Расчётные задачи по химии учащиеся решают с начала VIII класса и до конца обучения в школе. Решение задач позволяет:
- расширять кругозор учащихся;
- развивать умение логически мыслить;
- воспитывать самостоятельность, внимательность, умение анализировать, делать правильные выводы;
- устанавливать связь химии с другими науками: физикой, математикой, биологией, экологией и др.;
- способствует политехнической подготовке учащихся, готовиться к успешной аттестации по предмету (в том числе и в форме ЕГЭ).
Решая задачи, учащиеся более глубоко усваивают учебный материал, учатся применять приобретённые теоретические знания на практике.
Традиционная методика обучения решения химических задач (чаще всего – это решение задач методом составления пропорций) имеет ряд недостатков. В результате лишь немногие учащиеся сознательно и творчески овладевают общим подходом к решению, умеют оценивать свои действия в процессе решения, самостоятельно составлять условия задач, умеют выбирать рациональные способы решения и др.
Представленная методика обучения решения задач от общих приёмов к частным позволяет решить недостатки традиционных способов обучения. В данной работе показываются приёмы решения задач с использованием основных физических величин. Среди них величина n (или ν) - количество вещества - позволяет связать все основные физические величины друг с другом. Это даёт возможность составлять логические схемы решения задач с использованием этих физических величин.
Задача учителя состоит в том, чтобы научить учащихся 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 учащиеся.
Ниже приведены основные формулы физических величин и их взаимосвязи, которые учащиеся должны знать в обязательном порядке и использовать их при решении.
В данной работе показываются примеры решения некоторых основных типов задач, по которым можно понять методический подход при обучении учащихся.
Исходные формулы, отображающие взаимосвязь физических величин.1. Относительная атомная масса (Ar):
, где x – любой химический элемент.
2. Относительная молекулярная масса (Mr): 
;
.
3. Плотность вещества (ρ) позволяет связать собой массу (m) и объем (V) вещества: 
.
4. Масса, объем, число частиц (N), количество теплоты (Q) связаны между собой универсальной физической величиной – количеством вещества – n(или ν):
5. Относительная плотность (D): 
6. Массовая доля ω:
элемента в веществе: 
; 
;
примеси в веществе: 
;
растворенного вещества в растворе: 
; mр-ра = mр.в.+ mр-ля
mр-ра=Vр-ра· ρр-ра.
7. Объемная доля вещества в смеси (φ) (для газов): 
.
8. Молярная концентрация (Сm или С): 
.
9. Уравнение Клапейрона - Менделеева: 
.
Методика решения задач различных типов.
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. В таблице №1 показано, какие сведения о веществе можно узнать по записи формулы вещества.
Алгоритм решения базовой задачи.
- Заданный по условиям параметр переводим в количество вещества (n или ν).
- По индексам определяем количество вещества искомого химического элемента (n(х) или ν(х)).
- По формулам, отображающим взаимосвязь величин, рассчитываем неизвестный параметр.
Графическая схема решения базовой задачи.
Примеры задач
Задача 1. Рассчитайте число атомов углерода и кислорода в 11,2 л. (н.у.) углекислого газа.
Задача 2. В каком объеме углекислого газа содержится 9,03·1023 атомов кислорода?
Какова его масса?
Задача 3. Газ, плотность которого равна 1,96 г/л (н.у.), состоит из углерода и кислорода, причем ω(C) = 0,27. Определите формулу данного вещества.
Логическая схема решения задачи:
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.
Рассмотрим информацию, содержащуюся в стехиометрических коэффициентах.
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 X (Nx, mx, Vx) другого вещества. Такая задача является простейшей (базовой).
Алгоритм решения базовой задачи (последовательность действий).
- Составляем уравнение химической реакции и выписываем мольные соотношения прореагировавших и получившихся веществ.
- По формулам, отображающим взаимосвязь физических величин, переводим заданную по условию величину в количество (n или ν) исходного вещества.
- По мольным отношениям рассчитываем n определяемого вещества (Х).
- По формулам, отображающим взаимосвязь физических величин, рассчитываем неизвестный параметр X.
Графическая схема решения базовой задачи.
В качестве базовых рассмотрим решение следующих задач:
Задача 1. Вычислите n, m, V углекислого газа, полученного при действии на 50 г карбоната кальция избытком раствора соляной кислоты.
Задача 2. При взаимодействии цинка с избытком раствора соляной кислоты выделилось 1,12 л водорода (н.у.). Вычислите массы растворившегося цинка и образовавшейся соли.
Задача 3. При взаимодействии с избытком соляной кислоты металла (валентность, которого во всех соединениях равна II) массой 12 г образовался водород объемом 6,72 л (н.у.).
Определите, какой это металл.
Усложнение базовой задачи.
Расчет массы реагирующих или образующихся химических соединений на практике осложнен. Это обусловлено несколькими причинами:
- Исходные вещества или продукты реакции задаются в условиях отличных от нормальных.
- Исходные вещества вводятся в виде растворов.
- Во многих случаях реагенты содержат примеси, которые в данной конкретной реакции либо не участвуют вообще, либо образуют отличные от целевого продукта вещества.
- 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. Для перевода условий, отличных от нормальных (для газообразных веществ) используется исходная формула 9 - расчеты физико-химических величин по управлению Клапейрона - Менделеева.
1. Исходные вещества вводятся в виде раствора.
Задача. Сколько граммов 10%-ного раствора гидроксида натрия требуется для нейтрализации
20 г 4,9%-нго раствора серной кислоты?
2. 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 нужные 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 объекте. После этого решается базовая задача.
Обратные задачи заключаются в оценке чистоты исходных веществ по количеству продуктов реакции.
Содержание примеси обычно выражают в частях от единицы (или выражают в %). Эта величина показывает массовую долю чистого вещества (примеси) в исходном образе (формула 1).
Для вычисления массы чистого вещества (или примесей), содержащегося в смеси, используют формулу 2.
(1)
m(смеси) = m(осн.в.) + m(прим.) (2)
Задача. 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 примеси в соде.
3. 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. В реакционном сосуде смешали 6,72 л оксида углерода (II) и 2,24 л кислорода и смесь подожгли. Определите объемный состав полученной смеси.
Используемая литература:
- Кузнецова Н.Е., Лёвкин А.Н. Задачники по химии для учащихся 8 и 9 классов общеобразовательных учреждений. М.: Вентана-Граф, 2008.
- Лидин Р.А., Аликберова Л.Ю. Химия: Справочник для старшеклассников и поступающих в вузы – М.: АСТ-ПРЕСС ШКОЛА, 2002.
- Лидин Р.А., Аликберова Л.Ю. Задачи, вопросы и упражнения по химии: 8-11 кл.: Пособие для учащихся общеобразовательных учреждений. – М.: Просвещение, 2002.