УДК 378.371.4 В.А.Венгражановський, М.О.Пастушак

Хмельницький національний університет, Україна

Стан, роль і місце органічної хімії в сучасній хімічній освіті

Курс органічної хімії є фундаментальною дисципліною і входить до числа обов'язкових предметів навчального плану. На ньому базується цілий комплекс дисциплін таких як фізико-хімія високомолекулярних сполук, хімія поверхневих явищ, хімічна технологія опоряджувальних матеріалів, хімічна технологія волокнистих матеріалів, очистка стічних вод, екологія та ін.

Роль органічної хімії в комплексі хімічних дисциплін, які дають змогу підготувати фахівця–інженера–хіміка високої кваліфікації, надзвичайно велика. В сучасну органічну хімію введені квантово–хімічні уявлення про хімічний зв’язок, будову і реакційну здатність органічних сполук, впроваджено фізичні методи дослідження речовин. Органічна хімія з науки описової перетворилася в точну науку з широким застосуванням фізичних і математичних методів визначення і розрахунків хімічних процесів органічних реакцій.

Для органічної хімії властиві свої специфічні шляхи мислення і експерименту. Органічні сполуки характеризуються різновидністю фізичних і хімічних властивостей. У властивостях органічних сполук проявляються особливі хімічні явища, які залежать від природи радикалів і функціональних груп; для них характерні явища ізомерії, таутомерії, гомології, побудови ланцюгів і циклічних сполук з однакових атомів, явище взаємного впливу атомів і груп атомів у молекулах.

У системі хімічних наук органічна хімія займає цілком визначне і самостійне положення. Разом з тим вона знаходиться у взаємозв’язку з іншими, в тому числі і нехімічними, науками. Безпосередній зв’язок існує між органічною хімією і біохімією – наукою про процеси в живих організмах, у яких у кожний момент і протягом тривалого періоду проходять складні хімічні реакції. Близько до органічної хімії стоять такі науки як фармакологія, хімія білка, вуглеводів, елементорганічних сполук, високомолекулярних сполук, барвників та ін.. Ці науки до недавнього часу були розділами органічної хімії, а тепер виділились у самостійні дисципліни, вивчення яких неможливе без органічної хімії. Між органічною хімією та іншими хімічними науками не існує різких границь. Варто відзначити, що в багатьох випадках наукові досягнення в суміжних областях наук приводять до відкриття нових теоретичних і практично важливих явищ, до появи нових напрямків і виділення нових самостійних наук. При цьому важливо відзначити, що хіміки – органіки створюють нові речовини, дослідженнями яких займаються аналітики, фізико–хіміки, фармацевти, фізіологи, аграрії, та ін. І важливо, що синтезуються не тільки нові представники відомих класів, але й з’являються цілком нові, досі невідомі типи сполук. Сучасна органічна хімія широко використовує теоретичні уявлення, інструментальні методи, кінетичні вимірювання і квантово–хімічні розрахунки. Усе це задає викладачам органічної хімії надзвичайно складну задачу: як відібрати матеріал і вкласти його в рамки програм і навчальних годин.

У зв’язку з цим постає проблема підручника. Класичні підручники минулих років не розкривають вище перелічених проблем. І хоча зрозуміло, що викладати органічну хімію за старим трафаретом уже не можна, а ось як викладати по–новому – у кожного сучасного національного і зарубіжного автора своє бачення.

При всій різноманітності в побудові і відборі матеріалу вимальовується загальна тенденція до скорочення описового матеріалу і збільшення теоретичних узагальнень.

Протягом тривалого часу матеріал органічної хімії в підручниках і лекційних курсах групувався найчастіше в відповідності до будови карбонового скелету: послідовно розглядались насичені вуглеводні і їх похідні, потім ненасичені вуглеводні і їх похідні; ароматичні, аліциклічні і гетероциклічні сполуки. В останній час частіше стали групувати матеріал за функціональною ознакою, тобто розглядати вуглеводні всіх гомологічних рядів, потім – всі галогено–, оксигено–, нітрогенопохідні і т.д. незалежно від будови скелету.

Функціональна група, як правило, є реакційним центром молекули, а тому виражає її «обличчя». Систематизація за функціональною ознакою дозволяє запобігти від повторень і тим самим більш компактно викладати матеріал. Хоча в цьому випадку доводиться не однократно повертатись до властивостей одного і того ж карбонового скелету, зв’язаного з різними функціональними групами, до впливу скелету на властивості функцій. Крім того, вивчаючи властивості вуглеводнів, доводиться неминуче розглядати їх реакції, що приводять до функціональних похідних, описуючи і властивості останніх, – а потім знову звертатись до них більш детально в відповідних розділах. Таким чином групування за функціональними групами більш раціональне, тому що дозволяє більш компактно викладати матеріал.

Перші розділи курсу недоцільно перевантажувати фактичним матеріалом, але й не можна робити тільки теоретичні викладки, не посилаючись на структури певних класів речовин. Студент розпорошить, розгубить ці теоретичні викладки поки дійде до вивчення конкретного розділу курсу. Шляхом співставлення і введення фундаментальних теоретичних уявлень у застосуванні до найпростіших молекул він повинен готуватись до розуміння більш складних розділів. Тоді, вивчаючи властивості складних речовин, не доведеться відволікатися на засвоєння загальнотеоретичних уявлень.

Без сумніву в лекціях органічної хімії не може бути висвітлений весь програмний матеріал курсу. Лектор підіймає найбільш важливі, вузлові, а також складні та важкодоступні для сприйняття студентів, питання. Частина матеріалу дається на самостійну проробку, частина розглядається коротко, поверхнево. Такі скорочення можна зробити перш за все за рахунок історичних екскурсів.

Значний виграш у часі лектор отримує, коли не розглядає спеціально методи одержання окремих класів органічних сполук, тому що вони висвітлюються при вивченні хімічних властивостей інших сполук. Так, одержання амідів карбонових кислот розглядається при вивченні властивостей амонійних солей, хлорангідридів, ангідридів, естерів, бекманівського перегрупування оксимів альдегідів та кетонів, та не повного гідролізу нітрилів кислот. Приступаючи до розгляду амідів, достатньо нагадати студентам про ці відомі вже їм реакції.

Невід’ємною складовою частиною лекційного курсу є розгляд фізико–хімічних характеристик окремих класів сполук, який дається після короткого роз’яснення суті відповідного методу. Так, поряд з хімічними властивостями окремих класів сполук даються їх спектральні характеристики, що підкреслюють важливість спектральних методів як засобу ідентифікації речовин. Студент тільки тоді усвідомить необхідність і важливість спектральних методів для сучасної органічної хімії, коли буде постійно зустрічатись з ними в лекційному курсі і в практикумі.

Для полегшення засвоєння матеріалу курсу органічної хімії його варто будувати на загальноприйнятих ідеях і уявленнях таких, наприклад, як: делокалізація зарядів і неспарених електронів у проміжних частинках як фактор, що визначає перебіг багатьох реакцій; вплив неподілених електронних пар нітрогену, оксисену, сульфуру, галогенів на властивості відповідних органічних сполук; здатність до взаємодії в різних таутомерних формах; індукційний та мезомерний ефекти.

Однією з проблем курсу органічної хімії є збереження рівноваги між теоретичним і фактичним матеріалом, оновлення відомостей про органічні речовини та їх реакції, а також усунення застарілого матеріалу, який традиційно переходить із програми в програму. Наприклад, чи є потреба детально розглядати реакцію В’юрца і Вюрца–Фіттіга та їх механізми, коли нині вони не актуальні, чи, наприклад, синтез гліцерину за Вільямсом. Подібних прикладів можна навести чимало.

У викладанні органічної хімії гостро стоїть питання про більш компактну подачу всезростаючого об’єму знань про органічні сполуки. У сучасних підручниках намає можливості детально розглядати окремі сполуки. Тому частіше всього ведеться ознайомлення з класом сполук. Одначе і число класів сполук, і різновидність функціональних груп нині настільки великі, що їх неможливо розглянути повністю. Як вихід з цього положення пропонується сумісний розгляд споріднених функцій [1]. Так, функціональні групи можна поділити на насичені і ненасичені; на ті, що переважають за своєю електронегативністю карбон і ті, що поступаються електронегативністю; на ті, що містять активний гідроген і не містять його.

Практикум з органічної хімії розпочинається разом з лекційним курсом, що дозволяє з самого початку вивчення предмета налаштувати студентів на серйозне і відповідальне відношення до його сприйняття і засвоєння. При цьому знання, отримані на лекціях і семінарах, сприяють підготовці та здачі відповідних тем і розділів і, врешті, одержанню рейтингової оцінки. Враховуючи важливість дисципліни ще донедавна органічну хімію вивчали протягом трьох семестрів і загальне тижневе навантаження складало 17 годин (7 лекційних, 10 лабораторно-практичних занять). За цим навчальним планом практикум проводився впродовж трьох семестрів, що дозволяло в ІІІ–му семестрі оволодіти методикою розрахунку синтезу і розпочати практикум з органічного синтезу. В цьому ж семестрі студенти засвоювали теорію техніки лабораторних робіт по навчальному посібнику під редакцією П.І.Воскресенського. У наступних семестрах проводився практикум з органічного синтезу. Лабораторні роботи для кожного студента підбирались таким чином, щоб до завершення лабораторного практикуму студент засвоїв основні методи роботи в лабораторії органічної хімії та основні методи синтезу органічних сполук. Для студентів, які претендували на найвищу оцінку, в програму практикуму входила робота в бібліотеці. При цьому студент здійснював пошук інформації про синтез і властивості певних органічних сполук по довіднику Бейльштейна і реферативних журналах. За час відведений на практикум студенти виконували по 12–14 синтезів.

У відповідності до діючого навчального плану, затвердженого міністерством освіти і науки України для студентів напрямку “Хімічна технологія та інженерія” курс органічної хімії вивчається тільки в ІІІ семестрі. На нього відводиться 108 годин аудиторних занять, з них 36 годин на лекції і 72 годин на лабораторний практикум. За таких обставин практикум будується наступним чином. На початку семестру студенти опановують теорію і практику методів роботи в лабораторії органічної хімії у скороченому варіанті. Далі проводяться лабораторні роботи з малого практикуму з органічної хімії напівмікрометодом. Розглядається одержання і хімічні властивості основних класів органічних сполук. На завершення практикуму кожен студент на основі розрахунків виконує по одному синтезу. Без сумніву тільки в лабораторному практикумі з органічної хімії студент може набути навичок роботи з синтезу речовин, освоїти прийоми роботи. Де як не в органічному синтезі студенти знайомляться з хімічним посудом, лабораторним інструментарієм, роботою з пробками і шліфами, монтажем лабораторних установок, нагріванням і нагрівальними приладами, прожарюванням, вимірюванням температури кипіння і плавлення та необхідними для цього приладами, подрібненням і змішуванням, способами фільтрування і фільтруючими матеріалами, методами дистиляції, сублімації, кристалізації, екстракції, визначенням фізико-хімічних констант, ідентифікації речовин та багато іншого, конче потрібного хіміку.

Діюча постановка практикуму з курсу органічної хімії є оптимальною, проте недостатня кількість годин, виділених навчальним планом, не дозволяє студентам набути належних навиків хімічного експерименту та розрахунку матеріального балансу реакцій.

Об’єктивною оцінкою важливості курсу “Органічна хімія” є інтерес до нього в світовій науці. Таким критерієм є публікації в науковій літературі. Реферативний журнал “Хімія”, який публіковував біля 200 тисяч рефератів щорічно в 1300 основних журналів і 12 тисячах суміжних журналів всього світу, має 20 тематичних розділів. Наведемо, для прикладу, кількість рефератів у ньому за половину січня 1990 року.

Шифр	Назва тематичного випуску	Кількість рефератів
АБ-1	Общие вопросы химии. Физическая химия (строение молекул)	101
Б-2	Физическая химия. (Кристаллохимия. Химия твердого тела, газы, жидкости. Аморфные тела. Поверхностные явления. Химия коллоидов)	386
Б-3	Физическая химия (Химическая термодинамика, физико-химический анализ. Растворы. Электрохимия)	249
Б-4	Физическая химия (Кинетика. Катализ. Фотохимия. Радиационная химия. Плазмохимия)	429
В	Неорганическая химия. Комплексные соединения. Радиохимия	310
ГД	Аналитическая химия. Оборудование лабораторий	321
Ж	Органическая химия	472
Е	Биоорганическая химия (Низкомолекулярные соединения и их синтетические аналоги)	211
И	Общие вопросы химической технологии	527
Л	Технология неорганических веществ и продуктов. Производство удобрений	400
М	Технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов	320
Н	Технология органических веществ	191
О	Технология органических лекарственных веществ, ветеринарных препаратов, пестицидов.	358
П	Химия и переработка горючих ископаемых и природных газов.	186
Р-1	Химия и технология пищевых продуктов	177
Р-2	Технология производства продуктов бытовой химии	66
С	Химия высокомолекулярных соединений	573
Т	Технология полимерных материалов (Пластмассы. Ионообменные материалы)	219
У	Технолия полимерных материалов (Резина. Лакокрасочные материалы и органические покрытия. Вспомагательные материалы для производства полимеров и изделий из них)	174
Ф	Технология полимерных материалов (Природные высокомолекулярные соединения. Химия и переработка древесины. Химические волокна. Текстильные материалы. Кожа. Мех.	202

З наведених даних видно, що органічна хімія (надруковано курсивом) є фундаментом для цілої низки хімічних дисциплін, які зібрані в 11 розділах. У них публікується половина знань, які об’єднує хімія як наука. Знання цього предмету є підгрунтям для забезпечення засвоєння подальших курсів: хімія барвників, матеріалознавство, фізико-хімія полімерів, хімічна технологія волокнистих матеріалів, загальна хімічна технологія, виконання курсових і дипломних робіт. Всебічне застосування органічних сполук має виключно важливе значення в життєдіяльності людини. Органічні сполуки складають основу багатьох галузей сучасної хімічної промисловості.

Особлива роль в організації навчального процесу в вузах відводиться навчальним планам і програмам. В останньому десятилітті статус національного університету отримали бувші державні університети та ряд політехнічних, технологічних, технічних, педагогічних та профільних інститутів різного підпорядкування. Без сумніву, найвищому статусу освіти повинен відповідати найвищий рівень підготовки фахівців. Аналіз навчальних планів ряду вузів цієї категорії показує загальну тенденцію до зменшення годин на дисципліни фундаментального циклу [2]. За кордоном же рівень фундаментальної підготовки визначає престижність навчального закладу і рівень підготовки спеціалістів. Хоча і в нас деякі державні університети і політехнічні інститути зуміли затвердити навчальні плани зі значно вищою кількістю годин фундаментальної підготовки ніж у інших вузах. Відрізняються і навчальні програми з фундаментальних дисциплін нинішніх національних університетів. Існуюча практика розробки навчальних планів привела до того що на вивчення органічної хімії за напрямком “Хімічна технологія та інженерія” виділяється аудиторного часу лише на одну годину в тиждень більше ніж за напрямком “Легка промисловість” для нехімічних спеціальностей. І це при тому, що скорочення навчального навантаження на фундаментальні дисципліни торкнулось і останніх.

Вважаємо доцільним методичному кабінету Міністерства освіти і науки України розробити єдині навчальні плани за напрямками підготовки для державних і національних університетів з посиленою фундаментальною підготовкою, що дозволить підвищити якість навчального процесу і дасть можливість представити рівні вимоги до підготовки фахівців, полегшити переводи на відповідні напрямки освіти з одного вузу в інший та розширити області працевлаштування спеціалістів.

Література

1. Потапов В.М., Шабаров Ю.С. Ж. Всес. хим. о–ва им Д.И.Менделеева, 1981.-т.26.-№2–168с.

2. Венгражановський В.А., Пастушак М.О. Роль фудаментальної освіти в підготовці інженерних кадрів // Материали за ІV международна научна конференция, 17–25 ноември 2008г.-т.7- София “Бял Град–Б.Г.” ООД 2008.-с.28-33.