Математические способы решения расчетных задач по химии
Разделы: Химия
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.
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.
Составляем уравнений реакций:
yл
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:
Из первого уравнения выражаем у через х:
Решаем уравнение (4) относительно х.
Следовательно, масса карбоната натрия равна 4,24 г.
Массу карбоната калия находим вычитанием из общей массы смеси карбонатов массы карбоната натрия:
Массовые доли карбонатов находим по формуле:
Ответ: массовая доля карбоната натрия равна 60,57%, массовая доля карбоната калия равна 39,43%.
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.
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:
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:
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:
Из уравнения (5) выражаем у через х и подставляем в уравнение (6):
Уравнение (7) решаем относительно х:
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).
Ответ: массовая доля карбоната натрия равна 56,5%, массовая доля карбоната калия равна 43,5%.
Задачи для самостоятельного решения.
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.
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.
Источник
Основные методы решения задач на смешивание растворов
“Только из союза двоих, работающих вместе и при помощи друг друга, рождаются великие вещи.”
Антуан Де Сент-Экзюпери
Математика многообразна и многогранна. Существует ряд ситуаций в образовательном процессе, когда при изучении какой-либо темы по физике, химии, биологии и т.д. затрагиваются понятия математики, например, существуют задачи, которые решают как на уроках математики, так и на уроках химии. Способы решения задач представляют и учителя химии, и математики, но есть проблема: математики знают математику, а химики — химию. И не всегда способы совпадают.
В данной статье приводятся рекомендации по решению химических задач на смешение растворов разными способами: с помощью расчетной формулы, “Правила смешения”, “Правила креста”, графического метода, алгебраического метода. Приведены примеры решения задач.
1. Основные химические понятия
Приведем некоторые указания к решению задач на растворы.
Основными компонентами этого типа задач являются:
а) массовая доля растворенного вещества в растворе;
б) масса растворенного вещества в растворе;
в) масса раствора.
а) все получившиеся смеси и сплавы являются однородными;
б) смешивание различных растворов происходит мгновенно;
в) объем смеси равен сумме объемов смешиваемых растворов;
г) объемы растворов и массы сплавов не могут быть отрицательными.
Определения и обозначения.
Массовая доля растворенного вещества в растворе — это отношение массы этого вещества к массе раствора.
где 
— массовая доля растворенного вещества в растворе;
— масса растворенного вещества в растворе;
— масса раствора.
Следствия формулы (1):
— массовая доля растворенного вещества в первом растворе;
— массовая доля растворенного вещества во втором растворе;
— массовая доля растворенного вещества в новом растворе, полученном при смешивании первого и второго растворов;
m1(в-ва), m2(в-ва), m(в-ва) — массы растворенных веществ в соответствующих растворах;
m1(р-ра), m2(р-ра), m(р-ра) — массы соответствующих растворов.
Основными методами решения задач на смешивание растворов являются: с помощью расчетной формулы, “Правило смешения”, “Правило креста”, графический метод, алгебраический метод.
Приведем описание указанных методов.
1.1. С помощью расчетной формулы
В наших обозначениях, получим формулу для вычисления массовой доли вещества (?) в смеси.
1. Масса полученного при смешивании раствора равна:
2. Определим массы растворенных веществ в первом и втором растворах:
m1(в-ва)= •m1(р-ра), m2(в-ва)= •m2(р-ра).
3. Следовательно, масса растворенного вещества в полученном растворе вычисляется как сумма масс веществ в исходных растворах:
m(в-ва) = m1(в-ва) + m2(в-ва) = •m1(р-ра) + •m2(р-ра).
4. Таким образом, массовая доля растворенного вещества в полученном растворе равна:
где 
— массы соответствующих растворов.
Замечание: При решении задач удобно составлять следующую таблицу.
1-й раствор
2-й раствор
Смесь двух растворов
Масса растворов
Массовая доля растворенного вещества
Масса вещества в растворе
m1
m2
(m1 + m2)
1.2. “Правило смешения”
Воспользуемся формулой (4): 
тогда 
Отсюда 
Таким образом, отношение массы первого раствора к массе второго равно отношению разности массовых долей смеси и второго раствора к разности массовых долей первого раствора и смеси.
Аналогично получаем, что при 
Замечание: Формула (5) удобна тем, что на практике, как правило, массы веществ не отвешиваются, а берутся в определенном отношении.
1.3. “Правило креста”
“Правилом креста” называют диагональную схему правила смешения для случаев с двумя растворами.
Слева на концах отрезков записывают исходные массовые доли растворов (обычно слева вверху-большая), на пересечении отрезков — заданная, а справа на их концах записываются разности между исходными и заданной массовыми долями. Получаемые массовые части показывают в каком отношении надо слить исходные растворы.
1.4. Графический метод
Отрезок прямой (основание графика) представляет собой массу смеси, а на осях ординат откладывают точки, соответствующие массовым долям растворенного вещества в исходных растворах. Соединив прямой точки на осях ординат, получают прямую, которая отображает функциональную зависимость массовой доли растворенного вещества в смеси от массы смешанных растворов в обратной пропорциональной зависимости 
Полученная функциональная прямая позволяет решать задачи по определению массы смешанных растворов и обратные, по массе смешанных растворов находить массовую долю полученной смеси.
Построим график зависимости массовой доли растворенного вещества от массы смешанных растворов. На одной из осей ординат откладывают точку, соответствующую массовой доли , а на другой — . Обозначим на оси абсцисс точки А и В с координатами (0,0) и (m1 + m2,0), соответственно. На графике точка А(0,0) показывает, что массовая доля всего раствора равна , а точка В(m1 + m2,0) — массовая доля всего раствора равна . В направлении от точки А к точке В возрастает содержание в смеси 2-го раствора от 0 до m1+ m2 и убывает содержание 1-го раствора от m1+ m2 до 0. Таким образом, любая точка на отрезке АВ будет представлять собой смесь, имеющую одну и ту же массу с определенным содержанием каждого раствора, которое влияет на массовую долю растворенного вещества в смеси.
Замечание: Данный способ является наглядным и дает приближенное решение. При использовании миллиметровой бумаги можно получить достаточно точный ответ.
1.5. Алгебраический метод
Задачи на смешивание растворов решают с помощью составления уравнения или системы уравнений.
2. Примеры решения задач
В 100 г 20%-ного раствора соли добавили 300 г её 10%-ного раствора. Определите процентную концентрацию раствора.
Решение:
C помощью расчетной формулы
Путем последовательных вычислений
- Сколько растворенного вещества содержится:
а) в 100 г 20%-ного раствора; [100•0,2 = 20(г)]
б) в 300 г 10%-ного раствора? [300•0,1 = 30(г)]
Сколько вещества содержится в образовавшемся растворе?
20 г + 30 г = 50 г
Чему равна масса образовавшегося раствора?
100 г + 300 г = 400 г
Какова процентная концентрация полученного раствора?
Пусть х — процентная концентрация полученного раствора. В первом растворе содержится 0,2•100(г) соли, а во втором 0,1•300(г), а в полученном растворе х•(100 + 300)(г) соли. Составим уравнение:
0,2•100 + 0,1•300 = х•(100 + 300);
Задача 2. u(№10.26, [1])
Смешали 10%-ный и 25%-ный растворы соли и получили 3 кг 20%-ного раствора. Какое количество каждого раствора в килограммах было использовано?
а) C помощью уравнения:
Пусть х (кг) — масса 1-го раствора, тогда 3-х (кг) -масса 2-го раствора.
0,1•х (кг) содержится соли в 1-ом растворе,
0,25•(3-х) (кг) содержится соли в 2-ом растворе,
0,2•3 (кг) содержится соли в смеси.
Учитывая, что масса соли в 1-ом и 2-ом растворах равна массе соли в смеси, составим и решим уравнение:
0,1•х + 0,25•(3-х) = 0,2•3;
х = 1, 1кг-масса 1-го раствора
3 — х = 3 — 1 =2 (кг) — масса 2-го раствора.
Ответ: 1 кг, 2 кг.
б) С помощью системы уравнений
Пусть х (кг) — количество первого раствора, у (кг) — количество второго раствора. Система уравнений имеет вид:
Ответ: 1 кг, 2 кг.
Составим диагональную схему
Сосуд емкостью 5 л содержит 2 л р%-ного (по объёму) раствора соли. Сколько литров 20%-ного раствора такой же соли надо налить в сосуд, чтобы процентное содержание соли в сосуде стало наибольшим?
Решение (графический способ)
Заметим, что по условию, объём второго раствора не превышает трёх литров.
- Ели р 20, то при добавлении 2-го раствора, процентное содержание соли будет уменьшаться, т.е. прилить нужно 0 л.
Источник
