Примеры интегральных познавательных заданий по химии с решениями

Библиографическое описание статьи для цитирования:
Лямин А. Н. Примеры интегральных познавательных заданий по химии с решениями // Научно-методический электронный журнал «Концепт». – 2013. – № 11 (ноябрь). – С. 91–95. – URL: http://e-koncept.ru/2013/13231.htm.
Аннотация. Статья продолжает обсуждение вопросов оптимизации общего химического образования, затронутых в предыдущем выпуске журнала, посредством использования интегральных познавательных заданий при обучении школьников химии. В ней представлены некоторые примеры таких заданий с комментариями и решениями.
Раздел: Отдельные вопросы сферы образования
Комментарии
Нет комментариев
Оставить комментарий
Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы комментировать.
Текст статьи
Лямин Алексей Николаевич, кандидат педагогических наук, доцент КОГОАУ ДПО (ПК) «Институт развития образования Кировской области», г. Кировenimo@kirovipk.ru

Примеры интегральных познавательных заданий по химии

Аннотация.Статьяпродолжает обсуждение вопросовоптимизации общего химического образования, затронутых в предыдущем выпуске журнала,посредством использования интегральных познавательных заданий при обучении школьников химии. В ней представлены некоторые примеры таких заданий с комментариями и решениями. Ключевые слова: интегральные познавательные задания, метод кейсстади, предметныекомпетенции по химии, универсальные учебные действия.

В предыдущем выпуске научнометодического журнала «Концепт» были раскрыты основные теоретические аспекты и приведены примеры интегральных познавательных заданий разных типов, которые могут быть использованы при обучении химии в современной школе [1]. Ниже приводятся разнообразные примеры интегральных познавательных заданий по химии.1.ПрочтитестихотворениеАнны Ахматовой«Вечер».

Молюсь оконному лучу–Он бледен, тонок, прям.Сегодня я с утра молчу,А сердце–пополамНа рукомойнике моёмПозеленела медь,Но так играет луч на нём,Что весело глядеть.Такой невинный и простойВ вечерней тишине,Но в этой храмине пустойОн словно праздник золотойИ утешенье мне.

Дайте обоснованный ответ на вопрос:«Почему позеленела медь?»Возможный вариант решения.Медь, как и большинство металлов, в естественных условиях подвергается коррозии(см. табл. значений электроотрицательности). Образующаяся на меди в условиях влажного воздуха плёнка называется–патина. Окислительновосстановительный процесс образования патины можно описать следующим уравнением:

2.В медицине в качестве противорвотного средства применяют 0,5%ный водный раствор вещества, содержащего: 23,762%углерода, 5,940%водорода, 70,297%хлора и имеющего плотность паров по воздуху равную1,741379. Определите формулу этого вещества, составьте графическую формулу и дайте название веществу в соответствии с номенклатурой IUPAC.

Возможный вариант решения.

хлорметан

3.Согласно имеющимся оценкам,5%населения планеты носит на себе5млн.т лишнего жира. Сколько энергии заключено в таком количестве жира? Сколько людей в течение года можно кормить избыточно потреблёнными этой частью населения продуктами, если одному человеку в среднем в день нужно2656,34ккал энергии?Возможный вариант решения.

В течение года можно кормить 47млн. 959тыс. 696 человек.

4.Составьте графическую формулу вещества: карвон–компонент жевательной резинки и масла мяты, обусловливает запах тмина(5изопренил2метилциклогексен2он); дибунол–антиоксидант(2, 6дитретбутил4метилфенол).Возможный вариант решения.

карвон дибунол

5.В реакции этерификации, при очевидности кислотных свойств у карбоновой кислоты и, соответственно, основных свойств у спирта, по данным анализа с помощью меченых атомов, отрыв гидроксильной группы происходит именно у кислоты. Объясните этот факт, приведите уравнения реакций.Возможный вариант решения.Необходимо обратить внимание на то, что это равновесный процесс, катализируемый минеральными кислотами. Образующийся при диссоциации минеральной кислоты протон атакует карбоксильную группу,т.к. её электроотрицательность выше, чем у спиртовой группы:.В результате взаимодействия образуется реакционноспособный карбокатион, который атакует спирт по кислородному центру гидроксильной группы:

образующийся катионный комплекс является интермедиатом, а стадия является лимитирующей.Затем происходит быстрая перегруппировка с отщеплением воды и протона в количестве эквивалентном первой стадии процесса:

6.В100мл насыщенного при комнатной температуре раствора медного купороса всыпьте две столовые ложки поваренной соли. Раствор тщательно перемешайте. Затем в полученный раствор поместите тело из алюминия или его сплава(старая кухонная утварь из дюралюмина, фольга ит.п.). В течении3–5минут наблюдайте за состоянием системы, а затем обоснуйте происходящие в растворе явления.

Возможный вариант решения. Хлорид натрия в водном растворе способен взаимодействовать с тетраоксосульфатом(VI) меди(II) с образованием комплексного соединениятетрахлорокупрат(II) динатрия зелёного цвета:

при внесении в раствор алюминия или его сплава бурно выделяется водород и осаждается из раствора металлическая медь, а алюминий(сплав) растворяется:

7.Известно, что избыточное потребление сластей способствует развитию кариеса. Как это можно объяснить? Предложите способ защиты зубов, позволяющий любителям сластей не ограничивать себя в лакомстве.Возможный вариант решения. Сласти практически полностью состоят из углеводов; после употребления, которых в пищу, прилипшие во рту частички подвергаются ферментативному брожению:

спиртовое брожение

молочнокислое брожение

маслянокислое брожение

лимоннокислое брожение

уксуснокислое брожение

и легко окисляются до соответствующих кислот,которые в свою очередь активно разрушают зубную эмаль; самое простое и эффективное средство профилактики кариеса это полоскание ротовой полости водой после приёма пищи.

8.В походных условиях Вы оказались в ситуации, когда запас питьевой воды исчерпан, а до ближайшего населённого пункта далеко. Но есть природный источник воды. Предложите простой и эффективный способ экспрессдезинфекции природной воды, используя имеющиеся у Вас вещества и материалы.Возможный вариант решения.Впоходной аптечке, уважающего себя туриста, всегда найдётся раствор перекиси водорода и перманганат калия. Достаточно нескольких кристалликов марганцовки и произвольного количества раствора перекиси водорода, для того, чтобы образующийся атомарный кислород эффективно провёл дезинфекцию:;катализатор: MnO2

Заметим, что при разложении пероксида водорода образуется только кислород и вода, а продукт восстановления минимального количества перманганата калия–суспензия оксида марганца(IV) влияния на качество воды не окажет.

9.Для ухода за предметами личной гигиены(ополаскивание зубных щёток, бритвенных станков идр.)используют6%раствор пероксида водорода. Предложите пошаговую инструкцию приготовления 200мл такого раствора из лекарственного препарата–гидроперит(см. рис.).Возможный вариант решения. Гидроперит(H2N)2CO∙H2O2–клатрат аминометанамида (карбамида) с пероксидом диводорода; 200мл 6%раствора пероксида водорода содержат12г H2O2; В гидроперите ω(H2O2) =0,3617; В1таблетке содержится0,542553г пероксида водорода; Потребуется22 таблетки и 167г воды.Вы усомнились в качестве ювелирного изделия на предмет содержания в нём золота. Предложите наиболее простой экспрессспособ отличия золота от похожих серебряномедных и бериллиевых сплавов в домашних условиях, используя доступные вещества. Помните, что изделие не должно быть повреждено.Возможный вариант решения.Определить, в бытовых условиях, из золота ли изготовлено изделие, не нарушая при этом его, можно только по визуальным эффектам его реакции на какое либо воздействие. Физические методы воздействия в силу схожести физических свойств меди и золота малоэффективны. Золото, имея высокое значение электроотрицательности не может восстанавливать из растворов вещества с более низкими значениями электроотрицательности;т.е. необходим раствор, содержащий элемент с меньшимзначением электроотрицательности чем у золота, но с большим значением электроотрицательности чем у других элементов, образующих сплав. Из наиболее доступных, таким веществом может быть триоксонитрат(V) серебра(I)–ляпис, который можно приобрести в аптеке; если ляписный карандаш смочить и провести черту по поверхности исследуемого изделия, то в случае подделки на поверхности останутся чёрные штрихи восстановленного серебра. В случае изделия с действительно высоким содержанием золота, заметных изменений не произойдёт.

11.Сравните активность взаимодействия гранулированного цинка с20%раствором серной кислоты: в одном случае с чистым раствором серной кислоты, а в другом случае при добавлении нескольких капель раствора медного купороса. Объясните наблюдаемый эффект с позиций энергетической концепции. Зачем при получении водорода в аппарате Киппа или в ППГ в раствор кислоты добавляют несколько кристалликов медного купороса.Возможный вариант решения. Взаимодействие гранул цинка сраствором серной кислоты начинается с заметным выделением пузырьков газа, но затем почти полностью прекращается ввиду обволакивания пузырьками газа поверхности гранулы и прекращения контакта реагентов. При взаимодействии гранул цинка с раствором серной кислоты и сульфата меди(II) происходит осаждение меди на поверхности цинка (сравните значения электроотрицательности цинка и ионов меди(II)), что создаёт гальваническую пару цинк–медь. Цинк начинает активно переходить в раствор, а водород, не препятствуя контакту серной кислоты с цинком, выделяется на поверхности меди. Таким образом, взаимодействие цинка в растворе серной кислоты и сульфата меди(II) проходит с большей скоростью.

12.Взаимодействие лития с водой и калия с водой проходят с разным наблюдаемым эффектом. Какая из этих реакций проходит с большим энергетическим эффектом. Объясните наблюдаемый эффект.Возможный вариант решения. Наибольшим энергетическим эффектом сопровождается взаимодействие лития с водой, за счётбольшей энергии гидратации ионов лития,;а наблюдаемый эффект нам показывает обратное, взаимодействие калия с водой проходит более энергично. Это связано с тем, что у калия температура плавления гораздо ниже, чем у лития.Энергии, выделяемой в ходе процесса достаточно чтобы расплавить кусочек калия. Жидкий калий, растекаясь по поверхности воды, резко увеличивает реакционную площадь. Скорость процесса резко увеличивается, выделяемая теплота не успевает рассеиваться в окружение, происходит воспламенение и взрыв.

13.Желая осадить медь из раствора медного купороса, школьник добавил к10%раствору сульфата меди порошок магния. В результате раствор вскипел, нагрелся и образовалась бледноголубая взвесь. Определите продукты процесса,составьте уравнения, проходящих в растворе реакций. В чём просчитался ученик?Возможный вариант решения. Раствор сульфата меди, в силу гидролиза по катиону, имеет кислую среду

в кислой среде магний активно восстанавливаетионы водорода до газообразного водорода и переходит в виде ионов в раствор, смещая тем самым равновесие в процессе гидролиза в сторону образования осадка гидроксида меди(II)

14.В медицине применяют водные растворы: хлороводорода(8,2%–8,4%), перманганата калия(0,5%), тиосульфата натрия(60%), аммиака(10%), сульфата магния(20%), хлорида кальция(10%), сульфата цинка, гидрокарбоната натрия, хлорида натрия, хлорида калия, бромида натрия, бромида калия, иодида натрия, сульфата меди(II), нитрата серебра(0,1%), пероксида водорода(3%). Идентифицируйте каждый раствор, не используя других реактивов.Возможный вариант решения. Растворы перманганата калия и сульфата меди можно определить по характерной окраске, а раствораммиака по запаху. Далее идентификацию растворов удобно проводить с помощью таблицы и попарного сливания проб контрольного и определяемого растворов. Определённую проблему может составить идентификация хлоридов и бромидов калия и натрия, которую легко разрешить по характерному окрашиванию соответствующих осадков при взаимодействии с раствором нитрата серебра, и характерному окрашиванию пламени солями калия и натрия.

15.Известно, что соли марганца катализируют процесс разложения пероксида водорода; ученик, желая сравнить действие неорганических и биокатализаторов(ферментов), использовал для разложения пероксида водорода перманганат калия(марганцовку) и кусочек сырого картофеля (каталаза). По результатам эксперимента ученик сделал вывод: «Неорганические катализаторы эффективнее ферментов». Согласны ли вы с данным выводом, дайте обоснованный ответ.Возможный вариант решения.Перманганат калия вступает во взаимодействие с пероксидом водорода, активно окисляя его до кислорода, а образующийся при этом продукт восстановления–диоксид марганца является катализатором разложения пероксида водорода; таким образом, в этом сложном автокаталитическом процессе параллельно проходят реакции окисления и разложения(диспропорционирования) пероксида водорода:

катализатор: MnO2

Следовательно, по данным проведённого эксперимента нельзя сделать заключение о большей эффективности неорганических катализаторов по сравнению с ферментами; реально ферментативная активность гораздо выше, но действуют они в узком интервале температур.

16.При проведении электролиза децимолярного раствора нитрата натрия на электродах выделились газообразные продукты. Определите, какие вещества образовались в ходе процесса, если известно,что газ, выделившийся на катоде, может вступать в реакцию с газом, выделившимся на аноде, при грозовом разряде. Также, выделившийся на катоде газ может взаимодействовать с газом, выделившимся на аноде, при комнатной температуре при поджигании.Возможный вариант решенияпредставлен в таблице.

СИСТЕМАH2O; Na+; NO3.Катод(−)Анод(+)

и

количества реагентов в ходе процесса уменьшаются, а, следовательно, с течением времени помере уменьшения количества нитратионов, начнёт доминировать процесс восстановления молекул воды.

17.Исследуйте собственные энергетические затраты и свой рацион на предмет калорийности питания. На основании полученных данных составьте недельное меню как оптимальный вариант сбалансированного питания.Возможный вариант решения. Ход работы: в течение трёх месяцев аккуратно записывайте все, что съедаете; исключить можно только простую или газированную воду(без сиропа). Это будет ваш дневник питания. Перед началом эксперимента определите свой вес с точностью до0,1кг. и через каждые две недели эксперимента повторяйте взвешивание; используя ваши дневниковые записи за две недели и необходимые таблицы, подсчитайте, сколько каждого из перечисленных компонентовпищи(жиры, белки, углеводы, витаминС, кальций, железо)вы потребили? Сравните данные с рекомендуемыми нормами и сделайте выводы; сопоставьте полученные данные с полученной разницей в вашем весе; результаты представьте в виде графика (изменение веса и изменение состава и калорийности пищи каждые две недели). По окончании работы представьте оптимальный, на Ваш взгляд, недельный рацион с приложением меню на каждый день.





Наглядные дидактические материалыОтносительная электроотрицательность элементов

Группировка веществ

ВЕυЕСТВАсталь, гранит, воздух, вода, медь, хрусталь, молоко, ДНК, поваренная соль…ХИМИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯСМЕСИМАТЕРИАЛЫпростыесложныегомогенные:сплавы, растворы, воздух, стекло, молоко, слюна, кровь…гетерогенные:гранит, земля, смог, пена, суспензии…природные:вата, кожа…искусственные:бумага, вискоза…синтетические:линолеум, капрон…металлы:Au, Fe, Pb,Cr, Ti, Ag, …неметаллы:P4, O2, S8, C, Si, I2, B, ...неорганические:H2O, NaCl, H3N…органические:(C2F4)n, H8C3, H4C2O2, H22C12O11, H2CO, H4C, HC2BrClF3…ТВЁРДЫЕЖИДКИЕГАЗООБРАЗНЫЕсода, сахар, иод, соль, стекло …бензин, вода, уксус, льняное масло …BZ, озон, аммиак, сероводород, C11H26PSNO2, пропан…МОНОМЕРЫ(НМС)ПОЛИМЕРЫ (ВМС)силикат, этен, винилацетат, глюкоза…белок, дакрон, ПВХ, кевлар, целлофан, крахмалКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕАМОРФНЫЕмолекулярные: сера, лёд, парафин…атомноковалентные: алмаз, пирит, кварц…атомнометаллические: металлы и сплавыионные: сода, медный купорос, ляпис…пластмассы: плексиглас, эбонит, пластилин, ПВХ…волокна: хлопок, шёлк, ПАН, лавсан, лён…эластомеры: резина, латекс, каучук, спандекс…Памятка для вычислений по уравнению химической реакции

1.Проанализируйте, что требуется найти, и что для этого дано.2.Оформите условие задачи(найти; дано; решение).3.Составьте уравнение химической(их) реакции(ий).4.Все данные величины выразите в количествах(см. табл.).5.По стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции определите соотношения количеств реагентов и продуктов.6.Если в условии задачи приведены данные для двух и более реагентов, по соотношению определите, какое вещество дано в избытке, а какое в недостатке.7.По соотношению и найденному количеству вещества данного в недостатке определите количество вещества, требуемого найти.8.Найденное количество вещества выразите в требуемых единицах(см. табл.).

Основные уравнения для расчётов по формуле вещества

Основные уравнения по термодинамике и кинетике процессаУравнение состояния идеального газа(уравнение Клапейронаили уравнение МенделееваКлапейрона)–уравнение, устанавливающее зависимость между давлением, молярным объёмом и абсолютной температурой идеального газа:

где p–давление газа; V–объём газа; R–универсальная молярная газовая постоянная; n–количество вещества; m–масса вещества; M–молярная масса вещества; T–абсолютная температура.Уравнение Бойля–Мариотта:

это уравнение удобно для расчёта характеристик газа при переходе его из одногосостояния в другое.Уравнение Томпсона:

где Q–количество подводимой или отводимой теплоты; CM–молярная теплоёмкость; Cm–удельная теплоёмкость; n–количество вещества; m–масса вещества; ΔT–разность температур.Закон Гесса.Первое следствие:стандартное изменение энтальпии химической реакции равно сумме стандартных энтальпий образования продуктов реакции, умноженных на стехиометрические коэффициенты за вычетом суммы стандартных энтальпий образования реагентов, умноженных на стехиометрические коэффициенты:

Второе следствие:стандартное изменение энтальпии химической реакции равно разности сумм стандартных энтальпий сгорания реагентов, умноженных на стехиометрические коэффициенты, и стандартных энтальпий сгорания продуктов реакции, умноженных на стехиометрические коэффициенты:

Уравнение Гиббса, показывает термодинамическую возможность процесса, направление химической реакции:,где ΔGr°–стандартное изменение энергииГиббса равновесного процесса; ΔHr°–стандартное изменение энтальпии равновесного процесса; ΔSr°–стандартное изменение энтропии равновесного процесса; T–абсолютная равновесная температура.Уравнение Аррениуса, показывает зависимость скорости процесса от температуры:

,где k–константаскорости химической реакции; C–коэффициент Аррениуса; Ea–энергия активации химической реакции; Sa–энтропия активации химической реакции; R–универсальная молярная газовая постоянная; T–абсолютная температура.Важным следствием уравнения Аррениусаявляется отношение скорости данной химической реакции при разных температурах:,где υ2–скорость химической реакции при температуре–T2; υ1–скорость химической реакции при температуре–T1; τ1–время прохождения химической реакции при температуре–T1; τ2–время прохождения химической реакции при температуре–T2;Ea–энергия активации химической реакции; R–универсальная молярная газовая постоянная; T–абсолютная температура.Выражение энергии активации химического процесса:

где τ1–время прохождения химической реакции при температуре–T1; τ2–время прохождения химической реакции при температуре–T2; Ea–энергия активации химической реакции; R–универсальная молярная газовая постоянная; T–абсолютная температура.Уравнение константы химического равновесия:

где Kp–константа равновесия химической реакции; ΔG°–стандартное изменение энергииГиббса равновесного процесса; ΔH–изменение энтальпии равновесного процесса при температуре–T.Уравнение изобары ВантГоффасвязывает изменение энтальпии процесса и отношение констант равновесия при разных температурах:

где K1–константа равновесия химической реакции при температуре–T1; K2–константа равновесия химической реакции при температуре–T2; R–универсальная молярная газовая постоянная; ΔHr°–стандартное изменение энтальпии равновесного процесса.

Ссылки на источники1.Лямин А. Н. Интегральные познавательные задания при обучении химии в современной школе // Концепт. –2013. –№10 (октябрь). –ART13210. –0,7п.л. –URL: http://ekoncept.ru/2013/13210.htm.

Lyamin Alexei,Ph.D., associate professor of the Institute of Education of the Kirov region, Kirovenimo@kirovipk.ruExamples of integrated cognitive tasks in chemistryAbstract. The article continues to discuss issues of common optimization of chemical education raised in the previous issue of the journal, through the use of integrated cognitive tasks in teaching students of chemistry. It presents some examples of these tasks with the comments and decisions.Keywords:integrated cognitive tasks, casestudy method, subject competence in chemistry, universal learning activities.

Рекомендовано к публикации:Горевым П. М., кандидатом педагогических наук, главным редактором журнала «Концепт»