58. Химическое равновесие и его смещение
Урок начинается с актуализации знаний полученных на прошлых уроках, в частности об энергетическом барьере и образовании ПАК.
Переходя к новой теме, учитель выясняет, во что превращается ПАК: в продукты реакции или исходные вещества. Школьники приходят к выводу, что на самом деле возможны оба процесса.
Учащимся демонстрируют схему:
Рис. 7.Обратимость реакции.
Превращение исходных веществ в продукты реакции называют прямой реакцией, а продуктов в исходные вещества – обратной. Учитель сообщает учащимся, что взятое в качестве примера взаимодействие йода с водородом – обратимый процесс, и на самом деле большинство реакций обратимы.
Далее учащимся сообщается, что со временем скорость прямой реакции уменьшается, а скорость обратной реакции сначала равна 0, а затем возрастает. Для более наглядной иллюстрации сказанного учитель демонстрирует учащимся график, который они переносят в тетрадь.
А
нализируя
график, ученики приходят к выводу, что
в какой то момент времени скорость
прямой и обратной реакции выравниваются.
Этот факт свидетельствует о наступлении
равновесия. Учащимся задается вопрос:
прекращаются ли при наступлении
химического равновесия обе реакции?.
Если реакции прекращаются, то при изменении условий влияющих на скорость прямой или обратной реакции ничего не произойдет.
Чтобы проверить этот факт, учащимся демонстрируют следующий опыт: две пробирки, закрытые пробками и соединенные стеклянной трубкой, заполнены диоксидом азота. NO2 при охлаждении димеризуется, а при нагревании происходит обратная реакция:
NO2 (бурый) N2O4 (бесцветный)
Одну пробирку опускаем в горячую воду, другую в стакан с кусочками льда. При охлаждении усиливается димеризация, и окраска смеси становится менее интенсивной. При нагревании происходит разложение N2O4 и окраска смеси усиливается. Изменение окраски газа при изменении условий свидетельствует о том, что реакции продолжают протекать. Если вынуть пробирки из стакана, то через некоторое время окраска в них выровняется. Наступает равновесие. Учащимся вновь задается вопрос: идут ли при этом реакции, и почему не наблюдается видимых изменений (реакции идут, т.к их скорости можно изменить, видимых изменений нет, потому что наступило равновесие).
Таким образом, учащиеся осознают, что равновесие можно изменять (смещать) меняя условия протекания процесса.
После этого приступают к изучению принципа Ле-Шателье. В качестве эпиграфа к изучению учитель приводит слова французского ученого: «Изменение любого фактора, могущего влиять на состояние химического равновесия системы вызывает в ней реакцию, стремящуюся противодействовать произведенному изменению». То есть, изменяя какую-либо характеристику системы, равновесие смещается так, чтобы уменьшить это изменение.
Учитель предлагает подумать, какие факторы влияют на смещение равновесия. В ответах учащихся выделяют концентрацию, температуру и давление. Причем влияние температуры они уже наблюдали в опыте с оксидом азота. Изучение влияния концентрации проводят в опыте взаимодействия роданида калия с хлоридом железа (III):
KCNS + FeCl3 = Fe(CNS)3 + KCl
Увеличивая концентрацию исходных веществ, окраска раствора становится более интенсивной, а при добавлении к прореагировавшему раствору KCl окраска становится менее насыщенной. Таким образом, учащиеся видят, что увеличение концентрации исходных веществ ведет к большему образованию продуктов реакции (увеличение скорости прямой реакции), а значит к смещению равновесия вправо и наоборот.
Влияние следующего фактора – давления учащиеся уже изучают не опытным путем, а при помощи моделирования процесса реакции. Учащиеся уже знают, что давление в первую очередь влияет на реакции между газами. Учитель формулирует общий принцип Ле-Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии, подействовать, изменяя концентрацию, давление, температуру, то равновесие сместится в направлении той реакции, которая уменьшит это воздействие.
Влияние давления обычно рассматривают на примере реакции синтеза аммиака:
N2 + 3H2 = 2NH3.
Учащимся напоминают о зависимости давления от температуры. Так как зависимость прямо пропорциональна, то увеличение давления, а значит и объема исходных газовых компонентов смещает равновесие в сторону образования аммиака (в сторону уменьшения объема). Также обсуждается вопрос смещения равновесия в условиях понижения давления. Схематически оба вывода можно записать так:
N2 + 3H2 = 2NH3.
Уменьшение
р.
Увеличение
р. .
Учитель формулирует вывод: повышение давления вызывает смещение равновесия в сторону той реакции, которая приводит к образованию меньшего количества газов, следовательно, к понижению давления. Понижение давления вызывает смещение равновесия в сторону той реакции, которая приводит к образованию большего количества газов, следовательно, к повышению давления.
Затем учащиеся выполняют ряд упражнений по этим правилам.
Влияние температуры еще раз предлагается рассмотреть на примере следующей реакции:
CaCO3 (тв) = CaO(тв) + CO2(г) – Q.
Самостоятельно анализируя данное уравнение, учащиеся осознают, что если прямая реакция эндотермична, то обратная ей экзотермична. Учащиеся могут испытывать трудности с выполнением этих реакций, поэтому учитель может задавать наводящие вопросы: как изменяется температура системы, если тепло поглощается (понижается), и как она изменяется при выделении тепла (повышается). Придя к таким выводам, учащиеся уже сами формулируют вывод: равновесие при повышении температуры смещается в сторону эндотермической (прямой), а при понижении – в сторону экзотермической (в данном случае обратной).
Полнота предлагаемого материала в данном методе соответствует образовательным стандартам. Данный метод позволяет активизировать мышление учащихся.