Цель занятия: познакомить обучающихся с основными методами определения порядка химической реакции (дифференциальный метод подстановки, интегральный метод подстановки, метод Вант-Гоффа).
Задачи занятия:
- познакомить обучающихся с понятием порядка химической реакции, основными методами определения порядка реакции (дифференциальный метод подстановки, интегральный метод подстановки, метод Вант-Гоффа);
- закрепить полученные знания при выполнении практического задания;
- развить умения работы обучающихся в программе Microsoft Excel.
Тип урока: урок изучения нового материала.
Оборудование.
Компьютеры, проектор, экран, презентация к уроку, карточки с индивидуальными заданиями для учащихся (см. Приложение).
Ход урока
Учитель знакомит обучающихся с темой урока (слайд 1), вводит понятие порядка реакции, поясняет, что порядок реакции показывает характер зависимости скорости реакции от концентрации, приводит формулу для расчета скорости реакции (слайд 2):
где ? - скорость химической реакции, СА и СВ - концентрации исходных веществ А и В, nA и nB - стехиометрические коэффициенты в уравнении химической реакции. Учитель поясняет учащимся, что теоретический порядок реакции будет равен сумме стехиометрических коэффициентов n = nA + nB. Более точно порядок реакции определяют по опытным данным, полученным в ходе проведения химической реакции.
Далее обучающимся сообщают, что наиболее часто используемыми способами определения порядка реакций по опытным данным являются дифференциальный и интегральный методы подстановки. При использовании дифференциального метода по опытным данным строятся три графика в координатах С - ?, ln C - ? и 1/С - ? (слайд 3). Далее они сравниваются с графиками нулевого, первого и второго порядка. Таким образом, при совпадении с одним из эталонных графиков устанавливается порядок реакции. Учащиеся переносят схемы графиков в рабочую тетрадь и подписывают под каждым из них соответствующий порядок реакции.
Затем учитель знакомит учащихся с интегральным методом определения порядка химической реакции (слайд 4), поясняет, что при использовании данного метода опытные данные подставляются в уравнения для констант скорости химических реакций:
 |
0 порядок |
 |
1 порядок |
 |
2 порядок |
При условии получения близких значений констант в результате расчета по одному из уравнений определяют истинный порядок реакции. Учащиеся переносят уравнения для расчета констант скоростей реакций в рабочую тетрадь. Учитель поясняет, что нулевые значения концентраций для расчетов определяются из графика как точки пересечения прямых с осью ординат.
Учитель сообщает, что при условии наличия данных по скорости реакции в зависимости от времени протекания реакции можно уточнить порядок реакции с помощью метода Вант-Гоффа (слайд 5). Учащиеся переносят в рабочую тетрадь уравнение:
После подведения итогов теоретической части урока, учащиеся приступают к выполнению задания с одновременным разбором примера (слайды 6-20). Для выполнения практического задания каждый ученик берет одну из 30 карточек с заданием (см. Приложение). Задание выполняется в несколько стадий, одновременно с объяснениями учителя.
В качестве примера учащимся предлагается отличный от всех 30 карточек вариант задания (слайд 7). В задании предлагается на основании кинетических данных реакции определить порядок с помощью дифференциального метода подстановки, вычислить константу скорости с помощью интегрального метода подстановки, а затем уточнить порядок реакции с помощью метода Вант-Гоффа. Задание выполняется учащимися в Microsoft Excel.
Первым этапом выполнения задания является подготовка таблицы для дальнейших расчетов (слайды 8-11). Для этого на листе Microsoft Excel в первой строчке учитель рекомендует вписать обозначения кинетических данных из задания (время, скорость, концентрация), вспомогательных значений для построения графиков (ln C, 1/C), а также вычисляемых значений, таких как константа скорости и порядок реакции (слайд 8). Во время выполнения задания необходимо соблюдать одинаковую точность вычислений. Учитель поясняет, что так как кинетические данные из задания даны с точностью до десятитысячных, то и все остальные вычисления должным иметь такую же точность. Для этого ячейкам задается числовой формат и в свойствах устанавливается число десятичных знаков равное четырем (слайд 9-10). Затем ученики заполняют отформатированные ячейки данными из задания (слайд 11).
Вторым этапом выполнения задания является применение дифференциального метода подстановки. Учащиеся вычисляют вспомогательные значения ln C и 1/C (слайд 12), строят три зависимости в координатах С - ?, ln C - ? и 1/С - ?. Учитель обращает внимание, что к каждой зависимости необходимо добавить линию тренда, вывести на диаграмму уравнение прямой, а также величину достоверности аппроксимации. После построения учащимися диаграмм с уравнениями прямых и величинами достоверности аппроксимации учитель показывает пример анализа полученных результатов (слайд 14-17). На основе анализа своих данных ученики выбирают зависимость с наибольшей достоверностью аппроксимации и сравнивают зависимость с эталонными зависимостями для разных порядков реакции. Таким образом, обучающиеся выполняют первую часть задания и находят порядок реакции с помощью дифференциального метода подстановки.
Третьим этапом выполнения задания является применение интегрального метода подстановки. Учитель сообщает обучающимся, что они уже предположительно определили порядок реакции по своим данным, поэтому вычисления достаточно произвести только по одному уравнению для получившегося порядка реакции. В случае примера порядок реакции - первый. У обучающихся помимо первого могут получиться реакции нулевого и второго порядков в зависимости от варианта задания. Учащиеся из уравнения прямой находят начальное значение концентрации (С0), затем производят расчет константы скорости аналогично примеру (слайд 18). Учитель сообщает учащимся, что если в результате расчетов ими получены сходные значения констант, то порядок реакции определен верно. В случае большой разницы между значениями констант для разных точек необходимо вернуться к дифференциальному методу и проверить, не допущена ли в тех вычислениях ошибка.
Порядок реакции не обязательно может быть целым, он может иметь любое дробное значение. Учитель предлагает учащимся с помощью метода Вант-Гоффа произвести расчет точного значения порядка реакции (слайд 19). По полученным значениям можно вычислить среднее значение порядка реакции с точность до десятитысячных.
Итоги урока.
В конце урока учащиеся подводят итоги: оценивают проведенную ими работу и сообщают о получившемся порядке реакции учителю, который внимательно проверяет выполненное задание.
Литература
- Замараев К. И., Панфилов В. Н., Савинов Е. Н. и др. Сборник задач по химической кинетике и катализу / Под ред. Е. Н. Савинова, В. Н. Пармона. ? Новосибирск: НГУ, 1997.
- Замараев К. И. Химическая кинетика: Курс лекций. Новосибирск, 2004.