Урок по теме "Влияние катализатора на скорость химических реакций. Катализ".
план-конспект урока по химии (11 класс) на тему

МКОУ Таловская СОШ

ТЕМА УРОКА: «ВЛИЯНИЕ КАТАЛИЗАТОРА НА СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ. КАТАЛИЗ»(11 класс)

УЧЕБНИК: О.С.ГАБРИЕЛЯН, Г.Г.ЛЫСОВА «Химия 11класс». Дрофа, Москва 2005г.

УЧИТЕЛЬ: ЛЕОНТЬЕВА НАДЕЖДА ВАСИЛЬЕВНА.

Цели урока: 

Образовательные:

• обобщение и систематизация знаний учащихся по катализу;
• расширение и углубление этих знаний: изучение механизма                             действия катализаторов, гомогенного и гетерогенного катализа;
• знакомство с особым классом катализаторов – ферментами, их                            специфическими свойствами, условиями протекания                             ферментативных реакций;

Воспитательные:

• содействовать формированию мировоззренческой идеи  познаваемости явлений и свойств окружающего мира;
• содействовать формированию у учащихся информационной                              культуры;

Развивающие:

•  продолжить работу по формированию умений делать общие                              выводы из наблюдений;
•  продолжить работу по формированию умений обобщать опытные данные, наблюдать, сравнивать, делать выводы;
•  применение информационных технологий.

Методы и приёмы:  

• Проблемное обучение.
• Частично-поисковый метод.
• Лабораторная работа исследовательского характера.
• Творческая работа учащихся (сообщения, презентация)
• Поисковая беседа.
• Компьютерные информационные технологии.

Оборудование и реактивы:

-  компьютерная презентация;

- диски: «Виртуальная лаборатория», «Общая и неорганическая химия».

- растворы KCNS, FeCl3, Na2S2O3, CuSO4,  NH4OH, H 2O2, HCOH,                                  молоко;

- сахар кристаллический, пепел,  Al гранулы, кристаллы NaCl,                              синька, вареный и сырой картофель, вареное и сырое мясо;                          

- пробирки, горелка, лучинки, мерный цилиндр, стаканы,                              промывалки.

Ход занятия

1. Эпиграф занятия: 

«Отыщи всему начало, и ты многое поймешь» К.Прутков

2. Постановка проблемы: (презентация)

• Вам надо удалить со скатерти пятно от мясного соуса. Соседка посоветовала вам прокипятить скатерть в порошке «Био - С». Но пятно не исчезло. Почему? Можно ли все-таки удалить это пятно с помощью биопорошка?

Инструкция на коробке порошка: энзимы – биологические катализаторы,         регулирующие биохимические процессы в живых организмах.

• В рецептах для очистки кожи лица рекомендуют применять отруби, так как в них содержатся ферменты. Как, по вашему мнению, эффективнее пользоваться этим средством: размешать в теплой воде и нанести на лицо или сначала заварить кипятком и только после этого наносить на кожу?

Учитель:  - Что объединяет эти ситуации? О чем идет речь?

Проблема: выяснить условия протекания ферментативных реакций.

- Сформулируйте тему урока и определите цели занятия.

3.Тема занятия: Влияние катализатора на скорость химических реакций. Катализ.

Цели занятия:

• обобщить знания о катализаторах, рассмотреть механизмы                          действия катализаторов; механизмы гомогенного и гетерогенного                          катализа;
•  сравнить неорганические катализаторы и ферменты;
•  установить специфические свойства ферментов и условия                         протекания ферментативных реакций.

4. Актуализация знаний:

Фронтальный опрос:

- Что такое катализатор?

- Что называется катализом? Каталитическими реакциями?

Работа с диском: «Виртуальная лаборатория».

- Давайте отправимся в виртуальную лабораторию и проделаем опыт, подтверждающий определение катализатора (Тест по технике безопасности, лабораторный опыт «Зависимость скорости реакции от катализатора».)

 5. Основная часть

1.Гомогенный и гетерогенный катализ. Механизмы действия катализаторов на скорость химических реакций.

Учитель: Почему при действии катализатора скорость химических реакций увеличивается?

На этот вопрос нам поможет ответить презентация и сообщение по данной теме (сообщение и презентация уч-ся).

Сообщение

      Для химического взаимодействия недостаточно столкновение молекул. При этом необходимо достижение уровня энергии, называемой энергией активации.

Допустим, существует реакция:

А + В = А...В=АВ

идёт медленно, так как Еакт  велика. И есть К – катализатор, ускоряющий её протекание:

а) А + К = А…К = АК

б) В + АК = В…А…К = АВ + К

в итоге: А + В = АВ.

     Таким образом, катализатор активно, за счёт химических связей участвует в элементарном акте реакции. Он образует либо промежуточное соединение с одним из участников реакции, либо активированный комплекс со всеми реагирующими веществами. После каждого химического акта он регенирируется и  может вступать во взаимодействие с новыми молекулами реагирующих веществ.

      Основная причина ускорения реакции при действии катализатора в том, что химические взаимодействия, в которых при катализе участвует промежуточный продукт(АК), требует меньшей энергии активации, чем взаимодействие веществ А и В.

  Учитель:

- Какие виды катализа вам известны?

- Дайте определение гомогенного и гетерогенного катализа.

Лабораторный опыт: «Гомогенный и гетерогенный катализ».

Задание: провести лабораторный опыт по группам, определить вид катализа, оформить по плану.

Группа №1

В стаканчик с 20 мл воды добавлять по 1 капле растворов роданида калия и хлорида железа (III). Образующийся раствор (роданида железа  (III)) красного цвета налить в две пробирки, заполняя их поровну. В 2 другие пробирки налить по 5 мл тиосульфата натрия и в одну их них добавить 2-3 капли раствора сульфата меди (II). Далее параллельно провести 2 реакции:

а) раствор роданида железа (III) + раствор тиосульфата натрия;

б) раствор роданида железа (III)   + раствор тиосульфата натрия + сульфат меди (II).    

Группа №2.

К раствору соли меди добавляйте по каплям раствор аммиака (до образования темно-синего раствора)

К раствору пероксида водорода добавьте несколько капель полученной соли меди. Какой газ выделяется?

Группа №3.

С помощью тигельных щипцов внесите в пламя кусочек сахара. Посыпьте кусочек сахара пеплом от сигарет и снова внесите в пламя.

Группа №4.

Налейте в 2 пробирки по 2 мл раствора сульфата меди (II) и поместите в каждую по грануле алюминия. В одну из пробирок добавьте несколько кристаллов поваренной соли.

Обсуждение результатов опыта.

Учитель: - Рассмотрим механизмы гомогенного и гетерогенного катализа: (сообщения и  презентация учащихся).

Гомогенный катализ

           Гомогенный – это такой катализ, когда катализатор и все реагирующие вещества находятся в одной фазе.

           Главным положением гомогенного катализа является представление о том, что в ходе реакции образуются неустойчивые промежуточные соединения катализатора с реагирующими веществами, которые затем распадаются с регенерацией катализатора.

А + В + К → А…В…К → Д + К

Данная каталитическая реакция чаще всего протекает в две стадии:

 1) A + K ↔ AK

 2) AK + B → D +K

Примером гомогенной каталитической реакции является разложение ацетальдегида, которое катализируется йодом:

CH 3CHO → CH4 +CO

Эта реакция протекает в две стадии:

• CH 3 СНО +J2 ® CH 3J +HJ +CO
• CH 3J +HJ ® CH 4 +J2

В ходе данного процесса катализатор образует два промежуточных соединения, которые затем взаимодействуют друг с другом, регенирируя катализатор. В отсутствие паров йода Е акт =191 кДж/моль, при их присутствии Е акт = 136 кДж/моль.

Гетерогенный катализ.

     Гетерогенный катализ – это катализ, при котором катализатор и реагирующие вещества находятся в разных фазах.

     При гетерогенном катализе реакция протекает через активные промежуточные соединения, которые представляют поверхностные соединения катализатора с реагирующими веществами. Далее происходит следующее:

     А) Адсорбция, т.е. поглощение молекул реагирующих веществ пористой поверхностью катализатора.

    Б) Реакция на поверхности катализатора с образованием активных частиц.

    В) Десорбция продуктов.

    Активность катализатора зависит от размера, строения и чистоты поверхности катализатора.

Проблемный вопрос: - Почему перед проведением каталитических реакций

тщательно очищают исходные вещества? (Учитель обсуждает с уч-ся понятия «каталитические яды», «отравление катализаторов».)

 Ферменты.    

     Учитель: Особый класс катализаторов – это ферменты. Что представляют собой ферменты по составу, строению? Каков механизм их действия? (сообщение и презентация уч-ся)

Сообщение.

      Как и все белки, ферменты построены из аминокислот. Порядок чередования аминокислот в полипептидной цепи и их число характерны для каждого данного фермента. Он обуславливает первичную структуру белковой молекулы. Полипептидная цепь, свёрнута в виде спирали, форма которой определяет вторичную структуру молекулы белка – фермента. Большинство ферментов имеют третичную структуру, а некоторые – четвертичную.

      Часть молекулы фермента, принимающая непосредственное участие в процессе катализа, называется каталитическим участком. Кроме того, на поверхности фермента имеется особый участок, к которому прикрепляется субстрат, так называемая контактная площадка. Каталитический участок и контактная площадка образуют активный центр фермента. Высокая специфичность действия фермента связана с особенностями структуры их активных центров – она идеально соответствует строению субстрата.

     Каталитический процесс происходит благодаря согласованному действию всех функциональных групп активного центра. В ходе ферментативной реакции происходит образование промежуточного  фермент-субстратного (ЕS) комплекса. Субстрат входит в активный центр, только если он соответствует его форме. В 1890 году Эмиль Фишер сравнил процесс образования комплекса с ключом и замком.

 Свойства ферментов.

Учитель: Сейчас химикам известно более 2000 ферментов. Все они обладают рядом специфических свойств, отличающих их от неорганических катализаторов.

Размер молекул. Молекулярная масса белков колеблется в пределах от 105 до 107, а это значит, что по своему размеру молекулы ферментов попадают в разряд коллоидных частиц. Это не позволяет отнести их ни к гомогенным, ни к гетерогенным катализаторам. Поэтому ферменты относят к особому классу катализаторов.

Селективность (специфичность)

 Каждый фермент ускоряет только одну какую – либо реакцию или                        группу однотипных реакций. Избирательность позволяет организму быстро и точно выполнить синтез нужных ему соединений.

Эффективность (таблица – презентация)

        Скорость ферментативных реакций в 1015 раз больше скорости неферментативных реакций. Молекулы ферментов очень быстро восстанавливаются (регенерируют). Типичная молекула фермента может регенерировать  миллионы раз за минуту.

        Например, за одну секунду при температуре, близкой к точке замерзания воды, одна молекула каталазы разлагает 50000 молекул пероксида водорода. Этот катализатор снижает энергию активации от 75 кДж/моль до 21 кДж/моль. Если для ускорения этой реакции применяется платина, то энергия активации понижается до 50 кДж/моль.

 Лабораторный опыт: Условия протекания ферментативных реакций.

Группа №1 и2

Опыт: Действие дегидрогеназы на метиленовый синий (стиральная синька).

а) Возьмите две пробирки. В каждую их них прилейте по 5 мл свежего молока. Далее, в каждую из пробирок добавьте по 15 капель 0,5 % -го раствора формальдегида и по 5 капель – метиленового синего. Наблюдайте, как постепенно краситель бледнеет и обесцвечивается. Почему это происходит?

б) В обе пробирки влейте немного подсолнечного масла, чтобы изолировать смесь от воздуха. Первую пробирку поставьте в пустой стаканчик, а вторую – в стакан с горячей водой (= 35-40 С). Где быстрее происходит обесцвечивание? Почему?

Группа №3 и 4

Опыт: Действие катализатора на пероксид водорода.

Возьмите 5 пробирок. Налейте в каждую по 2 мл раствора пероксида водорода.

а) В первую пробирку опустите кусочек сырого мяса. Что вы наблюдаете? Поднесите к отверстию пробирки тлеющую лучинку. Что наблюдаете?

б) во вторую пробирку опустите кусочек сырого картофеля и поднесите к отверстию тлеющую лучинку. Что вы наблюдаете?

в) В четвертую пробирку опустите кусочек вареного мяса. А в пятую – кусочек вареного картофеля. Сравните наблюдения с результатами во 2-й и 3-й пробирках. Есть ли различия, объясните, почему?

Обсуждение лабораторных опытов.

В ходе обсуждения выясняются оптимальные условия ферментативных реакций (презентация).

1) оптимальная температура = 37 0С;

2) строго определенная среда раствора.

6. Обсуждение проблемных ситуаций, заданных в начале урока.

7. Домашнее задание:

Стр. 135-138 учебника.

Текст телерекламы: «Био – добавки нового «Лоска» любую грязь отстирают просто». Как вы можете прокомментировать эту цитату?

ЛИТЕРАТУРА:

1. О.С.Габриелян «Химия 11 класс», Москва, Дрофа 2005г.
2. Э.Г.Донецкая, И.О.Лунева «Актуальные вопросы биологии», Саратов, ОАО Издательство «Лицей», 2001год.
3. Г.В.Пичугина «Повторяем химию», Москва, издательство «Аркти», 2000год.
4. О.С.Габриелян «Настольная книга учителя химии», Москва, Дрофа, 2003 год.
5. Т.З.Савич, Т.С.Ярославцева, А.С.Корощенко «Изучение закономерностей химических реакций». Москва, «Просвещение», 1991 год.
6. Н.Л.Глинка «Общая химия». Ленинград, «Химия», 1983 год.
7. Химия. Справочные материалы. Москва, «Просвещение», 1988 год.
8. Ю.А.Шмаков «Химия. Лабораторные работы». Саратов, «Лицей», 2005 год.