Семинар-практикум на тему: "Скорость химических реакций. Катализ"

Дидактическими целями и задачами урока являются:

Обучающие:

Развивающие:

1. Продолжить формирование знаний школьников о химической кинетике.

2. Научить школьников устанавливать межпредметные связи (химия и биология).

3. Продолжить формировать умение анализировать.

4. Проверить умение учащихся проводить химический эксперимент, решать химические задачи.

Воспитывающие:

Тип урока – обобщающий.

Основной вид деятельности учащихся – индивидуально-групповой.

Основные методы: словесные (беседа), практические (выполнение опытов), наглядные (демонстрационный эксперимент)

Оборудование и реактивы:

Диафильм "Скорость химических реакций".

Реактивы: а) на каждый стол: 0.4% и 0,8% раствор иодида калия, раствор крахмального клейстера, раствор пероксида водорода, сырой и вареный картофель, штатив, 5 пробирок.

б) на столе учителя:3%-ный раствор сульфата меди (2), 10%-ный раствор аммиака, раствор пероксида водорода, 10% раствор соляной кислоты, стружка металлов: цинка, магния, железа, штатив, 10 пробирок больших.

Ход урока.

Актуализация знаний:

1. Что такое химическая реакция? (Химическая реакция, или химическое явление – это процесс, в результате которого из одних веществ образуются другие, отличающиеся от исходных по составу и (или) строению.

2. Какие признаки лежат в основе классификации химических реакций?

1) число и состав реагирующих веществ

2) изменение степеней окисления химических элементов,

3) тепловой эффект химической реакции,

4) агрегатное состояние реагирующих веществ,

5) участие катализатора,

6) направление химической реакции,

Самостоятельная работа .

Индивидуальное задание:

Двое учащихся выполняют задание на доске: Приведите примеры реакций различных типов, в которых может участвовать: а) оксид серы (IV), б) этанол.

Фронтальное задание для класса: тест по теме "Классификация химических реакций"

Запишите уравнения химических реакций, указав как можно больше признаков, характеризующих принадлежность каждой реакции к различным классификационным группам:

1. Разложение перманганата калия.

2. Магний взаимодействует с уксусной кислотой.

3. Гидролиз этилформиата.

4. Синтез аммиака.

5 Фенол взаимодействует с гидроксидом натрия.

6 Спиртовое брожение глюкозы.

7. Обугливание крахмала.

8. Гидратация этилена.

9. Оксид азота ( II ) взаимодействует с кислородом.

10. Гидроксид кальция взаимодействует с ортофосфорной кислотой.

Результаты работы учащиеся сводят в таблицу, которая будет иметь такой вид:

Изучение нового материала .

Вводная беседа:

1. Что называется скоростью в механике? (Скорость – это отношение перемещения тела в пространстве к промежутку времени, в которое произошло это перемещение.)

2. Приведите примеры реакций, протекающих с различной скоростью.

Быстро происходят:1) реакции горения,2) взаимодействия растворов кислоты и щелочи, 3) образование осадка при сливании растворов хлорида бария и сульфата натрия. Медленно: 1) образуется ржавчина, 2) гниение листвы.

Золотые украшения сохраняют свою красоту и блеск веками. А вот брошенный на улице автомобиль спустя несколько лет превращается в груду ржавого металлолома, долька яблока уже через несколько часов покрывается бурой пленкой; петарда, брошенная в костер, оглушительно взрывается.

Любопытно, что с точки зрения химической термодинамики возможны все перечисленные процессы, даже окисление золота. Просто у них разные скорости. Одной реакции требуется для завершения микросекунды, другой – миллионы лет. Почему так? Термодинамика ответить на эти вопросы бессильна, в этой теории не учитывается время. Скорость химических реакций изучает химическая кинетика. Более того, химическая кинетика дает ключ к управлению реакцией.

Для количественной характеристики скорости реакции используют не время ее протекания, а другую величину - скорость изменения количества вещества (в молях) в единице объема

3. Что называется скоростью химической реакции?

Скорость химической реакции - изменение концентрации одного из реагирующих веществ в единицу времени (любого из веществ, так как они связаны единым процессом!

V = C \ t , где С (моль \л ) – концентрация веществ, t (секунда) – время,

V (моль \ л. с ) – средняя скорость химической реакции.

4. Зачем нужно изучать скорость, с которой протекают химические явления?

Изменение количества вещества, по которому определяют скорость реакции, – это внешний фактор, наблюдаемый исследователем. По сути, все процессы осуществляются на микроуровне. Очевидно, для того чтобы какие-то частицы прореагировали, они прежде всего должны столкнуться. Причем столкнуться эффективно – так, чтобы в частицах разрушились или ослабли "старые связи" и смогли образоваться "новые", а для этого частицы должны обладать достаточной энергией. Оказывается, что лишь очень небольшая доля молекул обладает необходимой энергией, приводящей к эффективному соударению. Эта энергия называется энергией активации. Многие возможные реакции практически не идут, так как высока энергия активации.

Это имеет огромное значение для нашей жизни. Представьте, что бы случилось, если бы все термодинамически разрешенные реакции могли идти, не имея никакого энергетического барьера (энергии активации). Кислород воздуха прореагировал бы со всем, что может гореть или просто окисляться. "Пострадали" бы все органические вещества, они превратились бы в углекислый газ и воду.

Таким образом, окружающий мир и мы сами существуем только благодаря наличию энергии активации, не позволяющей реакциям идти со значительной скоростью.

На скорость химической реакции влияет ряд факторов . Основными из них являются: 1)природа и концентрация реагирующих веществ, 2)давление (в реакциях с участием газов), 3) температура, 4) действие катализатора 5) поверхность реагирующих веществ в случае гетерогенных реакций.

Давайте проведем ряд опытов показывающие как эти факторы влияют на скорость химической реакции?

Опыт № 1 Сравнение скорости взаимодействия цинка, магния и железа с соляной кислотой.

В пробирки поместить стружки разных металлов и прилить равные объемы соляной кислоты (1:1). Сравнить скорости протекания реакций.

Вывод; от строения вещества зависит его реакционная способность.

2. Концентрация реагирующих веществ:

Опыт № 2 : Взаимодействие растворов иодида калия и пероксида водорода.

В две пробирки налейте по 3 мл раствора иодида калия разной концентрации (0,4% и 0,8%).добавьте в обе пробирки несколько капель крахмального клейстера для обнаружения иода. Затем, по возможности одновременно, во все пробирки по 2 мл пероксида водорода одинаковой концентрации. Пронаблюдайте, в какой пробирке раньше появится голубое окрашивание.

Вывод: Увеличение концентрации ведет к более частому столкновению частиц и ускорению реакции.

На основе большого экспериментального материала в 1867 году норвежцами К. Гульдбергом и П. Вааге и независимо от них в 1865 году русским ученым Н.И. Бекетовым был сформулирован основной закон химической кинетики. Этот закон называют также законом действующих масс: Скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях, равных их коэффициентам в уравнении реакции.

Для реакции n А+мВ= рД этот закон выразится так: V = k C_A C_B

С_A С_B (моль\л)концентрации исходных веществ;

n, м – коэффициенты в уравнении реакции; k – константа скорости.

Для реакции 2 А+ В = Д этот закон выразится так: V = k C_А² C_B

Физический смысл константы скорости реакции нетрудно установить – она численно равна скорости реакции, в которой концентрации реагирующих веществ равна 1 моль\ л или их произведения равно единице:

Если (А) = (В) = 1 моль\л = V = k *1 * 1 , т.е. V = k.

Это скорость данной реакции в стандартных условиях.

Решение задачи: рассмотрим конкретные примеры.

№1. Дано уравнение реакции:

2Н₂ (г)+ О₂(г) 2Н₂О. Как изменится скорость этой реакция, если концентрацию каждого из исходных веществ увеличить в 2 раза?

V = k(Н₂) 2 * (О₂ ). (1)

V = k (2( H₂ ) ² * (2( O₂ )); (2)

(2( H₂ ) 2 u 2( O₂ ) – новые концентрации исходных веществ).

V = k 4( H₂ ) * 2( O₂ )

V = 8 k ( H₂) * ( O₂). Сравним (1) с (2) – скорость увеличилась в 8 раз.

Рассмотрим другой пример:

№2. 2Си(тв.) + О₂ (г) = 2 СиО (тв.)

V = k (Си) * (О₂), однако концентрация твердого вещества исключается из уравнения – ее невозможно изменить – постоянная величина.

Си (тв.) = (Си) = const

V = k (O₂), т.е. скорость этой реакции зависит только от концентрации О₂.

3. Влияние температуры.

Вам известно, что при повышении температуры большинство химических и биохимических процессов заметно ускоряются. Так, мясо при комнатной температуре испортится гораздо скорее, чем в холодильнике. В странах с влажным тропическим климатом фрукты созревают раньше, а машины ржавеют быстрее, чем в северных широтах. Железо не реагирует с холодной концентрированной серной кислотой, но растворяется в горячей.

Этот эффект еще в 19 веке был описан с помощью эмпирического (т.е. выведенного из опытных данных) правила Вант-Гоффа.

Голландский химик Я.Х. Вант-Гофф сформулировал правило: Повышение температуры на каждые 10 0С приводит к увеличению скорости реакции в 2 – 4 раза.

(эту величину называют температурным коэффициентом реакции).

Математически эта зависимость выражается соотношением v_t1 = v_t1 ? ^{t 2 – t 1/10}.

Где v_t1, v_t2 – скорости реакций соответственно при конечной и начальной температурах, а ? – температурный коэффициент скорости реакции, который показывает, во сколько раз увеличивается скорость реакции с повышением температуры на каждые 10⁰.С.

Сообщение учащегося 1 :

Используя, правило Вант-Гоффа можно рассчитать, когда состарятся покрышки.

Срок хранения автомобильных покрышек при температуре 20⁰ С – 5 лет, а при температуре 10⁰ С – 13 лет. Сколько лет можно хранить покрышки при температуре 5⁰ С?

Средняя скорость старения резины обратно пропорционально сроку хранения. Следовательно, при охлаждении с 20⁰ до 10⁰ С скорость старения уменьшиться в 13:5 = 2,6 раза. Это означает, что температурный коэффициент ?= 2,6. При охлаждении еще на 5 0С скорость реакции упадет в ?= 1,6 раза: В такое же число раз возрастет срок хранения покрышек, который в этом случае составит уже 13 * 1,6 = 21 год

4. Действие катализатора.

Можно увеличить скорость реакции, используя специальные вещества, которые изменяют механизм реакции и направляют ее по энергетически более выгодному пути с меньшей энергией активации. Их называют катализаторами. Катализатор – вещество, участвующие в химической реакции и изменяющие ее скорость, но по окончании реакции остаются неизменными качественно и количественно.

Каковы были первые представления о веществах-катализаторах.

Сообщение учащихся: 1) Первые представления о катализе.

Каталитические процессы известны издревле. По-видимому, еще в доисторические времена использовали брожение – превращение глюкозы в спирт и углекислый газ под действием биологических катализаторов – ферментов, которые содержатся в дрожжах. Створаживание молока для получения сыра в присутствии ферментов сычуга (отдел желудка у травоядных животных), применение ферментов солода или плесневых грибов для получения сахаристых веществ из крахмалистого сырья, использование заквасок при выпечке хлеба – все эти процессы почти ровесники человеческой цивилизации. Но проводя столь сложные превращения, люди и понятия не имели о сущности того, что они делали. Лишь в начале 19 века катализ начали выделять из прочих химических явлений. В 1835 году Якоб Берцелиус, обобщив разрозненные экспериментальные данные, ввел понятие о катализе (от греч."катализис" –"разрушение") как о физическом влиянии на реакцию постороннего вещества – катализатора, который своим присутствием вызывает химическую активность, но сам при этом не изменяется. Многие знаменитые физикохимики, сторонники идеи физического влияния катализатора – Фарадей, Вант-Гофф и другие – объяснили катализ "сгущением" (увеличением концентрации) реагентов на поверхности и в порах катализатора. Основные характеристики катализатора – активность и селективность. Под селективностью понимают избирательность превращения в определенном направлении для реакции, которая может идти разными путями. Иногда так называют и "пристрастие" катализатора к определенным реагентам: например, при окислении смеси из нескольких спиртов катализатор ускоряет реакцию лишь этилового и метилового.

Демонстрационный опыт. В один демонстрационный сосуд нужно налить раствор сульфата меди, в другой – раствор аммиака, а в третий – одинаковые объемы растворов сульфата меди и аммиака.В третьем сосуде образуется темно-синий раствор комплексной соли. Во все три сосуда добавить немного пероксида водорода. В первых сосудах реакция практически не протекает, а в третьем пероксид водорода бурно разлагается. Выделяющийся кислород можно собрать и доказать его наличие, испытав тлеющей лучинкой. В третьей пробирке образуется сульфат тетраамминмеди, который ускоряет процесс разложения пероксида водорода в миллион раз по сравнению с действием обычных солей меди

Сообщение №2. Биологические катализаторы – ферменты, их действие.

Самые активные и селективные – природные катализаторы (ферменты). По химической природе это белки. Благодаря им в живых организмах при невысокой температуре с большой скоростью протекает множество сложных химических реакций. Ферменты отличаются особой специфичностью, каждый из них ускоряет только "свою" реакцию, идущую в нужное время и в нужном месте с выходом, близким к 100%.

Демонстрационный опыт: В один сосуд нужно поместить кусочек сырого картофеля, а в другой – вареного. Одновременно в оба сосуда влить 10–15 мл раствора пероксида водорода. То, что во втором сосуде реакция практически не протекает, объясняется денатурацией фермента каталазы, имеющего белковую природу, при термической обработке.

Создание аналогичных ферментам искусственных катализаторов – мечта химиков! Посмотрев, таблицу 13, где показаны относительные скорости различных реакций , видны преимущества эффективности фермента каталазы по сравнению с другими катализаторами в процессе разложения пероксида водорода в водном растворе.

Однако существуют "катализаторы наоборот". Такие вещества называют – ингибиторы.

Сообщение № 3.

Есть вещества, которые воздействует на скорость реакции противоположным образом, т.е. замедляют ее. В переводе с латинского ингибитор – "останавливаю", "сдерживаю".

Ингибиторы с высокой скоростью реагируют с активными частицами с образованием малоактивных соединений. В результате скорость реакций резко замедляется и она прекращается. Ингибиторы часто специально добавляют в разные вещества, чтобы предотвратить нежелательные процессы. Ведь если в одних процессах человечество "кровно" заинтересовано, то другие крайне нежелательны, например коррозия металлов, порча пищевых продуктов, случайные взрывы чувствительных к сотрясению веществ.

Например, с помощью ингибиторов стабилизируют растворы пероксида водорода, мономеры для предотвращения преждевременной полимеризации, соляную кислоту, чтобы была возможна ее транспортировка в стальной таре. Ингибиторы содержатся и в живых организмах, они подавляют различные вредные реакции окисления в клетках тканей, которые могут инициироваться, например, радиоактивным излучением.

Кроме того, реакция, всегда приводящая только к определенному продукту, – в химии (особенно в органической) явление довольно редкое. Существует великое множество процессов, дающих целый набор разных веществ. Но и в живых организмах, и в производственных процессах часто необходимо, чтобы получался только какой-нибудь один продукт. И здесь на помощь тоже приходит катализ. Тщательно подобранный катализатор дает возможность вести реакцию таким образом, что в результате будет получено одно-единственное вещество. Так работают все ферменты живой клетки, а по их подобию химики научились создавать и производственные каталитические системы.

Учитель : Немало известных ученых пытались раскрыть тайну каталитического действия. И тем не менее механизм катализа до сих пор во многом остается загадкой.

Подведем итоги урока : Вы не только вспомнили, что такое скорость химической реакции, какие факторы влияют на скорость химической реакции, но и узнали математическую сторону химического процесса. На следующем уроке мы с вами будем решать задачи по теме химическая кинетика.

 Домашнее задание : Габриэлян О.С. Учебник для 11 класса «Общая химия», параграф 13, ответить на вопросы 8–10 на странице 140.