Jak optymalnie uczyć się chemii...

Z lektury dość licznych listów od internautów i z tego, co podpowiada mi moje doświadczenie, u podstaw „chemicznych niepowodzeń” wielu osób leży nieodpowiedni (moim zdaniem) sposób podania wiedzy. Najwięcej bieżących kłopotów sprawia rozwiązywanie zadań. Jeżeli toś deklaruje, że nauczenie się praw chemicznych, definicji i regułek nie sprawia mu kłopotu, a tylko z zadaniami mu „nie idzie”, to prawie pewne, że tak naprawdę to on tej chemii nie umie (nie rozumie).  Nie obiecuję tu superskutecznej i jednocześnie łatwej metody (gdyby taka była, szkoły byłyby rajem na ziemi), ale postaram się pomóc potrzebującym kilkoma ogólnymi radami (mam nadzieję, że skutecznymi).

Te trzy powyższe prawdy powinny Ci zawsze towarzyszyć podczas nauki (i to nie tylko chemii), zaś o samej chemii powinnaś wiedzieć przede wszystkim następujące rzeczy:

Chemia opisuje przemiany materii zachodzące na skutek zmian struktury i składu cząsteczek (reakcje chemiczne). Należy zatem orientować się w budowie materii (budowa atomu, cząsteczek, typy wiązań itp.) i właściwościach z tej budowy wynikających. Tu nieskromnie odeślę Cię do postudiowania działu naszej witryny dotyczącego chemii ogólnej. Są tam zapewne też wiadomości, które wykraczają poza poziom szkoły średniej, więc jeśli coś będzie dla Ciebie całkiem nowe lub zbyt trudne, to opuść. Jednak szczególnie dobrze przyswój sobie sprawy związane z budową atomu.

Z wielu ważnych właściwości atomów (pierwiastków) do najistotniejszych w chemii należy elektroujemność, z której wypływa wiele pochodnych właściwości, takich jak charakter wiązań, polarność, oddziaływania międzycząsteczkowe, rozpuszczalność, potencjał elektrokinetyczny i wiele, wiele innych.

Przebieg wszelkich zjawisk w chemii wyznaczają dwie podstawowe tendencje (o ogólnym zresztą, a nie tylko chemicznym charakterze).

Pierwsze to „samoistna” chęć wszystkich układów do osiągnięcia energii najniższej z możliwych w danym momencie i w danej sytuacji.

Jeżeli strącimy książkę ze stołu, spadnie ona na podłogę, bo tam jej energia potencjalna będzie niższa niż na stole. Oczywiście, możemy książkę podnieść z podłogi i umieścić znów na stole, ale w tym celu musimy wykonać pewną pracę (która spowoduje zwiększenie jej energii potencjalnej). Analogicznie w chemii spotykamy reakcje zachodzące samoistnie lub wymagające nakładu energii i specjalnych zabiegów.

Druga ogólnoprzyrodnicza tendencja, to dążność do uzyskania jak największej wartości tzw. entropii , co w bardzo szalonym skrócie można powiedzieć inaczej, że wszystko dąży do jak największego rozproszenia. Jeżeli kawałek węgla będzie leżał na powietrzu (w styczności z tlenem) to będzie samoistnie przechodził w CO₂, bowiem jest to reakcja wyzwalającą energię (egzotermiczna, obniża się energia, CO₂ ma niższa energię niż suma C i O₂ przed reakcją) i jednocześnie zwiększającą entropię, bowiem „uporządkowany”, złożony z identycznych atomów kawałek węgla zamieniać się będzie na gazowy CO₂, który samoistnie rozproszy się po całej atmosferze. Oba te czynniki (spadek energii i wzrost wartości entropii) sprzyjają reakcji utlenienia – reakcja zachodzi samorzutnie. Można też przeprowadzić ją w drugą stronę – z CO₂ uzyskać węgiel i tlen, wymaga to jednak specjalnych warunków i włożenia w ten proces energii.

Stosowany w większości przypadków w naszym szkolnictwie sposób nauczania chemii nie podkreśla (a szkoda) dwóch istotnych aspektów zjawisk chemicznych.

Po pierwsze tego, że cząsteczki nie są płaskie, a taki „płaski” obraz zapisuje się nam w podświadomości w czasie obcowania wyłącznie z symbolicznym zapisem związków i reakcji na papierze. (popatrz tu)

Po drugie musimy pamiętać, że prawa chemiczne mają charakter statystyczny, tzn. pozwalają przewidzieć wyniki doświadczenia (reakcji chemicznej) tylko w przypadku dużej ilości cząsteczek, mogą jednak zawodzić, gdy rozpatrujemy teoretyczny układ izolowany typu „cząsteczka A reaguje z cząsteczką B”. Często w praktyce kłopoty sprawia kierunek odwrotny, kiedy wnioski z rozpatrywanej teoretycznej sytuacji „cząsteczka A reaguje z cząsteczką B” próbujemy przenieść na układ, gdzie nie tylko, że mamy wiele cząsteczek A i wiele cząsteczek B, ale dodatkowo występują cząsteczki rozpuszczalnika, energia cieplna czy promienista i jeszcze inne czynniki.

Ów statystyczny charakter wiąże się z właściwością materii, już przez starożytnych Greków znaną pod hasłem  panta rei – wszystko płynie, wszystko jest w ciągłym ruchu. Na przykład wartość temperatury cieczy jest wyznacznikiem energii translacji jej cząsteczek (przemieszczania się cząsteczek) i w sposób jednoznaczny określa średnią energię translacji. Natomiast pojedyncza cząsteczka w tej cieczy może mieć zupełnie inną energię (większą lub mniejszą) i w dodatku bez przerwy zmienną w czasie (cząsteczka przyspiesza, hamuje, zmienia kierunek ruchu itp.). Tak więc, temperatura jest parametrem dobrze opisującym ciecz jako całość (parametr statystyczny), nie ma jednak większego znaczenia przy opisie pojedynczej cząsteczki tej cieczy.

Pamiętaj więc: cząsteczki mają swoją przestrzenną budowę, od której wiele zależy, charakteryzuje je ciągła zmienność parametrów (rozmiarów, położenia, energii itp.), która ma duży wpływ na zachowanie się w skali mikro (atomy, pojedyncze cząsteczki), a która uśrednia się do stałych wartości w skali makro (probówka, kolba reakcyjna itp.). (patrz też  rozdział o cząsteczkach)

I jeszcze jedno duże uproszczenie, które nagminnie stosujemy, a które może mocno „namieszać”. Nasze dążenie do maksymalnej prostoty w opisie zjawisk chemicznych powoduje, że bardzo często zapis reakcji chemicznej, który bierzemy za rzeczywistość, jest jedynie ogromnym skrótem, opisującym de facto nie jedną reakcję a cały skomplikowany, wieloetapowy proces, a w dodatku używana przez nas symbolika wprowadza nas w błąd, co do rzeczywistych substratów i produktów. Zajrzyj do rozdziału "Chemia ogólna" i tam „reakcje chemiczne”.

Prostą reakcję strącania chlorku srebra najczęściej zapisujemy tak:

NaCl + AgNO₃ ——> AgCl + NaNO₃

Prawdy w takim zapisie jest niezmiernie mało, ale dla pokazania głównego przesłania tej reakcji w sposób najprostszy (co nie znaczy najwłaściwszy) – powstania osadu chlorku srebra, jest to zapis wystarczający. Zapis prawie zgodny z rzeczywistością to:

Ag⁺ + Cl^- ——> AgCl

ale wtedy nie wiemy skąd nam się te jony wzięły, jak w realnym (a nie symbolicznym, „papierowym”) świecie taką reakcję przeprowadzić. Ponadto, gdyby w zapisie reakcji uwzględnić całą rzeczywistość, stałby się on tak zagmatwany, że pewnie już niczego by nie tłumaczył. Rzecz cała polega na umiejętnym odczytywaniu zapisów reakcji, ich równań. Innymi słowy, zgodnie z zasadą „nic nie jest tak proste, jak się nam wydaje...” nie bierzmy nigdy symbolicznych zapisów za pełną rzeczywistość. Zawsze są to uproszczenia wskazujące na główny kierunek przemian, z jakichś powodów szczególnie nas w danym momencie interesujących.

Jak do tej pory starałem się przedstawić podstawowe (choć nie jedyne!) zagadnienia, nieznajomość których prowadzi do kłopotów w zrozumieniu chemii. Żeby jednak chemię umieć (a tym samym umieć rozwiązać praktycznie każdy problem, każde zadanie) trzeba jeszcze oczywiście mieć pewne dane, których łączenie w łańcuchy przyczynowo-skutkowych następstw, zgodnie z tymi podstawowymi regułami, daje nam w sumie umiejętność korzystania z wiedzy chemicznej. Cała ta opisowa chemia, która jest głównym elementem naszych szkolnych zainteresowań, jest konieczna, ale akcenty powinny być moim zdaniem inaczej rozłożone. Budowa materii, oddziaływania w skali atomowej i cząsteczkowej powinny być podstawowym tematem zainteresowania, a chemia opisowa materiałem do pokazywania skutków tego, co dzieje się w mikroświecie i  materiałem do wyjaśniania zjawisk chemicznych w otaczającym nas świecie – tak w przyrodzie jak i produktach cywilizacji.

No, ale to co powinno być – to jedno, a to co jest – to drugie. I niestety w tym, co jest musimy się jakoś znaleźć. Powiedzmy sobie jednak szczerze i nieco może brutalnie – najczęściej równie ważne (a niekiedy może nawet ważniejsze) są stopnie z chemii. Jeśli jednak dość uważnie prześledziłaś tok naszego rozumowania, to między materiałem nauczanym w szkole a sposobem na rzetelną wiedzę chemiczną (tą uwzględniającą prawdziwe zrozumienie praw rządzących materią) przedstawionym powyżej praktycznie nie ma konfliktu. Chodzi tylko o to, by do nieco scholastycznej wiedzy szkolnej samodzielnie dołączyć fundamentalne prawa przyrody (o których była mowa wyżej) i za parę tygodni    chemia powinna zacząć jawić Ci się jako prosta, ciekawa i łatwa do nauki. A gdyby w dalszym ciągu tak się nie stało – napisz, postaramy się wspólnie rozpatrzyć ten szczególny przypadek.

I na koniec dwa słowa o zadaniach, które są najczęstszym problemem, szczególnie w szkole średniej (choć i studenci maja z tym czasem kłopoty).

Na stronie głównej witryny http://www.mlyniec.gda.pl/~chemia/   jest na środku u dołu menu, a w nim między innymi odnośniki do rozdziałów dotyczących zadań. Zadania tu zgromadzone mają dołączoną pomoc (sugestie, w którym kierunku kierować się do rozwiązania), prawidłową odpowiedź oraz najczęściej również sposób rozwiązania. Mogą więc służyć zarówno do sprawdzania swoich rzeczywistych umiejętności jak i do nauki. Myślę, że warto też poczytać sobie wiadomości zamieszczone w http://www.mlyniec.gda.pl/~chemia/strona_0zad_1.htm oraz w rozdziale „Techniki obliczeniowe”