Алгоритмы при изучении химии
статья по химии на тему

АЛГОРИТМЫ В ШКОЛЬНОМ КУРСЕ химии

АЛГОРИТМ, ЕГО ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА

Слово «алгоритм» произошло от латинской формы написания имени великого древневосточного математика IX в. Мухаммеда ибн Мусы аль-Хорезми (что означает «из Хорезма») — algorithmi, который сформулировал правила выполнения четырех арифметических действий над числами в десятичной системе счисления. Слово «алгорифм» связано с именем знаменитого древнегреческого математика Евклида, который так назвал сформулированные им правила нахождения наибольшего общего делителя двух чисел.

Систему правил выполнения математических действий в Европе называли термином «алторизм», который впоследствии переродился в «алгоритм», обозначавший правила решения задач определенного вида (не обязательно арифметического).

В XX в. понятие «алгоритм» стало объектом математического изучения, затем перешагнуло за пределы математики и нашло применение в различных областях науки и техники.

В настоящее время существует множество определений данного термина. Приведем лишь некоторые из них. В математике под алгоритмом понимают всякую систему вычислений, которая выполняется по строго определенным правилам и после какого-либо числа шагов заведомо приводит к решению поставленной задачи. В инженерной практике под алгоритмом понимают конечную последовательность точно определенных действий, приводящих к решению поставленной задачи.

Однако алгоритм — это не только предписание последовательных действий по решению задач определенного типа. Алгоритмы сопровождают человека в форме различных правил и инструкций повсюду. Правила дорожного движения, кулинарный рецепт, инструкция по использованию электробытовых приборов — все это алгоритмы.

Не может обойтись без алгоритмов и химия. Алгоритмы в школьном курсе химии — это:

правила составления химических формул и уравнений;

последовательность описания химических элементов, свойств веществ, протекание химических реакций;

рациональный способ решения расчетных, экспериментальных и расчетно-экспериментальных задач;

оптимальный план проведения химического анализа неорганических и органических веществ;

определенный порядок приготовления растворов заданной концентрации и др.

Одно из основных свойств алгоритма — массовость. Это свойство характеризует возможность с помощью алгоритма решать задачи определенного типа, а не только одну конкретную задачу. Если алгоритм разработан для решения данной задачи, то он должен быть применен для решения задач всего типа, к которому относится данная задача.

Следующим важным свойством алгоритма является дискретность. Это свойство обусловливает пошаговый (дискретный) характер алгоритма. Преобразование исходных данных в конечный результат осуществляется дискретно, т. е. действия или команды в каждый последующий момент времени выполняются по четким правилам вслед за действиями, имевшими место в предыдущий момент времени. Только выполнив одно указание, можно перейти к выполнению следующего.

Основным свойством алгоритма является детерминированность (однозначная определенность) — ориентированность на определенного исполнителя. Это свойство требует, чтобы каждое указание алгоритма было понятно исполнителю, не вызывало неоднозначного его понимания и неопределенного исполнения. Это особенно важно для исполнителя — машины. Если в алгоритме для машины записано, например, «Начать», а дается указание «Начнем» или «Будем начинать» (понятное для человека), то такой алгоритм, как правило, не реализуется машиной. Алгоритм, реализованный любым лицом (или машиной), должен вести при одинаковых исходных данных к одинаковым результатам.

Одно из важнейших свойств алгоритма — результативность. Последовательное выполнение всех предписываемых действий должно привести к решению задачи за конечное число шагов, поскольку алгоритм всегда имеет целью получение искомого результата.

Перечисленные выше важнейшие свойства алгоритма позволяют сформулировать следующее определение: алгоритм — конечная последовательность точно сформулированных правил решения некоторых типов задач.

АЛГОРИТМИЧЕСКИЕ ПРЕДПИСАНИЯ

В математике при разработке и построении алгоритмов полностью абстрагируются от способов их реализации в конкретных устройствах и человеческого фактора. С развитием кибернетики и вычислительной техники с особой актуальностью встал вопрос о способах реализации алгоритмов в тех или иных устройствах, имеющих определенные ограничения в объемах запоминаемой информации.

Специфичны способы реализации алгоритмов в педагогике, психологии, дидактике и частной методике, ибо в этой сфере существенную роль играет человеческий фактор. В связи с этим, в отличие от строго математического понятие «алгоритм», было введено новое понятие «алгоритмическое предписание», или «предписание алгоритмического типа».

Алгоритмические предписания, в отличие от математических алгоритмов, не имеют жесткой конструкции, менее формализованы, так как допускают оперирование не только объектами знаковой природы, но и в большей степени содержанием, смыслом операций, требуют реализации специфических человеческих (не машинных) способов действий, включающих осознание объектов действия и смысла операций над этими объектами.

Алгоритмические предписания широко используются в обучении химии.

С целью успешного формирования у учащихся навыков владения химическим языком В.Я.Вивюрский разработал алгоритмические предписания (программы последовательных действий) для составления химических формул при изучении неорганической и органической химии. Приводим в качестве примера алгоритмическое предписание по составлению формул оксидов:

1. Изобразите символы химических элементов: FeO.

2. Проставьте над символом каждого элемента валентность

ш и римской цифрой: FeO.

3. Найдите наименьшее общее кратное чисел, выражающих валентность обоих элементов: 6.

4. Проставьте наименьшее общее кратное арабской цифрой

В III II

над символами элементов: FeO.

5. Разделите наименьшее общее кратное на валентность каждого химического элемента в отдельности: 6:3 = 2и6:2 = 3.

6. Полученные числа и есть индексы к символам химических элементов: Fe2Og.

Выполнив указанную достаточно кратко и точно последовательность действий для указанных химических элементов (железа и кислорода), мы составили формулу оксида железа (III).

Как видно из примера, при разработке алгоритма необходимо формализовать процесс решения аналогичных задач (составление формул любых оксидов) с тем, чтобы свести его к применению в конечной последовательности простых и точных правил. Кроме того, приведенный пример позволяет сказать, что алгоритмические предписания — это алгоритмы, предназначенные специально для человека и учитывающие особенности его психики и интеллекта, включающие правила, обращенные не только к формальным, но и к содержательным операциям.

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ

При разработке алгоритмов, применяемых при изучении химии, учитываются те требования, которые тесно связаны с его основными свойствами (массовость, детерминированность, дискретность и результативность).

Алгоритм должен отвечать таким требованиям, как конструктивность (т. е. однозначная опознаваемость объектов, над которыми осуществляются действия, предписываемые алгоритмом) и конечность набора правил, операций, фактическое выполнение которых не вызывает сомнений и разногласий.

Как же эти требования выполняются при разработке алгоритмов? Вначале заранее фиксируется область (границы) объектов, которые под воздействием операций преобразуются. Однозначная опознаваемость этих объектов считается безусловной и заранее данной. В химии такими объектами могут быть химические символы и элементы, формулы и вещества, уравнения и химические реакции, а также химические процессы.

В обучении химии часто приходится оперировать объектами некоторого стандартного ряда (химическими символами). Это необходимо для достижения определенных целей (формирование

теоретических знаний, экспериментальных умений, усвоение химического языка и т. д.). За химическими символами стоит определенное незнаковое содержание (Fe — железо, H2S04 — серная кислота и т. п.). Абстрагирование от конкретного содержания в процессе алгоритмизации облегчает действия исполнителя и по алгоритму.

Вслед за выделением объектов фиксируется конечное множество операций над ними. Так, для разработки алгоритма составления химических формул оксидов фиксируется конечное множество следующих операций: определение валентностей химических элементов, нахождение наименьшего общего кратного, вычисление индексов к символам химических элементов и др.

Выполнимость и элементарность их, так же, как и конструктивность заданных объектов, считается безусловной и заранее заданной. Выполнимость и элементарность операций тесно взаимосвязаны. Для выполнения операций алгоритма необходимо установить их элементарность, т. е. определить, до какой степени можно расчленить («раздробить») указания в предписании. Что же является критерием элементарности или неэлементарности операции? Прежде чем ответить на этот вопрос, следует учесть, что требования к алгоритму в сфере педагогики, психологии, дидактики и частной методики реализуются специфическими способами. Элементарность операций устанавливается в процессе практики опытным путем. Однако если известно, какие операции умеет проводить учащийся, то указания в предписании должны быть адаптированы к его учебным возможностям. Важно установить не только верхнюю, но и нижнюю границы элементарности операций. Так, например, составление химических уравнений для одних учащихся может составлять верхнюю границу элементарности алгоритма, а составление химических формул — нижнюю границу. Для этих учащихся те операции, которые входят в алгоритм составления химических формул, могут быть излишне элементарными.

Критерием элементарности операции является способность управляемой системы безошибочно производить операции в ответ на предписываемые указания алгоритма.

В алгоритмических предписаниях трудно заранее жестко указать область объектов операций, определить их круг и степень элементарности. Степень сложности или простоты элементарных операций алгоритмов зависит не только от уровня обученности учащихся, но и от уровня профессиональной подготовки учителя химии. Кроме того, степень сложности операций в алгоритме должна меняться, так как оперативные способности человека вследствие многократного применения алгоритмов все время меняются (в отличие от машины).

Приведем в качестве примера алгоритма план описания химического элемента (табл. 1), позволяющий охарактеризовать любой элемент на основании его положения в периодической системе химических элементов.

Таблица  1 Алгоритм описания химического элемента

ЗАПИСЬ АЛГОРИТМА НА ЕСТЕСТВЕННОМ ЯЗЫКЕ

При разработке и построении алгоритмов можно фиксировать их различными способами. Это запись на естественном языке, запись в виде блок-схемы, запись на алгоритмическом языке.

В настоящее время в большинстве случаев используется запись алгоритмов на естественном языке. Приведенные выше примеры (алгоритмическое предписание по составлению формул оксидов и др.) являют собой примеры записи алгоритмов на естественном языке. Приведем еще один пример: алгоритм определения валентности элементов по готовой формуле в бинарных соединениях (В.Я. Вивюрский).

1. Обозначьте римской цифрой валентность известного эле-

п мента: V205.

2.  Определите общее число единиц валентности этого элемента: 2 * 5 = 10.

3. Проставьте его арабской цифрой над химическими симво-

II лами элементов: V„Ot.

4. Разделите общее число единиц валентности на число атомов (индекс) элемента, для которого не известна валентность: 10:2 = 5.

5. Поставьте полученное частное римской цифрой над искомым элементом как валентность: V205.

Запись алгоритма на естественном языке распадается на отдельные указания исполнителю выполнить некоторые законченные действия. Эти указания, которые выполняют последовательно одно за другим, называют командами. Исполнитель (человек или ЭВМ) точно знает, какая команда выполняется следующей, знает, что реализация алгоритма завершается решением задачи за конечное число шагов.

Приведем еще один пример, иллюстрирующий запись алгоритма на

 естественном языке (табл. 2).

Таблица 2

Алгоритм определения степени окисления неметалла в солях кислородсодержащих кислот

БЛОК-СХЕМЫ АЛГОРИТМОВ

При изучении химии можно успешно использовать блок-схемы алгоритмов. При этом необходимо учитывать следующее в алгоритме выделяют типичные действия (этапы): обработка объекта, проверка условия, начало и конец преобразования объекта, ввод исходных данных и вывод результата

Все эти этапы можно наглядно представить в блок-схеме алгоритма. Блок-схема алгоритма представляет собой систему определенным образом связанных между собой плоских геометрических фигур. В блок-схемах алгоритмов каждому этапу соответствует определенное условное обозначение - геометрическая фигура:

Приведем в качестве примера блок-схему алгоритма экспериментального определения реакции среды исследуемого раствора (блок-схема 1).

Как видно на блок-схеме, для команды, связанной с этапом обработки объекта, используется функциональный блок - прямоугольник с одним входом и одним выходом. Для команд логического типа, соответствующих этапу проверки условия, применяется логический блок - ромб (удобный для организации ветвления) с одним входом и двумя выходами.

Блок-схема позволяет наглядно представить структуру алгоритма. В данном случае наглядно видна не линейная, а разветвленная структура алгоритма.

Схемы обычно применяют с целью изображения промежуточных вариантов алгоритма и программы. Окончательный вариант алгоритма реализуется в программе, предназначенной, как правило, для исполнителя — ЭВМ Такой вариант алгоритма должен быть записан на алгоритмическом языке

АЛГОРИТМИЧЕСКИЙ ЯЗЫК

С целью оптимизации изучения химии целесообразно использование алгоритмического языка. Применение алгоритмического языка позволит выделить существенное в изучаемом материале, сформировать у учащихся интегральные знания и умения, интерес к изучению междисциплинарных объектов и др.

Алгоритмический язык близок к естественному языку, но включает в себя и математическую символику (числа, знаки, скобки и т. п.), арифметические и логические операции.

Алгоритмический язык — это целая система обозначений и правил для единообразной и точной записи алгоритмов и их исполнения. Он имеет свой словарь: служебные слова, команды, величины и т. п. Из служебных слов в химии могут быть использованы такие, как: алг (алгоритм), нач (начало), кон (конец), нц (начало цикла), если, то, иначе, выбор, при, да. нет и др.

Запишем, используя алгоритмический язык, алгоритм определения реакции среды раствора:

алг    определение реакции среды раствора

нач отлейте в пробирку 1 мл3 раствора

испытайте раствор фиолетовой лакмусовой бумажкой если          бумажка красная

то:         среда кислая

иначе:   бумажка синяя

то:         среда щелочная

иначе:   бумажка не изменяет цвета

то:         среда нейтральная

все кон

В приведенном примере использована конструкция команд ветвления. Применив конструкцию команд выбора со служебными словами выбор, при, можно записать алгоритм следующим образом:

алг  определение реакции среды раствора

нач отлейте в пробирку 1 мл3 раствора

испытайте раствор фиолетовой лакмусовой бумажкой выбор

при бумажка красная ответ: среда кислая при бумажка синяя ответ: среда щелочная при бумажка не изменяет цвета ответ: среда нейтральная все кон

СТРУКТУРА И ТИПЫ АЛГОРИТМОВ

Алгоритмы, применяемые при изучении химии, разнообразны и многочисленны по содержанию. Однако по своей структуре все они могут быть подразделены на три основных типа.

Применение алгоритмов в химическом образовании, разработка и представление их в блок-схемах, на естественном и алгоритмическом языках основаны на реализации так называемого структурного подхода.

Структурный подход к разработке алгоритмов основан на использовании нескольких базовых структур. Это: «следование», « разветвление »,  « цикл ».

Базовая структура «следование» состоит из нескольких функциональных блоков, следующих друг за другом:

Эта структура характерна для линейного типа алгоритмов (см. табл. 1,2), широко используемого в процессе познания химии при составлении химических формул, уравнений, при решении расчетных задач и др.

Базовая структура «разветвление» включает логический блок с проверкой некоторого условия:

Этой структуре соответствует разветвленный тип алгоритмов (см. блок-схему 1). Разветвленные алгоритмы также широко применяются в процессе познания химии, например, при решении качественных задач. При этом в качестве проверяемых условий в алгоритмах могут быть использованы: характеристики химических элементов, свойства веществ и ионов, признаки химических реакций (выпадение окрашенных осадков, выделение газов и т. п.).

Базовая структура «цикл» состоит из логического блока с проверкой условия и функционального блока. Последний может размещаться до и после логического блока, например:

Для структуры «цикл» характерно многократное выполнение при определенных условиях указаний функционального блока. Этой структуре соответствует циклический тип алгоритмов, который может быть широко использован при изучении химии, поскольку усвоение действительных знаний и умений связано с многократным выполнением тех или иных действий в соответствии с предписаниями.

Итак, при разработке и конструировании алгоритмов, примеряемых в процессе химии, необходимо учитывать их базовые структуры, реализовать в соответствии с ними основные типы алгоритмов (линейные, разветвленные, циклические), а также возможные их сочетания.

АЛГОРИТМ И ПРОГРАММА

Алгоритмы разрабатывают и применяют для решения не одной конкретной задачи, а целого ряда однотипных задач.

Процесс разработки и конструирования алгоритма, необходимого для решения определенного типа задач, называют алгоритмизацией. Разработанные алгоритмы являются основой программ для ЭВМ. Понятие «алгоритм» является более общим, чем понятие «программа». Программа — это описание алгоритма решения некоторых типов задач, заданное на языке вычислительной машины. В узком смысле программа — система последовательных действий.

Как уже отмечалось выше, запись алгоритма осуществляется по-разному (на естественном языке, на алгоритмическом языке и в форме блок-схем). Для того, чтобы сделать запись алгоритма понятной для машины, необходимо ее перевести на машинный язык в процессе программирования. Что же такое программирование?

Программирование — это сложный процесс подготовки задач для решения их с помощью ЭВМ. Процесс состоит из следующих основных этапов:

1.  Составление «плана решения» задачи в виде алгоритмического описания.

2. Описание «плана решения» на языке программирования — составление программы.

3. Трансляция программы с языка программирования на машинный язык в виде последовательности команд, реализация которых ЭВМ и есть процесс решения задачи.

Как решить с помощью ЭВМ серию однотипных расчетных задач, например, на вычисление относительной молекулярной массы (Мг) вещества?

Для решения задач данного типа прежде всего составляем алгоритмическое описание:

1) записываем химическую формулу вещества в общем виде: А,В С D (А, В, С, D — знаки химических элементов, I, m,n,t — индексы в формулах).

2) пользуясь справочной таблицей относительных атомных масс (А,), выписываем значения Аг элементов, входящих в состав вещества.

3) находим значение Мт как сумму произведений Ат на число атомов каждого элемента в формуле:

4) формулируем полный ответ.

Как преобразовать математическую формулу

чтобы ее могла решить машина? Решение этого вопроса связано с разработкой на основе математической формулы алгоритма вычисления.

Между алгоритмом и программой самая непосредственная связь. Без хорошо разработанного алгоритма невозможно составление программы, ориентированной на исполнителя (человека или машину).

Алгоритмы, записанные на алгоритмическом языке, адресованы исполнителю — человеку, но при некотором их уточнении могут реализоваться на ЭВМ. Уточнение в алгоритм вносится посредством конкретного (рабочего) языка программирования. В настоящее время насчитывается свыше 500 различных языков для записи программ. Среди них языки, ориентированные исключительно на математические вычисления (Фортран, АЛЛ), на реализацию учебных целей (Бейсик, Паскаль), специальный школьный алгоритмический язык и др.

Итак, на основе алгоритмического описания составляется программа на каком-нибудь языке программирования, доступном для электронно-вычислительной техники. Затем осуществляется трансляция программы с языка программирования на машинный язык в виде последовательности выполняемых машиной команд, необходимых для решения данного типа задач.

Глава II АЛГОРИТМЫ

ПРИ СОСТАВЛЕНИИ ХИМИЧЕСКИХ ФОРМУЛ И УРАВНЕНИЙ

АЛГОРИТМИЧЕСКИЕ ПРЕДПИСАНИЯ ПРИ СОСТАВЛЕНИИ ФОРМУЛ

Алгоритмы, используемые при составлении химических формул, реализуются через алгоритмические предписания, ориентированные на исполнителя — человека.

Составление химических формул по валентности требует прежде всего знания наиболее часто используемых при обучении химии символов химических элементов.

Приведем примеры составления формул по валентности.

Таблица 4 Алгоритм составления формул бинарных соединений

Задания для самоконтроля. Составьте формулы оксидов и бромидов натрия, бария, железа (II), железа (III).

Таблица 5 Алгоритм составления формул оснований

Задания для самоконтроля. Составьте формулы гидроксидов калия, меди (II), цинка, алюминия, хрома (III), марганца (II).

Таблица 6 Алгоритм составления формул кислородосодержащих солей

Таблица 7 Алгоритм составления формул углеводородов по их названию

Задания для самоконтроля. Составьте формулы нитратов, сульфатов, сульфитов, карбонатов калия, кальция и алюминия.

Задания для самоконтроля. Составьте формулы 2,2, 4-триме-тилпентана и 2, З-диметил-3-этилгексана.

При разработке алгоритмических предписаний по составлению формул в основном реализуются базовые структуры «следование». Если перевести записи алгоритмов с естественного языка на блок--схемы, то наглядно предстанет линейный тип этих алгоритмов.

АЛГОРИТМИЧЕСКИЕ ПРЕДПИСАНИЯ ПРИ СОСТАВЛЕНИИ ХИМИЧЕСКИХ УРАВНЕНИЙ

Для того, чтобы усвоить алгоритмы составления уравнений химических реакций, необходимо прочное усвоение химических символов, алгоритмов составления химических формул неорганических и органических веществ, глубокое понимание теоретических вопросов, стехиометрических законов (например, закона сохранения массы веществ, закона Авогадро), сформированность многих умений, в частности, самостоятельной работы и самоконтроля.

При разработке алгоритмических предписаний по составлению уравнений реализуются также линейные алгоритмы с базовой структурой «следование».

Приведем примеры алгоритмических предписаний по составлению уравнений химических реакций.

Таблица 9 Алгоритм составления химических уравнений

Примечание. Прежде чем перейти к составлению химических уравнений в общем виде (молекулярных уравнений), следует прочно усвоить: написание химических символов, классификацию, состав и свойства веществ, классификацию химических реакций, понятия и законы химии.

Задания для самоконтроля. Составьте уравнения реакций, характеризующих химические свойства оксидов, кислот, оснований, солей.

Таблица  11 Алгоритм составления уравнений окислительно-восстановительных реакций

Примечание. Прежде чем перейти к составлению уравнений окислительно-восстановительных реакций, необходимо прочно усвоить: написание химических символов, составление молекулярных формул, определение степеней окисления химических элементов, составление молекулярных и электронных уравнений (электронный баланс) и др.

Таблица  12 Алгоритм составления ионных уравнений

Примечание. Прежде чем приступить к составлению ионных уравнений, необходимо усвоить последовательность составления молекулярных уравнений и уравнения диссоциации электролитов, понятия о растворимости солей и оснований в воде и др.

Таблица  13 Алгоритм составления молекулярных уравнений на основе сокращенных ионных уравнений

Примечание. Прежде чем приступить к составлению молекулярных уравнений на основе сокращенных ионных, необходимо прочное овладение умением пользоваться таблицей «Растворимость солей, кислот и оснований в воде».

Глава III

АЛГОРИТМЫ РЕШЕНИЯ РАСЧЕТНЫХ ХИМИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

Любая задача включает такие компоненты, как условие и требование. Решение задачи начинают с изучения ее условия. В условиях расчетных задач всегда указывают числовое значение величин, называемое данными задач. В химических задачах данными могут быть не только числа, но и названия химических элементов, соединений, химические формулы и уравнения. В таких случаях на основе этих данных следует определить значения физических и химических величин: степень окисления элементов, количество вещества, молярные массы и т. п. Важно предварительно выяснить, с какими величинами предстоит проводить расчеты, установить единицы измерения, записать формулы или уравнения реакций, о которых идет речь в задаче.

Обязательным компонентом задачи является требование. В расчетных задачах требуется найти величины, называемые искомыми. В типовых задачах на нахождение молекулярных формул веществ искомая величина на первый взгляд носит только качественный характер, на самом деле для того, чтобы вывести формулу, необходимо произвести вычисления с целью определения соотношения атомов в молекуле, относительной молекулярной массы вещества и т. п.

Таким образом, химическая задача имеет, в отличие от математической, свою специфику, обусловленную тем, что химические знаки, формулы и уравнения содержат в скрытом виде определенные числовые данные.

Для решения задачи необходимо выяснить отношения между данными задачи и искомой величиной, установить соответствующие им закономерности.

На первоначальном этапе изучения химии целесообразно выполнение качественных задач и упражнений, которые помогут усвоить химический язык (символы, формулы, уравнения, номенклатуру, терминологию), правила написания формул и уравнений, теоретический и фактический материал.

На последующих этапах изучения химии необходимо овладеть умениями решать расчетные химические задачи, используя на практике полученные знания.

Решение расчетной задачи требует знаний математики, применения пропорций, использования линейных уравнений и неравенств.

Применение алгоритмов при решении задач развивает умение логически мыслить, анализировать зависимости между величинами, выделять существенное в изучаемом, находить оптимальные пути решения задач, последовательно расчленять свои действия на «шаги», приводящие к нахождению искомой величины. С целью ускорения расчетов при решении однотипных задач необходимо широкое использование вычислительной техники (простейших и программируемых микрокалькуляторов).

Программой по химии для средней школы предусматривается обычно решение следующих типов расчетных задач:

1)  вычисление относительных молекулярных масс веществ по химическим формулам;

2) вычисление по химическим уравнениям массы или количества вещества по известной массе или количеству одного из вступающих или получающихся в реакции веществ;

3) расчеты по термохимическим уравнениям;

4) вычисление массовой доли и массы вещества в растворе;

5) вычисление по химическим уравнениям объемов газов по известному количеству одного из вступающих в реакцию веществ или получающихся в результате ее;

6) расчеты объемных отношений газов по химическим уравнениям;

7) вычисление относительной плотности газов;

8) расчеты по химическим уравнениям, если одно из исходных веществ взято в избытке;

9) определение массовой или объемной доли выхода продукта реакции по сравнению с теоретически возможным;

10) вычисление массы или объема продукта реакции по известной массе или объему исходного вещества, содержащего примеси;

11) нахождение молекулярной формулы вещества в газообразном состоянии;

Все указанные типы расчетных задач условно можно сгруппировать так:                                                         *

I.  Задачи, для решения которых используют расчеты по химическим формулам (1, 7).

II. Задачи, для решения которых используют расчеты по химическим уравнениям (2, 3, 5, 6, 8, 9, 10).

III. Задачи на растворы (4).

IV. Задачи на вывод химических формул (11).

При решении расчетных задач используют линейные по структуре алгоритмы. Приведем общий алгоритм решения расчетной задачи по химии.

1. Прочитайте текст химической расчетной задачи.

2. Запишите кратко условие и требование задачи с помощью общепринятых условных обозначений.

3. Составьте химические формулы, уравнения реакций в соответствии с содержанием химической расчетной задачи и ее требованием.

4. Составьте рациональный план решения задачи.

5.  Продумайте, какие дополнительные данные можно извлечь из химических формул, уравнений реакций для реализации требований задачи.

6. Произведите все необходимые в данной задаче действия с заданной математической точностью.

7. Запишите полученный ответ.

Таблица 20 Алгоритм вычисления количества вещества по известной массе вещества

Задания для самоконтроля. Вычислите, какое количество вещества составляют: 100 г воды; 100 г сульфида железа (II); 100 г серной кислоты; 100 г карбоната натрия; 100 г бензола; 100 г сахарозы. Ответ: 5,56 моль; 1,14 моль; 1,02 моль; 0,94 моль; 1,28 моль; 0,29 моль.

АЛГОРИТМИЧЕСКИЕ ПРЕДПИСАНИЯ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПО УРАВНЕНИЯМ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

Решение задач по химическим уравнениям с использованием алгоритмических предписаний предполагает прежде всего предварительное овладение следующими умениями: составлять химические уравнения, преобразовывать и применять химические знания, извлекать информацию при оперировании химическими знаками, формулами и уравнениями; решать расчетные задачи по химическим формулам, применять математические знания, использовать вычислительную технику и др.

Таблица 24 Алгоритм вычисления массы продукта реакции по заданному количеству исходного вещества

Задание для самоконтроля. Рассчитайте, сколько граммов соли получится при взаимодействии 0,2 моль оксида меди (П) с соляной кислотой. Ответ: 27 г.

Таблица 25 Алгоритм вычисления объемных отношений газов по уравнениям химических реакций

Задание для самоконтроля. Рассчитайте, какой объем (н. у.) хлора потребуется для взаимодействия с 30 л водорода, какой объем хлороводорода при этом получится. Ответ: 30 л; 60 л.

Таблица 26 Алгоритм расчета количества теплоты по термохимическим уравнениям реакций

Задание для самоконтроля. Вычислите, сколько теплоты поглощается при окислении 14 г азота. Термохимическое уравнение реакции окисления азота: N + Оад = 2NO(r) — 180,8 кДж. Ответ: 90 кДж.

Таблица 27 Алгоритм расчета по уравнениям химических реакций, если одно из исходных веществ взято в избытке

Глава IV

АЛГОРИТМЫ РЕШЕНИЯ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ЗАДАЧ

ПО ХИМИИ

Важное место при изучении химии отводится решению экспериментальных задач. По своей структуре экспериментальные задачи, так же, как и расчетные, состоят из условия и требования. Главной особенностью этих задач является то, что их решение требует выполнения химического эксперимента. Они содержат задания, связанные с изучением как неорганических, так и органических веществ.

Решение экспериментальных задач требует глубоких и прочных знаний теорий, законов и понятий химии, фактического материала (о составе, свойствах, получении, характерных реакциях веществ), языка и методов химической науки.

Важным средством оптимизации решения экспериментальных задач является реализация алгоритмов их решения.

АЛГОРИТМЫ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ЗАДАЧ ПРИ ИЗУЧЕНИИ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

Программа средней общеобразовательной и профессиональной школы по химии предусматривает решение следующих основных типов экспериментальных задач:

I. Задачи на экспериментальное получение заданного вещества.

П. Задачи на экспериментальное осуществление превращений веществ.

III.  Задачи, для решения которых проводят химические реакции, характерные для данного вещества.

IV. Задачи на экспериментальное обнаружение вещества.

V. Задачи, требующие доказательства (подтверждения качественного состава вещества).

VI. Задачи на распознавание (определение, доказательство, обнаружение) каждого из двух-трех предложенных (выданных) веществ.

Перечисленные типы экспериментальных задач тесно связаны между собой, в особенности I и II; III; IV и V; V и VI типы.

I тип. Задачи данного типа можно формулировать таким образом.

Задача. Дан (или имеется) раствор сульфата меди (II). Получите из него раствор хлорида меди (II) двумя способами.

Для решения данной задачи необходим определенный алгоритм действий:

прочитать внимательно текст задачи;

установить условие и требование задачи;

повторить, если есть необходимость, общие свойства солей;

по таблице «Растворимость солей и оснований в воде», определив растворимость хлоридов и сульфатов, выбрать вещества, реагирующие необратимо с сульфатом меди (II) в растворе;

провести эксперимент по получению сульфата меди (II) двумя способами из хлорида меди (II).

II тип. Задачи этого типа можно рассматривать как задачи I типа в усложненном варианте.

Задача. Осуществите следующие превращения:

СиС12 -> CuS04-> Cb (ОН)2 -> CuO В отличие от задачи I типа решение данной задачи сводится к экспериментальному получению трех веществ. Поэтому алгоритм решения этой задачи будет включать и другие действия (например, повторение химических свойств гидроксидов и оксидов, а не только солей, и др.).

Решение задач последующих типов (III, IV, V и VI) требует знания качественных реакций ионов и веществ (табл. 33).

При решении качественных экспериментальных задач целесообразно использование алгоритмов с командами ветвления (блок-схем и текстовых алгоритмов со служебными словами если, то. иначе).

Пример 1. Алгоритм обнаружения ионов серебра: нач получите исследуемый раствор отлейте в пробирку 1 мл пробы добавьте 0,5 см3 раствора хлорида натрия если белый творожистый осадок

то в исследуемом растворе ионы серебра иначе в исследуемом растворе нет ионов серебра все                            Блок-схема 2 (приложение)

кон

Пример  2. Алгоритм распознавания ионов аммония:

нач получите исследуемый раствор отлейте в пробирку 1 мл пробы добавьте 1 мл раствора щелочи

осторожно нагрейте пробирку, держа над ней влажную лакмусовую бумажку если лакмусовая бумажка синяя

то в исследуемом растворе есть ионы аммония иначе в исследуемом растворе нет ионов аммония все нем

Таблица 33 Качественные реакции

Задания для самоконтроля: 1. Самостоятельно составьте алгоритмы распознавания следующих катионов: цинка, бария, меди (П), железа (III), алюминия, хрома (Ш), железа (II). 2. Самостоятельно составьте алгоритмы определения следующих ионов: сульфат-, сульфид-, карбонат-, силикат-, хлорид-, фосфат- и нитрат-анионов.

Примечание: используйте таблицу «Качественные реакции».

Решение качественных химических задач «сухими» методами при распознавании химических элементов по окрашиванию пламени требует реализации также разветвленных по структуре алгоритмов. Эти задачи можно решить и методом выбора.

Пример 3 . Алгоритм распознавания катионов металлов по окрашиванию пламени:

нач получите кристаллические хлориды натрия, калия, кальция, меди

смочите нихромовую петлю концентрированной соляной кислотой и прокалите ее в пламени до полной чистоты снова смочите петлю кислотой, возьмите петлей соль и внесите ее сначала в основание пламени, затем в часть с наивысшей температурой выбор

при пламя желтого цвета — катион натрия при пламя фиолетового цвета — катион калия при пламя зеленого цвета — катион меди при пламя кирпично-красного цвета — катион кальция все кон

АЛГОРИТМЫ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ЗАДАЧ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Экспериментальные задачи по органической химии являются важным средством формирования глубоких знаний по теории химического строения, фактического материала (химических свойств органических соединений, качественных реакций), а также многих предметных умений (проделать реакции, характерные для данного органического вещества, распознать каждое вещество из двух предложенных, распознавать пластмассы, волокна и др.).

При решении экспериментальных задач по органической химии также реализуются как линейные, так и разветвленные алгоритмы.

Для успешного решения экспериментальных задач необходимо знание характерных реакций органических веществ (табл. 34).

Таблица 34 Характерные реакции

В школьном курсе органической химии экспериментальные задачи обычно сформулированы так:

1.  Докажите опытным путем, что в состав данного органического вещества входит углерод.

2.  Проведите реакции, характерные для данного органического вещества.

3. Получите и соберите газообразное органическое вещество. Докажите опытным путем наличие данного газа.

4.  Определите с помощью характерных реакций каждое из двух предложенных органических веществ.

5. В пакетиках образцы пластмасс (или волокон). Определите опытным путем каждую пластмассу (или волокно).

6. Проведите реакцию гидролиза данного органического вещества и докажите образование продукта реакции.

Приведем примеры алгоритмов решения некоторых экспериментальных задач по органической химии.

Пример 1. Алгоритм обнаружения непредельных соединений:

нач отлейте в пробирку 1 мл пробы

добавьте 0,5 мл бромной воды или раствора перманганата калия если обесцвечивание бромной воды (илираствора соли) то исследуемое вещество - алкен или алкин иначе исследуемое вещество - алкан все кон

Пример  2.  Алгоритм обнаружения этанола в растворе (иодоформная проба):

нач отлейте в пробирку 2 мл пробы

положите несколько кристалликов (0,5 г) истолченного иода и растворите встряхиванием осторожно подогрейте раствор до 70—80 "С прилейте по каплям раствор с массовой долей гидроксида натрия 10% до исчезновения бурого цвета и появления светло-желтой окраски (не допускайте избытка щелочи) если выпадение светло-желтых кристаллов со специфическим запахом йодоформа те в растворе этанол иначе в растворе нет этанола

I   все

кон

ПРИЛОЖЕНИЕ Блок-схема 1

Алгоритм определения реакции среды раствора

Блок-схема Й Алгоритм обнаружения ионов серебра

Блок-схема 3 Алгоритм отделения ионов кальция от ионов бария

Блок-схема 4 Алгоритм осаждения ионов кальция и бария

Блок-схема 5 Алгоритм определения веществ из трех предложенных