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

γ = .

Число γ – 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 • γ = 9 моль/л • с 

W ₄  = W ₃ • γ = 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 • γ = 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.

Энергия активации – эта энергия, необходимая частицам в количестве 1 моль для образования активированного комплекса.

 

Графически этот процесс выглядит следующим образом:

 

 

 Таким образом, энергия активации – это энергетический барьер, который должны преодолеть исходные вещества, чтобы превратиться в продукты реакции: чем меньше энергия активации, тем выше скорость химической реакции.

Подводя итог урока, учитель формулирует вывод: при нагревании скорость химической реакции возрастает, потому что увеличивается число молекул способных преодолеть энергетический барьер.

Урок 4. Катализ

Понятие «катализ» формируется также на основе эксперимента. Учащимся показывают склянку с пероксидом водорода. Они видят, что никаких признаков течения реакции нет. Но учащимся известно, что со временем пероксид водорода разлагается. Тогда учитель спрашивает: как можно ускорить процесс разложения. Скорее всего, последуют ответы об увеличении температуры до той, при которой разложение будет заметно. Учитель демонстрирует опыт нагревания пероксида водорода. При поднесении тлеющей лучинки, учащиеся видят, что она тухнет (значит выделяющегося кислорода явно недостаточно для поддержания горения). То есть нагревание мало увеличивает скорость химической реакции. Затем в склянку с пероксидом водорода учитель вносит диоксид марганца MnO₂. Даже без тлеющей лучинки учащиеся наблюдают мгновенное выделение газа. Затем вместо MnO₂ учитель вносит оксид кобальта (II) CoO (реакция идет еще более бурно), а после проводит тот же опыт с CuO (в данном случае реакция идет очень медленно).

Учитель сообщает, что вещества, способные увеличивать скорость химической реакции называются катализаторами.

На опыте школьники убедились, что не каждое вещество может быть катализатором и ускорять химический процесс. Отсюда вывод – действие катализаторов избирательно.

Затем учитель обращает внимание учащихся на такой факт, что вещества, которые ускоряли ход реакции, сами не расходовались. Если их отфильтровать и высушить, то окажется, что масса их не изменилась [7]. Для объяснения этого факта учитель схематично показывает процесс каталитической реакции:

А + В = АВ.

1 стадия. А + К = АК

2 стадия. АК + В = АВ + К.

Таким образом, вещество К остается количественно без изменения.

Теперь необходимо разобраться в причине увеличения катализаторами скорости химической реакции. Увеличение скорости реакции под действием катализатора объясняется тем, что каждая из двух стадий с катализатором имеет меньший энергетический барьер по сравнению с непосредственной реакцией взаимодействия исходных веществ.

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться: