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]
Download
Report
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