Особенности протекания химических реакций. Химические реакции

Разделы: Химия

Тип урока : приобретение новых знаний.

Вид урока : беседа с демонстрацией опытов.

Цели:

Обучающие - повторить отличия химических явлений от физических. Сформировать знания о признаках и условиях протекания химических реакций.

Развивающие - развивать умения, опираясь на знание химии, ставить несложные проблемы, формулировать гипотезы., обобщать.

Воспитательные – продолжить формирование научного мировоззрения учащихся, воспитывать культуру общения через работу в парах «ученик-ученик», «ученик-учитель», а также наблюдательность, внимание, пытливость, инициативу.

Методы и методические приемы : Беседа, демонстрация опытов; заполнение таблицы, химический диктант, самостоятельная работа с карточками.

Оборудование и реактивы . Лабораторный штатив с пробирками, железная ложечка для сжигания веществ, пробирка с газоотводной трубкой, спиртовка, спички, растворы хлорида железа FeCL 3 , роданида калия KNCS, медного купороса (сульфат меди) CuSO 4 , гидрооксида натрия NaOH, карбоната натрия Na 2 CO 3 , соляной кислоты HCL,порошок S.

Ход урока

Учитель. Мы изучаем главу «Изменения, происходящие с веществами» и знаем что изменения могут быть физическими и химическими. В чём отличие химического явления от физического?

Ученик. В результате химического явления изменяется состав вещества, а в результате физического явления состав вещества остается без изменения, а меняется лишь его агрегатное состояние или форма и размеры тел.

Учитель. В одном и том же опыте можно одновременно наблюдать химические и физические явления. Если медную проволоку расплющить молотком, то получится медная пластинка. Изменяется форма проволоки, но состав её остаётся прежним. Это физическое явление. Если медную пластинку нагреть на сильном огне, то исчезнет металлический блеск. Поверхность медной пластинки покроется чёрным налётом, который можно соскрести ножом. Значит, медь взаимодействует с воздухом и превращается в новое вещество. Это химическое явление. Между металлом и кислородом воздуха происходит химическая реакция.

Химический диктант

Вариант 1

Задание. Укажите о каких явлениях (физических или химических) идет речь. Поясните свой ответ.

1. Сгорание бензина в двигателе автомобиля.

2. Приготовление порошка из куска мела.

3. Гниение растительных остатков.

4. Скисание молока.

5. Выпадение дождя

Вариант 2

1. Горение угля.

2. Таяние снега.

3. Образование ржавчины.

4. Образование инея на деревьях.

5. Свечение вольфрамовой нити в лампочке.

Критерии оценивания

Максимально можно набрать 10 баллов (по 1 баллу за правильно указанное явление и по 1 баллу за обоснование ответа).

Учитель. Итак, вам известно, что все явления подразделяются на физические и химические. В отличие от физических явлений при химических явлениях, или химических реакциях, происходит превращение одних веществ в другие. Эти превращения сопровождаются внешними признаками. Для того чтобы познакомить вас с химическими реакциями, я проведу ряд демонстрационных опытов. Вам нужно определить признаки, по которым можно сказать, что произошла химическая реакция. Обратите внимание на то, какие условия необходимы для протекания этих химических реакций.

Демонстрационный опыт №1

Учитель. В первом опыте нужно выяснить, что происходит с хлоридом железа (111) при добавлении к нему раствора роданида калия KNCS.

FeCL 3 + KNCS = Fe(NCS) 3 +3 KCL

Ученик. Реакция сопровождается изменением окраски

Демонстрационный опыт №2

Учитель. В пробирку нальём 2 мл медного купороса, добавим немного раствора гидрооксида натрия.

CuSO 4 + 2 NaOH = Cu (OH) 2↓ +Na 2 SO 4

Ученик . Выпадает осадок голубого цвета Cu (OH) 2↓

Демонстрационный опыт №3

Учитель. К полученному раствору Cu (OH) 2↓ добавить раствор кислоты HCL

Cu (OH) 2↓ + 2 HCL = CuCL 2 +2 HOH

Ученик . Осадок растворяется.

Демонстрационный опыт №4

Учитель. В пробирку с раствором карбоната натрия прильём раствор соляной кислоты HCL.

Na 2 CO 3 +2 HCL = 2 NaCL + H 2 O + CO 2

Ученик . Выделяется газ.

Демонстрационный опыт №5

Учитель. Подожжем в железной ложечке немного серы. Образуется сернистый газ-оксид серы (4) - SO 2.

S + O 2 = SO 2

Ученик. Сера загорается синеватым пламенем, даёт обильный едкий дым, выделяется тепло и свет.

Демонстрационный опыт №6

Учитель. Реакция разложения пермангата калия - реакция получение и распознавания кислорода.

Ученик. Выделяется газ.

Учитель. Эта реакция идет при постоянном нагреве, стоит его прекратить, как прекращается и реакция (кончик газоотводной трубки прибора, где получали кислород, опущен в пробирку с водой - пока нагревание, кислород выделяется, и его можно заметить по выходящим из кончика трубки пузырькам, если же нагревание прекратить – прекращается и выделение пузырьков кислорода).

Демонстрационный опыт №7

Учитель. В пробирку с NH 4 CL хлоридом аммония добавить немного щелочи NaOH при нагревании. Попросить одного из учеников подойти и понюхать, выделяющийся аммиак. Предупредить ученика о резком запахе!

NH 4 CL +NaOH = NH 3 + HOH + NaCL

Ученик . Выделяется газ с резким запахом.

Учащиеся записывают в тетрадь признаки химических реакций.

Признаки химических реакций

Выделение (поглощение) тепла или света

Изменение цвета

Выделение газа

Выделение (растворение) осадка

Изменение запаха

Используя знания учащихся о химических реакциях, на основе проделанных демонстрационных опытов составляем таблицу условия возникновения и протекания химических реакций

Учитель. Вы изучили признаки химических реакций и условия их протекания. Индивидуальная работа по карточкам.

Какие из признаков характерны для химических реакций?

А) Образование осадка

Б) Изменение агрегатного состояния

В) Выделение газа

Г) Измельчение веществ

Заключительная часть

Учитель подводит итоги урока, анализируя полученные результаты. Выставляет оценки.

Домашнее задание

Приведите примеры химических явлений, которые встречаются в трудовой деятельности ваших родителей, в домашнем хозяйстве, в природе.

По учебнику О.С.Габриеляна «Химия -8 класс» § 26, упр. 3,6 с.96

Способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется не только их атомно-молекулярной структурой, но и условиями протекания химических реакций. В практике химического эксперимента эти условия интуитивно осознавались и эмпирически учитывались, но теоретически по-настоящему не исследовались. Между тем от них в значительной степени зависит выход получаемого продукта реакции.

К этим условиям относятся прежде всего термодинамические условия, характеризующие зависимость реакций от температуры, давления и некоторых других факторов. В еще большей степени характер и особенно скорость реакций зависят от кинетических условий, которые определяются наличием катализаторов и других добавок к реагентам, а также влиянием растворителей, стенок реактора и иных условий.

Термодинамическими факторами, которые оказывают существенное влияние на скорость протекания химических реакций, являются температура и давление в реакторе. Хотя для завершения любой реакции требуется определенное время, но одни реакции могут протекать очень быстро, а другие - чрезвычайно медленно. Так, реакция образования осадка хлорида серебра при смешивании растворов, содержащих ионы серебра и хлора, занимает несколько секунд. В то же время смесь водорода и кислорода в условиях комнатной температуры и нормального давления можно хранить годами, и никакой реакции при этом не произойдет. Но стоит пропустить через смесь электрическую искру, как произойдет взрыв. Этот пример свидетельствует о том, что на скорость протекания химических реакций влияет множество разнообразных условий: воздействие электричества, ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, концентрации реагентов, их помешивания и даже присутствие других веществ, не участвующих в реакции.

При этом реакции, протекающие в гомогенной системе, состоящей из одной фазы, протекают, как правило, быстрее, чем в гетерогенной системе, состоящей из нескольких фаз. Типичным примером гомогенной реакции является реакция естественного распада радиоактивного вещества, скорость которого пропорциональна концентрации вещества R. Эта скорость может быть выражена дифференциальным уравнением:

где к - константа скорости реакции;

R - концентрация вещества.

Такую реакцию называют реакцией первого порядка, а время, необходимое для того, чтобы исходное количество вещества уменьшилось наполовину, называют периодом полураспада.

Если реакция происходит в результате взаимодействия двух молекул Aw В, тогда ее скорость будет пропорциональна числу их столкновений. Установлено, что это число пропорционально концентрации молекул А и В. Тогда можно определить скорость реакции второго порядка в дифференциальной форме:

Скорость в существенной степени зависит от температуры. Эмпирическими исследованиями установлено, что почти для всех химических реакций скорость при повышении температуры на 10 °С возрастает приблизительно в два раза. Наблюдаются, однако, и отклонения от этого эмпирического правила, когда скорость может увеличиться только в 1,5 раза, и наоборот, скорость реакции в отдельных случаях, например при денатурации яичного альбумина (при варке яиц), возрастает в 50 раз. Не следует, однако, забывать, что эти условия могут оказывать воздействие на характер и результат химических реакций при определенной структуре молекул химических соединений.

Наиболее активны в этом отношении соединения переменного состава с ослабленными связями между их компонентами. Именно на них и направлено в первую очередь действие разных катализаторов, которые значительно ускоряют ход химических реакций. Меньшее влияние оказывают на реакции такие термодинамические факторы, как температура и давление. Для сравнения можно привести реакцию синтеза аммиака из азота и водорода. Вначале его не удавалось осуществить ни с помощью большого давления, ни высокой температуры, и только использование в качестве катализатора специально обработанного железа впервые привело к успеху. Однако эта реакция сопряжена с большими технологическими трудностями, которые удалось преодолеть после того, когда был использован металл органический катализатор. В его присутствии синтез аммиака происходит при обычной температуре 18 °С и нормальном атмосферном давлении, что открывает большие перспективы не только для производства удобрений, но в будущем такого изменения генной структуры злаков (ржи и пшеницы), когда они не будут нуждаться в азотных удобрениях. Еще большие возможности и перспективы возникают с использованием катализаторов в других отраслях химической промышленности, в особенности в «тонком» и «тяжелом» органическом синтезе.

Не приводя больше примеров о чрезвычайно высокой эффективности катализаторов в ускорении химических реакций, следует обратить особое внимание на то, что возникновение и эволюция жизни на Земле была бы невозможна без существования ферментов, служащих по сути живыми катализаторами.

Несмотря на то, что ферменты обладают общими свойствами, присущими всем катализаторам, тем не менее они не тождественны последним, поскольку функционируют в рамках живых систем. Поэтому все попытки использовать опыт живой природы для ускорения химических процессов в неорганическом мире наталкиваются на серьезные ограничения. Речь может идти только о моделировании некоторых функций ферментов и использовании этих моделей для теоретического анализа деятельности живых систем, а также частично для практического применения выделенных ферментов для ускорения некоторых химических реакций.

1. Укажите, к физическим или химическим относятся явления, изображенные на рисунках.

2. Установите соотвествие.

Примеры химических реакций:
I. взаимодействие мрамора с соляной кислотой;
II. взаимодействие железа с серой;
III. разложение пероксида водорода;
IV. взаимодействие углекислого газа с извесковой водой.

Условия протекания химических реакций:
а) соприкосновение веществ;
б) нагревание;
в) использование катализатора.

Ответ : I - а; II - а, б; III - в; IV - а.

3. Заполните схему 2.

4. "Кроссоврд - наоборот". Все слова в кроссворде уже вписаны. Дайте каждому из слов как можно более точное определение.

"Ключевое слово" - первая химическая реакция, с которой познакомился человек.

1. Одно из четырех агрегатных состояний вещества.
2. Образование твердого вещества в растворе в ходе химической реакции.
3. Положение двух или нескольких тел, предметов, веществ.
4. Переносное или передвижное устройство для тушения очагов пожара.
5. Процесс характеризуется повышением температуры.
6. Химическое вещество, ускоряющее реакцию, но не входящее в состав продуктов реакции.
7. Воздействие объектов друг на друга.

I. Признаки и условия протекания химических реакций

Вы уже знаете многие вещества, наблюдали их превращения и сопровождающие эти превращенияпризнаки.

Самым главным признаком химической реакции является образование новых веществ. Но об этом сожно судить и по некоторым внешним признакам протекания реакций.

Внешние признаки протекания химических реакций:

• выпадение осадка
• изменение цвета
• выделение газа
• появление запаха
• поглощение и выделение энергии (тепла, электричества, света)

Очевидно, что для возникновения и течения химических реакций необходимы некоторые условия:

• соприкосновение исходных веществ (реагентов)
• нагревание до определенной температуры
• применение веществ, ускоряющих химическую реакцию (катализаторов)

II. Тепловой эффект химической реакции

Д.И. Менделеев указывал: важнейшим признаком всех химических реакций является изменение энергии в процессе их протекания.

В каждом веществе запасено определенное количество энергии. С этим свойством веществ мы сталкиваемся уже за завтраком, обедом или ужином, так как продукты питания позволяют нашему организму использовать энергию самых разнообразных химических соединений, содержащихся в пище. В организме эта энергия преобразуется в движение, работу, идет на поддержание постоянной (и довольно высокой!) температуры тела.

Выделение или поглощение теплоты в процессе химических реакций обусловлено тем, что энергия затрачивается на процесс разрушения одних веществ (разрушение связей между атомами и молекулами) и выделяется при образовании других веществ (образование связей между атомами и молекулами).

Энергетические изменения проявляются либо в выделении, либо в поглощении теплоты.

Реакции, протекающие с выделением теплоты, называются экзотермическими (от греч. «экзо» - наружу).

Реакции протекающие с поглощением энергии называются эндотермическими (от латинского "эндо" - внутрь).

Чаще всего энергия выделяется или поглощается в виде теплоты (реже - в виде световой или механической энергии). Эту теплоту можно измерить. Результат измерения выражают в килоджоулях (кДж) для одного МОЛЯ реагента или (реже) для моля продукта реакции. Количество теплоты, выделяющееся или поглощающееся при химической реакции, называется тепловым эффектом реакции (Q).

Экзотермическая реакция:

Исходные вещества → продукты реакций + Q кДж

Эндотермическая реакция:

Исходные вещества → продукты реакций - Q кДж

Тепловые эффекты химических реакций нужны для многих технических расчетов. Представьте себя на минуту конструктором мощной ракеты, способной выводить на орбиту космические корабли и другие полезные грузы.

Допустим, вам известна работа (в кДж), которую придется затратить для доставки ракеты с грузом с поверхности Земли до орбиты, известна также работа по преодолению сопротивления воздуха и другие затраты энергии во время полета. Как рассчитать необходимый запас водорода и кислорода, которые (в сжиженном состоянии) используются в этой ракете в качестве топлива и окислителя?

Без помощи теплового эффекта реакции образования воды из водорода и кислорода сделать это затруднительно. Ведь тепловой эффект - это и есть та самая энергия, которая должна вывести ракету на орбиту. В камерах сгорания ракеты эта теплота превращается в кинетическую энергию молекул раскаленного газа (пара), который вырывается из сопел и создает реактивную тягу.

В химической промышленности тепловые эффекты нужны для расчета количества теплоты для нагревания реакторов, в которых идут эндотермические реакции. В энергетике с помощью теплот сгорания топлива рассчитывают выработку тепловой энергии.

Врачи-диетологи используют тепловые эффекты окисления пищевых продуктов в организме для составления правильных рационов питания не только для больных, но и для здоровых людей - спортсменов, работников различных профессий. По традиции для расчетов здесь используют не джоули, а другие энергетические единицы - калории (1 кал = 4,1868 Дж). Энергетическое содержание пищи относят к какой-нибудь массе пищевых продуктов: к 1 г, к 100 г или даже к стандартной упаковке продукта. Например, на этикетке баночки со сгущенным молоком можно прочитать такую надпись: "калорийность 320 ккал/100 г".

Область химии, занимающаяся изучением тепловых эффектов, химических реакций, называетсятермохимией.

Уравнения химических реакций, в которых указан тепловой эффект, называют термохимическими.

В промышленности подбирают такие условия, чтобы осуществлялись нужные реакции, а вредные замедлялись.

ТИПЫ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

В таблице 12 приведены основные типы химических реакций по числу участву­ющих в них частиц. Даны рисунки и уравнения часто описываемых в учебни­ках реакций разложения , соединения , замещения и обмена .

В верхней части таблицы представлены реакции разложения воды и гидрокарбоната натрия. Изображён прибор для прохождения через воду постоянного электрическо­го тока. Катод и анод представляют собой металлические пластинки, погружён­ные в воду и соединённые с источником электрического тока. В связи с тем, что чистая вода практически не проводит электрический ток, к ней добавляют небольшое количест­во соды (Nа 2 СО 3) или серной кислоты (Н 2 SО 4). При прохождении тока на обоих электродах происходит выделение пузырьков газа. В трубке, где собирается водород, объём оказывается вдвое большим, чем в трубке, где соби­рается кислород (о его наличии можно удостовериться с помощью тлеющей лучинки). Модельная схема демонстрирует реакцию разложения воды. Химические (ковалентные) связи между атомами в молекулах воды разрушаются, и из освобождающихся атомов обра­зуются молекулы водорода и кислорода.

Модельная схема реакции соединения металлического железа и молекулярной серы S 8 показывает, что в резуль­тате перегруппировки атомов в процессе реакции образуется сульфид железа. При этом разрушаются химические связи в кристалле железа (металлическая связь) и молекуле серы (ковалентная связь), а осво­бодившиеся атомы соединяются с образованием ионных связей в кристалл соли.

К другой реакции соединения относится гашение извести СаО водой с образованием гидроксида кальция. При этом жжёная (негашёная) известь начинает разогреваться и образуется рыхлый порошок гашёной извести.

К реакциям замещения относят взаимодействие металла с кислотой или солью. При погружении достаточно активного металла в сильную (но не азотную) кислоту выделяются пузырьки водорода. Более активный металл вытесняет менее активный из раствора его соли.

Типичными реакциями обмена является реакция нейтрализации и реакция между растворами двух солей. На рисунке показано получение осадка сульфата бария. За ходом реакции нейтрализации следят с помощью индикатора фенолфталеина (малиновая окраска исчезает).

Таблица 12

Типы химических реакций

ВОЗДУХ. КИСЛОРОД. ГОРЕНИЕ

Кислород является самым распространённым химическим элементом на Земле. Содержание его в земной коре и гидросфере представлено в таблице 2 "Распространённость химических элементов". На долю кислорода приходится примерно половина (47 %) массы литосферы. Он является преобладающим химическим эле­ментом гидросферы. В земной коре кислород присутствует только в связанном виде (оксиды, соли). Гидросфера также представлена в основном связанным кис­лородом (часть молекулярного кислорода растворена в воде).

В атмосфере свободного кислорода содержится 20,9 % по объёму. Воздух – сложная смесь газов. Сухой воздух на 99,9 % состоит из азота (78,1 %), кислорода (20,9 %) и аргона (0,9 %). Содержание этих газов в воздухе практически постоян­но. В состав сухого атмосферного воздуха также входят диоксид углерода, неон, гелий, метан, криптон, водород, оксид азота(I) (оксид диазота, гемиоксид азота – N 2 О), озон, диоксид серы, монооксид уг­лерода, ксенон, оксид азота(IV) (диоксид азота – NО 2).

Состав воздуха определил французский химик Антуан Лоран Лавуазье в конце XVIII века (таблица 13). Он доказал содержание кислорода в воздухе, и назвал его "жизненный воздух". Для этого он нагревал на печи ртуть в стеклянной реторте, тонкая часть которой поводилась под стеклянный колпак, опущенный в водяную баню. Воздух под колпаком оказывался замкнутым. При нагревании ртуть соединялась с кислородом, превращаясь в оксид ртути красного цвета. "Воздух", остав­шийся в стеклянном колпаке после нагревания ртути, не содержал кислорода. Мышь, помещённая под колпак, задыхалась. Прокалив оксид ртути, Лавуазье снова выделил из него кислород и вновь получил чистую ртуть.

Содержание кислорода в атмосфере стало заметно увеличиваться около 2 млрд. лет назад. В результате реакции фотосинтеза поглощался некоторый объём углекислого газа и выделялся такой же объём кислорода. На рисунке таблицы схема­тически показано образование кислорода при фотосинтезе. В процессе фотосин­теза в листьях зелёных растений, содержащих хлорофилл , при поглощении солнечной энергии происходит превращение воды и углекислого газа в углеводы (сахара) и кислород . Реакцию образова­ния глюкозы и кислорода в зелёных растениях можно записать в следующем виде:

6Н 2 О + 6СО 2 = С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 .

Образующаяся глюкоза превращается в нерастворимый в воде крахмал , который накапливается в растениях.

Таблица 13

Воздух. Кислород. Горение

Фотосинтез представляет собой сложный химический процесс, включающий несколько стадий: поглощение и транспортировку солнечной энергии, использо­вание энергии солнечного света для инициирования фотохимических окисли­тельно-восстановительных реакций, восстановление углекислого газа и образованием угле­водов.

Солнечный свет – это электромагнитное излучение разных длин волн. В молекуле хлоро­филла при поглощении видимого света (красного и фиолетового) происходят переходы электронов из одного энергетического состояния в другое. На фотосинтез расходуется только небольшая часть солнечной энергии (0,03 %), достигающей поверхности Земли.

Весь имеющийся на Земле диоксид углерода проходит через цикл фотосинте­за в среднем за 300 лет, кислород – за 2000 лет, вода океанов – за 2 млн. лет. В настоящее время в атмосфере установилось постоянное содержание кислорода. Он практически полностью расходуется на дыхание, горение и гниение органиче­ских веществ.

Кислород – одно из самых активных веществ. Процессы с участием кислоро­да называются реакциями окисления. К ним относят горение, дыхание, гниение и многие другие. На таблице показано горение нефти, которое идёт с выделением теплоты и света.

Реакции горения могут принести не только пользу, но и вред. Горение можно остановить, прекратив доступ воздуха (окислителя) к горящему предмету с помощью пены, песка или одеяла.

Пенные огнетушители наполняют концентрированным раствором питьевой соды. При её контакте с концентрированной серной кислотой, находящейся в стеклянной ампуле в верхней части огнетушителя, образуется пена углекислого газа. Для приведения в действие огнетушитель переворачивают и ударяют об пол металлическим штиф­том. При этом ампула с серной кислотой разбивается и образующийся в результате реакции кислоты с гидрокарбонатом натрия углекислый газ вспенивает жидкость и выбрасывает её из огнетушителя сильной струёй. Пенис­тая жидкость и углекислый газ, обволакивая горящий предмет, оттесняют воздух и гасят пламя.