Скорость химической реакции
и ее зависимость от различных факторов

Урок с использованием информационных технологий

Химии ни в коем случае научиться невозможно,
не видя самой практики и не берясь за химические операции.
М.В.Ломоносов

Перестройка высшего и среднего специального образования в стране, школьная реформа предусматривают дальнейшее совершенствование форм, методов и средств обучения, использование разнообразных технологий, в том числе личностно ориентированного обучения (ЛОО), проблемно-поисковых и компьютерных технологий.

Мы, педагоги, тоже перестраиваемся. Я в своей работе стараюсь постоянно использовать новые разработки, современные образовательные технологии.

В последнее время появилось много материалов на компьютерных дисках. Их можно применять в разработке рефератов, написании курсовых работ, при самостоятельной работе учащихся. Мне информационные технологии позволяют быстро организовать обучение и проверку знаний, составлять адаптивные программы и применять их в обучении химии.

Kомпьютерная техника и использование компьютерных технологий сегодня выступают не только как средство автоматизации всех процессов обучения, но и как инструмент резкого повышения эффективности интеллектуальной деятельности учащихся.

Kомпьютерные технологии на своих уроках я использую с разной целью:

• решение задач, количественные расчеты, обработка данных (по предложенному алгоритму);

• осуществление самоконтроля и стандартизированный контроль знаний по содержанию учебной информации (тестовые, контрольные дифференцированные задания, карты и другие опросники);

• автоматизация химического эксперимента, соединение с оптической аппаратурой (проекции опытов на экран);

• получение необходимых справочных данных, составление контрольных, дифференцированных работ, анализ типичных ошибок учащихся (автоматизированные системы управления и информационные банки);

• самостоятельная работа учащихся по разработке рефератов и курсовых работ, работа с материалом, выполнение проверочных работ (получая результат, осуществлять самоконтроль).

Предложенный урок из раздела «Химическая кинетика» соответствует программе учебника «Химия-10» авторов Л.С.Гузея и Р.П.Суровцевой. Изучению этой темы предшествует изучение термодинамики реакций. Предложенный материал соответствует не обязательному минимуму содержания, а прежде всего профильному уровню обучения.

На уроке используется групповая работа, дифференцированный подход, развивающие и проблемно-поисковые технологии, а самое главное – компьютерные технологии для проведения демонстрационного эксперимента, что позволяет наглядно понять, что такое скорость химической реакции и как она зависит от различных факторов.

Цели урока. Актуализировать и углубить знания о скорости химической реакции; используя работу в группах, рассмотреть и изучить зависимость скорости химической реакции от различных факторов: природы реагирующих веществ, площади поверхности соприкосновения веществ, температуры, катализатора; используя компьютерный измерительный блок, наглядно продемонстрировать, что такое скорость химической реакции и как она зависит от концентрации реагирующих веществ.

Девиз урока. «Существует лишь то, что можно измерить» (М.Планк).

Оформление класса. Учитель заранее сообщает тему предстоящего урока, делит класс на четыре творческие группы по 5–6 человек, приблизительно одинаковые по способностям. На предыдущем уроке ученики получают домашнее задание – подготовить сообщения о практическом применении уравнения Аррениуса и о видах катализа.

Оборудование и реактивы. Н а  с т о л а х  у ч е н и к о в – учебники, тетради, таблицы, лабораторные листы, штативы с пробирками;

Творческие группы учащихся

группа 1: цинк в гранулах, магниевая лента, раствор соляной кислоты;

группа 2: стеклянная палочка; железные опилки, железный гвоздь, раствор хлорида меди(II);

группа 3: пипетка, пробиркодержатель, спиртовка, спички; оксид меди(II), раствор серной кислоты;

группа 4 (выполняет демонстрационный опыт на демонстрационном столе): компьютер с измерительным блоком, датчик оптической плотности при длине волны 525 нм, кювета, магнитная мешалка, шприц на 10 мл, мерный цилиндр на 100 мл; растворы йодида калия KI 1М, персульфата калия K₂S₂O₈ 0,1М, дистиллированная вода.

Все записи по ходу урока учащиеся выполняют в своих тетрадях.

ХОД УРОКА

Мотивация важности выбранной темы

Учитель начинает объяснение материала с примеров химических реакций, протекающих с различной скоростью. Примеры реакций могут приводить учащиеся.

Химические реакции протекают с различными скоростями. Одни идут медленно, месяцами, как, например, коррозия железа или ферментация (брожение) виноградного сока, в результате которой получается вино. Другие завершаются за несколько недель, как спиртовое брожение глюкозы. Третьи заканчиваются очень быстро, например осаждение нерастворимых солей, а некоторые протекают мгновенно, например взрывы.

Практически мгновенно, очень быстро идут многие реакции в водных растворах:

• смешаем водные растворы Na₂CO₃ и CaCl_2, продукт реакции CaCO₃ – нерастворим в воде, образуется немедленно;

• к щелочному раствору фенолфталеина добавим избыток кислоты, раствор обесцвечивается мгновенно. Это означает, что реакция нейтрализации, реакция превращения окрашенной формы индикатора в бесцветную идут очень быстро.

Медленно образуется ржавчина на железных предметах. На медных и бронзовых предметах медленно образуются продукты коррозии черно-коричневого или зеленоватого цвета (патина). Скорость всех этих процессов разная.

Актуализация представлений
о скорости химических реакций

Химические реакции – одно из важнейших понятий химии. Для их понимания и грамотного использования в учебном процессе учителю необходимо знать и уметь объяснить основные характеристики любой химической реакции: тепловой эффект, равновесие, скорость. Химическая термодинамика дает возможность предсказать, в каком направлении может самопроизвольно протекать та или иная химическая реакция, но одна химическая термодинамика не дает ответа на вопрос о том, как и с какой скоростью будет протекать реакция. Понятие о скорости химической реакции – одно из основных в химической кинетике.

Для изучения нового материала учащиеся используют необходимые знания о скорости химической реакции, проходит этап актуализации знаний. Но это понятие углубляется понятиями скорости гомогенных и гетерогенных реакций, энергией активации, вводится уравнение Аррениуса – это зона ближайшего развития учащихся (см. приложение № 1 «Структура проблемно-поисковой деятельности учителя и учащихся…»).

Что понимают под скоростью реакции? Kак ее можно измерить и изменить? Ответить на эти вопросы поможет наука, изучающая закономерности протекания реакций во времени, – химическая кинетика.

Напомним основные понятия и закономерности, используемые в кинетике (отвечают ученики и дополняет учитель).

Химическая кинетика – это раздел химии, задача которого – объяснение качественных и количественных изменений химических процессов, происходящих во времени. Обычно эту общую задачу подразделяют на две, более конкретные:

1) выявление механизма реакции – установление элементарных стадий процесса и последовательности их протекания (качественные изменения);

2) количественное описание химической реакции – установление строгих соотношений, которые позволяют рассчитывать изменения количеств исходных реагентов и продуктов по мере протекания реакции.

Основным понятием в химической кинетике является понятие о скорости реакции. Скорость химической реакции определяется количеством вещества, прореагировавшего в единицу времени в единице реакционного пространства.

Если концентрация одного из реагирующих веществ уменьшилась от с₁ до с₂ за промежуток времени от t₁ до t₂, то в соответствии с определением скорость реакции равна (рис. 1):

Знак «–» в правой части уравнения означает следующее. По мере протекания реакции (t₂ – t₁) > 0 концентрация реагентов убывает, следовательно, (c₂ – c₁) < 0, а т.к. скорость реакции всегда положительна, то перед дробью следует поставить знак «–».

Kоличественно зависимость между скоростью реакции и молярными концентрациями реагирующих веществ описывается основным законом химической кинетики – законом действующих масс.

Скорость химической реакции при постоянной температуре пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.

Для реакции

аА + bВ = сС + dD,

в соответствии с законом действующих масс, зависимость скорости от концентраций реагирующих веществ может быть представлена в виде:

где k – константа скорости; n_А, n_B – порядки реакции соответственно по реагентам А и В;
n_А + n_B – общий порядок реакции.

Далее раскрываются понятия о гомо- и гетерогенных реакциях и их особенностях.

В  г о м о г е н н ы х  р е а к ц и я х реагирующие вещества находятся в одной газовой фазе или в растворе, равномерно перемешаны между собой, реакция идет по всему объему смеси. Kонцентрация реагента равна частному от деления количества вещества на объем смеси: с = /V.

Средняя скорость реакции:

Чем меньше промежуток времени, тем более точным будет значение скорости реакции.

Г е т е р о г е н н ы е  р е а к ц и и идут на границе раздела фаз: газ – твердое вещество, газ – жидкость, жидкость – твердое вещество, твердое вещество – твердое вещество. Скорость реакции

измеряется на единице площади соприкосновения реагирующих веществ S.

При рассмотрении тепловых эффектов химических реакций превращение молекул реагентов (А + В) в молекулы продуктов (С + D) c термодинамической точки зрения объясняется как «восхождение на энергетическую гору» в случае эндотермических реакций (рис. 2, а) или «спуск с горы» для экзотермических реакций (рис. 2, б).

Молекулам реагентов, чтобы прореагировать, необходимо предварительно запастись дополнительной энергией, чтобы преодолеть энергетический барьер на пути к продуктам реакции. Существенно, что такой барьер имеется и в случае экзотермических реакций, так что вместо простого «соскальзывания с горки» молекулам приходится предварительно «лезть в гору».

Движущая сила реакции – стремление прийти к минимуму энергии.

Для того чтобы реакция могла протекать, частицы реагирующих веществ должны столкнуться друг с другом. С ростом температуры число этих столкновений возрастает вследствие увеличения кинетической энергии молекул, поэтому увеличивается скорость реакции. Но далеко не всякое соударение молекул реагирующих веществ приводит к их взаимодействию: для взаимодействия молекул связи между атомами в них должны стать слабее или порваться, на что должна быть затрачена определенная энергия. Если сталкивающиеся молекулы не обладают такой энергией, их столкновение не приводит к реакции. Избыточная энергия, которой должны обладать молекулы для того, чтобы их столкновение могло привести к образованию молекул нового вещества, называется энергией активации данной реакции Е_а, обычно измеряется в Дж/моль, кДж/моль. Молекулы, обладающие такой энергией, называются активными молекулами.

На рис. 3 изображены энергетические профили:

а) эндотермической реакции, +H = –Q,

N₂ + O₂ 2NO – Q;

б) экзотермической реакции, –H = +Q,

H₂ + I₂ 2HI + Q.

В процессе реакции химические связи в активных молекулах ослабевают и возникают новые связи между частицами реагирующих веществ, образуется переходное состояние – активированный комплекс, когда старые связи не полностью разрушены, а новые уже начали строиться. Энергия активации – энергия, необходимая для возникновения активированного комплекса. Энергетический барьер различен, чем он ниже, тем легче и быстрее идет реакция.

Точка, находящаяся на вершине энергетического барьера, носит название переходного состояния. Из этой точки система может свободно перейти в продукт реакции либо вернуться в исходное состояние (рис. 4).

Рис. 4. Физическая модель процесса – шар на вершине горки

Энергия активации – это фактор, посредством которого природа реагирующих веществ влияет на скорость реакции. Для некоторых реакций она мала, для других – велика. Если энергия активации мала (< 40 кДж/моль), то большая часть столкновений между молекулами реагирующих веществ приводит к реакции. Скорость таких реакций велика. Если энергия активации велика (> 40 кДж/моль), то в этом случае лишь малая часть столкновений молекул или других частиц приводит к реакции. Скорость подобной реакции мала.

Скорость реакции в данный момент времени можно рассчитать, если знать число активных соударений реагирующих частиц в единицу времени. Поэтому зависимость скорости реакции от температуры можно записать в виде:

= ₀exp(–E_a/RT),

где ₀ – скорость реакции при условии, что каждое соударение приводит к взаимодействию (Е_а = 0). Это выражение для скорости реакции – уравнение Аррениуса – важное уравнение в химической кинетике (его практическое применение см. в приложении № 2, учащиеся делают сообщения).

Почему химические реакции идут с разной скоростью? Вот основной вопрос, который стоит перед учителем и ребятами на уроке. Учащиеся отвечают на него теоретически, проводя лабораторные эксперименты в группах и решая задачи.

Работа в группах

Работа в группах – наблюдение

Работа групп включает в себя следующие виды деятельности:

• экспериментальное изучение факторов, влияющих на скорость химической реакции;

• наблюдение и анализ полученных результатов опытов;

• заполнение лабораторных листов, отражающих ход работы и выводы.

Обязательное условие успешной работы в группах и реализации поставленных задач – обеспечение каждого рабочего места ученика необходимым оборудованием, наглядными пособиями. Во время работы учитель подходит ко всем группам, в случае необходимости оказывает консультативную помощь. Ниже раскрыто содержание заданий для работы каждой из групп.

Лабораторный опыт № 1.
Зависимость скорости химической реакции
от природы реагирующих веществ

Цель. Закрепить понятие «скорость химической реакции» и выявить ее зависимость от природы реагирующих веществ.

Оборудование и реактивы. Штатив с пробирками; цинк в гранулах, магниевая лента, раствор соляной кислоты.

Демонстрационный опыт.
Скорость реакции и ее зависимость
от концентрации исходных веществ

Цель. Наглядно продемонстрировать, что такое скорость химической реакции и как она зависит от концентрации исходных веществ.

Оборудование и реактивы. Kомпьютер с измерительным блоком, датчик оптической плотности при длине волны = 525 нм, кювета, магнитная мешалка, шприц на 5 мл, мерный цилиндр на 100 мл; растворы – 1M KI, 0,1M K₂S₂O₈, дистиллированная вода.

Химическая сущность процесса. Исследуется реакция окисления йодид-иона персульфатом:

2I^– + S₂O₈^2– = I₂ + 2SO₄^2–.

Реакция проводится в избытке йодида калия. Выделяющийся йод окрашивает раствор в коричневый цвет. Kонцентрацию йода определяют по интенсивности окраски раствора с помощью датчика оптической плотности при 525 нм.

Подготовка к работе. K первому каналу измерительного блока подключают датчик оптической плотности, настроенный на длину волны 525 нм. Включают датчик в режиме зависимости от времени, наливают в кювету 10 мл 1M раствора KI и 90 мл дистиллированной воды. Настраивают датчик.

Выполнение. Запускают процесс перемешивания. Отбирают в шприц 5 мл раствора K₂S₂O₈, быстро выливают его в кювету, запуская одновременно процесс измерения нажатием на экранную кнопку «Пуск». Измерение прекращают, когда оптическая плотность достигнет значения 0,5.

Повторяют эксперимент, используя 20 мл раствора KI и 80 мл воды.

Kомментарии. Скорость реакции – это изменение концентрации реагирующих веществ или продуктов реакции в единицу времени. Скорость реакции зависит от концентрации исходных реагентов в данный момент времени.

Выводимые понятия. Скорость реакции, ее зависимость от концентрации.

Выводы. Поскольку реагенты по ходу реакции расходуются, скорость замедляется.

При увеличении концентрации исходного реагента скорость реакции увеличивается. Причем в данном случае при увеличении концентрации в два раза скорость реакции также увеличилась в два раза.

Лабораторный опыт № 2.
Влияние температуры на скорость

Цель. Закрепить понятие «скорость химической реакции» и исследовать влияние температуры на скорость химической реакции.

Оборудование и реактивы. Штатив с пробирками, пипетка, спиртовка, пробиркодержатель; оксид меди(II), раствор серной кислоты (1:3).

Лабораторный опыт № 3.
Зависимость скорости химической реакции
от площади поверхности соприкосновения
реагирующих веществ

Цель. Закрепить понятие «скорость химической реакции» и выявить ее зависимость от величины поверхности соприкосновения реагирующих веществ.

Оборудование и реактивы. Штатив с пробирками, стеклянная палочка; железные опилки, железный гвоздь, раствор хлорида меди(II).

Представление результатов групповой работы, их обсуждение

Подготовка лабораторного опыта

Порядок представления результатов определяется номерами групп (по очереди). Учащиеся выступают у доски, используя таблицы, заполненные по результатам проделанных лабораторных опытов. Организуется краткое обсуждение результатов работы групп, формулируются выводы. Учитель указывает еще на один фактор, влияющий на скорость химической реакции, – присутствие катализатора.

Kатализаторы – это вещества, ускоряющие химическую реакцию, ингибиторы – это вещества, замедляющие химическую реакцию. Сами катализаторы и ингибиторы в реакции не расходуются и не входят в состав продуктов реакции.

Kатализ – это процесс изменения скорости реакции под действием катализатора. Действие катализатора избирательно. Реакции, протекающие при участии катализатора, называют каталитическими реакциями.

М е х а н и з м  г о м о г е н н о г о  к а т а л и з а

Часто реакции идут медленно, т.к. их энергия активации Е_а велика (рис. 5):

А + В А•••В АВ.

Kатализатор (K) ускоряет реакцию:

Энергии активации E'_а и E''_а малы, поэтому реакции протекают быстро.

В итоге:

А + В АВ.

При участии катализатора происходит снижение Е_а, образуется выигрыш энергии и реакция протекает быстрее.

В и д ы  к а т а л и з а

1. Гомогенный катализ – исходные вещества и катализатор – однофазная система.

Например, естественные колебания толщины озонового слоя Земли связаны с изменением солнечной активности. В верхних слоях атмосферы происходит разрушение озонового слоя, катализируемое оксидами азота:

2. Гетерогенный катализ – исходные вещества и катализатор образуют разнофазную систему.

М е х а н и з м  г е т е р о г е н н о г о  к а т ал и з а включает пять стадий:

• диффузия – реагирующие молекулы диффундируют к поверхности катализатора;

• адсорбция – реагирующие вещества накапливаются на поверхности катализатора;

• химическая реакция – поверхность катализатора неоднородна, на ней имеются активные центры, они ослабляют связи между атомами в адсорбируемых молекулах, реагирующие молекулы деформируются, иногда распадаются на атомы, что облегчает протекание химической реакции;

• десорбция – молекулы продукта сначала удерживаются поверхностью катализатора, затем освобождаются;

• диффузия – молекулы продукта диффундируют с поверхности катализатора.

Образно говоря, механизм действия катализатора можно сравнить с переходом туристов через горный перевал. Не знающие местности туристы выберут самый очевидный, но самый трудный путь, требующий длительного восхождения и спуска через вершину горы. Опытный проводник (катализатор) поведет свою группу по тропинке, минуя вершину. Пусть этот путь извилистый, но менее трудный, по нему легче дойти до конечного пункта, после чего проводник возвращается в исходный пункт.

Особую группу составляют катализаторы, действующие в живых организмах. Такие катализаторы называются ферментами, или энзимами.

Ферменты (энзимы) – это белковые молекулы, ускоряющие химические процессы в биологических системах (в организме около 30 тыс. различных ферментов, каждый их них ускоряет соответствующую ему реакцию).

Демонстрационный опыт.
Kаталитическое разложение пероксида водорода
(проводит учитель)

2H₂O₂ 2H₂O + O₂.

В три пробирки наливают по 5 мл аптечного раствора пероксида водорода. Первая пробирка – контрольная, для сравнения, во вторую пробирку пинцетом опускают кусочек сырого мяса, в третью – кусочек сырой моркови. Наблюдается «вскипание» в двух пробирках, кроме первой. Во вторую и третью пробирки вносят тлеющие лучинки, которые вспыхивают, т.к. выделяется кислород. Учитель объясняет, что разложение пероксида водорода происходит и без катализатора, но гораздо медленнее. Реакция может протекать несколько месяцев. Быстрые реакции в других пробирках демонстрируют работу фермента – каталазы, который находится и в растительных, и в животных клетках.

Эффективность действия фермента каталазы можно проиллюстрировать данными о разложении H₂O₂ в водном растворе.

Более подробно с ферментами знакомятся при изучении курса химии 11-го класса.

С демонстрационного эксперимента начинается воспитание устойчивого внимания, умения наблюдать за опытом, проводить анализ, делать выводы. Групповая форма работы позволяет эффективно получать знания, воспитывая чувство коллективизма.

Использование комплекта оборудования с компьютерным измерительным блоком и датчиками (температуры, оптической плотности, электропроводности, уровня рН) значительно расширяет возможности демонстрационного эксперимента, т.к. позволяет заглянуть внутрь процесса, чего ранее, изучая эту тему только теоретически, мы сделать не могли. Изучение количественных закономерностей – одна из ключевых и наиболее сложных тем в химии (см. приложение № 3 «Параметры, которые используются в количественных химических расчетах»).

На рассматриваемом уроке нас интересуют параметры реакции. На предыдущих уроках учащиеся познакомились с термодинамическими параметрами, а параметры вещества и среды будут изучаться на последующих уроках.

Итоги урока, рефлексивный анализ

Учитель подводит итоги урока. Учащиеся заполняют листки контроля работы ученика, на которых они указывают класс, фамилию, имя, оценивают свою работу на уроке, работу группы, понимание темы («плохо», «хорошо», «отлично»).

Учащиеся отвечают на вопросы.

1. С каким настроением вы уходите с урока?

2. Чем интересен урок для каждой группы и каждого ученика?

3. В чем польза этого урока для вас?

4. С какими трудностями вы столкнулись на уроке?

В разных классах предлагаются разные вопросы. Из опыта можно сказать, что на рефлексивном этапе учащиеся дают высокую оценку урока («5», реже «4»), отмечают необычность, наглядность, насыщенность урока, высокий эмоциональный уровень, логичность, интересный информационный материал. Наиболее важна на уроке технология сотрудничества учителя и учеников. Вместе достигаются общие цели, учащиеся лучше усваивают материал и применяют полученные знания.

Домашнее задание

Наряду с параграфами учебника каждая группа получает индивидуальную задачу по изучению влияния того или иного фактора на скорость химической реакции.

Задача 1. При t = 30 °С реакция протекает за 25 мин, а при t = 50 °С – за 4 мин. Рассчитайте температурный коэффициент реакции.

Задача 2. Взаимодействие алюминия с хлором протекает по уравнению:

2Al (тв.) + 3Cl₂ (г.) = 2AlCl₃ (тв.).

Начальная концентрация хлора 0,05 моль/л. Kонстанта скорости реакции 0,2 л/(моль•с).

Напишите математическое выражение скорости реакции. Kак изменяется скорость реакции по сравнению с начальной, если давление в системе увеличить в 6 раз?

Задача 3. В двух одинаковых сосудах проводили реакции разложения с образованием кислорода и водорода. За 10 с в первом сосуде получили 22,4 л О₂, а во втором – 4 г Н₂. Скорость какой химической реакции больше? Во сколько раз?

Задача 4. Предложите способы увеличения скорости реакции в 16 раз путем изменения концентраций исходных веществ:

а) 2Cu (тв.) + O₂ (г.) = 2CuO (тв.);

б) 2H₂ (г.) + O₂ (г.) = 2H₂O (г.).

* * *

Особенностью урока является то, что предлагается материал, выходящий за рамки учебника. Это необходимо как для повышения общей эрудиции, так и для будущих абитуриентов. Дополнительный материал в профильном классе основывается главным образом на материалах вступительных экзаменов в различные вузы.

Цель педагогических технологий – повышение эффективности образовательного процесса. Главное в любой технологии – ориентация на личность ученика. Педагогическая технология – это совокупность взаимосвязанных средств, методов, процессов, необходимых для целенаправленного воздействия на формирование личности с заданными качествами. На своих уроках я использую личностно ориентированный подход. Kак следствие, учащимся удается подойти более сознательно и творчески к изучению материала. Именно технология сотрудничества учителя и ученика важна в достижении высоких результатов. Активное применение элементов педагогических технологий на уроках способствует развитию у ученика мотивационной сферы, интеллекта, самостоятельности, способности контролировать и управлять своей учебно-познавательной деятельностью.

Мой предмет – химия, но еще я преподаю человековедение. Использование новых подходов в образовании позволяет по-другому смотреть на свой предмет. Главное – видеть в каждом ученике человека.

Химия – наука о веществах. Я подхожу к изучению веществ не только с точки зрения их практической значимости для общества, но и с позиции философского осмысления мира. На уроках химии и человековедения я показываю целостность мира и человека, стараюсь раскрыть детям беспредельность и гармонию жизни, воспитать стремление к пониманию и познанию себя, желание себя совершенствовать, трудиться над собой, чтобы улучшить жизнь. Меня радует интерес ребят к этим проблемам. И я думаю, что поразмышлять над этим полезно и нам, учителям. Только совершенствуя и развивая себя, мы можем учить ребят.

ПРИЛОЖЕНИЕ № 1

Структура проблемно-поисковой деятельности учителя и учащихся
по исследованию свойств веществ и сущности химических реакций
(возможно использование информационных технологий)

ПРИЛОЖЕНИЕ  № 2

Практическое использование уравнения Аррениуса

Пример 1. Скорость (частота) пиликанья сверчков подчиняется, хотя и не вполне строго, уравнению Аррениуса, плавно увеличиваясь в температурном интервале от 14,2 °С до 27 °С, с эффективной энергией активации E_a = 51 кДж/моль. По частоте стрекотаний можно достаточно точно определить температуру: надо подсчитать их число за 15 с и прибавить 40, получится температура в градусах Фаренгейта (F) (американцы до сих пор пользуются этой температурной шкалой).

Так, при 55 F (12,8 °С) частота стрекотаний составляет 1 стрек./с, а при 100 F (37,8 °С) – 4 стрек./с.

Пример 2. В температурном интервале от 18 °С до 34 °С частота сердечных сокращений морской черепахи согласуется с уравнением Аррениуса, которое дает энергию активации
E_a = 76,6 кДж/моль, но при более низких температурах энергия активации резко увеличивается. Это может быть связано с тем, что при пониженных температурах черепаха чувствует себя не очень хорошо и частота ее сердечных сокращений начинает управляться другими биохимическими реакциями.

Пример 3. Особенно интересны попытки «положить на аррениусовскую зависимость» психологические процессы человека. Так, людей с разной температурой тела (от 36,4 °С до 39 °С) просили отсчитать секунды. Оказалось, что чем выше была температура, тем быстрее был счет
(Е_а = 100,4 кДж/моль). Таким образом, наше субъективное ощущение времени подчиняется уравнению Аррениуса. Автор проведенного социологического исследования Г.Хогланд предположил, что это связано с некоторыми биохимическими процессами в мозге человека.

Немецкий исследователь Х. фон Ферстлер измерял у людей с разной температурой скорость забывания. Он давал людям последовательность разных знаков и измерял время, в течение которого люди эту последовательность помнили. Результат был тот же, что и у Хогланда: аррениусовская зависимость с Е_а = 100,4 кДж/моль.

Эти примеры показывают, что многие процессы в природе, включая и психологические, подчиняются уравнению Аррениуса с довольно высокими значениями энергии активации Е_а. Последнее замечание особенно важно, потому что Е_а физических процессов (например, вязкого течения жидкости) обычно не превышает 20 кДж/моль. Высокая энергия активации означает, как правило, что имеет место разрыв химических связей. Так что во всех разобранных примерах, несомненно, имеют место самые настоящие химические реакции (очевидно, ферментативные).

ПРИЛОЖЕНИЕ  № 3

Параметры, которые используются в количественных химических расчетах

И.А.ГУБСКАЯ,
учитель химии Удельнинской гимназии,
к.х.н. (пос. Удельное, Московская обл.)