Scenariusz zajęć

Autor: Daria Szeliga, Krzysztof Błaszczak

Przedmiot: chemia

Temat: Od czego zależy szybkość substytucji nukleofilowej – mechanizm ${\mathrm{S}}_{\mathrm{N}}1$ i ${\mathrm{S}}_{\mathrm{N}}2$

Grupa docelowa: uczniowie III etapu edukacyjnego, liceum, technikum, zakres podstawowy i rozszerzony; uczniowie III etapu edukacyjnego – kształcenie w zakresie podstawowym i rozszerzonym

Podstawa programowa:

Poziom podstawowy i rozszerzony

Wymagania ogólne

I. Pozyskiwanie, przetwarzanie i tworzenie informacji. Uczeń:

1) pozyskuje i przetwarza informacje z różnorodnych źródeł z wykorzystaniem technologii informacyjno‑komunikacyjnych.

II. Rozumowanie i zastosowanie nabytej wiedzy do rozwiązywania problemów. Uczeń:

1) opisuje właściwości substancji i wyjaśnia przebieg procesów chemicznych;

4) wskazuje na związek między właściwościami substancji a ich budową chemiczną.

Kształtowane kompetencje kluczowe:

• kompetencje w zakresie rozumienia i tworzenia informacji;

• kompetencje matematyczne oraz kompetencje w zakresie nauk przyrodniczych, technologii i inżynierii;

• kompetencje cyfrowe;

• kompetencje osobiste, społeczne i w zakresie umiejętności uczenia się.

Cele operacyjne

Uczeń:

• wskazuje cząsteczkowość oraz rzędowość reakcji substytucji nukleofilowej typu ${\mathrm{S}}_{\mathrm{N}}2$ oraz ${\mathrm{S}}_{\mathrm{N}}1$;

• analizuje mechanizmy reakcji substytucji nukleofilowej ${\mathrm{S}}_{\mathrm{N}}2$ oraz ${\mathrm{S}}_{\mathrm{N}}1$;

• zapisuje wyrażenie na szybkość reakcji substytucji nukleofilowej ${\mathrm{S}}_{\mathrm{N}}2$ oraz ${\mathrm{S}}_{\mathrm{N}}1$;

• wskazuje czynniki wpływające na szybkość reakcji substytucji nukleofilowej ${\mathrm{S}}_{\mathrm{N}}2$ oraz ${\mathrm{S}}_{\mathrm{N}}1$.

Strategie nauczania:

• asocjacyjna.

Metody i techniki nauczania:

• dyskusja dydaktyczna;

• film samouczek;

• analiza materiału źródłowego;

• ćwiczenia uczniowskie

• technika bateria.

Formy pracy:

• praca całego zespołu klasowego;

• praca w parach;

• praca indywidualna.

Środki dydaktyczne:

• komputer z głośnikami, słuchawkami i dostępem do Internetu;

• tablica interaktywna/tablica i kreda/pisak;

• zasoby multimedialne zawarte w e‑materiale;

• rzutnik multimedialny.

Przebieg zajęć

Faza wstępna:

1. Zaciekawienie i dyskusja. Nauczyciel zadaje uczniom pytanie: „Jakie znacie typy reakcji substytucji nukleofilowej i co oznacza litera oraz cyfra w danym typie (SIndeks dolny N_N1, ${\mathrm{S}}_{\mathrm{N}}2$)”?

2. Rozpoznanie wiedzy wyjściowej uczniów. Uczniowie starają się odpowiedzieć na pytanie: Co wpływa na szybkość substytucji nukleofilowej SIndeks dolny N_N1 i ${\mathrm{S}}_{\mathrm{N}}2$?

3. Ustalenie celów lekcji. Nauczyciel podaje temat zajęć i wspólnie z uczniami ustala cele lekcji, które uczniowie zapisują na kartkach i gromadzą w portfolio.

Faza realizacyjna:

1. Uczniowie zapoznają się z treściami zawartymi w e‑materiale w sekcji „Przeczytaj”, dotyczącymi mechanizmu reakcji typu ${\mathrm{S}}_{\mathrm{N}}2$ i ${\mathrm{S}}_{\mathrm{N}}1$, w celu poszerzenia swojej wiedzy do dyskusji na dalszym etapie lekcji. Nauczyciel również wyświetla na tablicy multimedialnej film samouczek, który przedstawia wpływ różnych czynników na przebieg substytucji nukleofilowej.

2. Uczniowie wraz z nauczycielem analizują mechanizmy reakcji typu ${\mathrm{S}}_{\mathrm{N}}2$ oraz ${\mathrm{S}}_{\mathrm{N}}1$ zawarte w tekście bazowym e‑materiału, a następnie odpowiadają na pytania nauczyciela:

• W którym z mechanizmów występuje spontaniczna dysocjacja substratu? (Odp.: ${\mathrm{S}}_{\mathrm{N}}1$)

• W którym z mechanizmów powstaje stan przejściowy? (Odp.: ${\mathrm{S}}_{\mathrm{N}}2$)

• W którym z mechanizmów powstają produkty przejściowe? (Odp.: ${\mathrm{S}}_{\mathrm{N}}1$)

• Jaki moment reakcji ${\mathrm{S}}_{\mathrm{N}}1$ jest etapem limitującym? (Odp.: spontaniczna dysocjacja substratu)

• Jaki moment reakcji ${\mathrm{S}}_{\mathrm{N}}2$ jest etapem limitującym? (Odp.: Tworzenie stanu przejściowego po ataku nukleofilowym)

3. Wybrani uczniowie przedstawiają na tablicy ogólne równania kinetyczne dla reakcji typu ${\mathrm{S}}_{\mathrm{N}}2$ oraz ${\mathrm{S}}_{\mathrm{N}}1$, podając oznaczenia. ${\mathrm{S}}_{\mathrm{N}}2$ – np.:

gdzie:

• $v$ oznacza szybkość reakcji chemicznej $\left[\frac{\mathrm{mol}}{\mathrm{dm}·\mathrm{s}}\right]$;

• $\left[R-X\right]$ oznacza odpowiednio stężenie molowe halogenku alkilowego lub alkoholu;

• $\left[Nu{:}^{-}\right]$ oznacza stężenie molowe nukleofila (zasada Lewisa, donoru pary elektronowej) jako drugiego substratu w reakcji.

Stała szybkości reakcji jest oznaczana literą k i dla reakcji II‑rzędu posiada jednostkę $\frac{{\mathrm{dm}}^3}{\mathrm{mol}·\mathrm{s}}$ lub inne oznaczenia stężeń substratów, np.: $v=k·\left[A\right]\left[B\right]$, ${\mathrm{S}}_{\mathrm{N}}1$ – np.:

gdzie:

• $v$ oznacza szybkość reakcji chemicznej $\left[\frac{\mathrm{mol}}{{\mathrm{dm}}^3·\mathrm{s}}\right]$;

• $\left[R-X\right]$ oznacza odpowiednio stężenie molowe halogenku alkilowego lub alkoholu.
  Stała szybkości reakcji jest oznaczana literą $k$ i dla reakcji I‑rzędu posiada jednostkę $\frac{1}{\mathrm{s}}$ lub inne oznaczenia stężeń substratów, np. $v=k·\left[A\right]$

4. Uczniowie oglądają film samouczek zawarty w e‑materiale, a następnie w parach, pod kontrolą nauczyciela, rozwiązują ćwiczenia do filmu.

5. Uczniowie pracują w parach z częścią „Sprawdź się”. Wykonują zadania. Nauczyciel może wyświetlić treść poleceń na tablicy multimedialnej. Po każdym przeczytanym poleceniu daje uczniom określony czas na zastanowienie się, a następnie chętna osoba z danej pary udziela odpowiedzi/prezentuje rozwiązanie na tablicy. Pozostali uczniowie ustosunkowują się do niej, proponując ewentualnie swoje pomysły. Nauczyciel w razie potrzeby koryguje odpowiedzi, dopowiada istotne informacje, udziela uczniom informacji zwrotnej. Ćwiczenia, których uczniowie nie zdążą wykonać podczas lekcji mogą być zlecone do wykonania w ramach pracy domowej.

Faza podsumowująca:

1. Uczniowie wraz z nauczycielem tworzą na tablicy mapę myśli, dotyczącą wpływu czynników na substytucję nukleofilową.

2. Uczniowie na planszy z narysowaną baterią i zaznaczonymi poziomami jej naładowania, np. co 5‑10% zaznaczają cenkami w jakim stopniu opanowali zagadnienia wynikające z zamierzonych do osiągnięcia celów lekcji. W przypadku, gdy bateria nie jest naładowana w 100%, zastanawiają się w jaki sposób podnieść swój poziom posiadanej wiedzy?

Praca domowa:

Uczniowie wykonują pozostałe ćwiczenia w e‑materiale – „Sprawdź się”, których nie zdążyli wykonać na lekcji.

Wskazówki metodyczne opisujące różne zastosowania multimedium:

Film samouczek może być wykorzystany przez nauczyciela w ramach metody lekcji odwróconej. Uczniowie medium mogą wykorzystać podczas przygotowywania się do lekcji czy pracy kontrolnej, a uczniowie nieobecni na lekcji mogą je wykorzystać w ramach samokształcenia do uzupełnienia luk kompetencyjnych.

Materiały pomocnicze:

1. Nauczyciel przygotowuje planszę z narysowaną baterią i zaznaczonymi poziomami jej naładowania, np. co 5‑10% do oceny stopnia opanowania zagadnień oraz cenki dla uczniów.

2. Polecenia podsumowujące (nauczyciel przed lekcją zapisuje je na niewielkich kartkach):

• Jakie czynniki wpływają na szybkość reakcji?

• Jaką jednostką wyraża się szybkość reakcji?

• Czy równanie kinetyczne można wyznaczać na podstawie równania reakcji chemicznej czy na podstawie serii doświadczeń?

• Co to jest stała szybkości reakcji?

• Jak wyznaczyć jednostkę stałej szybkości?

• Co to jest energia aktywacji?

• Co to jest stan przejściowy?

• Czym się różni stan przejściowy od produktu przejściowego?