XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Решение задач по химии различными приёмами, как условие развития познавательного интереса
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Актуальность исследования. Решение задач при обучении химии всегда считалось важным не само по себе как таковое, с помощью задач учащиеся осваивают основные понятия и законы химии, знакомятся с системой обозначений, постигают количественные соотношения между реагирующими веществами, приобретают опыт и вырабатывают навыки практической деятельности. У обучаемых формируется химическое мышление, способность самостоятельно добиваться результата при разрешении возникающих проблем, формируется активная жизненная позиция [1, 2].
Как правило, при решении задач по химии более целесообразно оперировать несколькими способами их решения и тем самым создавать условия формирования умений выбирать тот или иной способ решения задачи в зависимости от ее особенностей.
Решение химических задач – интересный и творческий процесс. Результат его часто оригинален и нестандартен. Однако чтобы научиться решать сложные задачи, необходимо освоить решение более простых, типовых задач. Данная работа, ориентирована на следование не какой – то определенной, известной схеме, а на поиск нестандартных вариантов их решения.
Гипотеза исследования: использование различных методик при решении задач по химии облегчит усвоение изучаемого материала, будет способствовать выработке умений и закреплению навыков выполнения типовых задач, формированию химического мышления, и как следствие, будет активизировать умственную деятельность и увеличит прочность усвоения знаний и их качество.
Цель работы: исследовать различные методы решения задач по химии.
Объект исследования: решение химических задач.
Предмет исследования: различные методики решения задач обучения.
Для проверки гипотезы и достижения цели исследования были поставлены следующие задачи:
1. Провести анализ учебной, методической и научной литературы по применению различных методик по решению химических задач,
2. Найти наиболее рациональные методы решения химических задач,
3. Решить наиболее распространённые расчетные задачи по химии с помощью найденных методов.
I. Теоретическая часть
1.1. Значение химических задач.
Значение решения задач в курсе химии переоценить трудно. Во-первых, решение задач – это практическое применение теоретического материала, приложение научных знаний на практике. Успешное решение задач является одним из завершающих этапов в познании предмета. Решение задач требует умения логически рассуждать, планировать, делать краткие записи, производить расчеты и обосновывать их теоретическими предпосылками, дифференцировать определенные проблемы на отдельные вопросы, после ответов, на которые решаются исходные проблемы в целом. При этом не только закрепляются и развиваются знания и навыки, полученные ранее, но и формируются новые. Во - вторых, при решении задач развиваются кругозор, память, речь, мышление, а также формируется мировоззрение в целом; происходит сознательное усвоение и лучшее понимание химических теорий, законов и явлений. Решение задач развивает интерес к химии, активизирует деятельность. При самостоятельном решении задач используются не только учебников, но и дополнительная и справочная литература.
Химическая учебная задача – это модель проблемной ситуации, направленная на развитие химического мышления. Химические задачи имеют, в отличие от математических, свою специфику, обусловленную тем, что химические знаки, формулы и уравнения содержат в скрытом виде определенные числовые данные. Для решения каждой задачи необходимо выяснить отношения между данными задачи и искомой величиной, установить соответствующие им закономерности.
Решение химических задач занимает важное место в изучении основ химической науки.
1.2. Классификации химических задач.
На сегодняшний день не существует единого подхода к классификации химических задач. Окончательно разработанной классификации школьных химических задач нет. В учебных пособиях по методике химии, специальных методических пособиях по решению задач и в статьях приводятся различные варианты классификации задач. Общепризнанной является классификация химических задач на качественные и количественные, которые решаются устным, письменным и экспериментальным способом.
Качественные задачи:
1. Объяснение перечисленных или наблюдаемых явлений
2. Характеристика конкретных веществ
3. Распознавание веществ
4. Доказательство качественного состава веществ
5. Разделение смесей и выделение чистых веществ
6. Получение веществ
7. Осуществить цепочку превращений
Количественные задачи:
Химические расчетные задачи можно условно разделить на три группы:
1. Задачи, решаемые с использованием химической формулы вещества или на вывод формулы.
2. Задачи, для решения которых используют уравнение химической реакции.
3. Задачи, связанные с растворами веществ.
Простейшие расчетные задачи:
I. Задачи, которые решаются без использования уравнений реакций:
1. Расчеты соотношений масс элементов в веществах,
2. Расчеты массовой доли элемента в соединении по его формуле,
3. Расчеты по соотношениям «масса — моль»,
4. Расчеты по соотношениям «объем — моль»,
5. Расчеты с использованием относительной плотности газов,
6. Выведение простейшей формулы вещества,
7. Выведение истинной формулы вещества,
8. Расчеты с использованием числа Авогадро,
9. Задачи, связанные с растворами веществ,
10. Задачи на смеси.
II. Задачи, решаемые с использованием уравнений химических реакций:
1. Расчёт массы веществ по известной массе другого вещества,
2. Расчеты по соотношению «масса — моль»,
3. Расчеты по соотношению «объем — моль»,
4. Задачи с использованием понятия «избыток»,
5. Задачи с использованием веществ, одно из которых содержит примеси,
6. Задачи на выход продукта реакции и на производственные потери,
7. Задачи на нахождение химической формулы,
8. Задачи, в которых вещества даны в виде растворов,
9. Задачи на смеси.
Каждый из этих видов задач включает еще несколько типов задач.
В расчетах чаще всего используются несложные арифметические действия, пропорции и решение систем уравнений.
Известна классификация задач на сложные и трудные. Сложными называют задачи, которые требуют применения теоретических знаний по разным темам курса химии, умения решать задачи разных типов, объединяя и выбирая для решения конкретной задачи все необходимое. Нередко это задачи обобщающие. Сложность задачи — понятие объективное, подразумевающее большое число элементов знаний и умений, используемых при их решении и определенного перечня мыслительных операций. Трудные задачи — понятие субъективное. Имеются в виду задачи, требующие творческого подхода, неожиданных умных действий.
II. Практическая часть. Примеры решения расчетных задач
Решение задачи всегда начинается с изучения ее условия. Прежде всего, следует выяснить, с какими величинами предстоит проводить вычисления, установить единицы измерения и числовые значения данной задачи и четко определить искомую величину. Во многих случаях решение задачи можно облегчить с помощью иллюстраций к ней. На рисунке схематически изображают рассматриваемые в задаче объекты: растворы, смеси, соединения, - а так же их составные части. Зрительное представление оказывается особенно полезным при анализе задач, связанных с газами, растворами, составом вещества. Рисунок помогает понять смысл задачи, разобраться в зависимостях между ее данными и искомой величиной.
Решение расчетных задач основано на применении математики. Ход решения обычно предопределяется опытом обучающегося, его умением применять на практике знания математики. Применение пропорций в решении задач по химии наглядно и эффективно для простых задач. Для решения составных задач необходимо расчленить каждую из них на ряд простых этапов, удобно так же воспользоваться другими методами алгебры: линейными уравнениями и неравенствами.
2.1. Расчетные задачи с неполным условием
Задача: В результате взаимодействия раствора соляной кислоты с карбонатом кальция образовался 6,8 %-й раствор CaCl2. Вычислите массовую долю соляной кислоты в исходном растворе кислоты.
Способ I. Пусть в реакцию вступил 1 моль CaCO3, тогда n(HCl) = 2 моль, n(CaCl2) = 1 моль, n(CO2) = 1 моль. Поскольку мы уже сделали одно произвольное предположение, массу воды в растворе HCl приходится выражать через неизвестное x. По реакции
CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + CO2 + H2O
Образуется раствор CaCl2, масса которого составит:
m(р-ра CaCl2) = mM(CaCO3) + 2mM(HCl) + x – mM(CO2) = (129 + x) г.
В этом растворе содержится 1 моль CaCl2 – 111 г. По условию:
w(CaCl2) = 0,068 = m(CaCl2)/m (р – ра);
M(CaCO3) = 100 г/моль, M(CO2) = 44 г/моль, M(HCl) = 36,5 г/моль.
0,068 = 111/(129 + x),
(129 + x)*0,068 = 111,
0,068*129 + 0,068*х = 111,
0,068*х = 111 – 0,068*129,
0,068*x = 111 – 8,772,
0,068*x = 102,228,
X = 102,228/0,068
x = 1503.
Вычисляем w (HCl): w (HCl) = 2mM(HCl) / (2mM(HCl) + 1503) = 73 / (73 + 1503) = 73/1576 = 0,046 (4,6%).
Способ II. Пусть в полученном растворе образовалось 1 моль CaCl2 и x г воды.
Тогда 111/(x + 111) = 0,068; x = 1521 г.
Масса исходного раствора HCl составляет:
m1(р – ра HCl) = 1521 + 111 - mM (CaCO3) + mM (CO2) = 1576 г.
w(HCl) = 36,5*2/1576 = 73/1576 = 0,046 (4,6%).
Способ III. Пусть образовалось 100 г CaCl2, тогда в нём будет 6,82 г CaCl2. Вычисляем массы прореагировавшего CaCO3, HCl и выделившегося CO2:
m1 m2 6,82г m3
2HCl + CaCO3 = CaCl2 + CO2 + H2O
2 моль 1 моль 1 моль 1 моль
(36,5*2)г 100г 111г 44г
n(CaCl2)= 6,82/11 = 0,061 моль
m1= 73*0,061 = 4,45 г; m2 = 100*0,061 = 6,1г m3 = 44*0,061 = 2,68г
Обозначим массу исходного раствора через у, тогда:
у + m2 = 100 + m3;
у = 100 + m3 - m2 = 100 + 2,68 - 6,1 = 96,58.
w(HCl) = m1/y = 4,45/96,58 = 0,046 (4,6%).
При решении данной задачи можно использовать и так называемый прямой алгебраический способ, когда неизвестная величина, значение которой по условию задачи следует установить, выражается через неизвестное и далее связывается с условием.
Способ IV (прямой алгебраический):
Пусть масса исходного раствора HCl составляет 100 г и в нём x г HCl. Вычислим, какая масса CaCO3 прореагирует с этим раствором, а также массы образовавшихся CO2 и СaСl2:
m1 x,г m2 m3
CaCO3 + 2HCl = СaСl2 + CO2 + H2O
100 г 73 г 111г 44 г
n(р-ра HCl) = 100/36,5 = 2,74 моль
n(CaCO3) = ½HCl = 1,37 моль; m1 = 1,37* x г;
m2: 1,37x, г – m2
100 г – 111 г; m2 = (1,37x * 111)/100 = 1,52*х, г;
m3: 1,37x, г – m3
100 г – 44 г; m3 = (1,37x * 44)/100 = 0,60*х, г.
Масса полученного раствора СaСl2:
m(р-ра) = 100 + m1 - m3 =100 + 1,37*x - 0,60*х = 100 + 0,77*x;
w(СaСl2) = m2/ m(р-ра),
0,068 = 1,52*х/(100 + 0,77*х),
0,068*(100 + 0,77*х) = 1,52*х,
0,068*100 + 0,068*0,77*х = 1,52*х,
6,8 + 0,05*х = 1,52*х,
1,52*х – 0,05*х = 6,8,
1,47*х = 6,8;
х = 6,8/1,47;
х = 4,6 г (4,6% в 100 г)
2.2. Прямой алгебраический способ
Прямой алгебраический способ, на первый взгляд, имеет ряд преимуществ перед всеми другими, поскольку мы выражаем искомую величину через неизвестное непосредственно в условии задачи, что даёт нам прямой путь к решению. В действительности же этот вывод не однозначен, а способ решения всегда зависит от условия конкретной задачи. Рассмотрим пример типичной задачи:
Какую массу лития следует добавить к 100 г воды, чтобы в результате реакции образовался 9,5 %-й раствор LiOH?
Способ I (прямой алгебраический). Пусть искомая масса лития составляет х г, тогда масса образовавшегося раствора составит:
m(р-ра) = m(Li) + m(H2O) – m(H2)
Вычисляем значение масс H2O и H2:
х г m1 m2
Li + H2O = LiOH + 0,5H2
1 моль 1 моль 0,5 моль
7 г 24 г 1 г
M (Li) = 7 г/моль, M(LiOH) = 24 г/моль, M(H2) = 2 г/моль
m1: x – m1
7 г – 24 г; m1 = 24*x/7 = 3,4*x, г
m2 : x – m2
7 г – 1 г; m2 = x/7 = 0,14*х, г
По условию массовая доля LiOH в растворе составляет 0,095, то есть
w(LiOH) = m1/m(р-ра)
0,095 = 3,4*/(100 + х – 0,14*х),
0,095 * (100 + х – 0,14х) = 3,4*х
0,095*100 + 0,095*х – 0,095*0,14*х = 3,4*х
9,5 + 0,095*х – 0,013*х = 3,4*х
9,5 + 0,082*х = 3,4*х
3,4*х – 0,082*х = 9,5
3,318*х = 9,5
х = 9,5/3,318; х = 2,86 г
Способ II. Пустьобразовался раствор LiOH массой 100 г, тогда в нём содержится 9,5 г LiOH.Вычислим массу прореагировавшего лития и массу выделившегося водорода, используя уравнение реакции:
m(LiOH) = 7*9,5/24 = 2,77 г
m(H2) = 9,5*1/24 = 0,41 г
m(H2O) = m(р-ра) – m (Li) + m(H2) = 100 – 2,77 + 0,41 = 97,64 г.
Составляем пропорцию, то есть приводим начальную гипотезу в соответствие с конкретными условиями задачи:
2,77 г Li – 97,64 г H2O
x г Li – 100 г H2O;
97,64*х = 2,77*100
97,64*х = 277
х = 277/97,64; х = 2,84 г.
Способ III. Пусть в растворе LiOH содержится 1 моль LiOH, тогда масса раствора составляет:
m(р-ра) = mM(LiOH)/w(LiOH) = 24/0,095 = 252,63 г;
m(H2O) = m(р-ра) – m(Li) + m(H2) = 252,63 – 7 + 1 = 246,63 г.
Составляем пропорцию:
7 г Li – 246,63 г H2O
x г Li – 100 г H2O
246,63*x = 7* 100
246,63*х = 700;
х = 700/246,63; х = 2,84 г.
2.3. Способ решения с использованием систем уравнений
Какую массу SO3 следует прибавить к 250 кг 60% - го раствора H2SO4 для получения 15% олеума?
Решение: Вычислим массу воды и кислоты в исходном растворе:
m(H2SO4) = 250*0,6 = 150 г; m(H2O) = 100 г
Рассчитаем массу оксида серы (VI), необходимого для насыщения 100 г воды: m(SO3) = 444,4 кг
Общая масса раствора увеличивается до: m(H2SO4) = 250 + 444,4 кг = 694,44 кг
Для получения 15% олеума, полученный в предыдущем действии раствор серной кислоты необходимо насытить SO3, массу которого принять за х. Для этого можно воспользоваться выражением: 0,15 = , отсюда х = 122,548 кг Находим общую массу SO3: mобщ(SO3) = 444,4 кг + 122,548 кг = 566,988 кг.
Способ I. Пусть получено 100 кг олеума из х кг SO3 и у кг 60% - й H2SO4.
В олеуме содержится 85 кг H2SO4 и 15 кг SO3, в целом соответствует
85 = 15*98/80 = 103,38 кг H2SO4;
х кг SO3 соответствует 98*х/80 кг H2SO4.
Составляем систему:
49* (100 – у) + 24*у = 4135,2
4900 – 49*у + 24*у = 4135,2
- 25*у = -764,8
у = 764,8/25; у = 30,6
Сделаем пересчёт на условие задачи:
69,4 кг SO3 – 30,6 кг 60% - й H2SO4
хкг SO3 – 250 кг 60% - й H2SO4; х = 567 кг
Способ II (прямой алгебраический). Если требуется х кг SO3 , то масса олеума составляет (х + 250) кг. В этом растворе содержится 0,85*(х + 250) кг H2SO4 и 0,15*(х + 250) кг SO3. Переведя по стехиометрической схеме массу SO3 в массу H2SO4, получим общее содержание (условно) серной кислоты:
M(H2SO4) = 98 г/моль; M(SO3) = 80г/моль
m = (0,85 + 0,15*98/80)*(х + 250) = 1,034*(х + 250) кг
Решим уравнение: 250*0,6 + 98*х/80 = 1,034*(х + 250)
150 + 1,225*х = 1,0338*х + 258,45
1,225*х – 1,0338*х = 258,45 – 150
0,1912*х = 108,45; х = 567.
Способ III (через диагональную схему). Вычислим условную массовую долю SO3 в 60%- й H2SO4 и 15%-ом олеуме:
w1(SO3) = 0,60*80/98 0,4898 (48,98%);
w2(SO3) = 15 + 85*80/98 84,39%.
Составим диагональную схему:
35,41/15,61 = х/250
15,61 *х = 35,41 * 250
15,61 * х = 8852,5
х = 567 г.
Заключение
Решение задач в изучении химии занимает важное место, так как это один из приемов обучения, посредством которого обеспечивается более глубокое и полное усвоение учебного материала по химии и вырабатывается умение самостоятельного применения приобретенных знаний.
В процессе решения задач происходит уточнение и закрепление химических понятий о веществах и процессах, вырабатывается смекалка в использовании имеющихся знаний. Побуждая повторять пройденное, углублять и осмысливать его, химические задачи способствуют формированию системы конкретных представлений, что необходимо для осмысленного восприятия последующего материала. Задачи, включающие определенные химические ситуации, становятся стимулом самостоятельной работы учащихся над учебным материалом. Отсюда понятно общепринятое мнение, что мерой усвоения материала следует считать не только и даже не столько пересказ учебника, сколько умение использовать полученные знания при решении различных задач.
Таким образом, решение задач — важный компонент процесса обучения химии. Наилучших результатов можно достичь при систематическом решении различных видов задач. Поэтому разработка систем задач является важной составляющей в процессе обучения, так как система задач обеспечивает в наиболее короткий срок и с наименьшей затратой сил достигнуть наилучших результатов.
Таким образом, подведя итоги исследовательской работы, можно констатировать, что поставленная цель достигнута, поставленные задачи решены.
Работа может быть полезна учащимся школ, лицеев, гимназий при подготовки к олимпиадам и к экзаменам при поступлении в ВУЗы.
Список использованных источников и литературы
Дидактика средней школы: Некоторые проблемы современной дидактики / Под ред. М.Н. Скаткина. М., 1982. 319 с.;
Быстрицкая Е. В. Составление и решение расчетных задач с прикладным содержанием, Химия в школе, № 7 – 2002;
Гроссе Э.Ю. Химия для любознательных. Л.: Химия, 1985;
Хохлова А. И. Обучение учащихся решению расчетных задач по химии: Учеб. метод, пособие. - Красноярск: Изд-во Краснояр. ин-та, 1989. - 184 с.;
Фаерштейн М. Г. Рациональный метод решения расчетных задач по химии // Химия в школе. 1986. № 1. с. 44 – 46;
Герус С.А. Алгоритмический подход к решению типовых расчётных задач// Химия в школе. 1996., №3, с. 46 – 48;
Гузей В.В. О системе задач и задачном подходе к обучению// Химия в школе, 2001, №8, с. 12 – 18;
Хамиитова А.И. О математических методах решения химических задач // Химия в школе, 2001, №6, с. 32 – 34;
Хрусталев А.Ф. Приближенно – по правилам: Методика обучения решения химических задач // Химия в школе, 2001, №3, с. 40 – 41;
Мелехова Л.Г. Метод пошаговой детализации при решении расчетных задач // Химия в школе, 2001, №8, с. 23–26.