59 3. ΧΗΜΙΚΗ ΚΙΝΗΤΙΚΗ

Transcript

1 3. ΧΗΜΙΚΗ ΚΙΝΗΤΙΚΗ 59

2 60

3 61 ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΩΡΑ: 11 ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ: Χημική Κινητική 3.1 Αντικείμενο χημικής κινητικής Ορισμός ταχύτητας αντίδρασης ΣΤΟΧΟΙ Στο τέλος αυτής της διδακτική ώρας θα πρέπει ο μαθητής να μπορεί: Να αναφέρει ποιο είναι το αντικείμενο μελέτης της χημικής κινητικής. Να ορίζει τι είναι μέση ταχύτητα αντίδρασης και τι στιγμιαία και να περιγράφει τη διαδικασία που χρειάζεται για να προσδιορίσει τις ταχύτητες αυτές πειραματικά. ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΗ ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ - ΦΑΣΕΙΣ ΦΑΣΗ 1 Γίνεται σύνδεση με την αντίστοιχη ύλη της Α Λυκείου (διδακτική ενότητα 3.5). Υποβάλλονται ερωτήσεις (π.χ. Πότε πραγματοποιείται μία χημική αντίδραση; Τι γνωρίζετε για τη θεωρία των συγκρούσεων; Πώς ορίζεται η ταχύτητα μιας αντίδρασης και από τι εξαρτάται;), ώστε να εκτιμηθεί ο βαθμός αφομοίωσης των σχετικών γνώσεων. ΦΑΣΗ 2 Ζητάμε από τους μαθητές να μας αναφέρουν κάποια χημικά φαινόμενα που γίνονται γρήγορα, όπως το κάψιμο του χαρτιού και κάποια που γίνονται αργά, όπως είναι η μετατροπή του μούστου σε κρασί. Με τη συζήτηση που θα ακολουθήσει έχουμε την ευκαιρία να αναφέρουμε ποιο είναι το αντικείμενο μελέτης της χημικής κινητικής.

4 62 ΦΑΣΗ 3 Παίρνουμε για παράδειγμα την αντίδραση Η 2(g) + I 2(g) 2HI (g) και αφού δώσουμε τις αρχικές ποσότητες των αντιδρώντων και την ποσότητα του Η 2 που έχει παραμείνει μετά από ένα ορισμένο χρονικό διάστημα, ορίζουμε τη μέση ταχύτητα αντίδρασης. Κατόπιν ζητάμε από τους μαθητές να υπολογίσουν στο συγκεκριμένο παράδειγμα τη μέση ταχύτητα, αν είναι γνωστός ο όγκος του δοχείου. Στο σημείο αυτό προβάλλουμε τη διαφάνεια Δ , όπου διαγραμματικά απεικονίζεται η πορείας μιας υποθετικής αντίδρασης Α(g) Β(g) και υπολογίζεται η ταχύτητας της. ΦΑΣΗ 4 Αφού εξηγήσουμε ότι η ταχύτητα που βρήκαμε στη ΦΑΣΗ 3 είναι η μέση ταχύτητα, ορίζουμε τη στιγμιαία ταχύτητα και δείχνουμε πως προσδιορίζουμε τη στιγμιαία ταχύτητα με βάση την καμπύλη αντίδρασης. Στο σημείο αυτό προβάλλουμε τη διαφάνεια Δ Τελευταίο θίγουμε το θέμα του πειραματικού προσδιορισμού της ταχύτητας και για την κατανόηση αυτού προβάλλουμε τη διαφάνεια Δ ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΕΣ ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ-ΑΣΚΗΣΕΙΣ-ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Ερωτήσεις ασκήσεις προβλήματα για επίλυση στο σχολείο: 1, 2, 3, 4, 5, 6, Παράδειγμα 3.1, 3.2, 22, 23. Ερωτήσεις ασκήσεις προβλήματα για επίλυση στο σπίτι: 25, 26, 27, 28, 29, 30, 32.

5 63 ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΡΟΗΣ ΦΑΣΗ 1 Σύνδεση με την αντίστοιχη ύλη της Α Λυκείου. ΔΙΔΑΚΤΙΚΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΕΣ ΦΑΣΗ 2 Το αντικείμενο μελέτης της χημικής κινητικής. ΦΑΣΗ 3 Μέση ταχύτητα αντίδρασης. Διαφάνεια Δ.3.1.1: Διαγραμματική απεικόνιση μιας υποθετικής αντίδρασης. ΦΑΣΗ 4 Στιγμιαία ταχύτητα. Πειραματικός προσδιορισμός ταχύτητας. Διαφάνεια Δ.3.1.2: Προσδιορισμός στιγμιαίας ταχύτητας. Διαφάνεια Δ.3.1.3: Παράδειγμα πειραματικού προσδιορισμού της ταχύτητας μιας αντίδρασης. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Brown T.L., LeMay H.E., Bursten B.E., «Chemistry the central science», Prentice Hall, 7 th Edition, 1997, pag Gillespie R.J, Humphreys D. A., Baird N. C., Robinson E. A., «Chemistry», 2nd Edition, Allyn and Bacon, 1989, pag Hill J. W., Petrucci R. H., «General Chemistry», Prentice Hall, 1996, pag Atkins P., Jones L., «Chemistry -Molecules, Matter and Change», 3 rd Edition, Freeman, 1997, pag

6 64 ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΩΡΑ: 12 ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ: Χημική Κινητική 3.2 Παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα αντίδρασης Καταλύτες. ΣΤΟΧΟΙ Στο τέλος αυτής της διδακτικής ώρας θα πρέπει οι μαθητές να μπορούν : Να καθορίζουν τους παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα της αντίδρασης και να εξηγούν την επίδραση αυτών στην ταχύτητα με βάση τη θεωρία των συγκρούσεων. Να περιγράφουν τα χαρακτηριστικά που έχει ένας καταλύτης και να ταξινομούν τους καταλύτες σε κατηγορίες, δίνοντας χαρακτηριστικά παραδείγματα σε κάθε περίπτωση. Να εξηγούν τη δράση των καταλυτών με βάση τη θεωρία των ενδιάμεσων προϊόντων και τη θεωρία της προσρόφησης. ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΡΟΗΣ - ΦΑΣΕΙΣ ΦΑΣΗ 1 Αφού υπενθυμίσουμε στους μαθητές ότι η ταχύτητα μιας αντίδρασης εξαρτάται από τον αριθμό των αποτελεσματικών συγκρούσεων μεταξύ των αντιδρώντων μορίων, ζητάμε από τους μαθητές να αναφέρουν ποιοι είναι οι παράγοντες εκείνοι, που κατά τη γνώμη τους, επηρεάζουν την ταχύτητα μιας αντίδρασης. Με βάση τη συζήτηση που θα ακολουθήσει, απαριθμούμε τους παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα της αντίδρασης. ΦΑΣΗ 2 Εξηγούμε πως α. η συγκέντρωση β. η πίεση γ. η επιφάνεια επαφής στερεού δ. η θερμοκρασία και ε. οι ακτινοβολίες επηρεάζουν την ταχύτητα της αντίδρασης. Στο σημείο αυτό προβάλλουμε τη διαφάνεια Δ.3.2.1, όπου απεικονίζονται μερικές από τις επιπτώσεις της χημικής κινητικής στην καθημερινή μας ζωή (βλέπε βιβλίο μαθητή, κεφάλαιο 3.2).

7 65 ΦΑΣΗ 3 Ορίζουμε τι είναι καταλύτης και επισημαίνουμε τη θεμελιώδη του σημασία στη βιομηχανία και τη βιολογία. Αναφέρουμε ορισμένες χαρακτηριστικές κατηγορίες καταλυτικών αντιδράσεων (ομογενής, ετερογενής, αυτοκατάλυση), δίνοντας σχετικά παραδείγματα. Στο σημείο αυτό προβάλλουμε τη διαφάνεια Δ , όπου απεικονίζεται μια εργαστηριακή διάταξη για την καταλυτική διάσπαση του KClO 3 και ένας καταλυτικός μετατροπέας αυτοκινήτου. Ορίζουμε τι είναι ένζυμα ή βιοκαταλύτες και τονίζουμε τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά τους, καθώς και τη σημασία τους στα βιολογικά συστήματα ΦΑΣΗ 4 Ερμηνεύουμε τη δράση των καταλυτών παίρνοντας σαν βάση α) τη θεωρία των ενδιάμεσων προϊόντων και β) τη θεωρία της προσρόφησης. Τονίζουμε ότι ο καταλύτης δημιουργεί μια νέα πορεία για την πραγματοποίηση της αντίδρασης που έχει μικρότερη ενέργεια ενεργοποίησης, όπως διαγραμματικά παρουσιάζεται στη διαφάνεια Δ Βάση για την ανάπτυξη του θέματος της ερμηνείας της δράσης του καταλύτη με τη θεωρία προσρόφησης αποτελεί η διαφάνεια Δ , η οποία επεξηγείται αναλυτικά στο βιβλίο του μαθητή. ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ Ερωτήσεις - Ασκήσεις - Προβλήματα για επίλυση στο σχολείο: 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16. Ασκήσεις - Προβλήματα για επίλυση στο σπίτι: 34, 34, 38, 39.

8 66 ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΡΟΗΣ ΦΑΣΗ 1 Παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα της αντίδρασης ΔΙΔΑΚΤΙΚΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΕΣ ΦΑΣΗ 2 Πως επηρεάζεται η ταχύτητα της αντίδρασης- Εφαρμογές. Διαφάνεια Δ.3.2.1: Επιπτώσεις της χημικής κινητικής στην καθημερινή ζωή. ΦΑΣΗ 3 Καταλύτες- Κατηγορίες καταλυτικών αντιδράσεων. Διαφάνεια Δ.3.2.2: Παραδείγματα καταλυτικών δράσεων. ΦΑΣΗ 4 Ερμηνεία της δράσης των καταλυτών. Διαφάνεια Δ.3.2.3: Ο καταλύτης οδηγεί την αντίδραση σε μικρότερη ενέργεια ενεργοποίησης.. Διαφάνεια Δ.3.2.4: Διαγραμματική απεικόνιση της θεωρίας της προσροφήσεως. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Brown T.L., LeMay H.E., Bursten B.E., «Chemistry the central science», Prentice Hall, 7 th Edition, 1997, pag Gillespie R.J, Humphreys D. A., Baird N. C., Robinson E. A., «Chemistry», 2nd Edition, Allyn and Bacon, 1989, pag Hill J. W., Petrucci R. H., «General Chemistry», Prentice Hall, 1996, pag Atkins P., Jones L., «Chemistry -Molecules, Matter and Change», 3 rd Edition, Freeman, 1997, pag

9 67 ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΩΡΑ: 13 ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ: Χημική Κινητική 3.3 Νόμος ταχύτητας ΣΤΟΧΟΙ Στο τέλος της διδακτικής αυτής ώρας θα πρέπει οι μαθητές να μπορούν: Να αναφέρουν το νόμο της ταχύτητας και να παράγουν αυτόν με βάση πειραματικά δεδομένα. Να αναφέρουν τι είναι τάξη αντίδρασης και τι σταθερά ταχύτητας αντίδρασης. Να συνδέουν το νόμο της ταχύτητας με το μηχανισμό της αντίδρασης. ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΡΟΗΣ - ΦΑΣΕΙΣ ΦΑΣΗ 1 Αναφέρουμε στους μαθητές ότι υπάρχουν αντιδράσεις απλές ή στοιχειώδεις και αντιδράσεις πολύπλοκες. Γράφουμε μια γενική αντίδραση: αα (g) + ββ (g) γγ + δδ πληροφορούμε τους μαθητές ότι η μαθηματική σχέση που συνδέει την ταχύτητα της αντίδρασης με τις συγκεντρώσεις των αντιδρώντων έχει τη μορφή: u = k[a] x [B] ψ όπου x και ψ βρίσκονται πάντοτε πειραματικά και μόνο αν x=α και ψ=β τότε μόνο η αντίδραση είναι απλή. ΦΑΣΗ 2 Επιλύουμε απλά προβλήματα εύρεσης του νόμου της ταχύτητας με βάση πειραματικά δεδομένα, οπότε οι μαθητές έχουν την ευκαιρία να βρουν τη σταθερά ταχύτητας, k, μιας αντίδρασης 1 ης, 2 ης ή 3 ης τάξης και να αντιληφθούν ότι οι μονάδες της μεταβάλλονται, ανάλογα με τη τάξη της αντίδρασης.

10 68 Παρατηρούμε ότι τα στερεά σώματα παραλείπονται από την έκφραση του νόμου της ταχύτητας. Επίσης επισημαίνουμε ότι οι εκθέτες χ, ψ παίρνουν συνήθως τιμές 0,1,2,3, χωρίς όμως να αποκλείονται οι κλασματικοί ή οι αρνητικοί αριθμοί και ισχύουν μόνο για τις πειραματικές συνθήκες, κάτω από τις οποίες έγινε ο προσδιορισμός τους. ΦΑΣΗ 3 Με βάση το νόμο της ταχύτητας μπορούμε να προτείνουμε το μηχανισμό της αντίδρασης. Να βρούμε δηλαδή ποια ουσία αποτελεί το δραστικό ενδιάμεσο της αντίδρασης και ποιο στάδιο καθορίζει την ταχύτητα της αντίδρασης. Για την εμπέδωση των παραπάνω επιλύουμε υποδειγματικά το παράδειγμα 3.3. ΦΑΣΗ 4 Συνοψίζουμε τα όσα αναφέρθηκαν στο κεφάλαιο της χημικής κινητικής παίρνοντας ως βάση την πειραματική μελέτη της αντίδρασης διαφόρων μετάλλων π.χ. Zn, Fe με αραιό H 2 SO 4. Στο σημείο αυτό προβάλλουμε τη σχετική διαφάνεια ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ Ασκήσεις για επίλυση στο σχολείο: 19, 20, 21, Παράδειγμα 3.3, 36, 37, 41, 43, 47. Ασκήσεις για επίλυση στο σπίτι: 40, 42, 44, 45, 46, 48, 49, 53.

11 69 ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΡΟΗΣ ΔΙΔΑΚΤΙΚΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΕΣ ΦΑΣΗ 1 Νόμος της ταχύτητας. ΦΑΣΗ 2 Προσδιορισμός της σταθεράς ταχύτητας και της τάξης της αντίδρασης. ΦΑΣΗ 3 Πρόταση σχετικά με το μηχανισμό της αντίδρασης. ΦΑΣΗ 4 Ένα πείραμα χημικής κινητικής μελέτης. Διαφάνεια Δ.3.3.1: Πειραματική διάταξη καμπύλες αντίδρασης. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Brown T.L., LeMay H.E., Bursten B.E., «Chemistry the central science», Prentice Hall, 7 th Edition, 1997, pag Gillespie R.J, Humphreys D. A., Baird N. C., Robinson E. A., «Chemistry», 2nd Edition, Allyn and Bacon, 1989, pag Hill J. W., Petrucci R. H., «General Chemistry», Prentice Hall, 1996, pag Atkins P., Jones L., «Chemistry -Molecules, Matter and Change», 3 rd Edition, Freeman, 1997, pag

12 70 ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΩΡΑ: 14 ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ: Χημική Κινητική Εργαστηριακή άσκηση: Ταχύτητα αντίδρασης και παράγοντες που την επηρεάζουν Ανάλυση και ενδεικτική διδακτική προσέγγιση της εργαστηριακής αυτής άσκησης δίνεται στο Γ Μέρος του βιβλίου.