X
تبلیغات
کیمیاگر - ترمو شيمي براي معلمها

ترموشیمی برای معلم ها

ترموشیمی

چکیده

در این درس به مفهوم دما و گرما می پردازیم و واکنش های گرماگیر و گرماده را بررسی می کنیم. 

 

اهداف

کمک به درک بهتر ترموشیمی با انجام آزمایش بسته های تولید کننده ی سرما و گرما

 

وسایل لازم

برگه ی فعالیت ترموشیمی چیست؟

دستور کار آزمایش گرما و سرما

راهنمای معلم ( برای آزمایش گرما و سرما)

رایانه

3 عدد بشر یا استوانه ی مدرج

کلسیم کلرید در حالت جامد

آمونیوم نیترات به حالت جامد

3 عدد دماسنج

 

توضیح اولیه

این درس، نخستین درس از مجموعه ی دروس تبدیل انرژی در سه قسمت است. هدف کلی این سه درس، بالا بردن درک دانش آموزان از تبدیل انرژی، نقش انرژی در تغییرات شیمیایی و عوامل موثر در این تغییرات است. علاوه بر این، در هر درس هدف دیگری نیز دنبال می شود. دبیران محترم می توانند این سه درس را با ترتیب دلخواه خود تدریس کنند. ما پیشنهاد می کنیم ابتدا درس 1 و 2 و سپس درس 3 تدریس شود.

درس انتقال انرژی 1: ترموشیمی بر بالا بردن درک دانش آموز از حرارت و واکنش های شیمیایی متمرکز است.

تبدیل انرژی 2: هدف از این درس بالا بردن درک دانش آموز از انتقال الکترون و نقش آن در تغییرات شیمیایی است.

در درس انتقال انرژی 3: خوردگی و زنگ زدگی ، با معرفی یکی از فرایندهایی که می توان آن را در زندگی روزمره مشاهده کرد، درک دانش آموزان از ترموشیمی و الکتروشیمی تقویت می شود. در این درس، دانش آموزان می توانند با شیوه انتقال انرژی در تغییر شیمیایی خوردگی و زنگ زدن آشنا شده و عوامل موثر بر این فرایند را بررسی کنند.

در پایان مقطع ابتدایی، دانش آموزان باید در مورد تبدیل انرژی نکات متعددی را بدانند. آن ها باید بدانند وقتی جسم گرمی کنار جسم سردی قرار می گیرد، تا زمانی که هر دو جسم هم دما شوند انرژی درونی جسم گرم به جسم سرد منتقل می شود. ( انتشار به صورت انتقال گرما ). هم چنین آن ها باید بدانند اجسام مولد حرارت، می توانند انواع دیگر انرژی مانند انرژی نورانی را نیز تولید کنند. در هنگام مالش دو جسم به یکدیگر و نیز در ماشین های مکانیکی و الکتریکی نیز حرارت تولید می شود. آن ها باید این نکته را نیز بدانند که برخی از اجسام، انرژی حرارتی را بهتر از اجسام دیگر عبور می دهند. ( در اجسامی که هادی ضعیفی اند، گرما به میزان کمتری از طریق آن جسم انتقال می یابد.)

این اطلاعات پیش نیاز به دانش آموزان مقطع راهنمایی کمک می کند تا چهار نکته زیر را درباره تبدیل انرژی بیاموزند:

انرژی خلق نمی شود و از بین نمی رود، بلکه تنها از شکلی به شکل دیگر تبدیل می شود.

همه اتفاقات جهان – از انفجار ستارگان و رشد زیستی گرفته تا راه اندازی خودروها و حرکت مردم – همگی نوعی تغییر شکل انرژی به شکل دیگر است. تقریبا همیشه در تبدیل انرژی به شکل دیگر، انرژی حرارتی تولید می شود.

گرما را می توان از طریق برخورد اتم ها در مواد و از طریق تابش در فضا انتقال داد. اگر ماده به شکل سیال باشد، با گرم شدن آن، جریانی در آن آغاز شده و گرما با این جریان انتقال می یابد.

انرژی در اشکال مختلفی ظاهر می شود. انرژی حرارتی، ناشی از جنب و جوش نامنظم ملکول هاست، انرژی شیمیایی ناشی از تغییر در آرایش اتم هاست؛ انرژی مکانیکی نیز ناشی از حرکت اجسام یا در اشکال نامنظم کشسان است؛ انرژی جاذبه در میان موادی است که همدیگر را جذب کرده اند.

در مراحل اولیه، ممکن است تمایز میان مفهوم انرژی و مفهوم منبع انرژی برای دانش آموزان مبهم باشد. با تمرکز بر تبدیل انرژی، این مشکل تا حدی برطرف می شود. واضح است که همه ی ما از غذا، بنزین و باتری ها استفاده می کنیم. اما پس از مصرف انرژی، آن ها از بین نمی رود؛ بلکه با فرایندهای شیمیایی یا فیزیکی به شکل دیگری از انرژی تبدیل می شوند.

درک مفهوم گرما برای دانش آموزان مشکل است و دانش آموزان آن را با مفهوم دما اشتباه می گیرند. برای این که دانش آموزان بتوانند بین این دو تمایز قایل شوند، باید این دو مفهوم را به درستی برای آن ها توضیح داد. چون انرژی گرمایی انتشار یافته دمای کم تری دارد، بعضی از دانش آموزان که مفاهیم حرارت و دما را اشتباه برداشت کرده اند، این گونه نتیجه گیری می کنند که در این فرایند مقدار انرژی کاهش یافته است. اما این تصور دانش آموزان که انرژی گرمایی انتشار یافته " هدر رفته" یا " مصرف شده"، ممکن است تا حدی درست باشد.

تحقیقات الکتروشیمیایی، اطلاعات زیر را در مورد حرارت، دما و تغییرات شیمیایی نشان می دهند:

 

گرما و دما

به نظر می رسد دانش آموزان با این که در سال های قبل با مفاهیم دما و گرما آشنا شده اند، اما هنوز نمی توانند تمایز بین این دو مفهوم را در تشریح پدیده های گرمایی درک کنند. آن ها تصور می کنند دما، اندازه ی گرماست و این باور را مشکل می توان در ذهن آن ها تغییر داد. با توجه به این نوع آموزش، در سال های بعد برای این که دانش آموزان تفاوت میان گرما و دما را درک کنند، به آموزش طولانی مدت نیاز است.

چوب کبریت مشتعل

 

انتقال گرما

بعضی از دانش آموزان در توضیح پدیده های گرماده و گرماگیر بر اساس قوانین انتقال حرارت مشکل دارند. برخی از آن ها تصور می کنند سرما از جسم سرد به جسم گرم منتقل می شود؛ برخی دیگر نیز فکر می کنند سرما و گرما هم زمان با هم انتقال می یابند. هم دانش آموزان دبیرستانی و هم دانش آموزان مقطع راهنمایی در توضیح پدیده های تبادل گرمایی به عنوان یک برهم کنش مشکل دارند. برای مثال بعضی از دانش آموزان فکر می کنند اجسام به طور خود به خود، یعنی بدون این که با جسم سردی در تماس باشند، انرژی آزاد می کنند و سرد می شوند. حتی پس از تدریس این مطالب نیز برای بسیاری از دانش آموزان پذیرش مواردی مثل این که فلزات گرما را به خود جذب می کنند و آن را انتقال می دهند، مشکل است. حتی بعضی از دانش آموزان مقطع راهنمایی فکر می کنند در یک محیط، مواد مختلف به این دلیل که ما آن ها را به صورت های مختلف احساس می کنیم، دماهای مختلف دارند. ( مثلاً آهن سردتر از چوب احساس می شود، پس دمای کم تری دارد ) نتیجه آن که دانش آموزان قانون جهانی هم دمایی را به راحتی درک نمی کنند. فقط تعداد کمی از دانش آموزان اصول مولکولی انتقال گرما را پس از تدریس مطالب متوجه می شوند. هر چند با طراحی آموزش ویژه به جای آموزش سنتی درک دانش آموزان از انتقال گرما بالا می رود، اما مشکل اصلی هم چنان به قوت خود باقی است.

 

پایستگی انرژی

به نظر می رسد دانش آموزان مقاطع متوسطه و راهنمایی که هر روز با مفهوم انرژی سر و کار دارند، خو د به صورت شهودی، تصوری از مفهوم پایستگی انرژی دارند. با این حال، تدریس مفاهیم انتشار گرما هم زمان با پایستگی انرژی کمک می کند تا برخی مشکلات احتمالی برطرف شود. آنان تمایل دارند تا از مفهومی که خود به صورت شهودی از انرژی برای تفسیر و بیان پایستگی انرژی ساخته اند، استفاده کنند. برای مثال برخی از دانش آموزان  این طور بیان می کنند که " انرژی خلق یا نابود نمی شود " و منظور آن ها این است که انرژی در سیستم ذخیره می شود و حتی دوباره به شکل اولیه آزاد می شود. اگر چه رهیافت هایی که به مشکلات دانش آموزان درباره ی انرژی توجه دارد، موفق تر از رهیافت های سنتی است، اما بعد از مطرح کردن این رهیافت ها هم، مشکل هنوز باقی است.

 

ایجاد انگیزه

از دانش آموزان بخواهید تا صفحه ی "ترموشیمی" را مطالعه کنند.

برای دانش آموزان پرسش های زیر را مطرح کنید. در این پرسش ها، به مطالبی که در این سطح برای دانش آموزان مبهم است، توجه شده است. بعد از طرح هر پرسش فرصت کافی در اختیار دانش آموزان قرار دهید تا پاسخ های خود را بنویسند. سپس از آن ها بخواهید تا در مورد نوشته های خود با هم بحث کنند.

توجه: در پرسش های 4 تا 6، برخی از مفاهیم مبهم برای دانش آموزان مورد ملاحظه قرار گرفته است؛ بنابراین پیش از ورود به مرحله بعدی درباره ی پاسخ صحیح و جزئیات این پرسش ها بحث کنید.

سرما چیست و چه وقت و چرا آن را حس می کنیم؟  "سرما "، نبود گرما است. احساس ما از اجسام سرد به این طریق است که این اجسام، انرژی جنبشی پوست دست را کاهش می دهند. گرما همیشه از جسم گرم به جسم سرد انتقال می یابد. بنابراین گرما از پوست دست ما به جسم سرد منتقل می شود. ما این تغییر و انتقال را به صورت سرما احساس می کنیم.

چگونه در واکنش های شیمیایی گرما تولید و یا جذب  می شود؟  واکنش های شیمیایی شامل شکستن پیوند میان اتم ها و تشکیل پیوندهای جدید است. پیوندهای مختلف، انرژی های مختلفی دارند. اگر انرژی پیوندهای جدید کم تر باشد، انرژی اضافی حاصل به صورت گرما به محیط داده می شود و اگر انرژی پیوندهای جدید زیاد تر باشد، انرژی از محیط گرفته می شود و محیط سرد می شود.

چگونه دما به وسیله ی دماسنج تعیین می شود؟  انرژی از محلول به حباب دماسنج انتقال می یابد. مایع درون حباب که معمولاً الکل یا جیوه است، با این انتقال انرژی، منبسط می شود. با درجه بندی دماسنج می توان میزان این انبساط و در نتیجه دمای محلول را اندازه گیری کرد.

انرژی درونی، گرما و دما را تعریف کنید:  انرژی درونی به کل انرژی جنبشی ملکول های یک جسم گفته می شود. گرما، حالت انتقال دهنده ی این انرژی است. دما نیز میانگین انرژی جنبشی اتم های جسم است.

فرض کنید یک قطره آب تا درجه حرارت 95 درجه سلسیوس و یک گالن آب تا درجه حرارت 90 درجه سلسیوس گرم شود. انرژی داخلی کدام یک بیش تر است؟ درجه حرارت کدام یک بیش تر است؟  انرژی داخلی گالن آب بیش تر است؛ زیرا تعداد ملکول های آب درون آن بیش تر است. دمای قطره آب بالاتر است؛ زیرا ملکول آبی که تا 95 درجه سلسیوس حرارت داده شده، دارای میانگین انرژی جنبشی بیش تر نسبت به ملکول های آبی است که تا 90 درجه سلسیوس گرم شده است.

وقتی یک پارچ آب داغ را در اتاق قرار می دهیم، گرمای آن کجا می رود؟  گرما در هوای محیط اطراف پارچ پخش می شود.

 

برای دانش آموزان توضیح دهید بین این پرسش ها و مفهوم پایستگی انرژی چه رابطه ای برقرار است. در پرسش آخر، کل انرژی اولیه در اتاق برابر است با مجموع انرژی انتقال یافته به هوا و انرژی باقی مانده در پارچ. پس از این که آب پارچ سرد شد، انرژی هوا افزایش یافته و انرژی ظرف آب داغ کم می شود، اما مجموع انرژی در اتاق (شامل انرژی پارچ و هوا) تغییری نکرده است.

 

بسط و توسعه

دو درس زیر از مجموعه انتقال انرژی را دنبال کنید:

  • انتقال انرژی 2: الکتروشیمی
  • انتقال انرژی 3: خوردگی و زنگ زد

 

ارزش یابی

پرسش های زیر را مطرح کنید تا آموخته های دانش آموزان را ارزش یابی کنید.

  • چگونه مواد شیمیایی را در بسته های سرمازا و گرمازای موجود در بازار  نگه می دارند تا در زمان مصرف آماده باشند؟  این بسته ها از یک کیسه ی پلاستیکی تشکیل شده اند که درون آن ها، یک بسته ی کوچک آب و ماده شیمیایی به صورت گرد وجود دارد. ضربه زدن به کیسه ی پلاستیکی موجب می شود بسته ی کوچک آب پاره شده، ماده ی شیمیایی در آن حل شود.
  • آیا با دو برابر شدن مقدار مواد شیمیایی موجود در بسته ها، دمای حاصل نیز دو برابر می شود؟  خیر. زمانی که انرژی دو برابری آزاد و یا جذب می شود، این انرژی آسان تر با محیط خارجی مبادله می شود. این فرایند مبادله سریع تر از واکنش مواد شیمیایی با آب است. در بسته های آماده تولید کننده ی سرما و تولید کننده ی گرما، شیمیدانان نسبت بهینه ی مواد به میزان آب برای تولید دمای مورد نظر را محاسبه می کنند.
  • ترموشیمی چیست؟  ترموشیمی شاخه ای از شیمی است که به بررسی تغییرات دما در واکنش های شیمیایی می پردازد.

 

مترجم: راضیه کریمی

+ نوشته شده توسط خانم خاقانی خو در دوشنبه هفدهم فروردین 1388 و ساعت 20:31 |


Powered By
BLOGFA.COM