Алгоритмы решения задач по химии. Как найти массу вещества

Абсолютно чистых веществ не бывает, любое всегда содержит какое-то количество примесей. Это содержание может быть весьма большим, может быть очень малым, но примеси все равно есть. А можно ли найти массу чистого вещества ?

Инструкция

Согласно принятым нормам, любая химическая продукция, выпущенная на государственных или частных предприятиях, должна иметь сертификат качества, в котором указано процентное содержание основного вещества и наиболее значимых примесей. Это определяется лабораторным путем с помощью методов качественного и количественного анализа. Сертификат прилагается к любой конкретной партии продукции, а его основные показатели должны быть отражены на каждой единице упаковки.
Например, хорошо известная поваренная соль - хлористый натрий. Покупая упаковку марки «Экстра» массой 1 килограмм, сколько чистой соли вы приобретаете? Посмотрите на информацию с упаковки. Если содержание основного вещества 99,7%, это очень хороший показатель, что неудивительно, поскольку «экстра» означает высокую степень очистки. Следовательно, чистого вещества в единице упаковки содержится: 1000*0,997=997 грамм. Остальные три грамма распределятся между различными примесями. Разумеется, в других, менее очищенных сортах поваренной соли, содержание чистого вещества будет ниже.
Или вот задача, которая наверняка заинтересует прекрасный пол. Предположим, имеется золотое кольцо 585-й пробы, массой 20 грамм. Сколько чистого золота оно содержит? Дать ответ на этот вопрос очень просто, достаточно лишь вспомнить, каков смысл понятия «проба». В России ее величина указывает, какова доля чистого благородного металла в 1000 весовых долей изделия. Следовательно, 585-я проба соответствует концентрации, равной 58,5%. Произведите вычисление в одно действие: 20*0,585=11,7 грамма. Именно столько чистого золота содержится в кольце.
А как быть, к примеру, если кольцо работы английского мастера, и весит те же 20 грамм, но на клейме вместо пробы указано что-то непонятное - «18К»? Как в таком случае найти количество чистого золота в изделии? И тут нет абсолютно ничего сложного. Дело в том, что в Великобритании принята «каратная» шкала чистоты благородных металлов. Наивысшей теоретически, 100% концентрации, соответствует 24 карата. Тогда изделие было бы промаркировано «24К». Раз стоит клеймо «18К», это значит, что в изделии 18 весовых частей золота, и 6 весовых частей примесей. Разделите: 18/24=0,75. Изделие соответствует вашей 750-й пробе. Произведите вычисление: 20*0,75=15 грамм. Вот сколько чистого золота содержится в этом кольце.

Окружающее нас пространство наполнено разными физическими телами, которые состоят из разных веществ с различной массой. Школьные курсы химии и физики, ознакомляющие с понятием и методом нахождения массы вещества, прослушали и благополучно забыли все, кто учился в школе. Но между тем теоретические знания, приобретенные когда-то, могут понадобиться в самый неожиданный момент.

Вычисление массы вещества с помощью удельной плотности вещества. Пример – имеется бочка на 200 литров. Нужно заполнить бочку любой жидкостью, скажем, светлым пивом. Как найти массу наполненной бочки? Используя формулу плотности вещества p=m/V, где p – удельная плотность вещества, m – масса, V – занимаемый объем, найти массу полной бочки очень просто:

Меры объемов – кубические сантиметры, метры. То есть бочка на 200 литров имеет объем 2 м³.
Мера удельной плотности находится с помощью таблиц и является постоянной величиной для каждого вещества. Измеряется плотность в кг/м³, г/см³, т/м³. Плотность пива светлого и других алкогольных напитков можно посмотреть на сайте . Она составляет 1025,0 кг/м³.
Из формулы плотности p=m/V => m=p*V: m = 1025,0 кг/м³* 2 м³=2050 кг.

Бочка объемом 200 литров, полностью наполненная светлым пивом, будет иметь массу 2050 кг.

Нахождение массы вещества с помощью молярной массы. M (x)=m (x)/v (x) – это отношение массы вещества к его количеству, где M (x) – это молярная масса X, m (x) – масса X, v (x) – количество вещества X. Если в условии задачи прописывается только 1 известный параметр – молярная масса заданного вещества, то нахождение массы этого вещества не составит труда. Например, необходимо найти массу йодида натрия NaI количеством вещества 0,6 моль.

Молярная масса исчисляется в единой системе измерений СИ и измеряется в кг/моль, г/моль. Молярная масса йодида натрия – это сумма молярных масс каждого элемента: M (NaI)=M (Na)+M (I). Значение молярной массы каждого элемента можно вычислить по таблице, а можно с помощью онлайн-калькулятора на сайте : M (NaI)=M (Na)+M (I)=23+127=150 (г/моль).
Из общей формулы M (NaI)=m (NaI)/v (NaI) => m (NaI)=v (NaI)*M (NaI)= 0,6 моль*150 г/моль=90 грамм.

Масса йодида натрия (NaI) с массовой долей вещества 0,6 моль составляет 90 грамм.

Нахождение массы вещества по его массовой доле в растворе. Формула массовой доли вещества ω=*100%, где ω – массовая доля вещества, а m (вещества) и m (раствора) – массы, измеряемые в граммах, килограммах. Общая доля раствора всегда принимается за 100%, иначе будут погрешности в вычислении. Несложно из формулы массовой доли вещества вывести формулу массы вещества: m (вещества)=[ω*m (раствора)] /100%. Однако есть некоторые особенности изменения состава раствора, которые нужно учитывать при решении задач на эту тему:

Разбавление раствора водой. Масса вещества растворенного X не изменяется m (X)=m’(X). Масса раствора увеличивается на массу добавленной воды m’ (р)=m (р)+m (H 2 O).
Выпаривание воды из раствора. Масса растворенного вещества X не изменяется m (X)=m’ (X). Масса раствора уменьшается на массу выпаренной воды m’ (р)=m (р)-m (H 2 O).
Сливание двух растворов. Массы растворов, а также массы растворенного вещества X при смешивании складываются: m’’ (X)=m (X)+m’ (X). m’’ (р)=m (р)+m’ (р).
Выпадение кристаллов. Массы растворенного вещества X и раствора уменьшаются на массу выпавших кристаллов: m’ (X)=m (X)-m (осадка), m’ (р)=m (р)-m (осадка).

Алгоритм нахождения массы продукта реакции (вещества), если известен выход продукта реакции. Выход продукта находится по формуле η=*100%, где m (x практическая) – масса продукта х, которая получена в результате практического процесса реакции, m (x теоретическая) – рассчитанная масса вещества х. Отсюда m (x практическая)=[η*m (x теоретическая)]/100% и m (x теоретическая)=/η. Теоретическая масса получаемого продукта всегда больше практической, в связи с погрешностью реакции, и составляет 100%. Если в задаче не дается масса продукта, полученного в практической реакции, значит, она принимается за абсолютную и равна 100%.

Варианты нахождение массы вещества – небесполезный курс школьного обучения, а вполне применяемые на практике способы. Каждый сможет без труда найти массу необходимого вещества, применяя вышеперечисленные формулы и пользуясь предлагаемыми таблицами. Для облегчения задания прописывайте все реакции, их коэффициенты.

Решение о необходимости ведения такой тетради пришло не сразу, а постепенно, с накоплением опыта работы.

Вначале это было место в конце рабочей тетради – несколько страниц для записи наиболее важных определений. Затем туда же были вынесены наиболее важные таблицы. Потом пришло осознание того, что большинству учеников для того, чтобы научиться решать задачи, необходимы строгие алгоритмические предписания, которые они, прежде всего, должны понять и запомнить.

Вот тогда и пришло решение о ведении, кроме рабочей тетради, еще одной обязательной тетради по химии – химического словаря. В отличие от рабочих тетрадей, которых может быть даже две в течение одного учебного года, словарь - это единая тетрадь на весь курс обучения химии. Лучше всего, если эта тетрадь будет иметь 48 листов и прочную обложку.

Материал в этой тетради мы располагаем следующим образом: в начале – наиболее важные определения, которые ребята выписывают из учебника или записывают под диктовку учителя. Например, на первом уроке в 8-м классе это определение предмета “химия”, понятие “химические реакции”. В течение учебного года в 8-м классе их накапливается более тридцати. По этим определениям на некоторых уроках я провожу опросы. Например, устный вопрос по цепочке, когда один ученик задает вопрос другому, если тот ответил правильно, значит, уже он задает вопрос следующему; или, когда одному ученику задают вопросы другие ученики, если он не справляется с ответом, значит, отвечают сами. По органической химии это в основном определения классов органических веществ и главных понятий, например, “гомологи”, “изомеры” и др.

В конце нашей справочной тетради представлен материал в виде таблиц и схем. На последней странице располагается самая первая таблица “Химические элементы. Химические знаки”. Затем таблицы “Валентность”, “Кислоты”, “Индикаторы”, “Электрохимический ряд напряжений металлов”, “Ряд электроотрицательности”.

Особенно хочу остановиться на содержании таблицы “Соответствие кислот кислотным оксидам”:

Соответствие кислот кислотным оксидам
Кислотный оксид		Кислота
Название	Формула	Название	Формула	Кислотный остаток, валентность
оксид углерода (II)	CO 2	угольная	H 2 CO 3	CO 3 (II)
оксид серы (IV)	SO 2	сернистая	H 2 SO 3	SO 3 (II)
оксид серы (VI)	SO 3	серная	H 2 SO 4	SO 4 (II)
оксид кремния (IV)	SiO 2	кремниевая	H 2 SiO 3	SiO 3 (II)
оксид азота (V)	N 2 O 5	азотная	HNO 3	NO 3 (I)
оксид фосфора (V)	P 2 O 5	фосфорная	H 3 PO 4	PO 4 (III)

Без понимания и запоминания этой таблицы затрудняется составление учениками 8-х классов уравнений реакций кислотных оксидов со щелочами.

При изучении теории электролитической диссоциации в конце тетради записываем схемы и правила.

Правила составления ионных уравнений:

1. В виде ионов записывают формулы сильных электролитов, растворимых в воде.

2. В молекулярном виде записывают формулы простых веществ, оксидов, слабых электролитов и всех нерастворимых веществ.

3. Формулы малорастворимых веществ в левой части уравнения записывают в ионном виде, в правой – в молекулярном.

При изучении органической химии записываем в словарь обобщающие таблицы по углеводородам, классам кислород - и азотсодержащих веществ, схемы по генетической связи.

Физические величины
Обозначение	Название	Единицы	Формулы
	количество вещества	моль	= N / N A ; = m / М; V / V m (для газов)
N A	постоянная Авогадро	молекулы, атомы и другие частицы	N A = 6,02 10 23
N	число частиц	молекулы, атомы и другие частицы	N = N A
M	молярная масса	г/моль, кг/кмоль	M = m / ; / М/ = М r
m	масса	г, кг	m = M ; m = V
V m	молярный объём газа	л / моль, м 3 /кмоль	Vm = 22,4 л / моль=22,4 м 3 /кмоль
V	объём	л, м 3	V = V m (для газов) ;
	плотность	г / мл;	= m / V; M / V m (для газов)

За 25 – летний период преподавания химии в школе мне пришлось работать по разным программам и учебникам. При этом всегда удивляло то, что практически ни один учебник не учит решать задачи. В начале изучения химии для систематизации и закрепления знаний в словаре мы с учениками составляем таблицу “Физические величины” с новыми величинами:

При обучении учащихся способам решения расчётных задач очень большое значение придаю алгоритмам. Я считаю, что строгие предписания последовательности действий позволяют слабому ученику разобраться в решении задач определённого типа. Для сильных учеников - это возможность выхода на творческий уровень своего дальнейшего химического образования и самообразования, так как для начала нужно уверенно овладеть сравнительно небольшим числом стандартных приёмов. На базе этого разовьётся умение правильно их применять на разных стадиях решения более сложных задач. Поэтому алгоритмы решения расчётных задач составлены мною для всех типов задач школьного курса и для факультативных занятий.

Приведу примеры некоторых из них.

Алгоритм решения задач по химическим уравнениям.

1. Записать кратко условие задачи и составить химическое уравнение.

2. Над формулами в химическом уравнении надписать данные задачи, под формулами пописать число моль (определяют по коэффициенту).

3. Найти количество вещества, масса или объём которого даны в условии задачи, по формулам:

M / M; = V / V m (для газов V m = 22,4 л / моль).

Полученное число надписать над формулой в уравнении.

4. Найти количество вещества, масса или объём которого неизвестны. Для этого провести рассуждение по уравнению: сравнить число моль по условию с числом моль по уравнению. При необходимости составить пропорцию.

5. Найти массу или объём по формулам: m = M ; V = V m .

Данный алгоритм – это основа, которую должен освоить ученик, чтобы в дальнейшем он смог решать задачи по уравнениям с различными усложнениями.

Задачи на избыток и недостаток.

Если в условии задачи известны количества, массы или объёмы сразу двух реагирующих веществ, то это задача на избыток и недостаток.

При её решении:

1. Нужно найти количества двух реагирующих веществ по формулам:

M /M; = V/V m .

2. Полученные числа моль надписать над уравнением. Сравнив их с числом моль по уравнению, сделать вывод о том, какое вещество дано в недостатке.

3. По недостатку производить дальнейшие расчёты.

Задачи на долю выхода продукта реакции, практически полученного от теоретически возможного.

По уравнениям реакций проводят теоретические расчёты и находят теоретические данные для продукта реакции: теор. , m теор. или V теор. . При проведении реакций в лаборатории или в промышленности происходят потери, поэтому полученные практические данные практ. ,

m практ. или V практ. всегда меньше теоретически рассчитанных данных. Долю выхода обозначают буквой (эта) и рассчитывают по формулам:

(эта) = практ. / теор. = m практ. / m теор. = V практ. / V теор.

Выражают её в долях от единицы или в процентах. Можно выделить три типа задач:

Если в условии задачи известны данные для исходного вещества и доля выхода продукта реакции, при этом нужно найти практ. , m практ. или V практ. продукта реакции.

Порядок решения:

1. Произвести расчёт по уравнению, исходя из данных для исходного вещества, найти теор. , m теор. или V теор. продукта реакции;

2. Найти массу или объём продукта реакции, практически полученного, по формулам:

m практ. = m теор. ; V практ. = V теор . ; практ. = теор. .

Если в условии задачи известны данные для исходного вещества и практ. , m практ. или V практ. полученного продукта, при этом нужно найти долю выхода продукта реакции.

Порядок решения:

1. Произвести расчёт по уравнению, исходя из данных для исходного вещества, найти

Теор. , m теор. или V теор. продукта реакции.

2. Найти долю выхода продукта реакции по формулам:

Практ. / теор. = m практ. / m теор. = V практ. /V теор.

Если в условии задачи известны практ. , m практ. или V практ. полученного продукта реакции и доля выхода его, при этом нужно найти данные для исходного вещества.

Порядок решения:

1. Найти теор., m теор. или V теор. продукта реакции по формулам:

Теор. = практ. / ; m теор. = m практ. / ; V теор. = V практ. / .

2. Произвести расчёт по уравнению, исходя из теор. , m теор. или V теор. продукта реакции и найти данные для исходного вещества.

Конечно, эти три типа задач мы рассматриваем постепенно, отрабатываем умения решения каждого из них на примере целого ряда задач.

Задачи на смеси и примеси.

Чистое вещество – это то, которого в смеси больше, остальное – примеси. Обозначения: масса смеси – m см., масса чистого вещества – m ч.в., масса примесей – m прим. , массовая доля чистого вещества - ч.в.

Массовую долю чистого вещества находят по формуле: ч.в. = m ч.в. / m см. , выражают её в долях от единицы или в процентах. Выделим 2 типа задач.

Если в условии задачи дана массовая доля чистого вещества ил массовая доля примесей, значит, при этом дана масса смеси. Слово “технический” тоже означает наличие смеси.

Порядок решения:

1. Найти массу чистого вещества по формуле: m ч.в. = ч.в. m см.

Если дана массовая доля примесей, то предварительно нужно найти массовую долю чистого вещества: ч.в. = 1 - прим.

2. Исходя из массы чистого вещества, производить дальнейшие расчёты по уравнению.

Если в условии задачи дана масса исходной смеси и n , m или V продукта реакции, при этом нужно найти массовую долю чистого вещества в исходной смеси или массовую долю примесей в ней.

Порядок решения:

1. Произвести расчёт по уравнению, исходя из данных для продукта реакции, и найти n ч.в. и m ч.в.

2. Найти массовую долю чистого вещества в смеси по формуле: ч.в. = m ч.в. / m см. и массовую долю примесей: прим. = 1 - ч.в

Закон объёмных отношений газов.

Объёмы газов относятся так же, как их количества веществ:

V 1 / V 2 = 1 / 2

Этот закон применяют при решении задач по уравнениям, в которых дан объём газа и нужно найти объём другого газа.

Объёмная доля газа в смеси.

Vг / Vсм, где (фи) – объёмная доля газа.

Vг – объём газа, Vcм – объём смеси газов.

Если в условии задачи даны объёмная доля газа и объём смеси, то, прежде всего, нужно найти объём газа: Vг = Vсм.

Объём смеси газов находят по формуле: Vсм = Vг / .

Объём воздуха, затраченный на сжигание вещества, находят через объём кислорода, найденный по уравнению:

Vвозд. = V(О 2) / 0,21

Вывод формул органических веществ по общим формулам.

Органические вещества образуют гомологические ряды, которые имеют общие формулы. Это позволяет:

1. Выражать относительную молекулярную массу через число n.

M r (C n H 2n + 2) = 12 n + 1 (2n + 2) = 14n + 2.

2. Приравнивать M r , выраженную через n, к истинной M r и находить n.

3. Составлять уравнения реакций в общем виде и производить по ним вычисления.

Вывод формул веществ по продуктам сгорания.

1. Проанализировать состав продуктов сгорания и сделать вывод о качественном составе сгоревшего вещества: Н 2 О -> Н, СО 2 -> С, SO 2 -> S, P 2 O 5 -> P, Na 2 CO 3 -> Na, C.

Наличие кислорода в веществе требует проверки. Обозначить индексы в формуле через x, y, z. Например, СxНyОz (?).

2. Найти количество веществ продуктов сгорания по формулам:

n = m / M и n = V / Vm.

3. Найти количества элементов, содержавшихся в сгоревшем веществе. Например:

n (С) = n (СО 2), n (Н) = 2 ћ n (Н 2 О), n (Na) = 2 ћ n (Na 2 CO 3), n (C) = n (Na 2 CO 3) и т.д.

4. Если сгорело вещество неизвестного состава, то обязательно нужно проверить, содержался ли в нём кислород. Например, СxНyОz (?), m (O) = m в–ва – (m (C) + m(H)).

b) если известна относительная плотность: М 1 = D 2 М 2 , M = D H2 2, M = D O2 32,

M = D возд. 29, М = D N2 28 и т.д.

1 способ: найти простейшую формулу вещества (см. предыдущий алгоритм) и простейшую молярную массу. Затем сравнить истинную молярную массу с простейшей и увеличить индексы в формуле в нужное число раз.

2 способ: найти индексы по формуле n = (э) Mr / Ar(э).

Если неизвестна массовая доля одного из элементов, то её нужно найти. Для этого из 100 % или из единицы вычесть массовую долю другого элемента.

Постепенно в курсе изучения химии в химическом словаре происходит накопление алгоритмов решения задач разных типов. И ученик всегда знает, где ему найти нужную формулу или нужные сведения для решения задачи.

Многим учащимся нравится ведение такой тетради, они сами дополняют её различными справочными материалами.

Что касается факультативных занятий, то мы с учениками тоже заводим отдельную тетрадь для записи алгоритмов решения задач, выходящих за рамки школьной программы. В этой же тетради для каждого типа задач записываем 1-2 примера, остальные задачи они решают уже в другой тетради. И, если вдуматься, то среди тысяч разных задач, встречающихся на экзамене по химии во всех ВУЗах, можно выделить задачи 25 – 30 различных типов. Конечно, среди них – множество вариаций.

В разработке алгоритмов решения задач на факультативных занятиях мне во многом помогло пособие А.А. Кушнарёва. (Учимся решать задачи по химии, - М., Школа – пресс, 1996).

Умение решать задачи по химии это основной критерий творческого усвоения предмета. Именно через решение задач различных уровней сложности может быть эффективно усвоен курс химии.

Если ученик имеет чёткое представление о всех возможных типах задач, прорешал большое количество задач каждого типа, то ему по силам справиться со сдачей экзамена по химии в виде ЕГЭ и при поступлении в вузы.

Массовая доля — один из важных параметров, который активно используется для расчетов и не только в химии. Приготовление сиропов и рассолов, расчет внесения удобрений на площадь под ту или иную культуру, приготовление и назначение лекарственных препаратов. Для всех этих расчетов нужна массовая доля. Формула для ее нахождения будет дана ниже.

В химии она рассчитывается:

для компонента смеси, раствора;
для составной части соединения (химического элемента);
для примесей к чистым веществам.

Раствор — это тоже смесь, только гомогенная.

Массовая доля — это отношение массы компонента смеси (вещества) ко всей его массе. Выражают в обычных числах или в процентах.

Формула для нахождения такая:

𝑤 = (m (сост. части) · m (смеси, в-ва)) / 100% .

Массовая доля химического элемента в веществе находится по отношению атомной массы химического элемента, умноженной на количество его атомов в этом соединении, к молекулярной массе вещества.

Например, для определения w кислорода (оксигена) в молекуле углекислого газа СО2 вначале найдем молекулярную массу всего соединения. Она составляет 44. В молекуле содержится 2 атома кислорода. Значит w кислорода рассчитываем так:

w(O) = (Ar(O) · 2) / Mr(СО2)) х 100%,

w(O) = ((16 · 2) / 44) х 100% = 72,73%.

Аналогичным образом в химии определяют, например, w воды в кристаллогидрате — комплексе соединения с водой. В таком виде в природе находятся многие вещества в минералах.

Например, формула медного купороса CuSO4 · 5H2O. Чтобы определить w воды в этом кристаллогидрате, нужно в уже известную формулу подставить, соответственно, Mr воды (в числитель) и общую m кристаллогидрата (в знаменатель). Mr воды 18, а всего кристаллогидрата — 250.

w(H2O) = ((18 · 5) / 250) · 100% = 36%

Нахождение массовой доли вещества в смесях и растворах

Массовая доля химического соединения в смеси или растворе определяется по той же формуле, только в числителе будет масса вещества в растворе (смеси), а в знаменателе — масса всего раствора (смеси):

𝑤 = (m (в-ва) · m (р-ра)) / 100% .

Следует обратить внимание , что массовая концентрация — это отношение массы вещества к массе всего раствора , а не только растворителя.

Например, растворили 10 г поваренной соли в 200 г воды. Нужно найти процентную концентрацию соли в полученном растворе.

Для определения концентрации соли нам нужна m раствора. Она составляет:

m (р-ра) = m (соли) + m (воды) = 10 + 200 = 210 (г).

Находим массовую долю соли в растворе:

𝑤 = (10 · 210) / 100% = 4,76%

Таким образом, концентрация поваренной соли в растворе составит 4,76%.

Если в условии задачи дается не m , а объем раствора, то его нужно перевести в массу. Делается это обычно через формулу для нахождения плотности:

где m — масса вещества (раствора, смеси), а V — его объем.

Такую концентрацию используют чаще всего. Именно ее имеют в виду (если нет отдельных указаний), когда пишут о процентном содержании веществ в растворах и смесях.

В задачах часто дается концентрация примесей в веществе или вещества в его минералах. Следует обратить внимание на то, что концентрация (массовая доля) чистого соединения будет определяться путем вычитания из 100% доли примеси.

Например, если говорится, что из минерала получают железо, а процент примесей 80%, то чистого железа в минерале 100 — 80 = 20%.

Соответственно, если написано, что в минерале содержится только 20% железа, то во все химические реакции и в химическом производстве будут участвовать именно эти 20%.

Например , для реакции с соляной кислотой взяли 200 г природного минерала, в котором содержание цинка 5%. Для определения массы взятого цинка пользуемся той же формулой:

𝑤 = (m (в-ва) · m (р-ра)) / 100% ,

из которой находим неизвестную m раствора:

m (Zn) = (w · 100%) / m (минер.)

m (Zn) = (5 · 100) / 200 = 10 (г)

То есть, в 200 г взятого для реакции минерала содержится 5% цинка.

Задача . Образец медной руды массой 150 г содержит сульфид меди одновалентной и примеси, массовая доля которых составляет 15%. Вычислите массу сульфида меди в образце .

Решение задачи возможно двумя способами. Первый — это найти по известной концентрации массу примесей и вычесть ее из общей m образца руды. Второй способ — это найти массовую долю чистого сульфида и по ней уже рассчитать его массу. Решим обоими способами.