« ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΣΥΓΧΡΟΝΙΚΗΣ ΛΗΨΗΣ ΚΑΙ 13ο ΣΥΝΕΔΡΙΟ Ε. Ε. Φ. Πάτρα 17 - 21 / 3 / 2010 « ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΣΥΓΧΡΟΝΙΚΗΣ ΛΗΨΗΣ ΚΑΙ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ ΜΕ ΑΙΣΘΗΤΗΡΑ pH, ΣΤΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ » Κ. Χ. Χατζηϊωαννίδης, Δρ. Χημικός , Πειραματικό Γυμνάσιο Παν/μίου Πατρών, Συνεργάτης ΕΚΦΕ Πάτρας, Θ. Φιλιππάκης , Δρ. Φυσικός, Υπεύθυνος ΕΚΦΕ Πάτρας

εισαγωγή χημικό MBL σύστημα αισθητήρα pH. Σε μια κινητική μελέτη με χρήση MBL στα πλαίσια του Λυκείου, ο στόχος είναι να επιλεγεί το κατάλληλο χημικό σύστημα σε συνδυασμό με την επιλογή των αισθητήρων ώστε: να παρουσιάζει απλότητα χωρίς τεχνικές και άλλες δυσκολίες χημικό σύστημα αξιόπιστες καμπύλες MBL αποτελέσματα σε συμφωνία με τη βιβλιογραφία ολοκληρωμένο διδακτικό αποτέλεσμα (κάλυψη ύλης διδασκαλίας)

όπου α και β η τάξη ως προς τα Η+ και HCO3- αντίστοιχα. εισαγωγή Μελετήθηκε η κινητική της διάσπασης του όξινου ανθρακικού νατρίου (διάλυμα δικαρβονικών) παρουσία HCl σύμφωνα με την αντίδραση: H+ + HCO3- → H2O + CO2 Ακολουθήθηκε η μέθοδος των αρχικών ταχυτήτων όπως διδάσκεται στο μάθημα της Χημείας της θετικής κατεύθυνσης Β΄ Λυκείου. Ο νόμος της ταχύτητας για την παραπάνω αντίδραση εκφράζεται ως: υ = k [H+]α [HCO3-]β όπου α και β η τάξη ως προς τα Η+ και HCO3- αντίστοιχα. Οι μαθητές από τα πειραματικά δεδομένα υπολογίζουν τα α και β και βρίσκουν: την τάξη της αντίδρασης ( τα α, β και α+β) αν γίνεται σε ένα στάδιο (απλή) ή σε περισσότερα την τιμή της σταθεράς της ταχύτητας

εισαγωγή H χημική εξίσωση: H+ + HCO3- → H2O + CO2 Δείχνει ότι κατά τη διάρκεια της αντίδρασης το pH θα αυξάνεται λόγω συνεχούς μείωσης της συγκέντρωσης των κατιόντων H+. Επομένως ο αισθητήρας pH θα μπορεί να παρακολουθήσει την πορεία και τον ρυθμό της αντίδρασης. Η τάξη της αντίδρασης ως προς κάθε αντιδρών μπορεί να βρεθεί από την μορφή του αντιστοίχου διαγράμματος ταχύτητας – συγκέντρωσης.

διδακτικοί στόχοι ταχύτητα χημικής αντίδρασης τάξη χημικής αντίδρασης Κατανόηση των εννοιών: επίδραση της συγκέντρωσης στην ταχύτητα απλή χημική αντίδραση Κατανόηση της μεθοδολογίας εύρεσης της τάξης μιας χημικής αντίδρασης. Κατασκευή - ερμηνεία διαγραμμάτων της Χημικής Κινητικής. Ανάπτυξη εργαστηριακών δεξιοτήτων και ικανοτήτων στις νέες τεχνολογίες

πειραματική διάταξη Η πειραματική διάταξη περιλαμβάνει: Η πειραματική διάταξη περιλαμβάνει: το συγχρονικό σύστημα Logger pro της Vernier με καταγραφέα (logger) και αισθητήρα pH - θερμοκρασίας H/Y εφοδιασμένο με το κατάλληλο λογισμικό (logger pro 3.2) ποτήρι ζέσεως 50 ml και μαγνητική ανάδευση 0,1 M HCl (Διάλυμα Α) Αρχικά διαλύματα: 0,4 Μ ΝαΗCO3 (Διάλυμα Β)

πειραματική πορεία Σειρά πειραματικών ενεργειών: Συναρμολόγηση συσκευής Προσθήκη του διαλύματος HCl στο ποτήρι ζέσεως και νερού αν απαιτείται Ρυθμίσεις στο λογισμικό Ετοιμασία ηλεκτροδίου pH Μαγνητική ανάδευση στα 3200 rpm Έναρξη συλλογής δεδομένων και μετά 1 sec προσθήκη του διαλύματος δικαρβονικών με μια κίνηση.

πειραματική πορεία Φάση Α΄ Μελετάται η επίδραση της συγκέντρωσης του οξέος στην ταχύτητα της αντίδρασης (συγκέντρωση δικαρβονικών σταθερή) αρχικές συγκεντρώσεις για το οξύ: 0,025, 0,0375 και 0,050 Μ αρχική συγκέντρωση δικαρβονικών : 0,20 Μ Φάση Β΄ Μελετάται η επίδραση της συγκέντρωσης των δικαρβονικών στην ταχύτητα της αντίδρασης (συγκέντρωση οξέος σταθερή) αρχικές συγκεντρώσεις δικαρβονικών : 0,10, 0,15 και 0,20 Μ αρχική συγκέντρωση για το οξύ : 0,050 Μ Οι αρχικές συγκεντρώσεις παράγονται με κατάλληλες αραιώσεις των Διαλυμάτων Α και Β. Σε κάθε πείραμα ο ολικός όγκος του μίγματος της αντίδρασης είναι 40 ml

Αποτελέσματα Το συγχρονικό σύστημα έδωσε διαγράμματα Το συγχρονικό σύστημα έδωσε διαγράμματα pH – χρόνου της μορφής: Τα δεδομένα του pH εξάγονται στο excel και μετασχηματίζονται σε τιμές συγκέντρωσης Η+ (C) με βάση τη συνάρτηση C = 10-pH Λαμβάνεται το διάγραμμα συγκέντρωσης Η+ – χρόνου και με βάση το λογισμικό υπολογίζεται η αρχική ταχύτητα σαν εφαπτομένη της καμπύλης στο 1ο sec.

Αποτελέσματα ΛΟΙΠΑ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΠΟΥ ΕΔΩΣΕ ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ Φάση Α΄ Φάση Β΄

Αποτελέσματα ΤΙΜΕΣ ΑΡΧΙΚΩΝ ΤΑΧΥΤΗΤΩΝ Φάση Α΄ - Uαρχ Cαρχ Φάση B΄ οξέος (Μ) 0,0125 0,025 0,0187 0,0375 0,0250 0,050 Φάση B΄ Τάξη αντίδρασης ως προς H+ : α = 1 - Uαρχ Cαρχ δικαρβονικών (Μ) 0,02498 0,10 0,02499 0,15 0,20 Συνολική τάξη αντίδρασης α+β= 1 Οι μαθητές συμπεραίνουν: Η αντίδραση H+ + HCO3- → H2O + CO2 δεν είναι απλή Νόμος της ταχύτητας: υ = k [H+] Τάξη αντίδρασης ως προς δικαρβονικά: β = 0 Σταθερά της ταχύτητας k = B = 0,5 s-1

Συζήτηση Προσθήκη διαλύματος Β ≈ 1s t = 1s ≈ 1s t = 1s διάρκεια προσθήκης διαλύματος Β Ιδανική προσθήκη του διαλύματος Β (μηδενισμός νεκρών χρόνων) ≈ 1s έναρξη καταγραφής ( t = 0s) Εντολή έναρξης καταγραφής t = 1s διάρκεια προσθήκης διαλύματος Β διάρκεια προσθήκης διαλύματος Β διάρκεια προσθήκης διαλύματος Β αποδεκτό μη αποδεκτό ≈ 1s έναρξη καταγραφής ( t = 0s) Εντολή έναρξης καταγραφής t = 1s

Συζήτηση Διδακτική προσέγγιση διαλύματα περιοχή άμεσης εμπειρίας δοχείο αντίδρασης Συγχρονικό σύστημα φαινόμενα καταγραφέας περιοχή έμμεσης εμπειρίας αισθητήρες ηλεκτρόδιο pH H / Y Η διδακτική προσπάθεια θα πρέπει να ενισχύσει την άμεση εμπειρία

Συζήτηση Άμεση εμπειρία Οι μαθητές: Παρασκευάζουν όλα τα διαλύματα Συμμετέχουν στους χειρισμούς με κατάλληλο επιμερισμό στα μέλη της ομάδας Επαναλαμβάνουν το πείραμα αλλάζοντας ρόλους. Έμμεση εμπειρία Οι μαθητές: Κάνουν τις ρυθμίσεις στο λογισμικό Επεξεργάζονται τα δεδομένα στο excel και στο Logger pro Συζητούν – ερμηνεύουν τα διαγράμματα που δίνει το λογισμικό Γίνεται προσπάθεια να ασκηθεί κάποια εποπτεία πάνω στην έμμεση εμπειρία. Στόχος η αποφυγή να μετατραπεί ο μαθητής σε παθητικό δέκτη ερεθισμάτων.

επίλογος Ευχαριστούμε! Η πειραματική μέθοδος που παρουσιάσαμε: Έχει απλότητα χωρίς ιδιαίτερες τεχνικές δυσκολίες Μικρή χρονική διάρκεια (50 s) για κάθε επανάληψη του πειράματος Ακολουθεί το αναλυτικό πρόγραμμα (μέθοδος αρχικών ταχυτήτων) Έδωσε αξιόπιστες καμπύλες, αποτελέσματα σε συμφωνία με τη βιβλιογραφία, και ολοκληρωμένο διδακτικό αποτέλεσμα (κάλυψη ύλης διδασκαλίας) Μπορεί να χρησιμοποιηθεί με επιτυχία στη διδακτική πράξη. Ευχαριστούμε!