CZĄSTECZKI CZY JONY - JAK NAUCZAĆ O STRUKTURZE MIKROŚWIATA

W nauczaniu chemii tradycyjnie omawia się budowę materii wychodząc z założenia, że wszystkie substancje zbudowane są z cząsteczek. Dopiero po ugruntowaniu cząsteczkowej teorii budowy materii wspomina się o fakcie istnienia jonów. Taki stan rzeczy tłumaczy się w trudności przyswojenia sobie przez ucznia pojęcia jonów. Nawet, jeżeli omawia się wiązania chemiczne, to wiązanie jonowe przedstawia się tak, jakby było one kierunkowe, podobnie jak atomowe. Także po zapoznaniu uczniów z wiązaniem jonowym nie zwraca się uwagi na jego konsekwencje, natomiast związki chemiczne traktuje się w dalszym ciągu jako cząsteczki. Pojęcie jonu zostaje uwypuklone dopiero przy omawianiu teorii dysocjacji elektrolitycznej.

Obserwacje czynione w procesie kształcenia chemicznego wydają się potwierdzać, że jonowa teoria budowy materii nastręcza uczniom więcej trudności niż cząsteczkowa teoria budowy materii. Należy jednak zwrócić uwagę na fakt, że o jonowej budowie materii mówi się dopiero wtedy, gdy uczeń ugruntuje pojęcie o cząsteczkowej budowie wszystkich połączeń chemicznych. Należy przypuszczać, że przyczyną odczuć, iż jonowa teoria budowy materii jest dla uczniów trudniejsza niż cząsteczkowa jest występowanie transferu ujemnego. Ugruntowanie pojęcia, że wszystkie substancje składają się z cząsteczek utrudnia przyswojenie sobie informacji, że wśród nich są takie, które zbudowane są z jonów.

Dlaczego nauczanie najpierw o strukturze wszystkich substancji zakładając, że są one zbudowane tylko z cząsteczek, a następnie uświadomienie, że niektóre substancje zbudowane są z jonów powoduje transfer ujemny? Przyczyny należy upatrywać w odmiennych strukturach dochodzenia do wzoru sumarycznego tych substancji.

Rozpatrzmy dwa przykłady:

1. Tlenek węgla(IV) jako przykład substancji o budowie cząsteczkowej.

2. Chlorek wapnie jako przykład substancji o budowie jonowej.

Tlenek węgla(IV) - jest to zbiór cząsteczek - każda cząsteczka składa się z atomu węgla i atomów tlenu - atom węgla jest czterowartościowy a atom tlenu jest dwuwartościowy - dlatego każdy atom węgla jest połączony z dwoma atomami tlenu - W związku z czym wzór tlenku węgla(IV) zapisujemy CO2.

Chlorek wapnia - jest to zbiór jonów - dodatnich wapnia i ujemnych chloru - jony wapnia są dwudodatnie a jony chloru jednoujemne - na jeden jon wapnia przypadają dwa jony chloru - W związku z czym wzór chlorku wapnia zapisujemy CaCl2.

Z porównania przedstawionych schematów widać, że w przypadku substancji o budowie jonowej nie występuje pojęcie cząsteczka. Pojęcie zbioru cząsteczek i jonów ma również inne znaczenie. W jednym przypadku jest to zbiór takich samych elementów, natomiast w drugim jest to zbiór dwóch różnych elementów. Podobne różnice występują, jeżeli porównamy terminy atomy i jony. Atomy w cząsteczce są policzalne, natomiast ilość jonów jest duża, nie policzalna. Natomiast pojęcia wartościowości i ładunku jonów pełnią podobną rolę w toku przeprowadzanego rozumowania

Z przedstawionych powyżej schematów wynika, że wychodząc od nazwy związku chemicznego dochodzimy do wzoru sumarycznego różnymi drogami. Stosując nawet błędne rozumowanie uczeń uzyskuje poprawny wynik w postaci wzoru sumarycznego.

Sposób nauczania traktujący w pierwszej fazie wszystkie związki chemiczne jako posiadające budowę cząsteczkową powoduje transfer ujemny, gdyż dla poznanych wcześniej substancji uczeń musi wprowadzić inny schemat myślenia oraz stworzyć inne wyobrażenia, w miejsce już utrwalonych.

Co jest ważniejsze? Znajomość nazwy, znajomość struktury, czy znajomość wzoru sumarycznego danej substancji? Te trzy elementy powinny być ze sobą sprzężone, gdyż znajomość struktury związku chemicznego pozwala na przewidywanie jego właściwości fizycznych i chemicznych.

W otaczającym nas świecie stykamy się z substancjami o budowie cząsteczkowej, jak i takimi, które mają budowę jonową. Z zapisem jonów uczniowie spotykają się np. na etykietach wód mineralnych. Codziennie mamy kontakt z substancjami o budowie cząsteczkowej np woda, cukier oraz o budowie jonowej np: chlorek sodu. Dlatego wydaje się konieczne nauczanie równocześnie o cząsteczkowej i jonowej strukturze substancji. Uwzględnienie jonowej i cząsteczkowej struktury substancji chemicznych wydaje się również istotne, chociażby z powodu powstawania innego rodzaju składników roztworu po rozpuszczeniu ich w wodzie. W czasie rozpuszczania substancji o strukturze cząsteczkowej do roztworu przechodzą cząsteczki (w przypadku cukru - cząsteczki sacharozy), natomiast w czasie rozpuszczania substancji o budowie jonowej do roztworu przechodzą jony. Jeżeli rozpuścimy w wodzie glukozę, fruktozę i sacharozę, to w roztworze będą występowały cząsteczki tych związków chemicznych. Po rozpuszczeniu w wodzie chlorku sodu, chlorku magnezu i siarczanu(VI) magnezu w roztworze nie będą znajdowały się cząsteczki tych połączeń chemicznych, lecz jony: sodu, magnezu, chlorkowe i siarczanowe(VI).

Dlatego przy omawianiu tematu roztwory wodne wydaje się koniecznym zwrócić uwagę na odmienny mechanizm rozpuszczania się w wodzie substancji o budowie jonowej, niż substancji o budowie cząsteczkowej.

W celu wyeksponowania w procesie podstawowego kształcenia chemicznego istnienia substancji o budowie jonowej i cząsteczkowej należy naukę przedmiotu zacząć od budowy atomu, a następnie przedstawić sposoby wiązania się atomów (jonów) między sobą. Dzięki odpowiednio skonstruowanemu układowi okresowemu uczniowie już na początkowym etapie kształcenia chemicznego mogą bez trudu przewidzieć rodzaj wiązania dla wielu związków chemicznych, a tym samym określić strukturę tych połączeń. W tym układzie okresowym przy pomocy barw zostały wyróżnione metale i niemetale. Informacje te wystarczają do przewidywania wiązań w danym połączeniu chemicznym, gdyż metale (wykazując wartościowość 1- 3) z niemetalami tworzą wiązania jonowe, natomiast niemetale między sobą (oraz metale na wyższych wartościowościach) tworzą wiązania atomowe. Dodatkowym ułatwieniem jest nakładana na układ okresowy folia, z której uczniowie mogą odczytać jaką tendencję do oddawania lub uwspólniana elektronów i w jakiej liczbie wykazuje atom danego pierwiastka w najbardziej typowych połączeniach chemicznych.

Następnym działem, w którym należy zwrócić uwagę na różnice w zachowaniu się substancji o budowie cząsteczkowej i jonowej jest dział poświęcony roztworom i rozpuszczaniu substancji.

Przy omawianiu tlenków metali i niemetali należy zaznaczyć, które z nich mają budową jonową, a które cząsteczkową. Omawia się przecież przykłady tlenków metali (budowa jonowa, na niższych wartościowościach) i niemetali (budowa cząsteczkowa).

Kolejnymi działami, o wyraźnie dominujących połączeniach o strukturze jonowej są te w których omawia się wodorotlenki i sole.

W celu ułatwienia uczniowi wyobrażenia o różnicach w budowie jonowej i cząsteczkowej należy wprowadzić zapisy wzorów strukturalnych inne dla jednego typu połączeń, a inne dla drugiego.

Strukturę cząsteczki o wiązaniach atomowych należy przedstawiać używając wzorów kreskowych, które dla powszechnie znanych połączeń etan, tlenek węgla(IV) kwas siarkowy(VI) przybierają postać:

Natomiast w strukturze połączeń o budowie jonowej należy uwzględniać jony oraz ich ładunki, dlatego strukturę bromku glinu, tlenku sodu, tlenku baru przedstawimy przy pomocy wzorów strukturalnych:

Od kilku lat prowadzono badania nad wprowadzeniem na początkowym etapie nauczania chemii programu uwzględniającego w dużym stopniu budowę substancji zarówno cząsteczkową, jak i jonową. Wykazały one, że wprowadzenie równocześnie jonowej i cząsteczkowej struktury połączeń chemicznych nie wpływa ujemnie na przyswajaną wiedzę. Natomiast w dalszej edukacji pozwala uczniowi łatwiej rozumieć przebieg reakcji jonowych. Pozorne trudności w rozumieniu jonowej struktury substancji chemicznej wynikają z występowania transferu ujemnego w nauczaniu o wszystkich substancjach, tak jakby istniała tylko struktura cząsteczkowa.

Efektem prowadzonych badań jest program do nauczania chemii w gimnazjum oraz podręcznik.

Podsumowanie:

Ze względu na występowanie wokół nas substancji o strukturze jonowej i cząsteczkowej należy od początkowego etapu nauczania wpajać uczniom, że otaczająca nas materia jest w dużej mierze zbudowana zarówno z cząsteczek, jak i jonów. W tym celu należy stosować inne wzory strukturalne dla jednych substancji, a inne dla drugich. Takie podejście do nauczania chemii eliminuje występowanie transferu ujemnego zachodzącego w przypadku traktowania najpierw wszystkich połączeń, tak jakby istniały tylko struktury cząsteczkowe.

Program nauczania chemii zgodnie z tymi założeniami został przebadany i uzyskał pozytywną opinię, dzięki czemu został zatwierdzony przez MEN do realizacji w gimnazjach

Literatura: .

1. A.F. Wells, Structural Inorganic Chemistry, Oxford University 1990

2. J.R. Paśko, Program nauczania dla gimnazjum Chemia, Kubajak 1999

2. J.R. Paśko, Chemia dla klasy I gimnazjum, Kubajak 1999