CC BY
115
УДК 530(091); 378.14
М. Ф. Каримов
Символический язык химии и его значение для развития науки и дидактики
Бирская государственная социально-педагогическая академия 452453, г Бирск, ул. Интернациональная 10; телефакс (3414) 26455
M. F. Karimov
Chemistry symbolical language and it value for development of the
science and didactics
Birsk State Socially-Pedagogical Academy 10, Internatsyonalnaya Str, 452453, Bashkortostan, Birsk, Telefax: (3414)26455
Выделены особенности символического языка науки — основного средства информационного моделирования действительности. Кратко описан процесс возникновения, становления и развития символического языка химии. Охарактеризована конструктивная роль современного символического языка химии в развитии естественно-математических наук. Оценен вклад символического языка химии в развитие дидактики средней общеобразовательной и высшей профессиональной школы.
Ключевые слова: влияние символического языка химии на развитие науки и дидактики; объектная и символическая составляющие языка науки; особенности символического языка химии; свойства символического языка науки.
Постоянное стремление ученых совершенствовать имеющие начало в античности объектный и символический языки естественно-математических наук обусловлено наличием у естественного языка общения людей многозначности его лексических единиц и желанием добиться однозначного соответствия между содержанием и формой выражения мысли, осуществляемого в процессе информационного моделирования объектов, процессов и явлений окружающего нас мира.
В объектном языке науки актуализируется репрезентативная или представительная функция естественного языка о названиях объектов, процессов и явлений природной, технической и социальной действительности.
Символический язык науки выделяет слабо выраженную в естественном языке металингвистическую функцию через предложение и использование в информационном моделировании действительности различных символов,
Дата поступления 30.10.09
Features of science symbolical language — the main means of information modelling of the validity are allocated. Process of occurrence, becoming and development of chemistry symbolical language is described briefly. The constructive role of modern chemistry symbolical language in development of natural-mathematical sciences is characterized. The contribution of chemistry symbolical language to development of didactics of a general educational and higher school is estimated.
Key words: influence of chemistry symbolical language on development of a science and didactics; objective and symbolical components of science language; features of symbolical chemistry language; properties of science symbolical language.
обозначающих и представляющих научные понятия, операции и приемы.
Основными нормативными свойствами создаваемого и используемого символического языка науки, ориентированного на международное общение ученых, являются:
1. Простые и составные основные символы научного языка, представляемые в однозначной форме, задаются в явном, понятном для всех членов научного сообщества виде.
2. Правила введения в научный оборот новых сокращенных или расширенных символов с помощью уже имеющихся определяются в виде четкой последовательности действий.
3. Правила составления символических выражений научного языка, предлагаемые отдельными учеными, становятся общепринятыми на основе международных соглашений.
4. Правила построения формул из простых и составных символов, сложных символических выражений, удовлетворяющие кри-
териям эстетики, логики и практики, являются обязательными для всех.
5. Правила интерпретации сложных символических выражений и формул символического языка устанавливаются точно и однозначно определяют связь между символическими конструкциями языка науки и их значениями.
Символический язык алгебры, математического анализа и математической логики был создан и развит в XVI—XIX вв. благодаря научным трудам Ф. Виета (1540—1603), предложившего новый язык общей арифметики — алгебры 1, И. Ньютона (1643-1727) и Г. В. Лейбница (1646-1716), создавших дифференциальное и интегральное исчисление 2' 3, Д. Буля (1815-1864), применившего символический метод к изучению операций дифференцирования и интегрирования, к логическому выводу и к теоретико-вероятностным рассуждениям 4, и других выдающихся ученых.
Общая и теоретическая физика в период с XVII по XX вв. приобрели на основе высшей математики собственный символический язык, представленный в работах И. Ньютона (1643-1727), создавшего классическую механику 5, Д. К. Максвелла (1831-1879), построившего теорию электромагнитных явлений 6, А. Эйнштейна (1879-1955), разработавшего теорию относительности 7, П. А. М. Дирака (1902-1984), одного из творцов квантовой физики 8.
Тринадцатый ребенок в семье графа Кор-кского, имевшего владения в Ирландии, выдающийся ученый Р. Бойль (1627-1691), положивший начало химическому анализу веществ 9 и соответствующему символическому языку химии - новой самостоятельной науки, в 1661 г. ввел в естествознание первое определение химических элементов как первоначальных и простых, вполне не смешанных тел, которые не составлены друг из друга, но представляют собой те составные части, из которых составлены все так называемые смешанные тела и на
которые последние могут быть в конце концов 10
разложены .
Родившийся в семье крестьян-поморов первый русский ученый-естествоиспытатель мирового значения М. В. Ломоносов (1711-1765), выделивший в своей первой работе по химии «Элементы математической химии» 11, написанной в 1741 г., методологический ориентир, состоящий в том, что «стремящийся к ближайшему изучению химии должен быть сведущ и в математике», указал на необходимость взаимообогащения символических
языков естественно-математических наук для эффективного осуществления математического моделирования объектов, процессов и явлений природы.
Третий ребенок в многодетной бедной семье английских ткачей, достигший выдающихся успехов в науке благодаря самообразованию и постоянному творчеству - великий английский ученый Д. Дальтон (1766-1844), изложивший основные положения химической атомистики, ввел в науку фундаментальное понятие атомного веса, составил первую таблицу атомных весов водорода, азота, фосфора, серы и других химических элементов, приняв за единицу атомный вес водорода, предложил графические модели строения однородного газа водорода, атомов кислорода, азота, диффузии одного газа в другой, сформулировал закон кратных отношений и предложил систему графических символов - наглядных знаков-рисунков для изображения атомов и молекул (сложных атомов) 12, известных в настоящее время как химические символы Дальтона.
Сын шведских учителей, основоположник стехиометрии химической атомистики, автор терминов «аллотропия», «изомерия», «катализ» и «органическая химия», составитель двадцати семи ежегодных обзоров успехов физических и химических наук, отражающих новейшие достижения естествознания первой половины XIX в. - великий ученый Й. Я. Бер-целиус (1779-1848) значительно развил символический язык химии, вводя в науку удобные современные обозначения химических элементов посредством начальной или начальной и одной из последующих букв латинского 13
названия элемента и систему рациональных формул химических соединений, отражающих соотношения элементов в соединениях, указывающих относительные количества составных частей, образующих вещество, и выражающих численный результат химического анализа так
же просто и понятно, как алгебраические фор-
14
мулы математики 14.
Введенные в науку Й. Я. Берцелиусом химические символы элементов на основе начальных букв латинских названий и химические формулы, представляющие символическую запись состава вещества посредством химических знаков, соответствующих атомам, и индексов, обозначающих число атомов в молекуле, существенно облегчили в дальнейшем научное исследование и учебное освоение химических объектов, процессов и явлений действительности.
Сын баварского кучера (извозчика), достигший авангардных позиций в химической науке благодаря усердию в самообразовании и творческой деятельности, получивший уксусную кислоту окислением этилового спирта в присутствии платины, установивший первые закономерности в изменении свойств триад химических элементов «кальций, стронций и барий», «литий, натрий и калий», «сера, селен и теллур», И. В. Деберейнер (1780-1849) впервые в естествознании записал уравнения
ряда химических реакций, используя символы
15
химических элементов .
Основными вопросами, стоявшими на повестке дня Первого Международного конгресса химиков в Карлсруэ в 1860 г., были разграничение понятий «атом», «молекула», «эквивалент», введение в науку усовершенствованной системы атомных весов и химических формул, развивающей символический язык химии.
Конгресс химиков, принявший определения атома как наименьшего количества элемента, входящего в частицы (молекулы) соединений, молекулы как количества тела, вступающего в реакции и определяющего химические свойства, позволившие однозначно установить формулы химических соединений, открыл путь для создания структурной химии со своим символическим языком, развивающим познание и преобразование природной и технической действительности.
Сын участника Великой Отечественной войны 1812 г., поборник высшего образования женщин в России, впервые в науке сформулировавший основные положения теории химического строения органических соединений, обладающей функциями описания, объяснения и предсказания, автор термина «химическая связь», профессор Казанского и Петербургского университетов А. М. Бутлеров (1828-1886) внес важный вклад в становление учения о валентности в 1861 г. в работе «О химическом строении веществ» 16, где допустил переменную валентность у одного и того же атома и отличие свободного (изолированного) атома от атома, вступившего в соединение с другим, что способствовало обогащению символического языка органической химии.
Семнадцатый ребенок в большой дружной семье директора Тобольской гимназии, выпускник отделения естественных наук физико-математического факультета Главного педагогического института в Петербурге, открывший фундаментальный закон природы о периодической зависимости химические свойств элементов естественных групп от их атомно-
го веса, гордость России Д. И. Менделеев (1834-1907) построил периодическую систему химических элементов 17, являющуюся табличным выражением открытого им закона природы, представляющую одно из важнейших, обладающих свойствами описания, объяснения и предсказания, достижений символического языка химии.
Развитие теории электролитической диссоциации в водном растворе С. А. Аррениусом (1859-1927) 18, координационной теории комплексных химических соединений А. Верне-ром (1866-1919) 19, теории ионной и ковален-тной связи атомов в веществе В. Косселем (1888-1956) 20 и Г. Н. Льюисом (1875-1946) 21, метода молекулярных орбиталей Э. Хюккелем (1896-1980 ) 22, теории типов химической связи в зависимости от электроотрицательности элементов Л. К. Полингом (1901-1994) 23, модельных представлений дизоксирибонуклеи-новой кислоты Д. Д. Уотсоном (р. 1928) 24 и Ф. Х. Криком (1916-2004) 25, теории разветвленных цепных химических реакций Н. Н. Семеновым (1896-1986) 26 и других физико-химических теорий позволило в настоящее время выделить нижеследующие положения химической символики:
1. Символ элемента означает либо один химический элемент, либо один атом химического элемента, либо одно простое одноатомное вещество.
2. Написание символа элемента возможно без указания валентных электронов атома или иона, с указанием точками спаренных и неспа-ренных валентных электронов атома или иона или с указанием для атомов неспаренных электронов валентными штрихами.
3. Химическая формула означает вещество, его элементный состав, одну молекулу соединения или соотношение атомов в ней.
4. Написание химических формул возможно без указания валентных электронов атомов или ионов, но при необходимости с индексами, с указанием точками валентных электронов атомов или ионов, с указанием для ковалентных связей общих электронных пар валентными штрихами.
5. Эмпирическая формула, показывающая вид имеющихся химических элементов, молекулярная формула, дающая состав химического соединения с числом атомов, структурная формула, указывающая на химические связи ковалентного характера между атомами, электронная формула, основанная на структурной формуле и представляющая валентные электроны, не участвующие в химических свя-
зях, скелетная формула, опускающая символы атомов углерода и водорода вместе со штрихами связей, пространственная конфигурационная формула, отражающая пространственное расположение атомов или групп атомов в молекуле химического соединения и проекционная формула с клиновидными штрихами и тро-еточиями образуют множество химических формул.
6. Чтение формул химических реакций производится выделением либо взаимодействия исходных веществ и образования продуктов реакции, либо числа формульных единиц, вступающих в реакцию и образующихся после нее, либо количества вещества для реагентов и продуктов реакции, либо соответствующих масс реагентов и продуктов реакции.
7. Запись уравнений химических реакций осуществляется с помощью молекулярных формул, посредством структурных формул, с указанием степеней окисления, с выделением ионов или с указанием агрегатного состояния веществ, участвующих в процессе реакции.
Дидактика средней общеобразовательной и высшей профессиональной школы в двадцатом веке обогатила себя многими методологическими положениями построения и использования символического языка науки, достигнутыми в области химии.
Системно-структурно-функциональные блок-схемные дидактические модели с прямой и обратной связями, имеющимися в системе «Обучающий — обучающийся» 27, использующие терминологию и обозначения символического языка науки, являются доказательством вышеприведенного тезиса.
Многолетний дидактический опыт свидетельствует о том, что студенты естественно-математических и технологических факультетов высших учебных заведений Уральского региона, выполняющие курсовые и дипломные работы под руководством преподавателей-ученых, часто используют центральные химические журналы — «Журнал прикладной химии», основанный в 1928 г., «Журнал физической химии», основанный в 1930 г., «Журнал общей химии», основанный в 1931 г., «Успехи химии», основанный в 1932 г., «Журнал аналитической химии», основанный в 1946 г., «Журнал неорганической химии» и «Кристаллография», основанные в 1956 г., «Высокомолекулярные соединения», основанный в 1959 г., «Журнал структурной химии» и «Кинетика и катализ», основанные в 1960 г., «Нефтехи-
мия», основанный в 1961 г., «Журнал органической химии», основанный в 1965 г., «Теоретические основы химической технологии», основанный в 1967 г., «Координационная химия», основанный в 1975 г. и «Башкирский химический журнал», основанный в 1993 г., в которых представлен наиболее полный и развивающийся символический язык химии, для совершенствования собственного научного символического языка исследователя, необходимого в процессе успешной постановки и решения актуальных, обладающих теоретической и практической значимостью задач познания и преобразования природной и технической действительности.
Выводы, основанные на анализе и обобщении приведенного выше краткого материала о символическом языке химии и его значении для развития науки и дидактики, сводятся к нижеследующему.
Символический язык естественно-математических наук, создаваемый и развиваемый со средних веков по настоящее время посредством совершенствования и обогащения естественного языка людей на уровне абстракций, достаточен для мышления отвлеченными категориями, формулирования идей и осуществления информационного моделирования объектов, процессов и явлений настоящими и будущими исследователями и преобразователями природной и технической действительности.
Символический язык химии, составляющий основу атомно-молекулярного учения о составе, структуре вещества и его превращениях, однозначно представляющий химические элементы, рационально определяющий формулы химических соединений и осуществляющий компактную запись уравнений химических реакций, является одной из вершин духовной культуры человечества, созданной благодаря творчеству выдающихся ученых.
Оказывающий непосредственное или косвенное положительное влияние на развитие естественно-математических и технологических наук, на совершенствование дидактики средней общеобразовательной и высшей профессиональной школы развивающийся символический язык химии представляет собой предмет обязательного освоения обучающимися в системе непрерывного образования, ориентированной на обеспечение научно-технического и социально -экономического прогресса страны.
Литература
1. Vietae F. Opera mathematica, in unum volumen congesta, ac recognita.— Lugduni Batauorum: Ex Officinia Bonaventurae & Abrahami Elzeviriorum, 1646.— 554 p.
2. Newtoni I. Analysis per quantitatum series, fluxiones, ac differentias: cum emimeratione linearum tertii ordinis.— Londini: Ex Officinia Pearsoniana, 1711.- 101 p.
3. Leibnizi G. W. Nova methodus pro maximis et minimis, itemque tangentibus, quae nec fractas, nec irrationales quantitates moratur et singular pro illis calculi genus // Acta eruditorum.-1684.- Vol. 3.- № 10.- P. 466.
4. Boole G. An investigation of the laws of thought, on which are founded the mathematical theories of logic and probabilities.- London: Walton and Maberly, 1854.- 448 p.
5. Newtoni I. Philosophiae naturalis principia mathematica.- Londoni: Jussu Societatis Regiae ac Typis Josephi Streater, 1687.- 510 p.
6. Maxwell J. C. A dynamical theory of the electromagnetic field // Philosophical Transactions of the Royal Society of London.-1865.- Vol. 155.- P. 459.
7. Einstein A. Zur Elektrodynamik der bewegter Korper // Annalen der Physik.- 1905.- Bd. 17.-S. 891.
8. Dirac P. A. M. The quantum theory of the electron // Proceedings of Royal Society London.- 1928.- Vol. A117.- P. 610.
9. Boyle R. The chemical analysis of seed pearls / The philosophical works of the Honourables Robert Boyle; abridged, methodized, and disposed under the general heads of physics, statics, pneumatics, natural history, chymistry, and medicine.- London: W. and J.Innys, 1725.-Vol. I.- P. 58.
10. Boyle R. The sceptical chymist, or, chymico-physical doubts & paradoxes: touching the spagyrist's principles commonly call'd hypostatical, as they are wont to be propos'd and defended by the generality of alchymists.-London: Printed by J.Cadwell for J.Crooke, 1661.- 442 p.
11. Ломоносов М. В. Избранные труды по химии и физике: Элементы математической химии. О действии химических растворителей вообще. О металлическом блеске. Размышления о причине теплоты и холода. О рождении и природе селитры.- М.: Изд-во АН СССР, 1961.- 560 с.
12. Dalton J. A new system of chemical philosophy: Vol. 1-2.- Manchester: Printed by S. Russell for R. Bickerstaff, 1808-1827.
13. Berzelius J. J. Forsok till ett ^tt^rdigande at de theoretisk chemiska asigter, pa hvilka den systematiska Uppstallningen I mitt forsoket till en ^r^ttring af den chemiska nomenclaturen sig // Kongliska Svenska Vetenskaps-Akademiens nya Handlinger.- 1812.- D. 33.- S. 166-198.
14. Berzelius J. J. Uber die bestimmung der relativen anzahl von einfachen atomen in chemischen Verbindungen // Poggendorf's Annalen der Physik und Chemie.- 1826.- Bd. 7.- S. 397416.
15. Dobereiner J. W. Darstellung der zeichen und verhaltnisszahlen der irdischen elemente zu chemischen Verbindungen.- Jena: Croker, 1823.51 s.
16. Butlerov A. M. Uber chemische structure von substanzen // Zeitschrift fur Chemie.- 1861.-Bd. 4.- S. 549.
17. Mendeleeff D. I. The principles of chemistry. Translated from the Russian (fifth edition) by G. Kamensky: In two volumes.- London: Longmans, Green and Company, 1891.
18. Arrhenius S. A. Untersuchung uber die galvanische Leitfohigkeit der Elektrolyte.-Leipzig:W. Engelmann, 1907.- 153 s.
19. Werner A. Beitrage zur konstitution anorganischer verbindungen.- Leipzig: Akademische verlagsgesellschaft, 1924.- 96 s.
20. Kossel W. Valenzkrafte und rцntgenspektren; zwei aufsдtze bber das elektronengebдude des atoms.- Berlin: J. Springer, 1924.- 89 s.
21. Lewis G. N. Valence and the structure of atoms and molecules. - NewYork: The Chemical catalog company, 1923.- 172 p.
22. Huckel E. A. Grundzbgeder theorie ungesдttigter und aromatischer verbindungen.- Berlin Verlag Chemie, 1938.- 160 s.
23. Pauling L. C. The nature of the chemical bond and the structure of molecules and crystals; an introduction to modern structural chemistry.-New York: Cornell University Press; London: Oxford University Press, 1939.- 429 p.
24. Watson J. D. The double helix: a personal account of the discovery of the structure of DNA.- New York: Atheneum, 1968.- 220 p.
25. Crick F. H. Of molecules and men.- Seattle: University of Washington Press, 1966.- 99 p.
26. Семенов Н. Н. О некоторых проблемах химической кинетики и реакционной способности.-М.: Изд-во АН СССР, 1954.- 350 с.
27. Каримов М. Ф. Подготовка будущих учителей-исследователей в информационном обществе: Монография.- Челябинск: Изд-во ЧГПУ «Факел», 2002.- 612 с.
