ιδασκαλία της Χηµικής Ισορροπίας µε χρήση µηχανικών αναλόγων

Transcript

1 ΕΚΦΕ Εύβοιας ιδασκαλία της Χηµικής Ισορροπίας µε χρήση µηχανικών αναλόγων ΣΕΝΑΡΙΟ ΓΙΑ ΤΗ Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΗΣ ΧΗΜΙΚΗΣ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ Α. περιεχόµενο Χηµεία Β λυκείου θετικής κατεύθυνσης Χηµική ισορροπία. υναµική ισορροπία. Απόδοση αντίδρασης. Παράγοντες που επηρεάζουν τη θέση µιας ισορροπίας (αρχή Le Chatelier). Β. Χρόνος: 2 διδακτικές ώρες (2 φύλλα εργασίας) Γ. Προαπαιτούµενες γνώσεις Ενέργεια ενεργοποίησης Ταχύτητα αντίδρασης Κατάλυση Ενδόθερµες και εξώθερµες αντιδράσεις. Προϋπάρχουσες ιδέες των µαθητών Μια αντίδραση πηγαίνει µόνο προς µια κατεύθυνση Ισορροπία σηµαίνει ίσες συγκεντρώσεις µεταξύ αντιδρώντων και προϊόντων Η ισορροπία είναι µια συνθήκη που συµβαίνει µόνο κάτω από εξαιρετικές συνθήκες Η απόδοση είναι πάντα 100% Ε. Μέθοδος διδασκαλίας διδακτικό µοντέλο Προτείνεται το διδακτικό µοντέλο της καθοδηγούµενης ανακάλυψης. Οι µαθητές µε τη καθοδήγηση του καθηγητή µέσα από φύλλα εργασίας, θα κάνουν δύο πειράµατα προσοµοίωσης. Θα προσδιορίσουν τις µεταβλητές και τα µετρούµενα µεγέθη, θα κάνουν υποθέσεις και επαληθεύσεις και θα οδηγηθούν µόνοι τους στους νόµους της χηµικής ισορροπίας µέσα από την επιστηµονική µέθοδο. Στα πειράµατα προσοµοίωσης δίνεται το φύλλο εργασίας στο κάθε µαθητή, χωρίζονται σε οµάδες των δύο και πηγαίνουµε στο εργαστήριο πληροφορικής. Κάθονται δύο µαθητές σε κάθε υπολογιστή. Τους δείχνουµε πως δουλεύει το λογισµικό και τους αφήνουµε µόνους τους να συµπληρώσουν το φύλλο εργασίας. Ο καθηγητής απαντά µόνο σε διευκρινιστικές ερωτήσεις και εµψυχώνει, αλλά δεν παραθέτει προκαταβολικά τις γνώσεις που πρόκειται να κατακτήσουν µόνοι τους οι µαθητές. Στα µηχανικά ανάλογα, ο καθηγητής κάνει το πείραµα σαν επίδειξη. Ζητά προβλέψεις από τους µαθητές και τους καλεί να συµπληρώσουν έναν πίνακα µε µετρήσεις που κάνει ο ίδιος. 1 Γιάννης Μίχας, υπεύθυνος ΕΚΦΕ Εύβοιας

2 Στ. ΣΤΟΧΟΙ 1) Να ορίσουµε πότε ένα σύστηµα βρίσκεται σε ισορροπία 2) Να καταλάβουµε τον µηχανισµό κάτω από τον οποίο ένα σύστηµα οδηγείται στην ισορροπία 3) Να διακρίνουµε µεταξύ δυναµικής και στατικής ισορροπίας 4) Να υπολογίζουµε την απόδοση µιας αντίδρασης 5) Να εξηγήσουµε την επίδραση που έχουν κάποιοι παράγοντες στη θέση µιας ισορροπίας 6) Να καταλάβουµε την ισορροπία αν γενικό φυσικό, χηµικό, βιολογικό κοινωνικό και οικονοµικό φαινόµενο που ξεκινά και οδεύει προς µια κατεύθυνση αυθόρµητα 7) Να εφαρµόσουν στη πράξη την επιστηµονική µέθοδο της δοκιµής και του λάθους, µέσα από τον καθορισµό των παραµέτρων και τη συλλογή µετρήσεων Ζ. ΥΛΙΚΑ ΜΕΣΑ Ι ΑΣΚΑΛΙΑΣ ύο ανόµοια µπωλ, δύο ανόµοια ποτήρια, νερό, κίτρινη και µπλε νεροµπογιά, έναν ογκοµετρικό κύλινδρο των 250 ml και έναν χάρακα. 2 προχοϊδες, ένα ποτήρι, ένα χωνί και λίγο νερό Η. Στάδια υλοποίησης του σεναρίου Το παρακάτω σενάριο θα επαναληφθεί 4 φορές για 2 πειράµατα προσοµοίωσης και 2 µηχανικά ανάλογα: 1 η φάση, εντοπισµός του προβλήµατος. ιεξαγωγή του πρώτου πειράµατος προσοµοίωσης από το καθηγητή για εξοικείωση των µαθητών στη τεχνική. ιατύπωση των ερωτηµάτων 2 η φάση, πρόβλεψη- διατύπωση υποθέσεων 3 η φάση, πειραµατικός έλεγχος των προβλέψεων 4 η φάση διατύπωση συµπερασµάτων στο τέλος της 1 ης, 2 ης, θα γίνουν επιµέρους αξιολογήσεις ενώ στο τέλος της 4 ης ώρας θα γίνουν οι φάσεις 5 η και 6 η 5 η φάση ασκήσεις - εφαρµογή 6 η φάση συνολική αξιολόγηση

3 ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΑ ΑΝΑΛΟΓΑ 1) Μηχανικό ανάλογο της ισορροπίας µε δύο µπωλ Γεµίζουµε τα µπωλ µε νερό µέχρι τη µέση του ύψους τους περίπου. ιαλύουµε τη κίτρινη νεροµπογιά στο ένα µπωλ και τη µπλε στο άλλο. Γεµίζουµε µε το µικρό ποτήρι από το αριστερό µπωλ και ρίχνουµε το νερό στο δεξί µπωλ. Μετά µε το µεγάλο ποτήρι παίρνουµε νερό από το δεξί µπωλ και το ρίχνουµε στο αριστερό. Ζητάµε από τους µαθητές να προσβλέψουν τι θα γίνει µε τη στάθµη του νερού στα δύο µπωλ, µετά από προσπάθειες, µιας και το µεγάλο ποτήρι µεταφέρει πιο πολύ νερό από το µικρό. Σκοπός µας είναι η γνωστική σύγκρουση. Όλες οι απόψεις γίνονται δεκτές χωρίς σχολιασµό. Μπορούµε αν θέλουµε να καταγράφουµε τους όγκους νερού που µεταφέρουν τα 2 ποτήρια και παρακολουθούµε το χρώµα των δύο υγρών. Μετά από 5 προσπάθειες ζητάµε από τους µαθητές να ελέγξουν τις προβλέψεις τους. Συνεχίζουµε για άλλες 5-10 προσπάθειες, µετράµε τη στάθµη στα δύο µπωλ για τις 3 τελευταίες µεταγγίσεις και εξάγουµε συµπεράσµατα: Το χρώµα και των δύο µπωλ έγινε πράσινο που προήλθε από την ανάµειξη του κίτρινου και του µπλε και είναι το ίδιο και στα δύο µπωλ. Ο όγκος του νερού που µετέφερε το µεγάλο ποτήρι µειωνόταν συνεχώς αφού κατέβαινε γρήγορα η στάθµη στο δεξί µπωλ, ενώ ο όγκος στο αριστερό ποτήρι αύξανε ή παρέµενε σταθερός, αφού ανέβαινε η στάθµη στο αριστερό µπωλ. Στο τέλος τα δύο ποτήρια µετέφεραν ακριβώς τον ίδιο όγκο νερού και αυτό είχε σαν αποτέλεσµα να µην αλλάζει περαιτέρω ο όγκος των δύο µπωλ. Οι τελικοί όγκοι των 2 µπωλ δεν ήταν ποτέ ίσοι µεταξύ τους. Η ισορροπία είναι µια φυσική κατάσταση που πετυχαίνεται από το σύστηµα αυτόµατα χωρίς τη λήψη κανενός είδους µέτρου προφύλαξης: τυχαία ποτήρια, τυχαία µπωλ). Ισορροπία δεν σηµαίνει ότι έχουµε ίσους όγκους στα δύο µπωλ τελικά, αλλά ότι δεν αλλάζει ο όγκος στο κάθε µπωλ µετά από κάθε µετάγγιση. Έτσι συγκρουόµαστε µε αυτή την προσχηµατισµένη αντίληψη των µαθητών. 2) µηχανικό ανάλογο µε προχοϊδες Μία προχοϊδα αδειάζει το περιεχόµενό της (νερό) σε άλλη προχοϊδα που έχει ανοιχτή τη στρόφιγγά της, έτσι ώστε η παροχή εισόδου να είναι ίση µε τη παροχή εξόδου. Η στάθµη στη δεύτερη προχοϊδα παραµένει σταθερή. Αντίθετα ανεβαίνει ή κατεβαίνει αν οι παροχές εισόδου εξόδου δεν είναι ίσες. Πείραµα επίδειξης. Οι µαθητές απλώς συζητούν τις έννοιες της δυναµικής και στατικής ισορροπίας και τις επεκτείνουν σε άλλα παραδείγµατα εκτός χηµείας. 2 Γιάννης Μίχας, υπεύθυνος ΕΚΦΕ Εύβοιας

4 ΦΥΛΛΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 1 Αρχίζουµε να µεταγγίζουµε µε τα δύο ποτήρια νερό από το ένα µπωλ στο άλλο. Κάθε φορά µετράµε µε ένα χάρακα το ύψος του νερού στα δύο µπωλ. Να προβλέψετε το ύψος της στάθµης του νερού στα δύο µπωλ, µετά από 10 µεταγγίσεις, µιας και το µεγάλο ποτήρι µπορεί να µεταφέρει πιο πολύ νερό από το µικρό: 1) ως προς το ύψος του νερού στο κάθε µπωλ (ποιο µπωλ θα έχει το περισσότερο νερό και 2) ως προς το χρώµα του νερού. ΠΙΝΑΚΑΣ 1. ΣΤΑΘΜΗ ΝΕΡΟΥ ΣΤΑ 2 ΜΠΩΛ ΜΕΤΑ ΑΠΟ ΚΑΘΕ ΜΕΤΑΓΓΙΣΗ Μεταγγίσεις 0 1 η 2 η 3 η 4 η 5 η 6 η 7 η 8 η 9 η 10 η Αριστερό µπωλ εξιό µπωλ Να επαληθεύσετε τη πρόβλεψή σας και να δώσετε µια εξήγηση.. Πείραµα µε τις προχοϊδες Βάζουµε δύο προχοϊδες µε τα stands τους, τη µία πάνω από την άλλη, έτσι ώστε όταν αδειάζει η µία να γεµίζει η άλλη. Τοποθετούµε τη µία προχοϊδα στο πάγκο και την άλλη στο πάτωµα. Βάζουµε επίσης από ένα χωνί και ένα ποτήρι των 200 ml στο πάτωµα για τη συλλογή του νερού. Γεµίζουµε τη πάνω προχοϊδα µε νερό και ρυθµίζουµε τις δύο στρόφιγγες, έτσι ώστε, όσο νερό πέφτει στη κάτω προχοϊδα από τη πάνω, τόσο να φεύγει από την κάτω προς το ποτήρι συλλογής. Έτσι η στάθµη του νερού στη κάτω προχοϊδα µένει σταθερή. Κατόπιν επαναλαµβάνουµε το πείραµα πειράζοντας λίγο τις στρόφιγγες, ώστε η στάθµη να ανεβαίνει ή να κατεβαίνει σιγά σιγά. Πότε η στάθµη στην κάτω προχοϊδα παραµένει σταθερή, πότε πέφτει και πότε ανεβαίνει; Ορισµός δυναµικής ισορροπίας:. Γιάννης Μίχας, υπεύθυνος ΕΚΦΕ Εύβοιας

5 Άλλα παραδείγµατα δυναµικής ισορροπίας: Συµπύκνωση εξάτµιση Λιοντάρια αντιλόπες: Αν τα λιοντάρια έπιαναν όλες τις αντιλόπες θα πέθαιναν από τη πείνα Πληθυσµός της Ελλάδας Σωµατικό βάρος = φαγητό ενεργειακές ανάγκες του οργανισµού. Παραδείγµατα έλλειψης ισορροπίας: Έλλειµµα τρεχουσών συναλλαγών = χρήµατα που δαπανώνται για εισαγωγές σε ένα χρόνο χρήµατα που κερδίζονται από εξαγωγές σε ένα χρόνο. Πληθυσµός Ινδίας = γεννήσεις θάνατοι Οι καταστάσεις έλλειψης ισορροπίας είναι ασταθείς και είναι θέµα χρόνου η ανατροπή τους. Ένα σύστηµα οδεύει αυθόρµητα προς την ισορροπία του. Όταν αυτή διαταραχτεί οδεύει πάλι αυθόρµητα προς µια ισορροπία διαφορετική, όµως από τη προηγούµενη. Ερωτήσεις επανάληψης - ΥΝΑΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ Πως µπορούµε να κρατάµε σταθερή τη στάθµη στη κάτω προχοϊδα, έχοντας και τις δύο προχοϊδες ανοιχτές; Τι θα συµβεί αν αυξήσουµε τη ροή στην πάνω προχοϊδα; Τι θα συµβεί αν αυξήσουµε τη ροή στη κάτω προχοϊδα; Ο ορισµός της δυναµικής ισορροπίας µπορεί να εφαρµοστεί και στο εξαγωγικό εµπόριο µιας χώρας. Η µη ισορροπία τότε λέγεται έλλειµµα ή πλεόνασµα τρεχουσών συναλλαγών. Έχετε ακούσει ποτέ αυτό τον όρο; Πότε έχουµε ισορροπία στο εξαγωγικό εµπόριο και πως νοµίζετε ότι είναι η φυσιολογική εξέλιξη στις εµπορικές σχέσεις δύο χωρών που έχουν διαταραγµένη ισορροπία; Γιάννης Μίχας, υπεύθυνος ΕΚΦΕ Εύβοιας

6 Σε όλα τα παραπάνω πειράµατα µπορούµε να έχουµε και στατική ισορροπία εκτός της δυναµικής. Πως; ΑΒ. Co 2+. Προχοϊδες Εµπόριο