Теоретическая часть
Единицы, из поступивших в вуз выпускников, способны дать системную характеристику неорганического вещества и описать его свойства и получение. Одна из важных причин такого явления заключается в том, что и учащиеся и учителя, которые их обучали, не представляют неорганические вещества одного класса как целостные объекты, имеющие комплекс сходных физических и химических свойств. Вторая причина заключается в том, что в неорганической химии, в отличие от органической, связь между строением вещества и его физическими и химическими свойствами прослеживается слабее. Характеризуя вещество, многие школьники отдельно описывают строение, а свойства вещества описывают, не связывая их со строением.
Методисты давно уже пришли к выводу о том, что каждое вещество обладает набором инвариантных и вариативных характеристик. Однако для неорганических веществ это положение слабо учитывается на практике. Во многом это связано с ограничениями объема школьных и вузовских учебников, стремлением авторов сократить материал и, одновременно, охватить, как можно больше веществ, что однозначно приводит к поверхностности и бессистемности описания вещества в учебной литературе.
Инвариантность - понятие, пришедшее из математики. Оно обычно рассматривается как неизменность какой-либо величины, ее независимость от физических условий и по отношению к тем или иным преобразованиям [1]. В настоящее время термин инвариантность рассматривается гораздо шире, как характеристика ядра системы, "того, что не меняется" [2, С. 307]. К сожалению, при характеристике простых и сложных веществ инварианты нередко ограничивают кратким планом: строение, сравнительная характеристика физических и химических свойств. Иногда предлагают охарактеризовать устойчивость, кислотно-основные, иногда только кислотные или только основные, окислительно-восстановительные свойства. Эта схема, вполне достаточная для преподавателей, не способна играть роль средства организации учебной деятельности учащихся. Тем более, что для одних веществ акцент делался только на восстановительные свойства (галогеноводороды), для других на окислительные (оксокислоты хлора), для третьих и на кислотно-основные и на окислительно-восстановительные свойства (Н2О2). Далеко не для всех веществ обращалось на необходимость анализа термодинамической и кинетической устойчивости веществ, способности вступать в реакции разложения, присоединения, электрохимические реакции. В связи с этим, нами выделены и детализированы инварианты описания простых и сложных веществ [3-5]. Мы пришли к необходимости выделения следующих групп свойств: инвариантные, субинвариантные и вариативные.
Вариативные свойства - переменные свойства. Деление свойств на инвариантные и вариативные во многом условно. “Вариативное” для системы более высокого уровня, может стать “субинвариантным” (субинвариант - это инвариант более низкого уровня), если выделить признак, объединяющий вариативные свойства в некую подсистему. Кроме того, инвариантное ядро, инвариант не остается инвариантом всегда, по умолчанию. Какая часть содержания будет инвариантной, а какая вариативной, определяет и ситуационное окружение, контекст. Например, при изучении химических дисциплин химическое содержание будет включать как инвариантную, так и вариативную части, в том числе, возможные вставки исторического характера. Наоборот, если учитель истории будет проектировать дидактическую игру на материале Великой Отечественной войны, то для него инвариантным будет историческое содержание. Химические процессы, лежащие в основе производства оружия Победы, будут вариативными компонентами, если они будут.
Инвариант характеристики неорганического вещества включает следующие блоки (элементы системы): состав, название, строение, термодинамические свойства, физические свойства, химические свойства, получение, действие на организм человека, природу, применение.
Каждый из элементов вышеприведенной характеристики, в свою очередь, является сложной системой, в которой можно выделить инвариантные элементы более низкого уровня. Поэтому каждый элемент инварианта можно назвать субинвариантом, а его структурные элементы - субинвариантными элементами.
Например, в субинвариантном блоке “Строение вещества”, можно выделить субинвариантные элементы:
- строение атомных частиц, то есть одноядерныхчастиц: атомов, атомных катионов, атомных анионов, например, H, H+, Cl, Cl- ;
- строение молекулярных частиц, то есть многоядерных частиц с ограниченным числом ядер, например, SO2, SO42- , NH4+ и элементарных звеньев неорганических полимеров (атомных, ионных, металлических);
- строение макроформы вещества:
- строение более сложных структур, чем атомы и молекулы - ассоциатов;
- строение конденсированной фазы
- строение жидкостей
- строение твердых аморфных и кристаллических веществ (молекулярных, металлических, атомных, ионных кристаллов).
Начиная с уровня молекулярных частиц, в инварианте описания вещества значительную роль начинают играть связи, лежащие в основе молекул или звеньев полимеров (ковалентные, ионные, металлические) и объединяющие вещество в жидкую или твердую конденсированную фазу (ковалентные, металлические или ионные для неорганических полимеров немолекулярного строения; водородные или Ван-дер-Ваальсовые для веществ с молекулярным строением.
В субинвариантном блоке “Физические свойства” мы выделяем:
- “органолептические свойства” - те свойства, которые человек может фиксировать с помощью своих органов чувств - цвет, запах, вкус;
- механические свойства (твердость (мягкость) на качественном и количественном уровнях; хрупкость (пластичность); ковкость (нековкость), плотность);
- оптические свойства (отражательная способность (блеск); светопоглощение в различных областях спектра (ИК-видимый свет, УФ и т.д.); излучение раскаленных объектов; рассеяние света; светопреломление; поляризация плоскополяризованного света);
- тепловые свойства (температуры плавления и кипения, сублимации; теплоемкость; теплопроводность);
- электрические свойства (электропроводность твердой фазы; электропроводность расплава; электропроводность газа; электропроводность растворов);
- магнитные свойства (диамагнитность; парамагнитность; ферромагнитность);
- полярность и поляризуемость связей и молекулярных частиц;
- растворимость (в полярных растворителях и их смесях; в неполярных растворителях и смесях);
- термодинамические свойства (энергия образования Гиббса, D fG°298 кДж/моль; энтальпия образования, D fH°298, кДж/моль; энтропия образования, Sf°298, Дж/моль-К и др.).
В субинвариантном блоке “Химические свойства” можно выделить следующие субинвариантные элементы:
- топохимические свойства, характеризующие способность вещества к структурным перестройкам, такие как изомерия (аллотропия), некоторые случаи полиморфизма;
- термодинамическая и кинетическая устойчивость;
- кислотно-основные свойства;
- окислительно-восстановительные;
- каталитические (ингибирующие, промотирующие) свойства;
Система инвариантных свойств присуща
практически любому веществу. Даже, если в учебной
или научной литературе для конкретного вещества
описана только часть из них, все отсутствующие
элементы системы у вещества есть. Просто
остальные (неописанные) не представляют
практического интереса ни для ученых, ни для
практиков. Например, обычно для гидроксида
алюминия указывают только одно химическое
свойство, его амфотерность, намного реже
говорится о том, что при нагревании Al(OH)3
разлагается, образуя сначала гидроксид оксид
алюминия - AlO(OH), а затем при высокой температуре Al2O3.
И уж совсем не упоминается об ОВ гидроксида
алюминия. Они слабо выражены, не представляют
практического интереса, но они есть. Например,
если смешать гидроксид алюминия, магний и
нагреть, через некоторое время начнется реакция,
соответствующая уравнению 2Al(OH)3+ 3Mg = 3MgO + Al2O3
+ 3H2O 
.
Ничуть не хуже уравнение, соответствующее
сплавлению амфотерного оксида алюминия с
основным MgO и образованием алюмината магния 2Al(OH)3+
3Mg = MgO + Mg(AlO2)2 + 3H2O.
Практического смысла обе реакции не имеют. В технологии оба оксида можно получить намного дешевле из других реагентов, да и для учебной лаборатории оба веществ не являются дефицитом, алюминат магния, также удобнее получать из других веществ. Но если учащийся написал эти уравнения их надо ему засчитать, он молодец.
Обратим внимание на то, что понятия “свойство” и “реакция” не тождественны. Конкретная химическая реакция - всего лишь пример проявления того или иного свойства. Реакция - это вариативный (переменный) элемент описания. Например, для азотной кислоты реакции окисления кислотой металлов, неметаллов, кислот, солей и т.д. - это всего лишь вариативные примеры проявления азотной кислотой инвариантной способности окислять. Но, если объединить реакции окисления кислотой по способности окислять вещества, принадлежащие к основным классам неорганических веществ, то мы получим субинвариантный блок ОВ-свойства кислоты, отражающий способность кислоты, сильного окислителя, окислять и включающий следующие группы реакций (элементы субинвариантного блока “Окислительно-восстановительные свойства”):
- с простыми веществами-металлами;
- оксидами металлов, например, SnO или FeO;
- соединениями металлов, например, NaI, FeS2 и т.д.;
- оксидами неметаллов, например, SiO, CO, P2O3, SO2 и др.;
- гидроксидами металлов (основаниями), например Fe(OH)2;
- простыми веществами-неметаллами, например, C, S, P;
- другими бинарными (состоящими из атомов двух элементов)
- соединениями неметаллов с водородом (элементидами водорода), например, бромидом водорода HBr, иодидом водорода HI, сульфидом водорода H2S (напомним, что по рекомендации IUPAC названия типа “хлороводород” считаются допустимыми, но устаревшими);
- соединениями металлов с водородом (гидридами металлов), например, NaH (проводить реакцию очень опасно, так как она протекает очень бурно, большим тепловыделением);
- гидроксидами неметаллов (кислородсодержащими кислотами или сокращенно “оксокислотами”), например, фосфорноватистой H3PO2 или фосфористой H3PO3 кислотами;
- кислородсодержащими солями, в том числе комплексными, например, FeSO4.
Конкретные реакции представляют примеры проявления группового свойства. Они являются вариативными. Учащийся для иллюстрации способности азотной кислоты окислять металлы может выбрать любой из вариативных примеров проявления этой субинвариантной способности, окисление азотной кислотой меди или серебра, цинка или магния и т.д.
Таким образом, инвариантный блок “химические свойства” включает в себя, по крайней мере, пять элементов, каждый из которых разворачивается в систему более низкого уровня - субинвариантный блок. В свою очередь, каждый субинвариантный блок представляет систему субинвариантных элементов. Например, субинвариантный блок “Окислительно-восстановительные свойства” с учетом генетических связей между неорганическими веществами можно развернуть в систему, состоящую из 12 субинвариантных элементов. КИ, наконец, каждый субинвариантный элемент можно иллюстрировать в общем случае бесконечным числом вариативных элементов - конкретных реакций.
В качестве примера рассмотрим системную характеристику гидроксида натрия. Обычно учащиеся о нем знают, что тип связи в нем ионный. Вещество твердое, бесцветное, хорошо растворимое в воде. Из химических свойств отмечаются кислотно-основные свойства: способность диссоциировать в растворе, изменять окраску индикаторов, реагировать с кислотными оксидами, кислотами, амфотерными гидроксидами, вступать в реакции обмена с солями, образованных слабыми, малорастворимыми, летучими основаниями. В качестве демонстрации окислительно-восстановительных свойств приводят примеры окисления амфотерных металлов, обычно алюминия, растворами щелочи. Характеризуя NaOH, мы к субинварианту “Строение вещества” добавляем то, что в веществе есть не только ионные связи, но и ковалентные (в ионе ОН- ). А ионные связи между Na+ и ОН- наблюдаются только в твердом веществе, расплаве и растворах, в парах вещество состоит из молекул, ионных связей там нет. Подчеркиваем, что NaOH в твердом состоянии можно получить и в кристаллической форме и при быстром охлаждении расплава в виде аморфного вещества (карамель). Описывая физические свойства вещества, дополнительно отмечаем, что вещество хрупкое, не пластичное, с невысокой плотностью, легкоплавкое, с высокой температурой кипения, в воде растворяется хорошо, но ограниченно и может образовывать насыщенные и пересыщенные растворы, Подчеркиваем, что высокая теплопроводность и электропроводность наблюдается у растворов, меньшая у расплавов, тогда как твердое вещество тепло проводит плохо и является изолятором.
При характеристике химических свойств
вещества обязательно подчеркиваем, что даже при
высоких температурах оно устойчиво. По нашему
мнению, эта характеристика является одно из
важнейших. Что толку изучать химические свойства
вещества/, если оно неустойчиво. В
субинвариантном блоке “Кислотно-основные
свойства” приводим вариативные примеры
демонстрации этого свойства, куда входят не
только вышеперечисленные реакции, но и примеры
реакций NaOH с амфотерными оксидами (BeO, ZnO, 
-Al2O3, SnO,
Cr2O3). Причем, отдельно рассматриваем
твердофазные реакции, отдельно - реакции в
врастворах. Для реакций с солями приводим не
только реакции с солями вышеуказанного типа, но и
реакции образования основных солей из средних,
средних из основных, разрушения комплексных
солей. Аналогично, для реакций с кислотами
приводим ситуации не только полной, но и
частичной нейтрализации кислот. Переходя к
субинвариантному блоку
“Окислительно-восстановительные свойства,
приводим уравнение реакции с фотом, как пример
демонстрации слабых восстановительных свойств,
обсуждаем способность проявлять слабые
окислительные свойства в реакциях не только с
амфотерными металлами, но и обычными активными
металлами, например, твердофазное окисление
щелочных и щелочных металлов щелочью при
нагревании, реакциях с кремнием, некоторыми
другими неметаллами. Обычно учащиеся
затрудняются классифицировать реакции щелочи с
галогенами и другими неметаллами, р врезультате
которых неметаллы дипропорционируют. Разбиение
реакций такого типа на две: взаимодействие
неметалла с водой и последующую реакцию
продуктов “гидролиза” с щелочью, показывает,
что в данном случае сама щелочьпроявляет только
основные свойства - нейтрализует продукты
диспропорционирования.
Приемы использования представлений об инварианте и вариативных характеристиках в учебном процессе
Обучение на основе понятий “инвариант”, “субинвариант”, “вариативное свойство” требует гораздо большего времени, чем традиционные приемы обучения, как правило, базирующиеся на репродукции информации, имеющейся в учебнике или озвученной учителем. Безусловно, в рамках современных учебных программ, когда объем изучаемого материала запределен, а часов, выделяемых на изучение химии немного, изучать подробно каждое вещество учителю не удастся. Однако достаточно постоянно можно использовать следующие методические приемы:
1. Составить структурно-логические схемы (СЛС), характеризующие структуру каждого инвариантного или субинвариантного блока и использование их на уроках любых типов. Например, начиная изучение свойств той же азотной кислоты, в начале урока можно обратиться к схемам “Физические свойства оксокислот” и “Химические свойства оксокислот” и подчеркнуть, что физических и химических свойств у азотной кислоты много, а мы с вами пока остановимся только лишь на некоторых из них. Записывая уравнение реакции, можно обратиться к соответствующей СЛС и обратить внимание учащихся какой структурный элемент субинварианта иллюстрируется этим уравнением.
2. Составить развернутые планы системного описания каждого класса неорганических веществ и, давая сильным учащимся индивидуальные творческие задания на описание того или иного вещества, одновременно выдать им и планы описания.
3. Составить развернутые маршрутные карты описания вещества, его свойств, содержащие последовательность вопросов-опор, с помощью которых можно составить полное системное описание вещества.
4. Разрешить учащимся открыто пользоваться СЛС, маршрутными картами и другими информационными и справочными материалами при проведении самостоятельных и контрольных работ любого уровня.
5. Предлагать учащимся при выполнении индивидуальных творческих заданий на описание неорганического вещества составлять для этого следующие материалы:
- информационную карту, полно и подробно описывающую вещество;
- СЛС, в свернутой форме описывающее инвариант характеристики вещества;
- маршрутную карту, движение по вопросам которой, позволяет системно описать вещество.
6. Предлагать учащимся разработать презентацию на основе созданных ими информационных карт.
7. По завершении каждого раздела курса химии (разделы “Строение атома”, “Химическая связь”, “Теория диссоциации” и др.), обобщать изученный теоретический материал с использованием и (или) составлением структурно-логических схем с тем, чтобы этим схемами потом пользоваться при характеристике вещества при изучении неорганической химии элементов.
8. В соответствии с принципом систематичности чаще использовать структурно-логические схемы, в которых вещества и процессы, связанные с ними, описаны в соответствии с соответствующим инвариантом.
Процесс формирования системных знаний о веществе длительный, поэтому не расстраиваться, если не все получается сразу, наоборот, радоваться тому, что через 4-5 занятий хоть что-то начало получаться.
8. Начинать работать на основе инвариантов уже в 8 классе, тогда к 11-му классу проблем у вас не будет.
Желательно резко сократить объем учебного материала, увеличить число часов, на изучение химии, избавиться от ЕГ или изменить его форму, но принятие этих решений выходит за рамки наших компетенций.
Библиография
- Большой энциклопедический словарь. - М.: Научное издательство "БРЭ", 1998.
- Ребер, А. Большой толковый психологический словарь /А Ребер. М.: Вече? АСТ, 2000.
- Шабаршин В.М., Пешкова Г.Ю. Инвариант характеристики неорганического вещества / В.М. Шабаршин, Г.Ю. Пешкова //Химия: методика преподавания в школе. - 2003 - № 2. - С. 23-29.
- Шабаршин, В.М. Физические свойства веществ в контексте профессиональной подготовки учителя химии / В.М. Шабаршин, Г.Ю. Пешкова //Химия: методика преподавания в школе. - 2002 - № 5. - С.21-31.
- Шабаршин, В.М. Вариативные характеристики неорганического вещества / ВМ. Шабаршин, Г.Ю. Пешкова //Химия: методика преподавания в школе. - 2003 - № 5. - С. 14-17.
- Шабаршин В.М., Неорганические соли. Пособие для студентов естественно-географического факультета / Авторы и составители: В.М. Шабаршин, Семенихина С.В. - Липецк: ЛГПУ, 2004.
Приложения: примеры инвариантных средств обучения
Приложение 1. Структурно-логическая схема СЛС “Азотная кислота”
Приложение 2. Маршрутная карта “Азотная кислота”
Приложение 3. “Информационная карта “Галогеноводороды”