Решение расчетных задач – важнейшая составная часть школьного предмета «химия», так как это один из приёмов обучения, посредством которого обеспечивается более глубокое и полное усвоение учебного материала по химии и вырабатывается умение самостоятельного применения полученных знаний.
Чтобы научиться химии, систематическое изучение известных истин химической науки должно сочетаться с самостоятельным поиском решения сначала малых, а затем и больших проблем. Как бы ни были интересны теоретические разделы учебника и качественные опыты практикума, они недостаточны без численного подтверждения выводов теории и результатов эксперимента: ведь химия – количественная наука. Включение задач в учебный процесс позволяет реализовать следующие дидактические принципы обучения: 1) обеспечение самостоятельности и активности учащихся; 2) достижение прочности знаний и умений; 3) осуществление связи обучения с жизнью; 4) реализация предпрофильного и профильного политехнического обучения.
Решение задач является одним из звеньев в прочном усвоении учебного материала, так как формирование теорий и законов, запоминание правил и формул, составление уравнений реакций происходит в действии.
В решении химических задач целесообразно использовать алгебраические приёмы. В этом случае исследование и анализ ряда задач сводятся к преобразованиям формул и подставлению известных величин в конечную формулу или алгебраическое уравнение. Задачи по химии похожи на задачи по математике, и некоторые количественные задачи по химии (особенно на «смеси») удобнее решать через систему уравнений с двумя неизвестными.
Рассмотрим несколько таких задач.
Задача 1.
Смесь карбонатов калия и натрия массой 7 г обработали серной кислотой, взятой в избытке. При этом выделившийся газ занял объем 1,344 л (н.у.). Определить массовые доли карбонатов в исходной смеси.
Решение .
Составляем уравнений реакций:
xг |
yл |
| Na2CO3 + H2SO4 = Na2SO4 + CO2^ + H2O | |
| 1моль | 1моль |
| 106г | 22,4л |
| (7-х)г | (1,344-у)л |
| K2CO3 + H2SO4 = K2SO4 + CO2^ + H2O | |
| 1моль | 1моль |
| 138г | 22,4л |
Обозначим через хг массу карбоната натрия в смеси, а массу карбоната калия – через (7-х)г. Объём газа, выделившегося при взаимодействии карбоната натрия с кислотой, обозначаем через у л, а объём газа, выделившегося при взаимодействии карбоната калия с кислотой, обозначаем через (1,344-у)л.
Над уравнениями реакций записываем введенные обозначения, под уравнениями реакций записываем данные, полученные по уравнениям реакций, и составляем систему уравнений с двумя неизвестными:
х/106 = у/22,4 (1)
(7-х)/138=(1,344-у) (2)
Из первого уравнения выражаем у через х:
у = 22,4х/106 (3)
(1,344-22,4х/106)•138=22,4•(7-х). (4)
Решаем уравнение (4) относительно х.
185,472-29,16х=156,8-22,4х
6,76х=28,672
х=4,24
Следовательно, масса карбоната натрия равна 4,24 г.
Массу карбоната калия находим вычитанием из общей массы смеси карбонатов массы карбоната натрия:
7г-4,24г=2,76г.
Массовые доли карбонатов находим по формуле:
w=(mком-та/mобщая)•100%
w(Na2CO3)=(4.24/7)•100%=60.57%
w(K2CO3)=(2.76/7)•100%=39.43%.
Ответ: массовая доля карбоната натрия равна 60,57%, массовая доля карбоната калия равна 39,43%.
Задача 2.
Смесь карбонатов калия и натрия массой 10 г растворили в воде и добавили избыток соляной кислоты. Выделившийся газ пропустили через трубку с пероксидом натрия. Образовавшегося кислорода хватило, чтобы сжечь 1,9 л водорода (н.у.). Напишите уравнения реакций и рассчитайте состав смеси.
Решение.
Составляем уравнения реакций:
| х г | y л |
| Na2CO3 + 2HCl = 2NaCl + H2O + СО2 (1) | |
| 1моль | 1моль |
| 106г | 22,4л |
| (10-x)г | (1.9-y)л |
| K2CO3 + 2HCl = 2KCl + H2O + CO2^ (2) | |
| 1моль | 1моль |
| 138г | 22,4л |
| х л | 0,95л |
| 2Na2O2 + 2CO2 = 2Na2CO3 + O2 (3) | |
| 2моль | 1моль |
| 44,8л | 22,4л |
| 1,9л | хл |
| 2Н2 + О2 = 2Н2О (4) | |
| 2моль | 1 моль |
| 44,8л | 22,4л |
Обозначим через х г массу карбоната натрия, а масса карбоната калия будет равна (10-х)г.
По уравнению (4) рассчитаем объем кислорода, образовавшегося в процессе реакции (3).
Для этого через х в уравнении обозначим объём кислорода и, исходя из объёма водорода, составим пропорцию и решим её относительно х:
1,9/44,8=х/22,4;
х=1,9•22,4/44,8;
х=0,95л (объём выделившегося кислорода).
Исходя из уравнения (3), рассчитаем объём углекислого газа, образовавшегося при обработке смеси карбонатов натрия и калия избытком соляной кислоты. Для этого составим пропорцию:
х/44,8=0,95/22,4;
х=0,95•44,8/22,4;
х=1,9л.
Через у л обозначим объём газа, выделившегося в процессе реакции (1), а через (1,9-у)л – объём газа, выделившегося в процессе реакции (2). Составим систему уравнений с двумя неизвестными:
х/106=у/22,4 (5)
(10-х)/138=(1,9-у)/22,4 (6)
Из уравнения (5) выражаем у через х и подставляем в уравнение (6):
у=22,4х/106
(10-х)/138=(1,9-22,4х/106)/22,44 (7).
Уравнение (7) решаем относительно х:
(1,9-22,4х/106)•138=22,4•(10-х);
262,2-29,16х=224-22,4х;
6,76х=38,2;
х=5,65г (масса карбоната натрия).
Масса карбоната калия находится как разность между массой смеси карбонатов натрия и калия и массой карбоната натрия:
10-5,65=4,35г (масса карбоната калия).
w(Na2CO3)=(5,65/10)•100%
w(Na2CO3)=56.5%
w(K2CO3)=(4.35/10)•100%
w(K2CO3)=43.5%/
Ответ: массовая доля карбоната натрия равна 56,5%, массовая доля карбоната калия равна 43,5%.
Задачи для самостоятельного решения.
Задача 3.
Смесь железа и цинка массой 12,1 г обработали избытком раствора серной кислоты. Для сжигания полученного водорода необходимо 2,24л кислорода (давление 135,6 кПа, температура – 364К). Найдите массовую долю железа в смеси.
Задача 4.
Смесь метиловых эфиров уксусной кислоты и пропионовой кислоты массой 47,2г обработали 83,4мл раствора гидроксида натрия с массовой долей 40% (плотность 1,2г/мл). Определите массовые доли эфиров ( в %) в смеси, если известно, что гидроксид натрия, оставшийся после гидролиза эфиров, может поглотить максимально 8,96л оксида углерода (IV).
Эти задачи можно решать и другими способами, но этот способ решения задач по химии способствует развитию логического мышления, даёт возможность показать взаимосвязь математики и химии, формирует умение составлять и применять алгоритмы последовательности действий при решении, дисциплинирует и направляет деятельность на правильное использование физических величин и корректное проведение математических расчётов.