Вещество

Изучение химии в 8-м классе средней школы начинается с введения понятия «вещество». К сожалению, это понятие не всегда раскрывается в школьных учебниках надлежащим образом. Вещество и поле как виды непрерывно и вечно движущейся материи имеют точные характеристики, понятные специалистам.

Веществом называют вид материи , обладающий массой покоя (m₀ ¹ 0). В такой формулировке для восьмиклассника может оказаться непонятным слово « материя » и словосочетание «масса покоя». Приведем сокращенный вариант определения: веществом называют все, что обладает массой. Возможно и такое определение: веществом называют все, что слагается из протонов, нейтронов и электронов, масса которых довольно точно измерена.

Добавим, что для рассмотрения химических превращений достаточно знания трех из многих элементарных частиц. Протон, электрон, нейтрон – строительный материал вещества любой степени сложности. На вопрос: является ли протон (нейтрон, электрон) веществом? – ответ ученика должен быть положительным. Да, протон – это вещество потому, что обладает массой. И отдельный атом – вещество, и отдельная молекула – вещество. Кристалл, жидкость, газ, тоже вещество. Планеты, галактики, метагалактика – вещество. Все перечисленное объединяет одно общее для них свойство – масса.

Рассмотрим понятие «вещество» с позиций системного анализа. Наш мир – это иерархическая система систем [1]. Мироздание существует в виде систем разной степени сложности. Ничего не существует вне систем. Одно из определений системы гласит: система – это совокупность взаимосвязанных частей, выделенных из окружающей среды и выступающих по отношению к ней как целое.

Для понимания смысла слова «система» нет необходимости знать определение. Мы на каждом шагу сталкиваемся с множеством естественных и искусственных систем. Автомобиль, велосипед, самолет, человек, солнечная система, растение состоят из частей. Любая из систем ограничена в пространстве и составляет некое целое.

На основании собственного опыта и с помощью учителя школьники способны выделить признаки системы (часть, целое, взаимосвязь) и выстроить иерархию систем. Для этого им надо сообщить, что иерархия представляет некоторый ряд, в котором каждый новый член ряда главенствует над предыдущим. Достаточно, например, предложить построить последовательный, все усложняющийся ряд, начинающийся с буквы. Они назовут его хотя бы в такой последовательности: буква–слог–слово–предложение–текст.

При построении иерархического ряда используется принцип системного анализа – принцип иерархичности: система состоит из частей, но сама является частью большей системы. Воспользуемся этим принципом для построения одного из возможных иерархических уровней организации вещества (схема).

Предлагая ученикам такую иерархию систем, не сосредоточиваем внимание на структуре ни одной из них. Она нужна, чтобы определить место химии среди естественных наук, точнее определить предмет ее интересов как науки. Предметом изучения химии являются атомы, молекулы и превращения множества взаимосвязанных атомов и молекул, представляющих твердое, жидкое и газообразное состояние вещества [2].

Подразумевается, что школьники имеют некоторое представление о микро- и макросистемах. Несколько слов об этом можно сказать и показать на схеме границу, разделяющую микро- и макросистемы. Элементарные частицы, а также отдельный атом и отдельная молекула – это микросистемы. Газ, жидкость, твердое тело, плазма и все, что составлено из них, представляет собой макросистемы.

Все уровни организации вещества объединяет общее свойство – масса. Именно масса придает каждому из уровней статус вещества. Деление вещества на уровни его организации обусловлено особенностями структуры, состава и характера взаимодействия составляющих вещество частей. Это, соответственно, приводит к набору свойств, отличающих один уровень организации вещества от другого.

Внутри отдельного уровня организации вещества существуют разнообразные состояния. Элементарные частицы отличаются массой, знаком заряда или его отсутствием. Атомный уровень организации вещества насчитывает, по современным данным, 110 видов атомов, различающихся зарядом ядра, числом нейтронов в ядре, устойчивостью. Многообразие структур и состояний молекулярного уровня организации вещества достигает порядка 10⁷ .

Макроуровни открываются твердым, жидким и газообразным состояниями вещества. Более крупный уровень организации вещества представляет планета Земля. Солнечная система – лишь одна из многих подобных по структуре в галактике и т. д. Общность частей одного уровня очевидна.

Нас интересуют те уровни организации вещества в различных состояниях, которые являются объектами изучения химии. Это атомный, молекулярный и макроуровень, соответствующий твердому, жидкому и газообразному состояниям вещества.

Отдельный атом соответствует атомному уровню организации вещества. Кроме общего для любого вещества свойства – массы – у атома есть специфические свойства, обусловленные взаимодействиями ядро–электрон, электрон–электрон: способность отдавать и присоединять электроны (энергия ионизации и сродство к электрону), поглощать и испускать энергию квантами.

Отдельная молекула соответствует молекулярному уровню организации вещества. Молекула «наследует» свойства атома – способность отдавать и присоединять электроны, поглощать и испускать энергию квантами. Однако в молекуле, в состав которой входит как минимум два ядра, возникает дополнительное взаимодействие ядро–ядро. Молекула приобретает специфические свойства, отсутствующие у атома, – способность, например, совершать колебательные движения, изменяя положение ядер в пространстве.

Множество взаимосвязанных атомов и молекул образует качественно новое состояние вещества, отличающееся от систем микромира (одиночного атома или одиночной молекулы). Макроуровень организации вещества, соответствующий твердому, жидкому и газообразному состояниям, «наследует» некоторые свойства отдельного атома и отдельной молекулы: поглощает энергию квантами (дискретно), отдает и присоединяет электроны, распадается или объединяется в различные молекулярные агрегаты. Появление межмолекулярного или межатомного взаимодействия, которое отсутствовало у одиночного атома или молекулы, приводит к появлению специфических свойств макросистемы, таких, как твердость, пластичность, текучесть, теплоемкость, прозрачность, плавкость, электропроводность, теплопроводность.

Не могут отдельный атом или молекула быть ни твердым, ни жидким, ни газообразным образованиями. Но отсутствие этих свойств не лишает атом и молекулу статуса вещества. Разделим кристалл, жидкость или газ на атомы. Свойства, присущие макросистеме, исчезли, а вещество (в виде отдельного атома или молекулы) осталось. Поведение отдельной молекулы или отдельного атома напоминает движение одного человека, но не движение толпы. Один человек не может проявить свойство, присущее толпе, – толкаться. Именно множество людей, составляющих толпу, проявляет это свойство. Разделим толпу на индивидуумы, и свойство толпы исчезнет. Следует вспомнить один из принципов системного анализа – принцип целостности системы: свойства целого не сводятся к сумме свойств его частей и не выводятся из них. Именно этот принцип позволяет исключить путаницу между частью и целым, осознать, что свойства частей в целом не арифметическая сумма этих свойств, а скорее их произведение.

Приходится подробно писать об очевидном в силу того, что в некоторых учебниках встречаются неточные высказывания. Разграничивать разные уровни организации вещества необходимо, но говорить, что «отдельные молекулы – это еще не вещество» [3,
с. 93] или «молекула – наименьшая частица вещества, имеющая его состав и определяющая его свойства» [3, с. 94], – значит вводить в заблуждение ученика при рассмотрении таких фундаментальных понятий, как «вещество», «молекула», «атом».

Утверждение, что отдельные молекулы – это еще не вещество, – ошибочно потому, что молекула в любом контексте – вещество, т. к. обладает массой. Настаивать на обратном – значит смешивать понятия «часть» и «целое», игнорировать очевидное – все существует в виде вещества и поля.

Определение «молекула – наименьшая частица вещества, имеющая его состав и определяющая его свойства», с успехом подходит для атома. Любой инертный газ представлен атомами, и атом также «наименьшая частица вещества, имеющая его состав и определяющая его свойства». Из определения невозможно понять, чем молекула отличается от атома.

Атом – это динамическая система, состоящая из ядра, в поле которого движутся электроны . Это сложная система, но она уступает в сложности молекуле. Возражения по поводу того, что ученик 8-го класса не знает смысла слова «поле», снимаются введением вместо слова «поле» словосочетания «вокруг которого движутся электроны». Замена не эквивалентная, но допустимая. Молекула – это динамическая система, состоящая из двух или большего числа ядер, в поле которых движутся электроны . Атомы в молекуле потеряли свою индивидуальность. Скорее молекулу можно назвать многоядерным атомом.

Вернемся к определению понятия «вещество». В некоторых учебниках с небольшими вариантами оно дается такое: «вещество – это то, из чего состоят физические тела» [4, с. 3]. Что называется физическим телом, обычно не говорится. Подразумевается, что это известно из учебника физики. Приведем это определение: «Телом называется все то, что имеет массу и объем. Капли дождя, иней на ветках, туман над рекой – тела, состоящие из одного вещества – воды» [5, с. 5]. Образное и красиво сравнение тела и вещества. Правда, туман скорее смесь веществ. Представить капельки воды вне молекул азота и кислорода трудновато. Но если туман – это смесь веществ, ее можно разделить и получить тела, каждое из которых будет состоять из одного вещества.

Итак, физическое тело обладает массой. Но это определение вещества. Физическое тело не состоит из вещества, а само является веществом в том обличии, которое предстает перед нами. Определение «вещество – это то, из чего состоят физические тела» означает лишь, что «вещество – это вещество». Допущена логическая ошибка: определение подменяется изменением словесной формулировки определяемого понятия. Нелегко придется восьмикласснику, прежде чем он поймет, что тело – это другое обозначение вещества. Более того, его пытаются убедить в обратном. Например, в учебнике [3, с. 11] дается образец, по которому ученик может отличить вещество от тела.

«Замечательный» образец. Если добавим к слову «сахар» слово «кусочек», получим тело; уберем слово «кусочек», получим вещество. Если проглотим кусочек сахара – съедим тело; если съедим сахар, не указывая, что он был в виде кусочка – съедим вещество. Других «комментариев» для этого примера и не требуется.

Еще труднее восьмикласснику разобраться со свойствами вещества и тела. Дается образец того, как это сделать [3, с. 11].

Из приведенного следует, например, что металл алюминий как вещество должен иметь температуру плавления, а алюминиевая кастрюля как тело таковой не имеет. Вероятно, по мнению авторов, не существует характеристики, которая бы обозначалась как температура плавления кастрюли.

Даже если кастрюля расплавится, то не она, а вещество, из которого она состоит. С другой стороны, у тела есть температура, а у вещества температуры нет. Непонятно, как можно обнаружить температуру плавления вещества, если у него нет вообще температуры. Такие попытки разделить вещество и тело приводят к абсурду.

Понятие «физическое тело» используется в тех случаях, когда рассматривают, скажем, движение вещества как целого в пространстве и во времени, его механические свойства и т. д. В том случае, когда исследователей интересует не перемещение вещества, а его превращение, которое, как мы знаем, происходит на атомном и молекулярном уровнях его организации, вещество обозначают словосочетанием «химическое вещество». Физическое тело и химическое вещество – это вещество по-разному названное, чтобы выделить те свойства, которые будут рассматриваться (физические или химические).

Вернемся к приведенному в начале статьи определению: веществом является все, что обладает массой. Понятие массы появляется при обсуждении атомной единицы массы, но при этом оно ассоциируется у школьников с газом, жидкостью или твердым телом. А атом или молекула – это... «это еще не вещество». Все дело, вероятно, в том, что такое представление о веществе формируется в начальных классах, поэтому так трудно отойти от привычного и ведущего к заблуждению представления о веществе и физическом теле.

Приведены ли правильные суждения о веществе в школьных учебниках? Да, например: «...вещество – это все, что имеет определенную массу и занимает тот или иной объем в окружающем пространстве» [6, с. 15].

Попутно выскажем некоторые соображения относительно определения атомной единицы массы. Нет необходимости указывать происхождение единицы измерения, которая, кстати, менялась неоднократно. Достаточно указать ее величину. Атомная единица массы (а. е. м.) равна 1,6605•10^–27 кг. Тогда определение относительной атомной массы не будет громоздким [7, с. 25], а рассуждения [4, с. 20] о сравнении массы данного элемента с 1/12 массы изотопа углерода или с массой атома водорода становятся просто ненужными.

Вернемся к предмету изучения химии. Химия изучает движение и взаимодействие атомов и молекул в газах, жидкостях, твердых телах (химию плазмы обсуждать не будем), сопровождающиеся изменением не только структуры атомов и молекул, но и изменением состава и структуры макросистем.

Из представленной иерархии систем видно, что химия рассматривает ограниченный круг веществ, их свойств и превращений. Физика занимается превращением веществ на уровне составных частей атома. Изучение и изменение состава ядра позволило получить атомы ранее неизвестных элементов. Благодаря физическим исследованиям число элементов увеличилось до 110. Определение «химия – это наука о веществах, их свойствах и превращениях» в равной степени может быть отнесено к одному из разделов физики – ядерной. Биологи в не меньшей степени занимаются превращением вещества на клеточном и молекулярном уровнях его организации.

Следовало бы уточнить, какие из уровней организации вещества в иерархии систем представляют интерес для химии. Химия – наука о свойствах и состояниях атомов и молекул и их превращениях, происходящих в макросистемах. На приведенной схеме вертикальными стрелками отмечены уровни организации вещества, являющиеся объектами изучения физики, химии и биологии (в биологии собственная иерархия систем от макромолекулы типа ДНК до высших форм существования живого вещества на планете).

В заключение скажем, что использование таких фундаментальных понятий, как «вещество» и «поле», требует немалых усилий, чтобы объяснить их на языке, доступном восьмикласснику. Такие попытки необходимо делать. Избежать этого нельзя, если мы хотим обеспечить понимание, а не механическое запоминание процессов и явлений, происходящих в макро- и микромире. Раскрытие сущности химических взаимодействий через электромагнитные взаимодействия позволило бы сократить долгий и порой трудный путь осознания того, что химия – это физика атомов и молекул.

С позиций методики преподавания учебной дисциплины допустимы модели разной степени приближенности объекта-заменителя к объекту-оригиналу. Но они должны давать правильные представления и определения изучаемых объектов и явлений, не запутывать, а помогать постигать красоту этого таинственного мира.

Л и т е р а т у р а

1. Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П. Введение в системный анализ. М.: Высшая школа, 1989.
2. Яблоков В.А. Содержанию обучения – системную организацию. Химия в школе, 1997, N 4, с. 15–19.
3. Гузей Л.С., Сорокин В.В., Суровцева Р.П. Химия. М.: Просвещение, 1995.
4. Габриелян О.С. Химия. М.: Дрофа, 1997.
5. Химия: Справочные материалы. Под ред. Ю.Д.Третьякова. 2-е изд. М.: Просвещение, 1989.
6. Бердоносов С.С. Химия-8. М.: МИРОС, 1994.