147 This paper is available online at http://stdb.hnue.edu.vn
NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG CÁC BÀI THỰC HÀNH HÓA LÝ PHẦN ĐỘNG HỌC XÚC TÁC NHẰM NÂNG CAO NĂNG LỰC TỰ HỌC CHO SINH VIÊN
Võ Văn Duyên Em
Khoa Hóa, Trường Đại học Quy Nhơn
Tóm tắt. Hiện nay, đã có nhiều phần mềm thí nghiệm hóa học mô phỏng ra đời nhằm thay thế các thí nghiệm thực gây nguy hiểm, khó quan sát,... được áp dụng vào các bộ môn hóa hữu cơ, vô cơ, phương pháp. Đối với các bài thực hành hóa lý phần động học xúc tác, chúng tôi đã sử dụng phần mềm mô phỏng Crocodile chemistry. Kết quả áp dụng cụ thể cho bài thí nghiệm “xúc tác dị thể - phản ứng phân hủy H2O2”đã thu được các số liệu thể tích O2 thoát ra ở mỗi thời điểm và đồ thị tương ứng. Từ đó tính được giá trị hằng số tốc độ trung bình và chu kỳ bán hủy của phản ứng - phù hợp với kết quả mà sinh viên đã tiến hành làm thực nghiệm ở phòng thí nghiệm. Với việc mô phỏng này, đã giúp sinh viên hiểu sâu sắc hơn vấn đề được nghiên cứu, tăng tính hứng thú, sáng tạo và phát triển năng lực tự học ở sinh viên.
Từ khóa: Thí nghiệm ảo, Crocodile chemistry, động học xúc tác.
1. Mở đầu
Hóa học là môn khoa học vừa lý thuyết vừa thực nghiệm. Thực hành thí nghiệm giúp người học tin tưởng vào khoa học và nâng cao chất lượng dạy học,… Tuy nhiên không phải thí nghiệm nào cũng đầy đủ hóa chất, dụng cụ hay trang thiết bị để thực hành và có thể thực hành một cách dễ dàng, thuận lợi. Để giải quyết vấn đề này, có các phần mềm mô phỏng đã được phát minh như:
Chemlab, Vlab, Crocodile chemistry,... Thí nghiệm mô phỏng cải thiện so với các thí nghiệm thực gây nguy hiểm, khó quan sát, phản ứng xảy ra rất nhanh hoặc rất chậm,... đây là vấn đề quan trọng trong quá trình học tập và nghiên cứu hóa học.
Cùng quan tâm về vấn đề này có một số công trình trên thế giới đã nghiên cứu như thí nghiệm Urey-Miller [8], các nhà nghiên cứu đã mô phỏng lại quá trình hình thành vật chất tạo ra sự sống năm 1953; Nhưng ít đề cập đến thí nghiệm mô phỏng về phần động học xúc tác [9, 10]; Ở Việt Nam theo [1-6] đã thực hiện ở hóa vô cơ, hữu cơ, phương pháp. Tuy nhiên, đối với bộ môn thực hành hóa lý vẫn chưa có công trình nào được nghiên cứu. Chính vì vậy, trong bài viết này chúng tôi đã áp dụng chương trình mô phỏng Crocodile chemistry để nghiên cứu các bài thực hành hóa lý phần động học xúc tác nhằm nâng cao năng lực tự học cho sinh viên đồng thời khắc phục những khó khăn mà thí nghiệm thực gặp phải, góp phần nâng cao chất lượng dạy học.
2. Nội dung nghiên cứu
2.1. Câu hỏi nghiên cứu
Câu 1: Có thể sử dụng phần mềm mô phỏng Crocodile chemistry vào các bài thực hành hóa lý phần động học xúc tác?
Ngày nhận bài: 19/12/2017. Ngày sửa bài: 19/4/2017. Ngày nhận đăng: 20/5/2017.
Tác giả liên hệ: Võ Văn Duyên Em. Địa chỉ e-mail: [email protected]
148
Câu 2: Các thí nghiệm mô phỏng này có mang lại hiệu quả trong việc giảng dạy của giảng viên và phát triển năng lực tự học của sinh viên?
2.2. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tài liệu về hóa lý phần động học xúc tác; các công trình nghiên cứu liên quan đến vấn đề thực hành phần động học xúc tác.
- Nghiên cứu các tài liệu hướng dẫn sử dụng phần mềm Crocodile chemistry.
2.3. Kết quả nghiên cứu
2.3.1. Thí nghiệm mô phỏnga. Khái niệm [9]
Thí nghiệm mô phỏng là thí nghiệm được xây dựng từ các dụng cụ và đối tượng mô phỏng trên cơ sở các đối tượng thực. Thí nghiệm mô phỏng cũng có kết quả giống như với thí nghiệm thực. Do vậy, khi tiến hành thí nghiệm mô phỏng thì người học cũng sẽ quan sát được hiện tượng, tiếp thu được kiến thức giống như khi ta tiến hành với thí nghiệm thực.
b. Vai trò
- Có khả năng nén dãn về thời gian.
- Giúp người dạy và người học tiến hành các thí nghiệm một cách chủ động và rất tiện lợi trong quá trình tự học của người học. Đặc điểm này thúc đẩy việc tự trau dồi kiến thức của người dạy và người học khi ở phòng thí nghiệm cũng như ở nhà, qua đó kiến thức và nhất là năng lực tích cực học tập được nâng cao.
- Góp phần giúp người học phát triển tư duy sáng tạo.
- Khi thực hiện thí nghiệm mô phỏng, người dạy và người học không mất nhiều thời gian chuẩn bị như khi thực hiện các thí nghiệm thực ở phòng thí nghiệm. Tất cả các thí nghiệm mô phỏng đều được đảm bảo thành công ngay, đảm bảo lượng kiến thức mà người học tiếp thu và tiến độ thực hiện thí nghiệm.
- Việc sử dụng thí nghiệm mô phỏng tỏ ra rất có hiệu quả trong các điều kiện thiếu trang thiết bị thí nghiệm; các thiết bị thí nghiệm đắt tiền; dễ hỏng, các thiết bị nguy hiểm,…; các thí nghiệm rất khó thực hiện thành công.
c. Ứng dụng phần mềm Crocodile chemistry trong thiết kế thí nghiệm mô phỏng [6]
- Là phần mềm mô phỏng các thí nghiệm hóa học rất hữu ích trên máy tính, có thể thực hiện hầu hết các thí nghiệm hóa học an toàn và dễ dàng, sử dụng phương pháp algorite dạy học, các thí nghiệm linh hoạt, có tính sáng tạo cao.
- Bộ công cụ hóa học lên tới 63 dụng cụ, gồm 144 hóa chất sẵn có; mỗi dụng cụ sẽ có một chức năng riêng để hỗ trợ cho việc thực hiện các phản ứng hóa học.
* Cách sử dụng các thanh công cụ:
Trên thanh công cụ (Toolbars) gồm các thanh chức năng:
- File: Để tạo mới, mở hoặc lưu giữ một file.
- Edit: Để chỉnh sửa và thao tác di chuyển trên màn hình.
- View: Để định dạng cách biểu diễn hiển thị màn hình của chương trình.
- Scene: Tạo các phần trình chiếu khác nhau trong một file.
Các nút chức năng trong phần mềm: Nằm ở phía bên trái của màn hình ta thấy có 3 thanh:
- Content: Lưu trữ các thí nghiệm đã thiết kế sẵn.
- Parts Library: Nơi chứa các dụng cụ và hóa chất thí nghiệm.
- Properties: Thể hiện trạng thái của chất hoặc công cụ ta đang xét.
* Hóa chất:
149 Hóa chất trong phần mềm được chia ra làm nhiều dạng phù hợp với các mục đích định tính, định lượng. Các dạng hóa chất: Solid (Dạng rắn); Lump (Dạng thỏi/dạng cục); Powder (Dạng bột); Fine Powder (Dạng bột mịn); Medium Powder (Dạng hạt); Coarse Powder (Dạng thô);
Liquids (Dạng lỏng); Solution (Dạng dung dịch). Ngoài ra hóa chất còn chia ra làm hai loại: Purity (tinh khiết) và Impurity (không tinh khiết).
Đối với bài “Xúc tác dị thể - phản ứng phân hủy H2O2”, chúng ta có thể thực hiện thí nghiệm chính xác và khoa học với phần mềm mô phỏng này. Đồng thời, chương trình mô phỏng này cũng sẽ cho ra các số liệu thực nghiệm và đồ thị tương ứng.
2.3.2. Quy trình thiết kế các thí nghiệm mô phỏng phần Động học - xúc tác [5]
Nguyên tắc thiết kế: (1) Phần mềm thiết kế phải phù hợp với nội dung của bài thực hành, có ý nghĩa, có tính khả thi và khoa học; (2) Tập trung làm rõ, hướng dẫn cho sinh viên quan sát hiện tượng chính; (3) Tạo cơ hội cho sinh viên tương tác với tài liệu, với thí nghiệm; (4) Sự hòa hợp giữa mô phỏng và thí nghiệm thực.
Quy trình thiết kế thí nghiệm ảo phần động học xúc tác được thực hiện với các bước như sau:
- Bước 1: Lựa chọn nội dung thí nghiệm ảo;
- Bước 2: Xác định mục tiêu thực hiện và phân tích các yêu cầu;
- Bước 3: Lựa chọn phần mềm mô phỏng thích hợp cho mỗi thí nghiệm;
- Bước 4: Thiết kế giao diện để hiện thị, giao tiếp và chuyển động;
- Bước 5: Dùng các chức năng của mỗi phần mềm để hoàn thành thí nghiệm;
- Bước 6: Chạy thử, chỉnh sửa, hoàn thiện và nghiệm thu.
2.4. Minh họa cách tiến hành thí nghiệm bài thực hành “Xúc tác dị thể - phản ứng phân hủy H
2O
2”
Lấy 9,8ml H2O + 9,8ml dung dịch H2O2 3,6M cho vào bình cầu. Sau đó cho thêm 0,5g bột MnO2 vào bình trên. Lắp dụng cụ như hình vẽ.
- Nhấp chọn Presentation → chọn graph → kéo vào vùng làm việc. Đây là đồ thị dùng để vẽ
O2
V theo thời gian (t).
Nhấn nút tạm dừng thí nghiệm trên thanh công cụ
Hình 2.4.1. Dung dịch trước phản ứng
Sau đó nhấn nút tiếp tục thí nghiệm để phản ứng xảy ra.
150
Hình 2.4.2. Khí O2 bắt đầu thoát ra Hình 2.4.3. t = 210s là lúc khí O2 bắt đầu thoát
trong bình cầu ra ở xilanh (coi đó là thời gian bắt đầu phản ứng) Cứ sau 20 giây đọc thể tích của oxi thoát ra một lần.
Hình 2.4.4. t = 20s,
O2
V = 6 ,88 m l Hình 2.4.5. t = 40s, V =13,73 m lO2
Hình 2.4.6. t = 60s,
O2
V = 21,64 ml Hình 2.4.7. t = 80s,
O2
V = 28,95 ml
151 Hình 2.4.8. t = 100s,
O2
V = 35,60 ml Hình 2.4.9. t = 120s,
O2
V = 41,76 ml
Hình 2.4.10. t = 140s,
O2
V = 47,43 ml
Hình 2.4.11. t = 160s,
O2
V = 52,73 ml
H2O2 phân hủy theo phản ứng tỏa nhiệt tạo thành nước và khí oxy, phản ứng xảy ra rất chậm:
2H2O2 → 2H2O + O2 + Nhiệt lượng Nhưng qua các số liệu
O2
V thoát ra ở mỗi thời điểm có thể thấy khí O2 thoát ra rất nhanh dưới sự tự phân hủy của H2O2 khi có mặt xúc tác MnO2: 2 2 MnO2 2 1 2
H O H O+ O
2
Giải thích: Trong phản ứng phân hủy H2O2với sự có mặt của MnO2 là một hệ xúc tác dị thể (rắn - lỏng). Tác dụng của MnO2 là sự hấp phụ của chất xúc tác đối với H2O2. Sự hấp phụ đó dẫn tới hiện tượng tăng nồng độ các chất tham gia ở vùng bề mặt chất xúc tác, tạo thuận lợi cho phản ứng về mặt năng lượng (làm giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng từ khoảng 75 kJ/mol đến 58 kJ/mol), khiến cho tốc độ phản ứng tăng. Dẫn đến việc rút ngắn thời gian phân hủy của H2O2.
152
Hình 2.4.12. Đồ thị thể tích O2 giải phóng theo thời gian
- Tính thể tích O2 thoát ra sau cùng(V ): bằng tổng số lần O2 thoát ra trong xilanh + định lượng O2 bằng KMnO4.
+ Tính thể tích O2 thoát ra bằng tổng số lần O2 thoát ra trong xilanh bằng cách đun cách thủy bình phản ứng ở 800C.
Mỗi lần oxi thoát ra đầy xilanh thì làm sạch xilanh rồi cho oxi tiếp túc thoát ra.
Hình 2.4.13. Thể tích O2 thoát ra lần 1 Hình 2.4.14. Thể tích O2 thoát ra lần 2
Hình 2.4.15. Thể tích O2 thoát ra lần 3 Hình 2.4.16. Thể tích O2 thoát ra lần 4
Lấy lượng O2 còn lại trong bình đem định lượng bằng KMnO4. Lấy lượng dung dịch còn lại trong bình cho vào bình tam giác. Cho tiếp 20ml H2SO4 1M vào bình. Chuẩn độ bằng dung dịch KMnO4 0,1M cho đến khi xuất hiện màu hồng nhạt.
153 Hình 2.4.17. Dung
dịch trước khi chuẩn độ
Hình 2.4.18. Khí O2 thoát ra lúc mới bắt đầu chuẩn độ
Hình 2.4.19. Dung dịch chuyển sang màu hồng nhạt (kết thúc chuẩn độ) Trong môi trường axit, sản phẩm khử là Mn2+ không màu, nên chính KMnO4 cũng là chỉ thị cho quá trình chuẩn độ, vì sau điểm tương đương một giọt dung dịch KMnO4 dư cũng đủ làm cho dung dịch chuyển sang màu hồng nhạt.
Phương trình hóa học: 5H O + 2K M nO + 3H SO2 2 4 2 4 2M nSO + K SO + 8H O + 5O4 2 4 2 2
* Tính
O2
V thoát ra khi chuẩn độ bằng KMnO4:
2 2
0
O O
V = V (1 + α t) Trong đó:
O2
V là thể tích khí ứng với nhiệt độ tiến hành thí nghiệm (nhiệt độ phòng);
2
0
V là thể O
tích khí ứng với điều kiện tiêu chuẩn; αlà hệ số giãn nở (α = 1
273); t là nhiệt độ tiến hành thí nghiệm.
Cách tính
2
0
VO : Cứ 1 phân tử H2O2 tương đương với 2 đương lượng. Như vậy có 4 đương lượng H2O2 phân hủy hoàn toàn sẽ giải phóng 1 phân tử O2 tức là 22,4 lít (đktc). Trong lượng dung dịch H2O2 đem phản ứng có a đương lượng tương ứng với
2
0
VO lít O2 (đktc):
2 0 O
22,4a
V = 4
Thể tích KMnO4 đã dùng là 2,7ml
4
2
2 2
3 3
K M n O
3 0
O
0
O O
a = V . 1 0 = 2 , 7 . 1 0 ( l ) a . 2 2 , 4 2 , 7 . 1 0 . 2 2 , 4
V = = = 0 , 0 1 5 1 2 ( l )
4 4
V = V (1 + α t ) = 0 , 0 1 5 1 2 . ( 1 + 1 . 3 0 0 ) = 0 , 0 3 1 7 4 ( l ) = 3 1 , 7 4 ( m l ) 2 7 3
Vậy V = 109,25.3+6+31,74 = 365,49 (ml)
4 1 4 1
1 2
3 1
3 4
2, 303
k = .lg
2, 303 365, 49 2, 303 365, 49
.lg 9, 503.10 ( ); .lg 9, 574.10 ( )
20 365, 49 6, 88 40 365, 49 13, 73
2, 303 365, 49 2, 303 365, 49
.lg 1, 019.10 ( ); .lg 1, 302
60 365, 49 21, 64 80 365, 49 28, 95
t
V
t V V
k s k s
k s k
3 1
3 1 3 1
5 6
4 1
7 8
.10 ( )
2, 303 365, 49 2, 303 365, 49
.lg 1, 025.10 ( ); .lg 1, 011.10 ( )
100 365, 49 35, 60 120 365, 49 41, 76
2, 303 365, 49 2, 303 365, 49
.lg 9, 930.10 ( ); .lg 9, 739.10
140 365, 49 47, 43 160 365, 49 52, 73
s
k s k s
k s k
4 1
_ 1 2 3 4 5 6 7 8
4 4 3 3 3 3 4 4
3 1
( )
8
9, 503.10 9, 574.10 1, 019.10 1, 302.10 1, 025.10 1, 011.10 9, 930.10 9, 739.10 8
1, 02895.10 ( )
s
k k k k k k k k
k
s
154
Chu kỳ bán hủy:
1/ 2 _ 3
ln 2 ln 2
673, 64 (s) 1, 02895.10
t
k
2.5. Kết quả thực nghiệm
Thực nghiệm sư phạm được tiến hành trong năm học 2016 - 2017 tại khoa Hóa trường Đại học Quy Nhơn, với 5 giảng viên; 80 sinh viên.
2.5.1. Đối với giảng viên
Các giảng viên đã đưa ra một số ý kiến về việc sử dụng phần mềm mô phỏng Crocodile chemistry đối với bài “Xúc tác dị thể - phản ứng phân hủy H2O2” như sau:
- Thí nghiệm mô phỏng được thiết kế khoa học, giao diện thân thiện.
- Nội dung thí nghiệm áp dụng phù hợp với nội dung bài thực hành với đầy đủ dụng cụ và hóa chất.
- Việc mô phỏng cho hiện tượng rõ ràng, chính xác tương tự như thí nghiệm thực.
- Thí nghiệm mô phỏng thể hiện các thông số vật lý, hóa học như: nhiệt độ, nồng độ mol, khối lượng mol,… mà thí nghiệm thực không có.
- Giúp sinh viên chiếm lĩnh những tri thức cần thiết. Vì vậy những sinh viên thực hành trước thí nghiệm với phần mềm mô phỏng này ở nhà sẽ có khả năng tiếp thu bài cao hơn những sinh viên không sử dụng phần mềm mô phỏng.
- Qua các số liệu thu được từ phần mềm, giúp cho việc thực hành trên phòng thí nghiệm trở nên đơn giản, sinh viên có thể thu được những số liệu chính xác.
2.5.2. Đối với sinh viên
Để xem xét vai trò của phần mềm mô phỏng Crocodile chemistry trong việc thực hành của sinh viên, chúng tôi đã hướng dẫn sinh viên sử dụng phần mềm này để thực hành bài “Xúc tác dị thể - phản ứng phân hủy H2O2”. Sau khi thực hành xong đã đưa ra một số ý kiến như sau:
- Với thiết kế khoa học, dễ tiến hành thí nghiệm nên sinh viên rất thích phần mềm này.
- Phần mềm này giúp họ dễ tiếp thu kiến thức, hiểu sâu sắc, rõ ràng kết quả thí nghiệm.
- Tự học với phần mềm Crocodile chemistry giúp kích thích khả năng tìm tòi, tư duy ở người học.
- Đối với những bài thực hành áp dụng được phần mềm mô phỏng Crocodile chemistry thì việc tiến hành thí nghiệm là rất dễ dàng.
- Với kết quả sẵn có từ việc thực hành trên phần mềm, đã giúp sinh viên dễ dàng kiểm nghiệm lại kết quả làm trên phòng thí nghiệm. Từ đó làm tăng tính hứng thú, sáng tạo ở sinh viên.
3. Kết luận
Việc ứng dụng phần mềm mô phỏng Crocodile chemistry vào bài thực hành này đã cho ra kết quả tương tự với kết quả mà sinh viên đã làm thực nghiệm thực. Phản ứng xảy ra thực, rõ ràng và nhanh chóng. Như vậy sinh viên hoàn toàn có thể sử dụng các chương trình mô phỏng phù hợp với nội dung bài thực hành (đặc biệt là các bài thực hành với hóa chất, hiện tượng thí nghiệm nguy hiểm, khó quan sát,…) để làm thí nghiệm thực hành.
Đồng thời phần mềm Crocodile chemistry còn thể hiện ra các đại lượng vật lý, diễn biến của phản ứng, các số liệu về nồng độ mol, khối lượng mol, ... của các chất trong quá trình làm thí nghiệm để sinh viên có thể quan sát toàn bộ sự thay đổi của quá trình thí nghiệm, từ đó hiểu rõ sâu sắc vấn đề được học, tăng tính hứng thú, sáng tạo ở người học.
155 TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Mậu Đức, Đặng Thị Thuận An, 2015. Thiết kế và sử dụng giáo trình điện tử góp phần rèn luyện kiến thức và năng lực dạy học cho sinh viên ngành sư phạm hóa học. Tạp chí Khoa học và giáo dục trường Đại học Sư phạm Huế 3(35), tr. 33-42.
[2] Lý Huy Hoàng - Cao Cự Giác, 2014. Sử dụng thí nghiệm mô phỏng trong dạy học Hóa học ở trường THPT. Tạp chí Giáo dục, số Đặc biệt, 3/2014, tr.155-156.
[3] Lý Huy Hoàng - Lê Thị Thanh Xuân, 2014. Sử dụng phần mềm chembio3d ultra dạy học hóa học hữu cơ ở trường THPT. Tạp chí Thiết bị GD HH TBGD VN, số 103, 3/2014, tr.6-9.
[4] Lý Huy Hoàng - Nguyễn Minh Thảo, 2013. Ứng dụng phần mềm Macromedia flash Mx 2004 xây dựng thí nghiệm mô phỏng hỗ trợ dạy học đại cương về kim loại ở trường THPT. Tạp chí Thiết bị GD HH TBGD VN, số 94, 6/2013, tr.5-7.
[5] Cao Cự Giác - Lý Huy Hoàng, 2014. Ứng dụng phần mềm Macromedia Flash MX thiết kế thí nghiệm mô phỏng dạy học các bài tốc độ phản ứng và cân bằng hóa học thuộc chương trình hóa học THPT. Tạp chí Giáo dục, Số Đặc biệt, 4/2014, tr.176-178.
[6] Thái Hoài Minh, Đặng Thị Oanh, 2016. Xây dựng sách điện tử hỗ trợ sinh viên sư phạm rèn luyện năng lực ứng dụng Công nghệ thông tin trong dạy học hóa học ở trường phổ thông. Tạp chí khoa học trường Đại học sư phạm Hà Nội, số 61(6A), tr.42-53.
[7] Lê Công Triêm, 2001. Bồi dưỡng năng lực tự học, tự nghiên cứu cho sinh viên đại học. Tạp chí Giáo dục, số 8, tr.20-22.
[8] Bruce Frederick Damer, BSc, MSEE, 2011. The Evogrid: An Approach to Computational Origins of Life Endeavours. The thesis is submitted to University College Dublin in partial fulfilment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in the College of Human Sciences, pp.24.
[9] C. Perego*, S. Peratello, 1999. Experimental methods in catalytic kinetics. Science Direct Publication: Catalysis Today, pp.133-145.
[10] Christine L. Copper and Edward Koubek, 1998. A Kinetics Experiment To Demonstrate the Role of a Catalyst in a Chemical Reaction: A Versatile Exercise for General or Physical Chemistry Students. Journal of chemistry education, pp.7-10.
ABSTRACT
The aim of simulation study is to practice physical chemistry in catalysis kinetics fieldto developping learner’s initiative and self – learning capacity for students
Vo Van Duyen Em Faculty of Chemistry, Quy Nhon University Nowadays, there have been many simulated chemical experiment softwares to replace the real, and difficult-to-observed experiments,… and there are also some simulation softwares which have been applied into the subjects of organic, inorganic, and method chemistry. For kinematics - catalysis, we use Crocodile Chemistry simulation software, which results in the application of the hetero catalytic reaction H2O2 degradation that results in O2 volume escapes at each time and graph respectively. From this, calculating the mean of the average speed and the half-life of the reaction is consistent with the results that students have made. With this simulation, students have a deeper understanding of the problem, increasing the excitement and creativity.
Keywords: Virtual experiment, Crocodile chemistry, catalytic kinetics.