Им не хватало теоретической основы, которая помогла бы исследователям осмыслить и оценить результат их эксперимента.
Знаменитый немецкий химик Ф. Вёлер так характеризовал ситуацию в органической химии, представлявшей собой множественность несистематизированных и не связанных между собой фактов: «Органическая химия может сейчас кого угодно свести с ума. Она представляется мне дремучим лесом, полным удивительных вещей, безграничной чащей, из которой нельзя выбраться, куда не осмеливаешься проникнуть». В письме к Ю. Либиху он писал: «Я полностью согласен с тобой, что для того, чтобы в естествознании понять факты, надо уже иметь в голове определённую идею» [11].
Положение в органической химии стало изменяться после 1861 года, когда А. М. Бутлеров, утвердив свою теорию химического строения и руководствуясь ею, занялся получением изомера бутилового спирта. Для этого он воспользовался реакцией, в которой не смогли разобраться его австрийские коллеги. Бутлеров понял, что сначала фосген превращается в кетон (ацетон), затем образуется металлоорганическое соединение, на следующем этапе металлоорганическая группа замещается атомом водорода с образованием изобутилового спирта.
Теория помогла Бутлерову понять процесс превращений фосгена и привести этот процесс к определённой цели выделить в качестве продукта изобутиловый спирт, то есть целенаправленно синтезировать изомер.
На этом примере видно значение теории в познании не только химии, но и окружающего мира вообще. Чем глубже человек познаёт природу с помощью теорий, тем бо́льшие возможности познания открываются перед ним.
В процессе усвоения школьниками учебного предмета теория является важным компонентом знаний. Она помогает ученику понять и объяснить явления окружающей его действительности, то есть сформировать ЗНАНИЕ и МЫШЛЕНИЕ. Этому придавали большое значение наши крупнейшие учёные-педагоги и методисты. Поэтому развитие методики учебных предметов шло в сторону введения теорий и приближения их к началу изучения учебного предмета.
Однако надо помнить, что всякая теория имеет ограничения, она применима в определённых рамках. Например, в химии теория валентных связей не может объяснить существование многих молекул, таких как O2, NO, NO2, HNO3 и др. Если предположить, что в молекуле кислорода две связи О=О, то нельзя объяснить существование двух неспаренных электронов в этой молекуле, следовательно, проявление реальных парамагнитных свойств кислорода. Зато это явление (парамагнетизм) объясняется другой теорией теорией молекулярных орбиталей. Но в рамках этой теории нельзя определить число связей между атомами кислорода, а только возникновение четырёх связывающих и четырёх разрыхляющих орбиталей. На этих орбиталях находятся восемь связывающих и шесть разрыхляющих электронов. Два связывающих электрона не спарены, так как находятся на двух энергетически равноценных молекулярных орбиталях. Это и приводит к парамагнетизму молекулы. В связи с такими представлениями невозможно наглядно изобразить структурную формулу кислорода.
Точно так же невозможно в рамках теории валентных связей объяснить возникновение химических связей в молекуле азотной кислоты. Принято считать, что азот в этой молекуле четырёхвалентный. Но это утверждение вызывает неустранимое противоречие.
В самом деле, проанализируем предлагаемые в некоторых учебниках [34] модели (а, б) химических связей в молекуле HNO3:
Модель а показывает, что атом азота имеет три σ-связи и одну делокализованную π-связь, то есть является условно четырёхвалентным. Но обратим внимание на атом кислорода. Каждый из них имеет одну σ-связь и половину π-связи. Таким образом, кислород в азотной кислоте получается полуторавалентным, а это нонсенс.
Не лучше дело обстоит и с так называемой семиполярной связью (модель б). Согласно этой модели, азот образует четыре ковалентные связи и одну ионную. Так чему же тогда равна его валентность: четырём или пяти? Но самое главное заключается в том, что такая формула не отражает реальности. Атом азота имеет настолько высокую энергию ионизации (1402 кДж/моль), что сродства к электрону кислорода (141,8 кДж/моль) недостаточно для отнятия пятого электрона от атома азота. Поэтому представленная формулой б молекула азотной кислоты существовать не может.
Не следует прибегать к ухищрённости, чтобы определить валентность азота в азотной кислоте. Достаточно определить его степень окисления, чтобы понять поведение азотной кислоты в химических реакциях.
Желание все факты и явления объяснить с точки зрения единой теории, стремление любой ценой показать её неуязвимость вредит обучению, формирует у детей ненаучный подход к объяснению действительности.
Теорию валентных связей, как и любую другую теорию, следует применять в определённых границах. Не укладывающиеся в неё факты служат стимулом для развития теории или замены её другой. К этому надо относиться диалектически. Когда говорят «строго научно», противоречат существу науки, тому положению, что наука не является застывшим мыслительным образованием, но постоянно обновляется.
В обучении не следует ни игнорировать роль теорий, ни абсолютизировать их. Представление о том, что теории не являются завершёнными формами познания, а меняются, расширяются, углубляются, положительно влияет на формирование мышления и мировоззрения ребёнка.
Законы, закономерности, принципы
Познание изучаемого объекта предполагает переход от явления к сущности. Одной из форм раскрытия сущности и являются обнаруживаемые законы, закономерности, принципы.
Законы отражают внутреннюю существенную связь явлений, обусловливающую их закономерное развитие.
Закон выражает определённый порядок причинной и устойчивой связи между явлениями или свойствами материальных объектов, отражает повторяющиеся существенные отношения, при которых изменение одних явлений вызывает вполне определённые изменения других [136]. Понятие закона близко к понятию сущности изучаемого объекта, которая как раз и представляет собой совокупность глубинных связей и процессов. Закономерности конкретизируют и дополняют законы.
Примером закона является великий периодический закон химических элементов Д. И. Менделеева. Он устанавливает существенную связь между атомной массой (зарядом ядра) и формами, а также свойствами веществ, образованных этими элементами.
На этом примере можно видеть связь закона с другими формами знания. Сущность периодического закона раскрывает теория строения атомов. Внутри закона можно выделить закономерности. Например, закономерность связи атомных объёмов с атомной массой дополняет содержание периодического закона.
Закон, как и теория, имеет границы применимости.
Так, закон Авогадро устанавливает связь количества вещества газов (числа частиц) с его объёмом. Выводом из закона Авогадро является молярный объём газа, равный 22,4 л/моль. Однако этот объём приблизительно соблюдается только для нормальных условий. При температуре 20 оС молярный объём будет другим (24 л/моль при нормальном давлении). Здесь вступает в силу другой закон закон Бойля Мариотта.
С другой стороны, молярный объём зависит от силы межмолекулярного взаимодействия, поэтому далеко не все газы имеют одинаковый молярный объём при нормальных условиях.
Так, молярный объём аммиака NН3 равен 22,09 л/моль, а хлора Cl2 20,06 л/моль. Это значительные отклонения, поэтому использование привычного молярного объёма для этих газов приводит к большим неточностям. Молярный объём, равный 22,4 л/моль, это вид идеализации, широко распространённый в науке, особенно в химии и физике.
Принципы по содержанию близки к законам.
Термин принцип происходит от латинского principium, что означает «начало, основа». Он имеет несколько значений. Принципом называют внутреннее убеждение человека, которым он руководствуется в своём поведении. Нас интересуют научные принципы. В науке под принципом понимают теоретическое начало, основополагающую истину, лежащую в основе других истин, положений или движущих сил; правило или закон, по которому осуществляется та или иная деятельность или процесс. Философские принципы выражают непреложные, неизменные истины [146].
Принцип это то, что лежит в основе некоторой совокупности знаний, главное, исходное положение какой-либо науки, теории, учения, мировоззрения.
Принцип является руководящим положением, которое соблюдается постоянно. Как известно, французский философ Гельвеций считал: «Знание некоторых принципов легко возмещает незнание некоторых фактов».
Научные принципы формируются на основе эмпирических исследований реальности путём обобщения. Значимость принципов определяется тем, насколько глубоко они отражают объективные существенные закономерности, тенденции, связи и т. п. того класса явлений, в отношении которого они выступают обобщением. Поэтому принципы близки к законам.