Tóth, Zoltán

SZTE OJS Journals (University of Szeged / Szegedi Tudományegyetem)

A tévképzetek másik jelentõs csoport-ja viszont az iskolai oktatás soránalakul ki. Kimutatható, hogy ennekoka alapvetõen az iskolai oktatás módszer-tani hiányosságaiban rejlik. Egy ilyen, az is-kolában kialakult kémiai jellegû tévképzeta kémiai reakciók sebességét leíró egyenlet(röviden: sebességi egyenlet) és a reakció-egyenlet (sztöchiometriai egyenlet) kapcso-latának hibás értelmezése. A középiskolai ta-nulók, az egyetemi hallgatók és olykor akémiatanárok is úgy vélik, hogy bármelyreakció sebességi egyenletét fel lehet írni areakcióegyenlet alapján. Elõször vizsgál-juk meg, hogy miért nem igaz ez az állítás,majd próbáljuk kideríteni, hogy milyenokok, módszertani hiányosságok vezethet-tek ezen tévképzet kialakulásához.* A sebességi egyenlet és a sztöchiometriai egyenlet kapcsolataA sebességi egyenlet a reakciósebességkoncentrációfüggését leíró formula. Egy ele-mi (azaz egy lépésben végbemenõ) reakciósebességi egyenlete felírható az elemi reak-ció egyenlete alapján. Összetett (több elemireakció együttesébõl álló) reakciók esetén asebességi egyenletet vagy kísérletileg kellmeghatározni, vagy az elemi reakciók is-meretében azokból le lehet vezetni. Hason-ló sztöchiometriai egyenlettel leírható reak-ciók igen különbözõ számú elemi reakcióbólállhatnak, ennek megfelelõen a sebességiegyenletük is eltérõ lehet. (2) Például aH2 + I2 ⎟ 2 HIreakció esetén a sebességi egyenlet a reak-cióegyenlet alapján is felírható, s ez megegye-zik a tapasztalati sebességi egyenlettel:v = k1[H2][I2] – k1[HI]2Sokáig úgy tudtuk, hogy ez a reakció egylépésben végbemenõ bimolekulás reakció,így a fenti sztöchiometriai egyenlet egyben azelemi reakció egyenlete is, ezért egyezik megaz „elméleti” és a tapasztalati sebességi egyen-let. Az utóbbi évek kutatásai azonban rámutat-tak, hogy a HI képzõdése elemeibõl is többlé-péses mechanizmus szerint játszódik le. (3)Hasonló sztöchiometriai egyenlettel ír-ható le a HBr képzõdése is:H2 + Br2 = 2HBrmelynek kísérletileg meghatározott se-bességi egyenlete igen bonyolult reakcióme-chanizmust sejtet:k′ [H2] [Br2]1/2v = [HBr]  1+k″ [Br2]A részletes kinetikai vizsgálatok kimutat-ták, hogy ez a reakció egy láncreakció, amelya következõ elemi lépésekre bontható:108SzemleEgy kémiai tévképzet nyomábanAz egyensúlyi állandó bevezetésének lehetõségei és problémáiA tanulási folyamat szükségszerű velejárójaként a tanulók tudásaolyan ismeretekkel is bővül, amelyek nem felelnek meg az általánosanelfogadott tudományos nézeteknek. Ezeket nevezi a szakirodalomtévképzeteknek (1). A tévképzetek kialakulásának általában két főokát szokták megkülönböztetni. Az egyik az, hogy a tanulókhétköznapi (általában még az iskolai oktatást megelőző időszakbólszármazó) tapasztalatai és az azok általánosításából levont naiv következtetései sok esetbennem tükrözik a tudomány által elfogadott igazságot. * A tanulmány az Országos Tudományos Kutatási Alapprogramok (OTKA T-026281/1998.) és az MKM Felsõ-oktatási Programfinanszírozási Pályázata (PFP-2243/1998.) támogatásával készült.Br2 ⎟ 2 BrBr + H2 ⎟ HBr + HH + Br2  HBr + BrAz ebbõl a mechanizmusból levezethetõsebességi egyenlet összhangban van a kísér-letileg talált egyenlettel.Ha a reakció sztöchiometriai egyenleteezek szerint általában nincs szoros kapcso-latban a sebességi egyenlettel, akkor ho-gyan lehet a tömeghatás törvényét kinetikaialapon értelmezni? A kérdés megválaszolá-sához nézzük meg a következõ egyszerûesetet! (4)Legyen a vizsgált egyensúlyra vezetõ ké-miai reakció sztöchiometriai egyenlete:2A + B ⎟ C + DA tömeghatás törvénye alapján a megfe-lelõ egyensúlyi állandó:v = [C] [D][A]2 [B]Vizsgáljuk meg, hogy két különbözõ reak-ciómechanizmust és sebességi egyenletetfeltételezve, eljutunk-e ehhez az összefüg-géshez!1. Tételezzük fel, hogy a reakció egylé-péses mechanizmus szerint játszódik le, te-hát a felírt sztöchiometriai egyenlet egybenegy elemi reakció egyenlete is. Ekkor azátalakulás sebességev1 = k1[A]2[B]a visszaalakulás sebességev-1 = k-1[C][D]alakban adható meg. Egyensúlyban v1 =v-1, tehát az egyensúlyi állandó a követke-zõ formában írható fel:K =  [C] [D] = k1 [A]2 [B] k-12. Tételezzük fel, hogy a reakció egy két-lépéses mechanizmus szerint, a következõelemi lépéseken keresztül játszódik le:2A ⎟A2A2 + B ⎟ C + DAz elõbbieknek megfelelõen az elsõ lépésegyensúlyi állandója:K1 =  [A2] = k1[A]2 k-1a második lépéséK2 =  [C] [D] = k 2[A]2 [B] k-2alakban írható fel. A két részfolyamategyensúlyi állandójának szorzata adja abruttó reakció egyensúlyi állandóját:K = K1 K2 =  [A2] x [C] [D] = k 1 x k 2[A]2 [A2] [B] k-1 k-2Látható tehát, hogy mindkét esetben, areakciómechanizmustól függetlenülugyanahhoz az egyensúlyi összefüggéshezjutottunk. Hasonló összefüggést lehet leve-zetni más többlépéses mechanizmus feltéte-lezésébõl is, például:A + B ⎟ ABAB + A ⎟ C + Dvagy2A + B ⎟ FF ⎟C + DA dolog érdekessége, hogy Guldberg ésWaage 1866-ban az egyensúlyra vezetõ ké-miai reakciók tanulmányozása során megál-lapította, hogy azok sebessége függ a reagá-ló anyagok koncentrációjától (az õ szóhasz-nálatukkal élve „aktív tömegétõl”), és ezt azösszefüggést a reakcióegyenlet együtthatóisegítségével írták fel. (5)A tömeghatás törvénye és az egyensúlyi állandó tanításánakleggyakoribb módszereiTöbb tucat magyar és angol nyelvû kémiatankönyv elemzése azt mutatja, hogyezeknek az alapvetõ kémiai fogalmaknak abevezetésére négyféle módszert hasz-nálnak.1. Induktív kinetikai módszer:Egy egyszerû, egylépéses kémiai reakció(elemi reakció) kinetikai elemzése során ju-tunk el a tömeghatás törvényéhez. Ez a reak-ció a esetek többségében aH2 + I2 ⎟ 2HIegyensúlyra vezetõ kémiai reakció. Ebbenaz esetben a sebességi egyenlet valóbanfelírható a reakcióegyenlet alapján, nohamost már tudjuk, hogy ez a reakció semIskolakultúra 1999/2109Szemleelemi reakció. (6) Az átalakulás sebességiegyenlete:v1 = k1[H2][I2]a visszaalakulás sebességi egyenlete pedig:v-1 = k-1[HI]2Egyensúlyban a két ellentétes irányú reak-ció sebessége megegyezik, tehátk1[H2][I2] = k-1[HI]2innen azt kapjuk, hogy a termékek egyen-súlyi koncentrációjának megfelelõ hatvá-nyon vett szorzata osztva a kiindulási anya-gok egyensúlyi koncentrációjának megfele-lõ hatványon vett szorzatával egy állandótad, s ez az egyensúlyi állandó:K =    [HI] 2= k 1[H2] [I2] k-1Ez az eljárás szakmailag korrekt, mód-szertanilag hibás, ugyanis a tanulók nemismerik az elemi és az összetett reakció, va-lamint a reakciómechanizmus fogalmát, ígyazt gondolják, hogy ez a kezelésmód min-den további nélkül alkalmazható más egyen-súlyra vezetõ reakciókra is, tehát a sebessé-gi egyenlet felírható a sztöchiometriai egyen-let alapján. Ezt az eljárást találjuk a ma-gyar nyelvû bevezetõ kémiakönyvek több-ségében, és mindkét, jelenleg még széleskörben használatos gimnáziumi tanköny-vünkben. (7)2. Deduktív kinetika módszer:Egy általánosan felírt kémiai folyamatnak,például:aA + bB ⎟ cC + dDaz elõzõhöz hasonló kinetikai kezeléserévén jutunk el a tömeghatás törvényéhez ésaz egyensúlyi állandóhoz. A (meg nem en-gedhetõ módon) felírt sebességi egyenletek:v1 = k1[A]a[B]bv-1 = k-1[C]c[D]degyensúlyban:k1[A]a[B]b = k-1[C]c[D]daz egyensúlyi állandó:K =  [C] c [D] d = k 1[A]a [B]b k-1Ez az eljárás mind szakmailag, mindmódszertanilag hibás. Elterjedésében nagyszerepe lehetett annak, hogy egy régebbiegyetemi tankönyvünk (8) – amelybõl ké-miatanárok generációi tanultak – szinténígy tárgyalja a tömeghatás törvényét.Sajnos, egy újabban kiadott középiskolaitankönyvben (9) is találkozhatunk ezzel amódszerrel.3. Induktív nem-kinetikai módszer:Egy valós egyensúlyi rendszerre vonatko-zó kísérleti adatok elemzése révén jutunk ela tömeghatás törvényéhez és az egyensúlyiállandóhoz. Ez a valós rendszer általában aN2O4(g) ⎟ 2NO2(g)gázegyensúly. (10) A különbözõ kiindulá-si koncentrációk esetén nyert egyensúlyi kon-centrációk láthatóan nem jellemzik az adotthõmérsékleten kialakult egyensúlyt. Ugyan-csak nem kapunk állandó értéket akkor, ha atermék egyensúlyi koncentrációját elosztjuka kiindulási anyag egyensúlyi koncentráció-jával. Amennyiben azonban a hányadost a[NO 2] 2[N2O4]összefüggésnek megfelelõen képezzük, akülönbözõ kiindulási koncentrációk esetén isállandó értékeket kapunk. Az így számítottérték tehát jellemzi a kialakult egyensúlyt:K = [NO2] e2= 0,00465[N2O4]eEzt a fajta tárgyalásmódot a magyar nyel-vû könyvek közül csak egy egyetemi tan-könyvben találtam, (11) pedig ez mind szak-mailag, mind módszertanilag helyes megkö-zelítése a tömeghatás törvényének.4. Deduktív nem-kinetikai módszer:Egy konkrét vagy egy általánosan felírtegyensúlyi reakcióra definíciószerûenmegadjuk a tömeghatás törvényét és azegyensúlyi állandót. Például azaA + bB ⎟ cC + dDegyensúlyra vezetõ reakció egyensúlyi ál-lapotát adott hõmérsékleten és nyomáson aK =  [C] c [D] d[A]a [B]b110Szemlehányadossal jellemezhetjük, s ez a reak-ció egyensúlyi állandója.Ez az eljárás szakmailag korrekt, mód-szertanilag elfogadható, néhány magyarnyelvû tankönyvben (12) és példatárban(13) találkoztam vele.A tömeghatás törvénye és az egyensúlyi állandó tárgyalásánakmódszerei néhány angol, illetve magyar nyelvû kémiakönyvbenAz egyes kezelési módok eloszlását avizsgált kémiakönyvekben a következõ táb-lázatban foglaltam össze:A táblázat adataiból megállapítható, hogyaz angol nyelvû kémiakönyvekben elsõsor-ban az induktív nem-kinetikai módszer, amagyar nyelvûekben a kinetikai módsze-rek (ezen belül a módszertanilag kifogásol-ható induktív és a szakmailag is helytelen de-duktív kezelés csaknem azonos mértékben)dominálnak. A szakmailag és módszertani-lag is leginkább helytálló induktív nem-ki-netikai kezelésmód csak elvétve jelenik mega magyar nyelvû kémiakönyvekben. Az ada-tok alapján valószínûsíthetõ, hogy a beve-zetõben jelzett tanulói tévképzet alapvetõena kémiai egyensúly tanításának hazai mód-szerébõl adódik, mégpedig abból, hogy amagyar nyelvû kémiakönyvek kétharmadaa tömeghatás törvényét és az egyensúlyi ál-landót kinetikai alapon vezeti be. Továbbrais rejtély, hogy a magyar kémia tankönyvekszerzõi miért rekedtek meg a kinetikai ke-zelésmódnál!KövetkeztetésekA tanulóknak a reakcióegyenlet és a se-bességi egyenlet viszonyával kapcsolatostévképzete visszavezethetõ arra, hogy a ma-gyar nyelvû kémiakönyvek többsége a tö-meghatás törvényét és az egyensúlyi állan-dót kinetikai alapon vezeti be. Ideje lenneszakítani ezzel a hagyománnyal.A témakör hatékony tanítására példakéntszolgálhat az angol nyelvû kémiakönyvek-re jellemzõ induktív nem-kinetikai tárgya-lásmód. Szemléletességük, játékosságuk éskevésbé elvont jellegük miatt pedig feltét-lenül figyelmet érdemelnek a nálunk mamég alig használt hidrodinamikai (14) ésstatisztikus modellek (15).Jegyzet(1) KOROM E.: Az iskolai tudás és a hétköznapi tapasz-talat ellentmondásai: természettudományos tévképze-tek. = Az iskolai tudás. Szerkesztette: Csapó Benõ.Osiris Kiadó, Bp. 1998, 139. old.(2) ERDEY-GRÚZ T.–SCHAY G.: Elméleti fizikai kémiaII. Negyedik kiadás. Tankönyvkiadó, Bp. 1964, 562. old.(3) PILLING, M. J.–SEAKINS, P. W.: Reakciókineti-ka. Nemzeti Tankönyvkiadó, Bp. 1997, 301. old.(4) BRADY, J. E.–HUMISTON, G. E.: General chemistry:principles and structure. John Wiley, 1975, 319. old.Iskolakultúra 1999/2111SzemleKiindulási koncentrációk Egyensúlyi koncentrációk Az egyensúlyi koncentrációk aránya[NO2] [N2O4] [NO2]e [N2O4]e [NO 2] e [NO 2]e2[N2O4]e [N2O4]e0,0000 0,670 0,0558 0,669 0,0834 0,004650,0500 0,450 0,0457 0,452 0,101 0,004620,0300 0,500 0,0480 0,491 0,0978 0,004690,0400 0,600 0,0524 0,592 0,0885 0,004640,200 0,000 0,0204 0,0898 0,227 0,00463Kinetikai módszerek Nem-kinetikai módszerekInduktív Deduktív Induktív DeduktívMagyar nyelvû 66% 34%könyvek (N = 35) 37% 29% 6% 28%Angol nyelvû 19% 81%könyvek (N = 22) 14% 5% 59% 22%(5) Uo.; BALÁZS L.: A kémia története I. Nemzeti Tan-könyvkiadó, Bp. 1996, 555. old.(6) PILLING, M. J.–SEAKINS, P. W.: Reakciókine-tika, i. m.(7) BOKSAY Z.–TÖRÖK F.–PINTÉR I.-NÉ–BALÁZSL.-NÉ: Kémia a gimnázium I. osztálya számára. Tan-könyvkiadó, Bp. 1982, 121. old.; HOBINKA I.: Kémiaa gimnázhium I. osztálya számára. Tankönyvkiadó,Bp. 1989, 117. old.(8) LENGYEL B.–PROSZT J.–SZARVAS P.: Általá-nos és szervetlen kémia. Második kiadás. Tankönyv-kiadó, Bp. 1959, 232. old.(9) BALÁZS L.-NÉ–KISS ZS.: Általános kémia, kör-nyezeti kémia. Calibra Kiadó, Bp. 21. old.(10) CHANG, R.: Chemistry. Második kiadás. RandomHouse, New York 1984, 392. old.(11) GERGELY P.–ERDÔDI F.–VEREB GY.: Általá-nos és bioszervetlen kémia. Semmelweis Kiadó, Bp.1992, 137. old.(12) BERKES L.: Kémia a négyosztályos gimnáziumokI. osztálya számára. MOZAIK Oktatási Stúdió, Szeged1995, 102. old.(13) VILLÁNYI A.: Ötösöm lesz kémiából. Példatár.Calibra Kiadó, Bp., é. n., 60. old.(14) CARMODY, W. R.: Dynamic equilibrium.A simple quantitative demonstration. Jorunal ofChemical Education, 1960. 6. sz., 312. old.; TÓTHZ.–GRÓNÁSNÉ ENDRÉSZ M.: Elsõrendû folyama-tok hidrodinamikai modelljei I. A kémia tanítása, 1982.5. sz., 136. old.; KÓNYA J.-NÉ–PFEIFFERÁ.–VARGA E.: Tanári kézikönyv a gimnázium I–II–III.osztálya kémiatanításához. Tankönyvkiadó, Bp. 1987,142. old.; TÓTH Z.: A reakciósebesség és a kémiaiegyensúly tanításának lehetõségei és buktatói = A XV.Kémiatanári Konferencia elõadás összefoglalói. Kapos-vár 1992, 43. old.; TÓTH Z.: A reakciósebesség és akémiai egyensúly tanítása. Mérõkísérletek. Iskolakul-túra (Természettudomány), 1993. 20. sz., 53. old.(15) HARSCH, G.: The efficiency of simulation gamesin science education: an empirical study. InternationalJournal of Science Education, 1987. 1. sz., 23. old.; Uõ.:Kinetics and mechanism – a games approach. Journalof Chemical Education, 1984. 12. sz., 1039. old.;SCHULTZ, E.: Dice-shaking as an analogy forradioactive decay and first-order kinetics. Journal ofChemical Education, 1997. 5. sz., 505. old.; TÓTH Z.:Egy tévképzet nyomában – az egyensúlyi állandó be-vezetésének lehetõségei és problémái. = Módszerek éseljárások 10. Szerkesztette: Tóth Z. KLTE KémiaSzakmódszertani Részleg, Debrecen 1998, 54. old.;Uõ.: Az egyensúlyi folyamatok tanításának lehetõségeiés buktatói. = A XVIII. Kémiatanári Konferenciaelõadás összefoglalói. Bp. 1998, 18. old.; Possibilitiesand problems in teaching chemical equilibrium. =Book of Abstracts of 1st European Conference inChemical Education. Szerkesztette: RIEDELM.–HOBINKA I. Bp. 1998, 189. old.Tóth Zoltán112Szemle

Egy kémiai tévképzet nyomában : az egyensúlyi állandó bevezetésének lehetőségei és problémái

Repository of the Academy's Library

Egy kémiai tévképzet nyomában.

Az egyensúlyi állandó bevezetésének lehetőségei és problémái

https://ojs.bibl.u-szeged.hu/index.php/iskolakultura/article/download/19013/18803/

Egy kémiai tévképzet nyomában. Az egyensúlyi állandó bevezetésének lehetőségei és problémái

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

SZTE OJS Journals (University of Szeged / Szegedi Tudományegyetem)

Repository of the Academy's Library