تعادل های شیمیایی و چالش ها


موقعیت شما :

موتور جستجوگر آنلاین شیمی ویرایشگر آنلاین شیمی

ارسال مطلب

ارسال مطلب

تعادل های شیمیایی و چالش ها

nچالش‌های موجود در یاددهی- یادگیری تعادل‌های شیمیایی
nبررسیها نشان داده است که بخش اعظم دبیران شیمی، تدریس تعادل شیمیایی را مشکل 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 تفکر ماکروسکوپی، مولکولی و نمادی ایجاد کرده است.

 

 

تعادل های شیمیایی و چالش ها

 

 

nدیدگاههای سینتیکی در تعادل‌های شیمیایی
nاز دیدگاه سینتیکی، برای مثال در تجزیه آمونیم کلرید به آمونیاک و کلرید، اجزای 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.
nهمچنین دو واکنش رفت و برگشت با سرعت های یکسانی پیش می‌روند.
nدیدگاههای ترمودینامیکی در تعادل‌های شیمیایی
nاز دیدگاه ترمودینامیکی، شرایط حاکم بر تعادل از قانون دوم ترمودینامیک پیروی می‌کند. یعنی در حالت تعادل، انتروپی سیستم به حداکثر مقدار خود رسیده و نیز به حداقل مقدار خود (صفر) می رسد.
nبرای بررسی  تغییرات دما و تاثیر آن بر وضعیت تعادل، از قوانین ترمودینامیک و متغیرهایی نظیر آنتالپی، انتروپی و انرژی آزاد گیبس استفاده میشود.

G =H- TS

 

nاصل محوری در پیش‌بینی وضعیت تعادل‌های شیمیایی
nدر 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.
nآنچه 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.
nاصل لوشاتلیه در شرایط استاندارد و برای گازهای با فشار کم و محلولهای بسیار رقیق صادق است.
nتعریف‌های مختلف اصل لوشاتلیه
nتعریف 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.
nتعریف 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 می‌رود که آنتالپی آن کم است و این دو اثر یکدیگر را خنثی کرده و به برقراری مجدد تعادل کمک می‌کنند.
nتعریف‌های ساده شده اصل لوشاتلیه
nافزایش 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).
nاگر 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).
nکاهش دمای سیستم تعادلی، به نفع واکنش گرماده است و افزایش دما به نفع است.
nمشکلات یاددهی- یادگیری تعادل‌های شیمیایی
nدر محاسبات مربوط به تغییرات غلظت اجزای تعادل، دانش‌آموزان در کاربرد و غلظت ( بر لیتر) دچار سر درگمی می شوند:
nزمانی 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.
nمشکلات یاددهی- یادگیری تعادل‌های شیمیایی
nدانش‌آموزان 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 تغییر می کند.
nدر یک 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.
nبررسی کج‌فهمی‌های رایج درتعادل‌های شیمیایی
nنمی توان مقدار یک ماده جامد را در یک واکنش تعادلی تغییر داد.
nغلظت تمام مواد شرکت کننده در یک واکنش، در حالت تعادل برابر و یکسان است.
nمقادیر 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).
nافزایش دمای یک واکنش گرماده، سرعت واکنش رفت را کاهش می‌دهد.
nبرای پیش بینی ثابت تعادل میتوان از اصل لوشاتلیه استفاده کرد. 
nبه هنگام ترکیب واکنشدهندهها، سرعت واکنش رفت افزایش می یابد تا اینکه واکنش به حالت تعادل برسد.
nادامه
nآیا دو واکنش رفت و برگشت میتوانند هم زمان انجام گیرند یا اینکه اول واکنش رفت و بعد واکنش برگشت انجام می‌گیرد؟
nدر حالت تعادل بین غلظت واکنش دهنده ها و محصولات یک رابطه ساده وجود دارد. (برای مثال، غلظت واکنش دهنده ها مساوی غلظت محصول است).
nزمانی 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.
<!–[if ppt]–>n<!–[endif]–>
nسرعت واکنش رفت و واکنش برگشت با افزودن تحت تأثیر قرار می گیرد و سرعت آنها فرق می کند.
nدانش 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).
nراهبردهای تدریس تعادل شیمیایی در سطح مولکولی
nاستفاده 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
nاستفاده از تکنیک الگوریتمی
nمثالی از کاربرد تکنیک الگوریتمی در حل مسائل تعادل
nدر یک سیستم بسته، بین ترکیبات اتان (C2H6)، هیدروژن (H2) و اتیلن (C2H4) تعادل زیر حاصل می شود:
<!–[if ppt]–>n<!–[endif]–>
<!–[if ppt]–>n<!–[endif]–>
nدر شروع واکنش، ۸ مول  اتان وجود داشت، در این 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؟
n(a) 2 مول و ۳ مول   (c) 4 مول و ۱ مول
n(b) 3 مول و ۳ مول   (d) 5 مول و ۳ مول
n(e) 6 مول و ۳ مول
nجوابهای دانش‌آموزان برای گزینه اول
nکل 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.
nکل مقادیر (تمام غلظت ها) در سراسر واکنش یکسان باقی می ماند.
nزمانی که ۳ مول اتیلن وجود دارد ۳ مول هم هیدروژن وجود دارد. برای اینکه در مجوع ۸ مول اتان داشته باشیم، تنها ۲ مول اتان می‌تواند در پایان تعادل وجود داشته باشد.
nجوابهای دانش‌آموزان به گزینه دوم و سوم
nدر 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.
nاز میان جواب های غلط، گزینه 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.
nدر هر دو طرف واکنش ۴ مول وجود دارد، بنابراین این واکنش در حالت تعادل است. علاوه براین، کل مواد اصلی هم ۸ مول است.
nمثال دوم
nواکنش برگشت پذیر زیر را مشاهده کنید که در حالت تعادل به رنگ آبی است:
<!–[if ppt]–>n<!–[endif]–>

زمانی که به این سیستم افزوده می شود چه اتفاقی می افتد؟

علت افزایش رنگ صورتی در سیستم تعادلی چیست؟

nبه 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.
nاین محلول صورتی رنگ می شود چون ماده افزوده شده سمت راست واکنش استفاده می شود.
nکم توجهی به آموزش سه بعدی شیمی
nنقش کاتالیزگر:افزایش سرعت واکنش در نتیجه ی افزایش کاتالیزگر مربوط به پایین آمدن سطح انرژی فعال سازی است.
nکج فهمی:دانش آموزان را به این فکر ترغیب می کند که:
Øکاتالیزگر تنها انرژی فعال سازی واکنش را کاهش می دهد و واکنش کاتالیز شده و کاتالیز نشده هر دو با یک مکانیزم انجام می‌گیرند.
Øکاتالیزگر شرایط راحت‌تری برای انجام واکنش بین ذرات فراهم می آورد.
Øکاتالیزگر درصد برخوردهای موثر را افزایش می دهد.
nکج فهمی:دانش آموزان کاتالیزگر را به عنوان عصای جادویی و مشکلات تصور می‌کنند. (کاتالزگر می‌تواند خیلی از واکنش‌های انجام ناپذیر را عملی کند).
nتغییر مفهومی: کاتالیزگر ماده‌ایی است که بطور واقعی با یک یا تعداد بیشتری از واکنش دهنده‌های حاضر واکنش می‌دهد. در ادامه، یک سری از واکنش ها رخ می‌دهند که در طی آنها کاتالیزگر به طور متناوب مصرف می‌شود و دوباره تولید می شود.
nتاثیر کلی کاتالیزگر این است که محصولات واکنش سریعتر تولید می شوند. بنابراین، به جای نتیجه گیری نمودن اینکه کاتالیز سرعت یک واکنش را افزایش می دهد، دانش آموزان می‌توانند نتیجه گیری کنند که کاتالیزگر منجر به فرایندی می‌شود که در آن چندین واکنش رخ می دهند.
n(استفاده از انیمیشن پیشنهاد می شود).
nمثال دوم :
nدر واکنش دو گرم نوار منیزیم با HCl یک مولار، سرعت مصرف شدن منیزیم و تولید هیدروژن چگونه است؟
nمشاهده آزمایش:  واکنش شروع شده و رفته رفته سرعت آن افزایش می‌یابد.
nنظر دانش‌آموزان (کج‌فهمی):همانطور که واکنش پیش می‌رود سرعت واکنش رفت افزایش می یابد.
nاصلاح کج فهمی: ثانیه هایی طول می کشد تا لایه ی اکسید  منیزم موجود در سطح حل شود و سپس سطح در تماس با اسید قرار گیرد.
<!–[if ppt]–>n<!–[endif]–>
<!–[if ppt]–>n<!–[endif]–>

ارسال توسط : امیر قاسمی





QR:  تعادل های شیمیایی و چالش ها



ارسال نظر

نام:
ایمیل:
وب سایت:
متن و پیام شما:

 

  • جمعه ۹ فروردین ۱۳۹۲