В классической теории строения органических соединений А.М. Бутлерова основным понятием выступает понятие «химического строения», под которым понимают порядок связи между атомами, а также рассматриваются понятия: структурная изомерия, гомология, гомологический ряд, гомологическая разность, функциональная группа, классы органических соединений, генетическая связь.
Охарактеризуем методику формирования понятий «изомерия» и «гомология». Для введения понятия изомерии опорными понятиями служат понятия о качественном и количественном составе веществ, аллотропии и химическом строении. Поэтому это понятие может быть изучено в самом начале курса. Гомология рассматривается позже, в процессе ознакомления с классами органических соединений.
Отмечаются следующие этапы формирования понятий гомологии и изомерии:
- Выделение существенных признаков каждого понятия и его определение.
- Выявление различия между гомологами и изомерами.
- Изучение разных форм изомерии и изомерии между веществами разных классов.
При введении понятия изомерии сначала сообщается факт, что имеются вещества с одинаковым количественным и качественным составом, но различающиеся по свойствам (бутан, изобутан). Поиск причин этого явления привел к предположению, что различие может объясняться разным строением молекул веществ. Эти вещества были названы изомерами. В дальнейшем многочисленные факты подтвердили их существование. Формулируется определение понятия.
Понятия «гомолог» и «гомологический ряд» обычно вводятся при изучении предельных углеводородов. После того как учащиеся поняли, что гомологи отличаются друг от друга лишь длиной углеродной цепи, им помогают установить связь между этими понятиями — показывают, что углеводороды с четырехчленной и более углеродной цепью могут иметь разные варианты строения, т. е. изомеры. Далее сопоставляют существенные признаки понятий «изомер» и «гомолог» и делают вывод о сходстве и различии между ними.
Таким образом, эти понятия изучаются в единстве при сопоставлении, чтобы устранить многочисленные ошибки, которые учащиеся допускают вследствие смешивания этих понятий. На основе обобщения знаний о гомологии формируются понятия о многообразии органических соединений.
По мере усложнения классов органических соединений учащиеся знакомятся с понятием «функциональная группа», т.е. группа атомов, обусловливающая характерные свойства веществ данного класса.
Первыми из соединений, содержащих функциональные группы, изучаются спирты. На их примере можно показать, как выявлять особенности строения веществ исходя из экспериментального изучения их свойств.
К важнейшим понятиям теории электронного и пространственного строения относятся понятия о типах гибридизации атомных орбиталей, σ- и π-связях .
Для понимания вопроса о видах химической связи в качестве опорных используются понятия о строении атома, об атомных орбиталях различных типов, а также вновь формируемое понятия о гибридизации атомных орбиталей. Гибридизацией атомных орбиталей называется процесс выравнивания их по форме и энергии. В программе О.С. Габриеляна предпринята попытка дедуктивного введения понятия гибридизации, т.е. учащиеся знакомятся в сравнительном плане с разными видами гибридизации, получают о них более целостное представление.
В большинстве же учебных программ различные типы гибридизации вводятся индуктивно: при изучении алканов — sp3-, алкенов — sp2-, алкинов — sp-гибридизация, что представляется более доступным.
Изучение понятий о гибридизации орбиталей может осуществляться с использованием проблемного подхода.
Многие учебные проблемы основываются на установлении взаимосвязей между строением и химическими свойствами органических соединений.
Например, изучению свойств ацетилена предшествует постановка проблемы: если для ацетилена, как и для этилена, характерно наличие кратной связи, то нет ли сходства в их свойствах? Учащиеся могут выдвинуть предположение о характерной реакции – реакции присоединения, что затем подтверждается экспериментально.
При изучении бензола внимание учащихся обращают на непредельный характер этого соединения по составу. Однако, в отличие от алкенов, бензол не окисляется раствором перманганата калия, не обесцвечивает бромной воды (проводятся соответствующие демонстрационные опыты), отмечается, что для бензола более характерны реакции замещения, а не присоединения. Это противоречие объясняется особенностями строения бензола: наличием обобществлённой π-электронной системы, обладающей высокой энергетической устойчивостью.
