6. Η χημική αντίδραση σε ατομικό επίπεδο

 

Χημικό ή φυσικό φαινόμενο;

Από έρευνες που πραγματοποιήθηκαν τόσο στην Ελλάδα όσο και στο εξωτερικό αναφορικά με τις αντιλήψεις των παιδιών για το πότε παράγεται μια νέα ουσία (χημική αντίδραση/ χημικό φαινόμενο) και πότε όχι (φυσικό φαινόμενο), προέκυψε ότι μαθητές της Ε’ και Στ’ τάξης του Δημοτικού σχολείου, αλλά και παιδιά που φοιτούν στη δευτεροβάθμια εκπαίδευση, δυσκολεύονται να καταλάβουν πότε δημιουργείται μια νέα ουσία και πότε όχι, οπότε δεν είναι σε θέση να κάνουν τη διάκριση μεταξύ φυσικών και χημικών φαινομένων χρησιμοποιώντας αποδεκτά από επιστημονική άποψη κριτήρια (Σολομωνίδου & Σταυρίδου 2000, Μαρινόπουλος & Σταυρίδου 2002).

 

Η εναλλακτικές ιδέες των παιδιών

Τα παιδιά συχνά θεωρούν ότι:

 

H μάζα χάνεται

·        Επειδή τα αέρια «δεν έχουν βάρος», η μάζα χάνεται κατά τη διάρκεια των χημικών αντιδράσεων στις οποίες παράγονται αέρια (Mas κ.ά., 1987), (Andersson & Renstrom, 1982), (Donnell & Welford, 1988).

 

Kαύση: Tο οξυγόνο απλώς παρίσταται

·        Αν και θεωρούν ότι το οξυγόνο είναι απαραίτητο για μια καύση, δεν πιστεύουν ότι αλληλεπιδρά με το υλικό που καίγεται (Meheut κ.ά., 1985).

 

Kαύση = εξάτμιση

         Το υλικό που καίγεται απλώς «λιώνει» ή «εξατμίζεται» (Meheut κ.ά., 1985).

·        «Η καύση είναι παρόμοια με την εξάτμιση, με τη διαφορά ότι γίνεται γρηγορότερα εξαιτίας της θερμότητας» (Pfundt, 1981).

 

Προϊόντα = ουσίες που προϋπάρχουν

         Η ουσία που καίγεται αποτελείται από ουσίες που τελικά εμφανίζονται στα προϊόντα της καύσης (Meheut κ.ά., 1985).

 

Η χημική αντίδραση

Οι μαθητές επιδιώκεται:

·          Να περιγράφουν μεταβολές από την καθημερινή τους ζωή και να τις συνδέουν με τα χημικά φαινόμενα.

·          Να κατανοούν το θεμελιώδες χαρακτηριστικό των χημικών αντιδράσεων, που είναι η αλλαγή των μορίων.

·          Να συνδέουν τα χημικά φαινόμενα με τη μεταβολή στη σύσταση του μορίου.

·          Να αναγνωρίζουν ότι πολλές ουσίες αντιδρούν μεταξύ τους και σχηματίζουν νέες ουσίες και να ονομάζουν τις μετατροπές αυτές «χημικά φαινόμενα».

·          Να γνωρίζουν ότι ένας μεγάλος αριθμός μεταβολών που συμβαίνουν στη φύση οφείλεται σε χημικές αντιδράσεις.

·          Να συνειδητοποιήσουν ότι στο σώμα μας πραγματοποιούνται συνεχώς χημικές αντιδράσεις.

·          Να αναγνωρίζουν ότι πάρα πολλά από τα καταναλωτικά αγαθά που χρησιμοποιούνται καθημερινά, είναι προϊόντα χημικών αντιδράσεων.

·          Να αντιλαμβάνονται ότι οι χημικές αντιδράσεις ευθύνονται  και για ανεπιθύμητα φαινόμενα.

 

Τι αλλάζει;

: Συνδετήρας που σκούριασε, κομμάτια μαρμάρου που αντιδρούν με υδροχλωρικό οξύ και παράγουν φυσαλίδες διοξειδίου (Video), αυτοκίνητο που με την καύση της βενζίνης παράγει καυσαέρια.

 

Η σελίδα αυτή αποτελεί εισαγωγή στις χημικές αντιδράσεις μέσα από βιωματικές καταστάσεις των μαθητών.

Συζήτηση και αναφορά σε καθημερινά φαινόμενα, που στη συνέχεια της ενότητας θα αποκαλυφθεί ότι οφείλονται σε χημικές αντιδράσεις.

 

Η απάντηση

: Παράσταση ενός μορίου αιθανόλης (οινόπνευμα) που υπάρχει στο κρασί και παράσταση ενός μορίου οξικού οξέος (το δραστικό συστατικό του ξιδιού) για τα οποία ο μαθητής καλείται να ανακαλύψει τη διαφορά.

 

Ο μαθητής καλείται να ανακαλύψει τη διαφορά δύο πολύ γνωστών από την εμπειρία του ουσιών. Ο εντοπισμός της αλλαγής των μορίων έχει πολύ μεγάλη σημασία για να κατανοήσουν το τι τελικά είναι και τι δεν είναι χημική αντίδραση.

Το διδακτικό πρόβλημα έγκειται στο γεγονός ότι οι μαθητές, ακόμη και στο γυμνάσιο, ταυτίζουν ένα δευτερεύον χαρακτηριστικό των χημικών αντιδράσεων, που είναι η εντυπωσιακή μεταβολή κάποιων μακροσκοπικών μεγεθών, όπως π.χ. το χρώμα, με το ίδιο το φαινόμενο της χημικής αντίδρασης. Θεωρούν δηλαδή συχνά το σχηματισμό ενός ιζήματος ή την τήξη ενός στερεού ως αποτέλεσμα χημικών αντιδράσεων. Η παρανόηση αυτή δημιουργεί φυσικά αντίστοιχο πρόβλημα και στον εντοπισμό των φυσικών φαινομένων. Η μέχρι τώρα πρακτική για την αντιμετώπιση του προβλήματος στηρίχτηκε κυρίως σε διαισθητικούς καταλόγους φυσικών και χημικών φαινομένων ή στο μη αναστρέψιμο ορισμένων χημικών φαινομένων, όπως το περίφημο κάψιμο του χαρτιού, που δεν μπορεί να επανέλθει στην αρχική του κατάσταση μετά την καύση. Η αντιμετώπιση του θέματος από το πρόγραμμα στηρίχτηκε κυρίως σε δύο μικροσκοπικές παραστάσεις χημικών αντιδράσεων (μετατροπή οινοπνεύματος σε ξίδι και καύση φυσικού αερίου, δηλαδή μεθανίου) με τις οποίες επιδιώκεται η δημιουργία μόνιμων παραστάσεων στο μαθητή τόσο για τη

·          μεταβολή των μορίων όσο και για τη

·          διατήρηση των ατόμων κατά την πραγματοποίηση της χημικής αντίδρασης.

Ο δάσκαλος, έχοντας υπόψη του όλα τα παραπάνω, πρέπει να βοηθήσει προς την κατεύθυνση του εντοπισμού της μεταβολής των μορίων με ερωτήσεις και δραστηριότητες .

 

Στη φύση

: Τοπίο με ήλιο, μέλισσες και μια μαργαρίτα. Μία από τις κουκουβάγιες της οθόνης αποκαλύπτει την κρυμμένη χημική αντίδραση της φωτοσύνθεσης.

 

Ο δάσκαλος δίνει αρκετά παραδείγματα αντιδράσεων για τις οποίες οι μαθητές έχουν κάποια παράσταση ή έχουν μια πρώτη διαισθητική αντίληψη (π.χ. ζυμώσεις: μούστος → κρασί→ ξίδι, γάλα→γιαούρτι, γάλα→τυρί, ζυμάρι→ψωμί κτλ., αποσυνθέσεις: σάπισμα τροφίμων κτλ., προϊόντα φωτοσύνθεσης: ανάπτυξη των φυτών κτλ.)

 

Στον οργανισμό μας

: Εικόνα ενός αθλητή τον οποίο ο μαθητής μπορεί να αναγκάσει να τρέξει μέχρι να κουραστεί.

 

Παιχνίδι με τον αθλητή: Στο σώμα του αθλητή, είτε αυτός κινείται είτε είναι ακίνητος, πραγματοποιούνται συνεχώς χημικές αντιδράσεις. Ο μαθητής αναγκάζει τις χημικές αντιδράσεις του μεταβολισμού του αθλητή να πραγματοποιηθούν πιο γρήγορα με το τρέξιμο. Έτσι καταναλώνεται μεγαλύτερη ενέργεια και το αποτέλεσμα είναι η κούραση του αθλητή, που και αυτό ερμηνεύεται πάλι με χημικές αντιδράσεις.

 

Στη βιομηχανία

Ο δάσκαλος αναφέρει έναν κατάλογο προϊόντων της χημικής βιομηχανίας, γνωστών στους μαθητές από την εμπειρία τους (π.χ. απορρυπαντικά, φάρμακα, φυτοφάρμακα, πλαστικά κτλ).

Ιδιαίτερη αναφορά μπορεί να γίνει στα πλαστικά για τους εξής λόγους:

1) όλοι οι μαθητές έχουν καθημερινές παραστάσεις

2) μέσα στην τάξη υπάρχουν δεκάδες διαφορετικά είδη πλαστικών αντικειμένων (στιλό, χάρακες, κασετίνες, αθλητικά παπούτσια, μπουφάν, αδιάβροχα κτλ)

Ο δάσκαλος εξηγεί πως η θεαματική εξάπλωση των πλαστικών οφείλεται στην αντοχή τους, στην ευκολία στη χρήση τους, στο χαμηλό κόστος τους και τονίζει το σημαντικό τους μειονέκτημα: δεν αποικοδομούνται στη φύση και επομένως επιβαρύνουν το περιβάλλον. Η χημική βιομηχανία προσανατολίζεται, πλέον, στη σύνθεση πολυμερών (πλαστικών) πιο φιλικών στο περιβάλλον.

Με αφορμή την εικόνα των καυσαερίων του εργοστασίου μπορεί να γίνει και μια γενικότερη αναφορά στο πρόβλημα της ρύπανσης που προκαλεί η χημική βιομηχανία (οικολογικές προεκτάσεις, μέτρα, λύσεις κτλ.)

Τέλος, ο δάσκαλος μπορεί να θέσει το ζήτημα της ανακύκλωσης, για την εξοικονόμηση ύλης και ενέργειας.

 

Ανεπιθύμητες

: Αναπαράσταση της οξείδωσης ενός συνδετήρα, σκουριασμένο καράβι σε ακινησία, εξομοίωση της σταδιακής καταστροφής αγάλματος λόγω της ατμοσφαιρικής ρύπανσης.

 

Ο δάσκαλος αναφέρει παραδείγματα ανεπιθύμητων χημικών αντιδράσεων, γνωστών σους μαθητές από την εμπειρία τους π.χ. ξίνισμα του γάλακτος, αλλοιώσεις τροφίμων, ή ανεπιθύμητων αντιδράσεων μεγάλης σημασίας όπως η καταστροφή του όζοντος από τα προωθητικά αέρια των σπρέι και τα ψυκτικά αέρια των κλιματιστικών, η γήρανση κυττάρων της επιδερμίδας λόγω της ηλιακής ακτινοβολίας κτλ. Με το ερέθισμα του προγράμματος, μπορεί επίσης να αναφερθεί στην προστασία των μαρμάρων, στην ανάγκη δημιουργίας μουσείων κτλ.

 

Μια χημική αντίδραση από κοντά

Οι μαθητές επιδιώκεται:

·          Να γνωρίζουν το μηχανισμό της χημικής αντίδρασης. Να αποκτήσουν δηλαδή τη συνολική εικόνα της πορείας μετατροπής των αντιδρώντων σε προϊόντα.

·          Να κατανοούν το θεμελιώδες χαρακτηριστικό των χημικών αντιδράσεων, που είναι η αλλαγή των μορίων.

·          Να γνωρίζουν ότι σε μία χημική αντίδραση οι βασικές δομικές μονάδες των μορίων (τα άτομα) παραμένουν αναλλοίωτες.

·          Να αναγνωρίζουν ότι το οξυγόνο είναι απαραίτητο για την καύση.

 

Τα αντιδρώντα

: Παραστατική εικόνα μορίων μεθανίου και οξυγόνου πριν την έναρξη της αντίδρασης. Με «κλικ» στα κίτρινα εικονίδια, εμφανίζονται οι χημικοί τύποι των αντιδρώντων και των προϊόντων.

 

Ερώτηση: τι περιμένετε να συμβεί στα μόρια;

Παρατήρηση για το δάσκαλο: Η καύση του μεθανίου επιλέχθηκε με βάση τα παρακάτω κριτήρια:

1.         Το άτομο του μεθανίου είναι απλό στη δομή του, ο μαθητής το έχει ξανασυναντήσει στη μοντελοποίηση και επομένως έχει μια πρώτη εικόνα της μοριακής δομής του.

2.         Οι καύσεις αποτελούν αντιδράσεις για τις οποίες όλοι οι μαθητές έχουν καθημερινές παραστάσεις.

3.         Η αντίδραση μπορεί να επιδειχθεί και πειραματικά, με το άναμμα ενός αναπτήρα (καύση βουτανίου, ενός υδρογονάνθρακα με δομή ανάλογη του μεθανίου).

4.         Το μεθάνιο αποτελεί το βασικό συστατικό του γνωστού στους μαθητές φυσικού αερίου.

5.         Τα προϊόντα της καύσης του μεθανίου (νερό και διοξείδιο του άνθρακα), βοηθούν τους μαθητές στη δημιουργία παράστασης για την «εντυπωσιακή» μεταμόρφωση των αντιδρώντων, και τους εισάγουν αβίαστα στην έννοια των δραστικών μεταβολών που προκαλούν οι χημικές αντιδράσεις. (Ο δάσκαλος, προτρέπει τους μαθητές να τοποθετήσουν ένα ψυχρό γυαλί πάνω από τη φλόγα ενός αναπτήρα και με τον πολύ αυτό τρόπο αποκτούν μια βιωματική επαφή με το ένα από τα δύο προϊόντα της αντίδρασης -το νερό-, το οποίο θα συμπυκνωθεί με μορφή σταγονιδίων υγρασίας)

6.         Το διοξείδιο του άνθρακα, που παράγει η καύση του μεθανίου, αποτελεί το κοινό προϊόν των καύσεων όλων των υδρογονανθράκων, όπως το πετρέλαιο και η βενζίνη, και παράγεται καθημερινά από όλες τις καύσεις των αυτοκινήτων, των μηχανών κτλ., όπως επίσης και από τις καύσεις των οργανισμών. Για όλα αυτά υπάρχουν αναφορές σε άλλα σημεία του προγράμματος.

7.         Το διοξείδιο του άνθρακα είναι υπεύθυνο επίσης για το φαινόμενο θερμοκηπίου, με όλες τις οικολογικές προεκτάσεις που συνεπάγεται ο διαθεματικός χειρισμός του ζητήματος.

8.         Πέραν αυτών, ο δάσκαλος, με αφορμή τη θερμότητα που παράγει η καύση και η οποία είναι αντιληπτή στα παιδιά, μπορεί στη συνέχεια να προκαλέσει συζήτηση για την εκμετάλλευσή της (θέρμανση, μηχανές εσωτερικής καύσης κτλ).

 

Μετά τη σπίθα

: Παραστατική εικόνα των ατόμων που δημιουργεί η διάσπαση των παραπάνω μορίων.

Ο δάσκαλος εξηγεί ότι τα μόρια των αντιδρώντων διασπώνται σε άτομα και επισημαίνει το αμετάβλητο των ατόμων.

 

Τα προϊόντα

: Παραστατική εικόνα των νέων μορίων.

Ο δάσκαλος επισημαίνει τα καινούργια στοιχεία της εικόνας (συγκρίνοντας προϊόντα-αντιδρώντα) τόσο από πλευράς μοριακής δομής, όσο και από πλευράς ιδιοτήτων.

 

Πριν και μετά

: Συνολική απεικόνιση του φαινομένου που προηγήθηκε, με έμφαση στους όρους «αντιδρώντα» και «προϊόντα».

 

Ο δάσκαλος προκαλεί συζήτηση με τα παρακάτω ερωτήματα.

·          Τι είναι αυτό που βλέπεις στην οθόνη;

·          Παρατήρησε τις διαφορές στις δύο εικόνες. Πιστεύεις πως άλλαξε κάτι σημαντικό;

·          Μέτρησε τα άτομα οξυγόνου, υδρογόνου και άνθρακα που υπάρχουν στα αντιδρώντα και τα προϊόντα  της αντίδρασης και σύγκρινέ τα.

 

Προσοχή! Κίνδυνος!

Οι μαθητές επιδιώκεται:

·          Να γνωρίζουν τους κινδύνους από την επαφή και τη χρήση διαφόρων υλικών, όπως επίσης και την αξία της γνώσης του συμβολισμού των ειδικών πινακίδων.

: Ειδικές πινακίδες σήμανσης επικίνδυνων, εύφλεκτων, τοξικών και διαβρωτικών ουσιών και η εξήγησή τους.

 

Τονίζονται οι συνθήκες ασφάλειας που πρέπει να επικρατούν στα εργαστήρια και στη βιομηχανία μέσα από τη δραστηριότητα αναγνώρισης των πινακίδων.

Ερώτηση : Πόσοι από εσάς έχετε στο σπίτι σας πυροσβεστήρα;

 

Ας παίξουμε - Ο μικρός χημικός

: Στο μαθητή προσφέρονται 5 αντιδραστήρια: νερό, οξυγόνο, διοξείδιο του άνθρακα, μεθάνιο και υδρογόνο. Το ζητούμενο είναι η εισαγωγή δύο αντιδραστηρίων σε ένα δοχείο (αντιδραστήρας) με στόχο την πραγματοποίηση μιας καύσης. Ο μαθητής επιλέγει και εισάγει δύο απ’ αυτά στο δοχείο και πιέζει έναν σπινθηριστή. Όταν η καύση πραγματοποιείται, τα μόρια ανασχηματίζονται και δημιουργούνται τα προϊόντα. Αν τα μόρια δεν αντιδρούν ή η αναλογία τους δεν είναι σωστή, δίνονται διορθωτικές οδηγίες.

Οι δυνατοί συνδυασμοί που μπορούν να γίνουν μόνο με δύο αντιδρώντα είναι:

         1 μόριο οξυγόνου+2 μόρια υδρογόνου δίνουν 2 μόρια νερού

         2 μόρια οξυγόνου + 1 μόριο μεθανίου δίνουν 1 μόριο διοξειδίου του άνθρακα και 2 μόρια νερού

 

Οι διδακτικοί στόχοι είναι πολλαπλοί:

·          το οξυγόνο αποτελεί το απαραίτητο αντιδρόν των καύσεων

·          η ενίσχυση της αντίληψης  ότι κατά τη διάρκεια των χημικών αντιδράσεων τα άτομα διατηρούνται και η «νέα» ύλη που παράγεται προκύπτει από την αναδιάταξη των ατόμων σε νέα μόρια

·          η απόκτηση της γνώσης ότι η καύση του υδρογόνου δημιουργεί μόνο νερό, ενώ η καύση του μεθανίου δημιουργεί επιπλέον και διοξείδιο του άνθρακα (το πρώτο αποτελεί το προϊόν καύσης του κινητήρα υδρογόνου ενώ το δεύτερο αποτελεί προϊόν των καύσεων όλων των υδρογονανθράκων) (το μεθάνιο είναι ένας υδρογονάνθρακας),  όπως π.χ. η καύση υγραερίου, η καύση φυσικού αερίου, η καύση βενζίνας και η καύση πετρελαίου.

·          η κατάκτηση μιας πρώτης εμπειρικής αντίληψης ότι δεν αντιδρούν ‘όλα με όλα’

·          η απόκτηση της αντίληψης πως δεν επαρκεί η ανάμειξη των αντιδρώντων για την πραγματοποίηση μιας αντίδρασης. Απαιτούνται οι κατάλληλες συνθήκες και η κατάλληλη αναλογία αντιδρώντων. Στη συγκεκριμένη περίπτωση, για την έναρξη μιας καύσης απαιτείται πάντα ένας σπινθήρας.

 

Πρόσθετο υλικό

Ας παίξουμε

·          Ο μικρός χημικός

Βιογραφίες

·          Ντάλτον Τζον

·          Μπερζέλιους Γαινς Γιάκομπ

·          Μεντελέγιεφ Ντμίτρι Ιβάνοβιτς

Βιβλιογραφία

Φύλλα εργασίας

Κριτήρια αξιολόγησης

Σχετικές συνδέσεις

Βίντεο

·          Μάρμαρο σε υδροχλωρικό οξύ