Основные методические подходы к решению задач, связанных с растворимостью и кристаллизацией

1УДК 372.854 ББК 74.262.4

ОСНОВНЫЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ, СВЯЗАННЫХ С РАСТВОРИМОСТЬЮ И КРИСТАЛЛИЗАЦИЕЙ

Е. Г. Нелюбина, Л. Г. Сафина

В данной статье отражена необходимость решения задач в школьном курсе изучения химии. В процессе решения задач по химии происходит уточнение и закрепление понятий о веществах и процессах, в частности понятий, связанных с растворимостью и кристаллизацией. Данный процесс побуждает учащихся повторять пройденное, углублять и осмысливать его, химические задачи способствуют формированию системы конкретных представлений о процессах, происходящих в природе и развитию сложной мыслительной деятельности учащихся. Теснейшее взаимодействие знаний и действий является основой формирования различных приемов мышления: суждений, умозаключений, доказательств. В статье подобраны задачи, включающие определенные химические ситуации, становятся стимулом самостоятельной работы школьников с учебным материалом. Также в этой статье предлагаются методические рекомендации по решению задач на расчеты, связанные с растворимостью и кристаллизацией.

Ключевые слова: расчетные задачи по общей химии, методика решения химических задач, растворы, коэффициент растворимости, растворимость, кристаллизация.

BASIC METHODOLOGICAL APPROACHES TO THE SOLUTION OF PROBLEMS RELATED TO SOLUBILITY AND CRYSTALLIZATION

E. G. Nelubina, L. G. Safina

The article reflects the need to address the problems in the school course of chemistry. In the process of solving problems in the chemistry course there happens refinement and consolidation of notions about substances and processes, in particular the concepts related to the solubility and crystallization. This process encourages students to revise the studied material, to deepen and comprehend it. Chemical problems contribute to the formation of the system of specific ideas about the processes occurring in the nature and development of complex cognitive activities of students. Close interaction of knowledge and action is the basis for the formation of different methods of thinking: judgment, reasoning, evidence. The article has selected the tasks, including certain chemical situations that stimulate independent work of students with educational material. The article also offers guidelines to meet the challenges of calculations associated with solubility and crystallization.

Keywords: computational problems in general chemistry, methods of solving chemical problems, solutions, solubility coefficient, solubility, crystallization.

Умение решать задачи развивается в процессе обучения, и развить это умение можно только одним путем -постоянно, систематически решая задачи.

Решение задач по химии - это мыслительный процесс, учитывающий дидактические функции химических задач, с помощью которых учитель сможет реализовать образовательные, воспитательные и развивающие задачи урока.

Значение решения задач в школьном курсе химии очень велико и многогранно. Решение задач по химии - это практическое применение теоретического материала, на практике. Успешное решение химических задач учащимися является одним из завершающих этапов познания. Решение задач способствует развитию логического мышления, способствует развитию у учащихся умения логически рассуждать, планировать, обосновывать теоретические предпосылки их решения. При этом закрепляются и развиваются личностные, предметные и метапредметные универсальные учебные действия.

Также решение задач является прекрасным способом осуществления межпредметных связей, а также связи химической науки с жизнью. Решение химических задач помогает развить кругозор учащихся, а также способствует развитию диалектико-материалистического мировоззрения и осознанному усвоению и лучшему пониманию химических явлений, теорий и законов.

Большие возможности в обучении и воспитании школьников заложены в применении задач во внеурочной и во внеклассной работе. Здесь ученикам предлагаются усложненные задачи, в том числе с более выраженным политехническим характером.

Таким образом, использование расчетных задач по химии в школе позволяет в значи-

тельной мере решать основные функции обучения и воспитания. Решение задач является целью и средством обучения и воспитания учащихся.

На наш взгляд, в сборниках задач уделяется очень мало внимания решению задач, связанных с растворимостью и кристаллизацией, а между тем решение таких задач входит в образовательные стандарты средней школы. Предлагаемая в решениях форма записи, на наш взгляд, облегчает понимание их методов решения.

Материал, который мы предлагаем для рассмотрения, прежде всего, рассчитан на учащихся старших классов. Материал задач охватывает важнейшую тему школьного курса химии: «Растворы».

Коэффициент растворимости - это растворимость вещества в 100 г воды при данной температуре t [1].

Данный тип задач мы предлагаем решать с помощью таблицы, как элемента решения и систематизации знаний.

Задача 1. При 60 °С насыщенный раствор соли в количестве 20 кг был охлажден снегом до температуры 0 °С. Какое количество соли выпало в осадок, если при 60 °С растворимость соли составляет 110 г, а при 0 °С - 13,1 г [2].

Решение

Примечание. Рассмотрим развернутую систему использования задач по действиям. Таблицу необходимо заполнять по мере выполнения действий. Мы в своей работе представим вариант таблицы, уже окончательно заполненной (табл. 1).

Таблица 1

Схема решения задачи 1

Стандартный р-р 1 Истинный р-р 1 Стандартный р-р 2 Истинный р-р 2 Осадок

^ °С 60 60 0 0 0

т . , г (раствора)' 210 20 000 (или 20 кг) 113,1

т (раств. вещества)' ^ 110 10 476,2 13,1 1247,6 9228,6

^ (растворителя)' ^ 100 9523,8 100 г 9523,8

Действия по заполнению таблицы:

1. Вписываем данные из условия задачи. Растворимость показывает, сколько вещества растворяется в 100 г воды, поэтому рационально заполнить данные по растворителю в стандартных растворах.

2. Используя формулу

т (раствора) т (раств. вещества) + т (растворителя/

заполним данные для стандартного раствора 1.

т . . , = 110 г + 100 г = 210 г

(раствора) станд. 1

т, . , = 13,1 г + 100 г = 113,1 г

(раствора) станд. 2

3. Согласно правилу пропорций при одинаковой температуре мы можем рассчитывать в растворах необходимые величины.

3.1. Составляем пропорцию для раствора 1:

210 г раствора содержат 110 г растворенного вещества;

20 000 г раствора содержат х г растворенного вещества.

х = (20 000 110) : 210 = 10 476,2 г.

Данные заносим в таблицу.

3.2. Высчитываем массу растворителя в истинном растворе 1.

т (растворителя) ист. раствора

= 9523,8 г

5. Согласно правилу пропорций при одинаковой температуре мы можем рассчитывать в растворах необходимые величины.

5.1. Составляем пропорцию для раствора 2:

100 г растворителя содержит 13,1 г растворенного вещества;

9523,8 г растворителя содержат у г растворенного вещества.

у = (9523,8 13,1) : 100 = 1247,6 г.

Данные заносим в таблицу.

5.2. Находим массу вещества, выделившегося в осадок при охлаждении раствора:

т

, = 20 000 - 10 476,2 =

4. Вещество-растворитель из раствора 1 переходит в раствор 2 целиком, так как в данном случае выпадает в осадок только часть растворенного вещества, не представляющее собой кристаллогидрат. Следовательно, данные по растворителю могут быть перенесены в графу истинного раствора 2.

т(осадка) т(растворенного вещества) ист. раствора 1 (растворенного вещества) ист. раствора 2

т , = 10 476,2 - 1247,6 = 9228,6 г

Ответ: т . . составляет 9228,6 г.

Задача 2. При охлаждении насыщенного при 80 °С раствора №2Б04 массой 1026,4 г до 10 °С выпадет в осадок кристаллогидрата Ыа2Б04^10Н20. Определите массу выпавшего в осадок кристаллогидрата, если растворимость соли при этих температурах составляет 28,3 г и 9,0 г соответственно? [2] Решение

Примечание. Рассмотрим развернутую систему использования задач по действиям. Таблицу необходимо заполнять по мере выполнения действий. Мы в своей работе представим вариант таблицы уже окончательно заполненной (табл. 2).

Действия по заполнению таблицы: 1. Вписываем данные из условия задачи. Растворимость показывает, сколько вещества растворяется в 100 г воды, поэтому рациональ-

Таблица 2

Схема решения задачи 2

Стандартный р-р 1 Истинный р-р 1 Стандартный р-р 2 Истинный р-р 2 Осадок

^ °С 80 80 10 10

ш . . (раствора), г 128,3 1026,4 109,0

Ш (раств. вещества), г 28,3 226,4 9,0 (226,4 - а) ш , , = (вещества в осадке крист.) Ш (раств. вещества) ист. р-ра 1 Ш (раств. вещества) ис. р-ра 2

Ш (растворителя), г 100 800,0 100 (800,0 - 1,27а) ш , , = (воды в осадке крист.) Ш (растворителя) ист. р-ра 1 Ш (растворителя) ис. р-ра 2

но заполнить данные по растворителю в стандартных растворах.

2. Используя формулу

т (раствора) т (раств. вещества) + т (растворителя/

Заполним данные для стандартного раствора 1.

т

(раствора) станд.

, = 28,3 г + 100 г = 128,3 г

т . . , = 9,0 г + 100 г = 109,0 г

(раствора) станд. 2

3. Согласно правилу пропорций при одинаковой температуре мы можем рассчитывать в растворах необходимые величины.

3.1. Составляем пропорцию для раствора 1:

128,3 г раствора содержат 28,3 г растворенного вещества;

1026,4 г раствора содержат х г растворенного вещества.

х = (1026,4 28.3) : 128,3 = 226,4 г

Данные заносим в таблицу.

3.2. Высчитываем массу растворителя в истинном растворе 1.

т ( ) . = 1026,4 - 226,4 =

(растворителя) ист. раствора 1

= 800,0 г

4. Записываем схему образования кристаллогидрата соли:

Ыа2Б04 + 10 Н20 = №2Б0^10Н20

5. Находим относительные молекулярные массы веществ по схеме:

М(Ыа2Б04) = 142 г/моль;

М(Н20) = 18 г/моль; Мг (Н20) = 180 г;

М(Ыа2Б04^10Н20) = 322 г/моль.

Из уравнения реакции следует, что для образования кристаллогидрата неизвестной массой потребуется сульфат натрия массой а г и вода массой (180 -а):142 = 1,27а г.

Следовательно, т = а г

т

т . . = 1,27а г

6. Находим массу вещества и массу растворителя оставшихся в истинном растворе 2.

- т

т

т (раств. вещества) ис. р-ра 2 т (раств. вещества) ист. р-ра 1-

- т

= (800,0 - 1,27а) г

(вещества в осадке крист.) т (растворителя) ист. раствора 2

т = (226,4 - а) г

(раств. вещества) ис. р-ра 2

Заносим данные в таблицу.

7. Согласно правилу пропорций при одинаковой температуре мы можем рассчитывать в растворах необходимые величины:

9,0 г вещества растворено в 100 г растворителя;

(226,4 - а) г вещества растворено в (800,0 -1,27 а) г растворителя.

Составляем уравнение:

9 •

7200 - 11,43а = 22640 - 100 а

88,57а = 15 440

а = 174,3

8. Следовательно, производим расчет всех необходимых величин (см. п. 5):

т . . = а г

т . . = 1,27а г

(воды в осадке крист.) т(осадке крист.) = т(вещества в осадке крист.) + т(воды в осадке крист.) =

- а г + 1,27а г = 174,3 + 1,27 -174,3 = 395,7 г

Ответ: масса кристаллогидрата, выпавшего в осадок, равна 395,7 г.

На наш взгляд, необходимо привести несколько аналогичных задач по теме «Растворимость и кристаллизация осадка из раствора», которые учителя и преподаватели смогут использовать в своей работе.

Задача 3. Взяв 150 г воды, приготовили насыщенный раствор соли дихромата калия при 80 °С, затем его охладили до 20 °С, при этом коэффициент растворимости К2Сг207 равен 12,5 г при 20 °С и 73 г при 80 °С. Рассчитайте массу выпавшего осадка соли.

Задача 4. Рассчитайте массу выкристаллизованной соли при охлаждении раствора массой 800 г с 80 °С до 20 °С, если коэффициент растворимости нитрата серебра (I) равен 228 г при 20 °С и 635 г при 80 °С.

Задача 5. Какая масса кристаллогидрата сульфата алюминия Л!2(Б04)3^18Н20 выкристаллизуется, если 1134 г насыщенного при t = 100 °С раствора (растворимость безводной соли 89 г) охладить до t = 20 °С (растворимость безводной соли 36,2 г)?

Задача 6. Какая масса кристаллогидрата хлорида меди СиС!2^2Н20 выкристаллизуется, если 1050 г насыщенного при t = 100 °С раствора (растворимость безводной соли 110 г) охладить до 20 °С (растворимость безводной соли 72,7 г)?

Как научить школьников решать химические задачи - одна из наиболее сложных педагогических проблем. Сложность ее объясняется тем, что невозможно найти и определить общий метод (алгоритм), овладение которым гарантировало бы решение задачи по химии любой сложности. Очень часто наблюдается погоня за количеством решения задач, а не за качеством, некоторые учителя считают: чем больше учащиеся решают задач, тем лучше. Для того, чтобы сформировать у учащихся обобщенное умение решать задачи, необходимо знать принципы их решения. Как показывают наблюдения, ученик не знает, с чего начать, за что ухватиться, к чему идти в процессе решения задач по химии. Надеемся, что предложенная нами технология обучения решению расчетных задач вызовет интерес у наших коллег и поможет ученикам в овладении навыков решения расчетных задач, связанных с растворимостью и кристаллизацией.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ

1. Мануйлов А. В., Родионов В. И. Основы химии для детей и взрослых: учеб. пособие. -Новосибирск: НГУ; М.: Центрполиграф, 1998. - 350 с.

2. Глинка Н. Л. Задачи и упражнения по общей химии: учеб. пособие для вузов. - Изд. стер. (23-му). - М.: Интеграл-Пресс, 2005. - 240 с.

REFERENCES

1. Manuylov A. V., Rodionov V. I. Osnovy khimii dlya detey I vzroslykh: ucheb. posobie. Novosibirsk: NGU; Moscow: Tsentrpoligraf, 1998. 350 p.

2. Glinnka N. L. Zadachi I uprazhneniya po obsh-chey khimii. Moscow: Integral Press, 2005. 240 p.

Нелюбина Елена Георгиевна, кандидат педагогических наук, доцент кафедры химии, географии и методики их преподавания Поволжской государственной социально-гуманитарной академии e-mail: nelena2001@mail.ru

Nelubina E. G., PhD in Education, Associate Professor, Chemistry, Geography and Methods of their teaching Department, Volga State Academy of Social Sciences and Humanities e-mail: nelena2001@mail.ru

Сафина Лилия Галимзановна, кандидат педагогических наук, доцент кафедры химии, географии и методики их преподавания Поволжской государственной социально-гуманитарной академии e-mail: safina.liliya@pgsga.ru

Safina L. G., PhD in Education, Associate Professor, Chemistry, Geography and Methods of their teaching Department, Volga State Academy of Social Sciences and Humanities, e-mail: safina.liliya@pgsga.ru