Скорость химической реакции

Разделы: Химия

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:

  1. О.С. Габриелян, Г.Г. Лысова, Химия – 11, – 5-е изд.М., Дрофа, 2005, § 13; стр. 140 № 3, 10 
  2. 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.

рис.1

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?

  1. концентрация
  2. температура
  3. катализатор, ингибитор
  4. природа реагирующих веществ
  5. 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–, A – 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:

  1. М.В. Горский, Обучение основам общей химии. М., «Просвещение», 1991.
  2. Г.П. Хомченко, Пособие по химии для поступающих в ВУЗы, М., «Издательство Новая волна», 1997.
  3. О.С. Габриелян, Г.Г. Лысова, учебник  для общеобразовательных учреждений, М., Дрофа, 2005.