Ершик, банка и протон... Учитесь 'чувствовать' вещество - вычислениями мир не удивишь

Большинство моих школьных уроков химии - в классах физико-математической специализации (Специализированный учебно-научный центр МГУ - знаменитый интернат имени Колмогорова). Вечная пикировка старшеклассников ("химиков" и "физматиков") между собой - чья наука важнее. Мне кажется, что сделать химию интересной для "физматиков" и "экономистов" гораздо легче, чем математику - для "химиков".

Давно уже замечено - химики-профессионалы отличаются широтой своих взглядов и открытым отношением ко всему происходящему вокруг. Это легко объяснить тем, что все наше современное материальное окружение - продукция промышленного химического синтеза. Но главная причина, по-моему, не только в "химии вокруг нас".

Химию можно "ненаучно" определить как то, чем занимаются люди, называющие себя химиками. Мне очень понравилась характеристика химиков, данная лауреатом Нобелевской премии 1996 г. американцем Гарольдом Крото (Университет Сассекса). Свою премию он получил совместно с Ричардом Смолли и Робертом Керлом за открытие фуллеренов в 1985 г. Фуллерены - это новая форма элементарного углерода; среди них есть, например, футболен С60 с шарообразными молекулами, "сшитыми" из пяти- и шестиугольников, как футбольный мяч.

Г.Крото писал: "Химики, по-моему, страдают особой формой "шизофрении". В самом деле, их мышление - это причудливая смесь самых абстрактных и совсем наглядных представлений. Они знают о тонких квантово-механических закономерностях, определяющих свойства молекул, которые, в свою очередь, ответственны за все многообразие окружающего нас мира. Эта взаимосвязь микро- и макромира остается скрытой от ученых других специальностей. Кроме того, никто не сделал так много для улучшения условий жизни людей, как химики, но их заслуги в должной мере не оценены". (Химия и жизнь-XXI век, 1997, N 2, с.5).

Настоящий химик, даже если он не занимается непосредственно синтезом, всегда "чувствует вещество". Это чувство вещества проявляется и в умении отмыть "насмерть" пригоревшую кастрюлю, и в способности найти на свалке всевозможные редкие металлы в невзрачных предметах, и в точном определении способа ремонта пластмассового изделия (сварить или склеить, а если склеить, то чем и как).

К сожалению, мода на "теоретизирование" в учебниках химии, особенно в начале курса в 8-м классе, привела к тому, что все труднее найти даже среди выпускников химического класса СУНЦ МГУ студентов, способных "чувствовать вещество" и самостоятельно выполнять хотя бы простые эксперименты. Получается, что БУП "освоен", а смысла в этом никакого - эмоционально бесцветная "теория" с трудом удерживается в голове только до ближайшего экзамена.

Мы с коллегами считаем, что старшеклассников можно научить видеть вещество "изнутри", "с точки зрения" конкретного атома или молекулы. Поэтому они хорошо воспринимают такое ненаучное объяснение (тема "Азот"):

"Я - атом азота в аммиаке. У меня четыре электронные пары; на трех висят протоны, а четвертая свободна. И подходит ко мне хлороводород. А там большой и жадный хлор почти совсем отобрал у водорода единственный электрон. А что такое водород без электрона? Не атом даже, а элементарная частица - протон, в тысячи раз меньший, чем атом. Азот (т.е. я) - не жадный, могу протону разрешить повиснуть на моей свободной электронной паре. Мне так даже симпатичнее-симметричнее, а заряд того протона я по всей молекуле распределю. Правда, теперь от хлора не уйти - он законы (т.е. закон Кулона) знает и своего не упустит. Пришлось пожертвовать летучестью, превратившись из ковалентного аммиака в инный хлорид аммония".

С последними словами опускаю ершик для мытья посуды, смоченный аммиачной водой (20-30-процентный нашатырный спирт), в центр литровой стеклянной банки, на дне которой - концентрированная соляная кислота. Получается надежно-густое эффектное облако белого дыма.

Другой пример - из органической химии (тема: "Электрофильное присоединение к двойной связи и правило Марковникова"): "Я - бромоводород. Смотрю - молекулы летают. Все скучные какие-то, зацепиться не за что (парафины). А вот что-то с выступающими электронами (на доске - структурная формула пропена). Явно они у него лишние. Три углерода, а между двумя крайними "мешок электронов" (двойная связь). Ну я - к нему. Ясное дело, брому тут нечего ловить - у него своих электронов семь и один у водорода почти отобрал. А вот протону, бромом почти отпущенному, есть к чему прицепиться. Только вот пропану заряженным быть не нравится (протон ведь с зарядом +1), хочется сгладить это неприличное для органической молекулы состояние. И чтобы заряд лучше "размазался" по молекуле, предлагает пропан протону место с краю, а его заряду - в центр. А тут и бром рядом. С минусом (заряд -1). Приходится и его присоединить, а то неудобно как-то получившемуся пропилу катионом оставаться...

Я - другой бромоводород. Смотрю - страшилище (1,1,1 - трифторпропен). Тоже мешок электронов имеется, но кривой какой-то, ко фторам стянутый. Так и отдаю свой протон к ним поближе. А брому тогда придется на противоположный конец молекулы садиться..."

Подобным "лирическим отступлениям" должно предшествовать самостоятельное прочтение школьниками соответствующих разделов учебника. Есть, конечно, большой риск, что ученики из всей темы воспримут только жаргон. Но правильные термины обычно остаются "снаружи" сознания, как скучная и не всегда понятная информация. Кроме того, столь пренебрежительное отношение к "научной" терминологии я использую сознательно, поскольку те грубые модели, которыми оперирует школьный курс химии ("орбитали" разной формы, теория гибридизации и т.п.), не описывают реальные свойства веществ. Опять же есть риск сползти в антинаучный и антипредметный нигилизм, чему способствует характерный для этого возраста юношеский максимализм: - "Нет верных моделей, так и учить ничего не надо". Прививкой от такого всеобщего отрицания простых моделей является рассказ о достижениях реальной теоретической химии - например, структура тех же фуллеренов была вычислена российскими теоретиками еще в 1973 году.

Может оказаться полезной и цитата из работы одного из основателей квантовой механики - английского физика Поля Дирака (1929 г.): "Физические законы, составляющие основу математической теории большей части физики и всей химии, таким образом, досконально изучены; трудность заключается лишь в том, что строгое применение этих законов приводит к уравнениям настолько сложным, что их невозможно решить. Поэтому желательно разработать на основе квантовой механики приближенные практические методы, с помощью которых можно было бы без лишних расчетов выяснять особенности систем, состоящих из атомов".

Это великолепное "слово о пользе теории" содержит, в свою очередь, глубочайшее заблуждение современной науки, которое химики сознают лучше других ученых. Суть этого заблуждения - слепая вера в предсказательную силу современных научных теорий, которые, опираясь на безукоризненные процессоры фирмы "Intel", "могут вычислить все" - от теплового эффекта химической реакции до погоды и биржевых котировок на завтра.

Даже поведение "мертвого" вещества не может быть предсказано теориями до конца - недаром существуют специальные описания (прописи) демонстрационных химических экспериментов. Любой учитель, знакомый с химическим экспериментом, знает, что для успеха нужно следовать не столько уравнениям реакций, сколько прописям методики.

В рамках школьной органической химии уравнения реакций можно писать только в исключительных случаях - то же правило Марковникова редко работает больше чем на 90%. Зато внутри живой клетки все реакции идут "с точностью до атома" - ошибка наказывается обычно гибелью организма. С точки зрения классической термодинамики, фрагменты которой (равновесие и принцип Ле-Шателье) изучают школьники и все студенты нехимических специальностей, живые объекты существовать не должны - так далеки они от равновесия и статистических распределений атомов и молекул по энергиям. А они существуют и свои "химические производства" налаживают так точно и экологически чисто, что любая амеба превосходит по этим параметрам самые наисовременнейшие химические заводы.

До сих пор среди профессионалов-химиков наиболее ценятся не те коллеги, которые умеют вычислить "с определенным приближением" свойства новой молекулы (хотя возможности современных вычислительных машин и методов превосходят мечты П.Дирака), а синтетики, способные "чувствовать вещество" и эту самую молекулу "сварить" изящным путем из неожиданных на первый взгляд веществ-предшественников.

И поэтому я считаю, что нет смысла готовить из наших школьников "теоретиков", представляющих вещество в виде "системы гибридизованных орбиталей". Присутствующий в большинстве школьных учебников "компот" из устаревших теорий не имеет ни практической, ни мировоззренческой ценности, потому что создает только видимость "научности". Лучше за отведенное школьной программой на химию ограниченное время показать ученикам красоту материального мира - мира веществ - и необходимость бережного с ним обращения. Бережного - значит не допускающего неумеренного преобразования природного вещества ради сиюминутного комфорта жителей "цивилизованных стран". Пора наконец осознать, что нашим детям достанется мир с исчерпанными запасами нефти (не будет у них одноразовых пластиковых мешков для мусора), с вырубленными лесами ("скормленными" нашим ксероксам и принтерам), с радиационными и химическими мутантами, дополненными "отходами" неудачных экспериментов по клонированию и генной инженерии, проводимых коллегами-биологами. И мир станет таким именно из-за нашего псевдонаучного к нему отношения, нашего неумения подчинять разуму и здоровой интуиции свои потребительские инстинкты.