T - Назарбаев Интеллектуальные школы

НАЗАРБАЕВ ИНТЕЛЕКТУАЛЬНАЯ ШКОЛА ХИМИКО-БИОЛОГИЧЕСКОГО НАПРАВЛЕНИЯ
Г. УСТЬ-КАМЕНОГОРСК
Учитель химии Капасова Р.К.
Разработка методики проведения комплекса уроков по решению олимпиадных задач по химической кинетике
На базе системы организации мыслительного процесса от абстрактного к конкретному ( А → К ) - система развивающейся Вселенной
(Анисимов О.С., Цой В.И.)
Система представлена на языке ЯСИ (язык схематических изображений)
Цель: В результате комплекса уроков (со спецкурсом по химической кинетике) выпустить качественно подготовленного учащегося, умеющего
грамотно классифицировать олимпиадные задачи по химической кинетике, умело применять ту или иную методику к решению разных типов
задач
Задачи:
1. Дать понятия о скорости химических реакций и единицах ее измерения.
2. Дать основные понятия формальной кинетики без рассмотрения механизма реакции.
3. Дать вывод кинетических уравнений разных порядков с акцентом на реакции 1-го порядка, наиболее часто встречающихся в олимпиадных
заданиях.
4. Познакомить с классификацией химических реакций по порядку реакции.
5. Проведение 4-х нетрадиционных срезов знаний «олимпиадника».
4-х витковая «развивающаяся» схема, по которой преподаватель опробует данную методику, т.е. рискует:
Принцип построения конечной схемы:
А
Любая красная точка
на витке – планета в
системе уроков. Она
означает любой
текущий этап урока,
теоретическое
отступление, игровую
задачу, игровую
интуитивную задачу,
игровую логическую
задачу.
З1III
З1II
З1I
Математическая
страничка
Правило
ВантГоффа
Кинети
- ческое
уравне
ние
Уравнение
Аррениуса
Хорошо
подготовлен
-ный
учащийся
для
решения
олимпиадн
ых задач по
химической
кинетике
З1I - задача №1 I уровня сложности
З1II - задача №1 II уровня сложности
З1III - задача №1 III уровня сложности
- игровая задача, встречается на каждом
уровне, сложность игровой задачи
увеличивается от уровня к уровню
- разработка автора методики, срезы знаний
учащихся с применением новой разработки
«Командная эстафета»
- критериальная призма – подход к оценке
качества знаний учащегося при помощи
критериального оценивания,
но с учетом «командных критериев»
Приложени А – Теретический материал.
Математическая страничка – основы математического анализа, понятие производной функции, дифференциала,
интегрирование, решение задачи Коши.
Кинетическое уравнение первого порядка, выведенное при помощи данной математической странички.
Правило Вант-Гоффа – зависимость скорости от температуры
Уравнение Аррениуса – отражает точную зависимость скорости от температуры
Приложени Б – Задачи.
Опорные задачи для данного метода.
Задача. Период полураспада радиоактивного изотопа 14C - 5730 лет. При археологических раскопках было
найдено дерево, содержание 14C в котором составляет 72% от нормального. Каков возраст дерева?
Решение. Радиоактивный распад - реакция 1-го порядка. Константа скорости равна:
.
Время жизни дерева можно найти из решения кинетического уравнения с учетом того, что [A] = 0.72. [A]0:
2720 лет.
Задача I уровня сложности.
При 100С реакция между 0,025н раствором этилацетата и 0,0125н раствором гидроксида натрия протекает как реакция
первого порядка, причем половина этилацетата реагирует в течение 16,8 минут. Пользуясь правилом Вант-Гоффа (η=2),
определите время, за которое прореагирует 50% этилацетата при 250С. Рассчитайте энергию активации.
Задача II уровня сложности.
Разложение ацетондикарбоновой кислоты в водном растворе - реакция первого порядка. Измерены константы скорости
этой реакции при разных температурах:
T, оС
k. 105, с-1
0
2,46
20
47,5
40
60
576
5480
Рассчитайте энергию активации и предэкспоненциальный множитель.
Чему равен период полураспада при 25 оС?
(E A = 96.9 кДж/моль, A = 8.79 × 10 13 с –1 , t 1/2 = 770 с.)
Задача III уровня сложности.
Муравьиные бега
В 2000 г. группа сотрудников факультета биохимии и фармацевтики университета г.Росарио (Аргентина) опубликовала
результаты захватывающих экспериментов: они измеряли среднюю скорость бега рыжих муравьев на дистанции 30 см
при разной температуре окружающего воздуха (опыты проводили в феврале и июне, то есть, как написали авторы в
своей статье, «в конце лета и осенью», когда температура изменялась от 32 до 9оС).
Предполагается, что скорость бега муравья v, как и других жизненных процессов, подчиняется уравнению Аррениуса:
lnv = lnA – E/RT.
1. Почему скорость муравьев зависит от температуры воздуха?
2. При какой температуре происходит изменение механизма биохимических процессов в муравьях?
3. Определите энергию активации для каждого механизма.
4. При какой температуре скорость муравьев достигнет 3,5 см/с?
5. Выберите наиболее разумное предположение о причинах смены биохимического механизма при изменении
температуры (выбор следует обосновать):
в организме муравьев при повышении температуры происходит обратимая денатурация белка;
б) при изменении температуры происходит обратимый фазовый переход в жироподобном бислое мембран
митохондрий;
в) при повышении температуры ускоряется реакция гидролиза АТФ, которая снабжает мышцы энергией.
Указания: задания 2,3,4 следует решать с помощью графика.
Результаты опытов:
t, oC
31,8
27,3
26,4
25,6
25,5
22,0
21,1
v, см/с
2,61
2,12
1,8
1,71
1,59
1,59
1,13
ln v
0,96
0,75
0,59
0,54
0,46
0,46
0,12
t, oC
17,5
15,2
13,5
13,4
12,6
12
11,5
9,5
v, см/с
1,05
0,89
0,74
0,61
0,62
0,46
0,42
0,38
lnv
0,05
-0,12
-0,3
-0,49
-0,48
-0,78
-0,87
-0,97
«Эстафетный командный» срез знаний на I этапе.
Нипример для задачи: Скорость бактериального гидролиза мышц рыб удваивается при
переходе от температуры -1.1о С к температуре +2.2 оС. Оцените энергию активации этой
реакции.
Решение. Увеличение скорости гидролиза в 2 раза обусловлено увеличением константы
скорости: k2 = 2k1. Энергию активации по отношению констант скорости при двух температурах
можно определить из уравнения (4.3) с T1 = t1 + 273.15 = 272.05 K, T2 = t2 + 273.15 = 275.35 K:
130800 Дж/моль = 130.8 кДж/моль.
Преподаватель может сформировать следующую эстафетную таблицу:
Участник
1
2
Определяет порядок реакции
гидролиза
Записывает уравнение закона действующих масс
Записывает кинетическое
уравнение первого порядка
Определяет размерность
Расчитывает по условию задачи соотношение
между к1 и к2
Записывает уравнение
Аррениуса в дифференциальном
Интегрирует уравнение
Аррениуса
𝑑𝑙𝑛 𝑘 2 /𝑘 1
3
Вычисления, подстановка в формулы, перевод
единиц
Этап рачета, формула
𝑑𝑇
=
𝐸а
𝑅𝑇 2
Совет следующему
участнику, что
рассчитывать на
след.
этапе
Переведи
температуру в
Кельвины
Используй
уравнение
Аррениуса в
дифференциальном
виде
Переходи к
непосредственному
вычислению энергии
активации
4
Выписать R – универсальную
газовую постоянную
Самостоятельный
расчет.
Используя шахматную терминологию, можно считать, что примеры, связанные в основном с подстановкой численных
значений в известные формулы и уравнения, аналогичны простым одно- двухходовым комбинациям на шахматной
доске.
Примеры со звездочкой требуют от учащихся, кроме формального знания теории, умения правильно использовать в
каждом конкретном случае сведения из разных областей знания, по аналогии с многоходовой шахматной комбинацией.
Рассмотренные в пособии задачи являются фрагментами научного исследования и подобно шахматным этюдам
требуют способностей к анализу, оценке, логике, интуиции. Они рассчитаны на тех учеников, которые получают
удовольствие от самого процесса обдумывания и решения задач, вникая до физико-химического смысла проблемы.