Использование алгоритмов при решении расчетных задач по химии
методическая разработка по химии (10 класс) на тему

ГБОУ СПО «КРАСНОДАРСКИЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ ТЕХНИКУМ» КК

Методическая разработка

по теме: « Использование алгоритмов при решении расчетных задач по химии»

в помощь преподавателям и студентам

Содержание

Введение                                                                                                    3

1. Методика использования в обучении химических задач.                4

1.1 Роль задач в обучении химии и их классификация.                       4

1.2 Единый методический подход к решению задач по химии           7

2. Алгоритмы расчетных задач                                                               9

2.1 Решение задач на расчет по уравнению                                           9

2.2 Решение задач по примеси                                                              10

2.3 Решение задач на растворы                                                             11

2.4 Решение задач на избыток                                                               12

2.5 Решение задач на расчет массовой доли выхода продукта реакции в % от теоретически возможного                                           14

2.6 Алгоритм прогнозирования процессов протекающих при электролизе                                                                                             15

3. Заключение                                                                                         17

4.Список использованной литературы                                                 18

Введение

Одной из проблем, с которой часто встречаются учащиеся, является решение расчетных задач. Эта проблема возникает из-за того, что при изучении курса химии расчетам не уделяется достаточного внимания, так как считается, что это проблемы не химические, а чисто математические.

Кроме того, в учебниках приводится весьма ограниченное число задач, а специальные задачники не всегда доступны рядовому ученику. В реальности практически ни одна задача не решается без расчетов.

Между тем, умение решать задачи является  основным показателем творческого усвоения предмета. Решение задач при изучении теории позволяет значительно лучше разобраться в ней и усвоить наиболее сложные вопросы.

В данной работе приводятся примеры алгоритмов решения некоторых наиболее распространенных типовых задач, а также на конкретных примерах показана возможность использования таких алгоритмов.

Работа предназначена в помощь преподавателям химии. Такие алгоритмы можно использовать на уроках при объяснении нового типа задач. Кроме того, алгоритмы решений могут помочь учащимся закрепить навыки решения какого-либо типа расчетных задач, а также существенно облегчить понимание решения химических задач «слабым» учащимся.

1. Методика использования в обучении химических задач.

1.1 Роль задач в обучении химии и их классификация.

Решение химических задач способствует осуществлению принципа политехнизма, связи обучения с жизнью, профессиональной ориентации, воспитывает трудолюбие, целеустремленность, вырабатывает мировоззрение, так как в задачах легко реализуются межпредметные связи.

Велика развивающая функция решения задач, которая формирует рациональные приемы мышления, устраняет формализм знаний, прививает навыки самоконтроля, развивает самостоятельность.

Образовательная роль задач выражается в том, что в процессе их решения закрепляются и совершенствуются химические понятия о веществах и процессах. На основе решения задач, особенно качественных, легко организовать проблемное обучение. Процесс решения задачи – это восхождение от абстрактного к конкретному. В методологическом аспекте – это переход от абстрактного мышления к практике, связь частного с общим.

Необходимо помнить, что решение задач – это не самоцель, а средство обучения, способствующее прочному усвоению знаний.

Классифицируют задачи по типам решений, в основном на качественные и расчетные.

В курс обучения химии входят расчетные задачи, которые учащиеся должны уметь решать. Среди них можно указать следующие:

1. Расчеты по формулам

• Вычисление относительной молекулярной массы вещества
• Вычисление отношения масс атомов элементов в сложном веществе
• Вычисление массовой доли элемента в веществе (в %)
• Вычисление массы определенного вещества
• Вычисление масс и объемов газов (при н.у.)
• Вычисление относительной плотности газов

2. Расчеты по уравнениям

• Вычисление масс веществ или объемов газов по известному количеству вещества одного из вступающих в реакцию или получающихся  в результате ее
• Вычисление объемных отношений газов по химическим уравнениям
• Расчет по термохимическим уравнениям количества теплоты по известному количеству и массе одного из участвующих в реакции веществ
• Расчеты по химическим уравнениям. Если одно из реагирующих веществ дано в избытке
• Определение массовой доли выхода продукта от теоретически возможного
• Вычисление массы продукта реакции по известной массе исходного вещества, содержащего определенную массовую долю примесей

3. Расчеты на выведение формул веществ

• Нахождение молекулярной формулы газообразного вещества на основании его плотности и массовых долей элементов (в %)

4. Расчеты массовой доли вещества в растворе

• Расчеты на основе использования графиков растворимости веществ в воде
• Расчеты по определению массовой доли растворенного вещества (в %) в растворе и массы растворенного вещества по известной массовой доле его в растворе

В начале изучения курса химии планируется решение задач с использованием понятия «масса».

Далее  при изучении темы  «Количественные отношения в химии» расчетные умения учащихся переводятся на качественно новый уровень. Они обучаются специфическим для химии способам расчетов с использованием моля как единицы количества вещества. Чрезвычайно важным является формирование у учащихся представления о том, что вещества реагируют друг с другом в строго определенных молярных отношениях. Это абстрактное понятие труднодоступно для учащихся, так как оно не имеет аналогии в других дисциплинах и предшествующем химическом материале.

Причина затруднений учащихся заключается еще и в том, что для непосредственного измерения определенного количества вещества нет соответствующих приборов. Можно измерить массу, объем, но не количество вещества в молях. Оно определяется опосредованно, расчетом. Поэтому следует облегчить усвоение этого материала, по возможности привлекая наглядность.

После этого можно приступать к расчетам на основе моля. Подбирать задачи нужно так, чтобы возникала необходимость использовать эту единицу. И лишь тогда, когда в сознании учащихся утвердится, что количественные отношения вещества всегда выражаются в молях, можно учить переходным формулам, показать взаимосвязь массы и количества вещества, объема и количества вещества. Очень важно правильно объяснить, что такое молярная масса М и что такое молярный объем Vm, показать их размерность и объяснить, как с их помощью осуществляется переход от массы и объема к количеству вещества и обратно. Нужно рассказать о постоянной Авогадро Na. Учащиеся должны всеми формулами пользоваться сознательно. Общие формулы всегда абстрактны,  выражают обобщенные подходы к решению, а в каждой задаче они конкретизируются. Полезно довести до сведения учащихся схему, отражающую систему количественных понятий, связи между ними и переходные формулы, выражающие связи между этими понятиями.

При решении расчетных задач необходимо учитывать межпредметные связи с физикой и математикой. В курсе физики величина «количество вещества» изучается намного позднее, чем в химии. Поэтому важно правильно сформировать понятие о ней, чтобы в дальнейшем у учащихся не возникало противоречий. Так же полезно сохранить форму записи задачи и условия решения. Кроме того, гораздо более рационален физико-математический путь решения, когда все расчеты производятся сначала в буквенных выражениях и лишь после этого подставляют числовые значения.  

1.2 Единый методический подход к решению задач по химии

В решении задач должен соблюдаться единый методический подход. Ведущая роль в обучении учащихся решению задач принадлежит учителю. Но нельзя недооценивать самостоятельности и учащихся при решении задач. При переходе от одного этапа к другому следует руководствоваться рекомендациями по формированию умений. Рассмотрим сущность этих этапов.

Выбирая задачу, учитель обязан оценить ее с точки зрения следующих целей.

• Какие понятия, законы, теории, факты должны быть закреплены в процессе решения, какие стороны свойств изучаемого вещества и химические реакции отмечены в процессе решения.
• Какие приемы решения задачи должны быть сформированы.
• Какие мыслительные приемы развиваются в процессе решения задачи.
• Какие дидактические функции выполняют данные задачи.

Если учитель ставит перед собой цель -  закрепление теоретического материала, то метод решения задачи должен быть уже известен учащимся. Если учитель хочет объяснить новый тип задачи по методу решения, то учащиеся должны свободно оперировать учебным материалом. Одновременно обе цели ставить не рекомендуется.

Задачу учитель решает заранее и проверяет ответ, чтобы убедиться, что он правильный.

На уроке учитель актуализирует знания учащихся, которые используются при решении задачи. Учитель кратко его записывает с помощью символов и условных обозначений. Далее разрабатывают план решения и по возможности выражают его в общем виде с помощью указанных выше формул, соблюдая все правила, которым учащиеся обучены на уроках математики и физики. Только после этого приступают к числовому решению и проверяют ответ.

Если цель решения – изучение нового типа задач, то четко формулируют алгоритм, который учащиеся записывают в тетрадь, и отмечают, какому типу решения он соответствует. В простейшем варианте алгоритм может быть выражен в виде вопросов задачи. После этого к доске можно вызвать хорошего ученика, чтобы он решил аналогичную задачу. Далее учащимся предлагают решить аналогичную задачу.

Сложные задачи, требующие творческого подхода, неожиданных умственных действий, следует давать для самостоятельного решения только сильным ученикам. В классе такую задачу объяснять не следует. Ее можно использовать в виде индивидуального задания или на внеклассных занятиях.

2. Алгоритмы расчетных задач

2.1 Решение задач на расчет по уравнению

1. составить уравнение, расставить коэффициенты.
2. подчеркнуть, что – дано  и что – найти.
3. под формулами подписать число молей, участвующих в реакции по уравнению (совпадает с коэффициентами), над неизвестным веществом поставить x моль.
4. перевести массу (объем) вещества в моли: υ=m/М или υ=V/Vm
5. составить пропорцию и решить ее.
6. перевести моли в единицы массы: m=υМ или V=υVm

Задача. Железо может быть получено восстановлением оксида железа (ΙΙΙ) алюминием. Какую массу алюминия и оксида железа (ΙΙΙ) надо взять для получения железа массой 140г ?

Решение:

1. Записываем уравнение реакции:

                                     х2 моль   х1моль

                                     Fe2O3 + 2Al = 2Fe + Al2O3

                                    1 моль    2 моль  2 моль

2. Определяем количество вещества железа, которое надо получить:

  υ (Fe) =m/М = 140/56 моль = 2,5 моль

3. Составим пропорции и решим их:

   х1 = (2,5 * 2)/2 = 2,5 моль

   х2 = (2,5 * 1)/2 = 1,25 моль

4. Определяем необходимые массы алюминия и оксида железа:

   m (Al) =υ(Al) * М (Al) =  х1 * М (Al) = 2,5 * 27 = 67,5 г  

   m (Fe2O3) = υ(Fe2O3) * М (Fe2O3) =  х2 * М (Fe2O3) = 1,25 * 160 =

      = 200 г      

Ответ: масса алюминия равна 67,5 г, масса оксида железа равна 200 г.

2.2 Решение задач по примеси

1. составить уравнение, расставить коэффициенты.
2. подчеркнуть, что – дано  и что – найти.
3. под формулами подписать число молей, участвующих в реакции по уравнению (совпадает с коэффициентами), над неизвестным веществом поставить x моль.
4. найти: ωч.в-ва=100% - ωприм.
5. найти: mч.в-ва=mтех.ωч.в-ва/100%
6. перевести массу чистого вещества в моли: υ=m/М
7. составить пропорцию и решить ее.
8. перевести моли в единицы:

• массы: m=υМ
• объема: V=υVm

Задача. Определите объем кислорода, необходимый для получения 0,1 моль оксида серы (IV). Какая масса серы для этого потребуется, если известно, что образец серы содержит 10% негорючих примесей.

Решение:

1. Записываем уравнение реакции:

                          0,9y                            х л                       0,1 моль

                        S            +           O2                 =          SO2

                     1моль                        1моль                        1моль

                 32г/моль*1моль=32г     22,4л/моль*1моль=22,4л

2. Введем обозначения:

         Пусть х л – объем кислорода, необходимого для реакции.

         Пусть y г – масса образца серы, содержащего 10% примесей.

3. Рассчитаем массу чистой серы:

          ωч.в-ва=100% - ωприм.= 100 – 10 = 90%  или 0,9y г.

4. Составим пропорции:

         По условию:       х л   -    0,1 моль

         По уравнению:   22,4 л  - 1 моль

             х = 22,4 * 0,1 / 1 = 2,24 л

         По условию:       0,9y г   -    0,1 моль

         По уравнению:   32 г     -     1 моль

             y = 32 * 0,1 / 0,9 *1 = 3,2 / 0,9 = 3,56 г

Ответ: потребуется 2,24 л кислорода т образец серы массой 3,56 г.

2.3 Решение задач на растворы

1. составить уравнение, расставить коэффициенты.
2. подчеркнуть, что дано и что – найти.
3. под формулами подписать число молей, участвующих в реакции по уравнению (совпадает с коэффициентами), над неизвестным веществом поставить х моль.
4. найти массу растворенного вещества:

 mр.в-ва=mр-раωр.в-ва/100%

5. перевести массу растворенного вещества в моли: υ=m/М
6. составить пропорцию и решить ее.
7. перевести моли в единицы:

• массы: m=υМ
• объема: V=υVm

Задача. Сколько воды и сколько оксида бария надо взять для приготовления 200 г 10% раствора?

Решение.

1. Составим уравнение реакции, протекающей при растворении:

                                х г                                     20 г

                      ВаО    +     Н2О   =   Ва(ОН)2

                1 моль                              1 моль

                  153 г/моль                       171 г/моль

2. Найдем массу растворенного вещества:

mр.в-ва(Ва(ОН)2) = mр-ра(Ва(ОН)2) * ωр.в-ва/100% = 200 *10 / 100 = = 20 г

3. Составим пропорцию и решим ее:

    По условию:           х г    -     20 г

    По уравнению:      153 г -    171 г

                              Х = 153 * 20 / 171 = 18 г

4. Тогда масса воды (являющейся растворителем в этом растворе, а также реагентом) равна:

                           m (Н2О) = 200 г – х г = 200 – 18 = 182 г

Ответ: для приготовления 200 г 10% растворагидроксида бария необходимо взять18 г оксида бария и 182 г воды.

2.4 Решение задач на избыток

1. составить уравнение, расставить коэффициенты.

2. подчеркнуть, что дано и что – найти.

3. под формулами подписать число молей, участвующих в реакции по уравнению (совпадает с коэффициентами), над неизвестным веществом поставить х моль.

4. перевести массу (объем) вещества в моли: υ=m/М или       υ=V /Vm

5. составить две дроби и сравнить их:

υ1(по условию)/υ1(по уравнению) и υ2(по условию)/υ2(по уравнению)

! Расчет ведем по тому веществу, которого меньше, т.к. оно полностью вступит в реакцию.

6. составить пропорцию и решить ее.
7. перевести моли в единицы:

• массы: m=υМ
• объема: V=υVm

Задача. Какой объем метана СН4 теоретически можно получить, если во взаимодействие вступило 6 л СО и 8,4 л водорода?

Решение.

1. Составим уравнение реакции и расставим коэффициенты:

                      6 л        0,125моль   х моль

                     СО   +    3Н2     =    СН4   +    Н2О

                     1моль      3моль        1моль

2. Переведем массу веществ в моли:

                υ (СО) = V (СО) / Vm = 6 / 22,4 = 0,3 моль

                υ (Н2) = V (Н2) / Vm = 8,4 / 22,4 = 0,375 моль

3. Составим две дроби и сравним их:

           υ1 (СО) (по условию) / υ1 (СО) (по уравнению)  = 0,3 / 1 = 0,3  

    υ2 (Н2) (по условию) / υ2 (Н2) (по уравнению) = 0,375 / 3 = 0,125

0,3 > 0,125

Значит, водород находится в недостатке, он прореагирует полностью. Дальнейший расчет ведем по водороду.

4. Составим пропорцию и решим ее:

По условию:    0,375 моль  -    х моль

По уравнению:  3 моль       -    1 моль

х = 0,375 * 1 / 3 = 0,125 моль

5. Переведем моли в единицы объема:

   V (СН4) =υ (СН4)Vm = 0,125 * 22,4 = 2,8 л

Ответ: можно получить 2,8 л метана.

2.5 Решение задач на расчет массовой доли выхода продукта реакции в % от теоретически возможного

1. выход по массе: ωвых.=mпр./mтеор.*100%
2. выход по объему: ωвых.=Vпр./Vтеор. *100% , где:

m (V)практ. указывается в условии задачи и показывает, сколько г (л) вещества реально получено;

m (V)теорет. Рассчитывается по уравнению и показывает, сколько вещества могли бы получить если бы не было потерь;

Зная выход, можно рассчитать mпр. или Vпр.:

mпр.= mтеор.* ωвых./100%                Vпр.= Vтеор. * ωвых./100%

Задача. Рассчитайте массу оксида меди, который образуется при нагревании в токе кислорода 6,4 г медного порошка, если выход реакции составляет 94%.

Решение.

1. Согласно формуле, масса оксида меди, который получится в результате реакции, составляет:

          m (СuО) пр. = ωвых. * m (СuО) теор./ 100% = 94 * m (СuО) теор. /

./100% = 0,94 * m (СuО) теор.

Примем за х г массу оксида меди, который реально получится в результате реакции. Ее необходимо найти.

2. Тогда теоретически возможная масса оксида меди будет равна:

     m (СuО) теор. = х / 0,94 (г)

3. Составим уравнение реакции:

                                       6,4 г                   х/0,94 г

                               2Сu  +  О2 = 2СuО

                  2 моль               2 моль

                      128 г                   160 г

4. Составим пропорцию и решим ее:

         По условию:         6,4 г    -   х/0,94 г

         По уравнению:     128 г   -   160 г

         х = 8 * 0,94 = 7,52 г

Ответ: масса оксида меди, который реально образуется в результате реакции – 7,52 г.

2.6 Алгоритм прогнозирования процессов протекающих при электролизе

1. написать формулу соли, участвующей в электролизе.
2. посмотреть положение Ме, входящего в состав данной соли, в электрохимическом ряду напряжения металлов.
3. если Ме находится в электрохимическом ряду напряжения металлов до Al включительно, то он не восстанавливается на катоде, а вместо него восстанавливаются молекулы Н2О и выделяется Н2:

                 2Н2О + 2е = Н2 + 2ОН-

4. катионы металлов, находящихся в ряду напряжения от Al до Н при электролизе восстанавливаются одновременно с Н2О.
5. катионы металлов от Cu2+ до Pt4+ практически полностью восстанавливаются на катоде.
6. если в водном растворе содержатся катионы разных металлов, то при электролизе будет сначала восстанавливаться тот металл, который расположен в электрохимическом ряду напряжения правее.
7. на аноде окисляются анионы бескислородных кислот (I-, Br-, Cl-, S2-)

                Например: 2 I- - 2е = I20

8. анионы кислородсодержащих кислот на аноде не окисляются, а окисляются молекулы воды:

                2Н2О – 4е = О2 + 4Н+

Задача. Составить уравнение реакции электролиза водного раствора хлорида меди.

Решение.

1. Хлорид меди СuCl2.

В растворе диссоциирует на ионы:

                      СuCl2 = Сu2+ + 2 Cl-

2. Медь расположена в ряду напряжений правее водорода. Значит на катоде будет восстанавливаться именно медь (см. п. 5):

                         Сu2+ + 2е = Сu0

3. Cl- - анионы бескислородной кислоты, они разряжаются на аноде с выделением хлора (см. п. 7):

                                      2 Cl- - 2е = Cl2

4. Суммарное уравнение реакции:

                            СuCl2 = Сu  + Cl2

 Задача. Составить уравнение реакции электролиза водного раствора

хлорида калия.

Решение.

1. Хлорид калия КСl.

В водном растворе диссоциирует на ионы:

                      КСl = К+ + Сl-

2. Калий – активный металл, расположен в ряду напряжения до алюминия, значит восстанавливаться будет только водород (см. п. 3):

                  2Н2О + 2е = Н2 + 2ОН-

3.  Cl- - анионы бескислородной кислоты, они разряжаются на аноде с выделением хлора (см. п. 7):

                                      2 Cl- - 2е = Cl2

4.  Суммарное уравнение реакции:

                          2КСl + 2Н2О = 2КОН + Сl2 + Н2

3. Заключение

В данной работе был представлен некоторый минимальный набор сведений, который необходим для решения расчетных задач. Мы разобрали простейшие задачи, решение которых проводится в два – четыре логических хода, то есть задачи, которые могут быть соотнесены с одной конкретной темой.

Алгоритмы решений приведены для простых задач, которые в основном являются расчетными. Их необходимо разбирать и решать для закрепления самых основ. Решение большинства подобных задач может быть проведено по одному образцу, приведенному  в соответствующем разделе.

Решение более сложных задач требуют от ученика умения комплексно использовать свои знания и логическое мышление. Такие задачи не являются чисто расчетными, расчет в них – только аппарат, необходимый для прояснения химической сущности происходящего. Подобные задачи являются комплексными, и даже расчетная часть решения может состоять из нескольких блоков, которые могут относиться к разным разделам химии.

Целью данной работы не является научить учеников решать сложные задачи. Но если прорешать все тренировочные задачи, а также хорошо освоить теоретические основы и базовый фактический материал курса химии, то такие задачи окажутся вполне решабельными.

4. Список использованной литературы.

1. Чернобельская Г.М. Основы методики обучения химии: «Химия». – М. Просвещение, 1987.
2. Волович П.М., Бровко М.И. Готовимся к экзамену по химии. 3 изд., испр. – М.: Рольф; Айрис-пресс, 1998.
3. Хомченко Г.П. Пособие по химии для поступающих в вузы. – 3-е изд., испр. И доп. – М.: ООО «Издательство Новая Волна», 1998.
4. Хомченко Г.П., Хомченко И.Г. Сборник задач по химии для поступающих в вузы. – 4-е изд., испр. и доп. – М.: ООО «Издательство Новая Волна», ЗАО «Издательство Дом ОНИКС», 1999.