Методические рекомендации по решению заданий повышенной

Методические рекомендации по решению заданий повышенной
сложности по химии
Доронина М.И.,
учитель химии высшей категории
Решение задач в курсе химии всегда относилось к очень важной
части ее понимания. Но на сегодняшний день в общеобразовательной
программе этому отведено достаточно мало времени. А в программе
гуманитарных классов часы на решение задач удалены вообще. Программа
подготовки к ЕГЭ тоже не предусматривает глубокого рассмотрения этого
вопроса.
На самом же деле владение методикой решения задач, в том числе
углубленного цикла, очень важно для полного овладения программой
химии, более глубинного представления о процессах и реакциях. В
олимпиадах
разного уровня, в том числе и межвузовских, кроме
теоретических вопросов, дается достаточно большое количество расчетных и
качественных задач. Внутренние вступительные зкзамены по химии в
медицинские ВУЗы, на химический факультет МГУ предусматривают умение
абитуриентов решать задания различной сложности, в том числе и те,
которые значительно выходят за рамки обычной школьной программы.
Методику решения некоторых вариантов расчетных задач
органической и неорганической химии предлагаю к рассмотрению.
по
Для примера приводится методика решения следующих задач:
1. Тема « Сера и ее соединения»
Задача №1.
Насыщенный при 20 градусах водный раствор некоторой соли, представляющей
собой сульфат двухвалентного металла, имеет массовую долю 0,39. Когда к этому
раствору, взятому в достаточном количестве, добавили 4,5г. той же безводной
соли, то в осадок выпало 11,6г. пятиводного кристаллогидрата. Установите
формулу соли.
Решение
При добавлении к насыщенному раствору безводной соли происходит связывание
воды этой солью и масса несвязанной воды уменьшается, поэтому из раствора
выпадает осадок кристаллогидрата. Раствор снова становится насыщенным, а т.к.
температура не изменялась, то и массовая доля безводной соли в нем не
изменилась. Введем следующие обозначения:
Х – молярная масса металла,
У – масса растворенной безводной соли в насыщенном растворе,
Z – масса насыщенного раствора.
При тех действиях, которые описаны в задаче, изменяются обе величины,
позволяющие вычислить массовую долю растворенного вещества.
1. Находим новую массу безводной соли в насыщенном растворе после
выпадения осадка
m(MeSO4 ) = y + 4,5 – (11,6 . (х + 96) : (х + 186)
Где (Х+96) – это молярная масса безводной соли, а (Х+186) – это молярная
масса пятиводного кристаллогидрата этой соли.
2. Находим новую массу раствора
M(раствора)=Z + 4,5 – 11,6 = Z – 7,1
Несмотря на то, что обе величины изменились, массовая доля растворенного
вещества в этом растворе равна 0,39. На этом основании можно записать
выражение:
у : х =( у +4,5 – 11,6. (х +96) : (х + 186) ) : (z -7,1)
Найдя Х из этого выражения, получаем Х= 55,12. Следовательно этот элемент –
марганец и формула соли MnSO4 .5H2O
Задача №2.
Сульфид металла массой 4,4 г. имеет формулу MeS (металл может проявлять степень
окисления +2 и +3), его подвергли обжигу в избытке кислорода. Твердый остаток
растворили в строго необходимом количестве 37,8% - ной азотной кислоты. Массовая
доля соли в полученном растворе – 41,7%. При охлаждении этого раствора выпало 8,08г.
кристаллогидрата, а массовая доля соли снизилась до 34,7%. Установите формулу
кристаллогидрата.
На основании условия задачи записываем уравнения реакций
4 MeS + 7 O2 = 2 Me2 O3 + 4SO2
(1)
Me2O3 + 6 HNO3 = 2 Me (NO3)3 + 3H2O
(2)
Вводим обозначения: Х – молярная масса неизвестного металла,
У – количество вещества сульфида металла,
Тогда молярная масса сульфида (Х + 32)
По уравнению реакции (1) количество вещества оксида металла в два раза меньшее, чем
сульфида, т.е. 0,5У , а азотной кислоты по уравнению (2) в шесть раз больше, чем оксида,
т.е. 3У
1.Находим количество вещества для сульфида металла
У=4,4/(Х+32) моль
2.Находим массу азотной кислоты, пошедшей на растворение оксида металла
М(HNO3) = 63г/моль
M(HNO3) = n(HNO3) . M(HNO3) = 3У.63 г.
3.Находим массу 37,8%-ного раствора азотной кислоты, пошедшего на растворение
оксида металла
m( раствора HNO3 ) = 3y .63/0,378 = 500y г.
Общая масса раствора после растворения оксида металла складывается из их масс.
Находим массу оксида:
m ( оксида) = n (оксида) .М (оксида)
n (оксида) = 2х = 48 г/моль
4.Находим массу раствора соли
m(раствора соли) = 500у + 0,5у. (2х + 48) = у (х + 524 ) г.
5.Находим массу соли в растворе
M (соли) = х + 186 г/моль
m (соли) = у (х + 186)г.
По условию задачи массовая доля соли в растворе в растворе равна 0,417, что позволяет
записать следующее выражение:
0,417 = у ( х + 186 ) : у ( х + 524)
Откуда Х= 56 – это железо, и формула сульфида - FeS , формула оксида – Fe2O3
Формула соли – Fe(NO3)3
После того как мы нашли формулы веществ, можно вычислить все недостающие
величины:
6.Находим количество вещества сульфида железа
п (FeS )= m (FeS) : M (FeS) = 4,4 : 88 = 0,05 моль
7.Находим массу нитрата железа (3) в растворе
m ( Fe (NO3 )3 = 0,05.242 = 12,1г.
8.Находим массу раствора соли
m( раствора) =m (соли) : w (соли) = 12,1 : 0,417 = 29г.
При охлаждении раствора из него выпадает 8,08 г. кристаллогидрата нитрата железа(3) и
масса раствора становится меньше на эту величину.
9.Находим массу раствора после выпадения осадка
m1(раствора) = 29 – 8,08 = 20,92г.
10.Находим массу нитрата железа(3), в оставшемся растворе
m 1 (Fe(NO3)3 = 20.92.0,347 = 7,26г.
11.Находим массу нитрата железа(3), оказавшуюся в составе выпавшего кристаллогидрата
m2 (Fe(NO3)3) = 12.1 – 7,26 = 4,84 г.
Теперь можно определить формулу кристаллогидрата, т.к. известна его масса и масса
безводной соли в его составе.
12.Находим массу воды в составе кристаллогидрата.
m (H2O) = 8,08 – 4.84 = 3,24 г.
13.Находим количество вещества воды в составе кристаллогидрата
n (H2O) = 3,24 : 18 = 0,18 моль
Т.к. получено соотношение 0,05:0,18 или 1:9, формула кристаллогидрата – Fe(NO3)3 . 9H2O
Тема «Азот и его соединения»
Задача №3.
Хлорид аммония массой 42,8г. смешали с избытком гашеной извести и нагрели до
полного прекращения реакции. Собранный газ поместили в закрытый сосуд и нагрели
до 500 градусов. После нагревания газовая смесь была приведена к первоначальным
условиям, ее плотность по водороду равна 4,474. Определите массовые доли газов в
полученной смеси.
Записываем уравнения необходимых реакций:
2NH4CL + Ca (OH )2 = CaCl2 + 2NH3 + 2H2O
(1)
2NH3 = N2 + 3H2
(2)
1.Находим количество вещества хлорида аммония
n (NH4CL) = 42,8 : 53,5 = 0,8 моль
При нагревании до 500 градусов определенная часть аммиака подвергается разложению
и в системе устанавливается динамическое равновесие. Пусть х – это количество вещества
азота в уравнении реакции (2), тогда количество вещества водорода по уравнению
реакции – 3х, а израсходованного аммиака – 2х. Остаток аммиака в равновесной системе
составит: 0,8 – 2х
1. Находим молярную массу равновесной смеси
М (смеси) = D (Н2).М (Н2)
М (смеси) = 2 . 4,474 = 8,948 г/моль
Разложение аммиак производили в закрытом сосуде, следовательно масса всех
веществ до и после реакции равны.
2. Находим массу аммиака
m(NH3) = 0,8 . 17 = 13,6 г.
Общее количество всех веществ в смеси равно:
0,8 – 2х + х + 3х = 0,8 + 2х моль
Это количество вещества имеет массу 13,6г. Откуда следует, что
(0,8 + 2х ) моль имеет массу 13,6г.
1 моль смеси ----------8,948г.
откуда х = 0,36
Таким образом, равновесная смесь содержит: 0,36 моль азота,
1,08 моль водорода
( 0,8 – 2 . 0,36) = 0,08 моль аммиака
3. Находим массу газов в равновесной смеси
m(NH3) = 0,08 . 17 = 1,36г.
m(N2) = 0,36 . 28 = 10,08г.
m(H2) = 1,08 . 2 = 2,16г.
5.Находим массовые доли газов в равновесной смеси:
W(NH3) = 1,36 : 13,6 = 0,1 = 10%
W(N2) = 10,08 : 13,6 = 0,741 = 74,1%
W(H2) = 2,16 : 13,6 = 0,159 = 15,9%
Задача №4.
В 200г. 63% - ного раствора азотной кислоты растворяли медь до тех пор, пока раствор
не оказался 45,95% - ным по азотной кислоте. Затем этот раствор добавили к равному
по массе 11,95% - ому раствору сульфида натрия. Определите массовые доли веществ
в растворе после удаления черного осадка.
По условию задачи составляем уравнение реакции меди с конц. азотной кис- лотой :
Cu + 4 HNO3 = Cu (NO3) + NO2 + 2 H2O
Полученный нитрат меди дает с сульфидом натрия нерастворимый в азотной кислоте
осадок сульфида меди(2) черного цвета:
Cu (NO3)2 + Na2S = CuS + 2 NaNO3
1.Находим массу азотной кислоты в растворе
m(HNO3) = 200 . 0,63 = 126г.
2.Находим количество вещества азотной кислоты
n(HNO3) = 126 : 63 = 2моль
Пусть в реакцию вступает х моль меди, тогда по уравнению реакции расходуется 4х
моль азотной кислоты и выделяется 2х моль оксида азота(4). Масса раствора,
получившегося при растворении меди равна:
m (конечногораствора)
диоксида азота)
=m( исходного раствора) + m(меди) –m( выделившегося
m(раствора) = 200 + 64х – 2х . 46
Новая массовая доля азотной кислоты в растворе позволяет вычислить количество
вещества меди.
3.Находим количество вещества меди, вступившей в реакцию
0,4505 = 126 – 4х . 63 : (200 – 28х)
х = 0,15 моль
4.Находим массу раствора, получившегося после растворения меди :
(раствора) = 200 + 0,15 . 64 – 0,3 . 46 = 195,8 г.
5.Находим массу, а затем количество вещества сульфида натрия:
m(Na2S) = m раствора . W(Na2S) = 195,8 . 0,1195 = 23,4 г.
n(Na2S) = m (Na2S)/ M (Na2S) = 23,4 : 78 = 0,3 моль
В реакцию с нитратом меди вступает 0,15 моль сульфида натрия, следовательно, в
растворе остается непрореагировавшим 0,3 – 0,15 = 0,15 моль сульфида натрия.
Количество вещества сульфида меди равно 0,15 моль, а нитрата натрия – 0,3 моль. В
растворе после отделения осадка еще содержится азотная кислота в количестве
2 – 0,6 = 1,4 моль.
Следовательно, возможно взаимодействие сульфида натрия с азотной кислотой по
уравнению
Na2S + 2HNO3 = H2S + 2NaNO3
c выделением сероводорода, растворимосью
которого в данных условиях можно пренебречь; количество вещества сероводорода
равно 0,15 моль, а нитрата натрия при этом получается 0,3 моль.
Общее количество нитрата натрия равно 0,6 моль, а остаток азотной кислоты –
1,4 – 0,3 = 1,1 моль
6. Находим массу выделившегося сероводорода:
m(H2S ) = 0,15 . 34 = 5,1г.
7. Находим массу конечного раствора:
m(р-ра) = 195,8 +195,8 – 0,15 . 96 – 5,1 = 372,1 г.
8. Находим массу оставшейся в растворе азотной кислоты:
m2(HNO3 ) = 1,1 . 63 = 69,3 г.
9. Находим массу нитрата натрия:
m(NaNO3 ) = 0,6 . 85 = 51 г.
10. Вычисляем массовые доли веществ в растворе:
W(HNO3 ) = 69,3 : 372,1 = 0,186 или 18,6%
W(NaNO3 ) = 51 : 372,1 = 0,137 или 13,7%
Тема «Алканы. Способы получения алканов.»
Задача №5.
Ацетат натрия массой 16,4 г. смешали с избытком сухого гидроксида натрия и нагрели.
Весь полученный газ пропустили через контактный аппарат при температуре 1500
градусов. Полученная при этом газовая смесь имела плотность по водороду 6,4.
Каковы объемные доли газов в смеси, полученной на выходе из контактного
аппарата?
Составляются необходимые уравнения реакций:
CH3COONa + NaOH = Na2CO3 + CH4
(1)
2CH4 = C2H2 + 3H2
(2)
Т.к. (1) реакция протекает количественно, а (2) не на 100%, становится ясно, что после
реакции возникает смесь метана, ацетилена и водорода.
1. Находим количество вещества ацетата натрия и метана
n(CH3COONa ) =n (CH4 ) = 16,4 : 82 = 0,2 моль
Примем, что в реакции (2) образовалось х моль ацетилена, тогда образовалось 3х
моль водорода, остаток метана составил 0,2 – 2х моль. В итоге количество вещества
полученной смеси равно : ( 0,2 – 2х + х + 3х = 0,2 – 2х) моль
По закону сохранения массы веществ масса полученной газовой смеси равна массе
метана и равна m(CH4 ) = 0,2 . 16 = 3,2 г.
3. Находим молярную массу полученной газовой смеси
М(смеси ) = 6,4 . 2 = 12,8 г.
Находим количество вещества полученной газовой смеси
п (смеси) = 3,2 : 12,8 = 0,25 моль
Находим количество вещества ацетилена
0,25 = 0,2 + 2х
х = 0,025 моль
Находим количество вещества метана
0,2 – 0,025 . 2 = 0,15 моль
Находим количество вещества водорода
0,025 . 3 = 0,075 моль
Находим объемные доли газов в полученной смеси. Они равны мольным
долям этих вешеств.
CH4 = 0,15 : 0.25 = 0,6
C2H2 = 0,025 : 0,25 = 0,1
H2 = 0,075 : 0,25 = 0.3
Задача №6.
При взаимодействии 1,59г. эквимолекулярной смеси этанола и неизвестного
одноатомного спирта с сухим бромоводородом было получено 3,48г. смеси
монобромпроизводных. Выведите молекулярную формулу неизвестного спирта.
C2H5OH + HBr = C2H5Br + H2O
CnH2n+1OH + HBr = CnH2n+1Br + H2O
Обозначим количество вещества этанола через хмоль, по условию задачи неизвестного
спирта было столько же – х моль.
Находим массы спиртов, составляющих исходную смесь
m(C2H6O) = 46x
m(CnH2n+1OH) = (14n + 18)x
следовательно, по условию задачи 1,59 = 46х +( 14п + 18)х
Находим массы бромпроизводных:
m(C2H5Br) = 109x
m(CnH2n+1Br) = (14n + 81)x
3,48 = 109х + (14п + 81)х
Решается полученная система из 2-х уравнений. При этом получается п = 3
Значит формула искомого спирта С3Н8О.