Урок-исследование в 8 классе по теме:
«Факторы, влияющие на скорость химических реакций. Катализаторы. Ферменты»
Дидактическая цель урока:
I. Познавательный аспект.
-изучить понятие "скорость" в химии, влияние температуры, катализатора, концентрации, природы вещества, площади поверхности реагирующих веществ, как факторов на изменение скорости протекания химических реакций;
-формировать умение пользоваться исследовательской картой как алгоритмом поисково-самостоятельной деятельности учащихся на основе памятки - задания;
-осуществить интегрированный подход в формировании информационного поля изучения темы на основе межпредметных связей с физикой, математикой и биологией;
-уметь анализировать, делать выводы, осуществлять самоконтроль.
II. Воспитательный аспект.
-воспитание трудолюбия, настойчивости в работе, уверенности в себе, в своих способностях;
-формирование нравственности, чувства патриотизма, гуманного отношения к окружающему миру;
-эстетическое воспитание личности;
-воспитание устойчивого интереса к предмету, будущей профессии, потребности учиться и добывать знания.
III. Развивающий аспект.
-развитие речи, обогащение ее словарного запаса;
-развитие памяти, мышления (способности сравнивать, устанавливать причинно-следственные связи);
-развитие интеллектуальных творческих способностей учащихся.
Тип обучения - проблемно - развивающий.
Тип урока – урок-исследование.
Методы обучения: а) показательный; б) диалогический; в) эвристический.
Методы преподавания: а) объяснительный; б) стимулирующий;в) пробуждающий.
Методы учения:
а) репродуктивно - рационализаторский; б) проблемно-поисковый, исследовательский.
Средства обучения. Раздаточный материал: тиосульфат натрия в различных количествах, карбонат кальция (кусковой и измельченный), пероксид водорода, оксид меди (II), медь, железо, магний, оксид марганца (IV), разбавленные соляная и серные кислоты, картофель, морковь, спички, лабораторный штатив, держатель, лучинка, спиртовка, пробирки.
Ход урока
Вводное слово учителя. (Беседа с опорой на изученный ранее материал.) Здравствуйте, ребята, сегодня на уроке тема интересная и очень важная в изучении химических реакций.
До сих пор, рассматривая какой-либо химический процесс, мы записывали уравнение этого процесса с помощью химических формул. Нам было ясно, какие исходные вещества дали химические продукты, но о длительности протекания процесса мы сказать ничего не могли. А ведь важной характеристикой любого процесса является "скорость". Вы уже знакомы с понятием "скорость" из курса физики и математики, но мы будем изучать не скорость поезда или автомобиля, не скорость механического движения, а скорость химической реакции. Мы должны ответить на вопрос, почему одни реакции идут быстро, а другие - медленно, от чего зависит их скорость.Чтобы рассмотреть длительность протекания химических процессов обратимся к опыту. Поэтому эпиграфом к нашему уроку служат слова великого И. Гёте "Опыт - вот учитель жизни вечный".
В этой стеклянной пробирке находятся два газа: водород и кислород - составные части воды. Пройдет месяц, год, сто лет, но мы так и не увидим образования воды. Дело в том, что водород и кислород при обычных условиях реагируют очень медленно, так медленно, что нужны тысячелетия, чтобы образовалась капелька воды. Но этот процесс можно ускорить, достаточно поднести горящую лучинку.
(Демонстрация опыта: взрыв "гремучей смеси".) (Объяснение наблюдения опыта)
Вывод-комментарий учителя: водород и кислород в свободном виде существуют в виде молекул. Чтобы они соединились, молекулы должны столкнуться. Чем чаще столкновения, тем вероятность образования молекул воды больше. Но при комнатной температуре и давлении молекулы водорода и кислорода сталкиваются ~ 10 млрд. раз в секунду! И если бы каждое столкновение приводило бы к химическому взаимодействию, то реакция протекала бы со скоростью большей, чем этот взрыв. В чем секрет? Секрет в температуре. Она во много раз увеличивает число таких столкновений, молекулы начинают чаще колебаться и это ослабляет валентные связи между атомами в молекуле. И когда на атомном уровне встречаются водород и кислород, то они реагируют мгновенно, со взрывом. А ведь это самая обыкновенная химическая реакция.
Учитель: Ученые - химики не сразу проникли в тайны природы превращения веществ. Сначала они наблюдали, затем исследовали, объясняли и только потом научились управлять химическими реакциями. Им это удалось благодаря изучению скорости реакции. Они даже создали целую науку, которую назвали химической кинетикой.
Я предлагаю вам провести экспериментально подтверждение наличия у химических реакций скорости, чтобы не нарушать традиции ученых. Поэтому наша работа на уроке будет носить исследовательский характер. Пусть каждый из вас почувствует себя ученым-исследователем.
На ваших столах есть все необходимое: набор реактивов и лабораторного оборудования для исследования. Свои наблюдения и выводы записывайте в исследовательской карте, которая послужит алгоритмом ваших действий. Памяткой для выполнения будут задания к исследовательской работе. Ваша задача заключается в решении проблемы: от чего зависит скорость химической реакции. После каждого эксперимента мы будем обсуждать ваши полученные результаты. Каждый правильный ответ оценивается в 1 балл.
Прежде чем приступить к работе, вспомните правила техники безопасности:
1) химические реакции проводить на расстоянии вытянутой руки;
2) поджигать спиртовку только спичкой и гасить пламя колпачком;
3) при нагревании пробирки использовать держатель, нагревать равномерно, отверстие пробирки направлено в сторону от сидящих;
4) опыт выполнять строго по инструкции.
Пусть вдохновением послужат слова великого русского ученого М.В. Ломоносова, который верил в Российскую науку, в возможности молодых ученых, в их самостоятельный труд:
"Дерзайте ныне ободренны
Раченьем вашим показать
Что может собственных Платонов
И быстрых разумом Невтонов
Российская земля рождать".
II. Выполнение эксперимента.
(Ученик читает задание. Обсуждение результатов после каждого выполненного эксперимента)
Опыт № 1.
Выполнение опыта и выводы. К растворам тиосульфата натрия (пробирки № 1 и № 2) разной концентрации приливаем 1 мл серной кислоты. Выпадает осадок желтого цвета, свидетельствующий об образовании простого вещества - серы. В пробирке № 2 выпадение осадка происходит быстрее, следовательно, скорость реакции больше. На скорость реакции влияет концентрация тиосульфата натрия.
Этот опыт позволяет дать определение скорости химической реакции. Скорость - это изменение концентрации реагирующих веществ в единицу времени. Скорость обозначается латинской буквой V как в физике и математике.
V = ± ∆С/∆t
Вопрос: В каких единицах измеряется скорость химической реакции?
Чтобы ответить на этот вопрос обратимся к проведенному опыту. Мы брали разное количество вещества и проводили опыты в определенном объеме, следовательно,
V= √ /V·t [V]=[моль/л·с]
Допустим, концентрация вещества SO2, была 2 моль/л, через 50 секунд стала 0,5 моль/л. Чему равна скорость?
Ответ: V=0,0З моль/л·с
Опыт № 2. От чего зависит скорость химической реакции в гетерогенной среде? Для исследования фактора, влияющего на скорость реакции в гетерогенной среде, ученики приливают 1 мл соляной кислоты к кусковому и измельченному карбонату кальция.
Вывод: Скорость зависит от степени измельчения, т.е. от площади соприкосновения реагирующих веществ. По признаку выделения углекислого газа определяют химическую реакцию, о времени протекания реакции судят о её скорости.
Опыт № 3. К металлам: медь, железо, магний ученики приливают 1 мл разбавленной соляной кислоты.
Вывод: На основании ряда активности металлов магний реагирует быстрее, чем железо, а медь вообще не реагирует. По скорости выделения пузырьков газа водорода судят о скорости реакции. Скорость реакций зависит от природы реагирующего вещества.
Опыт № 4. К оксиду меди (II) ученики приливают 1 мл разбавленной серной кислоты. О быстроте появления раствора синего цвета (сульфата меди (II)) при комнатной температуре и нагревании судят о скорости протекания реакции.
Вывод: Скорость реакции зависит от температуры.
Учитель: Мы уже наблюдали в начале урока влияние температуры на скорость химических реакций. Лауреатом Нобелевской премии Вант-Гоффом установлено правило: при увеличении температуры на каждые 10° скорость химической реакции увеличивается в 2 - 4 раза.
Опыт № 5. Ученики проводят реакцию разложения пероксида водорода в присутствии оксида марганца (IV). Наблюдают быстрое выделение пузырьков газа кислорода, который определяют с помощью тлеющей лучинки.
Вывод: Скорость зависит от катализатора.
Учитель: Такую роль ускорителя играют в животных и растительных организмах ферменты. Налейте в пробирку с кусочком сырой моркови и картофеля пероксид водорода Н2О2, вы заметите бурное выделение кислорода, Это работает фермент каталаза. Ферменты - биологические катализаторы. Некоторые химические реакции наносят вред окружающей среде. Например, коррозия металлов, гниение пищевых продуктов на полях и складах. Задача ученых-химиков замедлять такие быстро текущие химические реакции с помощью ингибиторов (в переводе на русский язык обозначает "замедлители").
III. Повторение. Итак, мы справились с поставленной задачей и экспериментально подтвердили наличие такой качественной характеристики химического процесса как скорость. Этот показатель зависит: от катализатора, температуры, природы реагирующих веществ, площади соприкосновения реагирующих веществ, концентрации.
Прием «Аналогия»
Теперь как научные сотрудники дайте объяснение явлениям. Почему на скорость химической реакции влияют:
площадь поверхности соприкосновения веществ,
природа реагирующего вещества,
концентрация исходных веществ,
температура,
катализатор (или ингибитор)
Объяснения могут быть научными или/и образными, связанными с бытовыми примерами, художественными, можно зарисовать ситуацию, объясняющую эти явления.
Дается задание каждой группе:
Группа 1 – объяснить, почему на скорость химической реакции влияет площадь поверхности соприкосновения реагирующих веществ.
Группа 2 - объяснить, почему на скорость химической реакции влияет природа реагирующих веществ.
Группа 3 – объяснить, почему на скорость химической реакции влияет концентрация исходных веществ
Группа 4 – объяснить, почему на скорость химической реакции влияет температура исходных веществ
Группа 5- объяснить, почему на скорость химической реакции влияет катализатор
Т.е. вам необходимо создать модель, которая должна объяснить, почему и как происходит изменение скорости реакции. Вашей моделью может быть: объяснение, картинка, сюжет. Для выработки образного объяснения можно применить АНАЛОГИЮ, т.е. на что похожа эта ситуация?
1 группа- На что из вашей жизни похоже действие катализатора на скорость химической реакции ?
2 группа- На что похоже влияние температуры на скорость химической реакции?
3 группа- На что похоже влияние концентрации веществ на скорость химической реакции?
4 группа- На что похоже влияние природы вещества на скорость химической реакции?
5 группа- На что похоже влияние увеличения или уменьшения площади поверхности соприкосновения реагирующих веществ?
Дается время для обсуждения в группах, (3 мин.) Затем заслушивается выступление каждой группы:
1. Аналогия на влияние катализатора:
- Два человека не дружат, может даже враждуют. Третий решил для пользы дела их сдружить. Идёт к одному из них, договаривается, объединяется с ним, потом вместе идут к другому, опять договариваются (при посреднике иногда легче договориться), посредник уходит, а первые двое становятся друзьями!
2. Аналогия на влияние температуры:
- При повышении температуры повышается скорость движения молекул, поэтому они чаще сталкиваются и реагируют. Это похоже на дискотеку, где все двигаются, танцуют и поэтому легче знакомиться, чем, например, на собрании, где все сидят на своих местах.
3. Аналогия на влияние концентрации:
- Чем больше вещества в единице объёма, тем больше столкновений между молекулами и выше скорость реакции. Это похоже на большой супермаркет, где много товара и много покупателей. В супермаркете продаётся больше товара, чем в маленьких специализированных магазинчиках, потому что покупатель «сталкивается» с большим количеством разных товаров.
- Пробки на дорогах. Концентрация машин больше, а скорость движения –меньше.
Комментарий учителя: да, такое тоже бывает в химии: при слишком большой концентрации веществ реакция не идёт, приходится разбавлять водой, чтоб молекулам «было, где разбежаться».
4. Аналогия на влияние природы реагирующих веществ:
- Люди бывают разных характеров, разных темпераментов и от этого зависит скорость их работы, скорость сближения с другими людьми. Так и вещества имеют свои «характеры» и это влияет на скорость химических реакций.
5. Аналогия на влияние площади поверхности реагирующих веществ:
- Из старой морской песни: «Мы - спина к спине у мачты, против тысячи -вдвоём!». Герои этой песни уменьшили площадь соприкосновения с врагами и уменьшили «скорость реакции» с ними, т. е. уменьшили возможность поражения.
Учитель- Итак, мы посмотрели выступления каждой группы, каждая группа отразила в своем выступлении один из факторов, влияющих на скорость химической реакции.
ВОПРОС: Скажите, для чего нам нужны такие образные представления?
Ответ: - Для лучшего запоминания и понимания происходящих химических процессов.
IV. Закрепление. А теперь давайте убедимся, что благодаря полученным знаниям сегодня на уроке, вы можете объяснить многие явления из реальной жизни.
Проблемные вопросы:
1) Известно, что для полного гниения брошенной в лесу газеты потребуется год. Для ржавления консервной банки 10 лет. А стекло практически не разрушается в течении столетий. Какой фактор влияет на скорость названных химических процессов? Задумайтесь, ребята, можно ли оставлять мусор в лесу?
2) Почему продукты питания хранят в холодильниках?
3-а)Что горит быстрее: лучинка, зажженная снизу, или лучинка, зажженная сверху?
Подсказка. В одном из этих случаев продукты сгорания несколько затрудняют достаточный доступ новых порций воздуха!
З-б)Что горит быстрее: деревянная дощечка или пучок древесных лучинок?
4. От чего зависит скорость горения веществ в чистом кислороде и на воздухе?
УЧИТЕЛЬ- А теперь для вас практическая задача:
В некоторой лаборатории долго пытались запустить химическую реакцию, но ничего не получалось, но потом у одного из лаборантов, когда он остался один в лаборатории - реакция пошла! Все сбежались, чтобы посмотреть, что он делает для запуска реакции, но к всеобщему разочарованию – опять ничего не получилось…. Оставшись наедине, он заново попытался провести реакцию и…она опять пошла! Стоило позвать всех, чтобы показать - реакция не идет…
В чем тут дело? Если бы лаборант применял только обычные средства для запуска реакции (нагрев, перемешивание, менял концентрацию), то это сработало бы и в присутствии сотрудников. А тут он и сам не понял, почему в одиночестве у него всё получается, а при коллегах – нет.
Написано на доске:
М- механическое (всякое перемешивание, давление)
А- акустическое (звуковое)
Т- тепловое
Х- химическое
Э- электрическое
М – магнитное
Это вам подсказка для нахождения ответа.Заслушиваются ответы учащихся, если учащиеся не пришли к правильному ответу, тодается правильный ответ (лаборант напевал, когда проводил эксперимент в одиночестве, а при всех, конечно, молчал…).
- Оказывается, звук тоже может влиять на скорость химической реакции. Звук – это колебания, К какому фактору относится действие звука? Почему колебания могут влиять на запуск химической реакции?
- Колебания помогают перемешивать жидкость, значит, увеличивают площадь поверхности реагирующих веществ.
V. Домашнее задание. Продолжите эксперимент по влиянию фактора на скорость химической реакции в домашних условиях:
Внесите в пламя газовой горелки кусочек сахара. Он будет плавиться, но не гореть. Тогда посыпьте сахар пеплом сгоревшей бумажной салфетки и снова внесите в пламя. Сахар будет гореть. Какой фактор влияет на характер скорости горения данного органического вещества? §14 с. 33-34, с.43 задачи № 1,2.
Какие вопросы есть у вас ко мне по теме урока? Если нет, то подведем итоги вашей исследовательской деятельности.
VI. Самоконтроль. 5 баллов, если все выводы учащихся совпали с результатами общей исследовательской карты. Ученики получают оценку "отлично", 4 балла - "хорошо".
Рефлексия
А теперь, когда наше исследование завершилось, давайте посмотрим на доску. Как мы сегодня работали? Хорошо или плохо? (Отметить работу групп в целом за урок, их активность, дружбу, дисциплину внутри группы)
Вопросы для рефлексии:
Вам понравилось работать?
А с кем больше всего понравилось работать?
Каково ваше настроение?
Чего бы вы хотели пожелать на будущее?
VII. Заключительное слово учителя:
Ребята, вы сегодня все прекрасно работали на уроке в роли исследователей. Я вижу, что вы усвоили тему урока, а это было самое главное в нашей с вами совместной работе. Поэтому я вручаю каждому "Удостоверение юного исследователя химической кинетики" за ваш труд в изучении скорости химической реакции. Спасибо вам за урок.
Приложение 1.
Исследовательская карта
"Опыт - вот учитель жизни вечный". И. Гёте
п/п
Содержание пробирки
Реактив, условие реакции
Наблюдение (в какой пробирке реакция идет быстрее, укажите №пробирки)
От какого фактора зависит скорость химической реакции?
1
№1 -Na2S2O3 (1г.)
№2-Na2S2O3 (Зг.)
H2SO4 (р)
обычные условия
2
№ 3 - СаСОз
(мел кусковой)
№ 4 - СаСО3
(мел измельченный)
HCI (р)
обычные условия
3
№ 5 – Си
№ 6 - Mg
№ 7 - Fe
HCI (р)
обычные условия
4
№ 8 - CuO
№ 9 - CuO
H2SO4 (p) -
обычные условия
H2SO4 (p)
5
№10 - H2О2
МпО2
Приложение 2.
Задания к исследовательской работе
Опыт 1.
В пробирках № 1, № 2 находится тиосульфат натрия (фиксаж) Na2S2О3 в разных количествах. Прилейте в каждую пробирку воды так, чтобы объёмы растворов были одинаковыми. Добавьте к полученным растворам 1 мл разбавленной серной кислоты H2SO4 (р) (постарайтесь одновременно). В какой пробирке химическая реакция протекает быстрее? От чего зависит её скорость? Ответы на вопросы запишите в соответствующих колонках исследовательской карты.
Опыт 2.
В двух пробирках находится мел СаСОз одинаковой массы: № 3 - кусковой, № 4 - измельченный. В обе пробирки прилейте 1 мл разбавленной соляной кислоты HCI (р). В какой пробирке химическая реакция протекает быстрее? Почему?
Опыт 3.
В пронумерованных пробирках находятся: № 5 - Си; № 6 - Мд; № 7 - Fe.Прилейте в каждую пробирку 1 мл разбавленной соляной кислоты HCI (р). В какой пробирке металл реагирует быстрее с HCI ? От чего зависит скорость химической реакции?
Опыт 4.
В пробирках № 8, № 9 находится оксид меди (II) СиО. Прилейте в обе пробирки по 1 мл разбавленной серной кислоты H2SO4 (р). Одну их них нагрейте над пламенем спиртовки. В какой пробирке произошла химическая реакция быстрее? От чего зависит её скорость?
Опыт 5.
Поместите в пробирку № 10 с пероксидом водорода Н2О2 немного оксида марганца (IV). Вспомните, какую роль играет МпОг в получении кислорода при разложении Н2О2. Как изменяется скорость химической реакции при добавлении МпОг?
