Факторы, влияющие на скорость химических реакций

Петросян Алла Григорьевна, учитель химии

Разделы: Химия

Цели и задачи урока.

Систематизировать и углубить знания учащихся о скорости химической реакции.
Знать факторы, влияющие на скорость реакции (природа реагирующих веществ, концентрация, площадь соприкосновения, температура, наличие катализатора).
Уметь объяснять действие каждого фактора, влияющего на скорость реакции, на примерах.
Продолжить формировать умения сравнивать, анализировать, обобщать, выделять главное, самостоятельно делать выводы.
Формировать умение выполнения тестовых заданий (типа А20 теста ЕГЭ).

Формы и методы работы с учащимися:

участие в демонстрации опытов;
работа у доски (решение задач);
выполнение разноуровневых заданий по карточкам (работа в парах).

Основные этапы урока.

Организационный момент. Сообщение темы и целей урока.
Закрепление опорных знаний о скорости химических реакций и об основных задачах химической кинетики.
Объяснение нового материала. Рассмотрение факторов, влияющих на скорость химических реакций.
Закрепление нового материала и подведение итогов урока.
Домашнее задание.

Ход урока

1. Сообщение темы и целей урока.

2. Закрепление опорных знаний о скорости химических реакций и об основных задачах химической кинетики.

Для того, чтобы из исходных веществ образовались продукты реакции, требуется время. Одни вещества реагируют быстро, другие – медленно. Скорость химической реакции может изменяться в очень широких пределах.

Учитель предлагает учащимся привести примеры быстрых и медленных реакций. Так, например, очень быстро проходят реакции в водных растворах, практически мгновенно; для образования угля и нефти в земной коре потребовались миллионы лет; ржавление железа протекает медленно; магниевая стружка сгорает очень быстро.

Учитель подводит итог. Таким образом, различают быстрые и медленные реакции, а также реакции, которые протекают с заметной скоростью.

Среднюю скорость реакции можно оценить по промежутку времени, при котором наблюдается проявление внешних признаков реакции: образование осадка, появление запаха, изменение окраски и т.д.

где – промежуток времени (сек. или мин.).

Демонстрация опыта.

Учитель с помощью учащихся смешивает растворы тиосульфата натрия и серной кислоты, определяет и по секундомеру фиксирует время появления опалесценции, постепенно переходящей в заметное помутнение.

Учащиеся объясняют происходящие реакции и пишут их уравнения:

(1)

(2)

Реакция (1) протекает практически мгновенно, реакция (2) – медленно.

Далее учитель ставит вопрос.

Что же такое скорость химической реакции и как она определяется?

Нетрудно понять, что скорость реакции должна определяться изменением концентрации исходного или образующегося вещества в единицу времени. Если первоначальную концентрацию вещества обозначить через C₁, а через некоторое время через C₂, то скорость реакции в общем виде можно выразить так:

где – изменение концентрации вещества (моль/л),

– интервал времени (сек. или мин.).

Таким образом, скорость химической реакции определяется изменением концентрации одного из реагирующих веществ в единицу времени.

Предлагается задача.

Вычислите среднюю скорость реакции, схема которой А + B —>C, если начальная концентрация вещества А равна 0,220 моль/л , а через 10 сек – 0,215 моль/л.

Учащиеся выполняют соответствующий расчет:

моль/л. сек = 5•10^-4 моль/л. сек.

Далее учитель просит объяснить, какие задачи решает раздел химии, именуемый химической кинетикой.

Химическая кинетика – наука о закономерностях протекания химических реакций во времени.

Задача химической кинетики – предсказание скорости химической реакции, а также выяснение ее зависимости от условий проведения процесса.

Выводы химической кинетики помогают создать условия, способствующие ускорению или замедлению тех или иных химических процессов.

Если химические реакции происходят в однородной среде, то взаимодействие реагирующих веществ происходит во всем объеме. Такие реакции называют гомогенными.

Если реакция идет между веществами, находящимися в разных агрегатных состояниях, то она проходит только на поверхности соприкосновения веществ. Такие реакции называют гетерогенными. Учащиеся приводят примеры гомогенных и гетерогенных реакций.

3. Объяснение нового материала. Рассмотрение факторов, от которых зависит скорость химической реакции

Скорость химической реакции зависит от природы реагирующих веществ.

Сформулировав это условие, учитель с помощью учащихся приводит примеры: металлы (калий и натрий) с одним и тем же веществом – водой – реагируют с различными скоростями (калий гораздо быстрее, чем натрий).

Для веществ в растворенном состоянии и газов скорость химической реакции зависит от концентрации реагирующих веществ.

Учитель отмечает, что эта формулировка является упрощенной формули-ровкой основного закона химической кинетики, который называют также законом действующих масс. Авторы этого закона норвежцы К.Гульдберг и П.Вааге (1867 г.) и русский ученый Н.И.Бекетов (1865 г.).

Скорость химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях, равных их коэффициентам в уравнении реакции.

Для реакции, схема которой аА + bB —>АВ, этот закон выразится так:

, где

– концентрации веществ А и В (моль/л),

– коэффициент пропорциональности или константа скорости реакции.

Физический смысл константы k – она численно равна скорости реакции, в которой концентрации реагирующих веществ равны 1 моль/л.

Константа скорости реакции зависит только от температуры и не зависит от концентрации веществ.

Демонстрация опыта.

С помощью учащихся учитель в трех больших пробирках смешивает по 10 мл 2%-ного раствора тиосульфата натрия и по 10 мл 1%-ного, 2%-ного и 3%-ного растворов серной кислоты и по секундомеру фиксирует время появления опалесценции. Данные опыта учитель предлагает оформить в виде следующей таблицы:

Таблица 1

№	Концентрация раствора Na₂S₂O₃ (%)	Концентрация раствора H₂SO₄ (%)	Время появления опалесценции (сек)	Средняя скорость реакции (сек^-1)
1.	2	1	90	0,011
2.	2	2	70	0,014
3.	2	3	50	0,020

Вывод: чем больше концентрация серной кислоты, тем за более короткий промежуток времени наблюдается появление опалесценции, т.е. тем больше скорость реакции.

Предлагается задача.

Во сколько раз увеличится скорость реакции 2NO + O₂ = 2 NO₂, если увеличить концентрации каждого из исходных веществ в 2 раза?

Учащиеся записывают выражения:

= 8

Таким образом, скорость данной реакции увеличится в 8 раз.

Далее учитель обращает внимание учащихся на следующее обстоятельство.

Закон действующих масс не учитывает концентрации реагирующих веществ, находящихся в твердом состоянии, так как они реагируют на поверхности и их концентрации остаются постоянными. Например, для реакции

C + O =CO₂

выражение скорости реакции:

Скорость реакций, идущих на поверхности веществ, то есть гетерогенных, зависит от свойств этой поверхности.

Скорость реакции прямо пропорциональна поверхности реагирующих веществ.

Учитель предлагает учащимся привести конкретные примеры.

Обсудив разные примеры, учащиеся приходят к выводу, что вещества в твердом состоянии реагируют достаточно быстро лишь при предварительном измельчении и перемешивании.

Перед тем, как обсуждать следующее условие, учитель ставит вопрос. Как вы думаете, как зависит скорость химической реакции от температуры. Ответ однозначен. При повышении температуры скорость реакции заметно увеличивается.

Повышение температуры на каждые 10^° градусов приводит к увеличению скорости реакции в 2-4 раза (правило Вант-Гоффа).

Математически эта зависимость выражается соотношением:

, где

–– скорости реакций соответственно при конечной t₂ и начальной t₁ температурах,

– температурный коэффициент скорости, который показывает, во сколько раз увеличивается скорость реакции при повышении температуры
на 10⁰С.

Демонстрация опыта.

С помощью учащихся учитель смешивает по 10 мл 2%-ного раствора тиосульфата натрия и 2%-ного раствора серной кислоты при комнатной температуре, а затем предварительно нагретые растворы и по секундомеру фиксирует время появления опалесценции. Данные опыта учитель предлагает оформить в виде следующей таблицы:

Таблица 2

№	Темпе- ратура	Концентрация раствора Na₂S₂O₃ (%)	Концентрация раствора H₂SO₄ (%)	Время появления опалесценции (сек)	Средняя скорость (сек^-1)
1.	20	2	2	70	0,014
2.	30	2	2	36	0,028
3.	40	2	2	19	0,053

Вывод: при повышении температуры на каждые 10^° скорость реакции увеличивается примерно в два раза.

Предлагается задача.

Во сколько раз увеличится скорость реакции при повышении температуры от 100^° С до 150^° С, если температурный коэффициент скорости равен двум?

Учащиеся записывают математическое выражение правила Вант-Гоффа:

= ,
таким образом, скорость данной реакции увеличится в 32 раза.

Скорость химических реакций зависит от присутствия некоторых веществ, именуемых катализаторами или ингибиторами (подробно этот материал будет рассмотрен на следующем уроке).

4. Закрепление нового материала и подведение итогов урока.

С целью закрепления нового материала и подведения итогов урока учитель раздает учащимся (попарно) карточки с разноуровневыми заданиями. (Содержание заданий соответствует заданию А20 теста ЕГЭ).

Задание 1.

1а. Во сколько раз увеличится скорость реакции 2СO + O₂ = 2 СO₂при увеличении концентрации исходных веществ в 3 раза?