Задачи урока:
- Систематизировать и углубить знания о законе сохранения массы и энергии веществ и превращениях ее при химических реакциях. Познакомить с понятиями "энтальпия" и "энтропия" и условиями протекания самопроизвольных реакций.
- Развивать представления о причинно-следственных связях в изучении химии, показывая зависимость протекания химических реакций и изменения энергии в системе.
- Уметь применять закон сохранения массы веществ в расчетах при решении задач по термохимии.
Система понятий урока: тепловой эффект химической реакции, энтальпия, энтропия.
Тип урока: комбинированный.
Методы: частично-поисковый, объяснительно-иллюстративный.
Методические приёмы: рассказ, беседа, демонстрация слайдов (презентация), демонстрация опытов и видеофрагментов.
Средства наглядности: пробирки, вода, серная кислота, малахит, гидроксид натрия, спиртовка
План урока.
Приветствие, сообщение темы урока и плана работы.
1. Проверка домашнего задания. Повторение материала предыдущего урока.
- Вопросы №3.6,7 стр. 116 учебника.
2. Подготовка к изучению нового материала.
- Что такое химические реакции? В чем заключается сущность химической реакции?
- Можно ли предсказать: как будет протекать та или иная химическая реакция?
3. Изучение нового материала.
План изучения нового материала (слайд 1,2).
- Закон сохранения массы и энергии.
- Тепловой эффект химической реакции.
- Экзотермические и эндотермические реакции.
- Термохимия. Законы термохимии.
- Кто он Герман Гесс?
- Понятие об энтропии и энтальпии.
- Выводы по теме.
Сущность любой химической реакции заключается в разрушении одних химических связей и образовании новых, эти процессы сопровождаются выделением или поглощением энергии.
Из курса физики вам известно, что энергия не исчезает бесследно и не возникает из ничего, а только переходит из одной формы в другую. Это один из важнейших законов природы - закон сохранения энергии.
Впервые этот закон был сформулирован М.В. Ломоносовым (слайд №3).
Закон сохранения массы веществ.
Масса веществ, вступающих в реакцию равна массе веществ, образующихся в результате реакции.
Закон сохранения массы дает материальную основу для составления уравнений химических реакций и проведения расчетов по ним.
Позднее этот закон был математически выражен Альбертом Эйнштейном как "Закон сохранения массы и энергии".
Взаимосвязь массы и энергии выражается уравнением: E = mc2 (слайд 4).
Энергия любого объекта складывается из трех видов энергии: кинетической, потенциальной и внутренней. Большое значение при рассмотрении химических процессов имеет внутренняя энергия. Внутренняя энергия продуктов реакции отличается от внутренней энергии реагентов. Рассмотрим, как изменяется внутренняя энергия реакций на примере диаграмм, приведенных в учебнике "Химия 11 класс" О.С. Габриеляна, Г.Г. Лысовой на стр. 117 рис. 23 и стр.118 рис. 24. (Слайд № 5).
Тепловые эффекты химических реакций нужны для многих технических расчетов. Представьте себя на минуту конструктором мощной ракеты, способной выводить на орбиту космические корабли и другие полезные грузы.
Химическая реакция сопровождается выделением или поглощением энергии в виде теплоты, света, работы расширения образовавшихся газов.
(Слайд №6).
И трещат сухие сучья,
Разгораясь жарко,
Освещая тьму ночную
Далеко и ярко!
И.Суриков
(Слайд 7). По признаку выделения или поглощения теплоты реакции делятся на экзотермические и эндотермические.
(Слайд №8)
Реакции, протекающие с выделением теплоты, проявляют положительный тепловой эффект (Q>0, DH<0) и называются экзотермическими.
С(тв) + 2 H2(г) = CH4(г) + 76 кДж/моль
Реакции, которые идут с поглощением теплоты из окружающей среды (Q<0, DH>0), т.е. с отрицательным тепловым эффектом, являются эндотермическими.
Количество теплоты, которое выделяется или поглощается в результате реакций между определенными количествами реагентов, обычно обозначают символом Q. (Слайд №9)
(Слайд 9) с Qр = Qкон - Qисх
Формы, в которых энергия выделяется или поглощается, могут быть различны, чаще всего энергия выделяется или поглощается в виде тепла.
Демонстрация опытов.
Опыт 1. Взаимодействие серной кислоты с водой.
В стакан с водой поместить спиртовой демонстрационный термометр, укрепленный в штативе. Осторожно добавить серной кислоты и размешать стеклянной палочкой. На термометре можно увидеть, что температура значительно возросла.
Опыт 2. Разложение малахита. Демонстрация видеофрагмента. (Приложение №1).
На основании опытов мы можем сделать вывод, что в процессе химических реакций действительно происходит выделение либо поглощение энергии.
(Слайд 10). Уравнения химических реакций, в которых вместе с реагентами и продуктами записан и тепловой эффект реакции, называются термохимическими уравнениями.
Особенность термохимических уравнений заключается в том, что при работе с ними можно переносить формулы веществ и величины тепловых эффектов из одной части уравнения в другую. (Слайды 11,12).
Раздел химии, занимающийся изучением превращения энергии в химических реакциях, называется ТЕРМОХИМИЕЙ.
Существует два важнейших закона термохимии.
Первый из них, закон Лавуазье-Лапласа, формулируется следующим образом: тепловой эффект прямой реакции всегда равен тепловому эффекту обратной реакции с противоположным знаком. (Слайды 13-16).
Второй закон термохимии был сформулирован в 1840 г российским академиком Г. И. Гессом:
Тепловой эффект реакции зависит только от начального и конечного состояния веществ и не зависит от промежуточных стадий процесса.
Например, сульфат натрия можно получить двумя способами:
Первый путь (одностадийный):
2 NaOH + H2SO4 = Na2SO4 + 2 H2O + 131 кДж;
Второй путь (двухстадийный):
а) NaOH + H2SO4 = NaНSO4 + H2O + 62 кДж
б) NaHSO4 + NaOH = Na2SO4 + H2O + 69 кДж
складывая тепловые эффекты двух последовательных реакций в способе (2) мы получаем тот же тепловой эффект, что и для способа (1): 65 кДж + 69 кДж = 131 кДж
Ученый, чьим именем назван основной закон термохимии, несколько лет работал врачом в Иркутске; по учебнику, написанному им, учился Дмитрий Менделеев.
По-настоящему его звали Гесс Герман Генрих. И немудрено - родился он в многонациональной Женеве, где говорили по-немецки столь же широко, как и на других языках. Однако вырос и до конца своих дней прожил в России, где его величали на славянский манер - Герман Иванович. Так что в историю науки он вошел русским ученым, хоть и с заморской фамилией. Герман Гесс стал мировым светилом. Что примечательно, не только благодаря острому уму, знаниям и интересу к химии, но и Сибири - Иркутску, Байкалу. Изучая наш край, он собрал богатый фактический материал и написал работу, представив которую в Санкт-Петербургскую академию наук, был сразу произведен в адъюнкты и продолжил исследования по части химии при этом авторитетном научном заведении: открыл лабораторию, проводил многочисленные опыты.
Каждое вещество обладает определенным теплосодержанием или энтальпией, это одна из характеристик химической системы. (Слайды 17-19).
Энтальпия - это определенное свойство вещества, оно является мерой энергии, накапливаемой веществом при его образовании.
Энтальпия и тепловой эффект имеют противоположные знаки, но численно равны. Как вычислить тепловой эффект реакции?
Тепловой эффект химической реакции равен разности суммы теплот образования продуктов реакции и суммы теплот образования исходных веществ (суммирование проводится с учетом числа молей веществ, участвующих в реакции, т. е. стехиометрических коэффициентов в уравнении протекающей реакции):
DH = Hкон.- Hисх.
Химические реакции протекают не только в пробирке, но и в природе, в том числе и в человеческом организме. В организме человека протекает множество всевозможных реакций. При приеме пищи происходит окисление веществ, при этом выделяется энергия. Каждый человек должен знать, сколько энергии поступает в его организм и сколько ее расходуется в процессе жизнедеятельности в течение суток. Важно помнить, что количество поступающей с пищей энергии должно соответствовать ее расходу. Иначе в организме нарушается обмен веществ, человек либо худеет, либо полнеет и начинает болеть. В специальных справочниках можно найти калорийность пищи и рассчитать свой суточный рацион. Этому мы учились на уроках в 7 классе.
Химическая система характеризуется не только функцией теплосодержания, но и степенью беспорядка. (Слайд 20).
Степень беспорядка, хаотичности выражается величиной называемой энтропией и обозначается символом DS.
Чем больше хаотичность системы, тем больше энтропия.
Энтропия увеличивается по схеме: твердое вещество -> жидкость -> газ.
Вычислить изменения энтропии можно на основании справочных данных по формуле:
DS =S кон - Sисх
Выводы: всякая химическая реакция характеризуется двумя энергетическими характеристиками: энтальпией (DH) и энтропией (DS) (слайд 21).
Для самопроизвольных реакций характерно стремление к уменьшению энергии за счет выделения ее в окружающую среду и к увеличению степени беспорядка.
При вычислении теплового эффекта реакции необходимо учитывать закон Гесса. Тепловой эффект реакции не зависит от промежуточных стадий.
Закрепление изученного материала.
Решение задач: 5. 4 стр.125 параграфа 12 (слайд 22).
Задача 5.
При соединении 18 г алюминия с кислородом выделяется 547 кДж теплоты. Составьте термохимическое уравнение этой реакции.
Решение.
1. Составить уравнение. 3О2 + 4Аl = 2Аl2О3 + Х кДж
2. Вычислить количество вещества содержащего 18 г алюминия.
n = m/M n (Аl) = 18г : 27г/моль =0,67 моль
3. Составить и решить пропорцию.
При окислении 0,67 моль алюминия выделяется 547 кДж теплоты
При окислении 4 моль алюминия выделяется Х кДж теплоты
Х = 4 * 547 : 0,67 = 3265,67 кДж
4. Составим термохимическое уравнение этой реакции.
3О2 + 4Аl = 2Аl2О3 + 2365 кДж
Домашнее задание.
Изучить материал учебника параграф 12, выполнить задания № 2.6; приготовить сообщение из дополнительной литературы, составить суточный рацион питания для подростков.