קישור כימי ומבנה חומרים הם נושאים מרכזיים בהוראת הכימיה. הבנת נושאים אלו חיונית להבנתם של נושאים רבים בכימיה. ממחקרים רבים בארץ ובעולם מסתבר שקיימים קשיי למידה רבים הקשורים בנושא זה. בישראל, במחלקה להוראת המדעים של מכון ויצמן למדע ובמרכז הארצי למורי הכימיה, נערכו מחקרים העוסקים בטעויות המשגה ובקשיי למידה. במסגרת מחקרים אלה נותחו קשיי הלמידה וטעויות ההמשגה בבחינות הבגרות. מדי שנה נערך ניתוח בחינת הבגרות בכימיה. במהלך 15 השנים האחרונות נאספו ראיות רבות על קשיי למידה של תלמידים באמצעות ניתוחי בחינת הבגרות בכימיה. הראיות וניתוחי בחינות הבגרות חשפו טעויות המשגה חמורות בנושא מבנה וקישור כימי. מסתבר, שעל אף המאמצים להביא לידיעת המערכת (מורים, כותבי תוכניות לימודים וחוקרים בהוראת המדעים) על קיומה של בעיה קשה באשר להבנת מושגי המפתח בנושא זה, וחרף הניסיונות לפתור בעיות אלו, הטעויות חוזרות על עצמן מדי שנה ולעיתים אף מחריפות. מסתבר כי במקרים רבים תלמידים משתמשים במושגי מפתח רלוונטיים, ומפגינים ידע הצהרתי נכון, אולם בראיון אישי נחשפים קשיי הבנה עמוקים.
הקשיים העיקריים שאותרו במחקרים הם אלה:
א. קושי באבחנה בין תכונות של חומר ותכונות המיוחסות לחלקיק בודד.
ב. קושי בהבנה שחומר מורכב מִצֶבֶר של חלקיקים.
ג. קושי בהתמודדות עם שלוש רמות החשיבה הדרושות להבנת מבנה החומר: סמל, מאקרו ומיקרו.
ד. קשיים בקביעת סוג החלקיקים המרכיבים את החומר וסוג הכוחות הפועלים בין חלקיקים אלה.
ה. קשיים בקביעת סוג החומר ובהבנת הקשר בין מבנה החומר לבין תכונותיו.
הבעיה של הבנת הקישור הכימי היא בעיה אוניברסלית. למשל:
Gabel, D. (1996, July). The complexity of chemistry: Research for teaching in the 21st century. Paper presented at the 14th International Conference on Chemical Education, Brisbane, Australia.
Taber, K., & Coll, R. (2002). Bonding. In J. K. Gilbert, O. D. Jong, R. Justy, D. F., Treagust, & J. H. Van Driel (Eds.), Chemical education: Towards research-based practice (pp. 213-234). Dordrecht: Kluwer.
מוצגות להלן שמונה קטגוריות המתארות את הטעויות הנפוצות של התלמידים. כל קטגוריה מלווה בציטטות של תלמידים מבחינות בגרות משנים שונות כדוגמאות לקטגוריה.
קטגוריות המתארות את הטעויות הנפוצות של התלמידים
| הקטגוריה | דוגמאות |
|---|---|
| 1. תלמידים נוטים להתייחס לחלקיק בודד כאל חומר, ולהפך. | "מולקולה עם קשרי מימן תהיה נוזלית" (2001)."נתרן כלורי מורכב משני יונים" (1999). |
| 2. תלמידים נוטים לבלבל קשרים קוולנטיים תוך-מולקולריים עם כוחות בין-מולקולריים. | "חומר מולקולרי הוא בעל טמפרטורת היתוך נמוכה בגלל שהקישור בין האטומים חלש" (2002). "יוד הוא מוצק כיוון שהקשרים הקוולנטיים בין האטומים במולקולה חזקים מאוד" (1996)."טמפרטורת הרתיחה של ליתיום כלורי גבוהה מזו של מימן כלורי, כיוון שקשרים יוניים חזקים יותר מקשרים קוולנטיים" (2003). |
| 3. תלמידים נוטים לייחס לתרכובות את תכונות היסודות שמהם הן מורכבות. | " CH3CH2CH2F היא תרכובת גזית כיוון שהיא מורכבת מפלואור שהוא יסוד גזי" (2001)." CH4 אינו מוליך חשמל כיוון שהוא מורכב משני היסודות מימן ופחמן שאינם מוליכים חשמל" (20033). |
| 4. תלמידים נוטים לבלבל חומרים יוניים עם חומרים מולקולריים. | "הכוחות הבין-מולקולריים שבין מולקולות הנתרן כלורי חזקים יותר מהכוחות הפועלים בין מולקולות האשלגן היודי" (1998)."מגנזיום חמצני היא מולקולה קוטבית ולכן הכוחות המשיכה האלקטרוסטטיים בין המולקולות חזקים יותר" (2001, 2003). |
| 5. תלמידים מתקשים להבין את סוג החלקיקים בתמיסות מימיות. | "קשרי ון- דר- ואלס אינם מתמוססים במים" (1998)."בתמיסה מימית רובידיום כלורי מתפרק ליונים. לכן, ישנם אלקטרונים חופשיים כך שהתמיסה מוליכה חשמל" (1992). |
| 6. תלמידים נוטים לבלבל נוזל עם תמיסה מימית, תהליך היתוך עם תהליך מסיסות במים. | "CH3CH2CH2NH2 הוא נוזלי כיוון שקשרי המימן מאפשרים לו להתמוסס במים. לכן הוא נוזל בטמפרטורת החדר" (2001)."ליתיום כלורי נוזלי מוליך חשמל כיוון שהיונים ניידים בתמיסה המימית" (2003). |
| 7. תלמידים מתקשים בהבנת המושגים: אלקטרושליליות, זיקה אלקטרונית, אנרגיית יינון וקוטביות, ונוטים לבלבל ביניהם. | "תרכובת יונית בעלת אלקטרושליליות גבוהה היא בעלת טמפרטורת רתיחה גבוהה יותר" (1998)."מימן פלואורי יותר אלקטרושלילי מאמוניה" (2003). |
| 8. תלמידים נוטים להשתמש בסיסמאות, הצהרות, והכללות-יתר (במקום בהסברים ברמה מיקרוסקופית). | "פחמן דו-חמצני הוא גז כיוון שהוא חומר מולקולרי" (2002)."תרכובות קוטביות מתמוססות בממסים קוטביים" (1998)."זוהי תרכובת יונית- לכן היא מוליכה חשמל במצב צבירה נוזלי" (2003). |
