Цели урока:
- обобщить представления о химических реакциях как о процессе превращения одного или нескольких исходных веществ в отличающиеся от них по химическому составу или строению вещества – продукты реакции;
- рассмотреть некоторые из многочисленных классификаций химических реакций по различным признакам;
- показать применимость таких классификаций для органических и неорганических реакций;
- раскрыть относительный характер различных типов химических реакций и их взаимосвязь;
- использовать личностно-ориентировочный ученический эксперимент для организации практической работы.
Оборудование и реактивы: кодоскоп, экран, прибор для электролиза, штатив с подсветкой, спиртовки, держатели для пробирок, реактивы для лабораторных и демонстрационных опытов.
Ход урока
1. Организация класса на уроке.
Учитель сообщает учащимся о том, что они уже познакомились с классификациями химических реакций по различным признакам, убедились в том, что они применимы для органических реакций, так и для неорганических, что они имеют относительный характер и взаимосвязаны.
Учащимся предстоит выполнить многовариантную практическую работу по групповым экспериментальным заданиям, после выполнения которых предстоит обобщение результатов.
2. Вводная беседа.
1. Учитель путём фронтальной беседы выясняет этимологию термина «химические реакции», в результате которой ученики делают вывод о том, что химические реакции – это такое изменение веществ, при котором разрываются старые и образуются новые химические связи между частицами, из которых построены вещества. Данный вывод иллюстрируется проекцией через кодоскоп шаростержневых моделей двух молекул воды, подвергнувшихся реакции разложения:
2H2O=2H2+O2
2. Далее анализируются отличия химических реакций от ядерных.
В отличие от ядерных, при химических реакциях не изменяется общее число атомов и изотопный состав.
Например:
А) бомбардировка атомов азота альфа-частицами приводит к образованию протонов и одного из изотопов кислорода;
Б) под действием быстрых протонов алюминий превращается в магний;
В) при бомбардировке атома бериллия альфа-частицами из него образуются углерод и нейтроны.
Указанные ядерные реакции проецируются на экран:
3. Затем повторяются признаки, по которым классифицируются химические реакции.
Используется опорный конспект на доске:
- по числу и составу реагирующих веществ и продукту реакции (соединение, разложение, соединение, обмен);
- по тепловому эффекту (экзотермические и эндотермические);
- по изменению степени окисления (окислительно-восстановительные и неокислительно-восстановительные);
- по фазе (гомогенные и гетерогенные);
- по использованию катализатора (каталитические и некаталитические);
- по направлению (обратимые и необратимые).
4. Далее следует анализ, как эти классификации накладываются друг на друга. По представленным уравнениям с помощью сравнения учащиеся приходят к выводу, что все реакции соединения – экзотермические. Кроме того, к окислительно-восстановительным реакциям относятся все реакции замещения и те реакции соединения и разложения, в которых участвует хотя бы одно простое вещество (или все реакции с участием простых веществ). Реакции обмена всегда происходят без изменения степеней окисления:
3. Практическая работа по групповым заданиям.
Каждая группа учащихся получает инструктивную карточку с заданиями, предусматривающими выполнение лабораторных опытов по изучению типов химических реакций, а также теоретические вопросы. Карточки с заданиями прилагаются.
В процессе выполнения опытов учащиеся наблюдают признаки проводимых реакций, составляют уравнения реакций на плёнках, при этом они сами распределяют обязанности в своих группах, оказывая друг другу помощь по мере необходимости. Учитель контролирует работу своих учеников, смотрит за соблюдением правил техники безопасности.
4. Обобщение результатов опытов.
Каждая группа учащихся отчитывается о результатах своих опытов, формулируя задание, демонстрируя уравнения проведённых реакций, а также показывая признаки исследуемых превращений. В ходе этого этапа урока на доске составляют краткий опорный конспект, и обсуждение каждого типа реакций сопровождается демонстрационным опытом, проводимым учителем.
А) Реакции замещения.
Учитель выясняет, какие реакции относятся к реакциям замещения, указывая на то, что они есть и в органической химии.
Учащиеся рассказывают о результатах опытов: взаимодействие железа с раствором медного купороса (задание № 1),алюминия с раствором хлорида меди (задание № 2),магния с расвором уксусной кислоты (задание № 3). Уравнения проецируются на экран.
Экспериментальные групповые задания.
Задание № 1. Реакция замещения.
- Налейте в пробирку (примерно на ¼ её объёма) раствор медного купороса и опустите в него очищенный железный гвоздь. Выньте гвоздь из пробирки, рассмотрите его.
- Какие признаки свидетельствуют о том, что произошла химическая реакция?
- Составьте соответствующее уравнение реакции, определите окислитель и восстановитель.
Задание № 2. Реакция замещения.
Налейте в стакан раствор хлорида меди, поместите в него кусочек алюминия. По каким признакам можно судить, что происходит химическая реакция? Объясните выделение газа.
Составьте уравнения проделанных реакций, укажите их тип.
Задание № 3. Реакция замещения.
- В пробирку налейте раствор уксусной кислоты, опустите в него кусочек магния.
- Какие признаки свидетельствуют о том, что произошла химическая реакция?
- Составьте соответствующее уравнение реакции, определите окислитель и восстановитель.
Задание № 4. Реакция замещения.
Составьте уравнения реакций натрия с водой и натрия с этанолом.
Определите окислитель и восстановитель. Какая из этих реакций должна идти быстрее? Объясните предполагаемое различие, используя третье положение теории А.М. Бутлерова.
Задание № 5. Бромирование фенола.
В пробирку с раствором фенола добавьте несколько капель бромной воды. Что наблюдаете? Составьте уравнение проделанной реакции, укажите её тип.
Почему три атома водорода в бензольном кольце замещаются на атомы брома? Для аргументированного ответа повторите третье положение теории А.М. Бутлерова.
Учитель демонстрирует реакцию замещения с водой и этанолом в чашках Петри, поставленных на кодоскоп. Учащиеся сравнивают скорость замещения, объясняют различия взаимным влиянием атомов:
2Na + 2HOH = 2NaOH + H2;
2Na + 2С2H5-OH = 2C2H5-ONa + H2;
Учитель уточняет, что понятие «замещение» в органике шире, чем в неорганической химии. Если в молекуле исходного вещества какой-либо атом или функциональная группа замещается на другой атом или группу, это тоже реакция замещения, хотя с точки зрения неорганики химический процесс выглядит как реакция обмена:
CH5-CH2OH + HBr = CH3CH2Br + HOH;
Учащиеся рассказывают о результатах бромирования фенола (задание № 5), объясняя лёгкость протекания этой реакции замещения влиянием гидроксогруппы на бензольное кольцо:
C6H5-OH + 3Br2 = C6H2(Br)3-OH + 3HBr;
Б) Реакции соединения или присоединения.
Задание № 6. Осуществление цепочки превращений: неметалл→оксид→кислота.
В ложечку для сжигания поместите немного фосфора, подожгите и поместите в колбу после того как колба с водой наполнился густым белым дымом оксида фосфора (V), ложечку вынуть, недогоревший фосфор погасите водой, а колбу закройте пробкой и встряхните до полного растворения оксида фосфора. В полученный раствор добавьте немного лакмуса. Изменение его окраски укажет на получение раствора кислоты.
Составьте уравнения проведённых реакций, укажите их тип. Будут ли они относиться к окислительно-восстановительным? Ответ аргументируйте.
Термин «присоединение» сравнивается со словом «соединение». Присоединение – прибавление чего-то меньшего к большему, а соединение – сочетание разнозначных фрагментов.
Ученики, которые практически осуществили цепочку превращений P→P2O5→H5PO4 (задание № 6) рассказывают о том, как из красного фосфора можно получить оксид фосфора, а из него – фосфорную кислоту, присутствие которой подтверждается индикатором.
4P + 5O2 = 2P2O5;
P2O5 + 3H2O = 2H3PO4
Обе эти реакции относятся к реакциям соединения. Учитель демонстрирует реакцию соединения аммиака и азотной кислоты. Учащиеся наблюдают образование нитрата аммония в виде «белого дыма»:
NH3 + HNO3 = NH4NO3
Далее выясняется необходимое условие для того, чтобы органическая молекула вступила в реакцию присоединения. Она должна иметь кратную связь, эта молекула – главная (субстрат), а молекула попроще присоединяется по месту разрыва кратной связи (реагент).
Реакции присоединения в органической химии объединяются с демонстрацией следующего типа реакций – отщепления.
В) Реакции разложения и отщепления (элиминирования).
Задание № 7. Получение и свойства кислорода.
Соберите прибор. В пробирку насыпьте примерно на ¼ её объёма перманганата калия и у отверстия поместите рыхлый комочек ваты. Закройте пробирку пробкой с газообразной трубкой. Укрепите пробирку в лапке штатива, так чтобы конец газоотводной трубки почти доходил до дна сосуда, в котором будет собираться кислород.
Сначала обогрейте всю пробирку. Затем постепенно передвигайте пламя от её дна в сторону пробки. Когда сосуд заполнится кислородом, закройте его под водой стеклянной пластинкой. Подтвердите наличие кислорода с помощью тлеющей лучинки.
План отчёта:
- Что делали.
- Что наблюдали.
- Уравнение проделанной реакции, её характеристика по различным типам классификаций (указать окислитель и восстановитель).
Задание № 8. Получение кислорода из пероксида водорода с участием катализатора.
В колбу налейте раствор перекиси водорода. Добавьте немного оксида марганца (что наблюдаете?). Составьте уравнение проделанной реакции, определите её тип по всем классификациям. Подтвердите выделение кислорода с помощью тлеющей лучины.
Задание № 9. Электролиз раствора медного купороса.
Проведите электролиз раствора медного купороса на нерастворимом аноде. По каким признакам можно судить о происхождении реакции? Составьте уравнение проделанной реакции, прочитайте стр. 221 учебника. Определите тип проделанной реакции.
Задание № 10. Получение этилена и опыты с ним.
В пробирку с песком поместите смесь этанола и концентрированной серной кислоты. Закройте пробирку пробкой с газоотводной трубкой, закрепите её в штативе и осторожно нагрейте.
В две другие пробирки налейте 2-2 мл. бромной воды. Опустите газоотводную трубку до дна пробирки с бромной водой и пропустите через неё выделяющийся газ. Составьте уравнения проделанных реакций, укажите их тип.
Учащиеся дают определения этим реакциям и демонстрируют опыты по получению кислорода из перманганата калия (задание № 7), из перекиси водорода (задание № 8). Наличие кислорода подтверждается с помощью тлеющей лучины:
2KMnO4=MnO2+K2MnO4+O2;
2H2O2=2H2O+O2
Группа учеников, которая выполняла опыт по электролизу медного купороса (задание № 9), демонстрирует выделившуюся на катоде медь:
2CuSO4+2H2O=2Cu+O2+H2SO4
Учитель демонстрирует разложение нитрата меди при нагревании. Учащиеся наблюдают выделение бурого газа NO2 и образование чёрного оксида меди(III):
2Cu(NO3)2=2CuO+4NO2+O2
Каждое представленное уравнение реакций обсуждается с точки зрения различных классификаций.
Далее учащиеся представляют опыт получения этилена как реакцию отщепления и его взаимодействие с йодной водой как реакцию присоединения (задание № 10):
C2H5-OH=CH2=CH2+H2O;
CH2=CH2+J2=CH2J-CH2J
Учитель обращает внимание учащихся на то, что реакции элиминирования в отличие от реакций разложения в неорганической химии, можно рассматривать как процессы, обратные присоединению. Сопоставляются термины – гидрирование – дегидрирование, гидратация – дегидрация, галогенирование – дегалогенирование, гидрогалогенирование – дегидрогалогенирование. Сопоставление идёт по соответствующим уравнениям реакций.
Г) Реакции изомерации.
Учащиеся дают определение этому типу реакций. Исходное органическое вещество сохраняет свой молекулярный состав, но у него изменяется строение. Например, превращение бутана в изобутан:
CH3-CH2-CH2-CH3→CH3-CH-(CH3)-CH3
Аналогами неорганических реакций, протекающих без изменения состава вещества, являются реакции аллотропизации. Учитель показывает опыт по превращению красного фосфора в белый.
Д) Реакции обмена.
Задание № 11. Реакции обмена.
Правило Бертолле указывает на три условия течения реакций обмена до конца (какие?).
- Проделайте реакции обмена, идущие с образованием осадка:
а) образование роданида железа (III);
б) образование гидроксида меди (II);
в) образование йодида свинца (II). - Проделайте реакцию с образованием газа (карбонат натрия + серная кислота).
- Проделайте реакцию нейтрализации между гидроксидом натрия и серной кислотой (используйте индикатор фенолфталеин).
Задание: составьте молекулярные и сокращённые уравнения проделанных реакций, определите их тип.
Учащиеся дают определение этому типу реакций, рассказывает о проделанных опытах, демонстрируют реакции обмена, идущие с образованием осадков, с выделением газа и с образованием молодиссоциирующего вещества (правило Бертолле). В ходе отчёта на экран проецируются молекулярные, полные ионные и ионные сокращённые уравнения реакций:
FeCl3+3KCNS=Fe(CNS)3+3KCl;
CuCl2+2KOH=Cu(OH)2+2KCL;
Pb(NO3)2+2KJ=PbJ2+2KNO3;
Na2CO3+2HCl=CO2+H2O+2NaCl;
2NaOH+H2SO4=Na2SO4+2H2O.
В заключение учитель по опорному конспекту на доске делает обобщение, оценивает работу учеников, даёт домашнее задание (параграф 11 учебник О.С. Габриелян, Г.Г. Лысова «Химия-11 класс», упр. 1, 6, 7) и говорит о том, что на следующем уроке учащимся предстоит узнать, почему идут химические реакции.