Daily Calendar

Τρίτη, 15 Νοεμβρίου 2011

ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΙΣΜΟΙ ΣΕ ΘΕΜΑΤΑ ΔΙΔΑΚΤΙΚΗΣ ΧΗΜΙΚΩΝ ΕΝΝΟΙΩΝ


ΘΕΜΑΤΑ ΠΟΥ ΠΡΕΠΕΙ ΝΑ ΓΝΩΡΙΖΕΙ Ο ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟΣ ΠΟΥ ΔΙΔΑΣΚΕΙ ΧΗΜΕΙΑ

Όταν μπεις στην αίθουσα για να διδάξεις Χημεία, δεν σημαίνει απαραίτητα ότι θα τη διδάξεις και «καλά». Πολλοί λόγοι συντρέχουν στο να διδαχθεί σωστά ένα μάθημα ή ένα θέμα. Ένας από τους σημαντικότερους είναι ΝΑ ΤΟ ΓΝΩΡΙΖΕΙΣ ΚΑΛΑ.  Ο πλέον ταλαντούχος στην παρουσίαση εκπαιδευτικός , αν δεν γνωρίζει πολύ καλά ένα αντικείμενο δεν θα το διδάξει καλά. Για να μάθεις ένα αντικείμενο πρέπει φυσικά να ασχοληθείς μ’ αυτό και να ψάξεις πολύ. Από τα ελάχιστα δόγματα που είχα στην εκπαιδευτική μου θητεία ήταν ότι για οποιοδήποτε θέμα ξεκίναγα από τη θέση ότι ήμουν ανεπαρκής και ότι πάντα μπορεί να υπήρχαν περιθώρια αναζήτησης και ανακάλυψης σημείων που δεν γνώριζα ή θεωρούσα ότι γνώριζα.    Αυτό δεν είναι θεωρητική αντίληψη , αλλά πρακτικό συμπέρασμα , δεδομένου ότι σήμερα ξαναπερνώντας από τα ίδια γνωστικά μονοπάτια διαρκώς ανακαλύπτω νέα πράγματα.  Με αφορμή αυτές τις σκέψεις προχώρησα στην δημιουργία αυτής της ενότητας στην οποία θα αναφέρομαι σε ερωτήματα που θεωρώ ότι ενδιαφέρουν τον χημικό στη τάξη και για τα οποία υπάρχουν ασάφειες, δυσκολίες, ή και διαφορετικές επικρατούσες αντιλήψεις. Και όπως πάντα υπογραμμίζω ότι παρά την τεκμηρίωση της άποψης που παραθέτω από έγκυρα βιβλία, πάντα υπάρχουν περιθώρια εσφαλμένων θέσεων για τις οποίες είμαι απόλυτα υπεύθυνος και με ικανοποίηση θα άκουγα συμπληρωματικές ή αντίθετες απόψεις. Στο forum του «ΧΗΜΕΙΟΡΑΜΑΤΟΣ» αλλά και άλλα forum όπως στο «Διδάσκω Φυσικές Επιστήμες» ήδη έχει ξεκινήσει μια γόνιμη ανταλλαγή απόψεων σε αντίστοιχα θέματα. Προσωπικά,  διευκολύνω με την παράθεση όλων αυτών των θεμάτων συγκεντρωμένων.

Τι συμβαίνει τέλος πάντων με την ενέργεια των υποστιβάδων 4s και 3d;

Τα πράγματα δεν είναι πάντα απολύτως ξεκάθαρα στην περίπτωση αυτή, αν και στα περισσότερα βιβλία φαίνεται να ασπάζονται την θέση ότι μέχρι Z=20 το ενεργειακό επίπεδο 4S<3d, ενώ μετά αντιστρέφεται. Έχει όμως ενδιαφέρον να παραθέσω τα σχετικά αποσπάσματα από τρία διαφορετικά βιβλία σχετικά με το ίδιο θέμα, και θα διαπιστώσετε ότι υπάρχουν αντίθετες απόψεις. Οι υπογραμμίσεις δικές μου.

ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΧΗΜΕΙΑ Δ.ΚΑΤΑΚΗ: σ.62: " Τα 4s πληρούνται συνήθως προ των 3d. Αφού όμως τοποθετηθούν εις αυτό ηλεκτρόνια η ενέργειά του καθίσταται μεγαλύτερη των 3d τροχιακών..." και παρακάτω " Ειδικότερα κατά τον ιονισμόν των στοιχείων μεταπτώσεως της πρώτης σειράς, αποσπώνται πρώτον τα 4s ηλεκτρόνια και κατόπιν τα 3d αν και ενεργειακώς στην δόμηση ισχύει 4s<3d"

ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΧΗΜΕΙΑ James E. HuHeey. σελ.30: Παρατηρείται οτι υπάρχουν λίγες μόνο διαφορές μεταξύ των διαμορφώσεων που παρατηρήθηκαν πειραματικά και ενός παρόμοιου πίνακα που θα μπορούσε να κατασκευασθεί με βάση την aufbau. Σε κάθε περίπτωση που παρατηρείται εξαίρεση τα ενεργειακά επίπεδα είναι πολύ κοντά μεταξύ τους και διάφοροι παράγοντες αντιστρέφουν τα ενεργειακά επίπεδα. Π.χ. τα (n-1)d και ns επίπεδα βρίσκονται πολύ κοντά όταν είναι συμπληρωμένα με το δεύτερο να είναι ελάχιστα χαμηλότερο σε ενέργεια" και "Στα άτομα των στοιχείων K, Ca και SC ισχύει Ε(4s)<E(3d). οι ενέργειες των διαφόρων τροχιακών είναι ευαίσθητες σε μεταβολές στο πυρηνικό φορτίο και την κατάληψη άλλων τροχιακών από ηλεκτρόνια (προστασία) και αυτό εμποδίζει τον σχεδιασμό μιας απόλυτης κλίμακας των ενεργειών των τροχιακών. Η σειρά που παρουσιάσθηκε (αυτή που προτείνεται και στο σχολικό βιβλίο) είναι ακριβής ότα;ν αναφερόμαστε σε τροχιακά της στιβάδας σθένους. Έτσι 3d>4s ισχύει για το κάλιο αλλά όχι απαραίτητα και αλλού"

ΓΕΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ Γιάννη Μπαζάκη. σελ. 320 "Σε στοιχείο με ατομικό αριθμό μέχρι 20 ισχύει E(3d)>E(4s). Σε στοιχεία με ατομικό αριθμό μεγαλύτερο του 20 τα ενεργειακά επίπεδα αντιστρέφονται"



ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΑΚΤΙΝΑΣ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΙΔΙΑΣ ΠΕΡΙΟΔΟΥ

Στο σχολικό βιβλίο αναφέρεται ότι η ακτίνα σε στοιχεία ίδιας περιόδου ελαττώνεται από αριστερά προς τα δεξιά. Αυτό όμως δεν ισχύει όταν η  περίοδος περιλαμβάνει και στοιχεία μετάπτωσης. Συγκεκριμένα  στα πρώτα στοιχεία του τομέα d όντως υπάρχει μείωση της ατομικής ακτίνας μετά του ατομικού αριθμού, αλλά στα τελευταία αύξηση. Έτσι π.χ.  .

39Y > 40Zr > 41Nb > 42Mo > 43Tc > 44Ru
''πρώτα'' στοιχεία μετάπτωσης 5ης περιόδου
αλλά
44Ru < 45Rh < 46Pd < 47Ag < 48Cd
''τελευταία'' στοιχεία μετάπτωσης 5ης περιόδου

21Sc > 22Ti > 23V > 24Cr
''πρώτα'' στοιχεία μετάπτωσης 4ης περιόδου
αλλά
27Co< 28Ni < 29Cu < 30Zn
''τελευταία'' στοιχεία μετάπτωσης 4ης περιόδου

 Ο λόγος είναι ότι με την προσθήκη των πρώτων πέντε συνήθως ηλεκτρονίων στην υποστιβάδα d της n-1 στιβάδας η ηλεκτρονιακή προάσπιση των ηλεκτρονίων σθένους από τα d αυτά ηλεκτρόνια γίνεται πολύ μεγάλη με συνέπεια η ελκτική δύναμη του πυρήνα στα ηλεκτρόνια σθένους να γίνεται ασθενέστερη και η ατομική ακτίνα τελικά να αυξάνεται.

ΠΟΣΕΣ ΟΜΑΔΕΣ ΕΧΕΙ Ο ΤΟΜΕΑΣ f;

Σύμφωνα με  το σχολικό βιβλίο ο τομέας f περιλαμβάνει 14 ομάδες. Αυτό όμως δεν είναι σωστό.
 Όλα τα στοιχεία του τομέα f βάσει των ιδιοτήτων τους αθα έπρεπε να ανήκουν σε μια μόνο ομάδα και όχι σε 14. Όλα ανήκουν στην ΙΙΙΒ ή 3η ομάδα του περιοδικού πίνακα επειδή έχουν παρόμοιες ιδιότητες με το La και το Ac. Σε μια πιο πιστή απόδοση ίσως θα έπρεπε να "φυτεύαμε" στο κουτάκι του Λανθανίου άλλα 13 στοιχεία και άλλα τόσα στο κουτάκι του Ακτινίου. Αυτό για πρακτικούς λόγους είναι δύσκολο, αν και έχω δει σε κάποιους περιοδικούς πίνακες δύο κατακόρυφες στήλες 14 στοιχείων η κάθε μία που στηρίζονται στα δύο κουτάκια που προανέφεραΔεν περιλαμβάνει επομένως 14 ομάδες ο τομέας f, αλλά δύο σειρές 14 στοιχείων έκαστη.  Ένα ακόμη ζήτημα είναι και το εξής: Τα στοιχεία La(z=57), Lu(z=71) καθώς και τα Ac(89) και Lr(z=103) βάσει της ηλεκτρ. δομής τους (.....5d1, 6s2) και (6d1, 7s2) αντίστοιχα τυπικά είναι στοιχεία μετάπτωσης. Θα έπρεπε λοιπόν θεωρήσουμε σαν "παρενθέσεις" που περικλείουν τα στοιχεία του τομέα f.

Ορθότερο θα ήταν να γίνεται διάκριση μεταξύ των όρων "ΛΑΝΘΑΝΙΔΕΣ", "ΑΚΤΙΝΙΔΕΣ"  και "ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΟΥ ΤΟΜΕΑ f".  Έτσι θα λυνόταν το θέμα αυτό.

ΠΟΤΕ ΕΝΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΛΥΤΗΣ ΘΕΩΡΕΙΤΑΙ ΙΣΧΥΡΟΣ;

Στο σχολικό βιβλίο αναφέρεται (σ.98) ότι «αν ο ιοντισμός είναι σχεδόν πλήρης τότε ο ηλεκτρολύτης μπορεί να θεωρηθεί ισχυρός» Στην περίπτωση αυτή ο βαθμός ιοντισμού τείνει στην μονάδα (Στις ασκήσεις δεχόμαστε ότι α=1. Στην περίπτωση αυτή όμως  η σταθερά ιοντισμού Κa ή Kb θα έπρεπε να έχει παρονομαστή μηδέν και να μην ορίζεται κάτι που δεν ισχύει βέβαια, εφόσον και τα ισχυρά οξέα και οι βάσεις έχουν καθορισμένες σταθερές ιοντισμού όπως φαίνεται και από τον πίνακα της σελ. 111. Οι σταθερές αυτές όμως έχουν μετρηθεί πειραματικά και έχουν ληφθεί υπόψη οι διιοντικές επιδράσεις για τις οποίες θα αναφερθώ πιο κάτω) Στο ερώτημα όμως γιατί στην πράξη οι ισχυροί ηλεκτρολύτες έχουν βαθμό ιοντισμού μικρότερο της μονάδας, θα πρέπει να λάβουμε υπόψη τα εξής:

1)      Θα πρέπει να κάνουμε μια διάκριση ανάμεσα στον θεωρητικό βαθμό ιοντισμού ή διάστασης που για όλους τους ισχυρούς ηλεκτρολύτες είναι ίσος με τη μονάδα και στον φαινομενικό βαθμό που είναι αυτός που μετρείται πειραματικά και που είναι για τους ισχυρούς ηλεκτρολύτες μικρότερος του 1. Στις επόμενες παρατηρήσεις αναφέρομαι στον δεύτερο.

2)      Τα άλατα λοιπόν, εφόσον αποτελούνται μόνο από ιόντα και κατά την διάλυσή τους δεν υπάρχουν μόρια στο διάλυμα θα έπρεπε να έχουν βαθμό ιοντισμού α=1. Εντούτοις αν παρατηρήσουμε τις τιμές του πίνακα που ακολουθεί θα διαπιστώσουμε (για συγκεντρώσεις 0,1Μ και 25 oC)  ότι άλατα του τύπου MX (όπως NaCl)  έχουν  α περίπου 0,88, άλατα του τύπου Μ2Χ (ή ΜΧ2) έχουν α περίπου 0,75 και άλατα του τύπου ΜX (όπως CuSO4) έχουν α περίπου 0,40. Αυτό οδηγεί στο συμπέρασμα ότι o βαθμός ιοντισμού (φαινομενικός) επηρεάζεται από την φύση του ηλεκτρολύτη, δηλαδή από το μέγεθος και το φορτίο των ιόντων του. Επίσης επηρεάζει η συγκέντρωση του ηλεκτρολύτη ακόμη και του ισχυρού την τιμή του α. (Στη διδασκαλία μας όμως στα παιδιά της Γ’ λυκείου αναφέρουμε ότι ο βαθμός ιοντισμού των ισχυρών ηλεκτρολυτών δεν επηρεάζεται από την συγκέντρωση).  Έτσι αν η συγκέντρωση του άλατος ΜΧ από 0,1Μ γίνει 0,01Μ ο α αυξάνεται σε 0,95. Σε άπειρη αραίωση πάντως θεωρούμε ότι ο ισχυρός ηλεκτρολύτης έχει και  πρακτικά α=1.

3)      Ανάλογες παρατηρήσεις ισχύουν και για διαλύματα ισχυρών ομοιοπολικών ηλεκτρολυτών όπως τα ισχυρά οξέα τα οποία δεχόμαστε μεν ότι ιοντίζονται πλήρως αλλά τα πειραματικά δεδομένα έδειξαν βαθμούς ιοντισμού πολύ μικρότερους, περίπου 0,91 π.χ. για το HCl 0,1Μ και θερμοκρασίας 25oC. (Για το λόγο αυτό εισήχθη και ο όρος «φαινομενικός βαθμός διάστασης» όπως προανέφερα και ο οποίος στηρίζεται στα πραγματικά πειραματικά δεδομένα).

4)      Για την ερμηνεία των αποκλίσεων αυτών προτάθηκε από τους  Debye , Ηuckel  η θεωρία των διιοντικών έλξεων. Σύμφωνα με την θεωρία αυτή οι ισχυροί ηλ/τες ιοντίζονται-διίστανται πλήρως στα διαλύματά τους. Στη συνέχεια όμως κάθε ιόν υφίσταται την επίδραση δυνάμεων από άλλα ιόντα αντίθετου φορτίου τα οποία το περιβάλλουν σαν μια «ατμόσφαιρα» αντίθετα φορτισμένη. Αυτή η επίδραση έχει συνέπειες στην κίνηση των ιόντων, στην ηλεκτρική αγωγιμότητα  και προκαλεί σημαντικές μεταβολές στις τιμές των προσθετικών ιδιοτήτων των ηλεκτρολυτών. Όσο πιο αραιά είναι τα ηλεκτρολυτικά διαλύματα, τόσο μικρότερες είναι οι διιοντικές αλληλεπιδράσεις.  (Κύρια πηγή: Θ. Χατζηιωάννου, Ποιοτική ανάλυση και χημική ισορροπία)

ΤΑ ΔΥΣΔΙΑΛΥΤΑ ΑΛΑΤΑ ΕΙΝΑΙ ΙΣΧΥΡΟΙ ΗΛΕΚΤΡΟΛΥΤΕΣ;

H διάλυση μιας ουσίας είναι φαινόμενο άσχετο με την ηλεκτρολυτική ισχύ της και έτσι θεωρώ ότι πρέπει να το χειριστούμε στη τάξη. Κριτήριο ισχύος ενός ηλεκτρολύτη είναι η ισοδύναμη αγωγιμότητά του που δεν σχετίζεται με την τιμή διαλυτότητας του ηλεκτρολύτη, ενώ κριτήριο διαλυτότητας μιας ουσίας αποτελεί το γινόμενο διαλυτότητάς της (Κsp). Ισχυροί ηλεκτρολύτες έχουν μεγάλη Ι.Α. η οποία αυξάνεται βαθμιαία και σχετικά λίγο με την αραίωση (σύμφωνα με το σχολικό εγχειρίδιο δεν μεταβάλλεται) , ενώ η Ι.Α. των ασθενών ηλεκτρολυτών είναι μικρή , αυξάνεται όμως απότομα σε μεγάλες αραιώσεις. (Νόμος αραίωσης ostwald). Τα άλατα για παράδειγμα είναι όλα ισχυροί ηλεκτρολύτες ακόμη και τα δυσδιάλυτα (Ποιοτική ανάλυση και Χημική ισορροπία, Θ. Χατζηιωάννου, σελ.28). Το ποσοστό που θα διαλυθεί μπορεί να είναι ελάχιστο και εξαρτάται από την ενέργεια πλέγματος . Υπάρχουν και εδώ κάποιοι γενικοί κανόνες , που επιδέχονται αρκετές εξαιρέσεις. Π.χ. άλατα με μικρά ιόντα μεγάλου φορτίου είναι συνήθως ευδιάλυτα. Επίσης η διαφορά μεγέθους κατιόντος, ανιόντος ευνοεί αυξημένη διαλυτότητα. Έτσι μπορεί να διαλυθεί ένα μικρό ποσό του άλατος , αλλά από τη στιγμή που διαλύεται και βρίσκεται αποκλειστικά με την μορφή εφυδατωμένων ιόντων, επομένως η διάστασή του θεωρείται πλήρης.




3 σχόλια:

ΥπΕΚΦΕ ΣΑΜΟΥ είπε...

ΠΟΣΕΣ ΟΜΑΔΕΣ ΕΧΕΙ Ο ΤΟΜΕΑΣ f;

Να προσθέσω συνάδελφε ότι οι εικονιζόμενες λανθανίδες και ακτινίδες αντίστοιχα είναι ... 15!!
Κάποιο λάκο έχει η ...φάβα. Αν κοιτάξουμε προσεκτικά (κατά τη γνώμη μου) το Λανθάνιο και το Ακτίνιο δεν ανήκουν στην ΙΙΙΒ (στην οποία ανήκουν στοιχεία μετάπτωσης) αλλά στη ... διαχωριστική γραμμή!! ανάμεσα στην ΙΙΑ και την ΙΙΙΒ. Στην λανθασμένα εικονιζόμενη θέση των παραπάνω στοιχείω ανήκουν τα στοιχεία με Ζ=71 και 103ν(που είναι και αυτά στοιχεία μετάπτωσης και όχι Λανθανίδες-Ακτινίδες)

Αντώνης Αρχοντούλης
Φυσικός
Υπ ΕΚΦΕ Σάμου

ΥπΕΚΦΕ ΣΑΜΟΥ είπε...

Συνάδελφε επανέρχομαι
1. σου έστειλα σχετικό μήνυμα με απορίες και παρατηρήσεις μου σχετικά με τον Περιοδικό Πίνακα
2. Μόλις επιβεβαίωσα την άποψή μου και την παρατήρησή μου μέσω ενός από τους Πίνακες που προβάλεις στη σελίδα σου. Στον http://www.ptable.com/ κοίταξε το στοιχείο 71 και πως το χαρακτηρίζει(Λανθανίδες)και ας είναι το 15ο της σειράς!! Κάνε κλικ στο κουτάκι "Ανεπτυγμένος" και όλα πάνε στη σωστή τους θέση όπως η πρότασή μου. Είναι τόσο όμως βαθιά ριζωμένη η λανθασμένη ιδέα περί λανθανιδών που αν πας πάλι στο 71 θα το χαρακτηρίζει (λανθασμένα) Λανθανίδα αλλά θα το έχει τοποθετήσει (σωστά)στα στοιχεία μετάπτωσης της ΙΙΒ.
Αντώνης Αρχοντούλης
Φυσικός
Υπ ΕΚΦΕ Σάμου

ΥπΕΚΦΕ ΣΑΜΟΥ είπε...

Sorry ...της ΙΙIΒ.
Αντώνης Αρχοντούλης
Φυσικός
Υπ ΕΚΦΕ Σάμου