Основные цели урока:
1. Углубить и расширить знания учащихся о скорости химической реакции, используя знания учащихся из курса физики о скорости.
2. Экспериментально изучить влияние некоторых факторов на скорость химической реакции.
3. Продолжить формирование умений учащихся наблюдать, анализировать, сравнивать, обобщать, работать с лабораторным оборудованием.
Оборудование: штатив с пробирками, фарфоровая чашечка, ступка, мультимедийная установка, диск “Виртуальная лаборатория”.
Вещества, Н2SO4 (разб), растворы роданида калия, тиосульфата натрия, нитрат свинца (2), йодида калия, вода.
Ход урока
Завязка
Дидактическая задача: создание проблемной ситуации и формулирование учебной проблемы.
Мы уже познакомились с основными типами химических реакций, научились отличать их от физических явлений по определённым признакам. Убедились, что свойства веществ вступивших в реакцию, отличаются от свойств образовавшихся веществ.
Деятельность педагога: Создание стимуляционно-мотивирующей ситуации через систему вопросов, рассказ учителя.
Настало время поговорить о продолжительности химической реакции, т.е. о протекании химического процесса во времени, за которое он происходит.
Запишите число и тему урока.
Химические реакции протекают с различными скоростями. Некоторые из них полностью заканчиваются за малые секунды, другие осуществляются за минуты, дни, известны реакции, требующие для своего протекания несколько лет, десятилетий и еще более длительных отрезков времени. Кроме того, одна и та же реакция может в одинаковых условиях, например, при повышенных температурах, протекать быстро, а в других – например при охлаждении, - медленно: при этом различие скорости одной и той же реакции может быть очень большим,
Знание скоростей химических реакций имеет большое научное и практическое значение. Например, в химической промышленности при производстве того или иного вещества от скорости реакции зависят размеры и производительность аппаратуры, количество вырабатываемого продукта.
При рассмотрении вопроса о скорости химической реакции необходимо различать реакции, протекающие в гомогенной системе, и реакции, протекающие в гетерогенной реакции.
Системой в химии принято называть рассматриваемое вещество или совокупность веществ. При этом системе противопоставляется внешняя среда – вещества, окружающие систему. Обычно система физически ограничена от среды.
Различают гомогенные и гетерогенные системы. Гомогенной называется система, состоящая из одной фазы, гетерогенной – система, состоящая из нескольких фаз. Фазой называется часть системы, отделенная от других ее частей поверхностью раздела, при переходе через которую свойства изменяются скачком.
Примером гомогенной системы может служить любая газовая смесь, хотя бы смесь азота с кислородом. Другим примером гомогенной системы может служить раствор нескольких веществ в одном растворителе.
В каждом из этих двух случаев система состоит только из одной фазы: из газовой фазы в первом примере и из водного раствора во втором случае.
В качестве примеров гетерогенных систем можно привести следующие примеры: вода со льдом, насыщенный раствор с осадком, уголь и сера в атмосфере.
Но прежде чем перейти к изучению количественного понятия о скорости химической реакции, необходимо повторить, что вам известно из физики о скорости движения тел? Скорость выражается отношением отрезка пройденного пути ко времени (обычно в секундах).
Ответь те на вопрос, нельзя ли перенести это понятие на скорость химических реакций?
Можно если пройденный путь в химии взять как изменение концентрации реагирующих веществ в молях на литр.
Следовательно, размерность скорости химической реакции – изменение концентрации реагирующих веществ в молях в одном литре в секунду. (Моль/ л сек)
С= n/v
Деятельность учащихся
Составьте, пожалуйста, в тетради самостоятельно формулу, определяющую скорость химической реакции.
Концентрация вещества изменяется, температура изменяется.
С1 – концентрация реагирующего вещества, t1 изменяется. С2 – концентрация образ. Вещества, t2 изменяется.
Деятельность педагога:
Значит надо преобразить эту формулу.
Скоростью гомогенной реакции называется – изменение концентрации одного из реагирующих веществ в единицу времени.
Если реакция протекает между веществами в гетерогенной системе, то реагирующие вещества соприкасаются между собой не по всему объему, а только на поверхности. В связи с этим определение скорости гетерогенной реакции следующее:
Скорость гетерогенной реакции определяется числом молей веществ в результате реакции в единицу времени на единице поверхности
vt2=
– изменение количества вещества (реагента или
продукта), моль.
– интервал времени – с, мин.
Как уже говорилось, при практическом использовании химических реакций весьма важно знать, с какой скоростью будет протекать данная реакция в тех или иных условиях для того, чтобы реакция с точки зрения скорости их протекания привело к созданию химической кинетики – учения о скорости химической реакции.
Скорость химических реакций изменяется в широких пределах. При этом нельзя, конечно, ограничиваться чисто качественными рассуждениями о “быстрых” и “медленных” реакциях.
К важнейшим факторам, влияющим на скорость реакции, относятся следующие: природа реагирующих веществ, их концентрации, температура, присутствие в системе катализаторов.
Скорость некоторых гетерогенных реакций зависит также от интенсивности движения жидкости или газа около поверхности, на которой происходит реакция.
Основное действие
Деятельность учащихся: проведение опыта и сообщение по полученным данным.
Влияние на скорость химической реакции катализаторов.
Проводим опыт:
В стаканчик с 20 мл воды добавляют по 1 капле растворов роданида калия и хлорида железа (2). Образующийся раствор (роданида железа (3)) красного цвета наливают в 2 демонстрационные пробирки, заполняя их поровну. В 2 другие пробирки наливают по 5 мл тиосульфата натрия и в одну из них добавляют 2-3 капли раствора сульфата меди (2) - катализатора. Реакция протекает согласно уравнению:
Мы наблюдаем, что исчезновение красной окраски в пробирках происходит с разной скоростью.
Одно из наиболее эффективных средств воздействия на скорость химических реакций – использование катализаторов. Как мы уже знаем из школьного курса химии, катализаторы – это вещества, которые изменяют скорость реакции, а сами к концу процесса остаются неизменными как по составу, так и по массе. Иначе говоря, в момент самой реакции катализатор активно участвует в химическом процессе, как и реагенты, но к концу реакции между ними возникает принципиальное отличие: реагенты изменяют свой химический состав, превращаясь в продукты, а катализатор выделяется в первоначальном виде.
Чаще всего роль катализатора заключается в увеличении скорости реакции, хотя некоторые катализаторы не ускоряют, а замедляют процесс. Явление ускорения химических реакций благодаря присутствию катализаторов носит название катализа, а замедления – ингибирования.
Катализ – это процесс изменения скорость химической реакции с помощью катализаторов. Термины катализ (пер. разрушающий) и катализатор ввел шведский химик Берцелиус в 1835 г.
Одним из исследователей катализаторов был в России Гесс, который в 1835 году опубликовал статью “О свойстве весьма мелко раздробленной платины способствовать соединению кислорода с водородом и о плотности платины”.
Платина – универсальный катализатор хоть и дорогой. Японские и американские химики с помощью платинового катализатора добились почти полного сгорания топлива в двигателях, что резко уменьшило содержание вредных примесей в выхлопных газах и сделало чище атмосферу.
Значение катализаторов в промышленности очень важно. Они позволяют повысить производительность хим. процессов, уменьшить стоимость хим. аппаратуры, сделать производство экологически более чистым и экономически более выгодным.
Деятельность учащихся: работа с диском “Виртуальная лаборатория”, осознание проблемной ситуации.
Метод: проблемный.
Форма организации деятельности: фронтальная.
Влияние температуры на скорость химической реакции. Правило Вант-Гоффа.
Большое влияние на скорость химические реакции оказывает температура.
Вант-Гофф сформулировал правило: повышение температуры на каждые 10о С приводит к увеличению скорости реакции в 2-4 раза (эту величину называют температурным коэффициентом реакции).
При повышении температуры средняя скорость молекул, их энергия, число столкновений увеличиваются незначительно, зато резко повышается доля “активных” молекул, участвующих в эффективных соударениях, преодолевающих энергетический барьер реакции.
Математическая эта зависимость выражается соотношением:
где t2, t1 – скорости реакций соответственно при конечной t2, t1 температурах, а – температурный коэффициент скорости реакции с повышением температуры на каждые 10о С.
Деятельность учащихся:
Показатель результата решения задачи: эмоциональное состояние учащихся, активность в постановке цели.
Примеры: во сколько раз увеличится скорость
химической реакции при tо: 50о —> 100о,
если 
=
2?
то есть скорость химической реакции увеличится в 32 раза.
Деятельность педагога:
С ростом температуры увеличивается скорость, следовательно, и частота соударений молекул реагирующих веществ. С понижением температуры молекулы реагирующих веществ реже сталкиваются друг с другом.
Если бы каждое столкновение приводило бы к акту взаимодействия, то все реакции протекали бы с взрывом. На самом деле к актам взаимодействия приводит только незначительное число столкновений. Подавляющее же число соударений являются соударениями “упругих шаров” молекулы сталкиваются и разлетаются друг от друга не прореагировав.
Число столкновений при данной температуре пропорционально общему числу соударений реагирующих молекул. Неактивные частицы можно сделать активными, если сообщить им необходимую дополнительную энергию. Этот процесс называется активацией - следовательно, энергию которую надо сообщить молекулам реагирующих веществ, чтобы превратить их в активные называют – энергией активации. Обозначают Еа измеряют кДж/моль и определяют опытным путем. Энергия активации зависит от природы реагирующих веществ и служит характеристикой каждой реакции.
Скорость реакции непосредственно зависит от значения энергии активации: если оно мало, то за определенное время протекания реакции энергетический барьер преодолеет большое число частиц и скорость будет высокой, но если Еа велика, то реакция идет медленно.
При взаимодействии ионов энергия активации очень мала и ионные реакции протекают с очень большой скоростью (почти мгновенно).
Влияние концентрации реагирующих веществ на скорость химической реакции.
Деятельность учащихся: работа с диском “Виртуальная лаборатория”.
Деятельность учащихся: формулируют вывод от чего зависит скорость химических реакций.
Метод: объяснительно-иллюстративный, проблемный.
Форма организации познавательной деятельности: фронтальная, работа в парах.
Необходимым условием того, чтобы между частицами (молекулами, ионами) исходных веществ произошло химическое взаимодействие, является их столкновение друг с другом (соударение). Точнее говоря, частицы должны сблизится друг с другом настолько, чтобы атомы одной из них испытали бы действие электрических полей, создаваемых атомами другой. Только при этом станут, возможны те переходы электронов и перегруппировки атомов, в результате которых образуются молекулы новых веществ – продуктов реакции. Поэтому скорость реакции пропорциональна числу соударений, которые претерпевают молекулы реагирующих веществ.
Число соударений, в свою очередь, тем больше, чем больше, чем выше концентрация каждого из исходных веществ, или, что же самое, чем больше произведение концентраций реагирующих веществ.
Так, скорость реакции:
А + В = С
Пропорциональна произведению концентрации вещества А на концентрацию вещества В.
V =k(А) (В)
Где k – коэффициент пропорциональности, называемый константой скорости данной реакции. Аналогично, для реакции
2А + В = С
v= k(А)2 (В)
Данное уравнение показывает, что концентрация каждого вещества входит в выражение скорости реакции в степени, равной соответствующему коэффициенту в уравнении реакции.
Деятельность педагога:
Изложенные соображения находят свое подтверждение в законе действия масс, открытым опытным путем К.М. Гульдконе и П. Вааге в 1867 г.
Скорость химических реакций прямо пропорциональна произведению реагирующих веществ.
Для того чтобы получить уравнение закона действующих масс, представим уравнение химической реакции в общем виде:
аА + вВ +…=
Тогда закон действия масс можно записать в форме:
V =k(А)а (В)в…
Здесь большие буквы изображают формулы веществ, а маленькие – коэффициенты в уравнении реакции.
Величина константы k зависит от природы реагирующих веществ, от температуры и от катализаторов, но не зависит от концентрации веществ.
Закон действия масс непосредственно справедлив для простых реакций. В случае сложных реакций, представляющих собой совокупность параллельно или последовательно протекающих процессов, закон приложим к любой из них в отдельности, но не к реакции в целом.
В качестве примера приложения закона действия масс можно привести уравнение зависимости скорости реакции окисления окиси азота:
2NO+ O2= 2NO2
от концентрации NO и O2:
V=k(NO)2 (O2)
В случае гетерогенных реакций в уравнения закона действия масс входят концентрации только тех веществ, которые находятся в газовой фазе или в растворе. Концентрация вещества находящегося в твердой фазе, обычно представляет собой постоянную величину и поэтому входит в константу скорости.
С + О2 = СО2
Закон действия масс запишется так:
V=kconst(О2)= k(О2)
Влияние концентрации реагентов на скорость химического взаимодействия выражается основным законом химической кинетики.
Деятельность учащихся:
Метод: эвристический.
Форма организации познавательной деятельности: фронтальная.
Показатель результатов решения задачи: решение проблемы и активность школьников в формулировании вводов по теме.
Задание:
№ 1. 2Н2 (г) + О2 (г) —> 2Н2О (г)
= k[H2]2
• [O2]
Как изменится скорость этой реакции, если концентрацию каждого из исходных веществ увеличить в 2 раза?
1 =
k(2[H2])2 • (2[O2]);
2[H2] и 2[O2] – новые концентрации исходных веществ.
1 =
k4 [H2]2 • 2[O2]
1 = 8k[H2]2
• [O2].
Сравним с уравнением (1) – скорость увеличилась в 8 раз.
= k [O2]
Влияние площади реагирующих веществ на скорость химической реакции.
Проводим опыт:
В сухой ступке осторожно смешивают несколько кристаллов нитрата свинца (2) и иодида калия. Учащиеся не видят никаких изменений. Энергично растирают кристаллы – наблюдают слабо-желтое окрашивание, при добавления к смеси нескольких капель воды моментально появляется окрашивание в желтый цвет.
Развязка
Оформление работы проводим на листах, которые у вас на столах. Приложение № 1
Обращает внимание учащихся также на то, что скорость гетерогенных реакций всегда меньше скорости реакций протекающих в растворах.
Причины, способствующие изменению скорости реакций в гетерогенных процессах.
- большая реакционная способность частиц на поверхности образующихся при измельчении кристаллов.
- подвод реагентов и отвод продуктов из зоны реакции.
Составить обобщающую таблицу. Приложение № 2
Рефлексия собственной деятельности.
Дидактическая задача: мобилизация учащихся на рефлексию.
Деятельность педагога:
1. Организация работы учащихся по формулированию общего вывода Скорость химических реакций.
2. Побуждение учащихся к анализу конспекта.
3. Предложение домашнего задания.
Расчетные задачи:
- В двух одинаковых сосудах за 10 с получили: в первом – 22,4 л Н2. Где скорость химической реакции больше? Во сколько раз?
- Чему равен температурный коэффициент реакции, если при tо: 30о —> 60о скорость реакции увеличилась в 64 раза?
Задание на дом
Задание 1
Во сколько раз возрастет скорость реакции взаимодействия оксида углерода (II) с кислородом, если концентрации исходных веществ увеличить в три раза?
Задание 2
Во сколько раз возрастет скорость химической реакции при повышении температуры на 40о С, если температурный коэффициент скорости реакции равен 3?
Задание 3. Теория (по конспекту).