ӘОЖ 372.853

ЖОО СТУДЕНТТЕРІНЕ СОЛЬВАТТАНУ ПРОЦЕСІ МЕН ДЕБАЙ-ХЮККЕЛЬ ТЕОРИЯСЫН МЕНГЕРТУДІҢ ТИІМДІ ЖОЛДАРЫ

Жолдас М.Н, Орынбасарова А.Е.

студент

Ахтаева.М.Б.

ғылыми жетекші

Абай атындағы ҚазҰПУ, Алматы

Аңдатпа: Бұл жұмыста электролит ерітінділерінің физикалық химиясын оқытудағы күрделі тақырыптар – солваттану процесі мен Дебай-Хюккель теориясын меңгертудің тиімді жолдары қарастырылған. Зерттеуде ион-дипольді әрекеттесуді визуализациялау, иондық атмосфера моделін STEM-тәсілдер арқылы түсіндіру және математикалық аппаратты жеңілдету әдістері ұсынылған.

Кілт сөздер: Солваттану, Дебай-Хюккель теориясы, иондық күш, электролиттер, иондық атмосфера, белсенділік коэффициенті, химиялық оқыту әдістемесі.

Қазіргі химиялық білім беру жүйесінде электролит ерітінділерінің физика-химиялық табиғатын түсіну – жаратылыстану бағытындағы мамандарды даярлаудың іргелі негізі болып табылады. Ерітінділер теориясындағы солваттану процесі мен Дебай-Хюккель теориясы еріген зат пен еріткіш арасындағы күрделі әрекеттесулерді сипаттайтын басты құралдардың бірі. Сонымен қатар, бұл тақырыптар иондардың ерітіндідегі белсенділігін, электр өткізгіштігін және термодинамикалық қасиеттерін анықтауда шешуші рөл атқарады. Дегенмен, иондық атмосфера, иондық күш және электростатикалық тежелу сияқты ұғымдардың тым абстрактілігі, сондай-ақ математикалық аппараттың күрделілігі студенттердің материалды толық меңгеруіне айтарлықтай қиындық туғызады. Бұл жағдай дәстүрлі түсіндіру әдістерінен бөлек, визуалды модельдеу мен инновациялық оқыту тәсілдерін жүйелі түрде қолданудың қажеттілігін айқындайды. Осы зерттеу жұмысының мақсаты – солваттану, Дебай және Хюккель теорияларын оқытудың тиімді әдістемелік жолдарын ұсыну, теориялық модельдерді практикалық мысалдармен ұштастыру және оқушылардың ғылыми-зерттеушілік дағдыларын қалыптастыру болым табылады. Зерттеу барысында электролиттердің физикалық қасиеттерін заманауи педагогикалық технологиялар арқылы түсіндірудің тиімділігі мен олардың практикалық маңызы ғылыми тұрғыдан негізделеді. Физикалық химия курсына сәйкес, ерітінділердің қасиеттерін түсіну екі негізгі теориялық тірекке сүйенеді:

1. Солваттану: Бұл еріген иондар мен еріткіш молекулаларының әрекеттесуі. Ион айналасында сольваттық қабықшаның түзілуі ерітіндінің термодинамикалық тұрақтылығын қамтамасыз етеді. Бұл процесс экзотермиялық болып табылады және кристалдық тордың бұзылуына қажетті энергияны өтейді.

2. Дебай-Хюккель теориясы: Күшті электролиттердің қасиеттерін түсіндіретін іргелі модель. Оның негізінде әрбір ионның айналасында қарама-қарсы зарядталған иондардан тұратын «иондық атмосфера» болады деген ұғым жатыр. Осы атмосфераның әсерінен иондардың белсенділігі олардың концентрациясынан төмен болады. Белсенділік коэффициенті ерітіндінің иондық күшіне (I) тәуелді:

Мұндағы,

γ - белсенділік коэффициенті (ионның тиімді концентрациясын көрсетеді)

A - тұрақты шама, еріткіш пен температураға тәуелді

z - ион заряды

I - иондық күш (ерітіндідегі барлық иондардың әсерін сипаттайды) [1,2,3].

Оқыту әдістерін салыстырмалы талдау

Жаңа әдістемелік тәсілдер мен инновациялар

1. «Иондық атмосфера театры» (Рөлдік ойын): Студенттер орталық ион және оны қоршаған аттас емес иондар рөлін ойнайды. Сыртқы электр өрісі берілгенде иондық атмосфераның деформациялануын (релаксациялық эффект) және оның ион қозғалысына тежегіш әсерін көрнекі түрде түсінеді.

2. STEM-жоба: «Аккумулятор дизайны»: Студенттер әртүрлі электролиттердің (қышқылдар, сілтілер) иондық күшін есептеп, олардың ток күшіне әсерін зерттейді. Бұл Дебай-Хюккель теориясының инженерлік маңызын көрсетеді.

3. «Сандық егіздер» (Computational Chemistry): Қарапайым химиялық бағдарламалар (мысалы, ChemSketch немесе онлайн молекулалық конструкторлар) арқылы ионның айналасындағы су молекулаларының орналасуын модельдеу.

4. Визуалды симуляциялар мен 3D модельдер: Иондардың айналасындағы сольваттық қабықшаны анимация арқылы көрсету. Мысалы, Phet немесе Algodoo сияқты платформаларда иондардың қалай тартылатынын көргенде, студенттің санасында нақты бейне қалыптасады.

5. Математикалық есептерді алгоритмдеу: Иондық күшті (I) есептегенде оқушылар шатасады. Сондықтан біз қадамдық алгоритм ұсынамыз: бірінші – диссоциация теңдеуі, екінші – концентрацияны анықтау, үшінші – формулаға қою. Бұл жүйелі ойлауды дамытады.

Әдістемелік ұсыныстар

1. «Микродан Макроға» сатылы оқыту принципі:

Күрделі теорияны бірден формуладан бастамай, алдымен молекулалық деңгейдегі бейнесін қалыптастыру керек.

• Ұсыныс: Сабақты су молекуласының дипольдік табиғатын қайталаудан бастау. Ионның айналасындағы су молекулаларының бағытталуын (ориентациясын) суретпен салғызу. Бұл студентке солваттану энергиясының қайдан шығатынын физикалық тұрғыдан түсінуге көмектеседі.

2. Виртуалды зертхана мен «Сандық егіздерді» қолдану:

Қазіргі химия тек пробирка емес, ол – компьютерлік модельдеу.

• Ұсыныс: PhET симуляцияларын немесе қарапайым молекулалық конструкторларды қолданып, электролит концентрациясы артқанда иондардың бір-біріне қалай жақындайтынын көрсету. Оқушы өз көзімен иондардың «еркін» емес, бір-бірінің электростатикалық өрісінде «тұтқында» екенін көргенде, «белсенділік коэффициенті» ұғымы оңай түсініледі.

3. Математикалық кедергіні жою (Алгоритмдеу):

Дебай-Хюккель формуласы

студенттерді жиі шатастырады.

• Ұсыныс: Есеп шығаруды 4 қадамға бөлуді ұсынамын:

  1. Тұздың диссоциациялану теңдеуін жазу;

  2. Әр ионның молярлық концентрациясын (c) және зарядын (z) анықтау;

  3. Иондық күшті (I) есептеу;

  4. График немесе формула арқылы белсенділік коэффициентін табу.

Мұндай алгоритм студенттің техникалық қате жібермеуіне септігін тигізеді.

4. Пәнаралық байланыс пен «Кейс-стади» әдісі:

Теорияны құрғақ қалдырмай, биологиямен немесе техникамен байланыстыру.

• Ұсыныс: «Неліктен теңіз балықтары тұщы суда өмір сүре алмайды?» немесе «Қан плазмасындағы иондық күштің тұрақтылығы не үшін маңызды?» деген сияқты өмірлік кейстерді талқылау. Бұл Дебай-Хюккель теориясының тек қағаздағы емес, тірі табиғаттағы маңызын көрсетеді.

5. «Танымдық қайшылық» тудыру:

Оқушының ойын қозғау үшін эксперимент пен есептеудің айырмашылығын көрсету.

• Ұсыныс: Сабақта идеалды ерітінді бойынша есептелген көрсеткіш пен нақты электролиттің көрсеткішін салыстыру. «Неге олар сәйкес келмейді?» деген сұрақ қою арқылы иондар арасындағы тартылыс күштерін (иондық атмосфераны) теориялық түрде дәлелдеу.

6. Дифференциалды (деңгейлеп) тапсырмалар беру:

Барлық студенттің математикалық деңгейі бірдей емес.

• Базалық деңгей: Тек солваттану мен иондық күшті (I) есептеу.

• Орта деңгей: Дебай-Хюккельдің бірінші жуықтауын қолданып, белсенділік коэффициентін табу.

• Жоғары деңгей: Концентрлі ерітінділер үшін теорияның шектеулерін талдау және иондардың радиусын есепке алатын екінші жуықтауды меңгеру.

Зерттеу көрсеткендей, солваттану мен Дебай-Хюккель теорияларын тек оқулықтағы мәтінмен түсіндіру жеткіліксіз. Егер біз теорияны визуалды модельдермен, рөлдік ойындармен және практикалық есептермен байланыстырсақ, оқушылар бұл тақырыпты жаттап алмай, саналы түрде меңгереді. Бұл әдістер болашақта физикалық химияны тереңірек оқытуға жақсы база болады.

Пайдаланған әдебиеттер:

1. Құлажанов Қ. С., Тауасарова Б. Р., Сүлейменова М. Ш., Абилкасова С. О. “Физикалық химия”. Оқу құралы. – Алматы, 2014. – 264 б.

2. С. Х. Хұсайн. “Физикалық химия”. Оқулық. – Алматы: ҚазҰТУ, 2014. – 404 б.

3. Алмашев Б.К. “Физикалық және коллоидтық химия практикумы”. Оқу құралы. – Алматы, Мектеп, 1985. – 209 б.