Сколько молИ в молЕ? . Изучаем равновесие

Тема «Равновесие» не считается сложной в школьном курсе химии, практически любой ученик с уровнем знаний чуть выше среднего может пользоваться принципом Ле-Шателье для определения направления смещения химического равновесия. Но даже традиционную формулировку этого принципа: «Система, находящаяся в равновесии, отвечает на внешние воздействия таким образом, чтобы максимально их ослабить», – можно преподнести совершенно неожиданно.

Ведь этот принцип, как всеобщий, открыт вовсе не французским химиком в 1884 г. – достаточно вспомнить гораздо более древнюю цитату:

Чтобы нечто ослабить, необходимо прежде усилить его.

Чтобы нечто уничтожить, нужно прежде вырастить его.

Чтобы нечто отнять, необходимо прежде дать его.

Это называется сокровенной просветленностью.

Мягкое побеждает твердое, слабое побеждает сильное.

Так учил великий китайский философ Лао-цзы («Дао дэ цзин» 36) 25 веков назад. Однако подобная вставка на уроке допустима, пожалуй, только в 11-м классе естественно-научного профиля при обобщении пройденного курса химии. Со старшеклассниками можно вспомнить и о принципах многих единоборств – максимально использовать силу противника против него самого. Ведь суть та же, что при увеличении, например, давления в системе:

H2 + 3 N2 « 2 NH3

Большинство старшеклассников правильно скажут, что при повышении давления равновесие синтеза аммиака сместится вправо – объем уменьшится, и давление в результате снизится.

А с чего же начинать изучать химическое равновесие в базовой школе?

Учащиеся 8-9-х классов склонны не обобщать, а заучивать, преимущественно в действии. И еще – эмоциональный фон преподавания у них должен быть высокий, провоцирующий мышление. Для начинающих изучать равновесие коллега из московской школы №19 Татьяна Викторовна Игнатова предложила совершенно нехимические задачи, например, такую:

В комнате находится 101 муха. Каждую минуту 5 мух садится на стол, 6 мух взлетает.

Это значит, что:

1) система находится в равновесии;

2) равновесие сдвинуто в сторону убывания количества мух на столе;

3) равновесие сдвинуто в сторону возрастания количества мух на столе;

4) число мух на столе возрастает;

5) среднее число мух на столе постоянно;

6) число мух на столе убывает;

7) задача содержит избыточную информацию.

Ответы: 2; 6; 7

Она же выяснила проблему мышления девятиклассников при изучении данной темы – нужно перейти от понятия «равновесие весов» как статического к динамическому понятию движения частиц. Удачный пример объяснения динамической природы химического равновесия приведен в учебнике «Химия. 9 класс» В.В.Еремина, Н.Е.Кузьменко, А.А.Дроздова, В.В.Лунина – плывя против течения, можно оставаться на месте относительно берега. При этом активно движется и пловец («прямая реакция»), и вода («обратная реакция»), а перемещения относительно берега («сдвиг равновесия») не происходит.

Обсуждая динамическую природу равновесия, необходимо сразу оговориться, что систему из 101 мухи нельзя, строго говоря, описывать как динамическое равновесие – для этого мух слишком мало.

И вот тут очень полезно оценить числовой размер обычного для химиков моля, в котором содержится 6*1023 частиц (атомов, молекул, ионов…).

Поэтому предлагаем школьникам очень «простую» задачу:

Сколько весит один моль моли, если считать вес каждой бабочки моли равным 1 миллиграмму? Сколько железнодорожных вагонов грузоподъемностью по 60 тонн понадобится для перевозки 1 моля моли?

Решение: В 1 моле 6х1023 бабочек по 1 мг, это будет 6х1023 мг, или (в 1000 раз меньше) 6х1020 г, или 6х1017 кг, или 6х1014 т. Словами получится «шестьсот тысяч миллиардов тонн»!!! А железнодорожных вагонов понадобится чуть меньше – делим цифру в тоннах на 60. Всего лишь 1013 вагонов, или «десять тысяч миллиардов вагонов». Вот что такое по числу частиц (т.е. настолько это число огромно), например, столовая ложка поваренной соли (молярная масса хлорида натрия 58,5 г).

Казалось бы, пример не логичен – хотим показать величину числа, а в ответе получаем массу. Но получаем и нужное впечатление об огромности этого числа, а заодно и о ничтожно малой массе одного атома.

Разумеется, если число частиц в системе сопоставимо с числом Авогадро (условие первое), то можно говорить о динамическом равновесии в ней. Кроме того, между частицами в системе должен происходить свободный обмен энергией, например, при соударениях (условие второе). В этом смысле задача про мух тоже не совсем верна. К тому же к живым системам, активно обменивающимся с внешней средой и веществом, и энергией, понятие равновесия из классической термодинамики вообще неприменимо. Но как пример характерного для науки модельного подхода система из мух проста и наглядна. А само моделирование при этом очевидно, что позволяет избежать ловушек псевдонаучности.

Наиболее распространенная в учебниках ошибка в теме «Равновесие» – так называемый вывод константы равновесия через приравнивание скоростей прямой и обратной реакций (см., например, «Химия. 11 класс» О.С.Габриеляна, Г.Г.Лысовой). При этом кинетические уравнения записываются в виде, пригодном только для редких элементарных реакций (см. «Методическую кухню» по кинетике). На самом деле известное выражение для константы равновесия Kр условного химического процесса:

aA + bB « xX + yY

Kр = C(x)xравн. C(y)y равн. /C(a)a равн. C(b)b равн.

получается при интегрировании уравнения Гиббса для реакции в идеальном газе. Разумеется, такой фрагмент химической термодинамики в школьный курс вставить невозможно, но выглядящее «научным» упрощение оказывается принципиально неверным. Уж лучше моделировать систему на мухах…

Со старшеклассниками полезно обсудить разницу между скоростью установления равновесия и сдвигом этого равновесия. Например, катализатор ускоряет установление равновесия, но обычно не сдвигает его (если в системе идет один химический процесс).

Пример задачи для старшеклассников:

При температурах 800 и 600 К константы равновесия реакции

CH4 + 2 O2 Ы ( CO2 + 2 H2O

равны соответственно 1х1052 и 5х1069 . Экзо- или эндотермическая эта реакция?

Решение: если с ростом температуры Kp растет, то в системе становится больше продуктов реакции; значит в реакции, согласно принципу Ле-Шателье, поглощается тепло (эндотермическая реакция).

В данной реакции с ростом температуры Kp уменьшается. Это значит, что при нагревании системы равновесие смещается влево и согласно тому же принципу тепло в прямой реакции выделяется. Вывод: данная реакция экзотермическая.

К такому же выводу можно прийти, вспомнив, что при горении метана тепло выделяется.

Вячеслав ЗАГОРСКИЙ, доцент СУНЦ МГУ, доктор педагогических наук