Структурно-графический способ решения задач по химическим уравнениям

Зачем решать химические задачи

При изучении химии важное место отводится решению задач и в особенности расчётных задач по уравнению химических реакций. Зачем мы учимся решать задачи на уроках химии? Понятно, кому необходимо умение производить химические расчёты – это инженеру-технологу, химику-исследователю, лаборанту. А также тому, кто хочет получить «5» на ЕГЭ по химии. Ведь это удаётся тем, кто решит задания С, которые содержат именно такие задачи. Поэтому тем, кто собирается сдавать химию должен в совершенстве владеть навыком решения таких задач.

А всем остальным пригодится ли это умение? Оказывается, одной из важнейших функций решения химических задач является развитие мышления. Это отличный способ тренировка памяти, логического мышления, развитие внимания и терпения. Решение задач приучает к аккуратности, формирует умение добиваться результата, находить различные способы решения. В какой области человеческой деятельности это не пригодится? Те или иные жизненные задачи будут постоянно возникать перед нами, и способность решать их будет определяться общим развитием, которое закладывается на школьных уроках и в том числе на химии.

В практики решения задач на уроке наиболее отчётливо проявляются два: этап анализ ситуации(анализ количественных характеристики и химической стороны задачи), то есть что дано, что найти и операционный этап(выполнение ряда последовательных вычислительных действий в соответствии с алгоритмом), а чаще по образцу. Сначала этот образец показывается учителем, а затем по этому образцу выполняется следующая задача, осмысление которой не происходит. Многократное повторение операционной последовательности откладывается в памяти, однако применить её в новых условиях могут немногие.

Какой из этапов деятельности по решению задач наиболее важен с точки зрения развития мышления? Конечно, более творческий этап – этап планирования. Планирован решения задачи как и любое планирование предполагает фиксирование его( на доске, в тетради). Описание словами неудобно из-за длительности, неоднозначности, малой наглядности. Для удобства необходимо использовать модель, условные обозначения (общепринятые или собственные). Ведь есть же в географии условные обозначения например местности, а в физике – обозначения, из которых строится схема электрической цепи.

СИСТЕМА УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

Порция вещества. Количество вещества

Первые расчеты, с которыми знакомимся в химии, это вычисления связанные с величинами, характеризующими порцию вещества: масса, объём, число молекул и новой величиной – количества вещества - n (или ν).

Моль – количество вещества системы, содержащей 6*1023 структурных частиц веществаМоль – единица количества вещества, является расчетной единицей. Для определения количества вещества необходимы мерки. Ими являются: молярная масса – М(масса одного моль), молярный объём – Vm , который составляет 22,4 л/моль (объём одного моль газа при нормальных условиях ) и число Авогадро – NА. ( NА = 6*1023 моль-1 – постоянная Авогадро).

Например: m = 6,4 г; m (Cu) n(Сu)

= 6,4 г : 64 г/моль = 0,1 моль.

V(SO2) = 11, 2л; V(SO2) n(SO2) n(SO2)= 11,2 : 22,4 л/моль = 0,1 моль.

N (SO2) = 3*1023 молекул; N (SO2) n(SO2) n(SO2) = 3*1023 : 6*1023 моль-1 = 0,5 моль

Направление к количеству вещества через молярную массу, молярный объём и число Авогадро определяет действие деления.

Основные физико-химические величины и их взаимосвязь

Взаимосвязь этих величин можно выразить общей формулой m V N n = ── = ── = ──

M Vm NA

И представить в виде моделей, которые отражают действия с этими величинами при расчетах. По вертикали – деление, а по горизонтали – умножение.

Таким образом, при структурном планировании решения задачи эти модели могут быть представлены в следующем виде: х m (в-ва) n(в-ва) M (в-ва) m(в-ва)

: n(в-ва) n(в-ва) х M(в-ва) или

M(в-ва) m

Сложные физико-химические системы

Сложные системы – это системы, состоящие из нескольких компонентов: растворы, сплавы, механические смеси, природные минералы, газовые системы.

Для характеристики таких систем используется величина «массовая доля» - это отношение части(компонента системы) к целому. Представляет собой долю единицы и чаще всего выражается в процентах. Обозначается ω(омега) Например: массовая доля серы в оксиде серы(IV) составляет 50% или ω(S) =0,5.

M(компонента)

ω(компонента) = ──── = 0,. х 100% = ,. % m( системы)

Реже используется «объёмная доля». Эта характеристика применяется для выражения состава газообразных систем. Обозначается буквой φ (фи). Например:φ(О2) в воздухе составляет 21%.

φ(О2) = ──── = 0,21 х 100% = 21%

V(воздуха)

По отношению к растворам массовая доля называется иначе – процентная концентрация. Эта характеристика применяется чаще остальных.

Например: 5%-ный раствор карбоната натрия, означает – 5 г карбоната натрия содержится в 100 г раствора(5 г соды и 95 г воды).

Эту взаимосвязь при структурном анализе задачи можно представить так: m (в-ва) ω(в-ва) m(системы) m(в-ва)

: ω(в-ва) или m(системы) m в-ва ω (в-ва) m(системы) m (в-ва) m(системы)

ω(в-ва)

Химические реакции

Главной характеристикой химической реакции является уравнение, поскольку коэффициенты в этом уравнении показывают количественное соотношение участников реакции. Количества всех участников реакции относятся друг к другу как простые целые числа, равные коэффициентам в уравнении реакции ( ν). Расчет по уравнению ведётся в единицах количества вещества, которые пропорциональны коэффициентам.

При расчетах по термохимическому уравнению реакции используется пропорциональность между количеством вещества участника и количеством теплоты. Решая задачи на объёмные отношения газов учитывается пропорциональность их объёмов(при нормальных условиях) количествам вещества.

ν1 Q2 ν1 ν1

── = ── ; ── = ── n2 Q2 V1 V2

Химическая реакция имеет ещё одну характеристику – выход продукта реакции. Это отношению практически полученной порции вещества к величине теоретически рассчитанной. Причём, поскольку эта относится к одному и тому же веществу, безразлично, как характеризуется порция вещества: по массе, по объёму или количеству вещества. По смыслу выход идентичен понятию «коэффициент полезного действия» реакции. По этому, его лучшее обозначать не ω (омегой), а η(эта) как принято в физике обозначать КПД.

m прак V прак n прак

ω(η) = ── = ── = ──

m теорет V теорет. n теорет

Формулы взаимосвязи и модели этих формул:

Структурные модели этих связей могут иметь вид: х mпр ωвых mтеор ωвых mпр mтеор

: : mтеор mпрак ωвых

Другие характеристики реакции

При решении задач приходится сталкиваться и с другими характеристиками и вычислениями. Поскольку они используются не часто и в ограниченном круге задач, то особых обозначений и моделей можно не вводить. Можно использовать обычную стрелку.

• Абсолютная плотность: V Р-Ра m Р-Ра

• Относительная плотность: D H2 M c

• Молярная концентрация: n1 V Р-Ра уМ-К

• Уравнения Менделеева-Клайперона: n1 V Р-Ра

Структурные схемы

Структурные схемы решения задач

Поскольку основной величиной, используемой в химических расчётах, является количество вещества, то общий план решения большинства задач можно представить так:

Рассмотрим решение задачи и составление структурной схемы её решения

Осторожно прокипятили 200 г. 20% раствора гидрокарбоната натрия. Какой объём диоксида углерода будет получен, если его выход составляет 80%от теоретически возможного?

1. Осмысление и анализ условия задачи.

2. Составление уравнения химической реакции или схемы.

3. Краткая запись условия задачи, внесение его по возможности в уравнение реакции над формулами веществ.

4. Определение соотношения количества вещества по уравнению и по условию

200г 20% х литров 80%

2NaHCO3 = Na2CO3 + CO2 + H2O

2 моль 1 моль

0,5 моль (Х моль) 0,25 моль m NaHCO3 = mр-ра * ω = 200г * 0,2 =40,0г n NaHCO3 = m NaHCO3 / М NaHCO3= 40,0г / 84г/моль = 0,5 моль n CO2 = 0,5 n NaHCO3 = 0,25 моль

Vтеорет CO2 = n CO2 * Vm = 0,25 моль * 22,4 л/моль = 5,6 л

Vпракт CO2 = Vтеорет CO2 * φ выхода =5,6 л * 0,8 = 4,48л

Используя структурные модели формул взаимосвязи можно составить схему:

Можно начинать составлять такую схему «с конца». Особенно, если дана масса практически полученного вещества и указана массовая доля его выхода, а требуется найти массу вещества вступившего в реакцию.

Применение структурных схем. Рекомендации

Детализированная и общая схема может составляться в процессе решения задач. А в дальнейшем они будут помогать идентифицировать задачу и составлять план её решения. С помощью одной схемы можно отобразить нескольких типов задач.

Обучаться решению задач методом структурного планирования необходимо постепенно, начиная с расчётов по формулам.

Структурные схемы дают возможность более осознанно подходить к классификации типов задач, к их сравнению, определению типа. Так как умение видеть тип задач одно из главных условий правильного решения задачи.

Учащемуся значительно проще осуществить самопроверку по схеме, нежели соотнести с алгоритмом.

По таким схемам и с их помощью сильный ученик может не только оказать помощь слабому учащемуся, но может составлять задачи сам. Что само по себе может считаться критерием успешности.

Используя структурный способ решения задач(нарисовать задачу) , не следует исключать полностью расчёты. Презентация