Необхідність вміти вирішувати розрахункові завдання
Вміти вирішувати задачі - інтегрований показник ступеня оволодіння знаннями з хімії, фізики, математики та, безсумнівно, розумових здібностей учнів. Тому рішення задач - це не тільки один з провідних методів навчання, а й самий інформативний спосіб контролю. Процес засвоєння знань може бути умовно розділений на чотири етапи:- розуміння;
- запам'ятовування;
- застосування в стандартних умовах;
- застосування в нових, нестандартних умовах і різних поєднаннях.
На всіх цих етапах для навчання і контролю можна використовувати різні типи завдань.
Першими викладачами та методистами, які висунули і відстоювали ідею необхідності введення завдань в процес навчання хімії, були В.Н. Верховський, Я.Л. Гольдфарб, Л.А. Цвєтков, Л.М. Сморгонский, С.Г. Шаповаленко, Ю.В. Ходаков.
Незважаючи на різноманіття підходів до проблеми навчання школярів рішенню хімічних задач, всі визнають, що основною формою навчання повинна бути самостійна робота. Самостійна робота учнів ефективна при наявності достатніх базових знань і хороших посібників, задачников.
В даний час існує суперечність між рівнем стандартних завдань шкільного курсу і рівнем завдань ЄДІ. Труднощі деяких завдань ЄДІ часто запредельна не тільки для школярів, але і для більшості вчителів. У різних посібниках наведені приклади розв'язання досить важких завдань. Однак, як показує досвід, хімічні, фізичні та математичні знання більшості школярів недостатні для того, щоб розібратися в них. Тому неможливо успішно здати ЄДІ без занять на підготовчих курсах або з репетиторами. А це вимагає великих витрат часу і коштів і призводить до перевантаження старшокласників.
Звідси очевидна актуальність проблеми навчання школярів умінню вирішувати хімічні задачі.
Задачі на знаходження масової частки елемента в речовині
Перший і, природно, найпростіший тип завдань, що вивчаються учнями в VIII класі - це знаходження масових часток хімічних елементів в речовині. Це дуже прості завдання, але досвід роботи показує, що для більшості учнів представляє серйозну проблему запам'ятовування навіть простих формул для розрахунків. Я з самого початку роблю наголос на логіку учнів, а, не на їхньому механічну зубріння. Сама назва "масова частка" показує, що для розрахунку беруть маси.
Я задаю учням просте запитання:
- Що потрібно робити, щоб кожен отримав свою частку від чого-небудь?
Учні миттєво дають відповідь:
Далі фіксую їх увагу на те, що частка - це частина від цілого. Значить при розрахунку необхідно частину маси, що припадає на хімічний елемент, ділити на масу всієї молекули.
Таким чином, учні легко, за допомогою логіки, самі виводять формулу, необхідну для знаходження масової частки хімічного елемента в речовині.
Завдання 1.Вичісліть масову частку водню і кисню в молекулі води.
Рішення: Спочатку обчислюється відносна молекулярна маса Mr води:
Mr (H2 O) = Ar (H) * 2 + Ar (O) = 1 * 2 + 16 = 18;
потім масова частка водню: (H) = * 100% = = 11.1%
і кисню: (O) = = = 88.9%
Відповідь: (H) = 11,1%. (О) = 88,9%.
Задачі на знаходження формули речовини за масовою часток елементів, його складових
Потім вивчають рішення оберненої задачі - знаходять формулу речовини за відомими масовим часткам входять до його складу хімічних елементів. Сам алгоритм вирішення подібних завдань освоюється учнями досить легко. Труднощі викликає приведення співвідношення атомів хімічних елементів до простих цілих чисел. Я пояснюю, що необхідно з усіх чисел співвідношення вибрати найменше і на нього ділити все числа співвідношення. Але і в цьому випадку можуть вийти не цілі числа. Тоді доводиться все результати подвоювати, потроювати і т.д. до отримання цілих чисел, які не скорочуються.
Завдання 2.Найті формулу речовини, яке містить 83,33% вуглецю і 16,67% водню.
Рішення: Для речовини складу Ах Ву справедлива формула 1:
Підставляючи дані в цю формулу, отримуємо вираз:.
Нескладні обчислення дають відповідь: 5. 12
Відповідь: формула речовини С5 Н12
Але не завжди відповідь знаходиться так легко.
На прикладі цього завдання в старших класах при роботі з більш обдарованими учнями можна показати, що в бінарному з'єднанні еквівалентну число атома z чисельно дорівнює його ступеня окислення. Для цього умовно розглянемо речовину складу Ах Ву як продукт взаємодії атомів елементів А і В:
Зі схеми окисно-відновного процесу слід, що: z (A) = m. z (B) = n.
Існує, однак, чимало бінарних сполук, формули яких складені не у відповідності зі ступенями окислення елементів. До них відносяться багато карбіди, нітриди, оксиди, вуглеводні та інші речовини. Наприклад: CaC2. Cr7 C3. Mn8 C3. Mn4 N, Mo2 N, Fe3 O4. U3 O8.
Цілком очевидно, що для будь-якого елемента в речовині, навіть якщо формула складена не за ступенями окислення, можна розрахувати еквівалент або молярну масу елемента. Але у багатьох таких речовин ступеня окислення елементів виражаються дробовими числами, а значить, і еквівалентні числа також будуть дробовими. Вирішимо задачу 2, використовуючи поняття "еквівалент". Для цього в математичний вираз закону еквівалентів
= Де M (1 / z (A) A) - молярна маса еквівалента А,
M (1 / z (B) B) - молярна маса еквівалента В- потрібно ввести масові частки елементів А і В у складі складного речовини Ах Ву.
- як показано вище, z (A) = m. z (B) = n.
Поділимо z (A) на z (B): =. З огляду на, що x m = y n. знайдемо відношення:
Висловимо молярні маси А і В через молярні маси еквівалентів:
M (A) = z (A) * M (1 / z (A) A),
M (B) = z (B) * M (1 / z (B) B).
Підставами в формулу: = = записані вирази, а відношення еквівалентних чисел висловимо через ставлення індексів, отримаємо математичний вираз закону еквівалентів:
Використовуємо цю формулу для вирішення завдання: підставимо значення молярної маси еквівалента водню і масові частки елементів:
Звідси обчислимо молярну масу еквівалента вуглецю в цій речовині:
M (1 / z (C) C) = 5 г / моль.
Потім визначимо еквівалентну число вуглецю в цій речовині:
Значить, ступінь окислення вуглецю в вуглеводні дорівнює -12/5.
Визначимо його формулу: Сх -12/5 Ну +1;
значить, найпростіша формула С5 Н12.
Якщо за умовою задачі треба визначити формулу бінарного з'єднання, утвореного невідомим елементом, поняття "еквівалент" можна досить успішно використовувати для її вирішення.
Завдання 3. Визначити формули двох оксидів одного і того ж елемента, якщо його масова частка в цих оксидах дорівнює 88,11% і 84,75%. Цей елемент утворює також фторид, що містить 32,47% фтору по масі.
Обчислимо еквівалент кисню в оксидах, враховуючи, що ступінь окислення кисню дорівнює -2:
Використовуючи формулу (2), обчислимо молярну масу еквівалента невідомого елемента R в першому оксиді:
; M (1 / z (R) R) = 89.28 г / моль.
Далі припустимо, що еквівалентне число елемента R в першому оксиді виражається цілим числом, і методом підбору визначимо молярну масу елемента, враховуючи, що:
M (R) = z (R) * M (1 / z (R) R) отримаємо таблицю 1:
З даних таблиці 3 випливає, що невідомим елементом може бути нептуний, так як фториду тривалентного олова не існує. Тоді першим оксидом, в якому масова частка елемента дорівнює 88,11%, може бути NpO2. У той же час обчислення по другому оксиду дають один реальний відповідь: гафній (оксид Fr2 O5 не існує). Як усунути цю суперечність?
Можна припустити, що в другому оксиді елемент має дробову ступінь окислення і еквівалентну число z (R) у другому оксиді дробове. Виходячи з цього припущення, визначимо еквівалентну число z 1 (R), а, потім, формулу другого оксиду:
Для визначення формули другого оксиду можна використовувати формулу (1):
Таким чином, формула другого оксиду Np3 O8.
Рішення задач з використанням "правила хреста"
"Правило хреста" знайоме учням з уроків математики. Я привчаю своїх учнів при хімічних розрахунках, там, де це можливо, використовувати це правило. Таких можливостей досить багато, особливо при розрахунках, пов'язаних з приготуванням розчинів заданої концентрації. Для цього "правило хреста" можна записати в такий спосіб:
Тут А і В - концентрації вихідних речовин, С - концентрація отриманого розчину.
Якщо концентрація розчинів виражена у відсотках, то правило можна сформулювати так: щоб отримати (А - В) грам розчину концентрації С%, необхідно взяти (С - В) грам розчину концентрації А% і (А - С) грам розчину концентрації В%.
А та В можуть набувати значень від 0 (чистий розчинник) до 100 (чисте розчиняється речовина), при цьому С завжди буде більше А, але менше В.
Якщо концентрація розчинів виражена в моль / л, то це правило можна сформулювати так: щоб отримати (А - В) мл (або л) розчин концентрації С моль / л, необхідно взяти (С-В) мл (або л) розчину концентрації А моль / л і (А-С) мл (або л) розчину концентрації В моль / л.
Застосування "правила хреста" дозволяє спростити рішення задач і уникнути проміжних обчислень, в яких дуже часто припускаються помилок, а також скоротити час на вирішення завдання.
Розглянемо можливості застосування "правила хреста" на конкретних прикладах.
Завдання 4.Визначите масу кухонної солі і обсяг дистильованої води, необхідних для отримання 230 г 12% -ного розчину солі.
Складемо схему для застосування "правила хреста", доповнивши її вихідними даними: х - мас солі, у - маса води:
Для визначення х і у складемо і вирішимо дві пропорції:
Відповідь: V (H2 O) = 202,4 мл.
Завдання 5.Определіть обсяг води (в мл), який потрібно додати до 400 мл 18% -ного розчину солі щільністю 1,132 г / мл, щоб отримати 11% -ний розчин.
Маса вихідного розчину становить: m = p * V; m = 1.130 * 400 = 152.8 (г).
Складемо схему і знайдемо обсяг води:
Відповідь: V (H2 O) = 288.15 мл.
Комп'ютерні програми для навчання рішенню завдань з хімії
Одне з універсальних засобів для освіти - комп'ютерні навчальні програми, які мають найширші можливості. Ідея використання комп'ютерів під час навчання школярів рішенню хімічних задач не нова і знайшла відображення навіть у назвах ряду задачников і посібників для вчителів. У мене в цьому плані є прекрасні, якщо не сказати унікальні, можливості: на ряду з хімією я ще викладаю і інформатику. У моєму розпорядженні не тільки комп'ютерний кабінет. Маю пристойний досвід використання комп'ютера в навчанні учнів хімії, в тому числі і рішенням хімічних задач.