Wydział Chemii, Zakład Dydaktyki Chemii ul. Ingardena 3, Kraków tel./fax:

Transkrypt

1 ul. Ingardena 3, Kraków Temat lekcji : Teorie kwasów i zasad Program nauczania: DKOS /07 (lekcja 91) Liceum poziom rozszerzony Lekcja bieżąca 45 minut Uwaga: Komentarz zapisany kursywą (kolorem niebieskim) nie musi znajdowad się w standardowym konspekcie studenckim Cele dydaktycznowychowawcze: przypomnienie uczniom teorii kwasów i zasad według Arrheniusa, utrwalenie zapisu równao reakcji dysocjacji kwasów i zasad oraz nazewnictwa jonów; zapoznanie uczniów z teorią kwasów i zasad Brönsteda i Lowry ego oraz z teorią kwasów i zasad Lewisa. Cele operacyjne: Uczeo potrafi zapisad równania procesu dysocjacji kwasów i zasad oraz podad nazwy jonów powstających w wyniku tego procesu rozróżnid trzy teorie kwasowozasadowe (według Arrheniusa, Brönsteda i Lowry ego oraz Lewisa), wymienid podstawowe założenia każdej z omawianych na teorii, na podstawie odpowiednich zapisów wskazad kwasy i zasady według poznanych teorii (teorie kwasowozasadowe: Arrheniusa, Brönsteda i Lowry ego). Metody nauczania: Wiodąca słowna: pogadanka, rozwiązywanie zadao Wspomagająca oglądowa: pokaz foliogramów Środki dydaktyczne: foliogramy (foliogram nr 1 (teoria kwasów i zasad Brönsteda i Lowry ego), foliogram nr 2 (podział kwasów i zasad według teorii BrönstedaLowry ego), foliogram nr 3 (treśd zadania do rozwiązania na lekcji), kserokopie zadao na rekapitulację i zadania domowego dla każdego ucznia. Uwaga kolorem zielonym wyodrębniono notatkę do zeszytu ucznia.

2 ul. Ingardena 3, Kraków Częśd nawiązująca Kontrola wiadomości (odpytanie dwóch uczniów), mająca na celu przypomnienie uczniom znanej im teorii kwasów i zasad według Arrheniusa. 1. Podaj definicję procesu dysocjacji: 2. Zapisz równania dysocjacji kwasu chlorowodorowego i wodorotlenku strontu oraz podaj nazwy jonów powstających w wyniku tych procesów. 3. Podaj definicję kwasów według teorii Arrheniusa: 4. Zapisz równania stopniowej dysocjacji kwasu fosforowego(v) oraz podaj nazwy jonów powstających w wyniku tych procesów. W trackie odpytywania pozostali uczniowie zapisują definicje kwasów i zasad według teorii Arrheniusa. Zapisują także równania dysocjacji jonowej dla kwasu chlorowodorowego, fosforowego(v) i wodorotlenku strontu oraz piszą nazwy powstających w wyniku tych procesów jonów. Kwasy to substancje, które w roztworze wodnym dysocjują na kationy wodoru i aniony reszty kwasowej, a zasady dysocjują na kationy metalu i jednoujemne aniony wodorotlenkowe. HCl H + + Cl kwas chlorowodorowy kation wodoru anion chlorkowy Sr(OH) 2 Sr OH wodorotlenek strontu kation strontu anion wodorotlenkowy H 3 PO 4 H + + H 2 PO 4 kwas fosforowy(v) kation wodoru anion diwodorofosforanowy(v) H 2 PO 4 H HPO 4 anion diwodorofosforanowy(v) kation wodoru anion wodorofosforanowy(v)

3 ul. Ingardena 3, Kraków HPO 4 2 H + + PO 4 3 anion wodorofosforanowy(v) kation wodoru anion fosforanowy(v) Częśd postępująca: W ramach wprowadzenia do tematu i zaciekawienia uczniów nauczyciel wyjaśnia, że teoria Arrheniusa nie tłumaczy dlaczego np. NH 3 jest zasadą. Z konieczności Arrhenius zaproponował wzór NH 4 OH dla roztworu amoniaku w wodzie (potrzebny był jon OH ). W rezultacie doprowadziło to do nieporozumienia, gdyż rzeczywistą zasadą nie jest NH 4 OH, a NH 3! Już w 1896 r. stwierdzono, że właściwości zasadowe ujawniają się także w takich rozpuszczalnikach jak anilina, gdzie nie mogą występować jony OH. Po tym zagajeniu wskazany uczeo zapisuje na tablicy równanie reakcji amoniaku z wodą: + NH 3 + H 2 O = NH 4 + OH amoniak kation amonowy anion wodorotlenkowy Nauczyciel wyjaśnia że nie wszystkie doświadczalnie poznane właściwości kwasowozasadowe da się wyjaśnić teorią Arrheniusa i na tle foliogramu wyjaśnia istotę teorii Brönsteda Lowry ego Prezentacja foliogramu nr 1. Teoria kwasów i zasad Brönsteda Lowry ego.

4 ul. Ingardena 3, Kraków Teoria kwasów i zasad BrönstedaLowry ego: Reakcja kwas zasada polega na przeniesieniu (transferze) protonu od kwasu do zasady (reakcja protolityczna). Kwasami są indywidua chemiczne zdolne do oddania protonu, a zasadami te, które mogą przyłączyć proton. Te ogólne stwierdzenia dotyczące teorii kwasów i zasad BrönstedaLowry ego nauczyciel rozwija na przykładzie zapisanego wcześniej równania reakcji amoniaku z wodą. Amoniak ma zdolność przyłączania protonu jest więc zasadą; woda oddaje proton, pełni więc w tej reakcji funkcję kwasu; jon amonowy może oddać proton, przechodząc w NH 3, pełni więc funkcję kwasu; jon wodorotlenkowy może przyłączyć jeden proton, tworząc cząsteczkę wody jest więc zasadą. H 2 O + NH 3 = NH OH kwas1 zasada2 kwas2 zasada1 Zasada NH 3 jest sprzężona z kwasem NH + 4. Zasada OH jest sprzężona z kwasem H 2 O. H 2 O jest kwasem, ponieważ ma proton zdolny do przeniesienia. NH 3 jest zasadą ponieważ wiąże proton tracony przez kwas. Ale także: NH + 4 jest kwasem, ponieważ może oddać proton, OH jest zasadą, ponieważ może ten proton przyłączyć. Ten problem szczegółowy zostaje uogólniony, a uczniowie zapisują to uogólnienie w formie notatki: Zapis ogólny: Równowaga kwasowozasadowa: kwas1 + zasada2 = kwas2 + zasada1 kwas + zasada = kwas sprzężony + zasada sprzężona

5 ul. Ingardena 3, Kraków Po tym uogólnieniu uczniowie wskazują sprzężone pary kwasów i zasad w kolejnych przykładach zapisanych na tablicy, a nauczyciel w odpowiednim momencie wyjaśnia, że: kwasem i zasadą według teorii BrönstedaLowry ego mogą być też jony oraz, że woda może występować zarówno w roli kwasu jak i zasady (ulega procesowi autodysocjacji) podobnie jest w przypadku amoniaku. HNO 3 + H 2 O = H 3 O + + NO 3 kwas1 zasada2 kwas2 zasada1 Kwas HNO 3 jest sprzężony z zasadą NO 3, a zasada H 2 O jest sprzężona z kwasem H 3 O +. HSO 4 + H 2 O = SO H 3 O + kwas1 zasada2 zasada1 kwas2 Kwas HSO 4 jest sprzężony z zasadą SO 2 4, a zasada H 2 O jest sprzężona z kwasem H 3 O +. SO H 2 O = HSO 4 + OH zasada1 kwas2 kwas1 zasada2 Zasada SO 4 2 jest sprzężona z kwasem HSO 4, a kwas H 2 O jest sprzężony z zasadą OH. Woda i amoniak ulegają procesowi autodysocjacji: H 2 O + H 2 O = H 3 O + + OH kwas1 zasada2 kwas2 zasada1 NH 3 + NH 3 = NH NH 2 kwas1 zasada2 kwas2 zasada1 W kolejnej fazie lekcji nauczyciel prezentuje foliogram nr 2 (podział kwasów i zasad według teorii BrönstedaLowry ego) i podsumowuje, że kwasami i zasadami mogą być zarówno cząsteczki obojętne jak również jony.

6 ul. Ingardena 3, Kraków Foliogram nr 2 Kwasami (zasadami) mogą być zarówno cząsteczki obojętne jak również jony. W zależności od warunków ta sama substancja może pełnić rolę kwasu lub zasady. Kolejny etap ma za zadanie sprawdzenie stopnia przyswojenia wiedzy i ma charakter rekapitulacji śródlekcyjnej. Na foliogramie zostaje przedstawiona treść zadania które uczniowie rozwiązują przy tablicy. Foliogram nr 3 Podane jony lub cząsteczki podziel na kwasy i zasady według teorii BrönstedaLowry ego: S 2, CH 3 COO, H +, H 2 SO 4, CO 2 3, NH + 4, H 3 O +. Swój wybór uzasadnij odpowiednimi równaniami reakcji z wodą. Wskaż sprzężone ze sobą pary kwas zasada. 1. Kwasy: H 2 SO 4, NH + 4, H 3 O + Równania reakcji: H 2 SO 4 + H 2 O = HSO 4 + H 3 O + H 2 SO 4 (kwas) HSO 4 (sprzężona zasada)

7 ul. Ingardena 3, Kraków H 2 O + NH 4 + = NH 3 + H 3 O + NH 4 + (kwas) NH 3 (sprzężona zasada) H 3 O + + H 2 O = H 2 O + H 3 O + H 3 O + (kwas) H 2 O (sprzężona zasada) 2. Zasady: S 2, CH 3 COO 2, CO 3 Równania reakcji: S 2 + H 2 O = HS + OH S 2 (zasada) HS (sprzężony kwas) H 2 O (kwas) OH (sprzężona zasada) CH 3 COO + H 2 O = CH 3 COOH + OH CH 3 COO (zasada) CH 3 COOH (sprzężony kwas) H 2 O (kwas) OH (sprzężona zasada) CO H 2 O = HCO 3 + OH CO 3 2 (zasada) HCO 3 (sprzężony kwas) H 2 O (kwas) OH (sprzężona zasada) Ostatnim punktem części postępującej jest pogadanka nauczyciela wprowadzająca teorię kwasów i zasad Lewisa. Kwasem jest każdy akceptor pary elektronowej, a zasadą donor pary elektronowej. Każdy kwas według teorii Lowry egobrönsteda jest zarazem kwasem Lewisa, to samo dotyczy zasad. Teoria Lewisa rozszerza jednak pojęcie kwasu i zasady na związki, których poprzednie teorie nie uwzględniały, np. cząsteczki nie zawierające protonów: BF 3, SO 3,

8 ul. Ingardena 3, Kraków AlCl 3. Mogą one tworzyć połączenia z donorami par elektronowych: H 2 O, NH 3, anionami reszt kwasowych. Reakcja kwasowozasadowa polega na dołączeniu określonego indywiduum chemicznego wraz z parą elektronową, w wyniku czego tworzy się nowe wiązanie. Atom, cząsteczka lub jon dostarczający parę elektronową (donor pary elektronowej) to zasada, a atom, cząsteczka lub jon przyjmujący parę elektronową (akceptor) to kwas. H + + :OH = HOH kwas zasada F 3 B + :NH 3 = F 3 B NH 3 kwas H 2 zasada : + HCl *H 2 O HCl+ zasada kwas Rekapitulacja: Uczniowie otrzymują na kartkach zadania. Uczeń, który poprawnie rozwiąże je jako pierwszy, zapisuje odpowiednie równania reakcji na tablicy i otrzymuje plus (ocenę za aktywność). 1. Dla poniższych zasad według BrönstedaLowry ego podaj wzory kwasów z nimi sprzężonych: a) ClO b) HS c) CN d) CH 3 COO e) OH Rozwiązanie: a) HClO, b) H 2 S, c) HCN, d) CH 3 COOH, e) H 2 O 2. Na podstawie podanych niżej równań reakcji, określ, które z substancji są kwasami, a które zasadami według teorii BrönstedaLowry ego. Równanie reakcji kwas zasada HCl + H 2 O = H 3 O + + Cl HCl H 3 O + H 2 O Cl

9 ul. Ingardena 3, Kraków NH OH + = NH 3 + H 2 O NH 4 H 2 O OH NH 3 2 SO 4 + H 3 O + = H 2 O + HSO 4 H 3 O + HSO 4 SO 4 2 H 2 O H 3 O + + OH = H 2 O + H 2 O H 3 O + H 2 O OH H 2 O NH NH 2 = NH 3 + NH 3 + NH 4 NH 3 NH 2 NH 3 HBr + H 2 O = H 3 O + + Br HBr H 3 O + H 2 O Br Zadanie domowe: Celem zadania jest wyćwiczenie umiejętności wskazywania i rozróżniania kwasów i zasad według nowo poznanych teorii (teorie kwasowozasadowe: Brönsteda i Lowry ego oraz Lewisa). 1. Jaką rolę według teorii BrönstedaLowry ego pełni jon H 2 PO 4 w reakcji: H 2 PO 4 + H 2 O HPO H 3 O + Odpowiedź uzasadnij. Rozwiązanie: Jon H 2 PO 4 pełni w tym równaniu reakcji rolę kwasu, ponieważ ma proton zdolny do oddania. 2. Wypisz, które spośród substancji wymienionych poniżej mogą występować zarówno jako kwas i jako zasada BrönstedaLowry ego. Swój wybór uzasadnij odpowiednimi równaniami reakcji oraz podaj odpowiednio sprzężony kwas lub zasadę. NaOH, HCO 3, NH + 4, NH 3, HS, HI, CN, [Cu(NH 3 ) 4 ] 2+ 2, HBO 3 Rozwiązanie: HCO 3, NH 3, HS, HBO 2 3, HCO 3 + H 2 O = H 2 CO 3 + OH HCO 3 (zasada) H 2 CO 3 (sprzężony kwas) H 2 O (kwas) OH (sprzężona zasada) HCO 3 + H 2 O = CO H 3 O + HCO 3 (kwas) CO 2 3 (sprzężona zasada)

10 ul. Ingardena 3, Kraków NH 3 + NH 3 = NH NH 2 NH 3 (kwas) NH 2 (sprzężona zasada) NH 3 (zasada) NH + 4 (sprzężony kwas) HS + H 2 O = H 2 S + OH HS (zasada) H 2 S (sprzężony kwas) H 2 O (kwas) OH (sprzężona zasada) HS + H 2 O = S 2 + H 3 O + HS (kwas) S 2 (sprzężona zasada) 2 HBO 3 + H 2 O = H 2 BO 3 + OH 2 HBO 3 (zasada) H 2 BO 3 (sprzężony kwas) H 2 O (kwas) OH (sprzężona zasada) 2 HBO 3 + H 2 O = BO H 3 O + HBO (kwas) BO 3 (sprzężona zasada) 3. W podanych równaniach reakcji zaznacz kwas i zasadę Lewisa: a) Ag + + 2NH 3 = [Ag(NH 3 ) 2 ] + b) BF 3 + F = BF 4 c) H 2 O + H + = H 3 O + Rozwiązanie: a) Ag + + 2NH 3 = [Ag(NH 3 ) 2 ] + kwas zasada b) BF 3 + F = BF 4 kwas zasada c) H 2 O + H + = H 3 O + zasada kwas