71 4. ΧΗΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ
72
73 ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΩΡΑ: 15 ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ: Χημική ισορροπία 4.1 Έννοια χημικής ισορροπίας Απόδοση αντίδρασης ΣΤΟΧΟΙ Στο τέλος αυτής της ώρας θα πρέπει ο μαθητής να μπορεί : Να ορίζει τι είναι χημική ισορροπία και να ταξινομεί τις χημικές ισορροπίες σε ομογενείς και ετερογενείς. Να ορίζει τι είναι απόδοση και να αναφέρει ποιος είναι ο ρόλος της στις χημικές αντιδράσεις. Να υπολογίζει την τιμή της απόδοσης μιας αντίδρασης αν γνωρίζει τις ποσότητες των αντιδρώντων και προϊόντων. ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΗ ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ - ΦΑΣΕΙΣ ΦΑΣΗ 1 Γίνεται σύνδεση με την αντίστοιχη ύλη της Α Λυκείου (διδακτική ενότητα 3.5). Υποβάλλονται ερωτήσεις (π.χ. Τι γνωρίζετε για την απόδοση μιας χημικής αντίδρασης; Με ποιους τρόπους μπορούμε να αυξήσουμε την απόδοση μιας αντίδρασης;), ώστε να εκτιμηθεί ο βαθμός αφομοίωσης των σχετικών γνώσεων. ΦΑΣΗ 2 Εξηγούμε μια φυσική ισορροπία π.χ. H 2 O (l) H 2 O (g) στην οποία έχουμε ήδη αναφερθεί στις ενότητες 1.1 και 1.2 (τάση ατμών και μείωση της τάσης ατμών - νόμος Raoult). Στο σημείο αυτό προβάλλουμε τη διαφάνεια Δ. 4.1.1. Στη συνέχεια προχωράμε στη χημική ισορροπία με το παράδειγμα H 2(g) + I 2(g) 2HI (g).
74 ΦΑΣΗ 3 Τονίζουμε ότι τόσο η χημική όσο και η φυσική ισορροπία είναι δυναμική ισορροπία. Οι ισορροπίες αυτές σε αντίθεση με τις στατικές ισορροπίες χαρακτηρίζονται από τα εξής σημεία: α) η σύσταση των αντιδρώντων-προϊόντων παραμένει σταθερή και β) οι ταχύτητες των δύο αντιθέτων αντιδράσεων είναι ίσες. Στο σημείο αυτό προβάλλουμε τη διαφάνεια Δ.4.1.2 Ορίζουμε τι είναι ομογενής και τι ετερογενής ισορροπία και δίνουμε σχετικά παραδείγματα, ενώ προβάλλουμε τη διαφάνεια Δ..4.1.3. ΦΑΣΗ 4 Ορίζουμε τι είναι απόδοση αντίδρασης και ξεκαθαρίζουμε ότι η α- πόδοση εκφράζει πόσο πολύ «προχωρά» μια αντίδραση. Επισημαίνουμε ότι η απόδοση μιας αντίδρασης έχει τεράστιο οικονομικό ενδιαφέρον στη βιομηχανία. Τέλος, επιλύουμε υποδειγματικά προβλήματα υπολογισμού της απόδοσης μιας αντίδρασης, αν γνωρίζουμε τις ποσότητες των αντιδρώντων (αρχικές ποσότητες) και τις ποσότητες των αντιδρώντων και προϊόντων στη θέση ισορροπίας, όπως είναι το παράδειγμα 4.2. ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Ασκήσεις για επίλυση στο σχολείο: 1, 2, 3, 4. Παράδειγμα 4.1, 4.2. Ασκήσεις για επίλυση στο σπίτι: 10, 11, 12, 13, 14, 16, 17, 18.
75 ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΡΟΗΣ ΔΙΔΑΚΤΙΚΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΕΣ ΦΑΣΗ 1 Σύνδεση με την αντίστοιχη ύλη της Α Λυκείου. ΦΑΣΗ 2 Φυσική και χημική ισορροπία. Διαφάνεια Δ.4.1.1: Νερό και υδρατμός σε ισορροπία. ΦΑΣΗ 3 Δυναμική ισορροπία- ομογενής και ετερογενής ισορροπία. Διαφάνεια Δ.4.1.2: Χαρακτηριστικά χημικής ισορροπίας. Διαφάνεια Δ.4.1.3: Ετερογενής ισορροπία. ΦΑΣΗ 4 Απόδοση αντίδρασης. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Brown T.L., LeMay H.E., Bursten B.E., «Chemistry the central science», Prentice Hall, 7 th Edition, 1997, pag.539-541. 2. Gillespie R.J, Humphreys D. A., Baird N. C., Robinson E. A., «Chemistry», 2nd Edition, Allyn and Bacon, 1989, pag.630-631. 3. Hill J. W., Petrucci R. H., «General Chemistry», Prentice Hall, 1996, pag.607-609. 4. Atkins P., Jones L., «Chemistry -Molecules, Matter and Change», 3 rd Edition, Freeman, 1997, pag.473-475.
76 ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΩΡΑ: 16 ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ: Χημική ισορροπία 4.2 Παράγοντες που επηρεάζουν τη θέση χημικής ισορροπίας ΣΤΟΧΟΙ Στο τέλος αυτής της διδακτικής ώρας θα πρέπει ο μαθητής να μπορεί : Να καθορίζει τους παράγοντες που επηρεάζουν τη θέση μιας χημικής ισορροπίας (συντελεστές χημικής ισορροπίας) Να αναφέρει την αρχή Le Chatelier Να προβλέπει την επίδραση που έχουν οι συντελεστές χημικής ισορροπίας στη μετατόπιση ισορροπίας με βάση την αρχή Le Chatelier. ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΗ ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ - ΦΑΣΕΙΣ ΦΑΣΗ 1 Κατ αρχάς εξηγούμε τι σημαίνει μετατόπιση από τη θέση χημικής ισορροπίας. Στη συνέχεια ζητάμε από τους μαθητές να μας αναφέρουν τους παράγοντες που μπορούν να οδηγήσουν στη μετατόπιση μιας χημικής ισορροπίας. Με βάση τη συζήτηση που θα ακολουθήσει καταλήγουμε στους παράγοντες που επηρεάζουν τη θέση της χημικής ισορροπίας: α. τη θερμοκρασία (εφόσον η αντίδραση δεν είναι θερμοουδέτερη). β. τη συγκέντρωση των αντιδρώντων ή προϊόντων (εφόσον η ουσία δεν είναι στερεή). γ. την πίεση (εφόσον η μεταβολή της πίεσης προκαλείται από μεταβολή του όγκου του δοχείου και στην αντίδραση συμμετέχουν αέρια, ενώ κατά την αντίδραση παρατηρείται μεταβολή του αριθμού mol των αερίων). ΦΑΣΗ 2 Αναφέρουμε την αρχή Le Chatelier και εφαρμόζουμε αυτή αν μεταβάλλουμε: α. τη θερμοκρασία του συστήματος β. τη συγκέντρωση μιας ουσίας (αντιδρώντος ή προϊόντος) γ. τον όγκο του δοχείου.
77 Επισημαίνουμε ότι με βάση την αρχή Le Chatelier αναιρείται εν μέρει η μεταβολή που προκαλέσαμε (της θερμοκρασίας, πίεσης, συγκέντρωσης), καθώς το σύστημα ανακτά ξανά τη χημική ισορροπία, άλλα σε διαφορετική θέση. Τέλος, δίνουμε σχετικά παραδείγματα βασιζόμενοι κυρίως στις διαφάνειες Δ.4.2.1, Δ.4.2.2 και Δ.4.2.3. ΦΑΣΗ 3 Επιλύουμε υποδειγματικά προβλήματα καθορισμού της πορείας μιας αμφίδρομης αντίδρασης για την αποκατάσταση της νέας θέσης ισορροπίας (μετατόπιση προς τα δεξιά ή προς τα αριστερά), αν γνωρίζουμε τις μεταβολές που προκάλεσαν την μετατόπιση από την αρχική θέση της ισορροπίας (θερμοκρασίας, συγκέντρωσης, πίεσης). Ένα τέτοιο πρόβλημα είναι το παράδειγμα 4.3. ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΕΣ ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ - ΑΣΚΗΣΕΙΣ - ΠΡΟΒΛΗΜΑ- ΤΑ Ερωτήσεις -ασκήσεις για επίλυση στο σχολείο: 5, 6, 4.3, 20. Ερωτήσεις -ασκήσεις για επίλυση στο σπίτι: 7, 21, 22, 23, 24, 26.
78 ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΡΟΗΣ ΔΙΔΑΚΤΙΚΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΕΣ ΦΑΣΗ 1 Παράγοντες που επηρεάζουν τη θέση μιας χημικής ισορροπίας ΦΑΣΗ 2 Αρχή Le Chatelier. Διαφάνεια Δ.4.2.1: Επίδραση της θερμοκρασίας. Διαφάνεια Δ.4.2.2: Επίδραση της συγκέντρωσης. Διαφάνεια Δ.4.2.3: επίδραση της πίεσης. ΦΑΣΗ 3 Επίλυση υποδειγματικών ασκήσεων. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Brown T.L., LeMay H.E., Bursten B.E., «Chemistry the central science», Prentice Hall, 7 th Edition, 1997, pag.539-541. 2. Gillespie R.J, Humphreys D. A., Baird N. C., Robinson E. A., «Chemistry», 2nd Edition, Allyn and Bacon, 1989, pag.630-631. 3. Hill J. W., Petrucci R. H., «General Chemistry», Prentice Hall, 1996, pag.607-609. 4. Atkins P., Jones L., «Chemistry -Molecules, Matter and Change», 3 rd Edition, Freeman, 1997, pag.473-475. 5. Amann W. et al., Element Chemie II, Klett, 1998, pag.35-48.
79 ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΩΡΑ: 17 ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ: Χημική ισορροπία Εργαστηριακή άσκηση: Παράγοντες που επηρεάζουν τη θέση της χημικής ισορροπίας Ανάλυση και ενδεικτική διδακτική προσέγγιση της εργαστηριακής αυτής άσκησης δίνεται στο Γ Μέρος του βιβλίου.
80 ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΩΡΑ: 18 ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ: : Χημική ισορροπία 4.3 Σταθερά χημικής ισορροπίας: K C K P ΣΤΟΧΟΙ Στο τέλος αυτής της διδακτικής ώρας θα πρέπει ο μαθητής να μπορεί: Να αποδεικνύει το νόμο της χημικής ισορροπίας με βάση την κινητική μελέτη της αντίδρασης. Να ορίζει τις σταθερές K C και K P και να αναφέρει από ποιους παράγοντες εξαρτώνται οι τιμές τους. Να επιλύει προβλήματα στα οποία συνδέονται μερικά από τα α- κόλουθα μεγέθη: η απόδοση αντίδρασης, οι σταθερές ισορροπίας (K C ή Κ Ρ ), η ολική πίεση στη θέση ισορροπίας (Ρ ολ ), οι ποσότητες των αντιδρώντων ή προϊόντων και ο όγκος του δοχείου αντίδρασης. ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΗ ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ - ΦΑΣΕΙΣ ΦΑΣΗ 1 Δίνουμε τον ορισμό της K C μιας χημικής εξίσωσης και εξηγούμε πως καταλήγουμε στη σχέση αυτή με βάση την κινητική μελέτη της αντίδρασης. Επισημαίνουμε ότι η τιμή της σταθερά K C εξαρτάται από τον τρόπο που γράφουμε χημική εξίσωση που περιγράφει την ισορροπία (βλέπε παράδειγμα 4.4). Επίσης η τιμή της σταθερά K C εξαρτάται από τη θερμοκρασία και μάλιστα αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας στις ενδόθερμες αντιδράσεις και μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας στις εξώθερμες. Στο σημείο αυτό προβάλλουμε τη διαφάνεια Δ.4.3.1 και με βάση αυτή αναφέρουμε ότι μεγάλη τιμή της σταθεράς ισορροπίας υποδηλώνει αντίδραση με μεγάλη απόδοση, ενώ μικρή τιμή της σταθεράς ισορροπίας υποδηλώνει αντίδραση με μικρή απόδοση.
81 ΦΑΣΗ 2 Ορίζουμε αντίστοιχα την Κ Ρ μιας αμφίδρομης αντίδρασης και βρίσκουμε με βάση την καταστατική εξίσωση των αερίων τη σχέση που συνδέει την Κ C με την Κ Ρ. Ρωτάμε τους μαθητές υπό ποιες συνθήκες Κ C = Κ Ρ και περιμένουμε την απάντηση: «όταν α+β = γ+δ ή όταν RT = 1». ΦΑΣΗ 3 Ορίζουμε το κλάσμα Q C (πηλίκο αντίδρασης) και εξηγούμε πως από τη σχέση Q C με K C μπορούμε να προβλέψουμε αν μια αμφίδρομη αντίδραση βρίσκεται σε κατάσταση χημικής ισορροπίας (Q C =K C ). Επίσης εξηγούμε πως μπορούμε να προβλέψουμε την πορεία μιας αμφίδρομης αντίδρασης για την αποκατάσταση της θέσης χημικής ισορροπίας (προς τα δεξιά ή προς τα αριστερά) σε περίπτωση που Q C K C. Συνοπτικά μπορούμε να πούμε: Αν Q C < K C, τότε αντιδρώντα προϊόντα Αν Q C = K C, τότε το σύστημα είναι σε ισορροπία Αν Q C >K C, τότε αντιδρώντα προϊόντα. ΦΑΣΗ 4 Επιλύουμε υποδειγματικά προβλήματα χημικής ισορροπίας τα οποία συσχετίζουν μερικά από τα ακόλουθα μεγέθη: απόδοση αντίδρασης, σταθερές ισορροπίας (K C ή Κ Ρ ), πίεση μίγματος στην κατάσταση ισορροπίας (Ρ), ποσότητες αντιδρώντων ή προϊόντων και όγκος δοχείου αντίδρασης. Χαρακτηριστικά παραδείγματα τέτοιων προβλημάτων είναι τα υποδείγματα 4.5 έως 4.11. ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Ασκήσεις για επίλυση στο σχολείο: Παραδείγματα 4.4, 4.5, 4.6, 4.7, 4.8, 4.9, 4.10, 4.11. Ασκήσεις για επίλυση στο σπίτι: 27, 29, 31, 33, 36, 38, 40.
82 ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΡΟΗΣ ΦΑΣΗ 1 Σταθερά ισορροπίας, K c ΔΙΔΑΚΤΙΚΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΕΣ Διαφάνεια Δ.4.3.1: Διαγραμματικά τι εκφράζει η τιμή της σταθεράς ισορροπίας. ΦΑΣΗ 2 Σταθερά ισορροπίας, K p. Σχέση μεταξύ K c και K p. ΦΑΣΗ 3 Πηλίκο αντίδρασης, Q C ΦΑΣΗ 4 Υποδειγματική επίλυση προβλημάτων χημικής ι- σορροπίας. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Brown T.L., LeMay H.E., Bursten B.E., «Chemistry the central science», Prentice Hall, 7 th Edition, 1997, pag.543-571. 2. Gillespie R.J, Humphreys D. A., Baird N. C., Robinson E. A., «Chemistry», 2nd Edition, Allyn and Bacon, 1989, pag.631-657. 3. Hill J. W., Petrucci R. H., «General Chemistry», Prentice Hall, 1996, pag.609-639. 4. Atkins P., Jones L., «Chemistry -Molecules, Matter and Change», 3 rd Edition, Freeman, 1997, pag.482-507. 5. Amann W. et al., «Element Chemie II», Klett, 1998, pag.35-48.