Чтобы измерить скорости реакции надо вычислить, как изменяется количество вещества за единицу времени:

W =

Если реакция происходит в растворе или газовой среде, то при сравнении скоростей различных реакций нужно учитывать не просто количество вещества, а количество вещества в единице объема, то есть молярную концентрацию, которую вычисляют по формуле:

С = и измеряют в моль/л.

Итак, скорость реакции в растворе - это изменение концентрации вещества в единицу времени:

?С = С1 - С2; W =

Снова начинается обсуждение вопроса об измерении скорости по изменению концентрации продуктов реакции и выведение формулы скорости для такого случая. При выведении данной формулы оказывается, что она идентична предыдущей. Затем учащиеся выводят из формулы единицы измерения скорости химической реакции: [W] =

Учитель делает общий вывод: скорость реакции - это изменение количества или концентрации исходных веществ или продуктов реакции в единицу времени.

Далее учитель обучает учащихся вычислению скорости в опыте: к 10 мл. 0,1М раствора соляной кислоты добавляют такой же объем 0,1М раствора тиосульфата натрия. Отсчитываем по метроному или секундомеру время от начала сливания растворов до окончания реакции (помутнения), скорость получается равной около 7с. Определить скорость можно по концентрации одного из исходных веществ, причем конечную реакцию следует считать равной 0. Тогда получим:

W =.

Затем обсуждается вопрос: сохраняется ли скорость реакции неизменной в течение всего химического процесса или изменяется? Чтобы учащиеся пришли к правильному выводу, учитель задает наводящие вопросы:

· Изменяется ли количество исходных веществ в ходе реакции?

· Как изменяется число столкновений частиц при уменьшении концентрации?

Школьники делают вывод, что скорость химической реакции со временем уменьшается. Для подтверждения этого факта учащимся предлагают следующее задание: для реакции, протекающей в соответствии с уравнением

C4H9OH + HCl = C4H9Cl + HOH

Экспериментально определена концентрация одного из веществ в разные промежутки времени.

Как изменится скорость этой реакции со временем?

Учащиеся высчитывают скорость химической реакции в первом промежутке времени, затем во втором и так далее:

W 1 = = 0,0023 моль/л * с W 2 == 0,0019 моль/л * с

W 3 == 0,0014 моль/л * с W 4 == 0,0009моль/л * с

Рис 3. Зависимость скорости реакции от времени.

По рассчитанным значениям скорости строят график зависимости скорости реакции от времени. Использование столь малых величин вызывает затруднение у учащихся, поэтому скорость для удобства построения умножают на 103.

Важно обратить внимание учащихся на то, что скорости являются усредненными, а для более точных расчетов необходимо сокращение временного интервала. Точки в связи с этим ставятся в середине отрезков времени.

Анализируя график. Учитель еще раз формулирует главный вывод урока: с течением времени скорость химической реакции уменьшается.

Урок 2. Зависимость скорости химической реакции от внешних факторов

В начале урока идет проверка домашнего задания подобного тому, что решали на предыдущем уроке. Параллельно этому обсуждается, почему с течением времени скорость химической реакции уменьшается (уменьшается количество исходных веществ, а если реакция идет в растворе, то их концентрации). Уменьшение количества исходных веществ ведет к тому, что частицы реже сталкиваются друг с другом, поэтому и уменьшается скорость химической реакции. Получается, что скорость химической реакции зависит от концентрации исходных веществ.

Данный вывод необходимо подтвердить экспериментально: рассмотрим реакцию взаимодействия растворов тиосульфата натрия разных концентраций и соляной кислоты (0,1М). Заранее приготовленный раствор 0,1М тиосульфата натрия разбавляем: в первом стакане 2,5 мл. раствора Na2S2O3 + 5 мл. воды; во втором 5 мл. раствора Na2S2O3 + 2,5 мл. воды; в третий наливаем 7,5 мл. неразбавленного раствора Na2S2O3.

При проведении опыта один из учеников ассистирует учителю. Метроном запускают одновременно с приливанием в каждый стаканчик 2,5 мл. соляной кислоты. Момент сливания растворов считают нулевым, далее отсчитывают время от начала реакции до помутнения. Ассистент записывает на доске время протекания реакции в каждом стаканчике.

1-й стакан - 23с.

2-й стакан - 15с.

3-й стакан - 7с.

По изменению концентрации соляной кислоты вычисляем скорости реакции и чертим график:

W 1 = 0,043моль/л * с W 2 = 0,067моль/л * с W 4 = 0,143моль/л * с

Рис. 4. Зависимость скорости реакции от концентрации.

Вычерчивание графика отнимает время, но зато дает незаменимые навыки научного исследования, а значит, развивает мышление учащихся.Таким образом, учащиеся, анализируя график, делают вывод, что скорость химической реакции зависит от концентрацииреагирующих веществ. После этого учитель задает вопрос: будет ли влиять на скорость реакции газообразных и твердых веществ концентрация? Концентрация газа пропорциональна давлению, поэтому изменение давления (а значит и концентрации) изменяет скорость реакции. Твердые вещества под эту зависимость не попадают, так как давление на них существенного влияния не оказывает (за исключением очень больших). Таким образом, учащиеся начинают осознавать, что скоростью химических процессов можно управлять. Учитель должен сделать акцент на то, что это особенно важно для химических производств (наиболее рентабельны те производства, в основе которых лежат реакции протекающие наиболее быстро). В то же время некоторые реакции нежелательны и их скорость необходимо замедлить (например, процессы коррозии металлов). Поэтому так важно знать от чего зависит скорость химической реакции.

Далее обсуждается, как влияет природа вещества (его состав, вид, прочность связей) на скорость химической реакции. Учащимся предлагается рассмотреть пример: взаимодействие кислорода и водорода происходит моментально, а взаимодействие азота и водорода очень медленно. Учитель приводит следующие данные: для разрушения связей в молекулах азота требуется энергия 942 кДж/моль, а в молекулах кислорода - 494 кДж/моль. Теперь учащимся понятно, что более прочные молекулы азота труднее вступают в реакцию и скорость такой реакции очень мала. То есть, учащиеся подводятся к выводу, что скорость химической реакции зависит от природы реагирующих веществ.

Затем обсуждается влияние агрегатного состояния вещества на скорость реакции. Учащиеся самостоятельно проводят реакцию взаимодействия PbNO3 и KJ в кристаллическом виде и в растворе и делают вывод, что скорость химической реакции зависит от агрегатного состояния вещества. Следует добавить, что реакции между газообразными веществами идут еще быстрее и часто сопровождаются взрывом. Столкновения между частицами газов и в растворе происходят во всем объеме, а реакции с участием твердых веществ только на поверхности.

Тогда как же можно увеличить скорость химических реакций с участием твердых веществ? Учитель наводит учащихся на мысль, что необходимо увеличить поверхность соприкосновения, т.е раздробить вещество. Влияние этого фактора учащиеся исследуют на примере взаимодействия куска мрамора с соляной кислотой и мраморной крошки с соляной кислотой. Вновь формулируется вывод: скорость реакции зависит от степени измельчения твердого вещества.

Урок 3. Влияние температуры на скорость реакции

Обсуждение нового материала начинается с демонстрации взаимодействия 0,1М растворов тиосульфата натрия и соляной кислоты. При комнатной температуре и при температуре на 10?С выше комнатной. Для этого растворы нагревают на водяной бане при постоянном помешивании. Опыт показывает, что при комнатной температуре помутнение раствора появляется через 11с., а при повышенной - через 5с. Учащиеся самостоятельно рассчитывают скорости обоих процессов:

W 1 == 0,009моль/л * с W 2 == 0,02моль/л * с

Таким образом, скорость реакции прямо пропорциональна температуре. Далее учащиеся совместно с учителем вычисляют, во сколько раз возросла скорость реакции при повышении температуры на 10?С

? = .

Число ? - это температурный коэффициент скорости данной реакции. Температурный коэффициент показывает, во сколько раз возрастает скорость реакции при повышении температуры на 10?С.

Для закрепления понятия о температурном коэффициенте скорости реакции учащиеся решают ряд заданий по возрастанию сложности. Примером задачи более сложного уровня может быть следующая: температурный коэффициент скорости реакции равен 3, во сколько раз возрастает скорость реакции при повышении температуры от 20 до 50?С? Для решения этой задачи можно дать готовую формулу, но тогда учащиеся не уловят сущности. Поэтому лучше вывести формулу логическим путем. Предположим, что первоначальная скорость химической реакции равна 1моль/л?с, т.е при температуре 30?С скорость реакции равна:

Теперь вычислим скорость реакции при 40?С

(W 3) и при 50?С (W 4):

W 3 = W 2 * ? = 9 моль/л * с

W 4 = W 3 * ? = 27 моль/л * с

По этим данным видно, что можно вывести формулу для вычисления скорости реакции при повышении температуры на несколько десятков градусов. Из расчетов видно, что температурный коэффициент должен быть возведен в степень равную разности между начальной и конечной температуры деленную на 10:

,т.е раз.

Эта формула является математическим выражением правила Вант-Гоффа. Можно рассказать учащимся, что известный нидерландский ученый Я. Вант-Гофф пришел к выводу, что скорость большинства реакций при повышении температуры на каждые 10?С повышается в 2-4 раза на основе экспериментальных исследований.

W 2 = W 1 * ? = 3 моль/л * с

Теперь необходимо разобраться, почему температура влияет на скорость реакции. Учитель подводит учащихся к мысли о том, что энергия, сообщаемая веществу при нагревании, расходуется на разрушение химических связей исходных веществ.

Демонстрируя следующий рисунок, учитель показывает, как изменяется электронная плотность химических связей при взаимодействии йода с водородом:

Рис. 5 Схема образования ПАК на примере взаимодействия йода и водорода.

Когда молекулы сталкиваются, образуется общее для 4-х атомов электронное облако. Оно неустойчиво: электронная плотность из области между атомами исходных веществ как бы перетекает в область между атомами йода и водорода.

Такое промежуточное соединение образованное двумя молекулами называется промежуточным активированным комплексом (ПАК). Он существует короткое время и распадается на две молекулы (в данном случае HJ). Для образования ПАК необходима энергия, которая бы разрушала химические связи внутри столкнувшихся молекул. Эту энергию называют энергией активации.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7