Скорость химических реакций. Факторы, влияющие на скорость реакций

Эпиграф: «Опыт – единственно верный путь спрашивать природу и слышать ответ в ее лаборатории» Д.И. Менделеев.

Цели урока:

• углубить и обобщить знания учащихся о скорости химической реакции, о факторах, влияющих на скорость химической реакции;
• продолжить формирование диалектико – материального мировоззрения на примере сохранения массы веществ и энергии;
• продолжить формирование логического мышления, интеллектуальных умений: сравнивать, обобщать, делать выводы (выявили зависимость скорости гомогенных и гетерогенных реакций от различных факторов, и уметь объяснить действие каждого фактора).

Оборудование: пробирки, спиртовки, спички, лучины, секундомер, метроном.

Реактивы: 5% раствор Na₂S₂O₃; Zn; растворы HCl (1:1) и HCl (1:10); Fe(опилки); Fe(стружки).

Планируемые результаты обучения:

1. Учащиеся должны знать, чем определяется скорость химических реакций;
2. Уметь объяснить действие каждого фактора, влияющего на скорость реакции:

• природы реагирующих веществ;
• их концентрации;
• площади поверхности соприкосновения;
• температуры.

4. Уметь экспериментально подтверждать влияние отдельных факторов на скорость химических реакций.

Лабораторные опыты.

Влияние на скорость химических реакций:

• природы реагирующих веществ;
• концентрации реагирующих веществ;
• площади поверхности их соприкосновения;
• температуры.

Подготовительная работа: класс делится на группы, в каждой группе выбираются консультанты, которые организуют работу групп и дают оценку деятельности каждого ученика; задания группам выдаются перед началом урока.

Ход урока

Учитель: В науке химии существует раздел, который изучает длительность и механизм химического процесса, называемой химической кинетикой. Некоторый реакции протекают почти мгновенно (за малые доли секунды), например, взрыв гремучего газа, горение пороха. Другие же – за минуты, часы, дни (ржавление железа). А самый известный из длительных опытов – это знаменитый двенадцатидневный опыт А.Л. Лавуарье. Он нагревал ртуть в запаянной реторте, где она превращалась в оксид, соединяясь с кислородом.

Как долго может длиться один опыт и от чего это зависит?

На этот вопрос вы можете легко ответить в конце урока, тема которого «Скорость химической реакции».

Сегодня на уроке мы обобщим знания о скорости химической реакции; исследуем факторы, влияющие на скорость химической реакции и дадим объяснение влияния каждого фактора на скорость химической реакции.

Из курса физики вам известно понятие «скорость движения» (работа по таблице).

Вспомните, что собой представляет скорость механического движения?

• Это длина пути, проделанного физическим телом за единицу времени.
• Отношение проделанного пути к единице времени.

Что изменяется во времени при механическом движении?

• Координаты тела, следовательно, длина пути.

Кинопленку прокручивают через киноаппарат с определенной скоростью – 24 кадра в секунду. Что изменяется во времени?

• Число кадров.

При анализе крови определяют такой фактор, как СОЭ – скорость оседания эритроцитов. Что изменяется во времени?

• Высота столба осадка (мм/час).

При дыхании человек потребляет кислород. Что изменяется во времени?

• Количество литров.

Скорость какого–либо процесса – это изменение какой-либо физической величины за единицу времени.

• При рассмотрении вопроса о скорости реакции необходимо напомнить, что реакции в химии делятся на гомогенные и гетерогенные.

Реакции, которые протекают в однородной среде (нет поверхности раздела реагирующих веществ), например, в смеси газов или в растворах, называются гомогенными (от греч. гомо – «равный», «одинаковый»).

Гетерогенными называются реакции, которые идут между веществами в неоднородной среде (есть поверхность раздела реагирующих веществ). Например, на поверхности соприкосновения твердого вещества и жидкости, газа и жидкости, твердого вещества и газа и т.д. (от греч. гетеро – «разный», «другой»).

Рассмотрим понятие скорости химической реакции для гомогенной среды.

Возможно, в понятии скорости химической реакции есть общее с понятием скорости движения.

Теперь нужно найти величину, которая изменяется при протекании химической реакции.

Назовите одно из условий осуществления химической реакции?

• Одним из условий химической реакции является столкновение частиц.

Какая зависимость прослеживается между скоростью химической реакции и частотой столкновения частиц?

• Чем чаще сталкиваются частицы, тем выше скорость химической реакции.

А теперь попробуйте сформулировать определение скорости химической реакции?

• Скорость реакции – это число столкновений или число элементарных актов в единицу времени.

Так как подсчитать число соударений частиц не предоставляется возможным, нужно найти другую величину, которая изменяется во времени при протекании химической реакции. Исходные вещества превращаются в продукты реакции, следовательно, изменяется количество вещества.

Изменение любой величины находят как разность между начальным и конечным значениями и обозначают греческой буквой (дельта). Поскольку начальное количество исходного вещества больше конечного, то

Чтобы измерить скорость реакции, надо вычислить, как изменяется количество вещества за единицу времени:

где V – скорость химической реакции, - количество вещества, t – время.

Можно ли измерять скорость реакции по изменению количества продукта реакции?

• Да.

Как тогда изменится формула? (Начальное количество продукта реакции меньше, чем конечное, поэтому

Если реакция происходит в растворе или в газовой среде, то при сравнении скоростей различных реакций нужно учитывать не просто количество вещества, а количество вещества в единице объема, т.е. молярную концентрацию, которую вычисляют по формуле:

и измеряют в моль/л.

Итак, скорость реакции в растворе – это изменение концентрации вещества в единицу времени.

Обсуждаем возможность измерения скорости реакции по изменению концентрации продуктов реакции и выводим формулу:

Скорость реакции измеряется в моль/л·с

Вывод: Скорость реакции – это изменение концентрации одного из вступивших в реакцию или образующегося в результате реакции вещества в единицу времени.

Далее обучаю вычислению скорости реакции (помогает проводить опыт и решать у доски задачу ученик).

Демонстрационный опыт:

К 10 мл 0,1М соляной кислоты добавляю такой же объем 0,1М раствора тиосульфата натрия (можно взять фиксаж). По метроному отсчитываю время от момента сливания растворов до окончания реакции, о котором свидетельствует появление помутнения. Определять скорость реакции можно по концентрации одного из исходных веществ, причем конечную концентрацию следует считать равной нулю.

Затем обсуждаем: сохраняется ли скорость реакции неизменной в продолжение всего процесса или изменяется.

Изменяется ли количество исходных веществ в ходе реакции?

• Да.

Как изменяется число столкновений частиц при уменьшении концентрации?

• Уменьшается.

Вывод: Скорость реакции в ходе реакции уменьшается.

Для подтверждения этого вывода учащимся предлагаю задание (работа по группам с последующим обсуждением и составлением графика).

Как изменяется скорость этой реакции со временем?

(Задание по карточкам):

Учащиеся работают в группах, т.е. одни считают скорость реакции в первом промежутке времени, другие – во втором и т.д.

Составляем и анализируем график:

Что происходит с концентрацией одного из исходных веществ с течением времени в ходе химической реакции?

• Концентрация уменьшается.

А раз концентрация уменьшается, что происходит со скоростью химической реакции?

• Скорость реакции уменьшается с течением времени.

Вывод: Скорость реакции с течением времени уменьшается.

Если реакция протекает между веществами в гетерогенной системе, то реагирующие вещества соприкасаются между собой не по всему объему, а только на поверхности. Так, например, при горении угля, молекулы кислорода реагируют только с теми атомами углерода, которые находятся на поверхности. При измельчении угля его поверхность возрастает и скорость горения увеличивается. В связи с этим определение скорости гетерогенной реакции следующее:

Скорость гетерогенной реакции определяется числом молей веществ, вступивших в реакцию или образующихся в результате реакции в единицу времени на единице поверхности.

В математической форме это определение можно выразить так:

V_{гетерог} = Где S – площадь поверхности.

Как можно увеличить скорость реакции, если реагенты твердые?

• Надо увеличить поверхность соприкосновения веществ, т.е. раздробить твердое вещество.

Следовательно, для гетерогенных реакций одним из факторов, которые определяют скорость химической реакции, является величина площади соприкосновения реагирующих веществ. Поэтому на производстве столь часто проводятся химические реакции в «кипящем слое». Твердое вещество для этой цели мелко дробят, измельчают почти до состояния пыли, а затем через него пропускают снизу второе вещество, как правило газ. Прохождение его через мелкораздробленное первое вещество – реагент сопровождается иллюзией кипения. Например, в «кипящем слое» осуществляется обжиг мелко измельченного серного колчедана при производстве серной кислоты.

Знание скоростей химических реакций имеет очень большое практическое и научное значение.

На уроке мы пришли к выводу, что химическую реакцию необходимо рассматривать не только с качественной и количественной стороны, но учитывать и ее скорость.

Это необходимо прежде всего для того, чтобы управлять химической реакцией. От чего зависит скорость реакции?

Ответ на этот вопрос подскажет опыт, т.к., по определению Д.И. Менделеева, это «единственно верный путь спрашивать природу».

Исследовательская работа в группах (изучение условий, влияющих на скорость химических реакций)

Учитель напоминает правила по технике безопасности при работе с растворами кислот.

Время выполнения опытов- 5 минут.

I группа учащихся проводит опыты, изучающие влияние концентрации веществ на скорость химической реакции.

Даны вещества: Zn, раствор HCl (1:1)(на 1 часть воды приходится 1 часть концентрированной HCl, раствор HCl (1:10) (на 10 частей воды приходится 1 часть концентрированной HCl).

После проведения опытов учащиеся готовят ответы на следующие вопросы:

1. В какой зависимости находятся скорость химической реакции и концентрация реагирующих веществ? Выразите эту зависимость в виде формулы.
2. В чем причина прямой пропорциональной зависимости скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ?

II группа учащихся проводит опыты, изучающие влияние температуры на скорость химической реакции.

Даны вещества: 5мл 2%-го раствора HCl и 5мл 5%-го раствора тиосульфата натрия.

Проделаны следующие опыты:

1. Взаимодействе Na₂S₂O₃ с HCl при обычных условиях.
2. Взаимодействе Na₂S₂O₃ с HCl (растворы предварительно слегка подогреты).

После проведения опытов учащиеся готовят ответы на следующие вопросы:

1. В чем причина увеличения скорости реакции при повышении температуры?
2. Достаточно ли только столкновения частиц для начала реакции? Что такое энергия активации?

III группа учащихся изучает влияние площади поверхности соприкосновения реагирующих веществ на скорость гетерогенной химической реакции.

Даны вещества: Fe (опилки), Fe (стружка), раствор HCl.

После проведения опытов учащиеся готовят ответы на вопросы:

1. При осуществлении каких реакций учитывать степень измельчения вещества?
2. Чем объяснить зависимость скорости реакции от степени измельчения вещества?

IV группа учащихся изучает влияние природы реагирующих веществ на скорость гетерогенной химической реакции.

Даны вещества: раствор HCl, Zn, Fe.

Проделаны следующие опыты:

1. Взаимодействие Fe (опилки) с HCl.
2. Взаимодействие Fe (стружка) с HCl.

Учащиеся готовят ответы на вопросы:

1. При осуществлении каких реакций следует учитывать природу реагирующих веществ?
2. Чем объяснить зависимость скорости реакции природы реагирующих веществ?

Каждая группа отчитывается о проделанной работе.

По мере обсуждения класс составляет конспект в форме таблицы:

Вопросы к ученикам:

1. Как изменяется скорость реакции со временем, если не вмешиваться в ход ее течения?
2. Почему в кислороде вещества сгорают быстрее, чем на воздухе?
3. Что бы случилось, если бы все реакции на нашей планете начали притекать без энергии активации?
4. Чем измеряется скорость химической в отличие от скорости в механической?
5. Какая из трех реакций разложения, графики изменения скорости которых представлены на рисунке протекает быстро, а какая медленно? Ответ обоснуйте.

Подведение итогов работы на уроке, запись домашнего задания.