صفحه 1:
چالش‌ها و چشم‌اندازها در فرایند
یاددهی- یاد گیری تعادلهای شیمیایی
دکتر عابد بدریان
عضو هیثت علمی پژوهشگاه مطالعات آموزش و پرورش
الما :لس -6
صفحه 2:
نکاتی در رابطه با تعادلهای شیمیایی
< تعادل شیمیایی برای آشنایی دانش آموزان با سایر مفاهیم
شیمی از جمله هیدرولیز. عملکرد اسیدها و بازهاء واکنشهای
اکسایش- کاهش و محلولها خیلی ضروری است و تسلط بر
مفهوم تعادل شیمیایی, تسلط بر سایر مفاهیم شیمی را تسهیل
می ES
< پیدایش نظریه‌های حاکم بر تعادل شیمیایی به سالهای ۱۸۶۰
و فعالیتهای وانت هوف. گیبس, لوشاتلیه و دیگران در زمینه
واکنشهای ناکامل و بر گشت پذیر بر می‌گردد.
< طرح بحث تعادل های شیمیایی در کتابهای درسی مدارس به
سالهای ۱۹۶۰ بر می گردد.
صفحه 3:
چالش‌های موجود در یاددهی- یاد گیری تعادلهای شیمیایی
ل -ا
۴ بررسىها نشان داده است كه بخش اعظم دبيران شيمى»
تدريس تعادل شيميايى را مشكل دانستهاند. بحث تعادل
شیمایی که آميخته ای از مباحث سینتیکی, ترمودینامیکی و
ریاضی است. از مباحث انتزاعی شیمی فیزیک محسوب می‌شود
که مشکلاتی را در فرایند یاددهی- یادگیری آن در سه بعد
تفکر ماکروسکوپی, مولکولی و نمادی ایجاد کرده است.
مولکولی
estes ماکروسکوپی
صفحه 4:
دید گاههای سینتیکی در تعادلهای شیمیایی
ت30
* از دیدگاه سینتیکی, برای مثال در تجزیه آمونیم کلرید به
آمونیاک و هیدروژین کلرید. اجزای واکنش از یک انرژیی جنبشی
نسبی برخوردار هستند و در دما و فشار ثابت. بر اثر برخوردهای
موجود بین مولکولهاء هم فرایندتشکیل پیوند و هم شکستن پیوند
به طور هم زمان انجام می گیرد و شرط برقراری تعادل, برابر
بودن تعداد پیوندهای تشکیل شده و شکسته شده است.
همچنین دو واکنش رفت و بر گشت با سرعت های یکسانی پیش
می‌روند.
صفحه 5:
دید گاههای ترمودینامیکی در تعادلهای شیمیایی
آ از دید گاه ترمودینامیکی, شرایط حاکم بر تعادل از قانون دوم
ترمودینامیک پیروی می‌کند. یعنی در حالت تعادل, انتروپی
سیستم به حداکثر مقدار خود رسیده و انرژی آزاد گیبس نیز
به حداقل مقدار خود (صفر) می رسد.
برای بررسی تغییرات دما و تاثیر آن بر وضعیت تعادل, از
قوانین ترمودینامیک و متفیرهایی نظیر آنتالپی, انتروپی و
انرژی آزاد گیبس استفاده می‌شود.
A® =AL- PAG
صفحه 6:
اصل محوري در پيشبيني وضعیت تعادلهاي شيميايي
* در بررسی تغیرات غلظت و جرم فعال و حجم مواد شركت
کننده در واکنش تعادلی از دید گاههای سینتیکی و در بررسی
تاثیر دماء ثابت تعادل و میزان پیشرفت واکنش از دید گاههای
ترمودینامیکی استفاده می شود.
۳ 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.
۴" اصل لوشاتلیه در شرایط استاندارد و برای گازهای با فشار کم و
محلولهای بسیار رقیق صادق است.
صفحه 7:
تعريف‌هاي مختلف اصل لوشاتلیه
۳ تعریف معمول اصل لوشاتلیه: اگر بر یک سیستم در حال تعادل
تغییری تحمیل شود. تعادل در جهتی جابجا می شود که تغییر
تحمیل شده را تعدیل نماید.
" تعریف ترمودینامیکی اصل لوشاتلیه: هنگام تحمیل 7
یک سیستم تعادلی. تعادل در جهتی جابجا می شود
آن بیشتر است و در سمت دیگر به طرفی پیش می‌رود که
آنتالپی آن کم است و این دو اثر یکدیگر را خنثی کرده و به
برقراری مجدد تعادل کمک می‌کنند.
صفحه 8:
تعريف‌هاي ساده شده اصل لوشاتلیه
افزایش غلظت یکی از مواد شر کت 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 مولهای طرفی از تعادل می شود که تعداد
مولهای بیشتری دارد و برعکس (اين تلقی را دارد که در
سیستم های با تعداد مولهای برابر, تغییری صورت نمی گیرد).
* کاهش دمای سیستم تعادلی, به نفع واکنش گرماده است و
افزایش دما به نفع واکنش گرماگیر است.
صفحه 9:
اهداف دنبال شده در آموزش تعادل شیمیایی در مدارس
واکنشهای کامل و بر گشت‌پذیر را تشخیص دهد و برای هر
کدام مثالی بزند؛ جهت یک واکنش تعادلی را پس از اعمال
تغییری در یکی از اجزای سیستم تعادلی به کمک اصل لوشاتلیه
=
با کاربردهای عملی اصل لوشاتلیه و پیش‌بيني جهت جابجایی
واکنش و محاسبات مربوط به تغییر غلظت اشنا شود.
رابطه ثابت تعادل را برای هر واکنش تعادلی بنویسد؛ با استفاده
از ثابت تعادل غلظت واکنش دهندهها و فراورده‌ها را محاسبه
کند.
با برخی از کاربردهای عملی ثابت تعادل و اثر کاتالیز گر در یک
واکنش تعادلی آشنا شود.
صفحه 10:
مشکلات یاددهی- اد گیری تعادلهای شیمیایی
8 در محاسبات مربوط به تغییرات غلظت اجزای تعادل.
دانشآموزان در کاربرد مول و غلظت (مول بر لیتر)
دچار سر در گمی 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 مولار آنها را
مساوی فرض می کنند.
صفحه 11:
مشکلات یاددهی- یاد گیری تعادلهای شیمیایی
دانشآموزان با تولید فلزات و ناپدید شدن در یک سیستم
تعادلی. دچار توهم و تصور غلط می شوند و فرض می‌کنند که
غلظت مواد به هنگام تعادل دچار نوسان می‌شود و غلظت آنها
در یک واکنش بر گشت پذیر که در حال تکمیل شدن است.
قبل از اینکه واکنش بر گشت شروع شود واکنش رفت deb
کامل شود و افزودن واکنش دهنده دیگر تنها غلظت محصول
را تغییر می‌دهد.
صفحه 12:
بررسی کج‌فهمی‌های رایج در تعادلهای شیمیایی
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 یک واکنش گرماده. سرعت واکنش رفت را کاهش
می‌دهد.
برای پیش بینی ثابت تعادل می‌توان از اصل لوشاتلیه استفاده کرد.
به هنگام تر کیب واکنش‌دهنده‌ها, سرعت واکنش رفت افزایش می یابد
تا اينکه واکنش به حالت تعادل برسد.
صفحه 13:
ادامه
آیا دو واکنش رفت و بر گشت میتوانند هم زمان انجام گیرند
یا اينکه اول واکنش رفت و بعد واکنش بر گشت انجام
می‌گیرد.
در حالت تعادل بین غلظت واکنش دهنده ها و محصولات 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 بر گشت کاهش می یابد.
صفحه 14:
سرعت واکنش رفت و واکنش بر گشت با افزودن کاتالیزور
تحت تأثير 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 است و علامتی دال بر پیشرفت
واکنش دیده نمی شود. (واکنش در حال استراحت است).
صفحه 15:
راهبردهای تدریس تعادل شیمیایی در سطح مولکولی
استفاده از آنالوگ ها و شبیه سازی ها
(مثال‌ها:
کندن یک چاه که در کتاب درسی آورده شده است
مسابقه تخلیه سیب در دو حیاط کنار هم توسط دو دانش
آموز
صف بستن افراد در جلوی یک نانوایی
استفاده از تکنیک الگوریتمی
صفحه 16:
مثالي از کاربرد تكنيك الگوريتمي در حل مسائل تعادل
در یک سیستم بستهء بين تركيبات اتان (نباآب()» هیدروژن
(م/) و اتیلن (مماای() تعادل زیر حاصل می شود:
(و) و + (و9) بط ه (و) C,H
در شروع واکنش. ۸ مول اتان وجود داشت. در اين زمان. هنوز هیدروژن
و اتیلن تشکیل نشده اند. در حالت تعادل, ۳ مول اتیلن تولید می‌شود. در
حالت تعادل, به ترتیب چند مول اتان و هیدروژن وجود دارد؟
(0) ۲ مول و امول (۶) ۴ مول و ۱ مول
(5) ۳ مول و ۳ مول () ۵ مول و ۳ مول
() ۶ مول و ۳ مول
صفحه 17:
جوابهای دانش آموزان برای گزینه اول
کل مواد تغییری نمی کند و مقدار آن ۸ مول باقی می ماند.
چون ۳ مول (از ۸ مول) در یک طرف است پس باید در طرف
دیگر ۵ مول وجود داشته باشد.
کل مقادیر (تمام غلظت ها) در سراسر واکنش یکسان باقی می
ماند.
زمانی که ۳ مول اتیلن وجود دارد ۳ مول هم هیدروژن وجود
دارد. برای اينکه در مجوع ۸ مول اتان داشته باشیم. تنها ۲ مول
آتان می‌تواند در پایان تعادل وجود داشته باشد.
صفحه 18:
جوابهای دانش آموزان به گزینه دوم و سوم
در هر طرف باید سه مول ماده وجود داشته باشد. زمانی که
مقدار مواد در هر طرف یکسان باشد واکنش به حالت تعادل
رسیده است و یک واکنش متعادل داریم.
از ميان جواب هاى غلط؛ گزینه بیشتر 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 واكنش ۴ مول وجود دارد. بنابراین این واکنش
در حالت تعادل است. علاوه براین؛ كل مواد اصلى هم / مول
است.
صفحه 19:
lie دوم
واکنش بر گشت پذیر زير را مشاهده کنید که در حالت تعادل
به رنگ آبی است:
[Co(H,o),}" (aqpin+FCl (ag @ [CoC}]" (aqblué++H_o(L)
زمانی که آب به این سب سیتم افزوده می شود چه اتفاقی می افتد؟
علت افزايش رنگ صورتی در سیستم تعادلی چیست؟
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.
صفحه 20:
کم توجهي به آموزش سه بعدي شيمي
" نقش کاتالیز گر: افزایش سرعت واکنش در نتیجه ي افزایش
کاتالیز گر مربوط به Orel owl سطح انرژي فعال سازي
است.
۴ کج فهمی: دانش آموزان را به اين فکر ترغیب مي کند که:
< کاتالیز گر تنها انرژي فعال سازي واکنش را کاهش مي دهد و
واكنش كاتاليز شده و كاتاليز نشده هر دو با يك مكانيزم انجام
مي كيرند.
< کاتالیز گر شرایط راحت‌تري براي انجام واکنش بین ذرات
فراهم مي آورد.
< کاتالیز گر درصد برخوردهاي موثر را افزایش مي دهد.
صفحه 21:
کج فهمی: دانش آموزان کاتالیز گر را به عنوان عصاي جادوبي و
حلال مشکلات تصور مي‌کنند. (کاتالز گر مي‌تواند خيلي از
واکنش‌هاي انچام ناپذیر را عملي كند).
تغییر مفهومی: : کاتالیز گر مادهايي است که بطور واقعي با يك
یا تعداد بيشتري از واکنش دهندههاي حاضر واكنش ٠ه مي‌دهد.
در ادامه, يك سري از واکنش ها رخ مي‌دهند که در طي. آنها
كاتالي زكر به طور متناوب مصرف مي شود و دوباره توليد مي
شود.
تاثير كلي كاتالي زكر اين است كه محصولات واكنش سريعتر
تولید مي شوند. براين» به جاي نتيجه كيري نمودن اينكه
مي دهد. دانش آموزان
مي پیج یز گر منجر به فرايندي
ميشود که در آن چندین واکنش رخ مي دهند.
(استفاده از انیمیشن پیشنهاد می شود).
صفحه 22:
مثال دوم 0
۴ در واکنش دو گرم نوار منیزیم با !1۱/۱ يك مولار سرعت
مصرف شدن منیزیم و تولید هیدروژن چگونه است؟
۴ مشاهده آزمایش: واکنش شروع شده و رفته رفته سرعت آن
افزايش مي يابد.
" نظر دانشآموزان (کج‌فهمی): همانطور که واکنش پیش
ميرود سرعت واکنش رفت افزایش مي یابد.
۴ اصلاح کج فهمي: انیه هايي طول مي کشد تا لایه ي اکسید
منیزم موجود در سطح فلز حل شود و سپس سطح فلز در
تماس با اسید قرار گیرد.
صفحه 23:
چشم اندازها
۳ استفاده از رویکرد مفهومی در آموزش شیمی ایجاب می‌کند تا
برای درک عمیق مفاهیم و جلوگیری از کج‌فهمی‌های رایج در
یادگیری شیمی. توجه ویژه‌ای به بهره‌گیری از رایانه برای
شبیه‌سازی پدیده های شیمیایی در مقیاس مولکولی و ساخت
مدل صورت كيرد.
" استفاده از آزمون‌های تشریحی بازپاسخ. نوشتن مقاله و انشاء
در مورد پدیده‌های مختلف شیمیایی. استفاده از نقاشی و
رسم‌های علمی دانش آموزان کمک زیادی به استخراج
کج‌فهمی‌ها می کند.
صفحه 24: