Статья по теме : Решение химических задач

УДК 373.

Мухаметзянова Р.Г.

ОГБПОУ «Димитровградский технический колледж», Россия, г. Димитровград

Активизация  учебно-познавательной деятельности  на занятиях  химии.

Аннотация:. Статья посвящена процессу усвоения химических знаний  и умение использовать полученные знания при решении различных задач.

Ключевые слова:  количество вещества, относительная атомная масса, относительная молекулярная масса, плотность вещества, относительная плотность, массовая доля, объемная доля, молярная концентрация.

  Методика обучения химии решает три основные задачи: чему учить, как учить и как учиться.

           Первая задача определяется отбором материала. При этом учитывается логика развития химической науки и ее истории, психолого-педагогические условия, а также устанавливается соотношение теоретического и фактического материала.

          Вторая задача связана с преподаванием химии.

Преподавание — это деятельность учителя, направленная на передачу химической информации учащимся, организацию учебного процесса, руководство их познавательной деятельностью, привитие практических навыков, развитие творческих способностей и формирование основ научного мировоззрения.

          Третья задача вытекает из принципа «учить учиться»: как наиболее эффективно помочь обучающимся заниматься.

         Эта задача связана с развитием мышления учащихся и заключается в обучении их оптимальным способам переработки химической информации, поступающей от преподавателя  или другого источника знаний (книга, кино, радио, телевидение).

          Управление познавательной деятельностью — сложный процесс, требующий от преподавателя  использования всех средств воздействия на обучающегося.

          По современным психолого-педагогическим требованиям важная роль в процессе усвоения химических знаний отводится использованию получаемых знаний при решении задач различных типов.

          Химическая   задача – это модель проблемной ситуации, решение которой требует

мыслительных и практических действий на основе знания законов, теорий и методов химии, направленная на закрепление, расширение знаний и развитие химического мышления.

          Решение задач требует умения логически рассуждать, планировать, делать краткие записи, производить расчеты и обосновать их теоретическими предпосылками, дифференцировать  определенные проблемы в целом.

          При этом не только закрепляются и развиваются знания и навыки учащихся, полученные ранее, но и формируются новые.

         Задачи, включающие определенные химические ситуации, становятся стимулом самостоятельной работы обучающихся, являются средством контроля и самоконтроля, помогают определить степень усвоения знаний и умений и их использования на практике, позволяют выявлять пробелы в знаниях и умениях и разработать тактику их устранения.

          При решении задач развивается кругозор, память, речь, мышление, а также формируется мировоззрение в целом; происходит сознательное усвоение и лучшее понимание химических теорий, законов и явлений.

          Решение задач развивает, интерес обучающихся к химии  активизирует их деятельность.

Отсюда понятно общепринятое в методике мнение, что мерой усвоения материала следует считать не только знание теории,  а умение использовать полученные знания при решении различных задач.

         На сегодняшний день не существует единого подхода к классификации химических задач.

        Общепризнанной является классификация химических задач на  качественные  и количественные.

         Однако  условно химические расчетные задачи можно разделить на три группы:

          - задачи, решаемые с использованием химической формулы вещества или на вывод   химической   формулы;

        - задачи, для решения которых используют уравнение химической реакции;

        - задачи, связанные с растворами веществ.

         Традиционная методика обучения решения химических задач – это решение задач методом составления пропорций. Лишь немногие  сознательно и творчески овладевают общим подходом к решению, умеют оценивать свои действия в процессе решения, самостоятельно составлять условия задач, умеют выбирать рациональные способы решения.

          Методика обучения решения задач с использованием  метода познания -  дедукции,  (от общих приёмов к частным)  позволяет решить недостатки традиционных способов обучения.

         Так величина n (или ν) - количество вещества - позволяет связать все основные физические величины друг с другом и даёт возможность составлять логические схемы решения задач с использованием этих физических величин.

          Задача преподавателя  состоит в том, чтобы научить обучающихся понимать смысл этих физических величин и применять физические формулы при решении расчётных задач различных типов, научить анализировать условия задач, через составление логической схемы решения конкретной задачи на основе знания общего подхода к решению. Составление логической схемы задачи предотвращает многие ошибки, которые допускают обучающиеся.

          Ниже приведены основные формулы физических величин и их взаимосвязи, которые обучающиеся  должны знать в обязательном порядке и использовать их при решении.            

          Исходные формулы, отображающие взаимосвязь физических величин.

1. Относительная атомная масса (Ar):

                                       ,                                                          (1)

 где Х– любой химический элемент.

                                                                                    (2)

2. Относительная молекулярная масса (Mr):

                                                                                             (3)

3. Плотность вещества (ρ) позволяет связать собой массу (m) и объем (V) вещества:

                                                                                                                                       (4)

4. Масса, объем, число частиц (N), количество теплоты (Q) связаны между собой универсальной физической величиной – количеством вещества – n (или ν):

                                                                                     (5)

5. Относительная плотность (D):

                                                                                             (6)

6. Массовая доля ω:

элемента в веществе: ;          ;         (7)

примеси в веществе: ;                                                           (8)

растворенного вещества в растворе:      ;                                          (9)

                              mр-ра = mр.в.+ mр-ля ;                        mр-ра=Vр-ра· ρр-ра.                 (10)

7. Объемная доля вещества в смеси (φ) (для газов):

                                                .                                                (11)

8. Молярная концентрация (Сm или С):

                                             .                               (12)

9. Уравнение Клапейрона - Менделеева:

                                                           .                                                                   (13)

Рассмотрим методику решения задач основных типов.

1.      Расчеты по химическим формулам.

          Решение данного типа задач начинается с осмысления понятия записи химической формулы, с осмыслением того, что учащиеся могут узнать по записи химической формулы.      Рассмотрим примеры решения задач с использованием веществ только молекулярного строения. Молекулярная (истинная) формула показывает действительное число атомов каждого элемента в молекуле.

Алгоритм решения базовой задачи.

1. Заданный по условиям параметр переводим в количество вещества (n или ν).
2. По индексам определяем количество вещества искомого химического элемента (n(х) или ν(х)).
3. По формулам, отображающим взаимосвязь величин, рассчитываем неизвестный параметр. 

Графическая схема решения базовой задачи.

Задача 1. Рассчитайте число атомов углерода и кислорода в 11,2 л. (н.у.) углекислого газа.

         

       

2. Расчёты по химическим уравнениям.

          Химическими уравнениями называют условную запись химической реакции посредством химических знаков, формул и коэффициентов.

          Уравнение химической реакции показывает, какие вещества вступают в реакцию и какие образуются, а также соотношение количеств этих веществ. Иными словами, химическое уравнение – это способ выражения (передачи) качественной и количественной информации о химическом явлении.

          Запишем уравнение реакции в общем виде:

                                                aA + bB   =  cC +dD,

 где   А и В – исходные вещества,  С и D – продукты реакции,   a, b, c, d – стехиометрические коэффициенты.

         Стехиометрические коэффициенты подбирают на основе того, что число атомов каждого элемента до и после реакции остается неизменным. Это можно рассматривать как следствие закона сохранения массы.

         Отношение стехиометрических коэффициентов равно: отношению числа частиц, вступивших в реакцию и образовавшихся в результате реакции

                               a : b : c : d = N(A) : N(B) : N(C) : N(D)

отношению молярных количеств веществ, вступивших в реакцию и образовавшихся в результате реакции

                                  a : b : c : d = n(A) : n(B) : n(C) : n(D)

отношению объемов, вступивших в реакцию и образовавшихся в результате реакции газообразных веществ

                                  a : b : c : d = V(A) : V(B) : V(C) : V(D).

         Последнее отношение выполняется, если:

-  это газообразные вещества, близкие по свойствам к идеальному газу,

-  объемы этих газов измерены при одинаковом давлении и температуре.

        Несмотря на большое разнообразие задач данного типа, принцип решения их одинаков:

по известному параметру (N, m, V) одного вещества рассчитывается неизвестный параметр (Nx, mx, Vx) другого вещества. Такая задача является простейшей (базовой).

Алгоритм решения базовой задачи (последовательность действий).

1. Составляем уравнение химической реакции (У.Х.Р). и выписываем мольные соотношения прореагировавших и получившихся веществ.
2. По формулам, отображающим взаимосвязь физических величин, переводим заданную по условию величину в количество (n или ν) исходного вещества.
3. По мольным отношениям рассчитываем n определяемого вещества (Х).
4. По формулам, отображающим взаимосвязь физических величин, рассчитываем неизвестный параметр X.

Графическая схема решения базовой задачи.

Задача 2.      Вычислите   n, m, V  углекислого газа, полученного при действии на 50 г     

                      карбоната кальция избытком раствора соляной кислоты.                                                                                  

Задача 3. При взаимодействии цинка с избытком раствора соляной кислоты выделилось 1,12 л водорода (н.у.). Вычислите массы растворившегося цинка и образовавшейся соли.

             Расчет массы реагирующих или образующихся химических соединений на практике  может быть осложнен. Это обусловлено несколькими причинами:

1. Исходные вещества или продукты реакции задаются в условиях отличных  от нормальных.
2. Исходные вещества вводятся в виде растворов.
3. Во многих случаях реагенты содержат примеси, которые в данной конкретной реакции либо не участвуют вообще, либо образуют отличные от целевого продукта вещества.
4. Выход продуктов не соответствует теоретическому, т.к. очистка целевого вещества приводит не только к освобождению от многочисленных примесей, но и к частичной потери основного вещества.

         Таким образом, перед использованием исходных данных для решения задачи и подстановки их в основную цепь расчетов необходимо провести те или иные дополнительные преобразования.  Так,  например для перевода условий, отличных от нормальных (для газообразных веществ) используется  расчеты физико-химических величин по уравнению  Клапейрона - Менделеева.

3. Задачи, связанные с растворами веществ.

Задача 4. Сколько граммов 10%-ного раствора гидроксида натрия требуется для нейтрализации   20 г 4,9%-нго раствора серной кислоты?

4. Расчет количественных параметров продуктов реакции, если исходные вещества содержат примеси, расчет массовой доли примеси.

         Абсолютно чистого вещества в природе не бывает, поэтому в химических производствах вынуждены использовать исходные вещества, содержащие примеси. Эти примеси обычно имеют отличные от основного вещества свойства и, поэтому не образуют в процессе производства необходимые  продукты.

         В связи с этим, чтобы определить количественные параметры получаемого продукта, необходимо вначале рассчитать количественные параметры вступающего в реакцию чистого вещества, которое содержится в исходном веществе. После этого решается базовая задача.

        Содержание примеси обычно выражают в частях от единицы (или выражают в %). Эта величина показывает массовую долю чистого вещества (примеси) в исходном веществе

Для вычисления массы чистого вещества (или примесей), содержащегося в смеси, используют формулы:

                                              

                                       m(смеси) = m(осн.в.) + m(прим.)

Задача 5. При взаимодействии 10,8 г кальцинированной соды (безводный карбонат натрия)

с избытком раствора соляной кислоты получили 2,24 л (н.у.) оксида углерода (IV).

Вычислите содержание примесей в соде.

5 . Расчеты по химическим уравнениям, если одно из реагирующих веществ дано в избытке.

            Как быть, если одновременно заданы параметры нескольких реагирующих веществ? По какому из них вести расчет? Это определяют, сравнения отношения стехиометрических коэффициентов и отношение количеств вещества, взятых для данной реакции.

         Если один из реагентов присутствует в количестве больше, чем стехиометрическое, то часть его остается неиспользованной после окончания реакции (избыток вещества). Очевидно, что расчеты нужно вести по веществу, которое в данной реакции расходуется полностью (т.е. находится в недостатке).

Задача 6. В реакционном сосуде смешали 6,72 л оксида углерода (II) и 2,24 л кислорода и смесь подожгли. Определите объемный состав полученной смеси.

            Для решения задачи по химии следует придерживаться нижеприведенного порядка действий.  И чем точнее вы выполните указанные ниже рекомендации, тем быстрее будет найдено правильное решение.

1. Записать уравнение реакции (при необходимости), не забыть расставить коэффициенты. Для наглядности, над соответствующими соединениями, записать известные и неизвестные данные.
2. Определить, каким способом можно найти неизвестные данные. Можно ли это сделать в одно действие или в несколько. Возможно, придется воспользоваться таблицей Менделеева (для определения молекулярной массы, например) или другими справочными данными (например, при переводе массы вещества в объем, необходимо знать его плотность).
3. Далее, при необходимости, составить пропорцию (хотя этот способ имеет много противников) или использовать понятие количество вещества. Либо подставить известные и найденные данные в необходимые формулы. Напоминаю, что действий в большинстве случаев больше одного, поэтому определите, какие данные в выбранной формуле для нахождения требуемого параметра, неизвестны и постарайтесь их найти, применяя необходимые пропорции или формулы.
4. При необходимости использования формул, следите за единицами измерений. Иногда бывает необходимо перевести их в систему СИ.

             В конце еще раз прочитайте условие задачи и проверьте логичность  своих  рассуждений при  решении задачи.

         Химия – наука, которая очень тесно связана с окружающим нас миром. Она настолько глубоко внедрилась в нашу жизнь, что невозможно представить существование без нее. В быту: при приготовлении пищи, консервировании, уборке дома, стирке, мы, сами того не замечая, используем знания о химических процессах. При производстве любого окружающего нас предмета, на том или ином этапе его получения, также необходимо применение химических знаний. Сохранение здоровья также напрямую зависит от того, насколько обширны наши знания о химии.

       Теоретические знания этой науки и умение производить вычисления помогут вам лучше ориентироваться в реальной жизни. Если вы получаете химическое или тесно связанное с химией образование, то просто необходимо научиться решать задачи по химии. На производстве, в химической и экологической лаборатории очень часто вам придется производить вычисления, правильность которых будет зависеть от того навыка.