращения атомов Ъ макромолекулах. Благодаря этому возможен поворот одной части макромолекулы относительно другой без нарушения при этом химической связи и валентного угла. В результате линейные макромолекулы могут быть сильно изогнуты и даже свернуты в клубок (рис. VI). У полимеров линейной структуры макромолекулы сильно вытянуты, поэтому отдельные участки цепи настолько удалены друг от друга, что взаимное влияние их становится ничтожно малым, и в химические реакции такие макромолекулы вступают отдельными звеньями.
Таким образом, признаками полимерного состояния вещества являются большая молекулярная масса, цепное строение и гибкость. Совокупность этих признаков характеризует полимер.
Огромная длина макромолекул, их гибкость, межмолекулярная связь — взаимодействие огромного числа элементарных звеньев макромолекул, приводящее к тому, что суммарная прочность такой связи превышает прочность химических связей в молекуле,— обусловливают свойства высокомолекулярных соединений: механическую прочность, температуру размягчения, плохую растворимость и др.
Изучение общих понятий о полимерах объективно создает теоретическую базу для рассмотрения полимерных материалов, их свойств и применения в народном хозяйстве. В „связи с тем что сведения о пластмассах носят материаловедческий характер, они могут быть изучены учащимися самостоятельно с использованием химического эксперимента [25]. В определенной степени это же касается синтетических волокон.
В улучшении физико-механических свойств полимерных материалов большое значение имеет структура полимеров. Полу-чение полимеров стерео ре гул яр но го строения — большое достижение хи-
160


мии и важное направление в развитии промышленности каучуков и некоторых пластмасс, так как стереорегулярность обеспечивает высокие физико-химические свойства полимерных материалов.
Второе направление в улучшении физико-химических свойств полимерных материалов — сополимеризация различных мономеров. Онр особенно важно при получении сополимерных каучуков. В связи с этим учащимся следует дать понятие о реакции сополимеризации как о процессе совместной полимеризации двух или большего числа различных мономеров. Образование сополимеров можно рассмотреть на примерах сополимеризации бутадиена и стирола (бутадиенстирольный каучук), этилена и пропилена (этиленпропиленовый каучук), изобутилена и изопрена (бутилкаучук) и др.
Уравнение реакции сополимеризации следует дать упрощенно, без учета количественных отношений мономеров, например:
пСН2=СН2 И- иСН2=СН ... (—СНг—С Нг—СНг—СН—) п
Ан3 Анз
Этилен-пропиленовый каучук обладает ценными свойствами: он устойчив к действию кислот, окислителей (кислорода, озона), к термическому и окислительному старению.
Третье направление улучшения физико-химических свойств полимерных материалов — наполнение полимеров различными добавками (например, фенолформальдегидные пластмассы, резины), получение композиционных материалов, сокращенно композитов, широко используемых в технике.
Использование логических приемов в процессе формирования понятий. При рассмотрении полимеров и полимерных материалов имеются широкие возможности для использования таких логических приемов, как сравнение, аналогия, анализ, синтез и обобщение.
Сравнения (по составу, строению и свойствам) возможны различного характера: полимера и мономера, полимеров органического происхождения, полимеров органического и неорганического происхождения.
В начале изучения синтетических полимеров важно провести сравнение между полимером и мономером. Приведем пример сравнения этилена и полиэтилена, а также полиэтилена и парафина. Для их сравнения используют данные химического эксперимента (табл. 14). В результате сравнения можно сделать вывод: полиэтилен по ряду физических и химических свойств сходен с парафином — Предельным углеводородом.
Прием сравнения можно использовать, если в результате реакции изменяется геометрическая структура полимера, а следовательно, появляются новые свойства. В качестве примера приведем изучение свойств каучука и резины, где исходный полимер, имеющий линейную клубкообразную структуру, подвергаясь вулканизации, превращается в полимер пространственного строения [25].
6 Зак. 2175 И. Н. Чертков
161


Таблица 14. Сравнение свойств этилена, полиэтилена и парафина
Название вещества
Молекулярная масса
Физические свойства
Химические свойства (при комнатной температуре)
Действие кислот и щелочей
Реакция с бромной водой
Действие перманганата калия
Этилен
28
Газ без цвета и запаха
Реагирует с кислотами (серная, соляная и др.)
Вступает в реакцию
Легко окисляется
Полиэтилен
10000—
100 000
Твердое, нелетучее вещество, бесцветное, жирное на ощупь, без запаха
Не действует
Не вступает в реакцию
Не окисляется
Парафин
С|в с38
226- 534
Твердое, нелетучее вещество, белого цвета, жирное на ощупь, без запаха
Не действует
Не вступает в реакцию
Не окисляется
В процессе изучения темы сравнивают между собой различные пластмассы, волокна и каучуки: полиэтилен и каучук, полиэтилен и полистирол, резину и фенолформальдегидную пластмассу, каучук натуральный и синтетический изопреновый каучук и т. д. При сравнении учащиеся учитывают такие понятия, как «состав», «химическое строение», «геометрическая структура», «свойства».
Знание этих понятий позволяет учащимся прогнозировать свойства полимера. Так, на основании химического строения структурных звеньев каучука (непредельный характер), линейной клубкообразной структуры макромолекул они делают следующие предположения: каучук термопластичен, механически прочен, растворим в органических растворителях, диэлектрик, вступает в реакцию присоединения и окисления (с бромом, кислородом, серой и т. д.). Многие предположения учащиеся проверяют экспериментально.
Приведем сравнение между органическими и неорганическими полимерами. Сравнение пространственного строения, например, алмаза и резины позволяет отметить разницу между ними: у алмаза кристаллическая решетка, которая обусловливает высокую механическую прочность; у резины между линейными молекулами в отдельных местах действуют силы химического взаимодействия, что также влияет на повышение механической прочности.
Целесообразно также провести сравнение между пластической серой и полистиролом. Полимеризация стирола происходит за счет л-связи, а серы — за счет разрыва а-связей восьмичленного цикла; полистирол размягчается при нагревании, из него можно вытягивать нити; из пластической серы также вытягиваются нити; деполимеризация полистирола проходит при нагревании, превращение 162


пластической серы в устойчивую форму — ромбическую — при нормальной температуре.
Использование сравнений при изучении полимеров позволяет активизировать самостоятельную работу учащихся (например, исследование свойств), применить проблемный подход, т. е. выдвигаемое предположение проверять экспериментально.
Анализ и синтез также находят место при формировании понятий высокомолекулярных соединений. Рассмотрение структуры и свойств полиэтилена (анализ) позволяет в дальнейшем сделать общий вывод о свойствах полимеров в зависимости от состава и строения (синтез).
Сведения, получаемые учащимися о высокомолекулярных соединениях, обобщаются. Вначале обобщают знания о пластмассах, волокнах, каучуках; затем, в конце курса органической химии, проводят урок обобщения сведений о полимерах.
Приведем примерные планы обобщения сведений о полимерных материалах.
План обобщения сведений о пластмассах
1. 	Реакции, лежащие в основе получения полимеров. Полимер — основа пластмассы.
2. 	Виды пластмасс (по способу получения, сложности, по отношению к нагреванию) .
3. 	Объяснение свойств пластмасс на основе их состава и геометрической структуры (на примере двух-трех пластмасс).
4. 	Применение пластмасс в народном хозяйстве.
План обобщения сведений о волокнах
1. 	Классификация волокон.
2. 	Требования, предъявляемые к волокнам (структура макромолекул, растворимость или плавкость полимеров).
3. 	Состав, строение, свойства и применение искусственных волокон (на примере ацетатного волокна).
4. 	Получение, строение, свойства и применение синтетических волокон (на примере лавсана и капрона).
План обобщения сведений о каучуках
1. 	Реакции, лежащие в основе синтеза каучуков.
2. 	Требования, предъявляемые к каучукам (доступность сырья, высокая эластичность, прочность, износостойкость).
3. 	Получение, строение, свойства и применение стереорегулярных каучуков.
4. 	Получение, строение и свойства резины.
Познавательные проблемы при изучении полимеров. В процессе рассмотрения полимеров представляется возможность использовать проблемный подход. Чаще всего он связан с выяснением зависимости свойств от состава и строения. Приведем несколько примеров познавательных проблем.
Строение вулканизированного каучука. Появление проблемной ситуации. Изучение свойств каучука и резины показало, что каучук эластичен и термопластичен, а резина не термопластична, но сохраняет высокую эластичность. Как объяснить свойства резины?
Возможные предположения. Учащиеся выдвигают предположения: пластичность наблюдается у полимеров с линейной структурой, отсутствие ее у резины доказывает появление новой структуры.
Решение проблемы. Учитель объясняет образование прост6*
163


ранственной структуры резины, ее «сетчатое» строение, аргументирует эластичность резины и отсутствие пластичности.
Появление новой проблемной ситуации. У какого материала выше эластичность: у каучука или резины?'
Возможные предположения. Учащиеся считает, что выше эластичность у каучука, так как: а) он сильнее растягивается, чем резина; б) движение макромолекул не сдерживается поперечными химическими связями.
Решение проблемы. Проведение опыта доказывает, что у каучука имеется остаточная деформация, у резины ее нет: поперечные связи ограничивают растяжение «сетки», при снятии нагрузки резина полностью возвращается в свое прежнее состояние.
Свойства полистирола. Появление проблемной ситуации. Зная состав и строение макромолекул, какие можно предположить свойства у полистирола?
Возможные предположения. Учащиеся считают, что полимер должен быть плавким и растворимым в органических растворителях.
Решение проблемы. Предположения учащихся подтверждаются опытами.


Глава XI
ОБОБЩЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ПОНЯТИЙ
$ 29. ЗНАЧЕНИЕ И ВИДЫ ОБОБЩЕНИЯ ПОНЯТИЙ
Педагогическая практика показывает, что глубоких и прочных знаний можно достичь лишь при систематическом обобщении теоретических сведений. Именно обобщения содействуют осмыслению изученного, помогают подвести учащихся к пониманию перехода от единичного к общему, от конкретного к абстрактному, от фактов к закономерностям, законам, теориям.
Большое значение обобщениям придавал А. М. Бутлеров. В предисловии к учебнику «Введение к полному изучению органической химии» он указывал на необходимость в процессе изучения химии быстрее подводить учащихся «к пониманию общих выводов, соединяющих факты в одно стройное целое», к обобщениям, так как «только обобщения, или так называемые теории, кладут прочную основу действительному знанию, при котором факты, являясь связанными общими идеями, легко укладываются в памяти, каждый на свое место, и становятся настоящими звеньями научной системы» [2, с. 11].
В связи с повышением теоретического уровня курса органической химии, введением в него значительного абстрактного материала возрастает роль обобщений. Кроме того, он следует за курсом неорганической химии, и важно показать общие теоретические основы для них. Это обстоятельство определяет необходимость проводить широкие обобщения, включающие понятия о строении вещества и химической реакции.
Следовательно, обобщения в курсе органической химии имеют назначение: во-первых, установление связей с понятиями неорганической химии, выявление общего для всего школьного курса химии; во-вторых, систематизация и обобщение отдельных понятий органической химии; в-третьих, образование системы понятий курса химии и установление существенных связей между ними (структура курса).
В основу обобщения знаний следует положить строение и свойства органических соединений, их многообразие и генетическую связь между классами органических соединений. Важным методом обобщения является метод восхождения, предложенный химиком .К. Шорлеммером в прошлом веке (1871 г.). В его основу он положил восхождение в направлении от простых и низших форм вещества ко все более сложным и высшим. Изначальным, исходным пунктом органической химии, ее «клеточкой» он считал углеводороды, от которых можно перейти к их производным — спиртам, альдегидам, 165


кислотам, сложным эфирам и др. Этим самым К. Шорлеммер установил диалектическую цепь превращений органических веществ. Предложенный им метод позволил ему не только раскрыть процесс усложнения органического вещества, но и связать всю органическую химию в единую систему и дать ей определение как химии углеводородов и их производных. Метод восхождения следует широко применять в обобщении знаний учащихся как в процессе изучения органической химии, так и в заключение курса.
Важная особенность систематизации и обобщения знаний — это максимальное проявление самостоятельности учащихся. Поэтому шире надо использовать беседы, семинары, которым предшествует серьезная домашняя подготовка учащихся.
При обобщении знаний не должны вводиться новые теории, понятия, которые не имеют связей с изученным материалом; речь может идти лишь о привлечении новых важных фактов, позволяющих глубже рассматривать основные понятия курса органической химии.
В методике преподавания органической химии уделяется внимание обобщению понятий. Л. А. Цветков [23] дает подробную методику обобщения сведений после изучения всех углеводородов, кислородсодержащих соединений, методические рекомендации по обобщению всего курса органической химии. Г. Н. Осокина предложила несколько заключительных обобщающих уроков.
Л. П. Величко [5], И. С. Шелковина [27] обобщение знаний строят на основе теории строения. Л. П. Величко включает в обобщение такие вопросы: рассмотрение многообразия органических соединений и генетические связи между ними; теория строения органических соединений, зависимость свойств от строения; вопросы промышленности органической химии. Т. В. Смирнова сделала попытку обобщения знаний о теории строения с привлечением мировоззренческих идей [19].
И. М. Гапоненко [7] предлагает на обобщающих уроках обратить внимание на химические превращения органических веществ как проявление химической формы движения материи, на разрыв одних связей и образование других в реакциях.
Кратко рассмотрим способы и виды обобщения теоретических понятий.
Имеются различные способы обобщения. Д. П. Горский вычленяет следующие способы: обобщение посредством перехода от видовых к родовым понятиям (например, переход от отдельных гомологов к гомологическому ряду, от гомологического ряда к явлению гомологии); обобщение как применение закономерностей, действительных для одной предметной области, на другие предметные области (например, свойства, характерные для гидроксильной группы спиртов, переносятся на свойства фенола); обобщение посредством неполной индукции (например, характерные свойства для одного или нескольких гомологов переносятся на все гомологи данного ряда). Все эти способы обобщения находят широкое применение в процессе обучения химии.
166


В методике описываются различные виды обобщения — обобщение сведений по теме, по разделу и в конце курса. Эти виды обобщения вытекают из самой системы курса, последовательности расположения в нем материала. Рассмотрение гомологических рядов тех или иных групп или классов соединений уже предполагает обобщение темы.
Пока еще редко используют поурочное обобщение, которое в сочетании с другими видами обобщения превратило бы эту логическую операцию в дидактическое средство развития знаний учащихся.
Указанные виды обобщения различаются степенью обобщенности научных понятий. Рассмотрим подробнее эти виды обобщения.
§ 30. 	ОБОБЩЕНИЕ ПОНЯТИЙ ПОУРОЧНОЕ, ПО ТЕМЕ, ПО РАЗДЕЛУ
Поурочное обобщение, как правило, охватывает одно, максимум два взаимосвязанных понятия. Этот вид обобщения требует строгого отбора понятий, четкого планирования обобщаемого материала. Каждое теоретическое понятие в курсе находится в развитии, проходит определенные этапы, поэтому его можно обобщить поэтапно, систематически.
Планирование поурочных обобщений необходимо увязывать с обобщениями, проводимыми в конце темы, раздела. Рассмотрим примеры обобщения отдельных понятий.
Структурная изомерия. Первое обобщение проводят при изучении этиленовых углеводородов. К знаниям учащихся об изомерии углеродного скелета добавляется понятие изомерии положения двойной связи, а также изомерии между различными группами углеводородов (циклопарафины — этиленовые углеводороды). На конкретных примерах учащиеся убеждаются в том, что у этиленовых углеводородов больше изомеров, чем у соответствующих по числу атомов углерода предельных углеводородов. Следующее обобщение понятия изомерии проводят при изучении ацетиленовых углеводородов. Здесь добавляется третий вид изомерии — взаимное положение двойных связей в молекуле (диеновые углеводороды), а также находит развитие межгрупповая изомерия (диеновые углеводороды — ацетиленовые углеводороды).
Далее обобщение проводят при изучении спиртов. На их примере учащиеся знакомятся с изомерией, связанной с положением функциональной группы, а также с изомерией одноатомных спиртов и простых эфиров.
Последнее обобщение понятия изомерии можно провести при изучении сложных эфиров. К этому времени учащиеся узнали о возможности существования изомерии между веществами, имеющими одну и ту же функциональную группу (например, этиловый эфир муравьиной кислоты и метиловый эфир уксусной кислоты), об изомерии между альдегидами и кетонами, карбоновыми кисло167


тами и сложными эфирами. Для данного обобщения учащимся можно дать упражнение типа:
1. 	Напишите возможные формулы изомеров, соответствующие составу: С4Н10О, С4ННО, С4НИО2.
2. 	Укажите общие формулы гомологических рядов одноатомных предельных спиртов, предельных альдегидов и предельных карбоновых кислот.
При обобщении понятия изомерии необходимо обратить внимание на классификацию органических соединений, их многообразие.
Понятие о пространственных формах молекул, рассмотренное на примере предельных углеводородов, может получить первое обобщение при изучении ароматизации предельных углеводородов. На примере дегидроциклизации учащиеся убеждаются в возможности замыкания цикла в результате вращения атомов вокруг простых связей и сближения концевых групп. Понятие о пространственных формах углубляется при изучении глюкозы: вращение атомов приводит к сближению различных функциональных групп, замыканию цикла, к образованию а- и 0-форм.
При обобщении понятия о пространственных формах важно, чтобы учащиеся усвоили: вращение атомов вокруг простой связи наблюдается у органических веществ, которые содержат а-связи.
Понятие геометрической изомерии следует обобщить при изучении каучуков и непредельных одноосновных кислот. По сравнению с первыми сведениями, полученными об этом понятии на примере этиленовых углеводородов и их галогенопроизводных, здесь учащиеся встречаются с более сложным строением вещества.
Понятия взаимного влияния атомов проходят красной нитью через весь курс органической химии. Первое обобщение проводят на примере галогенопроизводных предельных углеводородов (взаимное влияние радикала и галогена), затем при изучении этиленовых углеводородов (взаимное влияние углеводородного радикала и радикала винил), одноатомных спиртов (взаимное влияние углеводородного радикала и гидроксильной группы), альдегидов (взаимное влияние углеводородного радикала и альдегидной группы), карбоновых кислот (взаимное влияние атомов в карбоксильной группе, влияние радикала на подвижность карбоксильного водорода), аминов (взаимное влияние радикала и аминогруппы). На всех этапах обобщения происходит углубление понятий взаимного влияния атомов на основе учения о строении вещества.
Электронная природа химической связи. Первое обобщение целесообразно провести при изучении этилена. Здесь возможно сравнить две формы ковалентной связи — о- и л-связи, рассмотреть их физические характеристики (длина связи, энергия связи и др.) и особенности. Второе обобщение следует провести при изучении бензола, где учащиеся получают представление об ароматической связи. Следующее обобщение может быть проведено при изучении строения альдегидов, когда возникает необходимость сравнить связи С=С и С=О.
168


Обобщая понятия о а-, л- и ароматических связях, необходимо обратить внимание на зависимость химических свойств от присутствия в молекулах тех или иных видов связи.
Генетическая связь. Часто учителя для обобщения используют генетический переход от одной группы (или класса) соединений к другой. При этом они обращают внимание на изменения, происходящие в химическом и электронном строении веществ. Для перехода от одной группы углеводородов к другой используют процессы дегидрирования, гидрирования и циклообразования. Обобщение пройденного учитель проводит при изучении ацетиленовых углеводородов (к этому времени учащиеся ознакомились со всеми тремя валентными состояниями атома углерода), а затем после рассмотрения ароматических углеводородов.
При изучении классов кислородсодержащих соединений за основу генетической связи берут вначале реакции окисления и восстановления, например:
СНзОН НСНО НСООН, затем реакции этерификации и гидролиза. Последнее обобщение проводят при изучении азотсодержащих соединений, например: СН3СООН->С1Н2С—СООН-^ЫН2—СН2—СООН
Большое значение имеет такая форма генетической связи, когда указываются лишь исходное вещество и конечный продукт.
Обобщение по теме. Обобщение сведений по теме должно охватывать все наиболее существенное из пройденного материала. При этом часто представляется возможность проводить сравнения, аналогии. Например, после изучения этиленовых углеводородов сведения о них обобщаются в сравнении с предельными углеводородами. При подготовке к занятию учащимся дается задание повторить материал о предельных и этиленовых углеводородах, сравнить их строение и свойства на конкретных примерах (этан — этилен, пропан — пропилен), выполнить упражнения.
Урок можно построить по такому плану: а) сравнить химическое и электронное строение предельных и этиленовых углеводородов (тип гибридизации, образование о- и л-связей, геометрия молекулы, особенности о- и л-связей, пространственные формы и цис-транс-изомеры); б) свойства, обусловленные строением предельных и непредельных (этиленовых) углеводородов.
Результаты обсуждения оформляют в виде таблицы 15.
Обобщение по разделу. Варианты обобщения знаний по разделам описаны в методической литературе. Мы ограничимся лишь рассмотрением основных вопросов, на которые следует обратить внимание. По разделу, включающему предельные, непредельные и ароматические углеводороды: электронная природа о-, л- и ароматической связей, пространственное строение углеводородов, зависимость свойств от химического, электронного и пространственного строения, причины многообразия углеводородов, генетическая связь между гомологическими рядами углеводородов. По 169


разделу, включающему спирты, альдегиды, кислоты: химическое и электронное строение кислородсодержащих соединений, взаимное влияние атомов в молекулах, зависимость свойств веществ от наличия тех или иных функциональных групп, генетическая связь между классами органических соединений.
Таблица 15. Сравнение строения и свойств предельных и непредельных углеводородов
Предельные углеводороды
Непредельные (этиленовые) углеводороды
Строение
Тетраэдрическое
$р3-гибридизация
Тригональное (плоское) $р2-гибридизация
Направление гибридных электронных облаков к вершинам тетраэдра под валентным углом 109°28'
Направление гибридных электронных облаков под углом 120° (плоское строение). Направление негибридизованных электронных облаков перпендикулярно плоскости а-связей
Присутствуют только а-связи а-Связь прочная. Энергия связи С—С 350 кДж/моль, длина связи С—С 0,154 нм
Присутствуют а- и л-связи
л-Связь менее прочная. Энергия связи С=С 620 кДж/моль, длина связи С=С 0,133—0,134 нм
а-Связь трудно поляризуется. Возможно свободное вращение атомов вокруг а-связи
л-Связь легко поляризуется. Отсутствует свободное вращение атомов вокруг двойной связи
Возможно образование разных пространственных форм; одна пространственная форма легко превращается в другую
Возможно образование цис-транс-изомеров; геометрические изомеры сравнительно устойчивы
Структурные изомеры различаются строением углеродного скелета
Кроме изомерии углеродного скелета, имеет место изомерия положения двойной связи
Химические свойства
Реакция замещения (разрыв связей
С—Н)
Реакция дегидрирования
Реакция изомеризации (бутана изо бутан)
Окисляются с трудом
Реакции присоединения (по двойной связи), полимеризации
Реакция гидрирования
Реакция изомеризации (бутилен^изобутилен)
Легко окисляются
Возможно каталитическое окисление, например:
Возможно каталитическое окисление, например:
С,Н,о-^2СН3СООН
С2Н4-^СНз—<° \н
Возможно расщепление, например: СзН^СгЖ + СНч
Возможно расщепление, например: С|оН2О5=ь2С5Ню
170


§ 31. 	ОБОБЩЕНИЕ ПОНЯТИЙ В КОНЦЕ КУРСА ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ
В связи с тем что обобщения проводятся в конце курса, речь должна идти о теориях, закономерностях, связях между основными ^понятиями химии. Целесообразно для обобщения взять такие проблемы: теория строения органических соединений, реакционная способность органических соединений и механизмы химических реакций, кислотно-основные свойства органических соединений, закономерности химических реакций с органическими веществами, высокомолекулярные соединения, причины многообразия органических соединений, успехи органического синтеза.
Рассмотрим примеры обобщения, в которых с различной глубиной освещаются названные проблемы.
Обобщение понятий теории строения органических соединений. Цель обобщения — дать общую картину о строении вещества, указать значение теорий химического и электронного строения, понятий стереохимии. Вместе с тем желательно рассмотреть, где это возможно, вопрос, как углублялись знания о веществе.
В соответствии со сказанным учащимся можно предложить такой план беседы:
1. 	Химическая связь в молекулах органических веществ: химическое строение; образование и особенности о-связи; образование и особенности л-связи; связь в ароматических соединениях.
2. 	Функциональная группа — важнейший элемент строения.
3. 	Зависимость свойств от природы химической связи, функциональной группы. Взаимное влияние атомов.
4. 	Химические и физические методы изучения строения вещества.
5. 	Причины многообразия органических соединений:
особенности строения атомов углерода, способность их соединяться в длинные цепи и циклы;
различные типы химической связи;
наличие разных структурных элементов в молекуле — функциональных групп;
структурная изомерия;
пространственная изомерия.
6. 	Значение теорий химического, электронного и пространственного строения.
По первому вопросу следует отметить, что теория химического строения дает 'представление на основе атомистики о связях атомов в органических соединениях, о циклическом строении ароматических и полиметиленовых углеводородов, о функциональных группах, о последовательности соединения атомов в молекулах (структурные формулы), но объяснить природу химической связи в то время теория не смогла. На конкретных примерах можно дать электронную трактовку простой, двойной и тройной связей, а также ароматической связи и составить таблицу (табл. 16).
171


Таблица 16. Типы углерод-углеродных связей
Тип связи меж- Тип гибридиза-
Длина свя зи, нм
Валентный угол
Энергия связи, кДж/ моль
Строение молекулы Примеры
ду С-атомами
ции
С—С
$/?($ +Зр)
0,154
109°28'
350
Тетраэдрическое Н3С—СН3
с=с
$р2(« + 2р)
0,133
120°
620
Плоское (триго- НгС=СНг нальное)
с=с
$р\з + 2р)
0,120
180°
820
Линейное НС==СН
Ароматическая
0,140
120°
—
Плоское, цикли- СвНб ческое
При этом обращают внимание на характеристику химической связи (длина связи, энергия связи, полярность, пространственная направленность), на особенности о- и л-связей (прочность, поляризация).
При рассмотрении видов связи важно, чтобы учащиеся на конкретных примерах раскрыли сущность химических (структурных), электронных и квантовомеханических формул, отметили их достоинства и, если нужно, недостатки. Главное в этом вопросе, чтобы учащиеся поняли, что: а) каждое вещество имеет определенное пространственное строение; б) формулы веществ отражают истинное строение молекул, установленное на данном этапе познания строения вещества.
По второму вопросу учащиеся отмечают химическое и электронное строение некоторых функциональных групп, например спиртовой, альдегидной, карбоксильной. Здесь не ставится задача перечислить все функциональные группы, об этом можно сказать при рассмотрении вопроса о многообразии органических соединений (их классификации).
Третий вопрос обсуждается в общем плане. Важно отметить, к каким реакциям способны вещества, содержащие те или иные химические связи, функциональные группы (две-три), подчеркнуть зависимость свойств от строения, взаимного влияния.
По четвертому вопросу учащиеся приводят примеры применения химических методов для изучения строения веществ (синтез этилена, бензола; гидролиз углеводов, белков, жиров; установление строения молекул бензола, этанола, глюкозы и др.). Необходимо отметить, что химические методы не утратили своего значения и в наше время. Однако имеются границы их использования, так как они далеко не всегда дают полную картину о строении вещества (например, бензола). Только использование физических методов исследования позволило глубже изучить строение вещества. Далее учащиеся, пользуясь физическими данными, характеризуют строение некоторых молекул веществ (метан, этилен, бензол).
Вопросу, связанному с выяснением причин многообразия органических соединений, следует придать большое значение. С целью развития самостоятельности учащихся желательно дать им темы для выступлений. Одному ученику можно поручить подготовить 172


сообщение об особенностях строения атома углерода и о типах химической связи; другому — о функциональных группах и структурной изомерии; третьему — о геометрической изомерии.
Касаясь вопроса значения теорий химического, электронного и пространственного строения, желательно рассмотреть его в двух ^аспектах: а) с точки зрения значения этих теорий для развития науки — химии; б) в плане значения их для диалектико-материалистического мировоззрения учащихся. Значение указанного вопрос? освещено в методической литературе [18, 22, 23], частично он рассмотрен в этой книге.
Обобщение понятий о реакционной способности органических веществ. Для подготовки к занятию о реакционной способности органических веществ учащимся можно предложить следующие задания: а) рассмотрите, пользуясь справочной таблицей, особенности о-связей (С—С, С—Н, С—С1, С—Вг, С—I, О—Н, С—О) — их длину, энергию образования, полярность; б) охарактеризуйте особенности л-связи (С=С, С^С, С==О); в) выпишите функциональные группы органических соединений, укажите в них распределение электронной плотности и рассмотрите характерные для них реакции.
Приступая к беседе с учащимися, следует вначале выяснить понятие реакционной способности. Реакционная способность — это склонность веществ вступать в различные реакции с большей или меньшей скоростью. Определяется она сравнительно с другими подобного строения соединениями. Поэтому следует говорить об относительной реакционной способности. При этом сравнивается реакционная способность различных органических соединений по отношению к одному и тому же реагенту. Основателями учения о реакционной способности органических веществ являются А. М. Бутлеров и В. В. Марковников. Они установили качественную зависимость между строением молекулы и взаимным влиянием атомов в ней. В дальнейшем учение о реакционной способности получило развитие в связи с выяснением электронной природы химической связи.
Понятие «реакционная способность» шире понятия «химические свойства» (11), оно применимо к микрообъектам — молекулам, ионам, свободным радикалам, атомам, химическим связям; оно употребляется при прогнозировании реакционных возможностей вещества, тогда как понятие о химических свойствах появляется в результате опыта.
Реакционную способность' следует рассматривать как функцию строения молекул веществ (и других частиц), она обусловлена наличием функциональных групп в молекулах, определенных химических связей и атомов с неподеленными парами электронов. Например, для аминокислоты в зависимости от реагентов реакция может протекать по месту связи О—Н или атома азота, у которого одна неподеленная пара электронов.
Учителю следует иметь в виду, что обычно при действии на вещество реагента подвергается разрыву одна связь. Такое огра173


ничение в реакционной способности молекулы связано с величиной энергии активации: чем больше связей разрывается одновременно, тем больше должна быть энергия активации. Энергетически наиболее выгодно действие реагента по месту одной связи.
Затем предлагают учащимся рассмотреть приведенные выше задания. При характеристике о-связей они указывают, что связь С—С ковалентная, неполярная, связь С—Н малополярная, связь С—О полярная, связи С—Г и О—Н сильно полярные. Таким образом, полярность постепенно падает в ряду:
О—Н > С—Г > С—О > С—Н > С—С
Отсюда следует, что наиболее активны те органические вещества, в молекулах которых содержатся связи О—Н, С—Г.
Рассматривая связи С—Е, С—С1, С—Вг, С—I, можно убедиться в том, что реакционная способность галогенопроизводных зависит от природы галогена. Казалось бы, связь С—Е, которая поляризована в наибольшей степени по сравнению с другими С-галоген-связями, должна быть наиболее реакционноспособна. Но это не так: подвижность галогена возрастает в ряду Е<С1<Вг<1, т. е. наиболее реакционноспособна связь С—I (длина связи С—I наибольшая). На разрыв ее нужно затратить меньше энергии, чем на разрыв связи С—Е. К этому следует добавить установленный наукой факт: в осуществлении реакции важна не полярность в состоянии покоя, а способность поляризоваться под действием реагента. Эту способность обычно называют поляризуемостью. Рассматривать ее на занятиях не следует.
Таким образом, учащиеся могут сделать первый вывод: реакционная способность органических соединений определяется степенью поляризации связей. Сильно поляризованные связи (С—Г, О—Н и др.) проявляют себя прежде всего в химической реакции.
Учащиеся могли заметить, что реакционноспособными являются такие химические связи, которым свойственна низкая энергия. Сравнивая связи, например С—С, С—Н и С—С1, они смогут сделать заключение о большей реакционной способности связи С—С1 по сравнению с другими связями. При изучении механизма реакции замещения учащиеся убедились, что при одинаковых условиях быстрее разрывается связь С1—С1, чем связь С—Н.
Таким образом, второй вывод учащихся: реакционная способность органических соединений зависит от энергии связи. Связи с низкой энергией проявляют себя в химических реакциях в первую очередь.
Активным центром для реакций будут кратные связи с подвижными л-электронами. Вначале следует предложить учащимся рассмотреть особенности л-связи (они должны указать их малую прочность, большую подвижность электронов), а затем привести конкретные примеры веществ, содержащих связи С=С, С=С, С==О. При характеристике этих связей они должны отметить следующее: связи С=С и С=С неполярны в молекулах углеводородов симметричного строения (СН2=СН2, СН=СН), однако под влиянием 174


реагента они поляризуются, поэтому химические реакции по двойной и тройной связям протекают сравнительно быстро. В случае несимметричных углеводородов, содержащих кратные связи, их реакционная способность выше, чем у симметрично построенных углеводородов (влияние углеводородных радикалов на кратную св^зь, ее частичная поляризация).
Связь С=О сильно полярная, она активно проявляет себя в химических реакциях (исключение: С=О-связь в карбоксильной группе)'.
" Таким образом, формируется третий вывод учащихся: реакционная способность зависит от наличия кратных связей.
Реакционная способность веществ определяется функциональными группами. Учащимся можно дать задание: указать те химические связи и атомы в функциональных группах, которые активно проявляют себя в реакциях. В своем ответе они должны отметить следующее:
6+ б~ б+
спирты К-«-СН9-*О: -<-Н, связи О—Н (реакция с металлическим натрием) и С—О (реакция с галогеноводородом);
8-
фенолы п\\ „б» , связи О—Н (реакция с металли-
х==/6-
ческим натрием, гидроксидом натрия или гидроксидом калия) и С—Н бензольного кольца, где скапливается отрицательный заряд б- (замещение атомов водорода, например, атомами галогенов) ;
«♦ ГЧ6-
альдегиды *с=о , связи С==О (реакция присоединения)
н
и С—Н (реакция окисления);
6+ • • 6+
карбоновые кислоты к—*с—о-—н , связь О—Н (реакции заме- ф-
щения, нейтрализации и др.), связь С=О проявляет себя лишь в весьма жестких условиях;
сложные эфиры К—С—О—Кь связь С—О (гидролиз);
А
амины Н, атом азота, на котором повышается элек-
I
Н
тронная плотность (присоединение протона).
Таким образом, четвертый вывод учащихся: реакционная способность органических веществ зависит от типа функциональной группы.
175


Учащимся необходимо указать, что реакционная способность зависит от многих условий: природы вещества, характера связей, их активности, от характера реакции (каталитическая или некаталитическая), чистоты вещества, агрегатного состояния и т. д.
Обобщение понятий о кислотно-основных свойствах органических соединений. Из обширного материала о взаимном влиянии атомов целесообразно выделить для обобщения вопрос о проявлении органическими веществами кислотных или основных свойств. Этот выбор не случаен: а) данный вопрос имеет важное значение для прогнозирования свойств соединений; б) он является общим для неорганической и органической химии; в) обобщение знаний позволит установить некоторые общие закономерности проявления веществами кислотных или основных свойств.
Таблица 17. Проявление кислотных свойств органическими веществами
Соединение
Взаимодействие
Деист в ие и и ди - с металлическим натрием с гидроксидом натрия катора
(при и. у.)
6- 6+
сн3—О—н
Примечание. Знак « + » показывает, что происходит реакция, знак < —> — реакции не наблюдается. Стрелка показывает усиление кислотных свойств.
Для подготовки к занятиям учащимся можно предложить вопросы:
1. 	Понятия «кислота», «основание».
2. 	Как объяснить проявление кислотных свойств у органических соединений? Приведите примеры.
3. 	Как объяснить проявление основных свойств у органических соединений? Приведите примеры.
4. 	Рассмотрите амфотерные свойства органических веществ.
На различных примерах учащиеся убедились в том, что присоединение протона к веществу характеризует его основные свойства (например, амины), а отщепление от него протона — кислотные свойства (например, карбоновые кислоты). Затем выясняют природу кислотно-основных свойств. У органических веществ они зависят от природы соединений, взаимного влияния атомов.
При объяснении кислотных свойств желательно, чтобы учащиеся вначале рассмотрели взаимное влияние атомов в молеку176


лах одноатомных спиртов (например, этанола), фенола и карбоновых кислот (например, уксусной). На основании этого они сумеют отметить общее для всех этих соединений — наличие подвижного атома водорода гидроксильной группы, способного, например, замещаться на металл. Иначе говоря, указанные соединения проявляют кислотные свойства.
Затем они уточняют вопрос о различной активности в проявлении кислотных свойств спирта, фенола и карбоновой кислоты. При этом указывают на постепенное возрастание кислотных ^свойств в ряду СН3ОН<СбН5ОН<СН3СООН и приводят аргументацию. Свои рассуждения учащиеся записывают в таблицу 17.
Далее следует поставить учащимся вопрос: как можно усилить или ослабить кислотные свойства спирта, фенола или кислоты? Им известно, что усилить кислотные свойства можно, если оттянуть часть электронной плотности от атома кислорода гидроксильной группы, тогда водород приобретет еще большую подвижность, так как от него больше будет сдвинута электронная плотность к кислороду. Эта закономерность наблюдается для всех рассматриваемых органических веществ.
В конкретном проявлении этой закономерности в указанных соединениях имеются отличия. Чтобы усилить кислотные свойства, например, метанола и уксусной кислоты, нужно ввести в радикал один или несколько электроотрицательных атомов, например, галогена, гидроксильной группы. В случае фенола усиление кислотных свойств возможно, если ввести в бензольное кольцо группу, несущую на себе целый или частичный положительный заряд, на- 6- в+/°
пример нитрогруппу 140г, альдегидную группу Положи-
х н
тельно заряженная частица оттягивает на себя часть л-электроннои плотности бензольного кольца, что приводит к большему сдвигу электронов от атома кислорода в гидроксильной группе. Поэтому, например, нитрофенол — более сильная кислота, чем фенол, а тринитрофенол — сильная кислота, намного сильнее уксусной:
Затем учащимся предлагается вопрос: как можно ослабить кислотные свойства метанола, фенола и уксусной кислоты? В результате обсуждения этого вопроса они приходят к выводу: для ослабления кислотных свойств необходимо «нагнетание» электронной плотности на атоме кислорода гидроксильной группы, что приводит к подтягиванию атома водорода, несущего на себе положительный заряд 6 + , уменьшению поляризации связи. При этом они приводят примеры:
177


СНз гЛ
I 6+ б+^и
СН3—«-С—Н; СНз^СН— I I Х)Н
СНз СНз
Далее приступают к рассмотрению вопроса о проявлении органическими веществами основных свойств. Вначале следует заслушать мнение учащихся. В их ответе должно быть указано, что общее для веществ, проявляющих основные свойства — присоединение протона к атому, у которого имеется неподеленная пара электронов, например: Н—ГЧН2, СН3—ГЧН2, С6Н5—1ЧН2.
Затем выясняют вопрос, когда вещество проявляет сильные или слабые основные свойства. Для этого учащимся предлагают следующее задание: даны вещества состава С2Нб1МН2, ГЧН3, (С2Нб)2МН, С6Н5МН2, СбН5Г4(СН3)2, расположите их по степени убывания основных свойств. Вначале они решают вопрос об основных свойствах аминов предельного ряда, сравнивая их с аммиаком. В результате они приходят к выводу, что наиболее выражены основные свойства у вещества (С2Н5)2Г^Н, так как электронная плотность на атоме азота в этом соединении максимальна (сдвиг электронной плотности от двух радикалов).
Затем обсуждают амины' ароматического ряда, сравнивают основные свойства анилина с аминами предельного ряда. При этом учащиеся отмечают ослабление основных свойств у анилина в результате взаимодействия неподеленной пары электронов атома азота с л-электронами бензольного ядра, уменьшение заряда на азоте.
Далее сравнивают основные свойства анилина и диметил- анилина. Учащимся предлагают указать распределение электронной плотности в молекулах этих веществ:
6-
Отсюда следует, что в молекуле ди метила нилина происходит «нагнетание» электронной плотности на атоме азота под влиянием двух метильных радикалов. Следовательно, у этого вещества более выражены основные свойства, чем у анилина.
После такого обсуждения вопроса учащиеся располагают заданные вещества по степени ослабления основных свойств:
(С2Н5) 2МН > С2Н5ЫН2 > МН3 > СбН5—\ (СНз) 2 > С6Н5М2
Целесообразно, чтобы учащиеся, характеризуя основные свойства, приводили уравнения реакций солеобразования. При соле- образовании нейтрализуются основные свойства аминов. Могут ли в соединении по-другому нейтрализоваться основные свойства? Этот вопрос подводит учащихся к аминокислотам. Учитель предлагает им написать структурную формулу аминопропионовой кис178


лоты, затем ее формулу в виде биполярного иона (в водном растворе) и объяснить нейтральный характер данного соединения.
После краткой характеристики амфотерных свойств аминокислот необходимо отметить особенности этих свойств для органических веществ.
Важной особенностью амфотерных свойств органических веществ, как отмечает В. И. Кузнецов, является их «способность вмещать и удерживать в себе противоположные качества» (11, с. 203). Известно, что в неорганической химии реакции амфотерного соединения с кислотой или щелочью приводят к уничтожению двойственных свойств исходного вещества, так как появляется соль. У органических веществ амфотерные свойства проявляются по-иному. В силу природы этих соединений совместимость противоположных функциональных групп приводит к самосохранению структурной целостности вещества. При действии, например, на аминокислоту соляной (серной) кислотой повышается активность вещества.
Однако совместимость противоположных по характеру функциональных групп имеет свои пределы. Для понимания этого учащимся для обсуждения можно предложить такое задание.
Известно, что существуют вещества, молекулы которых состоят из двух одинаковых функциональных групп, например:
°ч °ч X*
СН2—СН2 ; 7С—С' , ?С—С'
| I нх хн нох хон он он
МН2—МН2. В то же время не существует вещества строения 1ЧН2—СООН (его можно было бы назвать аминомуравьиной кислотой). Однако достаточно «внедрить» в него метиленовую группу ГЧН2—СНг—СООН, и вещество «оживает», приобретает амфотерные свойства. Дайте пояснения и сделайте вывод о «сосуществовании» функциональных групп.
Обобщение понятии химии высокомолекулярных соединений. В основу обобщения следует положить такой план: классификация полимеров; состав, строение и свойства полимеров; успехи производства полимерных материалов.
Для подготовки к занятию учащимся целесообразно предложить задание провести классификацию полимеров по происхождению, составу и способам синтеза, рассмотреть на примерах, как влияет состав, молекулярная масса и строение на свойства и применение полимеров, провести классификацию известных полимерных материалов, изучить производство полимерных материалов в нашей стране, в своей местности.
Касаясь классификации полимеров, можно ограничиться следующими сведениями.
В самом общем виде по происхождению полимеры можно разделить на три группы: неорганические, органические и элементоорганические. Все эти представительные группы широко распространены.
179


Неорганические полимеры — это основа минерального мира. Сюда относят кварц, алмаз, графит, силикаты и др.
Органические полимеры делятся в свою очередь на три группы: природные, синтетические и искусственные. К природным полимерам относят крахмал, целлюлозу, натуральный каучук, белки и нуклеиновые кислоты. Особенно обширна группа белков, которая классифицируется в зависимости от выполняемых функций (ферменты, гормоны и т. д.) Некоторые природные полимеры, подвергшиеся химической обработке (например, целлюлоза), образуют небольшую группу искусственных полимеров (вискоза, ацетилцеллюлоза и др.).
Обширна группа синтетических полимеров. В зависимости от того, каким способом получен полимер — реакцией полимеризации или поликонденсации, полимеры делятся на две группы: полимеризационные (полиэтилен, полистирол и др.) и поликон- денсационные (фенолоформальдегидные смолы и др.).
Элементоорганические полимеры занимают промежуточное положение между неорганическими и органическими полимерами. Наиболее широкое применение имеют кремнийорганические полимеры.
Рассмотренная классификация полимеров может быть выражена схемой 8, она не претендует на полноту освещения вопроса классификации.
Схема 8
Классификация полиметров
Разъяснения требует вопрос об элементоорганических полимерах. Учащимся известны неорганические полимеры, основа которых — атомы углерода — алмаз, графит, отличающиеся прочностью и термической стойкостью. Казалось бы, что атомы кремния, находясь в одной группе с углеродом, также должны образовать полимеры. Однако это не наблюдается. Возникает вопрос: почему 180


одни атомы элементов способны образовывать полимеры, а другие — нет? В чем причина? Оказывается, способность к образованию полимеров выражена только у тех элементов, у которых энергия связи достаточно велика. Это видно из следующих данных энергии связи (в кДж/моль): 81—81 180, Р—Р 222, 8—8 264, С—С 350, 81—О 370. С увеличением энергии связи растет прочность полимеров и увеличивается их способность к образованию крупных молекул*.
Из приведенных данных об энергии связи видно, что наиболее прочная из них связь 81—О (кварц). Большая энергия связи, пространственная кристаллическая структура полимера обусловливают высокую прочность, термическую стойкость кварца.
Перед учеными возникла проблема: нельзя ли синтезировать такие органические полимеры, у которых в основной цепи были бы связи 81—О? Нельзя ли совместить в одном полимере неорганическую и органическую части? Эту задачу осуществил академик К. А. Андрианов. Ему удалось получить макромолекулы линейной структуры, где в основной цепи были связи 81—О, к которым «подвешивались» углеводородные радикалы. Например:
сн3 <р3 сн3 сн3
...—81—О—81—0—51—О—51—...
<ж3 (!:н3 <^н3 (1н3
Органическая часть придавала полимеру пластичность и эластичность, а неорганическая — термостойкость. Так были получены кремнийорганические полимеры, из которых изготовляют каучук, пластмассы, лаки, эмали. Их применение обусловлено ценными свойствами: термостойкостью, сохранением всех свойств в широком диапазоне температур (от —100 до + 300 °С), высокими диэлектрическими показателями, водо- и влагостойкостью. Поэтому кремнийорганические полимеры широко используют главным образом в электротехнической промышленности.
Целесообразно сказать учащимся, что в настоящее время получают полимеры с «включением» и других элементов, например бора. Однако более распространены «чистые» органические полимеры.
Вопрос классификации полимерных материалов не вызывает у учащихся трудностей'. Обычно они отмечают не только общую классификацию этих материалов, но и классификацию внутри каждой группы материалов. Так, пластмассы в зависимости от отношения к нагреванию делят на термопластичные и термореактивные; волокна по происхождению классифицируют на три группы (натуральные, синтетические и искусственные); каучуки по широте применения делят на каучуки общего (массового) и специального назначения; в зависимости от структуры каучуки можно также классифицировать на стереорегулярные и нестереорегулярные.
После классификации полимеров и полимерных материалов 181


обобщают знания о влиянии состава, строения и молекулярной массы на свойства высокомолекулярных соединений.
Состав элементарных звеньев, их химическое строение у полимеров различное, поэтому и свойства у них разные. Для получения негорючих полимеров, устойчивых к кислотам и щелочам, целесообразно применять мономеры, содержащие галогены (хлор, фтор). Наличие двойных связей в звеньях макромолекул создает возможность появлению цис-транс-изомерии (каучук — цис-изомер), они же обусловливают высокую химическую активность, что используется в промышленности (процесс вулканизации). Вместе с тем присутствие двойных связей вызывает нежелательное свойство у каучука — окисление (разрушение).
Наличие в полимерной цепи чередующейся с простой связью тройной связи —С=С—С=С— обусловливает высокую термическую стойкость. Так, карбин не подвергается изменениям до температуры 2300°С.
Появление в полимерной цепи ароматических колец приводит к повышению температуры плавления полимера.
Химическое строение элементарных звеньев макромолекул сказывается на прочности. Особенно это проявляется в случае появления водородной связи (целлюлоза, капрон).
При обобщении знаний о влиянии структуры на свойства полимеров следует предложить учащимся такое задание: проведите классификацию изученных полимеров и материалов на их основе по их геометрической структуре (табл. 18); рассмотрите важнейшие свойства, обусловленные той или иной структурой.
Линейные полимеры могут иметь различную форму: от строго линейной (карбин) до клубкообразной (каучук). Большинство из них растворяется в органических растворителях, образуя вязкие растворы, размягчается, плавится, характеризуется высокой прочностью. Прочность таких полимеров объясняется главным образом тем, что длинные линейные макромолекулы могут достигать высокой степени ориентации относительно друг друга (плотной упаковки), что приводит к возникновению межмолекулярных связей. Строго ориентированы макромолекулы у стереорегулярных полимеров, волокон, что обеспечивает их высокую механическую прочность.
Таблица 1В. Классификация полимеров и материалов на их основе по признаку геометрической структуры
Структура
Полимер
Линейная
Полиэтилен, поливинилхлорид, полипропилен, полистирол, каучуки, капрон, лавсан, ацетатное волокно, целлюлоза, карбин
Разветвленная
Крахмал
Пространственная
Фенолформальдегидная пластмасса, резина, кварц
Плоскостная
Графит
182


По сравнению с линейными трехмерные (пространственные) полимеры имеют иные свойства: они не растворяются, не плавятся, большей частью жесткие и более прочны, чем линейные полимеры. Для таких полимеров утрачивается смысл понятий «молекула», «молекулярная масса». Каждый кусок полимера — это как бы одна огромна^ молекула.
Полимеры, имеющие разветвленную структуру, набухают в растворителях. Чем больше разветвлен полимер, тем ниже его прочность, так как отсутствует плотная упаковка макромолекул. Поэтому, например, из крахмала невозможно получить волокно.
Некоторые полимеры имеют плоскостную структуру, например графит. Каждая плоскость у графита, состоящая из большого числа шестиугольников, образованных атомами углерода,— это огромная молекула.
Касаясь вопроса производства полимерных материалов, учащиеся могут использовать материалы о местных производствах. Целесообразно предложить учащимся выступить с сообщениями по указанному вопросу.
Обобщение понятий о закономерностях химических реакций с органическими веществами. Для подготовки к обобщающему занятию учащимся можно предложить такой план:
1. 	Многообразие реакций с органическими веществами и их классификация.
2. 	Особенности реакций с органическими веществами.
3. 	Скорость реакций.
4. 	Химическое равновесие и условия сдвига его.
При изучении органической химии учащиеся ознакомились с большим числом новых реакций, не встречавшихся им ранее в курсе неорганической химии. Это и вполне понятно: огромное многообразие органических соединений, их более сложный состав и строение, чем неорганических веществ, предопределяют обилие химических реакций.
Далее учащимся ставят вопросы: как можно классифицировать химические реакции? Что следует положить в основу их классификации? Эти вопросы заставляют их обратиться ко всем типам реакций, изучавшимся по органической химии, находить общее между ними, искать различия. Обсуждение проходит активно, так как сталкиваются различные мнения учащихся в поисках ответа.
Прежде всего они пытаются рассмотренные реакции объединять в отдельные группы по определенному признаку: по названию реагента: хлорирование, бромирование, гидрирование, гидратация, нитрование; по признаку противоположности процессов: гидрирование — дегидрирование, гидратация — дегидратация, окисление — восстановление, этерификация — гидролиз, полимеризация — деполимеризация.
Затем они рассматривают различные реакции.
Реакция расщепления более сложного вещества: расщепление в присутствии воды — гидролиз (гидролиз жиров, углево183


дов и белков); расщепление при высокой температуре — крекинг углеводородов.
Реакции, лежащие в основе образования более сложных веществ из менее сложных,— получение высокомолекулярных соединений: полимеризация, поликонденсация.
Реакции замещения: а) замещение галогеном одного или большего числа атомов водорода (хлорирование, бромирование •кислот, предельных и ароматических углеводородов); б) замещение атома водорода на металл (взаимодействие спирта, фенола и кислоты с металлами).
Реакции присоединения: по связи С=С (гидрирование, галогенирование, гидратация, полимеризация и др.); по связи С=О (гидрирование, присоединение синильной кислоты).
Реакции изомеризации органических соединений: а) предельных углеводородов; б) непредельных углеводородов; в) ароматических углеводородов.
Реакции обмена (по терминологии неорганической химии); гидроксильной группы спирта на галоген (реакция между спиртом и галогеноводородом); гидролиз несложных соединений (например, С2Н5С1, С2Н5ВГ и др.); этерификация (получение сложных эфиров); конденсация (например, образование простого эфира). Учитель указывает, что в органической химии отсутствует термин «реакция обмена».
Указанные примеры реакций можно отнести и к типу реакции замещения, а именно: замещение гидроксильной группы галогеном, замещение галогена гидроксильной группой, замещение атома водорода карбоксильной группы на углеводородный радикал, замещение атома водорода гидроксильной группы на углеводородный радикал.
Реакции окисления: а) присоединение кислорода (окисление альдегида в кислоту, этилена в этиленгликоль и др.); б) окисление, сопровождающееся выделением воды (окисление спирта, толуола, других веществ).
Наконец, отмечают реакции необратимые и обратимые, широко распространенные в органической химии.
Из этого краткого, далеко не исчерпывающего перечисления химических реакций, учащиеся отмечают, что отдельные реакции повторяются в разных группах, например: реакция гидрирования и реакция присоединения, реакция бромирования или нитрования (бензола) и реакция замещения. Отсюда следует вывод о возможности более общей классификации химических реакций. Кроме того, они наблюдают совпадение некоторых групп реакций с типами реакций, изученных по неорганической химии (присоединение, замещение, разложение, обмен). Правда, часто это совпадение чисто формальное, так как содержание типов реакций в курсе органической химии значительно углубляется и расширяется (это положение должны подкрепить учащиеся отдельными примерами). Тем не менее совпадение типов реакций облегчает задачу более общей классификации.
184


Учитывая сказанное, можно указать на следующие типы реакций между органическими веществами: присоединение, замещение, разложение, окисление, изомеризация. Эта классификация построена на основе атомно-молекулярного учения, она не затрагивает механизмы химических реакций. Было бы, ошибочно ставить з^ак равенства между классификацией механизмов реакций и классификацией вообще химических реакций. Дело в том, что классификация механизмов строится только на электронной теории, в то время как классификация реакций имеет другую основу. Например, реакцию между спиртом и галогеноводородом можно рассматривать как реакцию обмена (на атомно-молекулярном уровне); эту же реакцию относят к ионному механизму реакции замещения (на электронном уровне).
Заслуживает интереса классификация химических реакций, которую предлагают авторы учебника «Органическая химия» [16, с. 41]. Положив в основу характер изменения строения веществ, они все реакции делят на две группы: реакции, протекающие без изменения углеродного скелета (замещения, присоединения, отщепления (элиминирования), изомеризации), и реакции, протекающие с изменением углеродного скелета (укорачивание цепи, крекинг, изомеризации, циклизации).
По вопросу об особенностях реакций с органическими веществами учащиеся, исходя из строения, должны отметить медленность их протекания, параллельный характер многих реакций. При этом для подтверждения они должны привести факты. После изучения сложных по составу веществ, бифункциональных соединений (углеводы, аминокислоты, непредельные кислоты и др.), характера химических связей в органических веществах для учащихся не составит трудности привести примеры.
По вопросу о скорости химических реакций желательно, чтобы учащиеся рассмотрели понятие «энергия активации», влияние температуры, концентрации, давления, катализатора, а также пространственного эффекта на течение реакций. На примере реакций с органическими веществами они должны показать влияние отмеченных выше факторов на скорость реакции.
При обобщении знаний о химическом равновесии обращают внимание на то, чтобы учащиеся на конкретных примерах выявили влияние химического, электронного и пространственного строения на химическое равновесие.
Необходимо отметить, что общие закономерности протекания реакций свойственны в равной степени как неорганическим, так и органическим соединениям.
Предлагаемая книга должна помочь учителю обратить внимание на основные понятия школьного курса органической химии, на условия их успешного формирования, она позволит вычленять главное в процессе изучения учебного материала, даст возмож185


ность в большей степени обращаться к логическому аспекту формирования понятий, что положительно должно повлиять на активизацию деятельности учащихся.
Приложение
1. 	Система упражений при изучении понятий взаимного влияния атомов
Предельные углеводороды и их галогенопроизводные
1. 	Укажите (стрелками) распределение электронной плотности в молекуле 1-бромбутана. Как будет происходить дальнейшее бромирование этого соединения? Напишите одно уравнение реакции бромирования 1-бромбутана.
2. 	Какое соединение с большей скоростью вступит в реакцию замещения (хлорирования): пропан или 2-хлорпропан? Приведите механизм реакции для более активного вещества.
3. 	Какое вещество с большей скоростью вступает в реакцию с натрием: 2-иод- СНз
2-метилпропан СН3—С—I или иодпропан СН3—СН2—СН21? Дайте пояснение.
Спз
Этиленовые углеводороды
1. 	Опишите механизм реакции присоединения бромоводорода к 2-метил- бутену-1. Дайте пояснения.
2. 	Какое соединение с большей скоростью вступит в реакцию с бромом: бутен-1, цис-бутен-2 или 2-метилпропен? Дайте пояснения и приведите уравнение реакции бромирования.
3. 	Рассмотрите распределение электронной плотности в молекуле трихлор- пропена С13С—СН=СН2. Как происходит присоединение к этому веществу хлороводорода? Дайте пояснения и напишите уравнение реакции.
Ацетиленовые углеводороды
1. 	Какое из веществ будет реагировать с хлороводородом с большей скоростью: бутин-1 или бутин-2? Дайте пояснения и рассмотрите механизм реакции присоединения для более активного вещества.
2. 	К трифторпропину Е3С—С==СН происходит присоединение бромоводорода. Напишите уравнение реакции.
Ароматические углеводороды
1. 	Бромирование толуола на свету происходит в метильном радикале. Дайте пояснения этому явлению и рассмотрите механизм реакции.
2. 	Какое соединение будет реагировать с большей скоростью с азотной кислотой (реакция нитрования): бензол или толуол? Дайте пояснения и напишите уравнение реакции для более активного вещества.
Спирты
1. 	Какой спирт — бутанол-1 или 2-метилпропанол-2 — с большей скоростью вступит в реакцию с металлическим натрием?
2. 	Какое из веществ — этанол СН3СН2ОН, хлорэтанол СН—СН2—ОН или
<^|
фторэтанол СН2—СН2—ОН - проявляет в большей степени кислотные свойства?
Е
186


Расположите вещества в ряд по возрастанию кислотных свойств.
3. 	Почему при превращении этанола в альдегид происходит окисление водорода, находящегося по соседству с гидроксильной группой?
Альдегиды
1. 	Какое из веществ, формулы которых приведены ниже, с большей скоростью вступит в реакцию присоединения: СН3—С ; Н—С или СН3—С=О? Расположите указанные вещества в ряд по убыванию их реакционной способности.
2. 	Какой альдегид с большей скоростью вступит в реакцию окисления и при- />
соединения: а) пропаналь СН3—СН2—С или 2,2-диметилпропаналь
\н
; б) этаналь СН3—С
или трихлорэтаналь
3. 	У какого альдегида более поляризована связь С=О: у этаналя СНз—С
хлорэтаналя С1СН2—С ? Почему?
\н
или
Составьте уравнение реакции бромирования пропиленового альдегида. Дайте
пояснения.
Кислоты
1. 	Какая из кислот, формулы которых приведены ниже, является более сильной:
Дайте им названия.
2. 	Какая из кислот, формулы которых приведены ниже, с большей скоростью вступит в реакцию с карбонатом натрия:
а) СН3—С Нг—СООН, С1—СН?—СН^- СООН
Вг
или СНз—СН—СООН; б) СН3—(!:—СООН, СНз—СН—СООН
С1 •
или СНз—СН—СООН?
Аг
Назовите эти кислоты.
3. 	У какой из кислот, формулы которых приведены ниже, наиболее подвижен атом водорода карбоксильной группы:
а) СНз—СООН, СН,—СООН; б) СН2—СООН, СН,—СООН, СН,—СООН?
Ан С1 А Вг
Галогенопроизводные кислот расположите в ряд по их убывающей силе.
187


Углеводы
Какое из веществ, формулы которых приведены ниже, легче окисляется гидроксидом меди (II):
х°
СН3(СН2)4—или СН2ОН—(СНОН)4—? Почему?
Амины
1. 	У какого амина более выражены основные свойства: этиламина СгНбМНг или диэтиламина С2Н5—МН—С2Н5? Почему? Дайте пояснения.
2. 	Нижеуказанные формулы веществ расположите в ряд по убыванию их основных свойств: СНз—МН2, (СНзЬМН, СбНб—1ЧН2, МН3. Дайте пояснения.
В процессе изучения органической химии целесообразно учащимся давать упражнения с несколькими генетическими переходами. При выполнении их учащиеся должны написать соответствующие уравнения реакции и дать пояснения к ним на основе взаимного влияния атомов.
2. 	Задания по вопросу о закономерностях химических реакций
1. 	В избытке кислорода сжигается по 1 моль этана СгНб и этилена С2Н4. Рассчитайте тепловой эффект горения этих углеводородов. В каком случае выделится наибольшее количество теплоты?
2. 	Рассчитайте тепловой эффект реакций разложения этана и этилена на простые вещества. Какая из этих реакций требует более сильного нагревания?
3. 	Составьте уравнение реакции полного разложения этана, зная, что оно происходит при температуре 500 °С. С точки зрения энергии связи" объясните такое понижение температуры по сравнению с реакцией разложения метана (темп. 1000 °С). Укажите тепловой эффект реакции.
4. 	Напишите уравнение реакции гидратации пропилена. Укажите, как сместится равновесие при: а) понижении температуры; б) повышении температуры.
5. 	Составьте уравнение реакции дегидрирования пропана. Укажите условия, которые вызовут смещение химического равновесия в сторону образования пропилена.
6. 	В какую сторону смещается равновесие: СзНа^СзНб + Нг —(?, если: а) понизить температуру; б) уменьшить давление; в) уменьшить концентрацию продукта реакции?
7. 	Составьте уравнение реакции получения бензола из ацетилена и укажите условия ее осуществления.
8. 	Какие из указанных связей более прочные: С—Е, С—С1, С—Вг, С—I? Как объяснить, что соединения, содержащие связь С—1, более активны, чем соединения, у которых имеется связь С—Е?
9. 	Напишите уравнение реакции между спиртом и хлороводородом и укажите условия сдвига реакции в сторону образования галогенопроизводного; сдвига реакции в сторону образования спирта.
Литература
1. 	Бутлеров А. М. Соч.— М.: Изд-во АН СССР, 1953.— Т. 1.
2. 	Бутлеров А. М. Соч.—М.: Изд-во АН СССР, 1953.— Т. 2.
3. 	Бутлеров А. М. Избранные работы по органической химии.— М.: АН СССР, 1951.
4. 	Б ы к о в Г. В. История электронных теорий органической химии.— М.: АН СССР, 1963.
5. 	В е л и ч к о Л. П. Обобщение знаний на основе теории строения// Химия в школе.— 1986.— № 1.
188


6. 	Верховский В. Н., Гольдфарб Я. Л., Сморгонский Л. М. Методика преподавания химии в средней школе.— М.: Учпедгиз, 1936.
7. 	Гапоненко И. М. О предмете органической химии на заключительных уроках// Химия в школе.— 1984.— № 3.
8. 	Гапоненко И. М. Модели для изучения глюкозы// Химия в школе.— 1982.— № 2.
9. 	Дроздов С. Н. Развитие понятия изомерии в курсе ор- ^нической химии// Химия в школе.— 1979.— № 4, № 6.
10. 	И в а н о в а Р. Г., Осокина Г. Н. Изучение химии в 9—10 классах.—М.: Просвещение, 1983.
11. 	Кузнецов В. И. Диалектика развития химии.— М.: Наука, 1973.
12. 	М а р к о в н и к о в В. В. Избранные труды.— М.: Изд-во АН СССР, 1955.
13. 	Менделеев Д. И. Органическая химия.— М.: Гостехиз- дат, 1948.
14. 	Методика преподавания химии/ Под ред. Н. Е. Кузнецовой — М.: Просвещение, 1984.
15. 	Несмеянов А. Н., Несмеянов Н. А. Начала органической химии.— М.: Химия, 1974.— Кн. 1.
16. 	П е т р о в А. А. и др. Органическая химия.— М.: Высш, шк., 1981.
17. 	Потапов В. М., Чертков И. Н. Строение и свойства органических веществ.— М.: Просвещение, 1984.
18. 	П о т а п о в В. М. Органическая химия.— М.: Просвещение, 1983.
19. 	Смирнова Т. В. Формирование научного мировоззрения учащихся при изучении химии.— М.: Просвещение, 1984.
20. 	С о л о в ь е в Ю. И. Эволюция основных теоретических проблем химии.— М.: Наука, 1971.
21. 	Столетие теории химического строения: Сб.— М.: Изд-во АН СССР, 1961.
22. 	Цветков Л. А. Органическая химия.— М.: Просвещение, 1987.
23. 	Ц в е т к о в Л. А. Преподавание органической химии в средней школе.— М.: Просвещение, 1988.
24. 	Цветков Л. А. Об изучении синтетических высокомолекулярных веществ и полимерных материалов// Химия в школе.— 1986.—№ 4, № 5.
25. 	Ч е р т к о в И. Н. Эксперимент по полимерам в средней школе.— М.: Просвещение, 1980.
26. 	Ш а х п а р о н о в М. И. Межмолекулярные взаимодействия.— М.: Знание, 1983.
■27. Шелковина Н. С. Из опыта обобщения знаний по курсу органической химии// Химия в школе.— 1982.— № 2.
189


Оглавление
Введение 3
Глава I. Развитие понятий органической химии . 5
§ 1. 	Доструктурные теории. Теория химического строения органических соединений —
§ 2. 	Электронные теории и квантовомеханические представления о строении вещества . 10
Глава II. Теоретические понятия школьного курса органической химии . 17
§ 3. 	Классификация понятий —
§ 4. 	Связь понятий в системе курса органической химии . 20
Глава III. Пути успешного формирования основных понятий органической
химии 24
§ 5. 	Характер и особенности формирования понятий —
§ 6. 	Условия формирования основных понятий органической химии . 25
§ 7. 	Роль химического эксперимента и других средств наглядности в формировании понятий 32
Глава IV. Формирование понятий теории химического строения . 42
§ 8. 	Поиски учителей и методистов —
§ 9. 	Связь понятий теории химического строения 43
§ Ю. 	Формирование понятий изомерии и гомологии 46
§ 11- 	Методика формирования понятий теории химического строения . 56
Глава V Формирование понятий теории электронного строения органических соединений ... 66
§ 12. 	Электронная природа а-и л-связей —
§ 13. 	Методические рекомендации по изучению электронного строения органических веществ 72
§ 14. 	Углеводородные радикалы 85
Глава VI. Формирование понятий взаимного влияния атомов в молекулах . 91
§ 15. 	Система формирования понятий взаимного влияния атомов
в молекулах —
§ 16. 	Методика изучения взаимного влияния атомов в молекулах . . 95
§ 17. 	Логические приемы в процессе изучения вопроса взаимного
влияния атомов 105
Глава VII. Формирование понятий о механизмах химических реакций . 109
§ 18- 	Система и условия формирования понятий о механизмах
химических реакций —
§ 19. 	Методика изучения реакций, протекающих по свободнорадикальному механизму 111
§ 20. 	Методика изучения реакций, протекающих по ионному механизму 117
Глава VIII. Формирование стереохимических понятий . 123
§21. 	Система стереохимических понятий —
§ 22. 	Методика формирования понятий пространственной изомерии . 126
§ 23. 	Методические вопросы изучения пространственного строения
углеводов и полимеров 134
Глава IX. Формирование понятий о закономерностях химических реакций 141
§ 24. 	Система формирования понятий о закономерностях химических реакций —
190


§ 25. 	Особенности реакций с органическими веществами. Изучение вопросов кинетики и термодинамика ... 143
§ 26. 	Понятие «химическое равновесие» ... ... 145
Глава X. Формирование понятий химии высокомолекулярных соединений 153
§ 27. 	Система и структура понятий химии высокомолекулярных сое- ’ динений —
§28. 	К вопросу формирования общих понятий химии высокомолекулярных соединений 157
Глава XI.. Обобщение теоретических понятий . 165
§ 29. 	Значение и виды обобщения понятий —
§ 30 	Обобщение понятий поурочное, по теме, по разделу . . . 167
§ 31. 	Обобщение понятий в конце курса органической химии . 171
Приложение 186
Литература 188


Выйдет в издательстве «Просвещение» в 1991 г.
Зуева М. В., Зотова О. В. Проверочные задания по химии для учащихся 8 и 10 классов средней школы: Пособие для учителя
Пособие содержит 245 расчетных и качественных задач по химии. Этот материал поможет учителю в подготовке заданий для зачетов по темам вариантов итоговых проверочных работ, а также при условии выбора учащихся химии как дисциплины для сдачи экзамена, составлении билетов выпускных экзаменов.
Каждый раздел пособия включает примеры решений типовых задач, а также задачи различной степени сложности. Например, в условиях комбинированных задач расчеты по уравнениям усложнены тем, что вместо чистых веществ предлагаются растворы; в отдельных задачах требуется определить не только массу, но и объемы веществ; в некоторых задачах необходимо учитывать две-три последовательно или одновременно протекающие реакции.
Широкий выбор задач дает учителю возможность создавать комбинации заданий, учитывая индивидуальные особенности каждого ученика.