Подготовка учащихся 11 класса к сдаче ЕГЭ по химии
материал по химии (11 класс) по теме

Классификация и общий план решения задач.
Количественные характеристики порции вещества.

Задачи - особый вид заданий, требующий от ученика применения знаний в новой, незнакомой для него ситуации, по неизвестному заранее алгоритму, в результате чего из определенного набора исходных данных должны быть получены новые факты, сведения, значения величин. Если алгоритм выполнения задания заранее известен, оно превращается из задачи в упражнение, цель которых – совершенствование, превращение умений в навыки, доведение их до автоматизма. Понятно, что граница между этими понятиями временная, и то, что для ученика 8-го класса является задачей, ученик 11-го должен бы выполнять не задумываясь.

Для сдачи ЕГЭ, где типы заданий достаточно стандартны, ученику нужно прежде всего показать знание стандартных алгоритмов вычислений, и только в части С ему возможно встретится задание с неопределенным для него алгоритмом. При подготовке к олимпиадам, где типы заданий более сложны и разнообразны, на первый план выходит именно умение анализировать условие и находить алгоритм решения, т.е. то, что и следует считать умением решать задачи. Разумеется, два эти вида деятельности взаимосвязаны, и умение решать задачи не придет без осознания наиболее общих алгоритмов и подходов к решению задач, и без умения использовать частные алгоритмы.

Классификация химических задач повышенной сложности затруднена тем, что большинство из них – задачи комбинированные. Тем не менее, некоторые часто встречающиеся типы задач можно выделить. Прежде всего, я бы разделил расчетные задачи на две больших группы: статические и динамические.

1. В задачах на статику нет процессов. Там описывается некоторое состояние вещества или сложной системы, и, зная одни характеристики этого состояния, надо найти другие. Примером могут служить задачи:

1.1 Расчеты по формуле вещества, характеристикам порции вещества

1.2 Расчеты по характеристикам состава смеси, раствора.

1.3 Определение формулы вещества по его элементному составу.

Как правило, это несложные задачи, часто составная часть более сложных комбинированных задач. Некоторые из этих задач могут встретиться как задачи В9, С5 ЕГЭ по химии, А15 ГИА 9 класса.

2. В задачах на динамику описаны некоторые процессы, чаще всего химические реакции и для их решения кроме характеристик веществ надо использовать и характеристики процессов, чаще всего – уравнения химических реакций. В задачах этой группы можно выделить следующие типы задач повышенной сложности:

2.1 Образование и разложение растворов без протекания химической реакции. Здесь есть задачи простые и более сложные, многоходовые, с участием кристаллогидратов, газов и т.п. Не слишком сложные задачи этого типа обычно представлены в заданиях В9 ЕГЭ по химии.

2.2 Расчет по уравнениям реакций, когда одно из веществ находится в избытке, по нескольким уравнениям реакций.  Наиболее характерный тип задач для  заданий С4 ЕГЭ по химии.

2.3 Состав раствора, полученного в ходе реакции.  Многие задания С4 ЕГЭ по химии являются задачами этого типа. Встречались подобные задачи и среди заданий В9.

2.4 В реакцию вступает смесь известного состава, необходимо найти порции затраченных реагентов, и/или полученных продуктов.  Простейший пример – в реакцию вступает вещество, содержащее примеси. Не слишком сложные задачи, если только состав смеси не выражен каким-либо экзотическим способом.

2.5 В реакцию вступает смесь неизвестного состава, цель – найти состав смеси. Хотя и редко, но такие задачи встречались среди заданий С4.

2.6 В реакцию вступает неизвестное вещество. Задачи такого типа встречались среди заданий С5 ЕГЭ по химии. В некоторых пособиях комбинация смесь + неизвестное вещество рассматривается и как задача формата С4, чего в реальных заданиях я не встречал.

2.7 В раствор опущена пластинка. Тип задач, часто представленный в олимпиадах, в реальных заданиях ЕГЭ по химии мне не встречался.

2.8 Реакция идет не до конца. К задачам этого типа можно отнести и предыдущий тип задач, и задачи на равновесное состояние обратимых реакций, и некоторые другие. В заданиях ЕГЭ не встречались

2.9 Задачи с дефицитом данных. Эти задачи невозможно решить численными методами до конца. Окончательное решение находится подбором, с использованием дополнительной информации, содержащейся, например, в Периодической системе химических элементов. Задачи олимпиад.

2.10 Задачи вузовского курса химии – задачи связанные с использованием энтальпий, энтропий, энергий активации, произведений растворимости и т.д. Зачастую элементарные сами по себе, они требуют знания запрограммного материала от обычных школьников. Конечно, если химия в школе с 5-го класса, и по 8 часов в неделю – тогда в самый раз. Как правило, встречаются среди задач областных олимпиад. В заданиях ЕГЭ таких задач нет.

Решение любой задачи, не обязательно химической, и не обязательно расчетной, реализуется обычно в следующих этапах деятельности:

1. анализ ситуации:
2. планирование деятельности;
3. выполнение намеченного плана;
4. осмысление результата,
5. завершение и переход к следующему витку деятельности, постановка новых целей или коррекция с возвратом на предыдущие этапы.

Переходя к решению расчетных химических задач эти виды деятельности можно представить следующим образом:

Анализ условия задачи. Его можно условно разбить на две составляющие – анализ химической стороны задачи и анализ ее количественных характеристик. При анализе химической стороны задачи ученик должен понять, какие вещества и процессы описаны в условии, отобразить их формулами и уравнениями реакций. Часто ошибки на этом этапе обусловлены плохим знанием номенклатуры химических соединений, а также незнанием химических свойств веществ, способов их получений и т.п. Не менее важен и анализ количественной стороны задачи. Ученик должен понять, какие именно величины характеризуются числами в условии задачи, ввести нужные обозначения, правильно указать принадлежность величины. Анализ количественной стороны задачи должен быть отражен в краткой записи условия.

План решения задачи. На этом этапе ученик должен или отнести задачу к одному из известных ему типов задач и восстановить в памяти алгоритм ее решения, или самостоятельно построить алгоритм решения незнакомой задачи. По сути дела это основной этап решения задачи, и в то же время – наименее отраженный в методике обучения. Как правило, обучение решению задач строится на знакомстве с готовыми алгоритмами, решении задач «по образцу». От ученика требуют воспроизведения определенной последовательности действий, но не самостоятельного построения этой последовательности, или хотя бы осознанной ее аргументации. Мешает овладению эти видом деятельности и то, что план решения не так просто отобразить, обсудить, проверить. Ученики, решающие большое число разнообразных задач в условиях неопределенности, т.е. без готовых образцов и алгоритмов, постепенно вырабатывают нужные навыки, но процесс этот идет бессистемно и неорганизованно.

Выполнение решения задачи. На этом этапе от ученика требуется определенный уровень математических навыков, умение преобразовывать формулы, проводить вычисления, округлять, в отдельных случаях – составлять и решать алгебраические уравнения. Слабость такой подготовки приводит к ошибкам на этом этапе или вообще делает решение задачи невозможным.

Осмысление результата. Еще один этап решения, который мало отражен в методике обучения. За годы обучения, школьник привыкает проверять правильность своих действий по готовым ответам на последних страницах учебника или по слову учителя. При этом он редко сам задумывается над полученным результатам. Отвечают ли единицы измерения искомой величине? Полученное значение – возможным значениям этой величины? Соответствуют ли хотя бы по порядку величины значения исходных данных и результата? Отсюда часто бессмысленные ответы в работах на ЕГЭ, такие как формула CCl5H12, или массовая доля хлорида натрия в растворе, равная 98%.

Завершение решения обычно заключается в формулировке ответа и не вызывает особых трудностей. В отдельных, более сложных задачах полученный результат может быть использован для ответа на качественные вопросы (построение формул возможных изомеров и т.п.) или как исходные данные для следующего этапа решения задачи.

Для успешного решения расчетных задач ученику кроме общей химической эрудиции необходимо четкое понимание количественных характеристик, используемых для описания веществ, смесей, процессов. Ведущую роль среди этих характеристик играют

Количественные характеристики порции вещества.

Работая с веществами люди используют две группы количественных величин. Одни из них, характеризуют состав, какое либо свойство вещества, и в тоже время никак не связаны с размерами той порции вещества, о которой идет речь. В самом деле, плотность воды, ее молярная масса, массовая доля кислорода в ее составе, никак не зависят от того, сколько этой воды: одна капелька, цистерна, или вся вода озера Байкал. Для характеристики порции воды нужны другие величины.

Из курса физики и повседневной жизни ученикам хорошо известны две величины, характеризующие порцию вещества: масса (m) и объем (V). Более или менее уверенно они знают обозначения этих величин, как они измеряются, в каких единицах измеряются. Знают они и о связи этих величин через производную величину плотности: ρ = m/V.

  Для рассмотрения химических процессов, в которых участвуют отдельные атомы, молекулы, структурные единицы вещества, масса и объем оказываются не слишком удобными величинами, поскольку с числом структурных единиц вещества они прямо не связаны. Само число структурных единиц (N), которое тоже характеризует порцию вещества, мало пригодно для расчетов вследствие своей громадности. Все это привело к введению еще одной характеристике порции: величине количество вещества (n).

Количество вещества – это физическая величина, характеризующая порцию вещества по числу его структурных единиц. Связь между количеством вещества и числом структурных единиц отражена и в определении единицы количества вещества – моль. Моль – это такое количество вещества, которое содержит столько же структурных единиц, сколько их содержится в 12 г изотопа углерода 12С. Структурной единицей углерода является атом, и, зная массу атома углерода в граммах, нетрудно посчитать, какое же число структурных единиц составляет моль любого вещества. Эта величина получила название постоянной Авогадро:

NA  = 6,023*1023 моль–1

и она позволяет найти количество вещества по известному числу структурных единиц:

 моль

Для связи количества вещества с легко измеряемыми величинами массой и объемом используются еще две величины: молярная масса M=m/n (г/моль) и молярный объем V=V/n (л/моль). Знание этих величин дает возможность установить связь между всеми характеристиками порции вещества:

Количество вещества, в свою очередь, позволяет определить массу и объем данной порции вещества, число структурных единиц. По формуле структурной единицы, оно позволяет перейти к количеству вещества отдельных химических элементов и найти число атомов этих элементов (схема 1). Знание состава атома позволяет найти количество вещества отдельных элементарных частиц, их число и массу. С другой стороны, количество вещества устанавливает соотношения с порциями других веществ при химических реакциях, в которых оно участвует.

Таким образом, можно считать, что количество вещества лежит в центре многих химических расчетов, в основе алгоритмов решения большинства химических задач (схема 1). Умение находить количество вещества, устанавливать его связи с другими величинами – одно из основных расчетных умений школьника в решении задач.

Рассмотрим пример задачи, позволяющей совершенствовать эти умения на повышенном уровне:

Задача 1.

Определите число атомов и массу кислорода, содержащегося в 70 г 10%-ного раствора сульфата натрия. О каком кислороде идет речь в этой задаче, о веществе или химическом элементе? Что является структурной единицей кислорода в данном случае?

Анализ химической стороны задачи: речь идет о растворе, сложной системе состоящей из двух веществ, воды и сульфата натрия. Кислород здесь – химический элемент, входящий в состав этих сложных веществ, структурной единицей элемента является атом.

Задание №1.

1. По приведенной классификации расчетных задач подберите условия 3-х задач относящихся к типам 2.1 – 2.6. Укажите их тип. (Если вы присылали задачи в предварительном этапе – можете проанализировать и указать тип ранее присланных задач)
2. Используя количественные характеристики порции вещества, решите задачи:

Задача 1.  ПДК (предельно допустимая концентрация) железа в питьевой воде - 0.3 мг/л.  О каком железе идет речь в этой задаче, о веществе или химическом элементе? Что является структурной единицей железа в данном случае? Рассчитайте, сколько структурных единиц железа попадает в организм человека со стаканом такой воды. (200 мл).

Задача 2. В смеси карбида и карбоната кольция содержится по 1,81*1024 атомов Ca и кислорода. Рассчитать массу этой смеси, молярное отношение веществ.

Задача 3. В образце газа, являющемся простым веществом, объёмом 5,6 л содержится 3,61*1024 электрона. Установите формулу газа.

Ответы (с указанием фамилии) оформлять в файле WORD, имя файла Familija-Z-1. (Familija- фамилия участника – англ.) Возможен рукописный вариант, который сканируется или фотографируется. Изображения вставляются в документ WORD.
Файлы ответов загружаются в библиотеку творческой группы.

Ответы считаются учебными работами, не выставляются на общее обозрение, после проверки удаляются из библиотеки. Общий анализ решения задач проводится после истечения контрольного срока его выполнения.

Контрольный срок выполнения задания №1 до 19-00 мск вр, 11.10.10 (понедельник).

Желаю удачи!

Основные алгоритмы решения расчетных химических задач.

Большая часть расчетных задач по химии связана с расчетами по уравнениям химических реакций. Для проведения таких расчетов надо знать

Количественные характеристики химической реакции.

Основной качественной и количественной характеристикой химической реакции является его уравнение.

k1A + k2B+ …. = k3C + k4D +…

Присутствующие в этом уравнении коэффициенты определяют соотношение между числом структурных единиц участников реакции, а значит и между количеством вещества в их порциях. Это соотношение можно выразить в виде следующей пропорции:

Эта пропорция позволяет, зная количество вещества одного из участников реакции, провести по уравнению реакции несколько расчетов, определяя количество вещества всех других ее участников. Условно этот вид расчетов можно изобразить схемой 1.

Легкость таких расчетов обусловлена тем, что коэффициенты в уравнении реакции – целые, обычно небольшие числа. Во многих случаях нет необходимости и составлять пропорцию, можно сразу установить соотношение между порциями участников, проверяя себя словами «больше - меньше». Например, нам нужно установить количество вещества оксида фосфора(V) по количеству вещества сгоревшего фосфора: 4P + 5O2 = 2 P2O5

Задаем себе вопрос: «Количество вещества оксида больше или меньше количества вещества фосфора?» Отвечаем: - «Меньше, причем в два раза» и сразу записываем это в виде формулы n(P2O5) = n(P) / 2.

Существует еще одна величина, характеризующая химическую реакцию, и непосредственно связанная с количеством вещества участников реакции. Это количество выделившейся или поглощенной в ходе реакции теплоты. То количество теплоты, которое называется тепловым эффектом реакции и дается в термохимическом уравнении, относится к определенным количествам вещества, определяемым коэффициентами уравнения. Следовательно, можно записать пропорцию:

Эта пропорция позволяет  находить количество теплоты по известному количеству вещества, так и вести обратные расчеты, что показано двухсторонней стрелкой на схеме 2. Ее можно применить и для нахождения теплового эффекта реакции.

Пропорциональны количеству вещества и объемы газов, измеренных при одинаковых условиях. Это означает, что объемы газообразных участников реакции будут пропорциональны и коэффициентам в уравнении реакции:

На этапе становления атомно-молекулярного учения эта зависимость была открыта Гей-Люссаком и сформулирована им как закон объемных отношений: объемы вступающих в реакцию газов при одинаковых условиях (температуре и давлении) относятся друг к другу как небольшие целые числа. Теперь мы знаем, что эти числа есть коэффициенты в уравнении реакции.

Кроме количественных отношений задаваемых коэффициентами уравнения реакции, в задачах на расчет по уравнению могут встретиться еще несколько величин, характеризующих степень протекания реакции. К ним относятся непосредственно степень протекания (например, степень диссоциации), степень превращения определенного реагента, доля выхода определенного продукта. Для характеристики обратимых реакций используется и такая величина, как константа равновесия. В заданиях ЕГЭ из этих величин может встретиться, пожалуй, только выход продукта.

Прямой алгоритм решения задачи.

Итак, ученик проанализировал условие задачи, ее количественную и химическую сторону, выразил это в краткой записи условия, записи необходимых формул и уравнений реакций. Перед ним возникает проблема понять путь решения задачи, построить определенный алгоритм ее решения. Какие ориентиры он может при этом использовать? Один из очевидных путей решения это прямой алгоритм решения. Смысл его в том, что от известных величин, данных в условии задачи, переходим, к тем, которые могут быть на основе их рассчитаны, и так далее, пока не будут достигнуты искомые величины.

 Учитывая ведущую роль во всех химических расчетах величины количества вещества первый из общих алгоритмов, прямой алгоритм решения можно сформулировать следующим образом (схема 4):

1. От исходных характеристик, приведенных в условии задачи (А, Б, В, …), необходимо перейти к единицам количества вещества;
2. Произвести необходимые расчеты по уравнениям реакций и формулам веществ;
3. От найденных количеств вещества перейти к конечным, величинам  (X, Y, Z, …),  которые требуется найти по вопросу задачи.

Разумеется, в конкретной задаче этот общий алгоритм детализируется, определяется порядок действий на первом этапе, необходимые расчеты по уравнениям реакций на втором, последовательность действий на третьем. Эта детализация связана уже с условием конкретной задачи.

Всегда ли применим прямой алгоритм решения расчетных задач, показанный на схеме 4? Прежде всего, отметим, что его нет смысла, а иногда и некорректно применять в задачах на объемные отношения газов. Здесь все расчеты можно выполнить в единицах объема. Нет смысла применять данный прямой алгоритм решения и в задачах, где нет химических расчетов, расчетов по формулам и уравнениям реакций. Это задачи на образование и разложение растворов без протекания реакции (тип 2.1), на определения состава смесей, сплавов, растворов по их физическим характеристикам и т.п. Во всех этих случаях, задача может и решается прямым алгоритмом, но он не включает в себя этап перехода к количеству вещества.

Но есть большой круг задач повышенной сложности, где химические расчеты проводить нужно, а прямой алгоритм применить нельзя. Это связанно обычно с тем, что нельзя выполнить первый этап алгоритма – найти количество вещества. Это характерно для задач на определение неизвестного вещества (2.6), на определение состава смеси (2.5), и ряда других. Иногда количество вещества найти можно, но использовать его для  расчета по уравнению реакции невозможно, т.к из условия ясно, что вещество вступило в реакцию не полностью, или участвовало одновременно в двух реакциях. Во всех этих, и многих других ситуациях приходится применять

Алгебраический алгоритм решения задач

Сущность алгебраического алгоритма или алгебраического метода можно выразить следующим образом: одну или несколько величин, необходимых для решения задачи, выбирают как неизвестные, т.е. для них вводят обозначения х, у и другие. Через эти величины выражают исходные данные задачи, тем самым составляют одно или несколько алгебраических уравнений. Решая эти уравнения, находят неизвестные величины и, тем самым, приходят к решению задачи.

Выбор неизвестной величины определяется двумя условиями: а) желательно, чтобы выбираемая величина была как можно ближе к ответу задачи; б) желательно, чтобы эта величина приводила к наиболее простым алгебраическим выражениям. Если задача связана с расчетом по уравнениям реакций, такой оптимальной величиной обычно оказывается количество вещества. Тогда алгоритм можно конкретизировать:

1. Если прямой алгоритм решения задачи невозможен, обозначаем количество вещества одного или нескольких участников реакций как неизвестные величины х, у и т.п.,
2.  Проводим расчет по уравнениям и формулам, т.е выражаем через неизвестные х и у количества вещества других участников реакций.
3. Выражаем через введенные неизвестные и рассчитанные выражения исходные данные задачи, тем самым составляем алгебраическое уравнение или систему уравнений.
4.  Решаем алгебраическое уравнение, или систему уравнений, находим неизвестные (количество вещества).
5. От найденных количеств вещества переходим к конечным, величинам  (X, Y, Z, …),  которые требуется найти по вопросу задачи.

В общем виде подобный алгоритм можно представить схемой 5.

Алгебраический алгоритм является наиболее общим алгоритмом решения расчетных задач, в принципе он применим к любой задаче. В решении задач на определение неизвестного вещества (тип 6) в качестве неизвестной величины бывает удобно выбрать молярную массу вещества, относительную атомную массу элемента, или число атомов углерода в молекуле. Но не всегда алгебраический способ - это  самый простой способ решения. В отдельных случаях, можно найти приемы, позволяющие найти решить задачу и без составления алгебраических уравнений.

Задание № 2.

1. Какие из указанных задач можно решить прямым алгоритмом, какие только алгебраическим? Попробуйте составить план решения задачи в словесной или схематической форме и приведите решения:

Задача 1.

Рассчитайте, массу оксида серы(IV) растворенного в 120 мл 4%-ной серной кислоты (плотность=1,025 г/мл), если массовая доля серной кислоты увеличилась втрое?.

Задача 2.

Смесь сульфида натрия и сульфата натрия массой 1,25 г растворили в воде и прибавили в избытке растворы хлорида бария и соляной кислоты. Образовался осадок массой 1,48 г и выделился газ. Определите массовые доли компонентов смеси и объем газа (н.у.), пренебрегая его растворимостью в воде.

Задача 3.

К смеси газов оксида углерода(II) и оксида углерода(IV) общим объемом 10 дм3 (н.у.) добавили 15 дм3 (н.у.) кислорода и подожгли. В результате реакции объем смеси уменьшился на 2 дм3 (н.у.).Определить объемные доли газов в исходной газовой смеси и полученной после реакции.

Ответы (с указанием фамилии) оформлять в файле WORD, имя файла Familija-Z-2.

Возможен рукописный вариант, который сканируется или фотографируются и пакуются в архиве с таким же именем Familija-Z-2 (Familija- фамилия участника –англ.)

Файлы ответов загружаются в библиотеку творческой группы. Ответы считаются учебными работами, не выставляются на общее обозрение, после проверки удаляются из библиотеки. Общий анализ ответов дается на форуме. Контрольный срок выполнения задания №2 до 19-00 мск вр, 18.10.10 (понедельник)

Схемы превращения фаз.

Серьезной проблемой для школьника в анализе химической стороны задачи и составлении алгоритма решения является понимание сущности происходящих процессов, природы и состояния участников реакций, состава образующихся растворов и смесей. Помочь в решении этой проблемы могут условные рисунки, которые я называю схемами превращения фаз.

Фазой называется некоторая часть изучаемой системы, отделенная от других ее частей поверхностью раздела, при переходе через которую свойства системы меняются скачкообразно. На схемах разные по агрегатному состоянию фазы изображаются различными фигурами. Так, для обозначения жидкой фазы используется овальная фигура, твердой – прямоугольник, газообразной – ромб (рис. 1.)

Фазы могут быть простыми по составу (состоящими из одного вещества) и сложными. Чтобы показать сложную по составу фазу, исходную фигуру делят линиями на две или несколько частей, разной штриховкой показывая разные вещества.  Так первая фигура на рисунке 1 уже не просто жидкость, а некоторый раствор, состоящий из двух веществ: растворителя (чаще всего вода) и растворенного вещества, например, соли. Также можно показать сложные по составу твердые и газообразные фазы. Например, фигура 2 на рисунке 1 изображает некоторый кристаллогидрат, который условно тоже можно считать сложной фазой, состоящей из соли и воды.

Изобразив на схеме фазы исходных участников процесса и те фазы, в которых находятся вещества после его окончания, мы получаем изображение некоторого процесса, описанного в задаче. Это особенно ценно тогда, когда в задаче нет химических реакций, а значит нельзя изобразить процесс уравнением реакции. Например, процесс, изображенный на схеме 1, может отвечать следующему тексту задачи:

Задача 1. В 300 г 8%-ного раствора карбоната натрия растворили при нагревании 80 г кристаллогидрата Na2CO3*5H2O. В процессе нагревания из раствора испарилось 20 г воды, а при последующем охлаждении до комнатной температуры из него выделилось 40 г кристаллогидрата Na2CO3*10H2O. Определить массовую долю соли в оставшемся растворе.

На схему можно вынести и численные данные задачи, что облегчает анализ и количественной стороны задачи. В процессе решения эти записи могут дополняться по мере нахождения новых величин. Кроме того, схема помогает написать выражение  для закона сохранения массы, как для фаз в целом, так и для отдельных веществ, входящих в их состав, например для соли (рис. 1).

Схемы превращения фаз существенно помогают и при решении задач типа 2.3, на определение состава раствора, полученного в ходе реакции. Конечно, процесс здесь выражается уравнением реакции. Но школьники зачастую за формулами не видят реальные свойства и состояния веществ, не могут правильно оценить состав полученного раствора, определить его массу. Создание схемы помогает разобраться в процессе более детально. Примером может служить такая задача:

Задача 2. Хлор, выделившийся при взаимодействии 43,5 г оксида марганца(IV) с 36%-ным раствором HCl объемом 500 мл и плотностью 1,18 г/мл, пропустили через горячий раствор гидроксида калия массой 600 г, с массовой долей 28%. Определите массовую долю хлората калия в полученном растворе.  (ЕГЭ – 2005)

Химическая сторона задачи может быть выражена следующими уравнениями реакций:

MnO2 + 4HCl = Cl2 + MnCl2 + 2H2O  (1)    и    6KOH  + 3Cl2  = 5KCl + KClO3 + 3H2O (2)

При этом раствор, состав которого нужно определить получается в ходе второй реакции. Для этого процесса и составим схему превращения фаз (рис. 2):

Анализируя свойства продуктов реакции, убеждаемся, что это растворимые вещества, а значит, будут растворены в той воде, которая была в растворе КОН. Получившаяся в ходе реакции вода тоже не будет лежать отдельной капелькой и войдет в состав того же раствора. Дальнейший расчет подскажет, что гидроксид калия в избытке, следовательно, полученный раствор будет содержать три растворенных вещества. Выражение закона сохранения массы поможет понять, что для нахождения массы полученного раствора надо найти массу хлора.  

Заканчивая рассказ о схемах превращения фаз, еще раз отметим их возможности:

1. Схемы помогают анализировать качественную, химическую сторону задачи с протеканием или без протекания химической реакции;
2. Схемы помогают отнести количественные характеристики задачи к определенным объектам, т.е. проанализировать  количественную сторону задачи;
3. Схемы помогают записать и применить выражение закона сохранения массы, необходимое для решения многих задач;
4. С учетом этого схемы помогают составить и безошибочно реализовать алгоритм решения задачи.

С методической точки зрения эти схемы полезно использовать и вне решения задач. Они помогают школьникам лучше представить себе реальные свойства и состояния веществ, а значит, в какой-то мере устранить недостатки «меловой химии».

Задание № 3.

1. По следующим описаниям процессов: напишите (если необходимо) уравнения реакций, составьте схемы превращения фаз, напишите выражения закона сохранения массы. Возможно, где-то таких схем может быть и не одна. Это не задачи! Численные значения даны для того, чтобы показать на схеме, к чему они относятся.

Пример 1.

Полученную при сжигании некоторого амина смесь газов охладили до комнатной температуры, затем пропустили через избыток известковой воды.

Пример 2.

Несколько гранул цинка полностью вступили в реакцию с  150 мл 15%-ного раствора нитрата ртути(II) плотностью 1,45 г/мл.

Пример 3.

70 г насыщенного раствора сульфата магния поместили в эксикатор, вместе со стаканчиком, содержащим 10 г безводного сульфата меди. Спустя некоторое время серый порошок сульфата меди превратился в синие кристаллы. Кристаллы образовались и в растворе сульфата магния. Как оказалось, они представляли собой кристаллогидрат MgSO4*7H2O  

Пример 4.

При взаимодействии 80 г 10%-ного раствора нитрита натрия с 50 г раствора хлорида аммония  выделился газ объемом  40 мл (н.у.)

Пример 5.

Некоторый объем этена поглотили избытком бромной воды с массовой долей брома 4%.  

2. А вы используете рисунки при анализе условия задачи, или объяснении ее решения ученикам? Если да, то какие? Можете показать на одном из рассмотренных примеров.

Ответы (с указанием фамилии) оформлять в файле WORD, имя файла Familija-Z-3.

Возможен рукописный вариант, который сканируется или фотографируются и пакуются в архиве с таким же именем Familija-Z-3 (Familija- фамилия участника –англ.)

Файлы ответов загружаются в библиотеку творческой группы. Ответы считаются учебными работами, не выставляются на общее обозрение, после проверки удаляются из библиотеки. Общий анализ ответов дается на форуме. Контрольный срок выполнения задания №3 до 19-00 мск вр, 25.10.09 (понедельник)

Желаю удачи!

Задачи на образование и разложение растворов.

Задачи типа 2.1 (образование и разложение растворов без протекания химической реакции) представлены в заданиях ЕГЭ задачами В9. Как правило, это не слишком сложные задачи, решаемые прямым путем, без составления алгебраических уравнений. Но в отдельных случаях встречаются более сложные задачи.

Задача 1. Масса раствора уксусной кислоты с массовой долей 40%, которую необходимо добавить к 500 г воды для получения раствора с массовой долей 15% равна __________г. (Запишите число с точностью до целых.) (В9, ЕГЭ-2009)

Решение 1. Анализируя схему превращения фаз, видим, что данные задачи не связаны между собой, прямое решение задачи невозможно, задачу решаем алгебраическим методом, в качестве неизвестной величины выбираем массу раствора 1, для составления алгебраического уравнения используем закон сохранения массы по кислоте.

Пусть m(p1) = х г,               тогда:     m(p2) = m(p1) + m(H2O) = х+500 г;

Масса кислоты в растворах:

m1(к) = w1(к)*m(p1) = 0,4x г;             m2(к) = w2(к)*m(p2) = 0,15(x+500) г;

Уравнение:  0,4x = 0,15(x+500);   0,4x = 0,15x+75;    0,25x = 75;   x = 300.

Ответ:  m(p1) = 300 г

Один из методов, позволяющий при решении задач типа 2.1 избежать алгебраического уравнения,  это использование правила квадрата (правило креста, смешения, Пирсона и др.).  Как правило, его формулируют для задач на смешение двух растворов с заданной массовой долей растворенного вещества (рис. 2,а):

Правило квадрата: «Если по одной стороне квадрата записать массовые доли растворенного вещества в исходных, растворах, в центре квадрата – массовую долю растворенного вещества в полученном растворе, затем по диагоналям из большего вычесть меньшее, то числа a и b пропорциональны массам исходных растворов, а сумма этих чисел (a + b) пропорциональна массе полученного раствора».

Используем это правило для решения задачи 1:

Решение 2. Заполняем квадрат:

Таким образом, мы применили правило квадрата к задаче на разбавление, считая, что вода – это раствор, где массовая доля растворенного вещества равна нулю. Аналогично можно применять правило креста к задачам на концентрирование (рис. 2,б) и к задачам на растворение кристаллогидрата (рис. 2, в). В последнем случае для использования правила квадрата нужно предварительно найти массовую долю безводной соли в кристаллогидрате (wк(c) = M(c) / M(кр-г)).

Разложение раствора обычно происходит при испарении части растворителя или при охлаждении горячего раствора. При этом из раствора может выпадать как безводная соль, так и кристаллогидрат. Поскольку процесс разложения раствора обратен процессу образования, методы решения этих задач аналогичны, в зависимости от содержания условия, они решаются или прямым методом или алгебраическим. Возможно применение и правила квадрата. Рассмотрим решение одной из задач этого типа, хотя к ЕГЭ она отношения не имеет

Задача 2. Определите массу насыщенного при 70оС раствора сульфата магния, если его охлаждение до 20оС сопровождается выделением кристаллогидрата MgSO4*6H2O массой 228 г. Растворимость сульфата магия при 70оС равна 58 г, а при 20оС  - 38 г на 100 г воды.

Особенностью этой задачи является то, что состав растворов охарактеризован не привычной массовой долей, а коэффициентом растворимости К. План решения задачи:

1. Найдем массовые доли соли во всех трех фазах;
2. Применим правило квадрата

Решение.

w = m(c) / m(p-pa) = m(c) / [m(c) + m(H2O)];

w1 = 58/(58+100) = 0,367 = 36,7%;     w2 = 38/(38+100) = 0,275 = 27,5%;

wк(c) = Mr(c) / Mr(кр-г) = 120/228 = 0,526 = 52,6%

2. Заполняем квадрат:

Правило квадрата применимо ко многим задачам на смешение и не только к массовым долям. Но это уже выходит за рамки нашего мастер-класса.

Задание № 4.

1. Решите задачу 2 алгебраическим способом. Решение следующих задач сопроводите схемами превращения фаз, задачи 3 и 4 решите двумя способами.

Задача 3. В каком объеме 5%-ного раствора карбоната натрия (ρ=1,05 г/мл) надо растворить 25 г кристаллической соды (Na2CO3*10H2O) , чтобы получить 12%-ный раствор карбоната натрия.

Задача 4. Для очистки медного купороса, содержащего 2% примесей, методом перекристаллизации из 200 г его приготовили насыщенный при 100оС раствор. Затем этот раствор охладили до 10оС.  Рассчитайте массу кристаллогидрата, который должен при этом выкристаллизоваться из раствора, если растворимость сульфата меди при  100оС равна 72 г, а при 10оС – 16 г на 100 г воды.

Задача 5. 120 г 25%-ного раствора сульфата магния поставили в эксикатор, где в отдельной чашке, в качестве осушителя, находилось 100 г 96%-ной серной кислоты. Спустя некоторое время в растворе выделились кристаллы MgSO4*7H2O, масса которых оказалась равной 24,6 г. Определите массовую долю серной кислоты к концу опыта, если растворимость сульфата магния при комнатной температуре составляет 35 г на 100 г воды.

Ответы (с указанием фамилии) оформлять в файле WORD, имя файла Familija-Z-4.

Возможен рукописный вариант, который сканируется или фотографируются и пакуются в архиве с таким же именем Familija-Z-4 (Familija- фамилия участника –англ.)

Файлы ответов загружаются в библиотеку творческой группы. Ответы считаются учебными работами, не выставляются на общее обозрение, после проверки удаляются из библиотеки. Общий анализ ответов дается на форуме. Контрольный срок выполнения задания №4 до 19-00 мск вр, 1.11.10 (понедельник)

Желаю успеха!

Расчеты по цепочкам превращений.

Задачи типа 2.2 (расчет по нескольким уравнениям реакций) как правило, представляют сложность своей химической стороной. Школьники не всегда полностью представляют себе состав растворов и смесей, участвующих в химических реакциях, не учитывают возможности протекания последовательности реакций.

В качестве примера можно рассмотреть следующую задачу:

Задача 1. Хлорид фосфора (V) массой 10,42 г полностью гидролизован в избытке воды. Какой объём раствора гидроксида натрия с массовой долей 20% и плотностью 1,15 г/мл необходим для полной нейтрализации полученного раствора?  (С4,  ЕГЭ-2009, прислано Бочеговой О.Н.)

Если же химическая картина рассмотрена верно, решение задачи не представляет особой сложности. План решения задачи:

1. Находим количество вещества PCl5;

2. Расчет по уравнениям реакций, определяя общее количество вещества NaOH;

3. Находим конечные характеристики: массу раствора NaOH и объем этого раствора

Часто школьники не видят последовательности реакций, возникающих при решении задач на избыток-недостаток, если избыток вещества может реагировать с продуктом реакции («задачи на избыток-недостаток с продолжением»).

Задача 2. Газы, полученные при сжигании 6,72 л ацетилена (н.у.) были поглощены известковой водой, содержащей 25,9 г гидроксида кальция. Определите массу вещества, выпавшего при этом в осадок.

План решения задачи:

1. Переходим  к количеству вещества;

2. Расчет по уравнению реакции 1, определение избытка-недостатка в реакции 2 и количества вещества  CaCO3, полученного в этой реакции. При необходимости расчет по уравнению 3 и нахождение итогового количества вещества CaCO3;

3. Находим массу осадка.

Решение:

1. n(C2H2) = V(C2H2)/VM = 6,72/22,4 = 0,3 моль.

     n(Ca(OH)2) = m/M = 25,9/74 = 0,35 моль.

2. По уравнению реакции 1:  n(CO2) = 2n(C2H2) = 0,6 моль.

По уравнению реакции 2: для реакции с 0,35 моль Ca(OH)2 достаточно 0,35 моль CO2, CO2 в избытке, n(CO2)изб = 0,6 – 0,35 = 0,25 моль; n2(CaCO3) = n(Ca(OH)2) = 0,35 моль

По уравнению реакции 3: для реакции с 0,35 моль CaCO3 нужно 0,35 моль CO2, осталось n(CO2) = 0,25 моль, в недостатке; n3(CaCO3) = 0,25 моль,
n(CaCO3)изб = n2(CaCO3) – n3(CaCO3) = 0,35 – 0,25 = 0,1 моль

3. Масса осадка m= n(CaCO3)изб*M = 01*100 =10 г.

Не всегда учитывают ученики и последовательность реакций протекающих при взаимодействии многоосновной кислоты и щелочи, которая к тому же зависит от порядка смешения реагентов. Так, при постепенном добавлении гидроксида натрия к раствору фосфорной кислоты будут протекать реакции:

H3PO4 + NaOH = NaH2PO4 + H2O  (1);

NaH2PO4 + NaOH = Na2HPO4 + H2O  (2);

Na2HPO4 + NaOH = Na3PO4 + H2O  (3).

При обратном же порядке смешения реагентов последовательность протекания реакций будет иной:

3NaOH + H3PO4 = Na3PO4 + 3H2O   (4);

2Na3PO4 + H3PO4 = 3Na2HPO4        (5);

Na2HPO4 + H3PO4 = 2NaH2PO4       (6);

Это не означает, что при решении конкретной задачи используется вся последовательность превращений. Так, определив, что на один моль фосфорной кислоты приходится 2 моль гидроксида натрия, можно сразу использовать суммарное уравнение:

H3PO4 + 2NaOH = Na2HPO4 + 2H2O  (1+2);

Свои особенности возникают при определении последовательности реакций для смеси веществ с различной реакционной способностью. Например:

Задача 3. К раствору, содержащему по одному молю уксусной и соляной кислоты, добавили 1,5 моль гидроксида натрия. Определите массу кислоты в растворе, полученном в результате реакции.

В этой задаче школьник должен учесть, что уксусная кислота начинает вступать в реакцию только после полной нейтрализации более сильной соляной кислоты. Надо отметить, что задачи подобного вида в КИМах ЕГЭ мне не встречались.

В завершение рассмотрим следующую задачу:

Задача 4. В 60 г 18-%  ортофосфорной кислоты растворили  2,84 г оксида фосфора (V)  и полученный раствор прокипятили.  Какие вещества, и в каком количестве образуются, если к полученному раствору добавили 14 г гидроксида натрия

Надо отметить некоторую неоднозначность условия задачи, поскольку слова: «и в каком количестве образуются», можно понимать и как необходимость определить количество вещества и как необходимость определить массу. Школьнику в таких случаях следует посоветовать для верности определить и то и другое, а грамотный эксперт должен засчитать верным любой вариант ответа.

План решения задачи:

1. Переходим  к количеству вещества;

2. Расчет по уравнению реакции 1, определение общего количества вещества  H3PO4, выбор уравнений реакций для последующих расчетов и проведение этих расчетов;

3. Находим массу соли.

Решение:

1. m(H3PO4) = mp(H3PO4)*w = 60*0,18 = 10,8 г

n(H3PO4) = 10,8/98 = 0,11 моль. n(P2O5) = m/M = 2,84/74 = 0,02 моль.

n(NaOH) = m/M = 14/40 = 0,35 моль.

2. По уравнению реакции 1:  n1(H3PO4) = 2n(P2O5) = 0,04 моль.

nобщ(H3PO4) = 0,11 + 0,04 = 0,15 моль. nобщ(H3PO4):n(NaOH) = 0,15: 0,35 = 1:2,333

Такое соотношение говорит, что полностью пройдет реакция 3, после чего останется избыток щелочи, который прореагирует согласно уравнению:

Na2HPO4 + NaOH = Na3PO4 + H2O  (5).

По уравнению 3: NaOH в избытке, расчет по H3PO4

n3(NaOH) = 2 nобщ(H3PO4) = 0,15*2=0,3 моль;

nизб(NaOH) = 0,35 – 0,3 = 0,05 моль = n5(NaOH) (вступит в реакцию 5)

n3(Na2HPO4) = nобщ(H3PO4) = 0,15 моль

По уравнению 5: Na2HPO4 в избытке, расчет по NaOH

n5(Na2HPO4) = n5(Na3PO4) = n5(NaOH) =0,05 моль;

nизб(Na2HPO4) = n3(Na2HPO4) – n5(Na2HPO4) = 0,15 – 0,05 = 0,1 моль

3. m=M*n; m(Na2HPO4) = 142*0,1 = 14,2 г; m(Na3PO4) = 164*0,05 = 8,2 г;

Задание № 6.

1. Приведите решение задачи 1 по указанному в тексте плану.

Задача 5. Газ, выделившийся при действии 3,0г цинка на 18,69мл 14,6%-го раствора соляной кислоты (плотностью 1,07), пропущен при нагревании над 4,0г оксида меди (II). Рассчитайте, каким минимальным объёмом 19,6%-ной серной кислоты (плотность 1,14) надо обработать полученную смесь, чтобы выделить из неё металлическую медь?                                   (прислано Целиковской Е.В.)

Задача 6. Оксид серы(IV), полученный в результате полного сжигания сероводорода объемом 44,8 л (при н.у.), был пропущен через 200 мл 40%-го  раствора гидроксида натрия плотностью 1,4 г/см3. Определите состав полученного раствора и рассчитайте массовые доли веществ в этом растворе.

Задача 7. Аммиак, выделившийся при взаимодействии 107 г 20%-ного раствора хлорида аммония со 150 г 18%-ного раствора NaOH, полностью прореагировал с 60%-ной ортофосфорной кислотой с ообразованием дигидрофосфата аммония. Определите массовую долю хлорида натрия в растворе и необходимую массу 60%-ного раствора фосфорной кислоты.  (Каверина А.А. Сборник экзаменационных заданий. ЕГЭ-2009, прислано Ясовой Е.А.)

Задача 8. В 200 мл раствора с концентрацией нитрата свинца  и нитрата серебра по 0,1 моль/л, был погружен кусок железа массой 1,4 г. Определите состав металлического осадка полученного после окончания реакции (массовые доли).

Ответы (с указанием фамилии) оформлять в файле WORD, имя файла Familija-Z-6.

Возможен рукописный вариант, который сканируется или фотографируются и пакуются в архиве с таким же именем Familija-Z-6 (Familija- фамилия участника –англ.)

Файлы ответов загружаются в библиотеку творческой группы. Ответы считаются учебными работами, не выставляются на общее обозрение, после проверки удаляются из библиотеки. Общий анализ ответов дается на форуме. Контрольный срок выполнения задания №6 до 19-00 мск вр, 15.11.10 (понедельник)

В реакцию вступает смесь.

В этих задач можно выделить "прямые" и "обратные" задачи. В "прямых" - состав смеси задан, надо определить количество продукта или реагента (тип 2.4). В "обратных" в реакцию вступает смесь неизвестного состава, и по известным количествам продуктов или реагентов нужно определить состав смеси (тип 2.5).

Обычная ошибка при решении данного типа задач - составление “суммарного”  уравнения, куда включают все компоненты смеси. Однако коэффициенты суммарного уравнения обуславливают соотношение между компонентами смеси, что, как правило, не совпадает с ее истинным составом и приводит к ошибочному решению задачи.

Правило номер 1 при решении задач на смеси: для каждого компонента смеси нужно отдельно рассматривать его поведение в химической реакции, и, если он участвует в реакции, писать отдельное уравнение реакции. 

Задачи типа 2.4 (смесь известного состава) как правило, не слишком сложны, к ним можно отнести задачи, в которых в реакцию вступает вещество, содержащее примеси или вещество в растворе с известной массовой долей. Общий план решения подобных задач можно представить следующей схемой:

1. Используя характеристики порции смеси и ее состава, определяем порции отдельных компонентов и их  количества вещества;

2. Расчет по уравнениям реакций;

3. Нахождение итоговых характеристик – например масс продуктов реакции

Сложности могут возникнуть в том случае, если состав смеси выражен каким то особенным способом, косвенным путем.

Задача 1. Определить объем кислорода (н.у.) необходимый для полного сгорания 20 кг смеси пентана с метанолом, если массовая доля углерода в смеси равна 60%.

1. Пусть х – количество вещества пентана, у – количество вещества метанола, тогда количество вещества углерода в них nп(C) = 5x моль, nм(C) = у моль, nобщ(C) = 5x + у моль. Массы веществ: m(C5H12) = 72x (г); m(CH3OH) = 32y (г); m(C) = 12(5x + у) (г)

Система уравнений:         72х + 32 у = 20000        Откуда х = 136,4 (моль)

                                60х + 12 у = 12000                у = 318,2 (моль)

2. По уравнениям реакций:         n1(O2) = 8x моль = 8*136,4 = 1091 моль,

                                n2(O2) = 1,5y моль = 1,5*318,2  = 477 моль,

3. nобщ(O2) = 1091 + 477 = 1568 моль, V = n*VM = 1568*22,4 = 35100 л = 35,1 м3.

(Ответ округлен до трех значащих цифр и представлен в наиболее подходящих единицах).

Подобные задачи в КИМах ЕГЭ не встречались, скорее это задача олимпиад.

Сложность задач на определение состава (тип 2.5) зависит от химической стороны задачи. Например:

Задача 2. Смесь оксида кремния(IV), алюминия и железа массой 13,8г обработали при нагревании раствором гидроксида калия. При этом выделилось 6,72 дм3 газа (н.у.). При действии на такое же количество исходной смеси избытка раствора соляной кислоты выделилось 8,96 дм3 газа (н.у.). Определить массовые доли веществ в исходной смеси..

 Несмотря на трехкомпонентный состав смеси и два процесса, в которых она участвует, задача решается прямым путем. Причина – в первом процессе с выделением газа участвует только один компонент смеси – алюминий:

                2Al + 2KOH + 6H2O = 2K[Al(OH)4] + 3H2         (1);

 и его количество может быть рассчитано. Во втором процессе два участника:

                2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2                          (2);

                Fe + 2HCl = FeCl2 + H2                          (3)

но один из них уже известен.

В большинстве случаев, однако, в решении задач на определение состава смеси приходится использовать алгебраический алгоритм:

Задача 3. При прокаливании 7,13 г смеси нитратов калия и кальция получено 896 мл кислорода (н.у.). Определите состав смеси (массовые доли).

План решения: 1. Выбрать в качестве неизвестных величин количества вещества солей,  выразить через них массу смеси и общее количество вещества кислорода;

2. Решить полученную систему уравнений и найти количества вещества солей;

3. Найти массы и массовые доли.

(На схеме план представлен более детально)

Решение.

1. Пусть n(KNO3) = x моль, n(Ca(NО3)2) = y моль

Из основной формулы: m = M*n; m(KNO3) = 101x (г); m(Ca(NО3)2) = 164у (г)

Так как в сумме их массы равны массе смеси, получаем:   101x + 164y = 7,13    (I)

По уравнениям реакций:  n1(O2) =0,5x  моль; n2(O2) =у  моль

nобщ (O2) = V/ VM = 896/ 22400 = 0,04 моль           0,5x + y = 0,04        (II)

2. Решая систему уравнений (I) и (II), получаем: y = 0,025, x = 0,03.

3. m(KNO3) = 101x = 101*0,03 = 3,03 г; w(KNO3) = 3,03/ 7,3 = 0,425 = 42,5%

Массовую долю второй соли находим по разности:

w(Ca(NО3)2) = 100 % - 42,5 % = 57,5 %.

В пособиях для поступающих в вузы задачи на определение состава смеси часто дополнительно осложнены дополнительными цепочками превращений, т.е. комбинация задач типа 2.2 и 2.4-2.5.

Встречаются задачи на определение состава смеси, в которых порция смеси не определена:

Задача 4. Образец смеси муравьиного и уксусного альдегида может восстановить 23,2 г оксида серебра. При сжигании такого же образца смеси образуется 2,8 л углекислого газа (н.у.) Определите массовые доли кислоты и альдегида в смеси.

Ключевыми словами здесь являются слова «такого же образца смеси», что позволяет использовать аналогичный план решения задачи:

1. Выбрать в качестве неизвестных величин количества вещества компонентов смеси,  найти количество вещества оксида серебра и углекислого газа;

2. По уравнениям 1 и 2 выразить количество необходимого оксида серебра через неизвестные величины; по уравнениям 3 и 4 выразить количество выделившегося углекислого газа через неизвестные величины;

3. Решить систему уравнений, найти массы и массовые доли.

Решение.

1. Пусть n(CH3CHO) = x моль, n(HCHO) = y моль

n(Ag2O) = m/M = 23,2/232 = 0,1 моль; n (СO2) = V/ VM = 2,8/ 22,4 = 0,125 моль

2. По уравнениям реакций 1 и 2:  n1(Ag2O) =x  моль; n2(Ag2O) =2у  моль

По уравнениям реакций 3 и 4:  n3(СO2) =2x  моль; n4(СO2) = у  моль

3. Система уравнений        x + 2y = 0,1                (I)

2x + y = 0,125         (II)

Решая систему уравнений (I) и (II), получаем: х = 0,5, y = 0,25.

Массы m = M*n; m(CH3CHO) = 44*0,05 = 2,2 г; m(HCHO) = 30*0,25 = 0,75 г;
m(смеси) = 2,2+0,75 = 2,95 г. w(CH3CHO) = 2,2/2,95 = 0,746 = 74,6% w(HCHO) = 25,4%

Впрочем, и эти задачи превышают уровень задач ЕГЭ по химии. Вообще только один раз в КИМах ЕГЭ мне встретилась задача на определение состава смеси. Однако в пособиях для подготовки к единому экзамену часто можно встретить задачи, значительно превышающие сложность реальных заданий.

Задание № 7.

Задача 5. Определите массу 4%-ной бромной воды, которая может быть обесцвечена при пропускании 2,8 л (н.у.) смеси метана и этилена, если число атомов углерода в этой смеси составляет 25% от общего числа всех атомов.

Задача 6. При обработке смеси уксусной и муравьиной кислот избытком аммиачного раствора оксида серебра выделилось 86,4 г металла, а при взаимодействии того же количества  той же смеси с цинком выделился водород, которого хватило для полного гидрирования 6,5 г ацетилена. Определите состав смеси (массовые доли).

Задача 7. После прокаливания смеси карбонатов кальция и магния масса выделившегося газа оказалась равной массе твердого остатка. Определите массовые доли веществ в исходной смеси.

Задача 8. Смесь магния и алюминия при обычных условиях обработали азотной кислотой, при этом образовался газ с относительной плотностью по кислороду 1,4375.Такое же кол-во этой смеси обработали избытком 10%-ного раствора серной кислоты, и получили газ, объем которого равен объему газа в первом опыте. Найти массовую долю алюминия в исходной смеси.

Ответы (с указанием фамилии) оформлять в файле WORD, имя файла Familija-Z-7.

Возможен рукописный вариант, который сканируется или фотографируются и пакуются в архиве с таким же именем Familija-Z-7 (Familija- фамилия участника –англ.)

Файлы ответов загружаются в библиотеку творческой группы. Ответы считаются учебными работами, не выставляются на общее обозрение, после проверки удаляются из библиотеки. Общий анализ ответов дается на форуме. Контрольный срок выполнения задания №7 до 19-00 мск вр, 22.11.10 (понедельник)

В реакцию вступает неизвестное вещество.

Цель задачи очевидна, определить это неизвестное вещество, или неизвестный элемент, входящий в его состав. В КИМах ЕГЭ по химии этот тип задач представлен заданием С5, как правило, не слишком сложным. Среди этих заданий есть статические задачи на определение формул веществ по данным элементного анализа, по характеристикам его плотности и аналогичные.

Установите молекулярную формулу предельной одноосновной карбоновой кислоты, кальциевая соль которой содержит 30,77% кальция. (ЕГЭ-2009)

Масса неизвестного объема воздуха равна 0,123 г, а масса такого же объема газообразного алкана – 0,246 г (при тех же условиях). Определите молекулярную формулу алкана. (ЕГЭ-2009)

Как статические, без использования расчетов по уравнению реакции решаются обычно и типовые задачи на определение формул органических веществ по массам продуктов сгорания.

Мы будем рассматривать задачи связанные с расчетом по уравнению реакции. Школьник, приступая к решению задач такого типа, должен быть готов использовать для написания уравнений реакций общие формулы классов веществ, обозначать неизвестные элементы, радикалы подходящими буквами (Ме, Х, Э, R и т.п.) Не всегда есть возможность (и необходимость) полностью расставить коэффициенты, часто для расчетов можно использовать схемы, уравненные по какому-то одному элементу: Ме2О3 2 MeCl3 

Часто приходится буквами обозначать валентность элемента, индексы в формулах, коэффициенты в уравнениях… Надо следить, чтобы одной буквой не обозначались разные величины.

Ключевой количественной характеристикой, обычно необходимой для определения формулы вещества является относительная атомная масса (для элемента) или относительная молекулярная масса (для вещества). Если в условии задачи кроме массы неизвестного вещества указана порция какого-то известного вещества – задачу можно решить обычным путем, по следующему плану:

1. Переходим к количеству вещества,
2. Проводим расчет по уравнению реакции;
3. Находим молярную и относительную молекулярную массу вещества;
4. Определяем формулу.

Задача 1. При окислении 16,2 г некоторого альдегида аммиачным раствором оксида серебра(I)  выделилось 48,6 г серебра. Определите молекулярную формулу альдегида.

4. Поскольку в условии ничего не сказано о группе альдегида, используем общую формулу углеводородного радикала СхНу и анализируем ее возможный состав: 12х+3у=43; х=3, у = 7 С3Н7-CHO – два возможных изомера.

Вообще, недостатком задания С5 ЕГЭ по химии можно считать то, что от ученика требуется определить лишь молекулярную формулу вещества. Конечно, это упрощает задание, но окончательным определением вещества можно считать только определение наряду с составом и его строения. Во всяком случае, на олимпиаде, в вузовском курсе от школьника может потребоваться умение предложить к найденному составу формулы всех или наиболее вероятных изомеров. Поэтому убирать этот этап решения из решения данного типа задач только потому, что его нет в заданиях ЕГЭ, нежелательно.

В более сложных задачах может быть не указана порция ни одного из известных участников реакции, ни даже самого неизвестного вещества. Как всегда в этом случае поможет алгебраический метод. Например:

Задача 2. (Дейнеко, 19, с.79) Некоторое количество ненасыщенного углеводорода при действии на него избытком хлора в темноте дает дихлорпроизводное массой 3,5 г, а при действии избытка брома – дибромпроизводное массой 5,28 г. Установить молекулярную формулу и строение углеводорода.

2. По уравнениям реакций: n(CxHy) = n(CxHyCl2) = n(CxHyBr2) = n моль

3. Находим массы галогенпроизводных и составляем алгебраические уравнения:

(M+71)*n=3,5                | M*n+71*n=3,5

(M+160)*n=5,28                | M*n+160*n=5,28        (160-71)n = 5,28-3,5; n = 0,02 моль;

M = (3,5-71*0,02)/0,02 = 104 г/моль; Mr(СхНу) = 104;   12х + у = 104

Здесь тоже необходим анализ состава: x<9; при x=7 y=20 > 2x+2 вещество имеет пересыщенный состав, что невозможно. Тоже и при х < 7. Остается:  x=8 y=8 C8H8

Большая степень ненасыщенности, наряду с тем, что вещество образует дигалогенпроизводные, позволяет сделать вывод о наличии бензольного кольца и одной двойной связи: C6H5-CН=СH2

 Иногда алгебраического решения можно избежать при внимательном анализе условия задачи:

Задача 3. Сложный эфир массой 30 г подвергнут щелочному гидролизу. При этом получено 34 г натриевой соли предельной одноосновной кислоты и 16 г спирта. Установите молекулярную формулу этого эфира. (ЕГЭ – 2007)

Казалось бы, что в условии приведены характеристики только неизвестных веществ, но применение закона сохранения массы позволяет найти массу четвертого участника реакции и решить задачу прямым способом:

Задача 4. Имеются образцы пентена-1 и неизвестного этиленового углеводорода равной массы. Первый образец может присоединить в два раза большую массу брома, чем второй. Определите молекулярную формулу неизвестного углеводорода. (пособие, прислано Целиковской Е.В.)

Задача интересна тем, что это задача в интенсивных величинах – здесь нет величин связанных с порцией участников реакции. Поэтому для решения задачи мы можем выбрать любую порцию вещества.

В олимпиадных заданиях задачи на определение неизвестного вещества часто комбинируются с задачами на определение состава смеси. Присутствуют такие задания и в пособиях для подготовки к ЕГЭ:

Задача 5. 7,84 л (н.у) смеси этиленового и ацетиленового углеводородов, содержащих одинаковое число атомов углерода, может присоединить 80 г брома. Образовавшаяся смесь продуктов присоединения брома имеет массу 94,4 г. Определите формулы углеводородов и их мольные доли в исходной смеси. (ЕГЭ-2005, прислано Воздвиженской С.А)

(Сам я не помню в заданиях С5 таких сложных задач. Если это задание из реального КИМа, остается только сделать вывод, что задания ЕГЭ с тех пор стали значительно проще.) Помогает в решении задачи то, что конкретно указан класс углеводородов, то, что число атомов у них одинаково, а также то, что объем смеси позволяет найти суммарное количество вещества. А дальше – опять применяем алгебраический метод

2. По уравнениям реакций: n1(Br2) = n(A) = x моль; n2(Br2) = 2n(Б) = 2y моль;

3. Система уравнений:         х + у = 0,35

                                x + 2y = 0,5 ;   y = 0,15, x = 0,2

4. Мольные доли: φ(А) =n(A)/n(см) = 0,2/0,35 = 0,571 = 57,1%  φ(Б) = 42,9%

5. Используя закон сохранения массы, определим массу смеси углеводородов:

m(смеси) = 94,4 – 80 = 14,4 г  и составим еще одно алгебраическое уравнение, учитывая, что M(A) = 14n, а M(Б) = 14n – 2, где n – число атомов углерода:

m(A) + m(Б) = m(смеси);        14n*0,2 + (14n – 2)*0,15 = 14,4;   n = 3

Алкен – С3Н6  , алкин - С3Н4 

В многочисленных пособиях для подготовки к ЕГЭ часто приводятся задачи на определение формул неизвестного вещества, значительно превышающие сложность заданий реального ЕГЭ. Примером может служить задача, присланная О.П. Русецкой:

Задача 6. 2,25 г аминокислоты, входящей  в состав белков, сожгли в избытке кислорода. После приведения продуктов реакции к нормальным условиям получили 2,016 л газовой смеси и 1,35 г воды. Газовую смесь пропустили через 5М раствор гидроксида натрия массой 36 г с плотностью 1,2 г/мл, после чего массовая доля щелочи в растворе уменьшилась до 3,106 %. Не поглощенную щелочью газовую смесь пропустили над избытком раскаленной меди, после чего объем газа уменьшился в 2 раза (н.у.). Определите формулу исходной аминокислоты.

Здесь есть все: и несколько уравнений реакций, и состав раствора полученного в ходе реакции (3,106 %), и определение формулы. Понятно, что цепочки превращений нужны для того, чтобы определить порции продуктов сгорания, после чего задача становится стандартной. Предлагаю вам самостоятельно разобраться с этой задачей, возможно разбив ее на несколько этапов.

Своя специфика в решении задач этого типа на материале неорганической химии. Они связаны с нахождением неизвестного элемента, соединения которого участвуют в химических реакциях. Для этого необходимо определить относительную атомную массу элемента, которую используют для нахождения элемента по ПСХЭ. Часто в роли неизвестной величины выступает и валентность элемента. В продвинутых курсах химии для решения этих задач часто используется закон эквивалентов. Эти задачи весьма характерны для химических олимпиад различного уровня, но в заданиях ЕГЭ по химии не встречаются. Не будем разбирать их и в рамках данного мастер-класса.

Этим занятием заканчивается рассмотрение трудных задач ЕГЭ по химии (впереди зачетные занятия мастер-класса). При желании можно вынести вопросы, связанные с решением задач других типов, на форум творческой группы.

Задание № 8.

Задача 6. Дать решение задачи. Возможно, на каком то этапе вам поможет разобраться в ней и схема превращения фаз.  

Задача 7. При обработке натрия первичным предельным одноатомным спиртом выделилось 6,72л газа (н.у.). При дегидратации того же количества спирта образуется алкен массой 33,6г. Определите молекулярную формулу спирта. (пособие, прислано Кокоревой С.В.)

Задача 8. При окислении 0,04 моль неизвестного органического вещества водным раствором перманганата калия образовалось 6,4 г бензоата калия, 11,04 г К2СО3, 20,88 г MnO2, 2,24 г КОН и вода. Какое вещество подверглось окислению? Определите его брутто-формулу и возможное строение.

Задача 9. Смесь двух предельных одноосновных кислот массой 23,82 г обработали 128 г 12,5%-ного раствора гидроксида натрия. Массовые доли металла в образовавшихся солях равны 28,05 и 20,91%. Затем через раствор пропустили углекислый газ. В реакцию вступило 1,12 л (н.у.) газа и образовалась кислая соль. Найдите массовую долю кислоты с меньшей относительной молекулярной массой в исходной смеси. (прислано Александровой Е.И.)

Ответы (с указанием фамилии) оформлять в файле WORD, имя файла Familija-Z-8.

Возможен рукописный вариант, который сканируется или фотографируются и пакуются в архиве с таким же именем Familija-Z-8 (Familija- фамилия участника –англ.)

Файлы ответов загружаются в библиотеку творческой группы. Ответы считаются учебными работами, не выставляются на общее обозрение, после проверки удаляются из библиотеки. Общий анализ ответов дается на форуме. Контрольный срок выполнения задания №8 до 19-00 мск вр, 29.11.10 (понедельник)