Роль периодической системы Д.И. Менделеева в профессиональной подготовке учителей географии

Annotation: thearticlediscussestheoptionsforinclusioninthecontentofthetopics "AtomicStructure", "PeriodicSystem" and "ChemicalBonding" ofmaterialaimedatprovidinginterdisciplinarybondsofchemistryandgeography. Theinclusionofmaterialthatrevealstheroleoftheperiodicsysteminstudyingtheprocessesofaccumulation, distributionandformsofexistenceofchemicalelementsintheenvironment, contributestothefactthattheperiodicsystemforfutureteachersofgeographyfromanabstractenumerationofsymbolsandnamesofchemicalelementsinto a workingtooloftheirprofessionalactivities.

Keywords: periodicsystem, isomorphism, accumulation, distribution, interdisciplinaryconnections.

В процессе профессиональной подготовки студенты - будущие учителя географии, часто воспринимают химию как предмет естественнонаучного блока, имеющий вспомогательный характер и предназначенный лишь для дополнения профессиональных дисциплин [1]. При этом изучение таких тем, как «Строение атома», «Периодический закон», «Химическая связь» вообще не воспринимается студентами в качестве системы знаний, направленных на их профессиональную подготовку. Но это восприятие исчезает при раскрытии роли периодического закона и периодической системы как инструмента для анализа геохимических процессов и поведения химических элементов в окружающей среде и в живых организмах. При таком подходе химия выступает в качестве основы профессиональной подготовки учителя географии, а периодическая система становится опорой профессиональных знаний и навыков. периодическая система изоморфизм накопление

Очевидной роль периодической системы в экологии становится, если рядом с периодическим законом звучит основной геохимический закон В.М. Гольдшмидта:

- кларки элементов зависят от строения атомного ядра, а их миграция - от наружных электронов, определяющих химические свойства элементов [2].

Согласно этому закону, в качестве одного из ведущих внутренних факторов миграции химических элементов в окружающей среде выступает величина атомного и ионного радиуса. Например, необходимо объяснить студенту, почему в составе многих минералов, содержащих в своем составе натрий, в качестве другого элемента присутствует калий. Такое сочетание объясняется процессом формирования кристаллической структуры минерала, а в частности, явлением изоморфизма.

Изоморфизм - способность атома одного элемента замещать атом другого элемента в кристаллической решетке минерала. Возможность такого замещения определяется близостью ионных радиусов, общностью химических свойств и структуры образуемых кристаллических решеток [3]. Положение натрия и калия в периодической системе демонстрирует соблюдение всех перечисленных признаков, следовательно, натрий и калий - изоморфные элементы.

Но далее студенты должны объяснить другое явление, связанное с изоморфизмом. Между калием и натрием (электронными аналогами) проявляется ограниченный изоморфизм, то есть ионы могут замещать друг друга в кристаллической решетке не до бесконечности, а только до определенной степени замещения. Но существует еще большее количество минеральных форм, в которых натрию сопутствует кальций - элемент, отличный по свойствам. Кроме того, между натрием и кальцием изоморфизм неограниченный. Объяснение этого факта также дает нам периодическая система, из которой вытекает, что ионные радиусы натрия и кальция должны быть намного ближе друг к другу, чем для натрия и калия (правило диагональных рядов А.Е. Ферсмана), что делает возможность изоморфизма кальция по отношению к натрию большей, чем для калия.

В дальнейшем студенты могут самостоятельно предположить, возможен ли изоморфизм между двумя химическими элементами, расположенными в одной подгруппе периодической системы, но в отдалении друг от друга. Например, могут ли в состав одного минерала входить вместе натрий и рубидий? Если опираться на закономерности изменения свойств атомов элементов в периодической системе, то ответ - это мало вероятно. Ионный радиус рубидия намного выше ионного радиуса натрия, следовательно, изоморфизм не проявляется. Но при одновременном нахождении в системе одновременно натрия, калия и рубидия в определенных соотношениях в кристаллической структуре минерала может происходить замещение натрия изоморфным калием, а затем - замещение калия изоморфным ему рубидием. В итоге, в одном минерале при определенных химических условиях минералообразования могут одновременно существовать натрий и рубидий за счет явления опосредованного изоморфизма.

Способность элементов в природе образовывать самостоятельные минеральные формы и присутствовать в самородном состоянии также определяется атомным радиусом и распределением валентных электронов. Так, металлы с малым количеством валентных электронов (щелочные, щелочноземельные металлы), способные легко предоставлять свои электроны атомам других элементов, не могут существовать в природе в свободном состоянии. Атомы элементов с высокими значениями ионных радиусов (более 0,16 нм) образуют легко растворимые формы химических элементов, что связано с большой длиной и малой энергией связи в соединениях. Это же характерно для химических элементов с очень малыми значениями ковалентных радиусов. В итоге образуются миграционно способные формы химических элементов, не накапливающиеся в окружающей среде [4].

Положение элементов в периодической системе также помогает рассмотреть возможность миграции определенных форм химических элементов исходя из типа химической связи в образуемой молекуле. Например, атомы с резко различающимися значениями величин электроотрицательности будут связываться ионным типом связи, образуя миграционно подвижные формы веществ.

Периодическая таблица демонстрирует также распространение химических элементов в окружающей среде. Так, известно, что в окружающей среде наиболее распространены каждый шестой из нечетных и каждый шестой из четных элементов периодической системы. С увеличением порядкового номера элемента внутри группы возрастает его токсичность и уменьшается содержание в живом веществе [5].

Кроме того, понимание строения атома раскрывает перед географами закономерности процессов пространственного распределения химических элементов по оболочкам Земли. Для этого при изучении периодической системы необходимо рассматривать геохимическую классификацию химических элементов В.М. Гольдшмидта, которая на основе строения атома объясняет процессы первичной дифференциации химических элементов после их рождения в результате ядерного синтеза. Внутри нашей планеты (в Земном ядре) накапливаются сидерофильные элементы - железо и никель, характеризующиеся наличием на внешних оболочках ионов от 9 до 17 электронов и способностью образовывать самородные формы. Над ядром в мантии концентрируются халькофильные элементы, характеризующиеся наличием на внешних оболочках катионов 18 электронов, а также высоким сродством к сере. В литосфере распределяются литофильные элементы, характерным признаком которых является наличие: на внешней электронной оболочке их ионов 8 электронов. Стремление принять устойчивую конфигурацию (октет электронов) приводит к тому, что такие химические элементы не могут существовать в свободной форме и легко образуют кислородсодержащие минералы. Атмосферу планеты формируют атмофильные элементы, атомы или ионы которых характеризуются наличием на внешнем слое 2 или 8 электронов. К ним, в том числе, относятся инертные газы, к электронному состоянию которых стремится атом любого химического элемента при образовании химической связи.

Включение всех рассмотренных примеров в процесс изучения тем «Строение атома», «Периодический закон» и «Химическая связь» приводит к тому, что периодическая система превращается для будущих учителей географии из абстрактного перечисления символов и названий химических элементов в рабочий инструмент их профессиональной деятельности. При последовательном анализе она рисует логичную картину взаимодействия химических элементов между собой, приводящего к формированию химического состава окружающей среды, накопления химических элементов, в том числе, живым веществом, а также объясняет географические аспекты пространственного распределения химических элементов по оболочкам Земли.