''Szybciej, łatwiej, wydajniej, taniej - czyli kataliza w chemii'' (''Chemia w szkole'' 6-2007 r.).pdf - 'Chemia w szkole' i inne artykuły - zoologic

Metodyka i praktyka szkolna

Szybciej, łatwiej, wydajniej,

taniej –czyli kataliza w chemii

Scenariusz lekcji chemii w liceum

ROMUALD PIOSIK, ELŻBIETA KOWALIK

trzecich klas liceum ogólnokształcące-

go, o profilu biologiczno-chemicznym,

realizującej program chemii w zakresie roz-

szerzonym. Merytorycznie powiązany jest

z działem „Kinetyka i równowaga chemicz-

na”. Pozwala nauczycielowi chemii odnieść

się do problematyki znanej uczniom z życia

codziennego oraz zgłębianej na lekcjach

biologii. Uczniowie, wykonując doświadcze-

nia według instrukcji pisemnej, doskonalą

następujące umiejętności:

1. posługiwanie się pojęciami takimi jak:

kataliza (heterogeniczna, homogeniczna,

kwasowo-zasadowa, autokataliza, bioka-

taliza), katalizator, kontakt, centrum ak-

tywne, kompleks aktywny, inhibitor;

2. interpretowanie mechanizmu reakcji

katalitycznych;

3. klasyfikowanie katalizatorów na podsta-

wie mechanizmu ich działania;

4. wyjaśnianie wpływu katalizatorów na

przebieg procesów chemicznych oraz

biochemicznych;

5. wyjaśnianie znaczenia katalizy w zmniej-

szaniu zagrożeń dla środowiska natural-

nego;

6. dostrzeganie i interpretowanie zależno-

ści przyczynowo – skutkowych.

Cel ogólny tak przeprowadzonych zajęć

można sformułować następująco: udowod-

nienie młodzieży, że kataliza jest wszechobec-

na w naszym życiu, a jej zastosowania w prze-

myśle chemicznym są nadzieją na całkowite

wyeliminowanie „brudnych technologii”.

Scenariusz przewidziany jest na dwie go-

dziny lekcyjne, połączone w jedną jednostkę

metodyczną. Najważniejszym członem sce-

nariusza są opisy doświadczeń chemicznych,

możliwych do wykonania w szkolnej pra-

cowni chemicznej. Zestaw obejmuje dwa

pokazy oraz 7 doświadczeń uczniowskich,

wykonywanych w grupach 4–5 osobowych.

Uczniowie mają do dyspozycji:

karty pracy, opisy wykonywanych na lek-

cji doświadczeń,

odpowiednie odczynniki i sprzęt labora-

toryjny.

1. Część organizacyjna

Zaproponowane w scenariuszu do-

świadczenia ułożone są w sekwencje tema-

tyczne. Nauczyciel sam może zadecydować,

czy skorzysta z wszystkich, czy dokona pew-

nego wyboru. Najkorzystniejsze byłoby

rozwiązanie, w którym każda grupa

uczniów wykonywałaby zaproponowane

doświadczenia w sposób rotacyjny, gwaran-

tujący zetknięcie się z wybranymi aspekta-

mi katalizy. W tym celu przed lekcją przy-

gotowujemy siedem stanowisk. Przy

każdym stanowisku pracować będzie czte-

rech–pięciu uczniów (razem około trzy-

dziestu). Na każdym stoliku znajduje się

kilka probówek, mała zlewka, palnik gazo-

wy lub spirytusowy, łapka do probówek,

okulary ochronne. Do wspólnego użytku:

woda destylowana.

Odczynniki chemiczne:

Glukoza, błękit metylenowy, kwas siarko-

wy(VI), kwas solny, jodek potasu, siar-

czan(VI) miedzi(II), siarczan(VI) manga-

nu(II), zasada sodowa, skrobia, suszone

6/2007

S cenariusz powstał z myślą o młodzieży

Metodyka i praktyka szkolna

drożdże, kawałek surowego ziemniaka, woda

wapienna, winian sodowo potasowy, nadtle-

nek wodoru (w postaci wody utlenionej oraz

perhydrolu), siarczan(VI) żelaza(II), szcza-

wian sodu, manganian(VII) potasu, tlenek

manganu(IV), azotan(V) kobaltu(II), kostki

cukru, glukoza, mąka, woda wapienna,, drut

miedziany, benzyna, azotan(V) srebra(I),

woda amoniakalna, wodorotlenek sodu.

reakcji bez katalizatora i w jego obecności

wyjaśniają znaczenie terminów:

–kompleks aktywny,

–bariera energetyczna,

– regeneracja katalizatora.

3. Część doświadczalna

Doświadczenie 1. Rozkład nadtlenku

wodoru w obecności jonów żelaza – ka-

taliza homogeniczna

Do dwóch probówek wlewamy po 5 cm 3

wody utlenionej (3% roztworu nadtlenku

wodoru), po czym do jednej z nich wkra-

plamy 1 cm 3 1 mol/dm 3 roztworu siarcza-

nu(VI) żelaza(II). Umieszczamy u wylotu

probówki tlące się łuczywo. Obserwujemy

zmiany, zachodzące w obu probówkach.

Sprzęt:

Zlewki, probówki, butelka lub kolba pła-

skodennaopojemności 1 dm 3 , stoper, kol-

by okrągłodenne, kolby stożkowe, łaźnia

wodna, pipeta z nasadką, szczypce metalo-

we, palnik spirytusowy.

2. Część wprowadzająca

a) Uczniowie wymieniają przykłady zasto-

sowania katalizatorów, znane z techniki,

biologii, życia codziennego. Podawane

informacje rejestrują na tablicy w formie

odpowiedniego asocjogramu (Rys. 1).

b) Uczniowie próbują samodzielnie sfor-

mułować definicję katalizy i katalizatora.

c) Pracując w grupach nad przygotowany-

mi krótkimi tekstami wyjaśniają nastę-

pujące pojęcia (każda grupa jedno):

–kataliza heterogeniczna,

–kataliza homogeniczna,

–autokataliza,

–biokataliza.

d) Korzystając z wykresu przedstawiającego

zmiany energetyczne, zachodzące podczas

Spodziewane obserwacje i wnioski:

W roztworze nadtlenku wodoru w tem-

peraturze pokojowej nie zachodzą zmiany.

Po dodaniu jonów Fe 2+ roztwór pieni się

ponieważ zachodzi wydzielanie się gazu.

Gazem tym jest tlen. Reakcja rozkładu

nadtlenku wodoru pod wpływem jonów

Fe 2+ zachodzi dwuetapowo:

H 2 O 2 ( aq ) + 2Fe 2+ ( aq ) + 2H + ( aq )

2Fe 3+ ( aq ) + 2H 2 O (etap 1)

H 2 O 2 ( aq ) + 2Fe 3+ ( aq )

2Fe 2+ ( aq ) + O 2

Rys. 1.

Chemia w Szkole

+ 2H + ( aq )

(etap 2)

Metodyka i praktyka szkolna

Wdrugim etapie tej reakcji katalizator

odtwarza się. W postaci sumarycznej, prze-

bieg procesu można zapisać następującym

równaniem reakcji:

2H 2 O 2

O 2 + 2H 2 O

Doświadczenie 3. Tajemnica „niebie-

skiej butelki” – kataliza homogeniczna

Napełniamy butelkę lub kolbę płasko-

denną o pojemności 1 dm 3 do połowy wo-

dą destylowaną, wsypujemy do niej 5g sta-

łego wodorotlenku sodu i całość starannie

mieszamy, aż do uzyskania jednolitego roz-

tworu. Rozpuszczamy w uzyskanym roz-

tworze 10 g glukozy i dodajemy 2–5 cm 3

błękitu metylenowego. Otrzymany roztwór

mieszamy starannie aż do uzyskania bez-

barwnego, klarownego roztworu. Następ-

nie zamykamy butelkę korkiem i wstrząsa-

my jej zawartość, aż do pojawienia się

barwy niebieskiej. Po odstawieniu butelki

barwa roztworu zanika, a po ponownym jej

wstrząśnięciu – powraca. Czynność tę mo-

żemy powtórzyć kilkakrotnie.

Doświadczenie 2. Rozkład nadtlenku

wodoru w obecności katalazy – kataliza

heterogeniczna

Uwaga: Podczas wykonywania doświad-

czenia należy założyć okulary ochronne!

Do pierwszej probówki, zawierającej kil-

ka cm 3 wody utlenionej (3% roztworu wod-

nego nadtlenku wodoru) dodajemy szczyp-

tę suchych drożdży. Do drugiej probówki

zkilkoma cm 3 wody utlenionej dodajemy

nieco surowego, utartego ziemniaka. Do

wylotu obu probówek wprowadzamy roz-

żarzone łuczywo.

Spodziewane obserwacje i wnioski:

Trwała na powietrzu glukoza, w obecno-

ści błękitu metylenowego zostaje utleniona

do kwasu glukonowego. Sam błękit metyle-

nowy w środowisku zasadowym tworzy

bezbarwny związek, zwany błękitem leuko-

metylenowym oraz rodnik tlenowy, powo-

dujący utlenienie glukozy. Pod wpływem

tlenu (z powietrza) forma leuko- (bezbarw-

na) przemienia się w błękit metylenowy

(niebieski). Proces ten prawdopodobnie

można opisać następującymi równaniami

chemicznymi [1]:

(1) [błękit metylenowy] + + OH –

niebieski

błękit leukometylenowy + ·O·

bezbarwny rodnik tlenowy

Spodziewane obserwacje i wnioski:

W obu probówkach następuje intensyw-

ne wydzielanie się gazu, podtrzymującego

palenie. Gazem tym jest tlen, produkt roz-

kładu nadtlenku wodoru. Suche drożdże

oraz surowe ziemniaki zawierają enzym ka-

talazę, który jest katalizatorem w przepro-

wadzonym doświadczeniu.

katalaza

2H 2 O + O 2

Katalaza pod wpływem wysokiej tempe-

ratury ulega rozkładowi, dlatego dodanie

do wody utlenionej kawałka ugotowanego

ziemniaka dałoby próbę negatywną.

Katalaza jest enzymem z grupy oksydo-

reduktaz, katalizującym w żywych komór-

kach proces rozkładu nadtlenku wodoru,

będącego niepożądanym produktem po-

średnim w cyklach metabolitycznych.

Otrzymana po raz pierwszy w postaci kry-

stalicznej w 1937 roku przez J.B. S UMNE -

RA . Znaczne jej ilości występują w komór-

kach zwierzęcych, np. w wątrobie, nerce,

leukocytach i erytrocytach (krwinkach

czerwonych), w bakteriach tlenowych oraz

wperoksysomach komórek roślinnych fo-

tosyntezujących.

(2) D-glukoza + ·O·

kwas D-glukonowy

(3) 2 błękit leukometylenowy + O 2

bezbarwny

2[błękit metylenowy] + + 2OH –

niebieski

Katalizatorem w tej reakcji jest błękit

metylenowy, odtwarzający się w reakcji (3).

Dodatkowe informacje:

Doświadczenie z błękitem metyleno-

wym miało istotne znaczenie w odkryciu

6/2007

2H 2 O 2

Metodyka i praktyka szkolna

przez R OBERTA K OCHA w roku 1882 zaraz-

ków gruźlicy. Jeden z uczniów R. K OCHA ,

P AUL E HRLICH zabarwiał w ten sposób ich

komórki.

Spodziewane obserwacje i wnioski:

Aniony winianowe reagują z nadtlen-

kiem wodoru w temperaturze 40°C bardzo

wolno. W wyniku reakcji powstaje gaz, wy-

wołujący zmętnienie wody wapiennej – tzn.

tlenek węgla(IV). Przebieg reakcji można

wyrazić równaniem:

C 4 H 4 O 6 2– + 5H 2 O 2

6H 2 O + 2HCO 3 – + 2CO 2

Doświadczenie 4. Wykrywanie pro-

duktów pośrednich podczas katalitycz-

nego utleniania anionów winianowych

(anionów kwasu 2,3-dihydroksybutano-

diowego)

Wskazówki metodyczne: Jedna część

uczniów wykonuje wariant (1), a druga

część wariant (2). Po wykonaniu całości

uczniowie dzielą się spostrzeżeniami i wnio-

skami na forum klasy.

Wprowadzenie do układu azotanu(V)

kobaltu(II) powoduje znaczne przyspiesze-

nie reakcji – tlenek węgla(IV) wydziela się

gwałtownie. Dodatkowym efektem jest

zmiana barwy mieszaniny z różowej

na ciemnozieloną, spowodowana utworze-

niem kompleksu przejściowego. Po zakoń-

czeniu reakcji kompleks ulega rozkładowi

i roztwór ponownie przybiera barwę różo-

wą 1 . Proces ten można przedstawić odpo-

wiednim diagramem (rys. 2).

Wariant 1.

Do kolby okrągłodennej o pojemności

250 cm 3 wlewamy 50 cm 3 wody i doda-

jemy 3 g winianu sodowo-potasowego

KOOC–(CHOH) 2 –COONa. Po wymiesza-

niu składników podgrzewamy kolbę na łaź-

ni wodnej do temperatury 40°C. Do tak

przygotowanego roztworu wlewamy 20 cm 3

20% roztworu nadtlenku wodoru, zamyka-

my kolbę korkiem z rurką odprowadzającą,

której koniec zanurzamy w probówce z wo-

dą wapienną. Za pomocą stopera określa-

my czas pojawienia się zmętnienia.

Wariant 2.

Do kolby okrągłodennej o pojemności

250 cm 3 wlewamy 50 cm 3 wody oraz doda-

jemy 3 g winianu sodowo-potasowego

KOOC–(CHOH) 2 –COONa. Po wymie-

szaniu składników podgrzewamy kolbę

nałaźni wodnej do temperatury 40°C.

Do tak przygotowanego roztworu wlewa-

my 20 cm 3 20% roztworu nadtlenku wodo-

ru, dodajemy 0,2 g azotanu(V) kobal-

tu(II). Zamykamy kolbę korkiem z rurką

odprowadzającą, której koniec zanurzamy

w probówce z wodą wapienną. Za pomocą

stopera określamy czas pojawienia się

zmętnienia.

Rys. 2. Wykres zmian energii podczas katalitycznego

utleniania jonów winianowych

Doświadczenie 5. Utlenianie kwasu

szczawiowego (etanodiowego (COOH) 2 )

– autokataliza

Wlewamy po 10 cm 3 0,25 mol/dm 3 roz-

tworu szczawianu sodu (przygotowanego

1 Sole kobaltu(II) mają w roztworach wodnych charakterystyczną barwę różową, pochodzącą od uwodnionego jonu

[Co(H 2 O) 6 ] 2+ .

Chemia w Szkole

Metodyka i praktyka szkolna

przed lekcją) do dwóch kolb stożkowych

opojemności 250 cm 3 idokażdego z nich

dodajemy ostrożnie! po 2 cm 3 stężonego

kwasu siarkowego(VI). Do tak uzyskanych

roztworów dodajemy jednocześnie po kilka

kropli 0,1 mol/dm 3 roztworu mangania-

nu(VII) potasu. Czekamy, aż obydwa roz-

twory ulegną odbarwieniu. Dodajemy po-

nownie do obu roztworów po dwie krople

roztworu KMnO 4 ,natomiast do jednej

z kolb dodajemy dodatkowo kilka kropli

1 mol/dm 3 roztworu siarczanu(VI) manga-

nu(II), a następnie odmierzamy stoperem

czas, potrzebny do odbarwienia obu roz-

tworów.

mieniem. Składniki popiołu papierosowe-

go spełniają rolę katalizatora w tej reakcji.

Doświadczenie 7. Fermentacja alko-

holowa

Przygotowujemy dwie kolby stożkowe

opojemności 100 cm 3 (można też wykorzy-

stać dwie małe, szklane butelki po produk-

tach spożywczych). Do obu naczyń wsypu-

jemy mieszaninę sporządzoną z: 20 g mąki,

2g glukozy (cukru gronowego) oraz 5 cm 3

wody. Do jednej mieszaniny dodajemy 3 g

drożdży, całość dobrze mieszamy, zamyka-

my naczynie tamponem z waty i odstawia-

my na kilkanaście minut w temperaturze

pokojowej. Umieszczamy nad otworem na-

czynia bagietkę, zwilżoną wodą wapienną.

Spodziewane obserwacje i wnioski:

Kwas szczawiowy, powstały w reakcji

kwasu siarkowego ze szczawianem sodu,

po dodaniu roztworu manganianu(VII)

potasu w środowisku kwaśnym ulega utle-

nieniu w myśl równania reakcji:

5HOOC–COOH + 2MnO 4 – + 6H 3 O +

2Mn 2+ + 10CO 2 + 14H 2 O

Spodziewane obserwacje i wnioski:

Tylko w naczyniu z drożdżami obserwu-

jemy intensywne wydzielanie się gazu, po-

wodującego zmętnienie wody wapiennej.

Tampon z waty, zamykający to naczynie

ma zapach etanolu. Pod wpływem zymazy,

czyli występującego w drożdżach zespołu

enzymów katalizujących fermentację alko-

holową, zachodzi beztlenowa reakcja bio-

chemiczna, polegająca na utlenieniu gluko-

zy z utworzeniem etanolu oraz tlenku

węgla(IV).

W układzie następuje autokataliza , po-

nieważ reakcja ta jest katalizowana przez

powstające w wyniku redukcji w środowi-

sku kwasowym jony Mn 2+ . Jest to kataliza,

w której katalizatorem jest jeden z produk-

tów reakcji. Dodanie do układu roztworu,

zawierającego jony Mn 2+ znacznie przy-

spieszyło proces utlenienia kwasu szcza-

wiowego.

zymaza

C 6 H 12 O 6 2C 2 H 5 OH + 2CO 2

Fermentacja zachodząca w organizmach

żywych polega na enzymatycznym rozkła-

dzie związków organicznych bez udziału

tlenu. Jej produktami są inne, prostsze

związki organiczne oraz niewielkie ilości

energii. Charakter tych związków zależy

od wyposażenia enzymatycznego komórek.

Doświadczenie 6. Paląca się kostka

cukru

Ujmujemy w metalowe szczypce kostkę

cukru i próbujemy ją zapalić w płomieniu

palnika spirytusowego. Powtarzamy tę pró-

bę, ale tym razem wprowadzamy do pło-

mienia palnika kostkę cukru, posypaną

niewielką ilością popiołu papierosowego.

Doświadczenie 8. Nocna lampka bez

płomienia (Pokaz)

Cienką bagietkę szklaną owijamy czy-

stym drucikiem miedzianym tworząc opaskę

w kształcie spirali i przymocowujemy

do knota palnika spirytusowego. Knot wraz

ze spiralą ustawiamy pionowo, przy czym

odstępy między zwojami spirali powinny wy-

nosić około 1 mm. Napełniamy palnik spiry-

Spodziewane obserwacje i wnioski:

W pierwszej próbie cukier topi się, ule-

ga karmelizacji i nie zapala się. Cukier po-

sypany popiołem spala się niebieskim pło-

6/2007

''Szybciej, łatwiej, wydajniej, taniej - czyli kataliza w chemii'' (''Chemia w szkole'' 6-2007 r.).pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: