ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΤΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ 30/1/2018 Κατερίνα Σάλτα ΔιΧηΝΕΤ 2017-2018
Πως Μαθαίνουμε; Τι Μαθαίνουμε; Ανάλυση Χημικών Εννοιών
Διεπιστημονική φύση της Διδακτικής της Χημείας Σχήμα 1: Επιστημονικά πεδία αναφοράς της Διδακτικής της Χημείας (προσαρμογή από Duit, 2007) Duit, R. (2007). Science education research internationally: Conceptions, research methods, domains of research. Eurasia Journal of Mathematics, Science & Technology Education, 3(1), 3 15.
Ιστορία της Χημείας Η ιστορία της Χημείας βοηθά τη Διδακτική της Χημείας να διερευνήσει αναπτύξει εκπαιδευτικά υλικά και στρατηγικές που προωθούν την ουσιαστική μάθηση της Χημείας.
Ιστορία της Χημείας Αποτελέσματα ερευνών δείχνουν ότι: Οι εκπαιδευτικοί μπορούν να ωφεληθούν από την Ιστορία της Χημείας στη βελτίωση της διδασκαλίας περισσότερο από όσο μπορούν να βοηθηθούν οι μαθητές στην κατανόηση της ύλης. Η γνώση της ιστορίας της Χημείας είναι πολύτιμο εργαλείο για την οργάνωση και επεξεργασία της διδασκόμενης ύλης, όπως και για την πρόβλεψη των δυσκολιών που αντιμετωπίζουν οι μαθητές.
Ταξινόμηση χημικών εννοιών (Jensen, 1998a) Η μελέτη της ιστορίας της Χημείας μας παρέχει ένα σχήμα ταξινόμησης: οι έννοιες και τα μοντέλα της Χημείας διαιρούνται σε τρεις κατηγορίες ή διαστάσεις, ανάλογα με το αν εξετάζουν: τη σύσταση/δομή, την ενέργεια, το ρόλο του χρόνου στις χημικές διαδικασίες τρία εννοιολογικά επίπεδα: το μακροσκοπικό το μοριακό το ηλεκτρικό Το καθένα από τα όποια αντιστοιχεί σε μια ιστορική φάση ανάπτυξης της Χημείας
Οι ιστορικές φάσεις ανάπτυξης της Χημείας Η ανάπτυξη της Χημείας καθορίστηκε από τρεις «χημικές επαναστάσεις» 1770-1790: Η διάσημη επανάσταση του Lavoisier μας εισήγαγε στη σημερινή μακροσκοπική άποψή μας για τη Χημείας Η πραγματική σημασία της εργασίας του βρίσκεται στις επιπτώσεις που είχε για την έννοια της χημικής σύστασης στο μακροσκοπικό επίπεδο παρά στη συγκεκριμένη αναθεώρηση των μοντέλων για την καύση και την αναπνοή θεωρία φλογιστού. (Jensen, 1998b) Jensen, W. B.(1998b). Logic, History and Chemistry Textbooks III. One Chemical Revolution or Three, 75(8), 961-969.
Οι ιστορικές φάσεις ανάπτυξης της Χημείας 1855-1875: Η επανάσταση έγινε από τις εργασίες ομάδας χημικών για τις έννοιες του σθένους, της μοριακής δομής, και της επιτυχούς επίλυσης του προβλήματος προσδιορισμού των ατομικών και μοριακών βαρών, με αποκορύφωμα τον περιοδικό νόμο (E. Frankland, J. Van't Hoff, Mendeleev) (Jensen, 1998b) Jensen, W. B.(1998b). Logic, History and Chemistry Textbooks III. One Chemical Revolution or Three, 75(8), 961-969.
Οι ιστορικές φάσεις ανάπτυξης της Χημείας 1904-1924: Η τρίτη χημική επανάσταση, που μας εισήγαγε στην ηλεκτρική προσέγγιση της Χημείας, μοιράζεται με τη Φυσική (R. Abegg -συσχέτιση μεταξύ του περιοδικού πίνακα και του αριθμού των ηλεκτρονίων σθένους -, G. Lewis). Χαρακτηρίζεται από την ευρύτερη ανάπτυξη μιας «ηλεκτρικής αντίληψης του κόσμου», η οποία αντικατέστησε τη μηχανική αντίληψη του κόσμου που είχε εξουσιάσει τη δυτική επιστήμη από την αρχή του 17ου αιώνα. (Jensen, 1998b) Jensen, W. B.(1998b). Logic, History and Chemistry Textbooks III. One Chemical Revolution or Three, 75(8), 961-969.
Ταξινόμηση χημικών εννοιών (Jensen, 1998a) Επίπεδα Μακροσκοπικό Μοριακό Διαστάσεις Σύσταση και δομή Ενέργεια Χρόνος 1. Σχετική σύσταση χημικών στοιχείων και χημικών ενώσεων, διαλυμάτων και μιγμάτων. 2. Μοριακοί & συντακτικοί τύποι. Ερμηνεία των διαφόρων μορφών ως παραλλαγές στην απόλυτη σύσταση (πολυμερή) και στη δομή (ισομερή). 4. Θερμιδομετρικές ενθαλπίες αντίδρασης, εντροπίες & ενθαλπίες σχηματισμού, ελεύθερες ενέργειες & σταθερές ισορροπίας. 5. Ερμηνεία των ενθαλπιών σχηματισμού με βάση τις ενθαλπίες διάσπασης σε άτομα, των μέσων ενεργειών δεσμών, κ.λπ. Μοριακή ερμηνεία της εντροπίας. 7. Πειραματικοί νόμοι ταχύτητας. Πειραματικές παράμετροι του Arrhenius και ενέργειες ενεργοποίησης. 8. Μοριακοί μηχανισμοί αντιδράσεων. Μοριακή θεώρηση των ενεργειών ενεργοποίησης και των ενεργοποιημένων συμπλόκων Ηλεκτρικό 3. Ηλεκτρονικοί τύποι (τύποι Lewis & ηλεκτρονικές διαμορφώσεις). Διαφορές στην ηλεκτρονική και την πυρηνική σύσταση (ιόντα & ισότοπα) και στη δομή (διεγερμένες καταστάσεις). 6. Υπολογισμός των ενεργειών με βάση την ηλεκτρονική δομή. Ερμηνεία των φασμάτων. 9. Μηχανισμοί ιοντικών & φωτοχημικών αντιδράσεων. Ισοτοπικό φαινόμενο.
Η πρώτη διάσταση: σύσταση/δομή Η σύσταση και η δομή είναι λογικά διακριτοί όροι της μοριακής «ανατομίας», που όμως συνδέονται στενά μεταξύ τους Η δομή είναι μια μοριακή έννοια και επομένως αυτή η πτυχή απουσιάζει από το μακροσκοπικό επίπεδο, όπου ακόμη και η έννοια της σύστασης περιορίζεται σοβαρά εξ αιτίας της μη αναφοράς στα άτομα.
Η πρώτη διάσταση: σύσταση/δομή Μακροσκοπικό επίπεδο Με βάση πειραματικά δεδομένα μπορούμε: να διακρίνουμε τα χημικά στοιχεία από τις χημικές ενώσεις και τα διαλύματα από τα ετερογενή μίγματα να προσδιορίσουμε το είδος των στοιχείων που περιέχονται σε ένα υλικό και τις σχετικές τους ποσότητες, εκφρασμένες ως ποσοστό (%) w/w, χωρίς αναφορά σε χημικούς τύπους να διακρίνουμε δύο υλικά που περιλαμβάνουν τα ίδια είδη στοιχείων, έχουν την ίδια κατά βάρος σύσταση αλλά διαφορετικές ιδιότητες, με κάποιο πρόσθετο χαρακτηρισμό αέριο, υγρό, στερεό λευκός, κόκκινος, και μαύρος φωσφόρος άνθη και βελόνες θείου
Η πρώτη διάσταση: σύσταση/δομή Σύσταση σε μοριακό επίπεδο: πληροφορίες για το είδος και τον αριθμό των ατόμων Είδη ατόμων: ΑΒ ή ΑΓ Σύσταση Αναλογία ατόμων: ΑΒ ή ΑΒ 2 Αριθμός ατόμων Απόλυτος αριθμός: Α 2 Β 2 ή Α 6 Β 6
Η πρώτη διάσταση: σύσταση/δομή Δομή σε μοριακό επίπεδο: πληροφορίες για τον τρόπο σύνδεσης και την τρισδιάστατη χωρική διάταξη των ατόμων Σύνταξη: Α-Β-Γ ή Α-Γ-Β Δομή Γεωμετρία: Α-Β-Γ ή Α Β Γ Σχήμα μορίου Χειρομορφία ή εναντιοϊσομέρια
Η πρώτη διάσταση: σύσταση/δομή Ηλεκτρικό επίπεδο διευθέτηση ηλεκτρονίων και πυρήνων (πρωτονίων και νετρονίων) αναπαράσταση της διευθέτησης με μια ηλεκτρονική διαμόρφωση. εξήγηση μεταβολών στις ιδιότητες με τη μεταβολή είτε της ηλεκτρονικής σύστασης (δημιουργία ιόντων) είτε της ηλεκτρονικής δομής (δημιουργία διεγερμένων καταστάσεων) απαντούμε σε ερωτήματα Πως τα άτομα ενώνονται σχηματίζοντας ιόντα ή μόρια; Γιατί συνδυάζονται με ορισμένες αναλογίες αλλά όχι με άλλες; Γιατί ένα ισομερές είναι σταθερότερο από ένα άλλο;
Η δεύτερη διάσταση: ενέργεια Οι ατομικές και μοριακές δομές μπορούν να συνδεθούν με την ενέργεια και να χαρακτηριστούν από τη δυνατότητά τους να αποθηκεύσουν και να μεταφέρουν την ενέργεια. Η ενέργεια διαδραματίζει έναν βασικό ρόλο στον καθορισμό της δυνατότητας πραγματοποίησης μιας χημικής αντίδρασης. Μεταφορικά, η σύσταση και η δομή αποτελούν τη «μοριακή ανατομία», και η ενεργειακή διάσταση αποτελεί τη «μοριακή φυσιολογία».
Η δεύτερη διάσταση: ενέργεια Μακροσκοπικό επίπεδο Για κάθε ουσία, μπορούμε να μετρήσουμε την ενθαλπία σχηματισμού και την εντροπία χωρίς γνώση είτε της απόλυτης μοριακής σύστασής της είτε της μοριακής της δομής: άνθρακας(s) + υδρογόνο(g) μεθάνιο(g) μεθάνιο(0 Κ) μεθάνιο (298 Κ) ΔH f 0 = - 17.89 kcal/mol S 0 = 44.50 cal/mol Κ
Η δεύτερη διάσταση: ενέργεια Μακροσκοπικό επίπεδο Οι τρεις μορφές του φωσφόρου μπορούν να διακριθούν, όχι μόνο με βάση το χρώμα τους, αλλά με βάση συγκεκριμένες τιμές αυτών των δύο θερμοδυναμικών παραμέτρων (ενθαλπία σχηματισμού και εντροπία) Παράμετροι Αλλοτροπικές μορφές φωσφόρου Λευκός P Ερυθρός P Μαύρος P ΔH f 0 / kcal mol -1 0.00-4.41-10.28 S 0 / kcal mol -1 Κ -1 9.82 5.45-4.0
Η δεύτερη διάσταση: ενέργεια Μοριακό επίπεδο Μπορούμε να συσχετίσουμε τις σχετικές τιμές της εντροπίας υλικών με ίδια σύσταση με το βαθμό στον οποίο οι δομές τους περιορίζουν την κίνηση των μορίων και των ατόμων τους. Όσο λιγότεροι ή όσο χαλαρότεροι είναι οι περιορισμοί, τόσο μεγαλύτερη είναι η εντροπία της δομής: S 0 (λευκός P) > S 0 (κόκκινος P) > S 0 (μαύρος P) ανεξάρτητα μόρια P 4 εκτεινόμενες αλυσίδες εκτεινόμενα επίπεδα κανένας περιορισμός περιορισμένη κίνηση περιορισμένη κίνηση στη μοριακή κίνηση σε μια διάσταση σε δύο διαστάσεις
Η δεύτερη διάσταση: ενέργεια Ηλεκτρικό επίπεδο Με βάση την ηλεκτρονική και πυρηνική σύσταση/ δομή ενός υλικού υπολογίζονται οι ηλεκτρονικές ενέργειες από τις οποίες υπολογίζονται οι ενθαλπίες διάσπασης σε άτομα (μοριακό) και οι ενθαλπίες σχηματισμού (μακροσκοπικό). Οι μεταβολές στην ηλεκτρονική ενέργεια μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για να υπολογιστούν οι φασματικές μεταπτώσεις.
Η τρίτη διάσταση: χρόνος Στο μακροσκοπικό επίπεδο υπολογίζουμε τους εμπειρικούς νόμους ταχύτητας, καθώς επίσης τις ενέργειες και τις εντροπίες ενεργοποίησης. Στο μοριακό επίπεδο, δίνεται μια μοριακή ερμηνεία του νόμου της ταχύτητας με το μηχανισμό αντίδρασης και της ενέργειας ενεργοποίησης με το ενεργοποιημένο σύμπλοκο. Στο ηλεκτρικό επίπεδο προστίθενται οι μηχανισμοί που περιλαμβάνουν ιόντα και διεγερμένες καταστάσεις, καθώς επίσης και το ισοτοπικό φαινόμενο. (δομές συντονισμού για τον υπολογισμό του προτιμώμενου σημείου της ηλεκτρονιόφιλης προσβολής στα μονουποκατεστημένα βενζόλια και την εκτίμηση ποια, από μια σειρά μεταβατικές καταστάσεις, έχει την πιο ικανοποιητική ενέργεια ενεργοποίησης)
Συνδέσεις μεταξύ των τριών επιπέδων Τα μακροσκοπικά και μοριακά επίπεδα συνδέονται με το αξίωμα: «οι μακροσκοπικές ιδιότητες των ουσιών εκφράζονται ως συνάρτηση του μοριακού χαρακτήρα τους, της συγκέντρωσης, και της θερμοκρασίας» τα μοριακά και ηλεκτρικά επίπεδα συνδέονται με το αξίωμα: «ο μοριακός χαρακτήρας ενός υλικού είναι συνάρτηση της ηλεκτρονικής και πυρηνικής σύστασης και δομής του» Π.χ. προβλέπουμε τη γεωμετρία ενός μορίου χρησιμοποιώντας τη θεωρία VSEPR
Το αέριο Ο 2 στα τρία επίπεδα Επίπεδο Μακροσκοπικό Μοριακό Περιγραφή Άχρωμο, άοσμο, παραμαγνητικό, υψηλής δραστικότητας αέριο, απαραίτητο για τη ζωή, με περιεκτικότητα 21%v/v στον ατμοσφαιρικό αέρα, σ.τ.=54,8 Κ, σ.β.=90,2 Κ, πυκνότητα=1,43kg/m 3 στους 273 Κ Γραμμικό, διπλού δεσμού διατομικό μόριο (Ο 2 ) με μοριακό βάρος 31,98 amu Ηλεκτρικό :O=O: ή (2s σ) 2 (2s σ * ) 2 (2p π x ) 2 (2p π y ) 2 (2p σ) 2 (2p π x* ) 1 (2p π y* ) 1....