مفهوم تعادل از طریق قیاس های تعاملی

تعادل موضوعی چالش برانگیز برای دانش آموزان شیمی دبیرستان است. امسال تصمیم گرفتم قبل از ذکر کلمات "بیان تعادل" ، ابتدا با سه قیاس مختلف و یک فعالیت یادگیری تحقیق هدایت شده (POGIL) ، درک مفهومی تعادل را برطرف کنم. نتیجه از دیدگاه من بسیار مثبت بود. با درک محکم در مورد مفهوم تعادل ، استفاده از توضیحات ریاضی یک سیستم برای دانش آموزان من آسان تر بود.

برای شروع واحد ، من به دانش آموزان کلیپ "قرص قرمز یا قرص آبی" را از ماتریس نشان دادم. من درک تعادل شیمیایی را با مصرف قرص قرمز تشبیه کردم زیرا باید چشم خود را به دنیای واقعی شیمی باز کنید. ما دیگر نمی توانیم وانمود کنیم که هر واکنشی تمام راه را به اتمام می رساند! شاید این امر دانش آموزان را بیش از آنکه از آنها سرگرم شود ، ترسیده باشد ، اما این صحنه را با کمی طنز و پیش بینی کمی از آنچه در آینده قرار داشت ، تنظیم کرد.

عکس 1: قیاس تعادل انتقال آب: توجه داشته باشید که آبکرهای انتقال از نظر اندازه متفاوت هستند.

بدون هیچ مقدمه ای ، من به اولین قیاس تعادل راه اندازی کردم: واکنش معروف انتقال آب با دو فنجان انتقال با اندازه متفاوت. این نقل و انتقالات بین دو کاسه بزرگ انجام شد که با عنوان "واکنش دهنده" و "محصولات" برچسب گذاری شده است. کاسه واکنش دهنده در نیمه راه با آب آبی پر شد و کاسه محصول در ابتدای واکنش خالی بود. یکی از دانش آموزان داوطلبانه برای انتقال آب از واکنش دهنده ها به محصولات و دیگری از محصولات گرفته تا واکنش دهنده ها ، هر آب با استفاده از یک لیوان با اندازه متفاوت - 50 میلی لیتر و یک لیوان 250 میلی لیتری (عکس 1). دانش آموزان مجاز نیستند وقتی آب را با لیوان بیرون می کشند ، کاسه را نوک بزنند. این تظاهرات ساده راهی عالی برای دانش آموزان من برای تجسم تغییرات در یک سیستم با نزدیک شدن به تعادل بود. هنگامی که واکنش شروع شد ، محصول انتقال دهنده واکنش پذیر بسیار اندک بود ، اما با هر انتقال اضافی به طور پیوسته در حجم به دست می آمد. در همین حال ، واکنش دهنده به انتقال محصول با حجم زیادی شروع شد و به تدریج در اندازه کوچک شد.

عکس 2: دو اندازه مختلف نی برای انتقال آب.

به صورت دوره ای آزمایش کردیم که ببینیم آیا با اندازه گیری حجم آب منتقل شده در هر جهت ، به تعادل رسیده ایم. هنگامی که تعادل در شبیه سازی حاصل می شود ، لیوان های با اندازه متفاوت هر دو به دلیل سطح آب در هر کاسه ، یک حجم یکسان را جمع می کنند. هدف از این تظاهرات کمک به دانش آموزانم بود که درک کنند که تعادل هنگامی حاصل می شود که نرخ رو به جلو و معکوس برابر باشد ، نه وقتی که میزان واکنش دهنده و محصول برابر باشد.

با این درک مفهومی در درک خود ، دانش آموزان آماده بودند تا برخی از آنها را به قیاس تعادل انتقال آب دیگر بگذارند. در مرحله بعد آنها آزمایش کلاسیک را با دو سیلندر فارغ التحصیل یکسان و دو نی متفاوت انجام دادند. دانش آموزان با استفاده از انگشتان شاخص خود ، آب رنگی را با استفاده از نی نوشیدنی از یک سیلندر فارغ التحصیل به دیگری (عکس 2) از آب رنگ آمیزی کردند. پس از هر انتقال بین واکنش دهنده ها و محصولات ، حجم آب در هر سیلندر اندازه گیری شد (عکس 3).(مک دونالد واقعاً نی های بزرگ دارد که برای این فعالیت مناسب است.) به دانش آموزان دستور داده شد که نی ها را در پایین هر سیلندر قرار دهند تا نتایج دقیقی کسب کنند. نتیجه ، نمودار زیبایی از غلظت "واکنش دهنده ها" و "محصولات" در حالی که به تعادل نزدیک می شوند (شکل 1). برای رسیدن به تعادل ، حدود 12 نقل و انتقالات طول کشید ، که تقریباً در مورد تمام صبر دانش آموزان من برای انتقال آب با استفاده از نی های آشامیدنی بود. در تعادل ، حجم در هر سیلندر متفاوت است - یکی تقریباً 12. 1 میلی لیتر و 12. 6 میلی لیتر دیگر - و بعد از هر انتقال تغییر نمی کند.

بار دیگر ، درک مفهومی تعادل با این آزمایش تقویت شد ، با افزودن یک درمان گرافیکی داده ها.

شکل 1. تظاهرات تعادل: انتقال نی: شبیه سازی واکنش به تعادل با استفاده از نی های مختلف که حجم آن از یک سیلندر به دیگری منتقل می شوند.

در این مرحله ، دانش آموزان من آماده بودند تا مفاهیم "واکنش واکنش" (Q) و "بیان ثابت تعادل" (k) را در توضیحات خود در مورد سیستم بگنجانند. دانش آموزان با استفاده از نمودار داده های خود ، نسبت واکنش دهنده ها را به محصولات پس از هر انتقال محاسبه کردند. با مقایسه ارزش این نسبت ، دانش آموزان شروع به دیدن چگونگی تغییر نسبت تا زمان تعادل می کنند.

فعالیت سوم در روز افتتاح تعادل ، واکنش انتقال دیگری را شامل می شد اما این بار با سکه ها. دانش آموزان یک ظرف را "واکنش دهنده" و یک غذای دیگر "محصولات" قرار دادند. با شروع 42 سکه ، آنها سکه ها را با سرعت ثابت در هر دو جهت منتقل کردند. در این فعالیت ، دانش آموزان نرخ انتقال را ثابت نگه داشته اند (نرخ 1/3 برای واکنش رو به جلو و 1/4 برای واکنش معکوس). بخش مهم این فعالیت برای پایین آمدن به نزدیکترین تعداد. یک بار دیگر ، واکنش فقط با واکنش دهنده ها - بدون محصول - شروع شد و به تدریج در حدود شش انتقال به تعادل رسید. نمودار داده های به دست آمده از این فعالیت در شکل 2 نشان داده شده است. دانش آموزان چندین بار فعالیت را تکرار کردند و با انواع شرایط اولیه آزمایش کردند.

عکس 3: بررسی حجم پس از هر انتقال. تعادل حاصل نشده است.

جدول بعدی سه دور اول فعالیت سکه ها را نشان می دهد."نرخ واکنش" رو به جلو با سرعت ثابت 1/3 واکنش دهنده بود و "میزان واکنش" معکوس با نرخ ثابت 1/4 محصول بود. شرایط اولیه سیستم در ورودی اول نشان داده شده است.

آنها سعی کردند از واکنش دهنده های بیشتری ، تمام محصولات و بدون واکنش دهنده و همچنین تقسیم یکنواخت بین محصولات و واکنش دهنده ها استفاده کنند. آنها همچنین واکنش دهنده ها را به یک سیستم در تعادل اضافه کردند تا ببینند که چگونه این تعادل "غلظت" را تغییر می دهد. از طریق این تغییرات قیاس انتقال پنی ، دانش آموزان می توانند با چشمان (و داده ها) خود را ببینند ، چگونه یک واکنش برگشت پذیر از بسیاری از شرایط مختلف شروع می شود.

در روز دوم واحد تعادل ما ، در گروه های سه و چهار ، دانش آموزان در یک برگه Pogil کار می کردند. فعالیت پوگل آنها را کمی نزدیکتر به بیان تعادل می کند زیرا نمونه های داده شده بر اساس یک واکنش شیمیایی (A ⇌ B) بود. این فعالیت همچنین داده شده بود ، شبیه به پنی و انتقال آب نی ، اما با استفاده از خال های A و B. به هر دانش آموز مجموعه ای متفاوت از شرایط شروع برای یکی از دو سیستم تعادل داده شد. با به اشتراک گذاشتن نتایج خود ، کلاس نتایج لازم برای محاسبه نسبت محصولات به واکنش دهنده ها را بدست آورد. برگه Pogil انتقال کاملی از مفهوم واکنش برگشت پذیر به یک محاسبه بیان تعادل با استفاده از مولولیت و تعیین افزایش و کاهش گونه ها در سیستم بود.

شکل 2. سکه های واکنش: در ابتدا فقط هیچ محصولی واکنش نشان نمی دهد. نمودار نشان می دهد که میزان واکنش دهنده ها و محصولات (سکه ها) در تعادل برابر نیستند - این میزان سکه هایی است که به عقب و جلو می روند که برابر است.

در روز سه دانش آموز یاد گرفتند که چگونه یک عبارت تعادل بنویسند و از آن برای محاسبات استفاده کنند. من از اینکه چقدر سریع این مفهوم جدید تسلط یافت ، خوشحال شدم. من معتقدم که فعالیت های قبلی و قیاس های تعادل به آنها زمینه مفهومی کاملی برای درک بیان تعادل داده است.

قیاس تعادل چهارم و آخر "تعادل مخزن" بود. من از یک مخزن ماهی بزرگ به عنوان "رگ واکنش" استفاده کردم. واکنش شیمیایی مونتاژ یک قوطی فیلم و بالای یک واحد کامل بود. داوطلب واکنش رو به جلو یک قوطی فیلم را از یک قوطی و یک درب (سنتز) مونتاژ کرد ، در حالی که داوطلب واکنش معکوس قوطی تکمیل شده را از هم جدا کرد (تجزیه). همه اینها در مخزن ماهی اتفاق می افتاد (عکس 4). این بازی سرگرم کننده مقدمه ای مناسب برای اصل Le Châtelier بود. این واکنش فقط با واکنش دهنده ها و بدون محصول آغاز شد. واکنش رو به جلو بسیار کندتر از واکنش معکوس بود. سرانجام ، نرخ های یکنواخت - ما در واقع صبر نکردیم تا تعادل در سیستم ایجاد کنیم. در مقطعی از "واکنش" ، من یک کیسه پر از محصول را درون مخلوط ریختم. عوارض معکوس بخار را برداشت و سریعتر واکنش دهنده ها را تولید کرد. بعداً ، من یک چشم بسته را روی داوطلب واکنش معکوس قرار دادم تا ببینم چگونه این شرایط تعادل را تغییر می دهد. اکنون واکنش رو به جلو سریعتر بود.

عکس 4: واکنش سنتز (قرار دادن قوطی های فیلم) واکنش رو به جلو است. واکنش تجزیه (جدا کردن قوطی ها) برعکس است. در این حالت ، چشم بسته نرخ معکوس را کاهش می دهد.

با هر تغییر در سیستم ، من دانش آموزان را وادار كردم كه در نظر بگیرند كه چگونه نرخ واکنش رو به جلو یا معکوس تأثیر می گذارد. این نسخه ی نمایشی بسیار سرگرم کننده بود و مکالمه تولیدی در مورد استرس روی یک سیستم ایجاد کرد.

حتی با وجود همه این فعالیت های سرگرم کننده ، واحد تعادل هنوز یکی از چالش برانگیزترین موضوعات در کلاس شیمی AP من در سال جاری بود. با این حال ، با این درک مفهومی که از انجام این فعالیت های سرگرم کننده به دست آوردند ، احساس می کنم دانش آموزان من اعتماد به نفس بیشتری از طریق درمان ریاضی یک سیستم تعادل دارند. علاوه بر این ، من از این قیاس ها برای قرار دادن سناریوی واکنش در یک زمینه آشنا برای دانش آموزانم استفاده کردم وقتی که آنها روی یک مشکل گیر افتادند. با یک زبان مشترک و نمونه های بتونی برای مراجعه به کل واحد ، تعادل به اندازه نئو انتخاب قرص قرمز و باز کردن چشمان خود به "دنیای واقعی" دلهره آور نبود.