Е.А.Алферова, Е.Ю.Раткевич, Г.Н.Мансуров
Изучение химического равновесия и принципа Ле Шателье в 9классе с использованием компьютера
Одним из приемовактивизации мыслительной деятельности учащихся на уроках химии является моделированиехимического эксперимента на базе компьютерной технологии [1-5]. Это ни в коем случае не заменяет традиционные практическиеи лабораторные работы, предусмотренные школьной программой по химии, а лишьдополняет экспериментальную часть обучения, дает возможность более рациональнои доходчиво организовать изучение таких тем по химии, для которыхдемонстрационный эксперимент невозможен в условиях школьной практики (выделениевредных, ядовитых веществ, отсутствие дорогостоящих, редких реактивов, демонстрациявзрывчатых веществ, моделирование промышленных реакторов для производства химическихвеществ и др.). Применение компьютера в такой ситуации может оказаться тем единственнымтехническим средством, которое позволит обеспечить оптимальные условия восприятияизучаемого материала.
В качестве примераприменения комплексного моделирования рассмотрим проведение урока на тему «Обратимыехимические реакции» (9 класс). Учитель сообщает, что реакции могут бытьнеобратимые и обратимые. Необратимые реакции протекают в одном направлении до полногопревращения взятых в стехиометрическом соотношении исходных веществ в продуктыреакции. При обратимых химических процессах образующиеся продукты реакции немедленноначинают превращаться в исходные вещества, т.е. реакции протекают одновременнов двух направлениях — прямом (со скоростью v1) и обратном (со скоростью v2). При выравнивании скоростейпротекания этих реакций (v1=v2) в системе устанавливается химическое равновесие.Примером такого равновесия является реакция синтеза аммиака из водорода и азота:
/>
Следовательно,в состоянии равновесия две реакции — прямая (синтез аммиака) и обратная(разложение аммиака) протекают одновременно и с одинаковыми скоростями, аконцентрации исходных веществ и продуктов реакции не изменяются во времени.Схематически изменение скорости прямой и обратной реакций во времени, а такжедостижение состояния химического равновесия можно представить в следующем виде(рис.1):
/>
Рис.1. Достижение состояния химического равновесия в системе.
В зависимостиот внешних воздействий (изменение концентрации одного или несколькихкомпонентов реакции, температуры или давления) рассматриваемая реакция можетсмещаться как в сторону синтеза, так и в сторону разложения (диссоциации) аммиака.
Посмотрим,например, как влияет изменение концентрации реагентов на состояние химическогоравновесия. После изменения концентрации какого-либо компонента равновеснойсистемы (осуществляется нажатием соответствующих кнопок клавиатуры компьютера)на экране монитора можно наблюдать процесс смещения равновесия. Допустим, мыуменьшили концентрацию водорода. Скорость прямой реакции (v1) уменьшилась, аскорость обратной (v2) — увеличилась; равновесие сместилосьвлево. Если же уменьшить концентрацию аммиака, то, на экране монитора мыувидим, что равновесие сместится вправо, т.е. в сторону синтеза аммиака.
Задаемучащимся вопрос: за счет чего система самопроизвольно может восстановить равновесие,если в результате внешнего воздействия уменьшилась концентрация одного из компонентов?Проанализировав наблюдаемую на экране монитора динамику смещения равновесия,учащиеся без труда придут к заключению, что равновесие смещается в направлениитой реакции при которой это удаленное вещество образуется. Эта реакцияравновесной системы будет как бы противодействовать внешнему воздействию.
Затемобращаем внимание учащихся на то, как влияет изменение давления на систему, находящуюсяв состоянии равновесия. Нажатием клавиши на клавиатуре компьютера учительподает команду на повышение давления в системе — учащиеся наблюдают на экранемонитора динамику построения гистограммы (рис.2)[1] в процессеустановления равновесия при каждом последующем повышении давления и графикавлияния давления на содержание реагирующих веществ и продуктов реакции последостижения состояния равновесия (рис.3). Анализируя рисунки 2 и 3, учащиесяприходят к выводу, что с увеличением давления молярная доля аммиака (X(NH3))увеличивается,а водорода (Х(H2)) и азота (Х(N2))-уменьшается, т.е. равновесие смещается в сторону синтеза аммиака.
/>
/>
Рис. 2. Гистограмма изменения ìîëÿðíîé äîëè êîìïîíåíòîâ ðàâíîâåñíîé ñèñòåìû.
Рис. 3. Влияние давления на содержание реагирующих веществ и продуктов реакции в системе, находящейся в состоянии равновесия.
Какже следует объяснить результаты проведенного опыта? Здесь, по-видимому, нужновспомнить, что с увеличением давления растет число столкновений частиц газа состенками сосуда, в котором находится газообразное вещество. Чем больше частиц,тем больше столкновений. Но при синтезе аммиака, как известно, из 1 молекулыазота и 3 молекул водорода образуется 2 молекулы аммиака, т.е. число частиц всистеме уменьшается в 2 раза. Увеличение давления равносильно как бы увеличениючисла частиц в системе. Для восстановления равновесия число частиц в системедолжно уменьшаться, а это возможно при условии смещения равновесия в сторонусинтеза аммиака (см. рис.3). Таким образом, система как бы противодействуетоказываемому внешнему воздействию.
Рассмотренноевыше объяснение можно проиллюстрировать на экране монитора с помощьюмультфильма. Предположим, что синтез аммиака протекает в сосуде с поршнем (рис.4а). Чтобы повысить давление в системе, нужно опустить поршень вниз. Объем, вкотором находилась система, уменьшается.
/>
/>/>Рис. 4. Модельная демонстрация влияниядавления на смещение равновесия в системе N2 + 3H2 2NH3.
После этогосистема самопроизвольно будет стремиться к восстановлению состояния равновесияуже в меньшем объеме, что достигается в результате смещения равновесия всторону синтеза аммиака, когда из четырех молей смеси азота и водородаобразуется два моля аммиака (рис. 4б). Таким образом, уменьшение объема врезультате смещения равновесия снижает давление, т.е. ослабляет внешнее воздействие.
Рисунок4 отражает начальное и конечное состояния системы, тогда как на экране монитораучащиеся наблюдают весь процесс в динамике, что значительно облегчаетвосприятие изучаемого материала.
И,наконец, посмотрим, как влияет изменение температуры. Как и в случае сдавлением, после команды учителя с клавиатуры компьютера на повышениетемпературы, учащиеся наблюдают на экране монитора динамику построениягистограммы (рис.5) в процессе установления равновесия при каждом последующемповышении температуры и рисунка 6 после достижения состояния равновесия.
/>
/>
Рис. 5. Гистограмма влияния температуры на молярную долю азота, водорода и аммиака.
Рис. 6. Влияние температуры на содержание реагирующих веществ и продуктов реакции в системе после достижения состояния равновесия.
Каквидно из рисунков 5 и 6, при повышении температуры молярная доля аммиака уменьшается,а водорода и азота — увеличивается, т.е. равновесие смещается в сторонуразложения аммиака.
Здесьследует обратить внимание учеников на то, что реакция синтеза аммиака являетсяэкзотермической, т.е. сопровождается выделением тепла (рис.7б). Таким образом,по аналогии с предыдущими случаями, для самопроизвольного восстановленияравновесия в системе, с повышением температуры должна протекать эндотермическаяреакция, при которой этот избыток тепла (Q*- теплота,излучаемая горелкой или другим нагревательным прибором) компенсируется, т.е. поглощаетсяв ходе реакции разложения аммиака (рис.7в). Снова мы приходим к выводу, что привнешнем воздействии в равновесной системе будет протекать такой процесс, которыйослабляет это воздействие.
/>
/>/>Рис. 7. Модельная демонстрация влияниятемпературы на смещение равновесия в системе N2 + 3H2 2NH3 + Q.
Как ив предыдущих случаях на рисунке 7 представлена система в исходном и в конечномсостояниях, тогда как учащиеся наблюдают весь процесс на экране монитора вдинамике.
Послетого, как учащиеся рассмотрели все примеры внешнего воздействия на химическуюреакцию получения аммиака (химическую систему), они могут самостоятельносформулировать принцип смещения равновесия Ле Шателье.
Длязакрепления изученного материала целесообразно предложить учащимся, воспользовавшисьтем же программным продуктом [4-6], применить полученные знания к другимобратимым химическим реакциям. Кроме того, для обоснования практическогозначения принципа Ле Шателье, можно предоставить учащимся возможность с помощьюкомпьютера подобрать оптимальные условия для синтеза аммиака в условиях производства.
Известно,что одной из главных задач, которая решается при организации химического производства,является подбор и создание оптимальных условий (давление, концентрация и температура),обеспечивающих максимальный выход продукта. Учащимся предлагается выступить вроли технолога предприятия и самостоятельно подобрать такие условия для синтезааммиака из азота и водорода.
Пользователь(учащийся) вводит в компьютер необходимые значения переменных параметров(концентрацию, температуру и давление) и нажатием клавиши клавиатуры компьютераподает команду для определения выхода продукта реакции. На экране монитора оннаблюдает за построением трехмерного графика, на котором в виде точки высвечиваетсязначение максимального выхода продукта реакции для конкретно заданных параметров(температуры и давления). Один из фрагментов таких графиков приведен на рис.8:
/>
Рис. 8. Зависимостьвыхода аммиака от температуры и давления.
Каквидно из этого рисунка, оптимальный режим, обеспечивающий максимальный выходпродукта, не совпадает с режимом, используемым в промышленности. Для полученияболее точных результатов необходимо учитывать не только концентрацию,температуру и давление, но и целый ряд различных кинетических и технико-экономическихи экологических характеристик, которые могут оказаться определяющими припрактической реализации процесса. Приближенность полученного результата неснижает его ценности, т.к. позволяет учащемуся оценить не только теоретическую,но и практическую значимость принципа Ле Шателье, а так же реализовать своитворческие способности.
Притаком подходе к изучению нового материала и его закреплению, принцип ЛеШателье, а также его практическое применение становятся более доступными дляпонимания.
Использованиекомпьютерной технологии при изучении химии в средней школе открывает широкиевозможности для создания и использования сложного наглядно-демонстрационногосопровождения на уроке или при выполнении лабораторной работы. Кроме того, приповторении пройденного материала ученик самостоятельно воспроизводит вседемонстрационные эксперименты, которые учитель показывал на уроке. При этом онможет прервать эксперимент, остановить его или повторить ту часть, котораяплохо усвоилась. Такой подход развивает инициативу и способствует повышениюинтереса учащихся к изучаемому предмету.
Литература:
1. Борк А.Компьютеры в обучении: чему учит история // Информатика и образование.- 1990.-№ 5.- с.110 — 118.
2. Демушкин А.С.,Кириллов А.И., Сливина Н.А., Чубров Е.В., Кривошеев Л.О., Фомин С.С.Компьютерные обучающие программы.// Информатика и образование.- 1995.- № 3.- с.15-22.
3. Зуева М.В.,Иванова Р.Г., Каверина А.А., Минченков Е.Е. Обучение химии в 9 классе. -М.: Просвещение,1990.
4. НедошивинВ.П. Программа для обработки и моделирования результатов лабораторных работ(по естественно-научным дисциплинам). // Информатика и образование.- 1994.- №5.- с. 31-37.
5. Раткевич Е.Ю. Повышение эффективности формированияхимических знаний школьников при использовании информационной технологииобучения: Дисс. канд. пед. наук:13.00.02 .- М.- 1998.
6. Г.Н.Мансуров, В.П.Недошивин, Е.Ю.Раткевич. MV на уроках химии.Информатика и образование, 1997 г., №4, с.52-54