Одной из важнейших форм внеклассной работы по химии, несомненно, является олимпиада. Предметная олимпиада – состязание учащихся учреждений среднего общего, высшего или профессионального образования, требующее от участников демонстрации знаний и навыков в области одной или нескольких изучаемых дисциплин [1]. Она не только помогают выявить наиболее способных учащихся, но и стимулируют углубленное изучение предмета, служит развитию интереса к химической науке. Олимпиады способствуют пропаганде научных знаний, укреплению связи общеобразовательных учреждений с вузами и научно-исследовательскими институтами, созданию необходимых условий для поддержки одаренных детей, привлечению наиболее способных из них в ведущие вузы страны.
Цель данной работы – рассмотреть примеры олимпиадных задач по неорганической химии, ознакомиться с методикой решения подобных задач.
Самая первая олимпиада по химии в нашей стране состоялась в Москве в 1938-1939 учебном году, недостатком служил тот факт, что она проходила в заочной форме. В настоящее время Всероссийская олимпиада школьников проводится в 4 этапа: школьный, муниципальный, региональный и всероссийский. Каждый этап делится на 2 тура: теоретический и практический.
При выполнении заданий экспериментального тура проверяются:
– умение работать с химической посудой, приборами и реактивами;
– умение использовать знания о качественном и количественном анализе;
– умение предсказывать результаты химических реакций [2].
Продолжительность экспериментального тура составляет 5 (пять) астрономических часов. Рекомендуемое время начала теоретического тура – 10:00 по местному времени.
Вне зависимости от этапа олимпиады экспериментальные задачи можно классифицировать по экспериментальным методам и лабораторным операциям:
• собрать прибор;
• провести качественный анализ предлагаемых веществ;
• провести очистку вещества;
• провести разделение смесей веществ;
• синтезировать вещество
В программу экспериментального тура входят:
1) практические навыки, необходимые для работы в химической лаборатории: взвешивание (аналитические весы); измерение объемов жидкостей с помощью мерного цилиндра, пипетки, бюретки, мерной колбы; приготовление раствора из твердого вещества и растворителя, смешивание и разбавление, выпаривание растворов; нагревание с помощью горелки, электрической плитки, колбонагревателя, на водяной и на песчаной бане; смешивание и перемешивание жидкостей, использование магнитной мешалки, использование капельной и делительной воронок; фильтрование через плоский бумажный фильтр, фильтрование через свернутый бумажный фильтр; промывание осадков на фильтре, высушивание осадков на фильтре; перекристаллизация веществ из водных растворов; высушивание веществ в сушильном шкафу, высушивание веществ в эксикаторе.
2) синтез неорганических и органических веществ: синтез в плоскодонной колбе, синтез в круглодонной колбе, работа с водоструйным насосом, фильтрование через воронку Бюхнера; аппаратура для нагревания реакционной смеси с дефлегматором, аппарат для перегонки жидкостей при нормальном давлении,
3) качественный и количественный анализ неорганических и органических веществ: реакции в пробирке, обнаружение катионов и анионов в водном растворе; групповые реакции на катионы и анионы; идентификация элементов по окрашиванию пламени; качественное определение основных функциональных групп органических соединений; титрование, приготовление стандартного раствора; кислотно-основное титрование, цветовые переходы индикаторов при кислотно-основном анализе,
4) специальные измерения и процедуры: измерение рН-метром,
5) оценка результатов: оценка погрешности эксперимента (значащие цифры, графики) [3].
Задачи по химии классически делят на две группы: качественные и расчётные (количественные).
Продолжительность теоретического тура составляет 5 (пять) астрономических часов. Рекомендуемое время начала теоретического тура – 10:00 по местному времени. Олимпиадные задачи теоретического тура обычно основаны на материале 4 разделов химии: неорганической, аналитической, органической и физической.
Задачи по химии классически делят на две группы: качественные и расчётные (количественные).
Рассмотрим расчетные задачи:
– расчёты состава смеси (массовый, объемный и мольный проценты);
– расчёты состава раствора (способы выражения концентрации, приготовление растворов заданной концентрации);
– расчёты с использованием газовых законов (закон Авогадро, уравнение Клапейрона–Менделеева);
– выведение химической формулы вещества;
– расчёты по химическим уравнениям (стехиометрические соотношения);
– расчёты с использованием законов химической термодинамики
(закон сохранения энергии, закон Гесса);
– расчёты с использованием законов химической кинетики (закон действия масс, уравнение Аррениуса) [4].
Единой конкретизированной типологии олимпиадных задач по химии нет, так или иначе, они являются комбинированными.
Олимпиадные задачи теоретического тура обычно основаны на материале 4 разделов химии: неорганической, аналитической, органической и физической.
Из раздела неорганической химии необходимо знание основных классов соединений:оксидов, кислот, оснований, солей; их строения и свойств; получения неорганических соединений; номенклатуры; периодического закона и периодической системы: основных закономерностей в изменении свойств элементов и их соединений [3].
Пример 1
После прокаливания смеси нитрата меди с медным порошком общая масса уменьшилась на 46,46%. Вся ли медь прореагировала? Рассчитайте состав исходной смеси.
Решение:
I. 1. Предположим, что масса исходной смеси m(исх.) = 100 г.
Пусть количество вещества нитрата меди ν(Cu(NO3)2) – х моль, ν(Cu) – y моль.
2. Уравнение реакции разложения нитрата меди:
х моль х моль
2Cu(NO3)2 = 2 CuO + 4NO2↑ + O2↑
2х188 г 2х80 г
Выделяющийся кислород взаимодействует с металлической медью:
y моль 0,5у моль y моль
2Cu + O2 = 2CuO
2х64 г 2х80 г
3. Допустим, что х > у, то есть вся медь переходит в оксид CuO. Масса оксида меди (II) после прокаливания:
m(CuО) = 100 – 45,45 = 54,55 (г)
Составим систему уравнений:
80х + 80у = 54,55
188х + 64у = 100
х=0,4545 (моль); у=0,2274(моль)
m(Cu(NO3)2) = 0,4545 · 188 = 85,45 г; ω(Cu(NO3)2) = 85,45 %.
m(Cu) = 0,2274 · 80 = 14,55 г;
ω(Cu) = 14,55 %.
II. 4. Допустим, что x < y. Только часть меди переходит в оксид. Тогда масса меди, которая не прореагировала:
m(Cu) = 64 – (у–х).
Составим систему уравнений:
80х + 80х + 64 – (у–х) = 54,55;
188х + 64у = 100;
х=0,494 (моль); у=0,11 (моль), но в этом случае х > у, что противоречит допустимому условию II подхода.
Ответ: вся медь прореагировала, состав исходной смеси:
ω(Cu(NO3)2) = 84,34 %; и ω(Cu) = 15,66 %.
Пример 2
Концентрированный раствор серной кислоты взаимодействует с 5 г сульфида натрия с образованием элементной серы, оксида серы (IV) и сероводорода. После отделения серы от раствора ее промыли водой, высушили и сожгли. Получилось 1 л (н.у.) газа. Рассчитайте объём выделившегося сероводорода, напишите уравнения всех протекающих реакций.
Решение:
1. Записываем уравнения реакций:
а) Na2S + H2SO4 = Na2SO4 + H2S(г) (реакция обмена)
б) H2S(г) + H2SO4 = S0 + SO2(г) + 2 H2O (овр)
H2S –2 е →S0 + 2 H+
SO4 2- + 4 H ++ 2e →SO2(г) + 2 H2O
_____________________________________
H2S + SO4 2- + 2 H+ → S0 + SO2(г) + 2 H2O
в. S0 + O2(г) →SO2(г) (овр)
S0 + 2 H2O – 4 e → SO2(г) + 4 H+
O2(г) + 4 H+ + 4 e → 2 H2O
_____________________________________
S0 + O2(г) → SO2(г)
Найдем количество вещества исходного сульфида натрия:
n (Na2S) = 5 0,78= 0.064 моль.
Найдем количество выделившегося SO2 при сжигании серы:
n (SO2) = 1 л ·22,4 л/ моль = 0,045 моль.
Найдем количество выделившегося сероводорода, не вступившего в реакцию окисления серной кислотой:
n (Н2S) = n(Na2S) – n (SO2) = = 0,064 – 0,045 = 0,019 моль.
Найдем объем выделившегося сероводорода, не вступившего в реакцию окисления серной кислотой:
V(Н2S) = 22,4 ·n (Н2S) = 22,4 · 0.019 = =0,43 л.
Ответ: 0,43 л.
Таким образом, что расчётные задачи являются неотъемлемой частью олимпиад по химии любого этапа. Решение задач различного уровня сложности способствуют структурированию знаний, развивает навыки самостоятельной работы, служит закреплению в памяти учащихся химических законов, теорий и важнейших химических понятий. Решение задач расширяет кругозор учащихся, позволяет устанавливать связи между явлениями, развивает умение логически мыслить, воспитывает волю к преодолению трудностей. Умение решать задачи является одним из показателей уровня развития химического мышления учащихся, а также глубины усвоения ими учебного материала.