Transcript چالش ها و چشم اندازها در فرايند ياددهي - يادگيري تعادل هاي شيميايي دكتر عابد بدريان عضو هيئت علمي پژوهشگاه مطالعات آموزش و پرورش E- mail: [email protected]

‫چالش‌ها و چشم‌اندازها در فرايند ياددهي‪-‬‬
‫يادگيري تعادل‌هاي شيميايي‬
‫دكتر عابد بدريان‬
‫عضو هيئت علمي پژوهشگاه مطالعات آموزش و پرورش‬
‫‪E- mail: [email protected]‬‬
‫نكاتي در رابطه با تعادلهاي شيميايي‬
‫‪ ‬تعادل شیمیایی برای آشنایی دانش آموزان با سایر مفاهیم شیمی از‬
‫جمله هیدروليز‪ ،‬عملکرد اسیدها و بازها‪ ،‬واکنشهای اکسایش‪ -‬کاهش‬
‫و محلولها خیلی ضروری است و تسلط بر مفهوم تعادل شیمیایی‪،‬‬
‫تسلط بر سایر مفاهیم شیمی را تسهیل می کند‪.‬‬
‫‪ ‬پیدایش نظریه‌های حاکم بر تعادل شیمیایی به سالهای ‪ 1860‬و‬
‫فعالیتهای وانت هوف‪ ،‬گیبس‪ ،‬لوشاتلیه و دیگران در زمینه واکنشهای‬
‫ناکامل و برگشت پذیر بر می‌گردد‪.‬‬
‫‪ ‬طرح بحث تعادل های شیمیایی در کتابهای درس ی مدارس به سالهای‬
‫‪ 1960‬بر می گردد‪.‬‬
‫چالش‌هاي موجود در ياددهي‪ -‬يادگيري تعادل‌هاي شيميايي‬
‫‪ ‬بررس يها نشان داده است كه بخش اعظم دبيران شيمي‪ ،‬تدريس‬
‫تعادل شیمیایی را مشكل دانسته‌اند‪ .‬بحث تعادل شیمایی که آمیخته‬
‫ای از مباحث سینتیکی‪ ،‬ترمودینامیکی و ریاض ی است‪ ،‬از مباحث انتزاعی‬
‫شیمی فيزیک محسوب می‌شود که مشکالتی را در فرایند یاددهی‪-‬‬
‫یادگيری آن در سه بعد تفكر ماكروسكوپي‪ ،‬مولكولي و نمادي ایجاد‬
‫کرده است‪.‬‬
‫مولكولي‬
‫نمادي‬
‫ماكروسكوپي‬
‫ديدگاههاي سينتيكي در تعادل‌هاي شيميايي‬
‫‪ ‬از دید دددگاه سد ددینتیکی‪ ،‬ب د درای ممد ددال در تجیید دده آمد ددونیم کلرید ددد بد دده آمونی د داک و‬
‫هید دددروین کلرید ددد‪ ،‬اج د دیای واکد ددنش از ید ددک اند ددریی جن د د ی نس د د ی برخد ددوردار‬
‫هس د ند و در دمددا و فشددار اابددت‪ ،‬بددر ااددر برخوردهددای موجددود بددين مولکوله دا‪،‬‬
‫هددم فرایندتشددکیل پیونددد و هددم شکسددتن پیونددد بدده جددور هددم زمددان انجدام مددی‬
‫گيددرد و شددرق بری دراری تعددادل‪ ،‬برابددر بددودن تعددداد پیوندددهای تشددکیل ش دده و‬
‫شکسته شده است‪.‬‬
‫‪ ‬همچنين دو واکنش رفت و برگشت با سرعت های یکسانی پیش می‌رو‌ند‪.‬‬
‫ديدگاههاي ترموديناميكي در تعادل‌هاي شيميايي‬
‫‪ ‬از دیدگاه ترمودینامیکی‪ ،‬شرایط حاکم بر تعادل از یانون دوم‬
‫ترمودینامیک پيروی می‌کند‪ .‬یعنی در حالت تعادل‪ ،‬انتروپی سیستم به‬
‫حداکثر مقدار خود رسیده و انریی آزاد گی س نيز به حدایل مقدار‬
‫خود (صفر) می رسد‪.‬‬
‫‪ ‬براي بررس ي تغييرات دما و تااير آن بر وضعيت تعادل‪ ،‬از یوانين‬
‫ترموديناميك و متغيرهايي نظير آنتالپي‪ ،‬انتروپي و انریي آزاد گي س‬
‫استفاده ميشود‪.‬‬
‫‪∆G =∆H- T∆S‬‬
‫اصل محوري در پيش‌بيني وضعيت تعادل‌هاي شيميايي‬
‫‪ ‬در بررس ی تغیرات غلظت و جرم فعال و حجم مواد شرکت کننده در‬
‫واکنش تعادلی از دیدگاههای سینتیکی و در بررس ی تاثیر دما‪ ،‬ثابت تعادل و‬
‫میزان پیشرفت واکنش از دیدگاههای ترمودینامیکی استفاده می شود‪.‬‬
‫‪ ‬آنچه که در بحث تعادل در دوره پیش دانشگاهی بیش از هر موضوعی‬
‫شناخته شده است‪ ،‬اصل لوشاتلیه است که به صورت فرمت ساده‬
‫شده‌ای برای پیش بینی تغییرات یک واکنش تعادلی استفاده می شود‪.‬‬
‫‪ ‬اصل لوشاتلیه در شرایط استاندارد و برای گازهای با فشار کم و‬
‫محلولهای بسیار رقیق صادق است‪.‬‬
‫تعريف‌هاي مختلف اصل لوشاتليه‬
‫‪ ‬تعریف معمول اصل لوشاتلیه‪ :‬اگر بر یک سیستم در حال تعادل تغییری‬
‫تحمیل شود‪ ،‬تعادل در جتهی جابجا می شود که تغییر تحمیل شده ‌را‬
‫تعدیل نماید‪.‬‬
‫‪ ‬تعریف ترمودینامیکی اصل لوشاتلیه‪ :‬هنگام تحمیل تغییری بر یک‬
‫سیستم تعادلی‪ ،‬تعادل در جتهی جابجا می شود که آنتروپی آن بیشتر است‬
‫و در سمت دیگر به طرفی پیش مي‌رود که آنتالپی آن کم است و این دو اثر‬
‫یکدیگر را خنثی کرده و به برقراری مجدد تعادل کمک می‌کنند‪.‬‬
‫تعريف‌هاي ساده شده اصل لوشاتليه‬
‫‪ ‬افزایش غلظت یکی از مواد شرکت کننده در تعادل‪ ،‬منجر به کاهش‬
‫متعاقب غلظت (یا فشار جزئی) آن ماده می شود و برعکس (فقط در‬
‫سیستمهای همگن جواب می‌دهد)‪.‬‬
‫‪ ‬اگر حجم سیستم تعادلی افزایش یابد‪ ،‬واکنش منجر به افزایش تعداد‬
‫برعکس‬
‫مولهای طرفی از تعادل می شود که تعداد مولهای بیشتری دارد و ‌‬
‫(این تلقی را دارد که در سیستم های با تعداد مولهای برابر‪ ،‬تغییری‬
‫صورت نمی‌گیرد)‪.‬‬
‫‪ ‬کاهش دمای سیستم تعادلی‪ ،‬به نفع واکنش گرماده است و افزایش دما‬
‫به نفع واکنش گرماگیر است‪.‬‬
‫اهداف دنبال شده در آموزش تعادل‌ شيميايي در مدارس‬
‫‪.1‬‬
‫‪.2‬‬
‫‪.3‬‬
‫‪.4‬‬
‫واكنشهاي كامل و برگشتپذير را تشخيص دهد و براي هر كدام مثالي‬
‫بزند؛ جهت يك واكنش تعادلي را پس از اعمال تغيیري در يكي از اجزاي‬
‫سيستم تعادلي به كمك اصل لوشاتليه معین كند‪.‬‬
‫با كاربردهاي عملي اصل لوشاتليه و پيشبيني جهت جابجايي واكنش و‬
‫محاسبات مربوط به تغيیر غلظت آشنا شود‪.‬‬
‫رابطه ثابت تعادل را براي هر واكنش تعادلي بنويسد؛ با استفاده از ثابت‬
‫تعادل غلظت واكنش دهندهها و فراوردهها را محاسبه كند‪.‬‬
‫با برخي از كاربردهاي عملي ثابت تعادل و اثر كاتالیزگر در يك واكنش تعادلي‬
‫آشنا شود‪.‬‬
‫مشكالت ياددهي‪ -‬يادگیري تعادل‌هاي شيميايي‬
‫‪ ‬در محاسبات مربوط به تغيیرات غلظت اجزاي تعادل‪،‬‬
‫دانش‌آموزان در كاربرد مول و غلظت (مول بر لیتر) دچار سر‬
‫درگمی می شوند‪:‬‬
‫‪ ‬زمانی که از حجم استفاده می کنند با نا اطمینانی آنرا بیان‬
‫می کنند و در غلظت واکنش دهنده و محصول از نسبت های‬
‫مولی استفاده می کنند و حتی زمانی که مقدار مولی یکی از آنها‬
‫زیاد است مقدار موالر آنها را مساوی فرض می کنند‪.‬‬
‫مشكالت ياددهي‪ -‬يادگیري تعادل‌هاي شيميايي‬
‫‪ ‬دانش‌آموزان با تولید فلزات و ناپدید شدن در يك سيستم تعادلي‪ ،‬دچاار‬
‫ت ااوهم و تص ااور غل ااط م اای ش ااوند و ف اارض می‌کنن ااد ک ااه غلظ اات م ااواد ب ااه‬
‫هنگام تعادل دچار نوسان می‌شود و غلظت آنها تغییر می کند‪.‬‬
‫‪ ‬در ي ااك واک اانش برگش اات پ ااذیر ک ااه در ح ااال تکمی اال ش اادن اس اات‪ ،‬قب اال از‬
‫اینکا ااه واکا اانش برگشا اات شا اارول شا ااود واکا اانش رفا اات بایا ااد کاما اال شا ااود و‬
‫افزودن واکنش دهنده دیگر تنها غلظت محصول را تغییر می‌دهد‪.‬‬
‫بررس ی كج‌فهمي‌هاي رايج درتعادل‌هاي شيميايي‬
‫‪‬‬
‫نمی توان مقدار یک ماده جامد را در یک واکنش تعادلی تغییر داد‪.‬‬
‫غلظت تمام مواد شرکت کننده در یک واکنش‪ ،‬در حالت تعادل برابر و یکسان‬
‫است‪.‬‬
‫مقادیر بزرک ثابت تعادل نشان می دهد که واکنش بسیار سریع انجام شده است‬
‫(دانش آموزان بین سرعت یک واکنش و گسترش واکنش تعادلی تمایز قایل نیستند)‪.‬‬
‫افزایش دمای يك واکنش گرماده‪ ،‬سرعت واکنش رفت را کاهش می‌دهد‪.‬‬
‫‪‬‬
‫برای پیش بینی ثابت تعادل ميتوان از اصل لوشاتليه استفاده کرد‪.‬‬
‫به هنگام تركيب واكنشدهندهها‪ ،‬سرعت واکنش رفت افزایش می یابد تا اینکه‬
‫واكنش به حالت تعادل برسد‪.‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫ادامه‬
‫‪ ‬آیا دو واکنش رفت و برگشت میتوانند هم زمان انجام گیرند یا اینکه‬
‫اول واکنش رفت و بعد واکنش برگشت انجام می‌گیرد‪.‬‬
‫‪ ‬در حالت تعادل بین غلظت واکنش دهنده ها و محصوالت یک رابطه‬
‫ساده وجود دارد‪( .‬برای مثال‪ ،‬غلظت واکنش دهنده ها مساوی غلظت‬
‫محصول است)‪.‬‬
‫‪ ‬زمانی که سیستم به حالت تعادل می رسد و شرایط تغییر می کند‬
‫سرعت واکنش رفت افزایش می یابد اما سرعت و مقدار واکنش‬
‫برگشت کاهش می یابد‪.‬‬
‫‪ ‬سرعت واکنش رفت و واکنش برگشت با افزودن کاتالیزور تحت تأثیر‬
‫قرار می گیرد و سرعت آنها فرق می کند‪.‬‬
‫‪ ‬دانش آموزان در سطح تفکر ماکروسکوپی قادر به تشخیص وضعیت‬
‫تعادل نیستند‪ .‬در حالت تعادل‪ ،‬خصوصیات ماکروسکوپی واکنش ثابت‬
‫در حال‬
‫است و عالمتی دال بر پیشرفت واکنش دیده نمی شود‪( .‬واکنش ‌‬
‫استراحت است)‪.‬‬
‫راهبردهای تدریس تعادل شیمیایی در سطح مولکولی‬
‫‪ ‬استفاده از آنالوگ ها و شبیه سازی ها‬
‫(مثال‌ها‪:‬‬
‫‪ .1‬کندن یک چاه که در کتاب درس ی آورده شده است‬
‫‪ .2‬مسابقه تخلیه سیب در دو حیاط کنار هم توسط دو دانش آموز‌‬
‫‪ .3‬صف بستن افراد در جلوی یک نانوایی‬
‫‪ ‬استفاده از تکنیک الگوریتمی‬
‫مثالي از كاربرد تكنيك الگوريتمي در حل مسائل تعادل‬
‫‪ ‬در یک سیستم بسته‪ ،‬بین ترکیبات اتان (‪ ،)C2H6‬هیدروژن (‪ )H2‬و‬
‫اتيلن (‪ )C2H4‬تعادل زیر حاصل می شود‪:‬‬
‫) ‪C2 H 6 ( g )  C2 H 4 ( g )  H 2 ( g‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫در شرول واکنش‪ 8 ،‬مول اتان وجود داشت‪ ،‬در این زمان‪ ،‬هنوز هيدروژن و اتيلن‬
‫تشکیل نشده اند‪ .‬در حالت تعادل‪ 3 ،‬مول اتيلن تولید می‌شود‪ ،‬در حالت تعادل‪ ،‬به‬
‫ترتيب چند مول اتان و هيدروژن وجود دارد؟‬
‫(‪ 4 )c‬مول و ‪ 1‬مول‬
‫(‪ 2 )a‬مول و ‪ 3‬مول‬
‫(‪ 5 )d‬مول و ‪ 3‬مول‬
‫(‪ 3 )b‬مول و ‪ 3‬مول‬
‫(‪ 6 )e‬مول و ‪ 3‬مول‌‬
‫جوابهاي دانشآموزان براي گزينه اول‌‬
‫‪ ‬کل مواد تغییری نمی کند و مقدار آن ‪ 8‬مول باقی می ماند‪ ،‬چون ‪ 3‬مول‬
‫(از ‪ 8‬مو ‌ل) در یک طرف است پس باید در طرف دیگر ‪ 5‬مول وجود داشته‬
‫باشد‪.‬‬
‫‪ ‬کل مقادیر (تمام غلظت ها) در سراسر واکنش یکسان باقی می ماند‪.‬‬
‫‪ ‬زمانی که ‪ 3‬مول اتيلن وجود دارد ‪ 3‬مول هم هيدروژن وجود دارد‪ .‬برای‬
‫اینکه در مجول ‪ 8‬مول اتان داشته باشیم‪ ،‬تنها ‪ 2‬مول اتان می‌تواند در‬
‫پايان تعادل وجود داشته باشد‪.‬‬
‫جوابهاي دانشآموزان به گزينه دوم و سوم‬
‫‪ ‬در هر طرف باید سه مول ماده وجود داشته باشد‪ .‬زمانی که مقدار مواد‬
‫در هر طرف یکسان باشد واكنش به حالت تعادل رسیده است و یک‬
‫واکنش متعادل داریم‪.‬‬
‫‪ ‬از میان جواب های غلط‪ ،‬گزينه ‪ c‬بیشتر انتخاب می شود‪ .‬بنظر دانش‬
‫آموزان‪ ،‬در طی یک واکنش کل مواد یکسان باقی میمانند و کل مقادیر‬
‫مواد واکنش دهنده مساوی مقادیر کل محصول است‪.‬‬
‫‪ ‬در هر دو طرف واکنش ‪ 4‬مول وجود دارد‪ ،‬بنابراین این واکنش در حالت‬
‫تعادل است‪ .‬عالوه براین‪ ،‬کل مواد اصلی هم ‪ 8‬مول است‪.‬‬
‫مثال دوم‬
‫‪ ‬واکنش برگشت پذیر زیر را مشاهده کنید که در حالت تعادل به رنگ آبی‬
‫است‪:‬‬
‫)‪[Co (H2o)6 ]2 (aq, pink)  4Cl  (aq)  [CoCl4 ]2 (aq, blue)  6H2o (L‬‬
‫زمانی که آب به این سیتم افزوده می شود چه اتفاقی می افتد؟‬
‫علت افزايش رنگ صورتي در سيستم تعادلي چيست؟‬
‫‪ ‬به دلیل افزایش غلظت آب در سمت راست واکنش‪ ،‬در سمت چپ‬
‫واکنش تعادل (موازنه) برقرار می شود که در طرف راست محلول آبی ‌رنگ‬
‫است‪.‬‬
‫‪ ‬این محلول صورتی رنگ می شود چون ماده افزوده شده سمت راست‬
‫واکنش استفاده می شود‪.‬‬
‫كم توجهي به آموزش سه بعدي شيمي‬
‫‪ ‬نقش كاتاليزگر‪ :‬افزايش سرعت واكنش در نتيجه ي افزايش كاتالیزگر‬
‫مربوط به پايین آمدن سطح انرژي فعال سازي است‪.‬‬
‫‪ ‬كج فهمي‪ :‬دانش آموزان را به اين فكر ترغيب مي كند كه‪:‬‬
‫‪ ‬كاتالیزگر تنها انرژي فعال سازي واكنش را كاهش مي دهد و واكنش كاتالیز‬
‫شده و كاتالیز نشده هر دو با يك مكانیزم انجام مي‌گیرند‪.‬‬
‫‪ ‬كاتالیزگر شرايط راحت‌تري براي انجام واكنش بین ذرات فراهم مي آورد‪.‬‬
‫‪ ‬كاتالیزگر درصد برخوردهاي موثر را افزايش مي دهد‪.‬‬
‫كج فهمي‪ :‬دانش آموزان كاتالیزگر را به عنوان عصاي جادويي و حالل‬
‫مشكالت تصور ميكنند‪( .‬كاتالزگر ميتواند خيلي از واكنشهاي انجام ناپذير‬
‫را عملي كند)‪.‬‬
‫‪ ‬تغيير مفهومي‪ :‬كاتالیزگر مادهايي است كه بطور واقعي با يك يا تعداد‬
‫ي‬
‫بيشتري از واكنش دهندههاي حاضر واكنش ميدهد‪ .‬در ادامه‪ ،‬يك سر ‌‬
‫از واكنش ها رخ ميدهند كه در طي آنها كاتالیزگر به طور متناوب مصرف‬
‫ميشود و دوباره توليد مي شود‪.‬‬
‫‪ ‬تاثیر كلي كاتالیزگر اين است كه محصوالت واكنش سريعتر ت ‌وليد مي‬
‫شوند‪ .‬بنابراين‪ ،‬به جاي نتيجه گیري نمودن اينكه كاتالیز سرعت يك‬
‫واكنش را افزايش مي دهد‪ ،‬دانش آموزان ميتوانند نتيجه گیري كنند كه‬
‫كاتالیزگر منجر به فرايندي ميشود كه در آن چندين واكنش رخ مي دهند‪.‬‬
‫‪( ‬استفاده از انيميشن پيشنهاد مي شود)‪.‬‬
‫مثال دوم ‪:‬‬
‫‪ ‬در واكنش دو گرم نوار منیزيم با ‪ HCl‬يك موالر‪ ،‬سرعت مصرف شدن‬
‫منیزيم و توليد هيدروژن چگونه است؟‬
‫‪ ‬مشاهده آزمايش‪ :‬واكنش شرول شده و رفته رفته سرعت آن افزايش‬
‫مييابد‪.‬‬
‫‪ ‬نظر دانشآموزان (كجفهمي)‪ :‬همانطور كه واكنش پيش ميرود سرعت‬
‫واكنش رفت افزايش مي يابد‪.‬‬
‫منیزم‬
‫‪ ‬اصالح كج فهمي‪ :‬ثانيه هايي طول مي كشد تا اليه ي اكسيد ‌‬
‫موجود در سطح فلز حل شود و سپس سطح فلز در تماس با اسيد قرار‬
‫گیرد‪.‬‬
‫چشم اندازها‬
‫‪ ‬استفاده از رويكرد مفهومي در آموزش شيمي ايجاب ميكند تا براي درك‬
‫عميق مفاهيم و جلوگیري از كجفهميهاي رايج در يادگیري شيمي‪ ،‬توجه‬
‫ويژهاي به بهرهگیري از رايانه براي شبيهسازي پديده هاي شيميايي در‬
‫مقياس مولكولي و ساخت مدل صورت گیرد‪.‬‬
‫‪ ‬استفاده از آزمون‌هاي تشريحي بازپاسخ‪ ،‬نوشتن مقاله و انشاء در مورد‬
‫پديده‌هاي مختلف شيميايي‪ ،‬استفاده از نقاش ي و رسم‌هاي علمي‬
‫دانش‌آموزان كمك زيادي به استخراج كج‌فهمي‌ها مي كند‪.‬‬
‫پايان‬
‫با تشكر از حضور سبزتان‬
‫‪http://badrian.sub.ir‬‬