Цели урока:
- образовательная – повторить понятие о скорости гомо– и гетерогенных реакций. Расширить сведения о факторах, влияющих на скорость реакции: о влиянии природы реагирующих веществ, концентрации (закон действующих масс), о влиянии температуры (правило Я.Х. Вант-Гоффа), площади соприкосновения реагирующих веществ (для гетерогенных реакций), наличия катализатора. Обобщить знания о механизме действия катализаторов, о роли катализаторов в природе (ферменты – биокатализаторы) и технике. Получить краткие сведения о ингибиторах и каталитических ядах.
- обучающая – закрепить умение рассчитать скорость гомогенной и гетерогенной реакций согласно закону действующих масс и используя правило Я.Х. Вант-Гоффа.
- воспитывающая – направить учащихся на переосмысление понятий о скорости реакции с более глубоких теоретических позиций; свести разорванные знания в единую стройную систему, сформировать у учащихся понятия о единстве всех проявлений химической формы движения материи на всех уровнях организации вещества, которое реализуется через динамику процесса.
Демонстрации: Каталитическое влияние сульфата тетрааминамеди (II) и фермента каталазы на скорость разложение перекиси водорода.
Реактивы и оборудование: 3% р-р сульфата меди (II); 10% р-р аммиака; р-р перекиси водорода; 5 стеклянных стаканчика (50 мл); кусочек сырого мяса; кусочек отварного мяса; пинцет, пипетки, лучина, спички, спиртовка.
Домашнее задание:
- О.С. Габриелян, Г.Г. Лысова, Химия – 11, – 5-е изд.М., Дрофа, 2005, § 13; стр. 140 № 3, 10
- Г.Е.Рудзитис, Ф.Г. Фельдман, Химия 11, М., Просвещение, Глава IV, § 2; стр. 93 № 10
Ход урока
Изучение скорости химической реакции целесообразно начать в 9 классе. Первые представления формируются на основе знаний учащихся, приобретённых ими на уроках физики. Чтобы этот учебный материал был доступен для понимания и легче усваивался учащимися, необходимо конкретизировать его химическим экспериментом. Уместно наполнить урок демонстрационными и лабораторными опытами.
При изучении этого раздела в курсе общей химии должна быть решена задача систематизации имеющихся у учащихся разрозненных знаний, их углубление и обобщение на качественно новом теоретическом уровне. Целесообразно материал излагать в виде лекции, а результатом должен быть составленный в ходе лекции опорный конспект.
Каждый объект или явление рассматривается в зависимости от уровня развития науки. И мы с вами в 11 классе все понятия рассматриваем на более высоком уровне, привлекая знания, полученные вами в 8, 9, 10 классе.
В чём сущность химической реакции?
Сущность химической реакции заключается в разрыве одних химических связей и образовании новых.
Но прежде, чем разорвутся связи в молекуле, необходимо, чтобы реагирующие частицы, столкнулись. Однако не каждое столкновение приводит к разрыву химических связей (то есть к химической реакции). Молекулы могут столкнуться и разлететься друг от друга, как мячики. Чтобы столкновение стало «эффективным» и привело к разрыву связей, частица должна обладать энергией активации (Еа). Оказывается, очень небольшая доля молекул обладает энергией активации, приводящей к эффективному соударению.
Например: С + О2 = СО2 ↑ + Q
Но ведь углерод может лежать на воздухе очень долго и не загорится. Значит, химическая реакция не идёт?
Идет. Но с очень маленькой скоростью, т.к. очень мало частиц обладает энергией активации, то есть способных преодолеть энергетический барьер.
Рисунок №1
Но поднесли к угольку спичку. Он загорелся, следовательно, скорость химической реакции сильно возросла. Мы дали дополнительную энергию исходному веществу, и большее число молекул теперь обладают энергией активации и могут преодолеть энергетический барьер, следовательно, могут прореагировать.
Представим ситуацию, что нет энергетического барьера, и все молекулы обладают энергией активации, все частицы начинают неудержимо реагировать. Кислород, содержащийся в воздухе, прореагирует со всем, что горит и окисляется, и превратит всё в углекислый газ и воду, особенно органические вещества. Значит, наше с вами существование было бы под вопросом.
Вывод: благодаря наличию энергетического барьера, не все реакции идут со значительной скоростью.
С одной стороны это хорошо, но чтобы использовать химические реакции в промышленности, в сельском хозяйстве, в медицине и даже в быту нужно ими управлять, либо ускорять, либо замедлять.
Перечислите, какие факторы влияют на скорость химической реакции?
- концентрация
- температура
- катализатор, ингибитор
- природа реагирующих веществ
- площадь соприкосновения
Для дальнейшей работы на уроке необходимо раздать учащимся шаблон для опорного конспекта. В ходе лекции они заполняют предложенную таблицу.
Факторы, влияющие на скорость химической реакции
Концентрация С |
Температура Т |
Катализатор/ингибитор К/И |
Природа реагирующих веществ |
Площадь соприкосновения |
|
|
|
|
|
Факторы, влияющие на скорость химической реакции
Концентрация С |
Температура Т |
Катализатор/ингибитор К/И |
Природа реагирующих веществ |
Площадь соприкосновения |
Чем больше концентрация, тем больше скорость химической реакции Чем больше частиц вступают в химическую реакцию, тем больше среди них активированных. Установил эту зависимость русский учёный Н.И. Бекетов в 1865 году и сформулировал закон действующих масс: скорость прямопропорциональна произведению концентраций реагирующих в-в, взятых в степенях равных их коэффициентам и коэффициента скорости реакции. nA + mB = qD υ = k CnA ∙ CmB |
Увеличение температуры на каждые 100 увеличивает скорость реакции в 2-4 раза При повышении температуры тепловая энергия переходит во внутреннюю, и большее число молекул получают энергию активации. Эту зависимость математическим путём вывел голландский учёный Я.Х. Вант-Гофф υ(t2) = υ(t1) ∙ ү t2 – t1 / 10 υ (t2) – скорость при температуре t2 υ (t1) – скорость при температуре t1 ү – температурный коэффициент |
Катализатор ускоряет химическую реакцию, ингибитор замедляет Скорость химической реакции изменяется за счёт изменения механизма химической реакции. Уже в первой половине прошлого века русский химик А.И. Ходнев объяснил механизм действия катализаторов образованием промежуточных «парных соединений». А + В = АВ υ Добавим катализатор А + К = АК υ1 АК + В = АВ + К υ2 (В реакции, идущей в 2 стадии, выбирают самую медленную, например υ1) если υ < υ1, то процесс ускорился и К – выполняет роль катализатора если υ > υ1, то процесс замедлился, и К – является ингибитором (И) |
Энергия активации зависит от природы реагирующих веществ и служит характеристикой для каждой реакции 1. При взаимодействии К+, А–, – Еа очень мала, энергетический барьер преодолевается легко и скорость реакции большая. Например: все реакции ионного обмена протекают практически мгновенно, ибо в этих реакциях участвуют разноимённо заряженные частицы. 2. При взаимодействии нейтральных М молекул – Еа очень велика, преодолевается с трудом, поэтому скорость реакции мала. |
Чем больше площадь соприкосновения веществ, тем больше скорость реакции Поверхность соприкосновения веществ влияет только на гетерогенные реакции. Например: при измельчении твёрдого вещества нарушается правильность кристаллической решетки. Частицы на поверхности микрокристалла значительно активнее, чем на гладкой поверхности и концентрация частиц на ломаной поверхности увеличивается, следовательно, растет концентрация активированных частиц. |
Например: 1. гомогенная реакция 2СО + О2 = СО2 υ = k C2 (СО) ∙ C (О2) 2. гетерогенная реакция С + О2 = СО2 υ = k C (О2) Закон действующих масс не учитывает твёрдую фазу, так как вещество реагирует на поверхности и концентрация не меняется. Решаем задачу из учебника О.С. Габриэляна №2 стр. 140 |
Решаем задачу из учебника О.С. Габриэляна №5 стр. 140 |
Демонстрация: 1. гомогенный катализ 2Н2О2 = 2 Н2О + О2 К = [Cu (NH3)4] SO4 1 стакан наливаем 5 мл р-ра CuSO4, 2 стакан – 5мл р-ра NH3 H2O, 3 стакан – 5 мл р-ра CuSO4 и 5мл р-ра NH3 H2O, для получения р-ра [Cu(NH3)]SO4 (тёмно-синего р-ра комплексной соли) Во все три сосуда добавляем немного перекиси водорода. В первых двух стаканах реакция практически не протекает, а в третьем перекись водорода бурно разлагается. Доказать наличие кислорода можно тлеющей лучинкой. 2. гетерогенный катализ 1 стакан положить кусочек сырого мяса, 2 стакан – кусочек отварного мяса. Одновременно в оба сосуда влить 10-15 мл раствора перекиси водорода. Вспенивание в 1 стакане доказывает, что в сыром мясе есть биологический катализатор – каталаза, ускоряющий процесс. Каталаза – адсорбирует на своей поверхности, реагирующие в-ва, повышает их концентрацию и скорость увеличивается. То, что во втором стакане реакция практически не протекает, объясняется денатурацией фермента каталазы, имеющего белковую природу, при термической обработке |
Например: СО + О2 при комнатной температуре не реагируют 2NO + O2 = 2 NO2 реакция идёт при комнатной температуре. В чём причина? : С = О молекула нейтральная : Ṅ = О молекула обладает не спаренным электроном и является радикалом, энергетический барьер для таких частиц очень низкий и они легко его преодолевают. |
Например: при производстве серной кислоты используют принцип «кипящего слоя» для обжига серного колчедана. Серный колчедан измельчают для увеличения поверхности соприкосновения, и воздух обогащённый кислородом подают в печь снизу создавая эффект «кипящего слоя». |
Учитель подводит итог урока, делает вывод: что при изучении данной темы мы повторили закономерности, с помощью которых можно управлять химической реакцией, ещё раз акцентировали внимание на условиях, которые в определённой мере влияют на скорость химического процесса.
Список литературы:
- М.В. Горский, Обучение основам общей химии. М., «Просвещение», 1991.
- Г.П. Хомченко, Пособие по химии для поступающих в ВУЗы, М., «Издательство Новая волна», 1997.
- О.С. Габриелян, Г.Г. Лысова, учебник для общеобразовательных учреждений, М., Дрофа, 2005.