Začnime takmer triviálnym tvrdením: chémia ako vyučovací predmet je nezrozumiteľná pre drvivú väčšinu žiakov základných a stredných škôl. Prečo je to tak? Odpoveď nájdeme už v prvej vete (zdôrazňujeme: v prvej vete) úvodnej učebnice chémie pre gymnáziá, ktorá sa už skoro tridsať rokov používa na našich školách. Tá veta znie: „Ako prvky s označujeme prvky I.A a II.B skupiny, t. j. prvky umiestnené v periodickej sústave úplne naľavo.“
Ako sa dá niečo pochopiť z knihy, ktorá sa takto začína, a potom rovnako pokračuje na ďalších dvesto stranách? Nijako. Takáto kniha môže slúžiť len ako pomôcka pre viac či menej úspešné predstieranie porozumenia.
Problém však nie je len v odpudzujúcich učebniciach. Nešťastný je už samotný štátny vzdelávací program (po starom: školské osnovy), ktorý je postavený na celkom pomýlenej koncepcii. Ústredným bodom tejto koncepcie sa stala – bez akéhokoľvek vlastného zavinenia – Mendelejevova tabuľka.
Táto tabuľka a jej kvantovomechanická podstata sú základom chémie ako vednej disciplíny. To však automaticky neznamená, že tieto veci majú byť aj základom chémie ako vyučovacieho predmetu. Názor, že štruktúra vzdelávacích programov jednotlivých predmetov má kopírovať štruktúru príslušných vied, je síce rozšírený, ale to mu na hlúposti nijako neuberá. Tento názor je v rozpore so základnými didaktickými pravdami, nerešpektuje prirodzené potreby detí ani stupeň ich mentálnej zrelosti, neberie do úvahy skutočnosť, že prílišné zjednodušenia často úplne vyprázdňujú obsah, a tak ďalej, a tak ďalej.
Nerozumne zostavený štátny vzdelávací program núti chemikárov učiť veci, ktoré ich študenti nemôžu pochopiť. Typickým príkladom sú takzvané atómové orbitaly. Pre chémiu ako vedu sú tieto pojmy z kvantovej mechaniky veľmi dôležité, pretože umožňujú naozaj hlboké porozumenie Mendelejevovej tabuľke a tým aj celej chémii. Ale na strednej škole to tak nie je. Tam orbitaly z ničoho nevyplývajú a nič nevyplýva z nich. Z pohľadu študenta sú to len divné pojmy, označované divnými písmenami (s, p, d, f, ...). A vysvetľujú trt makový, nie Mendelejevovu tabuľku.
No a čo presne vysvetľujú orbitaly na vedeckej úrovni? To je zaujímavá otázka, respektíve je to otázka so zaujímavou odpoveďou. Pretože ani na tejto úrovni nevysvetľujú orbitaly úplne všetko.
.chemici
Chémia je v podstate empirická veda o procesoch, v ktorých zmiešavaním nejakých látok vznikajú iné látky. Počas stáročí nazmiešavali toho alchymisti a chemici naozaj veľa a veľa sa toho naučili. Okrem všeličoho iného sa naučili aj to, že niektoré látky možno považovať za elementárne, zatiaľ čo iné látky sa z týchto elementárnych nejakým spôsobom skladajú.
Keď chemici spolu s fyzikmi po dlhom a namáhovom skúmaní zistili, že všetky látky sa skladajú z malinkých častíc, bolo im jasné, že zložené látky (zlúčeniny) vznikajú z elementárnych látok (prvkov) spájaním jednoduchších častí (atómov) do zložitejších celkov (molekúl). Celá chémia sa tak odrazu začala javiť ako akási stavebnica.
Spočiatku sa o tejto stavebnici veľa nevedelo, ale jedna jej pozoruhodná vlastnosť bola známa prakticky od začiatku. Obrovské množstvo chemických poznatkov, nazhromaždených najmä v 18. a 19. storočí, ponúkalo jednoduchý základný obraz tejto stavebnice, podľa ktorého sa dali atómy jednotlivých prvkov charakterizovať počtom akýchsi očiek alebo háčikov. Väčšina chemických zlúčenín vznikla tak, že do očiek určitých atómov sa zasunuli háčiky iných atómov, a to tak, aby nijaké očká ani háčiky nezostali nazvyš.
Nijaký čo len trochu príčetný chemik si pritom nepredstavoval, že by tie očká a háčiky naozaj existovali. Išlo len o akési podobenstvo, v ktorom bola jednoduchým spôsobom zašifrovaná chemická múdrosť niekoľkých storočí. Ako sa atómy spájajú v skutočnosti, t. j. aká je povaha chemickej väzby, o tom nevedeli chemici nejaký čas vôbec nič.
Keď fyzici objavili štruktúru atómov a zistili, že takmer všetok priestor v nich zaberajú elektróny, začali chemici rozmýšľať o chemickej väzbe v reči elektrónov. Najprv len prerozprávali alegóriu o očkách a háčikoch do elektrónovej reči, ale tým podstatu chemickej väzby nijako neobjasnili. Vznikol tým síce celkom nový jazyk, obsahujúci slovné spojenia ako valenčné elektróny alebo zaplnené vrstvy, ktorý pôsobil veľmi učeným dojmom, ale v skutočnosti nič nevysvetľoval. Stále to bolo len viac či menej triviálne prerozprávanie starých poznatkov do modernejšej reči.
.fyzici
Všetko sa zmenilo v momente, keď fyzici objavili kvantovú mechaniku. Vyriešením základnej rovnice tejto novej teórie pre atóm vodíka s jediným elektrónom zistili, v akých stavoch sa môže tento elektrón nachádzať. Tieto stavy sa dodnes označujú skupinou čísiel a písmen, medzi ktorými sú aj tie nešťastné s, p, d, f. Pomocou týchto stavov vedeli fyzici po prvý raz úplne pochopiť spektrum vodíka, t.j. typické vlnové dĺžky svetla, vyžarované atómami tohto prvku.
A ako to bolo so zložitejšími atómami? Nuž, na prvý pohľad stačilo vyriešiť príslušnú Schrödingerovu rovnicu aj pre tieto atómy a porovnať výsledky s nameranými spektrami. Lenže také jednoduché to zas nebolo. Schrödingerovu rovnicu totiž nevieme presne vyriešiť pre viac ako jeden elektrón. Už pre atóm hélia s dvoma elektrónmi sa rovnica stáva príliš ťažkou a nedokážeme z nej vyžmýkať viac, než rôzne približné riešenia.
Našťastie sa však ukázalo, že „vodíkové stavy“ elektrónov celkom dobre opisujú aj viacelektrónové atómy a ich spektrá. (Poznámka pre znalcov: ak sa z týchto stavov vychádza pri hľadaní približných riešení Schrödingerovej rovnice s viacerými elektrónmi, korekcie vychádzajú rozumne malé.) Riešenie Schrödingerovej rovnice pre atóm vodíka teda dokázalo vysvetliť z hľadiska atómových spektier nielen tento atóm, ale do značnej miery celú Mendelejevovu tabuľku.
To bol celkom určite ohromujúci úspech, ale z hľadiska chémie to zas až také úžasné nebolo. Pre chémiu boli spektrá atómov oveľa menej zaujímavé ako ich chemické vlastnosti. Chemici chceli vysvetliť pomocou Schrödingerovej rovnice nielen spektrá, ale aj chemickú väzbu.
Lenže to vyžadovalo riešenie tejto rovnice pre minimálne dva atómy, a to bol znovu príliš ťažký problém, ktorého presné riešenie dodnes nepoznáme. Približné riešenie pre najjednoduchšiu možnú molekulu (znova išlo o vodík, ale tentoraz nie atóm, ale molekulu) síce ukázalo, že chemická väzba a jej vlastnosti naozaj vyplývajú zo Schrödingerovej rovnice, ale pre zložitejšie molekuly je táto rovnica priveľkým „sústom“ aj pre tie najmodernejšie počítače.
Ako je to teda s naším kvantovomechanickým porozumením chemickým vlastnostiam prvkov a ich schopnostiam vytvárať chemické väzby? Existuje nejaký most medzi viac-menej intuitívnym jazykom chemikov a prísnejším matematickým jazykom fyzikov? Áno, ten most existuje a jeho základy postavil už krátko po objave kvantovej mechaniky Linus Pauling (neskôr za to dostal prvú zo svojich dvoch Nobelových cien). Most sa stavia z dvoch strán, pričom chemická intuícia poskytuje fyzike návod, z čoho má vychádzať pri hľadaní približných riešení, a fyzikálna rigoróznosť poskytuje chémii jasnejšie pojmy a presnejší slovník.
Dnes existuje viacero takých mostov, pričom približne platí, že čím je most presnejší, tým menej je názorný. Pre niektorých ľudí je pre ich porozumenie chémii dôležitejšia názornosť než presnosť, pre iných je to práve naopak. Jedni aj druhí majú možnosť vybrať si most, ktorý im vyhovuje najviac, ale cesta po každom z týchto mostov je namáhavá a ani jeden z mostov nie je úplne uspokojivý, ani jeden neprináša úplné porozumenie chémii na základe kvantovej mechniky.
Kto teda rozumie naozaj poriadne Mendelejevovej tabuľke, chemickej väzbe, a teda najhlbším základom celej chémie? Nuž, úplne presne a bezo zvyšku tomu nerozumie nikto. Dosť presne tomu rozumejú tí, ktorí rozumejú kvantovej mechanike a rôznym približným metódam, ktoré sa v nej používajú.
Je takéto nedokonalé porozumenie veľa alebo málo? No, keď si uvedomíme, že chémia je základom biochémie, ktorá je základom fyziológie, ktorá je základom nás samotných, tak zase až tak málo to nie je.
Ako sa dá niečo pochopiť z knihy, ktorá sa takto začína, a potom rovnako pokračuje na ďalších dvesto stranách? Nijako. Takáto kniha môže slúžiť len ako pomôcka pre viac či menej úspešné predstieranie porozumenia.
Problém však nie je len v odpudzujúcich učebniciach. Nešťastný je už samotný štátny vzdelávací program (po starom: školské osnovy), ktorý je postavený na celkom pomýlenej koncepcii. Ústredným bodom tejto koncepcie sa stala – bez akéhokoľvek vlastného zavinenia – Mendelejevova tabuľka.
Táto tabuľka a jej kvantovomechanická podstata sú základom chémie ako vednej disciplíny. To však automaticky neznamená, že tieto veci majú byť aj základom chémie ako vyučovacieho predmetu. Názor, že štruktúra vzdelávacích programov jednotlivých predmetov má kopírovať štruktúru príslušných vied, je síce rozšírený, ale to mu na hlúposti nijako neuberá. Tento názor je v rozpore so základnými didaktickými pravdami, nerešpektuje prirodzené potreby detí ani stupeň ich mentálnej zrelosti, neberie do úvahy skutočnosť, že prílišné zjednodušenia často úplne vyprázdňujú obsah, a tak ďalej, a tak ďalej.
Nerozumne zostavený štátny vzdelávací program núti chemikárov učiť veci, ktoré ich študenti nemôžu pochopiť. Typickým príkladom sú takzvané atómové orbitaly. Pre chémiu ako vedu sú tieto pojmy z kvantovej mechaniky veľmi dôležité, pretože umožňujú naozaj hlboké porozumenie Mendelejevovej tabuľke a tým aj celej chémii. Ale na strednej škole to tak nie je. Tam orbitaly z ničoho nevyplývajú a nič nevyplýva z nich. Z pohľadu študenta sú to len divné pojmy, označované divnými písmenami (s, p, d, f, ...). A vysvetľujú trt makový, nie Mendelejevovu tabuľku.
No a čo presne vysvetľujú orbitaly na vedeckej úrovni? To je zaujímavá otázka, respektíve je to otázka so zaujímavou odpoveďou. Pretože ani na tejto úrovni nevysvetľujú orbitaly úplne všetko.
.chemici
Chémia je v podstate empirická veda o procesoch, v ktorých zmiešavaním nejakých látok vznikajú iné látky. Počas stáročí nazmiešavali toho alchymisti a chemici naozaj veľa a veľa sa toho naučili. Okrem všeličoho iného sa naučili aj to, že niektoré látky možno považovať za elementárne, zatiaľ čo iné látky sa z týchto elementárnych nejakým spôsobom skladajú.
Keď chemici spolu s fyzikmi po dlhom a namáhovom skúmaní zistili, že všetky látky sa skladajú z malinkých častíc, bolo im jasné, že zložené látky (zlúčeniny) vznikajú z elementárnych látok (prvkov) spájaním jednoduchších častí (atómov) do zložitejších celkov (molekúl). Celá chémia sa tak odrazu začala javiť ako akási stavebnica.
Spočiatku sa o tejto stavebnici veľa nevedelo, ale jedna jej pozoruhodná vlastnosť bola známa prakticky od začiatku. Obrovské množstvo chemických poznatkov, nazhromaždených najmä v 18. a 19. storočí, ponúkalo jednoduchý základný obraz tejto stavebnice, podľa ktorého sa dali atómy jednotlivých prvkov charakterizovať počtom akýchsi očiek alebo háčikov. Väčšina chemických zlúčenín vznikla tak, že do očiek určitých atómov sa zasunuli háčiky iných atómov, a to tak, aby nijaké očká ani háčiky nezostali nazvyš.
Nijaký čo len trochu príčetný chemik si pritom nepredstavoval, že by tie očká a háčiky naozaj existovali. Išlo len o akési podobenstvo, v ktorom bola jednoduchým spôsobom zašifrovaná chemická múdrosť niekoľkých storočí. Ako sa atómy spájajú v skutočnosti, t. j. aká je povaha chemickej väzby, o tom nevedeli chemici nejaký čas vôbec nič.
Keď fyzici objavili štruktúru atómov a zistili, že takmer všetok priestor v nich zaberajú elektróny, začali chemici rozmýšľať o chemickej väzbe v reči elektrónov. Najprv len prerozprávali alegóriu o očkách a háčikoch do elektrónovej reči, ale tým podstatu chemickej väzby nijako neobjasnili. Vznikol tým síce celkom nový jazyk, obsahujúci slovné spojenia ako valenčné elektróny alebo zaplnené vrstvy, ktorý pôsobil veľmi učeným dojmom, ale v skutočnosti nič nevysvetľoval. Stále to bolo len viac či menej triviálne prerozprávanie starých poznatkov do modernejšej reči.
.fyzici
Všetko sa zmenilo v momente, keď fyzici objavili kvantovú mechaniku. Vyriešením základnej rovnice tejto novej teórie pre atóm vodíka s jediným elektrónom zistili, v akých stavoch sa môže tento elektrón nachádzať. Tieto stavy sa dodnes označujú skupinou čísiel a písmen, medzi ktorými sú aj tie nešťastné s, p, d, f. Pomocou týchto stavov vedeli fyzici po prvý raz úplne pochopiť spektrum vodíka, t.j. typické vlnové dĺžky svetla, vyžarované atómami tohto prvku.
A ako to bolo so zložitejšími atómami? Nuž, na prvý pohľad stačilo vyriešiť príslušnú Schrödingerovu rovnicu aj pre tieto atómy a porovnať výsledky s nameranými spektrami. Lenže také jednoduché to zas nebolo. Schrödingerovu rovnicu totiž nevieme presne vyriešiť pre viac ako jeden elektrón. Už pre atóm hélia s dvoma elektrónmi sa rovnica stáva príliš ťažkou a nedokážeme z nej vyžmýkať viac, než rôzne približné riešenia.
Našťastie sa však ukázalo, že „vodíkové stavy“ elektrónov celkom dobre opisujú aj viacelektrónové atómy a ich spektrá. (Poznámka pre znalcov: ak sa z týchto stavov vychádza pri hľadaní približných riešení Schrödingerovej rovnice s viacerými elektrónmi, korekcie vychádzajú rozumne malé.) Riešenie Schrödingerovej rovnice pre atóm vodíka teda dokázalo vysvetliť z hľadiska atómových spektier nielen tento atóm, ale do značnej miery celú Mendelejevovu tabuľku.
To bol celkom určite ohromujúci úspech, ale z hľadiska chémie to zas až také úžasné nebolo. Pre chémiu boli spektrá atómov oveľa menej zaujímavé ako ich chemické vlastnosti. Chemici chceli vysvetliť pomocou Schrödingerovej rovnice nielen spektrá, ale aj chemickú väzbu.
Lenže to vyžadovalo riešenie tejto rovnice pre minimálne dva atómy, a to bol znovu príliš ťažký problém, ktorého presné riešenie dodnes nepoznáme. Približné riešenie pre najjednoduchšiu možnú molekulu (znova išlo o vodík, ale tentoraz nie atóm, ale molekulu) síce ukázalo, že chemická väzba a jej vlastnosti naozaj vyplývajú zo Schrödingerovej rovnice, ale pre zložitejšie molekuly je táto rovnica priveľkým „sústom“ aj pre tie najmodernejšie počítače.
Ako je to teda s naším kvantovomechanickým porozumením chemickým vlastnostiam prvkov a ich schopnostiam vytvárať chemické väzby? Existuje nejaký most medzi viac-menej intuitívnym jazykom chemikov a prísnejším matematickým jazykom fyzikov? Áno, ten most existuje a jeho základy postavil už krátko po objave kvantovej mechaniky Linus Pauling (neskôr za to dostal prvú zo svojich dvoch Nobelových cien). Most sa stavia z dvoch strán, pričom chemická intuícia poskytuje fyzike návod, z čoho má vychádzať pri hľadaní približných riešení, a fyzikálna rigoróznosť poskytuje chémii jasnejšie pojmy a presnejší slovník.
Dnes existuje viacero takých mostov, pričom približne platí, že čím je most presnejší, tým menej je názorný. Pre niektorých ľudí je pre ich porozumenie chémii dôležitejšia názornosť než presnosť, pre iných je to práve naopak. Jedni aj druhí majú možnosť vybrať si most, ktorý im vyhovuje najviac, ale cesta po každom z týchto mostov je namáhavá a ani jeden z mostov nie je úplne uspokojivý, ani jeden neprináša úplné porozumenie chémii na základe kvantovej mechniky.
Kto teda rozumie naozaj poriadne Mendelejevovej tabuľke, chemickej väzbe, a teda najhlbším základom celej chémie? Nuž, úplne presne a bezo zvyšku tomu nerozumie nikto. Dosť presne tomu rozumejú tí, ktorí rozumejú kvantovej mechanike a rôznym približným metódam, ktoré sa v nej používajú.
Je takéto nedokonalé porozumenie veľa alebo málo? No, keď si uvedomíme, že chémia je základom biochémie, ktorá je základom fyziológie, ktorá je základom nás samotných, tak zase až tak málo to nie je.
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.