Определение качественного состава и расчет количественного состава минеральных удобрений

Изменение форм и содержания экзаменационных работ ГИА-9 по ряду предметов требует больше внимания к решению метапредметных задач несмотря на то, что в учебниках и дидактических пособиях количество таких заданий невелико. Выбор темы работы обусловлен тем, что в экзаменационных работах по химии и математике появляются практико-ориентированные задачи, направленные на определение процентного содержания, нахождение процентов от числа и т.д., работу с числовыми данными, представленными в виде таблиц и диаграмм. Экзамен по информатике включает в себя задания на построение диаграмм средствами электронных таблиц MS Excel, а также задания на заполнение таблиц. Задания на определение массовой доли вещества с помощью диаграмм появились в контрольно-измерительных материалах экзамена по химии. С появлением практической части в экзамене по химии возникает необходимость продемонстрировать учащимся не только знания качественных реакций на ионы, но и навыки химического практикума в доказательстве качественного состава вещества.

Большие объемы вычислений, а также необходимость проведения сравнительного анализа с помощью построения диаграмм делает целесообразным использование средств информационно-компьютерных технологий при решении подобных задач.

Учащимся 9-х классов была предложена работа по распознаванию качественного состава минеральных удобрений с составлением блок-схем работы, расчету количественного состава веществ с построением диаграмм на ПК.

Работа рассчитана на 2 урока.

Цель урока: выявление общности и взаимосвязи математики, химии и информатики для решения практико-ориентированных задач.

Задачи урока:

Образовательные:

• формировать навыки распознавания химических веществ по их внешнему виду, растворимости и структуре;
• закрепить навыки проведение качественных реакций на определенные ионы;
• повторить порядок вычисления массовой доли элементов в веществе с помощью пропорции;
• применить умение наглядного отображения полученных данных с помощью круговых диаграмм;
• формировать навык составления блок-схемы экспертной системы «Распознавание минеральных удобрений».

Воспитательные:

• воспитывать чувство взаимопомощи, формирование умения работы в группе;
• развивать познавательный интерес к предметам, способности к сотрудничеству;
• стимулировать учащихся к самовыражению, создавая ситуации успеха.

Развивающие:

• побуждать интерес к химии, математике и информатике путем решения практико-ориентированных задач;
• совершенствовать знания, полученные на уроках информатики, математики и химии;
• развивать мыслительные способности учащихся, умение анализировать, выделять общие и отличительные свойства.

Алгоритм подготовки занятия

1. Класс делится на 4 группы. Каждая группа получает задание для подготовки к уроку и делает презентацию по заранее выданному плану (классификации удобрений, влияние их на растения и здоровье человека, качественные реакции на ионы, входящие в состав удобрений) по одной из групп минеральных удобрений (азотные, фосфорные, калийные, комплексные).
2. Подготовка кабинетов химии и информатики
3. Подготовка дидактического материала обобщенного вида, предполагающего задействование эмоционального, чувственного восприятия
4. Разработка заданий разного толка (инструкционные карты, шаблоны блок-схем, задачи для расчетов)
5. Выбор форм занятия: лабораторная работа «Распознавание удобрений» и практическая работа «Определение количественного состава удобрений».

В качестве основной формы работы использовалась групповая форма (в малых группах по 6-7 человек).

Для каждой группы было подготовлено оборудование для проведения лабораторных работ. Комплект содержал:

• штатив с пробирками,
• дистиллированная вода,
• 5% раствор ВаСl₂,
• 1% раствор AgNО₃,
• 10% раствор NaOH,
• 10% раствор НСl,
• универсальная индикаторная бумага,
• пронумерованные образцы удобрений,
• кусочки древесного угля,
• спиртовка,
• тигельные щипцы.

Перед началом работы учащиеся прослушали инструктаж по технике безопасности.

Для каждой группы были разработаны инструкционные карты с методикой выполнения практической части, таблицей для оформления работы и шаблоны блок-схем для каждого учащегося. Также, каждая группа получила задания для численных расчетов качественного состава удобрений

I. Определение качественного состава минеральных удобрений (Теоретические основы работы)

Великий немецкий химик Юстус Либих сказал: «Продавая урожай со своего поля, крестьянин продает само поле…»

В 1840 году Ю.Либих впервые указал на истощение почв минеральными веществами и на необходимость возвращения их в почву.

Минеральные удобрения - это вещества, содержащие три питательных элемента - азот, фосфор, калий - и способные в почвенном растворе диссоциировать на ионы.

Теоретические основы работы:

Цель распознавания состоит в том, чтобы познакомиться с удобрениями, их свойствами и по одной или двум реакциям, специфическим для каждой соли, быстро отличать одно удобрение от другого.

Выступление представителей от каждой группы с презентациями о минеральных удобрениях разных видов. Ответы на вопросы соперников.

В тетрадях дети делают записи о качественных реакциях на ионы, которые помогают распознавать качественный состав удобрений: Техника распознавания удобрений.

Цвет удобрений различный от чисто белого до черно-синего и зависит от цвета исходного сырья, наличия в нем примесей, способа производства.

• Цвет азотных удобрений в основном белый, светло-серый, иногда с грязно-синим, желтоватым или темно-серым оттенком.
• Фосфорные удобрения имеют светло-серый и темно-серый цвет. Фосфоритная мука - землисто-темный тяжелый тонкий порошок.
• Хлористый калий в нашей стране выпускают в виде кристаллов белого, а также гранул кирпично-красного цвета. Сульфат калия имеет белый с желтоватым оттенком цвет.
• Известняковые материалы обычно белого или палевого цвета.

Структура удобрений. Твердые удобрения представляют порошки или муку, кристаллы различной величины и формы, иногда с блестящими гранями и гранулы.

Все азотные и все калийные удобрения представляют кристаллические вещества.

Аммонийная селитра представляет белые с сероватым оттенком кристаллы, которые холодят руку.

В гранулированном состоянии выпускают аммонийную и кальциевую селитры, двойной и простой суперфосфат, хлористый калий и большинство комплексных удобрений.

Растворимость удобрений в воде. При определении растворимости в пробирку помещают около 2 грамм удобрения и приливают двадцатикратное количество воды. Содержимое пробирки встряхивают 1 минуту. Полной растворимости не всегда следует ожидать, так как удобрения иногда содержат нерастворимые примеси.

Азотные, калийные, сложные удобрения хорошо растворимы в воде.

К трудно растворимым относят большинство фосфорных и известняковых солей. Фосфоритная мука в воде нерастворима.

Качественное распознавание удобрений.

Минеральные удобрения - это соли, состоящие в основном из ионов:

NH₄⁺, K⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, NO₃^-, CI ^-, SO₄^2-, H₂PO₄^-, HPO₄^2-, PO₄^3- и других.

Аммонийную группу легко обнаружить, действуя на раствор удобрения щелочью.

NH₄⁺ + OH^- = NH₃↑ + H₂O

В пробирку к водному раствору удобрения прибавить 1/3 от объёма 8-10% раствора щелочи NaОН, подогреть на спиртовке. В результате реакции выделяется аммиак, который легко обнаружить по запаху. Это значит, что удобрение содержит азот.

Соли азотной кислоты называют селитрами. Присутствие аниона NO₃^- в растворе соли устанавливают с помощью медных стружек и концентрированной серной кислоты. К проведению этой реакции нужно отнестись с особой осторожностью!!!

Можно использовать полоски нитрат-теста.

Реакция удобрений на раскаленном угле. Селитры, введенные в пламя спиртовки, вспыхивают и быстро сгорают за счет выделения кислорода. Между собой селитры различают по цвету окраски пламени при горении спиртовки:

• аммонийная селитра (NH₄NO₃) вспыхивает и сгорает ярким бесцветным пламенем, иногда плавится, кипит и выделяет белый дым с запахом аммиака;
• натриевая селитра (NaNО₃) вспыхивает, быстро сгорает, окрашивая пламя спиртовки в жёлто-оранжевый цвет;
• калийная селитра (KNO₃) вспыхивает и сгорает, окрашивая пламя в фиолетовый цвет;
• кальциевая селитра (Ca(NO₃)₂) плавится и образует белый налет извести на угле.

Фосфорные, известняковые, калийные удобрения, гипс на раскалённом угле не изменяются, запаха не дают, за исключением костной муки.

Присутствие аниона SO₄^2- в удобрениях устанавливают с помощью 5% раствора хлорида бария.

SO₄^2- + Ba²⁺ → BaSO₄↓ (молочно-белый осадок)

Образующийся сульфат бария нерастворим в уксусной и соляной кислотах.

Анион Cl ^- в удобрениях обнаруживают с помощью 1% или 2% раствора АgNO₃.

Cl ^- + Ag+ = AgCl↓ (белый творожистый осадок)

Фосфорные и известняковые удобрения. Распознавание начинают с взаимодействия их с 10% раствором HCI. Для этого около 1 г удобрения поместить в фарфоровую чашку и добавить к нему кислоту. Если удобрение «вскипает» (выделение СО2), то в нем содержатся карбонаты или примесь карбонатов.

CO₃^2- + 2H⁺ = H₂O +CO₂↑

При взаимодействии кальциевой селитры (азотное удобрение) с раствором щелочи выпадает белый осадок. Эта реакция на водорастворимый кальций.

Сa²⁺ + 2OH^- = Ca(OH)₂↓ (белая суспензия)

Анионы PO₄^3-, H₂PO₄^-в удобрениях находят с помощью 2-% раствора азотнокислого серебра. Водную суспензию удобрения тщательно перемешать, частицам дать осесть, добавить в нее 2-3 капли AgNO₃. В пробирке появится желтый осадок.

H₂PO₄^- + 3Ag⁺ = 2H⁺ + Ag₃PO₄↓ (желтый цвет)

PO₄^3- + 3Ag⁺ = Ag₃PO₄↓ (желтый осадок)

Порядок выполнения работы

1. Распознавание начинают с внимательного осмотра каждого удобрения. Определяют цвет, запах, однородность, влажность, структуру и сыпучесть удобрений. Полученные результаты записываются в таблицу.
2. Устанавливают растворимость удобрения в воде. Соль растворяют в воде. Если удобрение плохо или нерастворимо в воде, то следует уделить внимание цвету, запаху и структуре, а потом подействовать на сухую соль соляной кислотой.
3. Раствор соли разливают на несколько пробирок. Растворы используют для проведения качественных реакций на ионы со щелочью, хлористым барием, азотнокислым серебром и другими реактивами. Полученные результаты записываются в таблицу. (Приложение 1)
4. Для сильных учащихся можно предложить сделать на ПК блок-схему, отражающую порядок распознавания минеральных удобрений.
5. Приступают к расчету количественного состава удобрений. Результат оформляют в виде диаграммы на ПК.
   Предложенный учащимся план работы представлен в (Приложении 2).
   1. Пользуясь математическими правилами определения доли от целого, учащиеся составляют формулу для расчета массовой доли химического элемента в соединении в зависимости от молекулярной массы вещества и относительной атомной массы элемента.
   2. Получить задания по вариантам для расчета массовой доли химических элементов в различных удобрениях.
   3. Вычислить массовые доли элементов и заполнить расчетные карты для каждого вида предложенных минеральных удобрений.
   4. Результаты расчетов внести в электронную таблицу MS Excel согласно определенной заранее форме.
   5. Используя возможности электронных таблиц, построить диаграммы, отражающие содержание различных элементов в минеральных удобрениях.
   6. После выполненной работы сделать вывод о применении тех или иных удобрений в различные периоды сельскохозяйственных работ.
6. Подведение итогов урока.
7. Домашнее задание.