Metodyka i praktyka szkolna
Szybciej, Å‚atwiej, wydajniej,
taniej  czyli kataliza w chemii
Scenariusz lekcji chemii w liceum
ROMUALD PIOSIK, ELŻBIETA KOWALIK
cenariusz powstał z myślą o młodzieży metodyczną. Najważniejszym członem sce -
trzecich klas liceum ogólnokształcące- nariusza są opisy doświadczeń chemicznych,
Sgo, o profilu biologiczno-chemicznym, możliwych do wykonania w szkolnej pra -
realizujÄ…cej program chemii w zakresie roz- cowni chemicznej. Ze staw obejmuje dwa
szerzonym. Me rytorycznie powiązany jest pokazy oraz 7 do świadczeń uczniow skich,
z działem  Kinetyka i równowaga chemicz- wykonywanych w grupach 4 5 osobowych.
na . Pozwala nauczycielowi chemii odnieść Uczniowie mają do dyspozycji:
się do problematyki znanej uczniom z życia karty pracy, opisy wykonywanych na lek-
codziennego oraz zgłę bianej na lek cjach cji doświadczeń,
biologii. Uczniowie, wykonując doświadcze- odpowiednie odczynniki i sprzęt labora-
nia według in strukcji pi semnej, do skonalą toryjny.
następujące umiejętności:
1. posługiwanie się po jęciami takimi jak: 1. Część organizacyjna
kataliza (heterogeniczna, homogeniczna, Zaproponowane w sce nariu szu do -
kwasowo-zasadowa, au tokataliza, bioka- świadczenia ułożone są w sekwencje tema-
taliza), katalizator, kontakt, centrum ak- tyczne. Nauczyciel sam może zadecydować,
tywne, kompleks aktywny, inhibitor; czy skorzysta z wszystkich, czy dokona pew-
2. interpretowanie me chanizmu re akcji nego wy boru. Naj korzystniejsze by Å‚oby
katalitycznych; rozwiąza nie, w którym każda gru pa
3. klasyfikowanie katalizatorów na podsta- uczniów wy konywałaby zaproponowane
wie mechanizmu ich działania; doświadczenia w sposób rotacyjny, gwaran-
4. wyjaśnianie wpływu ka talizatorów na tujący zetknięcie się z wybranymi aspekta-
przebieg pro cesów chemicznych oraz mi katalizy. W tym celu przed lekcją przy-
biochemicznych; gotowujemy sie dem stano wisk. Przy
5. wyjaśnianie znaczenia katalizy w zmniej- każdym stanowisku pracować będzie czte-
szaniu zagrożeń dla środowiska natural- rech pięciu uczniów (ra zem około trzy -
nego; dziestu). Na każdym sto liku znajduje się
6. dostrzeganie i interpretowanie za leżno- kilka probówek, mała zlewka, palnik gazo-
ści przyczynowo  skutkowych. wy lub spi rytusowy, łapka do probówek,
Cel ogólny tak przeprowadzonych za jęć okulary ochronne. Do wspólnego użytku:
można sformułować na stępująco: udowod- woda destylowana.
nienie młodzieży, że kataliza jest wszechobec-
na w naszym życiu, a jej zastosowania w prze- Odczynniki chemiczne:
myśle chemicznym są nadzieją na całkowite Glukoza, błę kit me tylenowy, kwas siar ko-
wyeliminowanie  brudnych technologii . wy(VI), kwas sol ny, jo dek po tasu, siar -
Scenariusz przewidziany jest na dwie go- czan(VI) mie dzi(II), siarczan(VI) man ga-
dziny lekcyjne, połączone w jedną jednostkę nu(II), za sada sodowa, skro bia, su szone
6/2007
23
Metodyka i praktyka szkolna
drożdże, kawałek surowego ziemniaka, woda reakcji bez katalizatora i w jego obecności
wapienna, winian sodowo potasowy, nadtle- wyjaśniają znaczenie terminów:
nek wodoru (w postaci wody utlenionej oraz  kompleks aktywny,
perhydrolu), siarczan(VI) że laza(II), szcza -  bariera energetyczna,
wian sodu, manganian(VII) po tasu, tlenek  regeneracja katalizatora.
manganu(IV), azotan(V) kobaltu(II), kostki
cukru, glukoza, mąka, woda wapienna,, drut 3. Część doświadczalna
miedziany, ben zyna, azotan(V) sre bra(I), Doświadczenie 1. Rozkład nad tlenku
woda amoniakalna, wodorotlenek sodu. wodoru w obecności jonów żelaza  ka-
taliza homogeniczna
Sprzęt: Do dwóch probówek wlewamy po 5 cm3
Zlewki, probówki, bu lub kolba pła - wody utlenionej (3% roz nad tlenku
telka tworu
skoden na opojemności 1 dm3, stoper, kol- wodoru), po czym do jednej z nich wkra -
by okrągłodenne, kolby stożkowe, łaz
nia plamy 1 cm3 1 mol/dm3 roztworu siarcza-
wodna, pipeta z nasadką, szczypce metalo- nu(VI) że laza(II). Umieszczamy u wy lotu
we, palnik spirytusowy. probówki tlące się łuczywo. Obserwujemy
zmiany, zachodzące w obu probówkach.
2. Część wprowadzająca
a) Uczniowie wymieniają przykłady zasto- Spodziewane obserwacje i wnioski:
sowania katalizatorów, znane z techniki, W roztworze nadtlenku wodoru w tem-
biologii, ży cia codziennego. Podawane peraturze pokojowej nie zachodzą zmiany.
informacje rejestrują na tablicy w formie Po dodaniu jonów Fe2+ roztwór pieni się
odpowiedniego asocjogramu (Rys. 1). ponieważ za chodzi wydzielanie się ga zu.
b) Uczniowie pró bują samodzielnie sfor - Gazem tym jest tlen. Re akcja roz kładu
mułować definicję katalizy i katalizatora. nadtlenku wo doru pod wpływem jo nów
c) PracujÄ…c w grupach nad przygotowany- Fe2+ zachodzi dwuetapowo:
mi krótkimi tek stami wy jaśniają na stę-
H2O2(aq) + 2Fe2+(aq) + 2H+(aq)
pujące pojęcia (każda grupa jedno):
 kataliza heterogeniczna,
2Fe3+(aq) + 2H2O (etap 1)
 kataliza homogeniczna,
 autokataliza,
H2O2(aq) + 2Fe3+(aq)
 biokataliza.
2Fe2+(aq) + O2 + 2H+(aq)
d) KorzystajÄ…c z wykresu przedstawiajÄ…cego
(etap 2)
zmiany energetyczne, zachodzÄ…ce podczas
Rys. 1.
Chemia w Szkole
24
Metodyka i praktyka szkolna
Wdrugim etapie tej reakcji ka talizator Doświadczenie 3. Tajemnica  niebie-
odtwarza siÄ™. W postaci sumarycznej, prze- skiej butelki  kataliza homogeniczna
bieg procesu można zapisać następującym Napełniamy butelkę lub kolbę pła sko-
równaniem reakcji: denną o pojemności 1 dm3 do połowy wo-
dÄ… destylowanÄ…, wsypujemy do niej 5g sta-
2H2O2 O2 + 2H2O
łego wodorotlenku sodu i całość starannie
mieszamy, aż do uzyskania jednolitego roz-
Doświadczenie 2. Rozkład nad tlenku tworu. Rozpuszczamy w uzy skanym roz
-
wodoru w obecności katalazy  kataliza tworze 10 g glukozy i dodajemy 2 5 cm3
heterogeniczna błękitu metylenowego. Otrzymany roztwór
Uwaga: Podczas wykonywania doświad- mieszamy sta rannie aż do uzy skania bez -
czenia należy założyć okulary ochronne! barwnego, kla rownego roz tworu. Na stęp-
Do pierwszej probówki, zawierającej kil- nie zamykamy butelkę korkiem i wstrząsa-
ka cm3 wody utlenionej (3% roztworu wod- my jej zawar tość, aż do po jawienia się
nego nadtlenku wodoru) dodajemy szczyp- barwy niebieskiej. Po odstawieniu bu telki
tę suchych drożdży. Do drugiej probówki barwa roztworu zanika, a po ponownym jej
z kilkoma cm3 wody utlenionej dodajemy wstrząśnięciu  powraca. Czynność tę mo-
nieco su rowego, utar tego ziemniaka. Do żemy powtórzyć kilkakrotnie.
wylotu obu probówek wprowadzamy roz -
żarzone łuczywo. Spodziewane obserwacje i wnioski:
Trwała na powietrzu glukoza, w obecno-
Spodziewane obserwacje i wnioski: ści błękitu metylenowego zostaje utleniona
W obu probówkach następuje intensyw- do kwasu glukonowego. Sam błękit metyle-
ne wydzielanie się gazu, pod trzymującego nowy w śro dowisku za sadowym two rzy
palenie. Gazem tym jest tlen, produkt roz- bezbarwny związek, zwany błękitem leuko-
kładu nad tlenku wodoru. Su che drożdże metylenowym oraz rodnik tlenowy, powo-
oraz surowe ziemniaki zawierają enzym ka- dujący utlenienie glu kozy. Pod wpływem
talazę, który jest katalizatorem w przepro- tlenu (z powietrza) forma leuko- (bezbarw-
wadzonym doświadczeniu. na) przemienia się w błę kit me tylenowy
(niebieski). Pro ces ten prawdopodobnie
katalaza
2H2O2 2H2O + O2
można opisać na stępującymi rów naniami
chemicznymi [1]:
Katalaza pod wpływem wysokiej tempe-
(1) [błękit metylenowy]+ + OH
ratury ulega rozkładowi, dla tego dodanie
niebieski
do wody utlenionej kawałka ugotowanego
bÅ‚Ä™kit leukometylenowy + ·O·
ziemniaka dałoby próbę negatywną.
bezbarwny rodnik tlenowy
Katalaza jest enzymem z grupy oksydo-
reduktaz, katalizującym w żywych komór-
(2) D-glukoza + ·O·
kach proces rozkładu nad tlenku wodoru,
kwas D-glukonowy
będącego niepożądanym produktem po -
(3) 2 błękit leukometylenowy + O2
średnim w cyklach me tabolitycznych.
bezbarwny
Otrzymana po raz pierwszy w postaci kry-
stalicznej w 1937 roku przez J.B. SUMNE- 2[błękit metylenowy]+ + 2OH
RA. Znaczne jej ilości występują w komór- niebieski
kach zwierzęcych, np. w wą trobie, nerce, Katalizatorem w tej reakcji jest błękit
leukocytach i erytrocytach (krwinkach metylenowy, odtwarzajÄ…cy siÄ™ w reakcji (3).
czerwonych), w bakteriach tlenowych oraz Dodatkowe informacje:
w peroksysomach komórek roślinnych fo- Doświadczenie z błę ki tem me tyleno-
tosyntezujÄ…cych. wym mia Å‚o istotne znaczenie w odkryciu
6/2007
25
Metodyka i praktyka szkolna
przez ROBERTA KOCHA w roku 1882 zaraz- Spodziewane obserwacje i wnioski:
ków gruz

licy. Jeden z uczniów R. KOCHA, Aniony winianowe re agują z nad tlen-
PAUL EHRLICH zabarwiaÅ‚ w ten sposób ich kiem wodoru w temperaturze 40°C bardzo
komórki. wolno. W wyniku reakcji powstaje gaz, wy-
wołujący zmętnienie wody wapiennej  tzn.
Doświadczenie 4. Wykrywanie pro - tlenek węgla(IV). Przebieg reakcji można
duktów pośrednich podczas katalitycz- wyrazić równaniem:
nego utleniania anionów winianowych
C4H4O62 + 5H2O2
(anionów kwasu 2,3-dihydroksybutano-
diowego)
6H2O + 2HCO3 + 2CO2
Wskazówki me todyczne: Jed na część
uczniów wy konuje wariant (1), a dru ga Wprowadzenie do układu azo tanu(V)
część wariant (2). Po wy konaniu ca łości kobaltu(II) powoduje znaczne przyspiesze-
uczniowie dzielą się spostrzeżeniami i wnio- nie reakcji  tlenek węgla(IV) wydziela się
skami na forum klasy. gwałtownie. Dodatkowym efektem jest
zmia na bar wy mie szani ny z ró
żowej
Wariant 1. na ciemnozielonÄ…, spowodowana utworze-
Do kolby okrągłodennej o po jemności niem kompleksu przejściowego. Po zakoń-
250 cm3 wlewamy 50 cm3 wody i doda- czeniu reakcji kompleks ulega rozkładowi
jemy 3 g wi nianu so dowo-potasowego i roztwór ponownie przybiera barwę różo-
KOOC (CHOH)2 COONa. Po wymiesza- wą1. Proces ten można przedstawić odpo-
niu składników podgrzewamy kolbę na łaz
- wiednim diagramem (rys. 2).
ni wodnej do temperatury 40°C. Do tak
przygotowanego roztworu wlewamy 20 cm3
20% roztworu nadtlenku wodoru, zamyka-
my kolbÄ™ korkiem z rurkÄ… odprowadzajÄ…cÄ…,
której koniec zanurzamy w probówce z wo-
dą wapienną. Za pomocą stopera określa-
my czas pojawienia się zmętnienia.
Wariant 2.
Do kolby okrągłodennej o po jemności
250 cm3 wlewamy 50 cm3 wody oraz doda-
jemy 3 g wi nianu so dowo-potasowego
KOOC (CHOH)2 COONa. Po wymie-
szaniu składników pod grzewamy kol bę
nałaz
ni wod nej do tem peratury 40°C.
Rys. 2. Wykres zmian energii podczas katalitycznego
Do tak przygotowanego roz tworu wlewa-
utleniania jonów winianowych
my 20 cm3 20% roztworu nadtlenku wodo-
ru, dodajemy 0,2 g azo tanu(V) ko bal-
tu(II). Zamykamy kolbę korkiem z rurką Doświadczenie 5. Utlenianie kwa su
odprowadzającą, której koniec zanurzamy szczawiowego (etanodiowego (COOH)2)
w probówce z wodą wapienną. Za pomocą  autokataliza
stopera okre ślamy czas po jawienia się Wlewamy po 10 cm3 0,25 mol/dm3 roz-
zmętnienia. tworu szczawianu sodu (przy gotowanego
1
Sole kobaltu(II) mają w roztworach wodnych charakterystyczną barwę różową, pochodzącą od uwodnionego jonu
[Co(H2O)6]2+.
Chemia w Szkole
26
Metodyka i praktyka szkolna
przed lekcją) do dwóch kolb stożkowych mieniem. Składniki popiołu papierosowe-
o pojemności 250 cm3 i do każdego z nich go spełniają rolę katalizatora w tej reakcji.
dodajemy ostrożnie! po 2 cm3 stężonego
kwasu siarkowego(VI). Do tak uzyskanych Doświadczenie 7. Fermentacja alko-
roztworów dodajemy jednocześnie po kilka holowa
kropli 0,1 mol/dm3 roztworu man gania- Przygotowujemy dwie kol by stoż kowe
nu(VII) potasu. Czekamy, aż obydwa roz- opojemności 100 cm3 (można też wykorzy-
twory ulegną odbarwieniu. Dodajemy po - stać dwie małe, szklane butelki po produk-
nownie do obu roztworów po dwie krople tach spożywczych). Do obu naczyń wsypu-
roztworu KMnO4, natomiast do jed nej jemy mieszaninÄ™ sporzÄ…dzonÄ… z: 20 g mÄ…ki,
z kolb dodajemy dodatkowo kilka kropli 2g glukozy (cukru gronowego) oraz 5 cm3
1 mol/dm3 roztworu siarczanu(VI) manga- wody. Do jednej mieszaniny dodajemy 3 g
nu(II), a następnie odmierzamy stoperem drożdży, całość dobrze mieszamy, zamyka-
czas, po do odbarwienia obu roz - my naczynie tamponem z waty i odstawia-
trzebny
tworów. my na kilkanaście minut w temperaturze
pokojowej. Umieszczamy nad otworem na-
Spodziewane obserwacje i wnioski: czynia bagietkę, zwilżoną wodą wapienną.
Kwas szczawiowy, powstały w re akcji
kwasu siarkowego ze szczawianem sodu, Spodziewane obserwacje i wnioski:
po do daniu roz tworu man ganianu(VII) Tylko w naczyniu z drożdżami obserwu-
potasu w środowisku kwaśnym ulega utle- jemy intensywne wydzielanie się gazu, po-
nieniu w myśl równania reakcji: wodującego zmętnienie wody wapiennej.
Tampon z wa ty, zamykajÄ…cy to na czynie
5HOOC COOH + 2MnO4 + 6H3O+
ma zapach etanolu. Pod wpływem zymazy,
czyli wy stępującego w drożdżach ze społu
2Mn2+ + 10CO2 + 14H2O
enzymów katalizujących fermentację alko-
W układzie następuje autokataliza, po- holową, zachodzi bez tlenowa reakcja bio -
nieważ reakcja ta jest ka talizowana przez chemiczna, polegająca na utlenieniu gluko-
powstające w wyniku redukcji w środowi- zy z utwo rzeniem etanolu oraz tlen ku
sku kwasowym jony Mn2+. Jest to kataliza, węgla(IV).
w której katalizatorem jest jeden z produk-
zymaza
C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2
tów reakcji. Dodanie do układu roztworu,
zawierajÄ…cego jony Mn2+ znacznie przy - Fermentacja zachodzÄ…ca w organizmach
spieszyło pro ces utlenienia kwa su szcza - żywych po lega na enzymatycznym rozkła-
wiowego. dzie związków or ganicznych bez udzia łu
tlenu. Jej pro duktami sÄ… in ne, prost sze
Doświadczenie 6. Paląca się kostka związki organiczne oraz niewielkie ilo ści
cukru energii. Cha rakter tych związków za leży
Ujmujemy w metalowe szczypce kostkę od wyposażenia enzymatycznego komórek.
cukru i próbujemy ją zapalić w płomieniu
palnika spirytusowego. Powtarzamy tę pró- Doświadczenie 8. Nocna lampka bez
bę, ale tym razem wprowadzamy do pło - płomienia (Pokaz)
mienia pal nika kost kÄ™ cu kru, po sypanÄ… CienkÄ… ba gietkÄ™ szklanÄ… owi jamy czy -
niewielką ilością popiołu papierosowego. stym drucikiem miedzianym tworząc opaskę
w kształ cie spi rali i przymocowujemy
Spodziewane obserwacje i wnioski: do knota palnika spirytusowego. Knot wraz
W pierwszej próbie cukier topi się, ule- ze spi ralą ustawiamy pionowo, przy czym
ga karmelizacji i nie zapala się. Cukier po- odstępy między zwojami spirali powinny wy-
sypany popiołem spala się niebieskim pło- nosić około 1 mm. Napełniamy palnik spiry-
6/2007
27
Metodyka i praktyka szkolna
tusem (np. denaturowanym) i po nasyceniu Na podobnej za sadzie działa lamp ka
knota zapalamy go, a następnie gasimy. Davy ego, bezpiecznie służąca od 1816 ro-
ku górnikom w kopalniach węgla kamien-
nego, nie wywołująca pożarów ani wybu-
chów w strefach zagrożonych wydzielaniem
siÄ™ metanu.
Doświadczenie 9. Usuwanie tlen ku
węgla(II) ze spalin przy pomocy katali-
zatora
Zestawiamy aparaturę według następu-
jÄ…cego schematu (Rys. 4).
Najpierw ogrzewamy silnym płomieniem
Rys. 3.
palnika gazowego lewÄ… rurkÄ™ trudnotopli-
Po krótkim czasie spirala zaczyna żarzyć wą, a następnie uruchamiamy pompkę wod-
się i świecić. Świecenie trwa tak długo, do- ną. W odstępach 5 sekundowych wstrzyku-
póki nie zużyje się cały denaturat. jemy kolejne porcje benzyny (po 1 cm3). Po
około minucie wlewamy do po łowy wy so-
Spodziewane obserwacje i wnioski: kości probówki ssawkowej odczynnik do wy-
Efekt świecenia spirali miedzianej towa- krywania tlenku węgla(II)2, a następnie sil-
rzyszy ka
talitycznej reakcji utleniania eta - nym płomieniem ogrzewamy rurkę z katali-
nolu do etanalu  da jącego się rozpoznać zatorem mie dziowym. W dal szym cią gu
po charakterystycznej woni: w odstępach 5-sekundowych wstrzykujemy
dalsze porcje benzyny ze strzykawki. Obser-
Cu
2CH3CH2OH + O2
wujemy zmiany, zachodzÄ…ce na powierzchni
miedzi.
2CH3CHO + 2H2O
Rys. 4.
2
Odczynnik do wykrywania tlenku węgla(II) sporządzamy rozpuszczając 0,17 g azotanu(V) srebra(I) w 2 3 cm3 wo-
dy destylowanej, a następnie dodając 3,6 cm3 10% roz tworu wody amoniakalnej oraz 20 cm3 2 mol/dm3 roztworu
NaOH. Otrzymany roztwór przechowujemy w butelce z ciemnego szkła, by zapobiec działaniu światła na jony srebra,
przyspieszajÄ…cego ich redukcjÄ™. 2[Ag(NH3)2]+ +2H2O + CO 2Ag + 4NH4+ + CO32
Chemia w Szkole
28
Metodyka i praktyka szkolna
Spodziewane obserwacje i wnioski: Oprócz ka talizato rów po wodujących
W probówce ssawkowej nie wytrąca się zwiększenie szybkości reakcji istnieją inhibi-
czarny osad wolnego srebra. Na powierzch- tory, któ rych zadanie po lega na spowolnie-
ni miedzi przemiennie powstaje ciemny na- niu przemian chemicznych. Zjawisko specy-
lot (cha rakterystyczny dla tlen ku mie - ficznego hamowania przebiegu reakcji jest
dzi(II)) oraz od twarza siÄ™ wolna miedz
. określane jako inhibicja. Zaproponuj wy -
ZachodzÄ… procesy utleniania-redukcji, ka- kres, przed stawiajÄ…cy zmiany ener gii wraz
talizowane przez wolnÄ… miedz
. z postępem reakcji, przebiegającej z udzia -
Benzyna ulega niecałkowitemu spalaniu łem inhibitora.
z utworzeniem tlen ku wę gla(II), któ ry
pod wpływem ka talizatora mie dziowego
ulega utlenieniu do tlenku węgla(IV):
2CO + O2 miedz
2CO2
4. Zakończenie lekcji
L ITERATURA
Uczniowie wykonujÄ… zadanie:
[1]. Büttner D.: Blue-Botle  Reaktion, Naturwissenschaften im
Oto przykładowy wykres zmian energii dla Unterricht Chemie, 8, 39, 1997, s. 29 30
reakcji katalitycznej (Rys. 5).
Rys. 5.
prof. dr hab. dr
ROMUALD PIOSIK ELŻBIETA KOWALIK
Zakład Dydaktyki Chemii, Uniwersytet Gdański Zakład Dydaktyki Chemii, Uniwersytet Gdański
6/2007
29