نکاتی در رابطه با تعادل های شیمیایی
تعادل شیمیایی برای آشنایی دانش آموزان با سایر مفاهیم شیمی از جمله هیدرولیز، عملکرد اسیدها و بازها، واکنشهای اکسایش- کاهش و محلولها خیلی ضروری است و تسلط بر مفهوم تعادل شیمیایی، تسلط بر سایر مفاهیم شیمی را تسهیل می کند.
پیدایش نظریه های حاکم بر تعادل شیمیایی به سالهای 1860 و فعالیتهای وانت هوف، گیبس، لوشاتلیه و دیگران در زمینه واکنشهای ناکامل و برگشت پذیر بر می گردد.
طرح بحث تعادل های شیمیایی در کتابهای درسی مدارس به سالهای 1960 بر می گردد.
چالش های موجود در یاددهی- یادگیری تعادل های شیمیایی
بررسی ها نشان داده است که بخش اعظم دبیران شیمی، تدریس تعادل شیمیایی را مشکل دانسته اند. بحث تعادل شیمایی که آمیخته ای از مباحث سینتیکی، ترمودینامیکی و ریاضی است، از مباحث انتزاعی شیمی فیزیک محسوب می شود که مشکلاتی را در فرایند یاددهی- یادگیری آن در سه بعد تفکر ماکروسکوپی، مولکولی و نمادی ایجاد کرده است.
مولکولی
نمادی
ماکروسکوپی
دیدگاههای سینتیکی در تعادل های شیمیایی
از دیدگاه سینتیکی، برای مثال در تجزیه آمونیم کلرید به آمونیاک و هیدروژن کلرید، اجزای واکنش 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.
همچنین دو واکنش رفت و برگشت با سرعت های یکسانی پیش می روند.
دیدگاههای ترمودینامیکی در تعادل های شیمیایی
از دیدگاه ترمودینامیکی، شرایط حاکم بر تعادل از قانون دوم ترمودینامیک پیروی می کند. یعنی در حالت تعادل، انتروپی سیستم به حداکثر مقدار خود رسیده و انرژی آزاد گیبس نیز به حداقل مقدار خود (صفر) می رسد.
برای بررسی تغییرات دما و تاثیر آن بر وضعیت تعادل، از قوانین ترمودینامیک و متغیرهایی نظیر آنتالپی، انتروپی و انرژی آزاد گیبس استفاده می شود.
∆G =∆H- T∆S
اصل محوری در پیش بینی وضعیت تعادل های شیمیایی
در 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.
آنچه که در بحث تعادل در دوره پیش دانشگاهی بیش از هر موضوعی شناخته شده است، اصل لوشاتلیه است که به صورت فرمت ساده شده ای برای پیش بینی تغییرات یک واکنش تعادلی استفاده می شود.
اصل لوشاتلیه در شرایط استاندارد و برای گازهای با فشار کم و محلولهای بسیار رقیق صادق است.
تعریف های مختلف اصل لوشاتلیه
تعریف 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.
تعریف 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 می رود که آنتالپی آن کم است و این دو اثر یکدیگر را خنثی کرده و به برقراری مجدد تعادل کمک می کنند.
تعریف های ساده شده اصل لوشاتلیه
افزایش 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 می دهد).
اگر 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 نمی گیرد).
کاهش دمای سیستم تعادلی، به نفع واکنش گرماده است و افزایش دما به نفع واکنش گرماگیر است.
اهداف دنبال شده در آموزش تعادل شیمیایی در مدارس
واکنش های کامل و برگشت پذیر را تشخیص دهد و برای هر کدام مثالی بزند؛ جهت یک واکنش تعادلی را پس از اعمال تغییری در یکی از اجزای سیستم تعادلی به کمک اصل لوشاتلیه معین کند.
با کاربردهای عملی اصل لوشاتلیه و پیش بینی جهت جابجایی واکنش و محاسبات مربوط به تغییر غلظت آشنا شود.
رابطه ثابت تعادل را برای هر واکنش تعادلی بنویسد؛ با استفاده از ثابت تعادل غلظت واکنش دهنده ها و فراورده ها را محاسبه کند.
با برخی از کاربردهای عملی ثابت تعادل و اثر کاتالیزگر در یک واکنش تعادلی آشنا شود.
مشکلات یاددهی- یادگیری تعادل های شیمیایی
در محاسبات مربوط به تغییرات غلظت اجزای تعادل، دانش آموزان در کاربرد مول و غلظت (مول بر لیتر) دچار سر درگمی می شوند:
زمانی 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.
دانش آموزان با تولید فلزات و ناپدید شدن در یک سیستم تعادلی، دچار توهم و تصور غلط می شوند و فرض می کنند که غلظت مواد به هنگام تعادل دچار نوسان می شود و غلظت آنها تغییر می کند.
در 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 می دهد.