Статья Архиповой Т.Н. "Решение расчетных задач как приём обучения, развивающего химическую логику"
статья по химии

Решение расчетных задач как приём обучения, развивающего

химическую логику

The solution of design problems as a method of learning, developing

 chemical logic

Расчетные задачи по химии, алгоритмы решения задач на растворимость, концентрация растворов солей, кристаллизация из растворов солей, кристаллизация из растворов солей, образующих кристаллогидраты.

Calculation problems in chemistry, algorithms for solving solubility problems, the concentration of salt solutions, crystallization from salt solutions, crystallization from salt solutions forming crystalline hydrates.

Аннотация: в статье рассматриваются требования Федерального государственного образовательного стандарта среднего (полного) общего образования к освоению основной образовательной программы, обосновывается необходимость решения расчетных задач при изучении школьного курса химии, приводятся алгоритмы решения задач на растворимость веществ. Содержание статьи позволяет сформировать представление о приёмах обучения, развивающего химическую логику. Приведены примеры основных подходов к решению стандартных задач о процессах, связанных с изменением концентрации растворов солей.

Abstract: the article discusses the requirements of the Federal State Educational Standard of Secondary (Complete) General Education for mastering the main educational program, substantiates the need to solve computational problems when studying a school course in chemistry, provides algorithms for solving problems on the solubility of substances.  The content of the article allows you to form an idea about the methods of training that develops chemical logic.  Examples of the main approaches to the solution of standard problems of processes associated with changes in the concentration of salt solutions are given.

В настоящее время одной из актуальных проблем химического образования является повышение интереса школьников к предмету «Химия». Это побуждает преподавателей искать новые средства и методы обучения, способствующие развитию интереса к предмету. Федеральный государственный образовательный стандарт среднего (полного) общего образования, в свою очередь, устанавливает определённые требования к освоению основной образовательной программы [1].

В соответствии с Примерной основной образовательной программой среднего общего образования «в результате изучения учебного предмета «Химия» на уровне среднего общего образования выпускник на углубленном уровне научится проводить расчеты на основе химических формул и уравнений реакций: нахождение молекулярной формулы органического вещества по его плотности и массовым долям элементов, входящих в его состав, или по продуктам сгорания; расчеты массовой доли (массы) химического соединения в смеси; расчеты массы (объема, количества вещества) продуктов реакции, если одно из веществ дано в избытке (имеет примеси); расчеты массовой или объемной доли выхода продукта реакции от теоретически возможного; расчеты теплового эффекта реакции; расчеты объемных отношений газов при химических реакциях; расчеты массы (объема, количества вещества) продукта реакции, если одно из веществ дано в виде раствора с определенной массовой долей растворенного вещества» [2].

Таким образом решению расчетных задач по химии необходимо уделять должное внимание. Химическая учебная задача – это модель проблемной ситуации. Практика показывает, что решение задач требует математического, а иногда нестандартного мышления. Для развития химической логики полезно решать расчетные задачи. Умение решать задачи является основным показателем творческого усвоения предмета, вырабатывается умение самостоятельного применения приобретенных знаний. Решение задач при изучении теории позволяет значительно лучше разобраться в ней и усвоить наиболее сложные вопросы, это один из приемов обучения химии. Решение расчетных задач способствует связи обучения с жизнью, помогает профессиональной ориентации. Оно играет важную роль в воспитании трудолюбия, целеустремленности, формирования мировоззрения и реализации межпредметных связей. Существует много методических рекомендаций по решению задач по химии, однако я рекомендую молодым и начинающим учителям, преподающим химию в 8-11 классах, пособие для учителей Д. Пойа «Как решать задачу» [4]. А вот для решения задач повышенной сложности, подготовки обучающихся к ЕГЭ по химии – учебное пособие «Химия. Алгоритмы решения задач и тесты» Н.Н. Олейникова, примеры из которого мы рассмотрим [3].

        В процессе решения задач формируются рациональные приемы мышления, происходит обобщение знаний, развивается самостоятельность и навыки самоконтроля, закрепляются и совершенствуются химические понятия о веществах и процессах. Поэтому при подготовке школьников к единому государственному экзамену по химии большое внимание уделяю умению решать расчетные задачи.

        Любая задача по химии всегда конкретна и всегда может быть решена на основе имеющихся знаний законов, теорий и фактов химии. Именно через решение задач различных типов и уровней сложности может быть эффективно освоен курс химии.

        Важное место в курсе химии занимает тема «Растворы». В курсе неорганической химии обучающиеся знакомятся с понятиями концентрации раствора, способами её выражения, а также с соответствующими вычислениями. Вариантов задач с этими понятиями очень много. Учитывая практическое и образовательное значение темы и умений производить вычисления, расчетные задачи «на растворы» следует постоянно включать в изучение всего курса химии 8-11 классов.

 В зависимости от основного вопроса задачи можно условно разделить на 3 группы: 1) задачи, в которых требуется проведение вычислений по приготовлению растворов; 2) задачи на вычисление отдельных компонентов и свойств растворов; 3) задачи, требующие вычисления концентрации растворов и растворимости веществ. При решении таких задач обучающимся необходимо уметь пользоваться справочниками и графиками, при помощи которых определяют в случае необходимости плотности растворов, растворимость веществ и т.д.

Растворы имеют огромное значение в жизни и практической деятельности человека. Так процессы усвоения пищи человеком и животными связаны с переходами питательных веществ в раствор. Растворами являются все важнейшие физиологические жидкости (кровь, лимфа и т.д.). Вода в природе создает все растворы. Производства, в основе которых лежат химические процессы, обычно связаны с использованием растворов – гидролиз, электролиз.

        Учитывая важность этой темы, задачи на растворы включены в заданиях ЕГЭ по химии.

                Рассмотрим основные подходы и алгоритмы решений стандартных задач о процессах, связанных с изменением концентрации растворов солей:

1. кристаллизация из растворов солей;
2. кристаллизация из растворов солей, образующих кристаллогидраты.

1. Кристаллизация из растворов солей

а) определение растворимости вещества.

Рассмотрим в качестве примера следующую задачу:

Вычислите растворимость хлорида натрия в воде при 400С, если в 500 г раствора при этой температуре растворяется 133,43 г соли.

Решение. Согласно определению, растворимость вещества – масса безводного вещества, которая может раствориться в 100 г растворителя. Из условия задачи следует, что 133,43 г хлорида натрия растворено в массе воды равной m(H2O) = 500 г – 133,43 г = 366,57 г. Тогда, используя условия задачи и определение растворимости, можно записать следующую пропорцию:

133,43 г хлорида натрия – 366,57 г воды

        Х г хлорида натрия – 100,0 г воды,

решение которой дает Х = 36,4 г.

Ответ: растворимость хлорида натрия при 400С = 36,4 г.

б) Определение массы выпавших кристаллов при охлаждении раствора, насыщенного при повышенной температуре.

Рассмотрим в качестве примера следующую задачу:

Растворимость хлорида натрия при 00С и 800С равна соответственно 35,7 г и 38,1 г. Какая масса хлорида натрия выпадает в осадок, если охладить 500 г насыщенного раствора хлорида натрия от 800С до 00С?

Решение. Определим массовые доли хлорида натрия в насыщенных водных растворах при 00С и 800С:

ω(00С) = 35,7 г / 135,7 г = 0,263 м.д.

ω(800С) = 38,1 г /138,1 г = 0,2759 м.д.

        В 500 г насыщенного раствора хлорида натрия при 800С будет растворено m(NaCl) = 500 г · 0,2759 = 137,95 г. При охлаждении этого раствора до 00С из него выпадает Х г хлорида натрия. Этот процесс можно выразить следующим соотношением:

ω(00С) = (137,95 г – х) / (500 г – х) = 0,263.

Решение этого уравнения дает Х = 8,75 г.

Ответ: при охлаждении выпадает 8,75 г хлорида натрия. [3].

2. Кристаллизация из растворов солей, образующих кристаллогидраты.

        Рассмотрим в качестве примера следующую задачу.

        Определите количество кристаллогидрата Na2SO4 · 10H2O, который выкристаллизовался при охлаждении 513,2 г насыщенного при 800С раствора сульфата натрия до 100С. Растворимость безводного сульфата натрия при 800С равна 28,3 г, а при 100С – 9,0 г в 100 г воды.

Решение. Определим массовые доли сульфата натрия в насыщенных водных растворах при 100С и 800С:

ω(100С) = 9,0 г / 109,0 г = 0,0826 м.д.

ω(800С) = 28,3 г / 128,3 г = 0,2206 м.д.

        В 513,2 г насыщенного раствора сульфата натрия при 800С будет растворено m(Na2SO4) = 513,2 г · 0,2206 = 113,2 г. При охлаждении этого раствора до 100С из него выпадает Х г Na2SO4 · 10H2O. Учитывая, что массовая доля соли в кристаллогидрате равна

α = M(вещества) / M(кристаллогидрата) = 142,0 г /322,0 г =0,441,

этот процесс можно выразить следующим соотношением:

ω(100С) = (113,2 г – α · х) / (513,2 г – х) = 0,0826.

        Решение этого уравнения дает Х = 197,6 г.

        Ответ: при охлаждении выпадает 197,6 г Na2SO4 · 10H2O. [3].

Решение подобных расчетных задач активно развивает химическую логику обучающегося. Примечательно, что любая достаточно сложная задача по химии является интеллектуальной комбинацией более простых стандартных ситуаций. Следовательно, важнейшим элементарным навыком решения задач по химии, которым должен овладеть школьник, является умение разложить сложную задачу на более простые составляющие, на стандартные подзадачи, решение которых не должно вызывать больших затруднений у школьника при соответствующей подготовке. Другими словами, умение решать стандартные подзадачи должно являться для обучающегося неким элементарным навыком, который он должен освоить в процессе обучения. Умение решать задачи есть искусство, приобретающееся практикой. Д.Пойа [4].

ЛИТЕРАТУРА:

1. Приказ Минобрнауки РФ от 17.05.2012 № 413 (в ред. от 29.06.2017) «Об утверждении федерального государственного образовательного стандарта среднего (полного) общего образования». https://legalacts.ru/doc/prikaz-minobrnauki-rossii-ot-17052012-n-413/
2. Примерная основная образовательная программа среднего общего образования (одобрена решением федерального учебно-методического объединения по общему образованию, протокол от 28 июня 2016 г. № 2/16-з) http://fgosreestr.ru/registry/primernaya-osnovnaya-obrazovatelnaya-programma-srednego-obshhego-obrazovaniya/
3. Олейников Н.Н. Химия. Алгоритмы решения задач и тесты: учебное пособие для прикладного бакалавриата/ Олейников Н.Н., Муравьева Г.П. – 3-е изд., исп. и доп. – М.: Издательство Юрайт, 2017 – 249 с.
4. http://www.mathedu.ru/lib/books/poya_kak_reshat_zadachu_1959/