Разработка урока по химии для 11 класса общеобразовательной школы по теме "Факторы, влияющие на скорость химической реакции".

Канина Людмила Сергеевна

Учитель химии

МБОУ Туимская средняя общеобразовательная школа №3

Тема урока :

Факторы, влияющие на скорость химической реакции.

Цель урока :

- выявление «болевых точек» в технологической линии промышленной установки по получению аммиака,

-изучение вопроса о возможности минимизации технологического процесса с целью предупреждения кризиса,

-воспитание культуры делового общения .

Идея урока:

Данный урок позволяет расширить представления о скорости химических реакций, выделяя факторы, влияющие на неё и применить знания в жизненной ситуации.

В основу рассуждений взято производство аммиака.

Изложение материала проходит в виде деловой игры. Проводится открытое заседание технического совета, в ходе которого идёт обсуждение факторов, от которых зависит скорость химических реакций в технологической линии с целью минимизации затрат на производство.

Задача участников деловой игры, т.е. урока из ситуации максимально извлечь теорию и выявить проблемные вопросы, возникшие в производственной деятельности, с целью предупреждения кризиса.

Заседание технического совета в присутствии внешней экспертизы ведёт главный инженер предприятия, он отслеживает работу технологов, чтобы изучить проблемные вопросы. На заседании присутствует финансовый директор предприятия, целью которого является снижение затрат на производство. Во время деловой игры заслушиваются выступления технологов, которые на основе теории рассказывают о влиянии факторов на скорость химической реакции и о имеющихся проблемах в данном производстве. Выступления технологов теоретически освещает сетевой администратор. После рассмотрения предложенных материалов главный инженер предприятия принимает управленческое решение по устранению «болевых точек».

Информационный блок

(рассмотрение информации по проблемному вопросу).

Деловая игра «Заседание технического совета»

Учитель: Сегодня на уроке, изучая вопрос о факторах, влияющих на скорость химической реакции, мы вспомним производство аммиака, рассмотрим некоторые производственные проблемные ситуации и найдём выход из них. Урок пройдёт в форме деловой игры. Я представляю ведущих специалистов. Они занимают свои места за рабочим столом. Выступление сетевого администратора сопровождаются просмотром презентации, созданной им. Этот теоретический материал отражаем в своих тетрадях. Принимаем участие в совещании.

(Действие происходит в кабинете главного инженера)

Главный инженер:

Начинаем заседание технического совета. Основная содержательная линия совещания – скорость химической реакции и условия на неё влияющие.

На нашем заседании присутствует финансовый директор Сергей Анатольевич он изучает эти вопросы, с целью снижения затрат на производство.

Сетевой администратор:

Скорость гомогенной реакции определяется как изменение концентрации одного из веществ в единицу времени:

υ = ∆ C / ∆ t ( моль/л с )

Скорость гетерогенной реакции определяется как изменение количества вещества в единицу времени на единице поверхности:

υ = ∆ n / ∆t S ( моль/с м² )

Где S-площадь поверхности соприкосновения веществ ( м² , см² )

Скорость химических реакций зависит от многих факторов. Основными из них являются: природа и концентрация реагирующих веществ, давление (в реакциях с участием газов), температура, действие катализаторов и поверхность реагирующих веществ в случае гетерогенных реакций.

Главный инженер:

Предлагаю технологам предприятия сформулировать факторы, влияющие на скорость химических реакций, максимально применив их к нашему производству. Сделать обоснование выбора условий, доказав их положительное влияние на течение технологического процесса.

Технолог 1.

Рассмотрим влияние природы и концентрации реагирующих веществ на скорость химической реакции. Что касается природы реагирующих веществ, то предпочтение отдаётся тем химическим соединениям, которые реагируют более энергично по своей природе. Это позволяет увеличить выход продукта и как, следствие, дать за смену больше продукции и увеличить объём продаж. В нашей технологической линии выбор сырья однозначен. Аммиак получают из газов водорода и азота.

Сетевой администратор:

Зависимость скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ описывается основным законом химической кинетики – законом действующих масс.

Скорость химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях, равных их коэффициентам в уравнении реакции.

C_N2 и C_H2 – концентрации азота и водорода (моль/л)

k- коэффициент пропорциональности, называемый константой скорости реакции.

Технолог 1:

Для реакции N₂ + 3 H₂ = 2NH₃ этот закон выражается так: υ= k C_N2 C³ _H2

Чтобы осуществилось химическое взаимодействие между какими-то частицами, они должны эффективно столкнуться. Чем больше концентрация реагирующих веществ, тем больше столкновений и соответственно выше скорость реакции.

В колоне синтеза аммиака следят за давлением, т. к. изменение давления при участии в реакции газов приводит к изменению концентрации этих веществ. Показания регулярно находятся в норме. Выход из системы аммиака производится по режиму. Аппаратура для производства аммиака оснащена контрольно-измерительными приборами, показания, которых регистрируются на центральном компьютерном пункте управления производством. Сегодня остро стоит вопрос о приобретении манометров, приборов для измерения давления.

Финансовый директор: О выделении средств не может идти и речи. Мы снижаем затраты на производство.

Технолог 1: Без манометров не возможно представить себе наше производство. Мы должны регулярно контролировать давление и, следовательно, концентрацию. Благодаря автоматизации контроля и управления удаётся поддерживать заданный режим, повышать выход продукции и увеличивать производительность труда.

Технолог 2 : Слово сетевому администратору

Сетевой администратор:

Правило Я.Х. Вант-Гоффа :

Повышение температуры на каждые 10 С приводит к увеличению скорости реакции в 2-4 раза (эту величину называют температурным коэффициентом реакции).

Математически эта зависимость выражается соотношением:

υ_t2 = υ_t1 γ ¹⁰

υ_t2 , υ_t1 – скорости реакции соответственно при конечной t₂ и начальной t₁ температурах , γ – температурный коэффициент скорости реакции, который показывает, во сколько раз увеличивается скорость реакции с повышением температуры на каждые 10 С.

Технолог 2:

Для рассмотрения влияния на скорость химической реакции температуры и давления необходимо рассмотреть химизм процесса.

N₂ + 3H₂ = 2NH₃ + Q

Окислительно-восстановительная реакция получения аммиака идёт по типу соединения, она гетеро-каталитическая. Производство осложнено тем, что она обратимая, экзотермическая и идёт с уменьшением объёма. Следовательно, необходимо учитывать оптимальное давление и температуру. Экспериментально доказано, что для достижения максимальных значений выхода аммиака необходимо проводить процесс при температуре 450-500 С и повышенном давлении 200 атм. Доказана эффективность применения именно этих параметров с позиции выхода продукта и конструкции колоны синтеза. За исследуемый период измерительные приборы не показывали изменений в показателях. Следовательно, температура и давление были всегда в норме и не снижали скорость химической реакции, а увеличивали её.

Финансовый директор: Поддерживать такие высокие показатели температуры и давления нам дорого, да и изнашивается быстро колонна синтеза.

Технолог 2: Если снизить параметры, то будем гонять азотоводородную смесь по циклу. А что касается изнашивания, то это учтено при проектировании колонны, она изготовлена из высококачественной стали, да и поток холодной азотоводородной смеси, поступающий в колону через межтрубное пространство предохраняет корпус от чрезмерного нагревания. Это было отличное инженерное решение.

Технолог 3:Слово сетевому администратору.

Сетевой администратор:

Катализаторами называются вещества, не расходующиеся в результате протекания реакции, но влияющие на её скорость.

Явление изменения скорости реакции под действием таких веществ называется катализом.

Реакции, протекающие под действием катализаторов, называются каталитическими.

В зависимости от агрегатного состояния катализатора и реагирующих веществ различают катализ гомогенный и гетерогенный.

Технолог 3:

Рассматривая вопрос о влиянии катализаторов и поверхности реагирующих веществ, следует взять во внимание то, что реакция каталитическая и протекает между двумя газами на твёрдом катализаторе. В производстве аммиака может служить универсальный катализатор платина, но он дорогой, следовательно, сильно возрастает себестоимость продукции. В нашей промышленной установке используется дешевый железный катализатор, но для повышения его эффективности, после проведения исследований, стали применять добавки оксида калия и оксида алюминия. Это позволило значительно повлиять на повышение массовой доли выхода аммиака и скорости химической реакции.

Поверхность соприкосновения реагирующих газов с твёрдым катализатором увеличивается за счёт того, что используется гранулированный катализатор. Его засыпают в цилиндрическую коробку, диаметр которой несколько меньше, чем внутренний диаметр корпуса колоны. Азотоводородная смесь при заданном режиме проходит через слой катализатора, превращаясь в аммиак. Срок действия катализатора 5 лет. Замена катализатора была произведена в декабре 2003 года, по графику в декабре 2008 года необходима его замена.

Финансовый директор: Средств не хватает на всё. Кризис неплатежей.

Технолог 3: Через полгода это отразится на общем производстве, вызывая новую критическую ситуацию, созданную напрямую по вине технического отдела.

Главный инженер:

Таким образом, из выступлений технологов следует, что «болевыми точками» в технологической линии промышленной установки является вопрос о приобретении манометров и о замене катализатора в колонне синтеза. Оптимальные условия технологического процесса изменению не подлежат.

Отдел снабжения свидетельствует о том, что перебоев в подаче сырья и электроэнергии не было.

Отдел технического контроля документально подтверждает, что получаемый аммиак соответствует нормам по физико-химическим показателям.

Таким образом, работа технологов отлажена, её можно считать положительной. Ни на какую минимизацию производства они не соглашаются, так как это приводит к нарушению технологии. Необходимо искать экономию на других участках данной технологической линии. По результатам совещания, с целью предупреждения кризисной ситуации на предприятии, предлагаю следующее решение:

1. выделить денежные средства на замену катализатора в колонне синтеза.

2. выделить денежные средства на приобретение манометров.

3. поддерживать оптимальные условия синтеза : температуру 450-500 С и давление 200 атм.

Считаю заседание технического совета закрытым.

Итог деятельности деловой игры:

-расширены знания о скорости химической реакции и о факторах, влияющих на неё;

-выявлены «болевые точки» в технологической линии по производству аммиака;

-предложены решения с целью предупреждения кризиса на предприятии.

Рефлексивный блок.

(проводит учитель, работая с аудиторией, и делая самостоятельные выводы по результатам реализации урока)

1. подведение общих итогов:

- заседание проведено оперативно, что очень важно при большой производственной загруженности сотрудников;

- речь ведущих специалистов информативна;

-информационный блок предложен в интересной форме, в форме ролевой игры, что привлекает интерес к данному вопросу.

(вопрос о скорости реакции имеет важное значение на практике, как и условия, влияющие на неё. Вы показали умения характеризовать, выделять главное, называть основные причины, сопоставлять, аргументировано выступать.)

2) возвращение к ожидаемым результатам

(возвращаясь к ожидаемым результатам, я считаю, что мы их достигли; )

2. рефлексия и оценивание.

Ведущие специалисты:

Главный инженер – Галкин Вячеслав

Сетевой администратор – Искучеков Александр

Финансовый директор – Вагин Алексей

Технолог 1 – Чусова Алёна

Технолог 2 – Фаллер Анастасия

Технолог 3 – Лузина Ирина

Литература:

- О.С.Габриелян Химия 11 класс. Базовый уровень. 2007г. «Дрофа»

- Для создания презентации использованы средства Microsoft Office.