Методические рекомендации по решению расчётных задач

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

«ЛИЦЕЙ ГОРОДА АБДУЛИНО»

МУНИЦИПАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ АБДУЛИНСКИЙ РАЙОН

ОРЕНБУРГСКОЙ ОБЛАСТИ

Методические

рекомендации по решению и оформлению расчетных задач по химии

(из опыта работы учителя химии МБОУ «Лицей г Абдулино»)

Зарипова Халима Сафуановна-учитель химии

Высшей квалификационной категории,

Почетный работник общего образования РФ

Стаж педагогической работы -30лет

2014-2015 учебный год

Оглавление

1. Введение

2. Место и роль расчетных задач в курсе химии

3. Общие рекомендации к решению и оформлению расчетных задач

4. Методика решения некоторых вариантов расчетных задач по органической и неорганической химии.

Решение химических задач - важная сторона овладения знаниями основ науки химии.

Включение задач в учебный процесс позволяет реализовать следующие дидактические принципы обучения:

• обеспечение самостоятельности и активности учащихся;

• достижение прочности знаний и умений;

• осуществление связи обучения с жизнью;

• реализация политехнического обучения химии, профессиональной ориентации.

Умение решать расчетные задачи является одним из показателей уровня развития химического мышления школьников, глубины усвоения ими учебного материала.

Значение решения задач в школьном курсе химии переоценить трудно. Во-первых, решение задач - это практическое применение теоретического материала, приложение научных знаний на практике. Успешное решение задач учащимися поэтому является одним из завершающих этапов в самом познании.

Решение задач требует от учащихся умения логически рассуждать, планировать, делать краткие записи, производить расчеты и обосновывать их теоретическими предпосылками, дифференцировать определенные проблемы на отдельные вопросы, после ответов на которые решаются исходные проблемы в целом.

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

Решение задач как средство контроля и самоконтроля развивает навыки самостоятельной работы; помогает определить степень усвоения знаний и умений и их использования на практике; позволяет выявлять пробелы в знаниях и умениях учащихся и разрабатывать тактику их устранения.

Во-вторых, решение задач - прекрасный способ осуществления межпредметных и курсовых связей, а также связи химической науки с жизнью.

При решении задач развиваются кругозор, память, речь, мышление учащихся, а также формируется мировоззрение в целом; происходит сознательное усвоение и лучшее понимание химических теорий, законов и явлений. Решение задач развивает интерес учащихся к химии, активизирует их деятельность, способствует трудовому воспитанию школьников и их политехнической подготовке.

Место расчетных задач в процессе обучения химии.

При объяснении нового материала задачи помогают иллюстрировать изучаемую тему конкретным практическим применением, в результате учащиеся более осознанно воспринимают теоретические основы химии.

Использование задач при закреплении новой темы позволяет учителю выявить, как усвоен новый материал, и наметить методику и план дальнейшего изучения данного вопроса.

Решение задач дома способствует привлечению учащихся к самостоятельной работе с использованием не только учебников, но и дополнительной, справочной литературы.

С целью текущего, а также итогового контроля и учета знаний лучшим методом является также расчетная задача, так как при ее решении можно оценить все качества ученика, начиная от уровня знания теории до умения оформлять решение в тетради.

Особое место занимает решение задач при повторении и обобщении учебного материала. Именно здесь в большей степени реализуются курсовые и предметные связи, а также системность и целостность изучаемой темы или курса в целом.

Таким образом, использование расчетных задач в школе позволяет в значительной мере решать основные функции обучения и воспитания.

Обучающие функции (их можно считать ведущими) обеспечиваются формированием важных структурных элементов знаний, осмыслением химической сущности явлений, умением применять усвоенные знания в конкретно заданной ситуации. Решение задач - это активный познавательный процесс.

Воспитывающие функции реализуются формированием мировоззрения, осознанным усвоением материала, расширением кругозора в краеведческих, политехнических вопросах. Учебные задачи являются действенным средством воспитания трудолюбия, настойчивости, воли, характера.

Развивающие функции проявляются в результате формирования научно-теоретического, логического, творческого мышления, развития смекалки учащихся, в будущем - изобретательности и ориентации на профессию химика. Решение задач - это мыслительный процесс.

Учитывая дидактические функции учебных задач, учитель сможет реализовать образовательные, воспитательные и развивающие цели в их единстве и дидактической связи.

На основе анализа психологической и методической литературы химической задаче можно дать такое определение:

ХИМИЧЕСКАЯ УЧЕБНАЯ ЗАДАЧА - это модель проблемной ситуации, решение которой требует от учащихся мыслительных и практических действий на основе знания законов, теорий и методов химии, направленная на закрепление, расширение знаний и развитие химического мышления.

Решение задач не самоцель, а цель и средство обучения и воспитания учащихся. В связи с этим проблема решения задач является одной из основных для дидактики, педагогической психологии и частных методик.

Сформулировать задачу, приступить к решению с пониманием ее психологической сущности означает найти проявление тех внешних обстоятельств, через которые обеспечивается умственная активность школьников. Если эти обстоятельства станут предъявляться не в виде задачи, то они не будут вызывать у учащихся необходимых усилий и ограничатся лишь фиксацией отдельных бессвязных фактов.

Трудность решения задач зависит от объективного содержания и субъективного опыта. Задачи бывают репродуктивные и продуктивные. Механизм их решения различен. Репродуктивные - это типовые задачи, при решении которых возможно применение алгоритмов. В этом случае учитель сам объясняет ход их решения.

Продуктивные - творческие задачи, в них необходимо самостоятельно найти способы решения. Для этого недостаточно организованного опыта, необходим качественно иной опыт, заключающийся в умении логически мыслить, анализировать ситуацию в способности к интуитивному решению проблемы как высшего проявления логического мышления.

Психологический анализ обучения свидетельствует о том, что усвоение знаний происходит в процессе активной мыслительной работы учащегося при решении им задачи через выделение существенных сторон проблемы путем анализа, абстрагирования и обобщения. Решение задач предполагает целенаправленный, научно обоснованный ход деятельности.

Бессистемно отобранные задачи, не связанные с теориями и законами, не обеспечивают должного развития мышления. Необходима продуманная система последовательно усложняющихся задач, отражающих явления в их взаимосвязи и развитии. Следует обращать внимание на применение полученных знаний на практике.

Правильно подобранные задачи в соответствии с уровнем развития учащихся не только реализуют их психологический потенциал, но и мобилизуют личность в целом, охватывая эмоциональную сферу, интересы, потребности.

Решение химических задач состоит из многих операций, которые должны последовательно соединяются между собой и привести к результату

Решение задачи всегда следует начинать с анализа условия и составления плана ее решения, при этом определяются:

1. числовые данные задачи, которые при необходимости приводятся в единую систему единиц (количественная сторона задачи);

2. перечень химических веществ и явлении в их взаимосвязи и взаимообусловленности, основные теоретические положения, необходимые для решения задачи (качественная сторона задачи);

3. соотношения между качественными и количественными данными задачи в виде формул, уравнений, пропорций, законов;

4. алгоритм решения задачи, т. е. последовательность ее решения, начиная с конечного вопроса задачи до данных по условию.

5. Проанализировав задачу и наметив план решения, приступают к его выполнению. Записывают кратко условие задачи, используя общепринятые обозначения и сокращения. Каждое действие решения оформляется вопросом, результат вычисляют с необходимой точностью с обозначением соответствующих единиц.

Методику решения некоторых вариантов расчетных задач по органической и неорганической химии предлагаю к рассмотрению.

1. Тема « Сера и ее соединения»

Задача №1.

Насыщенный при 20 градусах водный раствор некоторой соли, представляющей собой сульфат двухвалентного металла, имеет массовую долю 0,39. Когда к этому раствору, взятому в достаточном количестве, добавили 4,5г. той же безводной соли, то в осадок выпало 11,6г. пятиводного кристаллогидрата. Установите формулу соли.

Решение

При добавлении к насыщенному раствору безводной соли происходит связывание воды этой солью и масса несвязанной воды уменьшается, поэтому из раствора выпадает осадок кристаллогидрата. Раствор снова становится насыщенным, а т.к. температура не изменялась, то и массовая доля безводной соли в нем не изменилась.

Введем следующие обозначения:

• Х - молярная масса металла,

• У - масса растворенной безводной соли в насыщенном растворе,

• Z - масса насыщенного раствора.

При тех действиях, которые описаны в задаче, изменяются обе величины, позволяющие вычислить массовую долю растворенного вещества.

1. Находим новую массу безводной соли в насыщенном растворе после выпадения осадка

m(MeSO₄ ) = y + 4,5 - (11,6 . (х + 96) : (х + 186)

Где (Х+96) - это молярная масса безводной соли, а (Х+186) - это молярная масса пятиводного кристаллогидрата этой соли.

2. Находим новую массу раствора

M(раствора)=Z + 4,5 - 11,6 = Z - 7,1

Несмотря на то, что обе величины изменились, массовая доля растворенного вещества в этом растворе равна 0,39. На этом основании можно записать выражение:

у : х =( у +4,5 - 11,6. (х +96) : (х + 186) ) : (z -7,1)

Найдя Х из этого выражения, получаем Х= 55,12. Следовательно этот элемент -марганец и формула соли MnSO₄ .5H₂O

Задача №2.

Сульфид металла массой 4,4 г. имеет формулу MeS (металл может проявлять степень окисления +2 и +3), его подвергли обжигу в избытке кислорода. Твердый остаток растворили в строго необходимом количестве 37,8% - ной азотной кислоты. Массовая доля соли в полученном растворе - 41,7%. При охлаждении этого раствора выпало 8,08г. кристаллогидрата, а массовая доля соли снизилась до 34,7%. Установите формулу кристаллогидрата.

На основании условия задачи записываем уравнения реакций

4 MeS + 7 O₂ = 2 Me₂ O₃ + 4SO₂ (1)

Me₂O₃ + 6 HNO₃ = 2 Me (NO₃)₃ + 3H₂O (2)

Вводим обозначения: Х - молярная масса неизвестного металла,

У - количество вещества сульфида металла,

Тогда молярная масса сульфида (Х + 32)

По уравнению реакции (1) количество вещества оксида металла в два раза меньшее, чем сульфида, т.е. 0,5У , а азотной кислоты по уравнению (2) в шесть раз больше, чем оксида, т.е. 3У

1.Находим количество вещества для сульфида металла

У=4,4/(Х+32) моль

2.Находим массу азотной кислоты, пошедшей на растворение оксида металла

М(HNO₃) = 63г/моль

M(HNO₃) = n(HNO₃) . M(HNO₃) = 3У.63 г.

3.Находим массу 37,8%-ного раствора азотной кислоты, пошедшего на растворение оксида металла

m( раствора HNO₃ ) = 3y .63/0,378 = 500y г.

Общая масса раствора после растворения оксида металла складывается из их масс. Находим массу оксида:

m ( оксида) = n (оксида) .М (оксида)

n (оксида) = 2х = 48 г/моль

4.Находим массу раствора соли

m(раствора соли) = 500у + 0,5у. (2х + 48) = у (х + 524 ) г.

5.Находим массу соли в растворе

M (соли) = х + 186 г/моль

m (соли) = у (х + 186)г.

По условию задачи массовая доля соли в растворе в растворе равна 0,417, что позволяет записать следующее выражение:

0,417 = у ( х + 186 ) : у ( х + 524)

Откуда Х= 56 - это железо, и формула сульфида - FeS , формула оксида - Fe₂O₃

Формула соли - Fe(NO₃)₃

После того как мы нашли формулы веществ, можно вычислить все недостающие величины:

6.Находим количество вещества сульфида железа

п (FeS )= m (FeS) : M (FeS) = 4,4 : 88 = 0,05 моль

7.Находим массу нитрата железа (3) в растворе

m ( Fe (NO₃ )₃ = 0,05.242 = 12,1г.

8.Находим массу раствора соли

m( раствора) =m (соли) : w (соли) = 12,1 : 0,417 = 29г.

При охлаждении раствора из него выпадает 8,08 г. кристаллогидрата нитрата железа(3) и масса раствора становится меньше на эту величину.

9.Находим массу раствора после выпадения осадка

m₁(раствора) = 29 - 8,08 = 20,92г.

10.Находим массу нитрата железа(3), в оставшемся растворе

m ₁ (Fe(NO₃)₃ = 20.92.0,347 = 7,26г.

11.Находим массу нитрата железа(3), оказавшуюся в составе выпавшего кристаллогидрата

m₂ (Fe(NO₃)₃) = 12.1 - 7,26 = 4,84 г.

Теперь можно определить формулу кристаллогидрата, т.к. известна его масса и масса безводной соли в его составе.

12.Находим массу воды в составе кристаллогидрата.

m (H₂O) = 8,08 - 4.84 = 3,24 г.

13.Находим количество вещества воды в составе кристаллогидрата

n (H₂O) = 3,24 : 18 = 0,18 моль

Т.к. получено соотношение 0,05:0,18 или 1:9, формула кристаллогидрата - Fe(NO₃)₃ . 9H₂O

Тема «Азот и его соединения»

Задача №3.

Хлорид аммония массой 42,8г. смешали с избытком гашеной извести и нагрели до полного прекращения реакции. Собранный газ поместили в закрытый сосуд и нагрели до 500 градусов. После нагревания газовая смесь была приведена к первоначальным условиям, ее плотность по водороду равна 4,474. Определите массовые доли газов в полученной смеси.

Записываем уравнения необходимых реакций:

2NH₄CL + Ca (OH )₂ = CaCl₂ + 2NH₃ + 2H₂O (1)

2NH₃ = N₂ + 3H₂ (2)

1.Находим количество вещества хлорида аммония

n (NH₄CL) = 42,8 : 53,5 = 0,8 моль

При нагревании до 500 градусов определенная часть аммиака подвергается разложению и в системе устанавливается динамическое равновесие. Пусть х - это количество вещества азота в уравнении реакции (2), тогда количество вещества водорода по уравнению реакции - 3х, а израсходованного аммиака - 2х. Остаток аммиака в равновесной системе составит: 0,8 - 2х

1. Находим молярную массу равновесной смеси

М (смеси) = D (Н₂).М (Н₂)

М (смеси) = 2 . 4,474 = 8,948 г/моль

Разложение аммиак производили в закрытом сосуде, следовательно масса всех веществ до и после реакции равны.

2. Находим массу аммиака

m(NH₃) = 0,8 . 17 = 13,6 г.

Общее количество всех веществ в смеси равно:

0,8 - 2х + х + 3х = 0,8 + 2х моль

Это количество вещества имеет массу 13,6г. Откуда следует, что

(0,8 + 2х ) моль имеет массу 13,6г.

1 моль смеси ----------8,948г. откуда х = 0,36

Таким образом, равновесная смесь содержит: 0,36 моль азота,

1,08 моль водорода

( 0,8 - 2 . 0,36) = 0,08 моль аммиака

3. Находим массу газов в равновесной смеси

m(NH₃) = 0,08 . 17 = 1,36г.

m(N₂) = 0,36 . 28 = 10,08г.

m(H₂) = 1,08 . 2 = 2,16г.

5.Находим массовые доли газов в равновесной смеси:

W(NH₃) = 1,36 : 13,6 = 0,1 = 10%

W(N₂) = 10,08 : 13,6 = 0,741 = 74,1%

W(H₂) = 2,16 : 13,6 = 0,159 = 15,9%

Задача №4.

В 200г. 63% - ного раствора азотной кислоты растворяли медь до тех пор, пока раствор не оказался 45,95% - ным по азотной кислоте. Затем этот раствор добавили к равному по массе 11,95% - ому раствору сульфида натрия. Определите массовые доли веществ в растворе после удаления черного осадка.

По условию задачи составляем уравнение реакции меди с конц. азотной кис- лотой :

Cu + 4 HNO₃ = Cu (NO₃) + NO₂ + 2 H₂O

Полученный нитрат меди дает с сульфидом натрия нерастворимый в азотной кислоте осадок сульфида меди(2) черного цвета:

Cu (NO₃)₂ + Na₂S = CuS + 2 NaNO₃

1. Находим массу азотной кислоты в растворе

m(HNO₃) = 200 . 0,63 = 126г.

2. Находим количество вещества азотной кислоты

n(HNO₃) = 126 : 63 = 2моль

Пусть в реакцию вступает х моль меди, тогда по уравнению реакции расходуется 4х моль азотной кислоты и выделяется 2х моль оксида азота(4). Масса раствора, получившегося при растворении меди равна:

m (конечногораствора) =m( исходного раствора) + m(меди) -m( выделившегося диоксида азота)

m(раствора) = 200 + 64х - 2х . 46

Новая массовая доля азотной кислоты в растворе позволяет вычислить количество вещества меди.

3. Находим количество вещества меди, вступившей в реакцию

0,4505 = 126 - 4х . 63 : (200 - 28х) х = 0,15 моль

4. Находим массу раствора, получившегося после растворения меди :

(раствора) = 200 + 0,15 . 64 - 0,3 . 46 = 195,8 г.

5. Находим массу, а затем количество вещества сульфида натрия:

m(Na₂S) = m раствора . W(Na₂S) = 195,8 . 0,1195 = 23,4 г.

n(Na₂S) = m (Na₂S)/ M (Na₂S) = 23,4 : 78 = 0,3 моль

В реакцию с нитратом меди вступает 0,15 моль сульфида натрия, следовательно, в растворе остается непрореагировавшим 0,3 - 0,15 = 0,15 моль сульфида натрия.

Количество вещества сульфида меди равно 0,15 моль, а нитрата натрия - 0,3 моль. В растворе после отделения осадка еще содержится азотная кислота в количестве

2 - 0,6 = 1,4 моль.

Следовательно, возможно взаимодействие сульфида натрия с азотной кислотой по уравнению

Na₂S + 2HNO₃ = H₂S + 2NaNO₃ c выделением сероводорода, растворимосью которого в данных условиях можно пренебречь; количество вещества сероводорода равно 0,15 моль, а нитрата натрия при этом получается 0,3 моль.

Общее количество нитрата натрия равно 0,6 моль, а остаток азотной кислоты -

1,4 - 0,3 = 1,1 моль

6. Находим массу выделившегося сероводорода:

m(H₂S ) = 0,15 . 34 = 5,1г.

7. Находим массу конечного раствора:

m(р-ра) = 195,8 +195,8 - 0,15 . 96 - 5,1 = 372,1 г.

8. Находим массу оставшейся в растворе азотной кислоты:

m₂(HNO₃ ) = 1,1 . 63 = 69,3 г.

9. Находим массу нитрата натрия:

m(NaNO₃ ) = 0,6 . 85 = 51 г.

10. Вычисляем массовые доли веществ в растворе:

W(HNO₃ ) = 69,3 : 372,1 = 0,186 или 18,6%

W(NaNO₃ ) = 51 : 372,1 = 0,137 или 13,7%

Тема «Алканы. Способы получения алканов.»

Задача №5.

Ацетат натрия массой 16,4 г. смешали с избытком сухого гидроксида натрия и нагрели. Весь полученный газ пропустили через контактный аппарат при температуре 1500 градусов. Полученная при этом газовая смесь имела плотность по водороду 6,4. Каковы объемные доли газов в смеси, полученной на выходе из контактного аппарата?

Составляются необходимые уравнения реакций:

CH₃COONa + NaOH = Na₂CO₃ + CH₄ (1)

2CH₄ = C₂H₂ + 3H₂ (2)

Т.к. (1) реакция протекает количественно, а (2) не на 100%, становится ясно, что после реакции возникает смесь метана, ацетилена и водорода.

1. Находим количество вещества ацетата натрия и метана

n(CH₃COONa ) =n (CH₄ ) = 16,4 : 82 = 0,2 моль

Примем, что в реакции (2) образовалось х моль ацетилена, тогда образовалось 3х моль водорода, остаток метана составил 0,2 - 2х моль. В итоге количество вещества полученной смеси равно : ( 0,2 - 2х + х + 3х = 0,2 - 2х) моль

По закону сохранения массы веществ масса полученной газовой смеси равна массе метана и равна m(CH₄ ) = 0,2 . 16 = 3,2 г.

2. Находим молярную массу полученной газовой смеси

М(смеси ) = 6,4 . 2 = 12,8 г.

Находим количество вещества полученной газовой смеси

п (смеси) = 3,2 : 12,8 = 0,25 моль

Находим количество вещества ацетилена

0,25 = 0,2 + 2х х = 0,025 моль

Находим количество вещества метана

0,2 - 0,025 . 2 = 0,15 моль

Находим количество вещества водорода

0,025 . 3 = 0,075 моль

Находим объемные доли газов в полученной смеси. Они равны мольным долям этих вешеств.

CH₄ = 0,15 : 0.25 = 0,6

C₂H₂ = 0,025 : 0,25 = 0,1

H₂ = 0,075 : 0,25 = 0.3

Задача №6.

При взаимодействии 1,59г. эквимолекулярной смеси этанола и неизвестного одноатомного спирта с сухим бромоводородом было получено 3,48г. смеси монобромпроизводных. Выведите молекулярную формулу неизвестного спирта.

C₂H₅OH + HBr = C₂H₅Br + H₂O

C_nH_2n+1OH + HBr = C_nH_2n+1Br + H₂O

Обозначим количество вещества этанола через хмоль, по условию задачи неизвестного спирта было столько же - х моль.

Находим массы спиртов, составляющих исходную смесь

m(C₂H₆O) = 46x m(C_nH_2n+1OH) = (14n + 18)x

следовательно, по условию задачи 1,59 = 46х +( 14п + 18)х

Находим массы бромпроизводных:

m(C₂H₅Br) = 109x m(CnH_2n+1Br) = (14n + 81)x

3,48 = 109х + (14п + 81)х

Решается полученная система из 2-х уравнений. При этом получается п = 3

Значит формула искомого спирта С₃Н₈О.

Тема «Растворы»

Задача №7. Определите содержание хлороводорода в растворе (в массовых долях и процентах), полученном растворением хлороводорода объемом 50 л, измеренного при нормальных условиях, в воде объемом 400 мл.

• Анализ условия. Количественная сторона задачи - дано 50 л хлороводорода и 400 мл воды.

• Качественная сторона задачи - при растворении хлороводорода в воде образуется соляная кислота.

• Взаимосвязь количественной и качественной сторон задачи - важнейшей характеристикой раствора является его состав, который показывает массовую долю (в процентах) растворенного вещества в растворе.

• Алгоритм решения (разрабатывается с последнего вопроса задачи к первому): а) массовая доля растворенного вещества в растворе определяется отношением массы растворенного вещества к массе всего раствора с последующим умножением на 100%; б) масса раствора определяется суммой масс растворенного вещества и растворителя; в) масса хлороводорода определяется на основе закона Авогадро; г) масса воды определяется по формуле т = рУ', д) объемы воды и хлороводорода даны в условии задачи; плотность воды равна 1 г/мл.

1.Определив алгоритм решения, приступаем к записи условия задачи и ее решения, начиная от пункта д) до пункта а).

Дано:

• V(НС1) = 50 л,

• V(Н2О) = 400 мл

Найти: 1) W%(HCL)= ?

• р(Н2О)=1 г/мл

Решение:

• Определим массу воды.

т = рУ;m (Н2О)= 1,00.400 = 400 (г)

2. Определим массу 50 л хлороводорода. М(НС1) = 36,5 г/моль, значит,

УМ 50-36.5 01 Г / \

M(НС1)=VM:Vm=81,5(г)

3. Определим массу раствора.

400 + 81,5 = 481,5 (г)

4. Определим массовую долю хлороводорода в растворе.

W%(HCL)=16,9 %

Ответ: 16,9%.