Урок - исследование "Скорость химических реакций" 11 класс скачать


Урок - исследование "Скорость химических реакций" 11 класс

Урок - исследование в 11 классе
«Скорость химических реакций»
Цель урока: формирование у учащися понятий о скорости реакций
и влияния на нее различных факторов
В процессе урока используется презентация (ссылки на
соответствующие слайды указываются по ходу урока)
Ход урока
Исследование - один из видов профессиональной деятельности человека.
Ученый и рабочий, врач и учитель – человек любой профессии – при
грамотном подходе к делу использует элементы исследовательской работы.
Одна из задач этого урока – учиться исследовательской деятельности.
Другая задача – сделать очередной шаг по дороге химических знаний, в
частности, по разделу химии, который называется химической кинетикой.
Вы слышали, что химические реакции протекают с разной скоростью. Одни
из них заканчиваются за доли секунды (например, взрыв бытового газа).
Другие продолжаются годы и даже столетия (кариес, выветривание горных
пород). От скорости реакций зависит эффективность получения веществ в
промышленных масштабах и даже зарплата рабочих. С другой стороны, есть
нежелательные реакции. Например, химики всего мира заняты поисками
способов замедления коррозии металлов.
Т.е. человек должен уметь управлять скоростью реакций в своих интересах.
Итак, целью урока является:
1) выяснить, что такое скорость реакции;
2) выяснить, какие факторы и как влияют на скорость реакции.
Для ответа на I вопрос, мы прибегнем к теоретическим рассуждениям, т.е.
применим теоретический метод исследования.
Давайте воспользуемся принципом аналогий. В книге рекордов Гиннеса
собраны рекорды различных скоростей: скорость печатания на машинке,
рекорд совершения операций на компьютере, скорость поедания пончиков,
наконец.
Везде идет речь о том, как быстро были совершены те или иные действия.
Вы сталкивались с понятием скорости движения в физике. Что же такое
скорость движения в физике? ( Расстояние, пройденное телом за единицу
времени).
Что же может меняться при взаимодействии веществ? Какая величина,
параметр меняется с течением времени? (Количество вещества,
концентрация).
Попробуем записать выражение скорости. Но сначала разберемся, в каких
единицах целесообразно выразить концентрацию веществ при
характеристике скорости?
Как меняется число молекул в реакции? Какая величина характеризует
количество частиц? (Количество вещества).
Значит, для характеристики скорости реакции удобнее всего взять молярную
концентрацию, она показывает отношение количества вещества к единице
объема. Измеряется в моль/л. Таким образом, скорость реакции равна
изменению концентрации одного из веществ за единицу времени.
Выражение скорости реакции будет следующим:
V = Δс/Δτ
Все ли правильно в этом выражении?
Посмотрим на график изменения концентрации веществ от времени.
См. презентацию
Вы видите, что концентрация исходных веществ уменьшается, поэтому,
чтобы скорость не была отрицательной величиной, в выражении скорости
нужно поставить знак «минус» и наоборот.
V = + Δс/Δτ
Таким образом, «плюс» ставится для конечных веществ, «минус» - для
исходных веществ. При этом неважно, о каком веществе идет речь, все они
связаны уравнением реакции.
В гетерогенных реакциях взаимодействие протекает на границе раздела 2-х
фаз. Для таких реакций скорость определяется изменением количества
вещества в единицу времени на единице поверхности раздела фаз.
V = Δn/Δτ s
Итак, первую задачу исследования мы выполнили.
А теперь приступим к выполнению второй задачи. Мы должны выяснить,
каким образом можно влиять на скорость реакции.
Приведу такой наглядный пример.
Если смешать 2 моль водорода и 1 моль кислорода при 25°С, то через 100 лет
в системе удастся обнаружить …всего 3000 молекул воды! Теоретически
реакция протекает, но практически ее скорость равна нулю. Но стоит только
через смесь пробежать электрической искре, как раздастся мощный взрыв
гремучего газа. Реакция пройдет мгновенно!
Этот пример показывает, что скорость реакции между одними и теми же
веществами во многом зависит от условий ее проведения.
Скажите, что вам известно: от каких факторов зависит скорость реакций?
Рассмотрим зависимость скорости реакции от различных факторов.
1) Природа реагирующих веществ
Проведем эксперимент: сравним скорость взаимодействия цинка с 2
разными кислотами (в одном стакане соляная кислота, в другом – уксусная);
во втором случае поменяем металлы (магний вместо цинка), а кислоту
оставим соляную.
Т.о. мы убедились, что скорость реакции зависит от силы кислот, активности
металлов. Также на скорость влияет вид химической связи (реакции между
ионами идут гораздо быстрее, чем между молекулами или атомами).Очень
велики скорости реакции с участием радикалов. Однако для их
возникновения требуется первоначальный толчок, вызывающий их
образование.
2) Концентрация реагирующих веществ
Сравним скорость взаимодействия цинка с 5% раствором соляной кислоты и
25% раствором этой же кислоты. Как зависит скорость реакции от концентра
ции кислоты, почему?
Чтобы осуществилось взаимодействие, частицы должны столкнуться. Чем
больше столкновений, тем быстрее реакция. Число же столкновений тем
больше, чем больше концентрация реагирующих веществ.
На основе обширного экспериментального материала был сформулирован
основной закон химической кинетики – закон «действующих масс»:
Скорость реакции прямо пропорциональна произведению концентраций
реагирующих веществ.
Математически это выглядит так:
V = ĸ c
A
m
c
B
n
для реакции mA + nB = pC + lD,
где ĸ константа скорости, равная скорости реакции при концентрациях
реагирующих веществ, равных 1 моль/л.
Например, для реакции 2NO + O
2
= 2NO
2
скорость равна:
V = ĸ cNО
2
cО
2
А как можно записать этот закон для реакции горения угля?
С + О
2
= СО
2
V = ĸ cО
2
Для твердых веществ закон «действующих масс» неприложим.
От чего будет зависеть скорость реакции для твердых веществ?
3) Величина поверхности соприкосновения реагирующих веществ
Сравним скорость взаимодействия 5% раствора соляной кислоты с кусочком
мрамора и порошком мрамора. Как зависит скорость реакции от величины
поверхности соприкосновения? Как можно увеличить величину этой
поверхности? Повысить степень измельчения?
В промышленности для увеличения скорости гетерогенных реакций
используют технологический прием, который называется метод «кипящего
слоя»: поток газа или жидкости в реакторе равномерно омывает твердые
частицы, заставляя их переворачиваться, перемешиваться, как бы кипеть.
Например, этот прием используется в производстве серной кислоты, при
крекинге нефти.
4) Температура
Этот прием широко используют в химии и не только! Почему после
праздничного обеда каждая хозяйка спешит поставить в холодильник
оставшиеся салаты, закуски, торт? Если этого не сделать, то еда может
испортиться? А что означает «испортиться»? Это означает усиленный рост
бактерий. Так вот, когда еда окажется в холодильнике, это замедлит
скорость роста бактерий вследствие понижения температуры.
Математически зависимость скорости от температуры определяется
правилом Вант – Гоффа: «При повышении температуры на каждые 10°
скорость большинства реакций увеличивается в 2 – 4 раза».
V
2
= V
1
ϒ
Δt/10
, где ϒ температурный коэффициент, показывающий во
сколько раз увеличится скорость при повышении температуры на 10°.
Определите, во сколько раз увеличится скорость при нагревании на 50°, если
температурный коэффициент равен 2? (в 32 раза).
Почему скорость так сильно возрастает с температурой?
Сильное изменение скорости с температурой объясняет «теория активации».
Согласно ей, в химическое взаимодействие вступают только активные
молекулы, т.е. обладающие достаточной энергией. Неактивные молекулы
можно превратить в активные, если сообщить им дополнительную энергию.
Этот процесс называется активацией. Один из способов активации –
увеличение температуры. При повышении температуры число активных
частиц сильно возрастает, увеличивается число удачных столкновений.
Энергия, которую надо сообщить молекулам, чтобы превратить их в
активные, называется энергией активации, ее определяют опытным путем.
Например, для взаимодействия водорода и йода эта энергия равна 167,4
кдж/моль.
Если при столкновении частицы не обладают достаточной энергией, то
столкновение будет «неэффективным», упругим, подобным столкновению
бильярдных шаров. Если же энергия частиц достаточно высока, то
столкновение будет «эффективным», в результате чего возникнет
активированный комплекс, произойдет перераспределение электронной
плотности, перегруппировка атомов, и образуются новые частицы –
продукты реакций.
Рассмотрим этот процесс на примере реакции:
Н
2
+ I
2
= 2 HI
См. презентацию
Схематически соотношение суммарной энергии исходных веществ и
конечных веществ можно изобразить в виде энергетических диаграмм
реакций.
См. презентацию
I диаграмма показана для экзотермической реакции, II - для
эндотермической реакции.
Наличие энергетического барьера имеет огромное значение для нашей
жизни. Представьте себе последствия того, что все термодинамически
разрешенные реакции протекали бы с минимальной энергией активации.
Кислород бы реагировал со всем, что может гореть и окисляться. Все
органические вещества превратились бы в углекислый газ и воду. Т.о.
окружающий мир и мы с вами существуем только благодаря наличию
естественного барьера – энергии активации, не позволяющей многим
реакциям протекать со значительными скоростями.
5) Катализ
Люди научились использовать каталитические процессы задолго до
появления этого понятия в химическом лексиконе. Природные катализаторы
ферменты – применялись при брожении виноградного сока и получении
пива; дрожжевую закваску применяли при выпечке хлеба и пирогов.
Производство сыра и уксуса также основано на действии ферментов. С
начала XIX века химики стали обращать внимание на то, что присутствие
небольших количеств некоторых веществ значительно облегчает протекание
самых разнообразных реакций. При этом такие вещества в реакции не
расходуются. Во второй половине XIX века химики открывали все новые и
новые каталитические реакции, что привело к выделению каталитической
химии в самостоятельный раздел химии. Современную химическую
промышленность невозможно представить без использования
каталитических процессов. В производствах серной кислоты, аммиака,
спиртов, полимеров, лекарств и т.д. широко применяют катализаторы.
Что такое катализаторы? Катализ? (Изменение скорости реакции в
присутствии катализаторов).
Катализ делят на 2 вида – гомогенный (исходные вещества и катализатор
образуют однофазную систему) и гетерогенный (исходные вещества и
катализатор находятся в разных фазах).
См. презентацию
Рассмотрим механизм действия катализаторов.
Для гомогенного катализа механизм может быть представлен следующей
схемой:
А + В = АВ
А + К = [АК]
[АК] + В = АВ + К
Т.е. реакция идет через образование промежуточных продуктов.
Наглядно это можно проследить на примере разложения пероксида
водорода в присутствии катализатора бихромата калия:
2 Н
2
О
2
= 2 Н
2
О + О
2
Цвет промежуточного вещества отличается от исходных и конечных веществ.
Для гетерогенного катализа:
Поверхность катализатора неднородна. На ней имеются так называемые
активные центры, на которых главным образом и протекают реакции.
Реагирующие вещества адсорбируются на этих центрах, в результате чего
увеличивается концентрация веществ на поверхности катализатора. А это
отчасти приводит к ускорению реакции. Но главной причиной возрастания
скорости реакции является сильное повышение химической активности
адсорбируемых молекул. Под действием катализатора у адсорбируемых
молекул ослабляются связи между атомами и они становятся более
реакционноспособными. И в этом случае реакция ускоряется благодаря
снижению энергии активации.
Проведем наглядный эксперимент. Разложение пероксида водорода в
присутствии катализатора – оксида марганца (IV).
Дома вы можете провести аналогичный опыт, но в присутствии кусочка мяса.
Итак, подведем итог. Мы справились и со второй задачей нашего
исследования: выяснили факторы, влияющие на скорость химической
реакции.
И в заключение давайте решим небольшую задачу: во сколько раз скорость
горения фосфора в кислороде будет больше, чем в воздухе?
(В 5 раз больше, чем в воздухе, т.к. в воздухе 1/5 кислорода).
Сегодня мы с вами представили себя учеными – исследователями. Надеюсь,
вам это понравилось. Мы с вами совершили путешествие в мир химической
кинетики. Это будет точкой отсчета для вашей самостоятельной работы. А
самостоятельная работа залог успеха!