چالش‌ها و چشم‌اندازها در فرآیند یاددهی- یادگیری تعادل‌های شیمیایی
اسلاید 1: چالش‌ها و چشم‌اندازها در فرايند ياددهي- يادگيري تعادلهاي شيمياييدكتر عابد بدريانعضو هيئت علمي پژوهشگاه مطالعات آموزش و پرورشE- mail: ab.badrian@gmail.com
اسلاید 2: نكاتي در رابطه با تعادلهاي شيميايي تعادل شیمیایی برای آشنایی دانش آموزان با سایر مفاهیم شیمی از جمله هیدرولیز، 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 1860 و فعالیتهای وانت هوف، گیبس، لوشاتلیه و دیگران در زمینه واکنشهای ناکامل و برگشت پذیر بر می‌گردد. طرح بحث تعادل های شیمیایی در کتابهای درسی مدارس به سالهای 1960 بر می گردد.
اسلاید 3: چالش‌هاي موجود در ياددهي- يادگيري تعادلهاي شيمياييبررسي‌ها 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 ریاضی است، از مباحث انتزاعی شیمی فیزیک محسوب می‌شود که مشکلاتی را در فرایند یاددهی- یادگیری آن در سه بعد تفكر ماكروسكوپي، مولكولي و نمادي ایجاد کرده است.مولكولينماديماكروسكوپي
اسلاید 4: ديدگاههاي سينتيكي در تعادلهاي شيميايي از دیدگاه سینتیکی، برای مثال در تجزیه آمونیم کلرید به آمونیاک و هیدروژن کلرید، اجزای واکنش از یک انرژی جنبشی نسبی برخوردار هستند و در دما و فشار ثابت، بر اثر برخوردهای موجود بین مولکولها، 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 برگشت با سرعت های یکسانی پیش می‌روند.
اسلاید 5: ديدگاههاي ترموديناميكي در تعادلهاي شيميايياز دیدگاه 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.براي بررسي تغييرات دما و تاثير آن بر وضعيت تعادل، از قوانين ترموديناميك و متغيرهايي نظير آنتالپي، انتروپي و انرژي آزاد گيبس استفاده مي‌شود.∆G =∆H- T∆S
اسلاید 6: اصل محوري در پيش‌بيني وضعيت تعادلهاي شيمياييدر بررسی تغیرات غلظت و جرم فعال و حجم مواد شرکت کننده در واکنش تعادلی از دیدگاههای سینتیکی و در بررسی 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.
اسلاید 7: تعريف‌هاي مختلف اصل لوشاتليهتعریف 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 تغییری بر یک سیستم تعادلی، تعادل در جهتی 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.
اسلاید 8: تعريف‌هاي ساده شده اصل لوشاتليهافزایش 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 مولهای طرفی از تعادل می شود که تعداد مولهای بیشتری دارد و برعکس (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.
اسلاید 9: اهداف دنبال شده در آموزش تعادل شيميايي در مدارسواكنش‌هاي كامل و برگشت‌پذير را تشخيص دهد و براي هر كدام مثالي بزند؛ جهت يك واكنش تعادلي را پس از اعمال تغييري در يكي از اجزاي سيستم تعادلي به كمك اصل لوشاتليه معين كند. با كاربردهاي عملي اصل لوشاتليه و پيش‌بيني جهت جابجايي واكنش و محاسبات مربوط به تغيير 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 كاتاليزگر در يك واكنش تعادلي آشنا شود.
اسلاید 10: مشكلات ياددهي- يادگيري تعادلهاي شيمياييدر محاسبات مربوط به تغييرات 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 مولار آنها را مساوی فرض می کنند.
اسلاید 11: مشكلات ياددهي- يادگيري تعادلهاي شيمياييدانش‌آموزان با تولید فلزات و ناپدید شدن در يك سيستم تعادلي، دچار توهم و تصور غلط می شوند و فرض می‌کنند که غلظت مواد به هنگام تعادل دچار نوسان می‌شود و غلظت آنها تغییر می کند. در يك واکنش برگشت پذیر که در حال تکمیل شدن است، قبل از اینکه واکنش برگشت شروع شود واکنش رفت باید کامل شود و افزودن واکنش دهنده دیگر تنها غلظت محصول را تغییر می‌دهد.
اسلاید 12: بررسی كج‌فهمي‌هاي رايج درتعادل‌هاي شيميايينمی 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.
اسلاید 13: ادامهآیا 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 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 برگشت کاهش می یابد.
اسلاید 14: 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 است و علامتی دال بر پیشرفت واکنش دیده نمی شود. (واکنش در حال استراحت است).
اسلاید 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
اسلاید 16: مثالي از كاربرد تكنيك الگوريتمي در حل مسائل تعادلدر یک سیستم بسته، بین ترکیبات اتان (C2H6)، هیدروژن (H2) و اتيلن (C2H4) تعادل زیر حاصل می شود:در شروع 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؟(a) 2 مول و 3 مول (c) 4 مول و 1 مول (b) 3 مول و 3 مول (d) 5 مول و 3 مول (e) 6 مول و 3 مول
اسلاید 17: جوابهاي دانش‌آموزان براي گزينه اولکل مواد تغییری نمی کند و مقدار آن 8 مول باقی می ماند، چون 3 مول (از 8 مول) در یک طرف است پس باید در طرف دیگر 5 مول وجود داشته باشد. کل مقادیر (تمام غلظت ها) در سراسر واکنش یکسان باقی می ماند. زمانی که 3 مول اتيلن وجود دارد 3 مول هم هيدروژن وجود دارد. برای اینکه در مجوع 8 مول اتان داشته باشیم، تنها 2 مول اتان می‌تواند در پايان تعادل وجود داشته باشد.
اسلاید 18: جوابهاي دانش‌آموزان به گزينه دوم و سومدر 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 c 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 واکنش 4 مول وجود دارد، بنابراین این واکنش در حالت تعادل است. علاوه براین، کل مواد اصلی هم 8 مول است.
اسلاید 19: مثال دومواکنش برگشت پذیر زیر را مشاهده کنید که در حالت تعادل به رنگ آبی است: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.
اسلاید 20: كم توجهي به آموزش سه بعدي شيمي نقش كاتاليزگر: افزايش سرعت واكنش در نتيجه ي افزايش كاتاليزگر مربوط به پايين آمدن سطح انرژي فعال سازي است.كج فهمي: دانش آموزان را به اين فكر ترغيب مي كند كه:كاتاليزگر تنها انرژي فعال سازي واكنش را كاهش مي دهد و واكنش كاتاليز شده و كاتاليز نشده هر دو با يك مكانيزم انجام مي‌گيرند.كاتاليزگر شرايط راحت‌تري براي انجام واكنش بين ذرات فراهم مي آورد.كاتاليزگر درصد برخوردهاي موثر را افزايش مي دهد.
اسلاید 21: كج فهمي: دانش آموزان كاتاليزگر را به عنوان عصاي جادويي و حلال مشكلات تصور مي‌كنند. (كاتالزگر مي‌تواند خيلي از واكنش‌هاي انجام ناپذير را عملي كند).تغيير مفهومي: كاتاليزگر ماده‌ايي است كه بطور واقعي با يك يا تعداد بيشتري از واكنش دهنده‌هاي حاضر واكنش مي‌دهد. در ادامه، يك سري از واكنش ها رخ مي‌دهند كه در طي آنها كاتاليزگر به طور متناوب مصرف مي‌شود و دوباره توليد مي شود. تاثير كلي كاتاليزگر اين است كه محصولات واكنش سريعتر توليد مي شوند. بنابراين، به جاي نتيجه گيري نمودن اينكه كاتاليز سرعت يك واكنش را افزايش مي دهد، دانش آموزان مي‌توانند نتيجه گيري كنند كه كاتاليزگر منجر به فرايندي مي‌شود كه در آن چندين واكنش رخ مي دهند. (استفاده از انيميشن پيشنهاد مي شود).
اسلاید 22: مثال دوم : در واكنش دو گرم نوار منيزيم با HCl يك مولار، سرعت مصرف شدن منيزيم و توليد هيدروژن چگونه است؟مشاهده آزمايش: واكنش شروع شده و رفته رفته سرعت آن افزايش مي‌يابد. نظر دانش‌آموزان (كج‌فهمي): همانطور كه واكنش پيش مي‌رود سرعت واكنش رفت افزايش مي يابد.اصلاح كج فهمي: ثانيه هايي طول مي كشد تا لايه ي اكسيد منيزم موجود در سطح فلز حل شود و سپس سطح فلز در تماس با اسيد قرار گيرد.
اسلاید 23: چشم اندازهااستفاده از رويكرد مفهومي در آموزش شيمي ايجاب مي‌كند تا براي درك عميق مفاهيم و جلوگيري از كج‌فهمي‌هاي رايج در يادگيري شيمي، توجه ويژه‌اي به بهره‌گيري از رايانه براي شبيه‌سازي پديده هاي شيميايي در مقياس مولكولي و ساخت مدل صورت گيرد. استفاده از آزمون‌هاي تشريحي بازپاسخ، نوشتن مقاله و انشاء در مورد پديده‌هاي مختلف شيميايي، استفاده از نقاشي و رسم‌هاي علمي دانش‌آموزان كمك زيادي به استخراج كج‌فهمي‌ها مي كند.
اسلاید 24: پايان با تشكر از حضور سبزتانhttp://badrian.sub.ir
نقد و بررسی ها
هیچ نظری برای این پاورپوینت نوشته نشده است.