ul. Ingardena 3, 30060 Kraków Temat lekcji : Teorie kwasów i zasad Program nauczania: DKOS 5002 12/07 (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.
ul. Ingardena 3, 30060 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 2+ + 2OH 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 + 2 + HPO 4 anion diwodorofosforanowy(v) kation wodoru anion wodorofosforanowy(v)
ul. Ingardena 3, 30060 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.
ul. Ingardena 3, 30060 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 4 + + 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
ul. Ingardena 3, 30060 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 2 4 + 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 2 4 + 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 4 + + 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.
ul. Ingardena 3, 30060 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)
ul. Ingardena 3, 30060 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 3 2 + 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,
ul. Ingardena 3, 30060 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
ul. Ingardena 3, 30060 Kraków NH + 4 + 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 + 4 + 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 4 2 + 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 2 3 + H 3 O + HCO 3 (kwas) CO 2 3 (sprzężona zasada)
ul. Ingardena 3, 30060 Kraków NH 3 + NH 3 = NH + 4 + 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 3 3 + H 3 O + HBO 2 3 3 (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