Презентація до уроку
Цілі: Показати вплив на швидкість хімічних реакцій такого явища як каталіз. Розглянути класифікацію хімічних реакцій за участі каталізатора і по фазовому стану реагуючих речовин і каталізатора.
Вимоги до рівня підготовки учнів
Знати і розуміти:
- Визначення понять «каталіз», «гомогенний каталіз», «гетерогенний каталіз», «каталізатори», «ферменти», «інгібітори», «каталітичні отрути», «промотори»;
- Приклади гомогенного і гетерогенного каталізу;
- Області застосування каталізаторів, в тому числі і ферментів;
- Пояснювати залежність швидкості хімічної реакції від дії каталізаторів.
ТСО: персональний комп'ютер, мультимедійний проектор.
Реактиви та обладнання: чашки Петрі, хімічні циліндри, хімічні колби, керамічна пластина, шпатель, піпетка, лучинка, спиртівка; водний розчин аміаку, сульфат міді (II), рідкий миючий засіб, пероксид водню, Дихромат амонію, вода, роданид калію, хлорид заліза (III), тіосульфат натрію, хлорид натрію кристалічний, морквяний сік, варена морква, картопляний сік, варену картоплю, кристалічний йод, порошок алюмінію.
Перед уроком можна підготувати картки з прізвищами учнів даного класу, в присутності дітей примушують їх, а далі можна використовувати:
- Взяти одну картку і оголосити, що вибрали кандидатуру учня, хто в кінці уроку буде узагальнювати почутий матеріал (ім'я учня оголошується по завершенню пояснення теми);
- Можна використовувати картки, якщо потрібно викликати учня для демонстрації досвіду, для поділу на групи.
Учитель висипає на керамічну пластину 1г алюмінієвого порошку і 4г тонко розтертого йоду конусоподібної купкою. Взаємодії не відбувається. Учитель запитує учнів:
- Процес взаємодії цих речовин відбувається дуже повільно. Чи вірите ви, що я зможу збільшити швидкість даної реакції?
(Учитель додає 2-3 краплі каталізатора - води і учні спостерігають появу світла і фіолетових парів йоду. Реакція проводиться у витяжній шафі.)
Запишіть реакцію в таблицю. Всі реакції, які будуть здійснюватися під час уроку учителем і учнями, записуються в цю таблицю.
речовини, що вступають в реакцію
Далі вчитель пропонує учням послухати арабську притчу «Вісімнадцять верблюдів»:
Жив колись на Сході людина, яка розводив верблюдів. Все життя він працював, а коли постарів, то покликав до себе синів і сказав:
«Діти мої! Я став старий і немічний і скоро помру. Після моєї смерті розділіть залишилися верблюдів так, як я вам скажу. Ти, старший син, працював більше всіх - візьми собі половину верблюдів. Ти, середній син, тільки почав мені допомагати - візьми собі третю частину. А ти, молодший, візьми дев'яту частину ».
Минув час, і старий помер. Тоді сини вирішили розділити спадок так, як заповідав їм батько. Вони вигнали стадо на велике поле, перерахували, і виявилося, що в стаді всього сімнадцять верблюдів. І не можна було розділити їх ні на 2, ні на 3, ні на 9! Що було робити - ніхто не знав. Стали сини сперечатися, і кожен пропонував своє рішення. І вони вже втомилися сперечатися, але так і не прийшли до спільного рішення.
В цей час їхав повз подорожній на своєму верблюді. Почувши крик і суперечка, він запитав: «Що трапилося?»
І сини розповіли про свою біду. Подорожній зліз з верблюда, пустив його в стадо і сказав: «А тепер розділіть верблюдів, як велів батько».
І так як верблюдів стало 18, то старший син узяв собі половину, тобто 9, середній - третину, тобто 6 верблюдів, а молодший дев'яту частину, тобто двох верблюдів. І коли вони розділили, таким чином, стадо, в поле залишився ще один верблюд, тому що 9 + 6 + 2 дорівнює 17.
А подорожній сіл на свого верблюда і поїхав далі.
Яка роль вісімнадцятого верблюда? І який зв'язок цієї притчі з темою нашого уроку?
Протягом уроку нам необхідно знайти відповіді на наступні питання:
- Що таке каталізатор і каталітичні реакції?
- Привести приклади відомих вам каталітичних реакцій з органічної та неорганічної хімії. Вказати назви речовин - каталізаторів.
- Висловити припущення про механізм дії каталізаторів.
- Яке значення каталітичної реакції?
В результаті обговорення першого питання з учнями вчитель повідомляє, що одним з найбільш поширених в хімічній практиці методів прискорення хімічних реакцій є каталіз.
Каталіз (від грец. Сatalysis - руйнування) - зміна швидкості хімічної реакції при впливі речовин (каталізаторів або інгібіторів), які беруть участь в реакції, але не входять до складу продуктів.
Каталізатори - речовини, що підвищують швидкість хімічних реакцій, але склад і кількість яких в кінці реакції залишається незмінним.
Інгібітори - речовини, що уповільнюють швидкість хімічних реакцій, але склад і кількість яких в кінці реакції залишається незмінним.
Прикладом гомогенного каталізу може служити взаємодія пероксиду водрод з сульфатом тетрааммінмеді (II).
Демонстрація досвіду (запрошується учень, вибрати за допомогою карток):
В хімічний стакан додаємо кілька крапель рідкого мила, далі додаємо 2 мл розчину комплексної солі, а потім доливають пероксид водню. Спостерігаємо реакцію спінювання рідкого мила.
Дану реакцію необхідно зафіксувати в таблицю.
Прикладом гетерогенного каталізу є каталітичне окислення аміаку киснем повітря в присутності оксиду хрому (III).
Демонстрація досвіду (проводить вчитель):
У хімічну колбу ємністю 500 мл поміщаємо розчин аміаку і закриваємо пробкою. На спиртівці нагріваємо Дихромат амонію, потім поміщаємо в колбу з аміаком. Спостерігаємо реакцію «зоряний дощ».
Досвід фіксуємо в таблицю.
Як ви думаєте, як же каталізатори працюють? Згадайте притчу про
вісімнадцяти верблюдах. (Учні пропонують різні гіпотези)
Лабораторні досліди виконуються учнями, але на слайдах описаний порядок дій:
У стаканчик з 3 мл води додають по 1 краплі розчинів роданида калі і хлориду заліза (III). Утворений розчин червоного кольору наливають в 2 пробірки, заповнюючи їх порівну. У дві інші пробірки по 2 мл тіосульфату натрію і в одну з них додають 2 краплі розчину сульфату міді (II) - каталізатора. Далі учні проводять дві реакції:
а) до розчину роданида заліза (III) додати розчин тіосульфату натрію,
б) до розчину роданида заліза (III) додати розчин тіосульфату натрію і 2 краплі сульфату міді (II)
Наливають в дві пробірки по 2 мл розчину сульфату міді (II) і поміщають в кожну по гранулі алюмінію. В одну з пробірок додають кілька кристалів каталізатора - кухонної солі.
(Записати рівняння реакцій в таблицю)
Механізм дії каталізатора:
За результатами досліджень, що можна сказати про те, як працює каталізатор?
Сучасні уявлення про каталіз зводяться до наступного (зрозуміло, в самому спрощеному варіанті). Є вихідні речовини, атоми, що утворюють вихідні молекули, можна уявити так, що в продукті вони будуть пов'язані між собою іншими, навіть більш міцними зв'язками. Тобто внутрішня енергія системи, що складається з атомів після «перестановки».
Хімічна реакція перетворення вихідних реагентів в продукти могла б пройти, але щось заважає. При описі тривимірної енергетичної картини каталітичної реакції використовують такі образи - «долина вихідних речовин», «долина продуктів». Між ними - хребет, енергетичний бар'єр. Він не підпускає атоми настільки близько один до одного, щоб вони могли помінятися місцями і утворити нові, більш міцні зв'язки. І перестрибнути просто так хребет не виходить. А каталізатори виявляються тими самими провідниками, які дозволяють знайти необхідний шлях - перевал з висотою менше. Там, на перевалі каталізатор утворює проміжний активоване комплекс, один відразу або кілька послідовно, і з'єднує, в кінці кінців, атоми вихідних речовин між собою в іншому, потрібному дослідникам поєднанні. Потім він дозволяє молекулам нових з'єднань благополучно скотитися в долину продуктів, а сам віддаляється, щоб з'єднати нові пари, в ідеалі - залишившись незмінним. У реальності, правда, він виявляється, неабияк зіпсований каталитическими отрутами та іншими негараздами.
Існує ряд теорій, що пояснюють механізм дії каталізаторів. Для розуміння механізму гомогенного каталізу запропонована теорія проміжних сполук.
Сутність цієї теорії полягає в тому, що якщо повільно протікає реакцію А + В → АВ вести в присутності каталізатора К, то каталізатор вступає в хімічну взаємодію з одним з вихідних речовин, утворюючи нетривке проміжне з'єднання:
Потім проміжне з'єднання АК взаємодіє з іншим вихідним речовиною, при цьому каталізатор звільняється:
Якщо тепер обидва процеси підсумувати, то отримаємо вихідне рівняння:
Після обговорення третього питання. учні роблять висновок за допомогою вчителя, що каталізатор доставляє реагує часткам необхідну енергію для ефективних зіткнень, тобто каталізатор знижує необхідну для реакції енергію активації, надаючи реагентів альтернативний шлях руйнування і утворення зв'язків.
Каталізатори мають певними властивостями:
- Каталізатори не створюють процесу, а тільки змінюють його швидкість;
- Для оборотних реакцій каталізатори не зміщувати рівновагу і не впливають на константу рівноваги, а лише прискорюють процес досягнення рівноважного стану;
- Каталізатор знижує необхідну для реакції енергію активації, надаючи реагентів альтернативний шлях руйнування і утворення зв'язків;
- Каталізатори мають вибірковістю, тобто прискорюють тільки одну з декількох реакцій.
Вибірковість каталізаторів ми можемо поспостерігати на наступному прикладі.
Альдегіди і кетони
Сувора вибірковість і висока швидкість -два основні ознаки ферментативного каталізу, що відрізняють його від лабораторного і виробничого каталізу. Жоден із створених руками людини каталізаторів не може зрівнятися з ферментами за силою і вибірковості впливу на органічні молекули.
Ферменти відрізняються особливою специфічністю, кожен з них прискорює тільки одну хімічну реакцію з виходом 100%. Інгібітори в живому організмі пригнічують різні шкідливі реакції окислення в клітинах тканин, які можуть ініціюватися радіоактивним випромінюванням.
Біологічні каталізатори - ферменти.
Лабораторний досвід: У дві чашки Петрі поміщаємо перекис водню, в першу чашку поміщаємо шматочок вареної картоплі, в іншу - картопляний сік.
Лабораторний досвід: У дві чашки Петрі поміщаємо перекис водню, в першу чашку поміщаємо шматочок вареної моркви, в іншу - морквяний сік.
Пероксид водню - отруйна речовина, що утворюється в клітці в процесі життєдіяльності. Беручи участь в знешкодженні ряду токсичних речовин, воно може викликати самоотруєння (денатурацію білків, зокрема, ферментів). Накопиченню Н2О2 перешкоджає фермент каталаза, поширений в клітинах, здатних існувати в кисневій атмосфері. Фермент каталаза, розщеплюючи Н2 О2 на воду і кисень, грає захисну роль в клітці. Фермент функціонує з дуже великою швидкістю, одна його молекула розщеплює за 1с 200 000 молекул Н2 О2 → 2 Н2 О + О2
- За допомогою каталізатора багато корисних копалини можна перетворити в корисні синтетичні матеріали;
- Виробництво твердих жирів, наприклад маргарину, з рідких масел неможливо без каталізатора;
- У хлібопеченні велике значення має фермент амілаза, що розщеплює крохмаль, і протеаза, що розщеплює білок. Від активності амілази залежить швидкість бродіння тесту;
- У спиртової та пивоварної промисловості джерелом амілази може бути солод і мікробні препарати;
- У виноробстві і ферментації тютюну велике значення має фермент поліфенолоксидаза, від активності якого залежать букет і колір вина і якість тютюну;
- Деякі ферменти, наприклад пепсин, застосовують в медицині
- Каталітичні явища широко поширені в природі: дихання, засвоєння поживних речовин клітинами, синтез білків.
Пошук відповідного каталізатора для хімічної реакції - це справжнє мистецтво. Тут враховується все - розміри молекул, їх енергія, орієнтація в просторі, доступність, можливий економічний ефект і багато інших чинників. Не випадково, більшість каталізаторів, що використовуються в хімічній промисловості, запатентовані, а багато хто навіть засекречені. Створення нового ефективного каталізатора - це серйозне наукове відкриття, яке часто удостоюється престижних премій. За відкриття в області каталізу були присуджені сім Нобелівських премій по хімії. Американський хімік Річард Зейр вважає каталіз поняттям, «яке найбільш повним чином характеризує суть хімії», так як він не тільки демонструє здатність речовин до перетворень, а й підкреслює роль людини в цьому процесі, демонструє нашу здатність керувати навколишнім світом.
На закінчення уроку давайте перевіримо таблицю з каталітичними реакціями, які ми провели за сьогоднішній урок.
(Далі вчитель дістає картку з прізвищем учня, якому пропонує на дошці скласти сінквейн, присвячений вивченої теми).
Список використаної літератури.