В статье рассмотрена организация эффективной исследовательской работы студентов, что позволяет формировать у студентов умение самостоятельно добывать знания, анализировать и эффективно использовать информацию для максимальной самореализации. Применение таксономического подхода при подготовки заданий СРС по дисциплине «Органическая химия» направлено на формирование профессиональных компетенций в соответствии с потребностями реальной действительности. Приведены примеры разноуровневых вопросов по теме «Ненасыщенные углеводороды» для экспресс-опроса. С использованием пирамиды Блума показано, какие результаты можно ожидать в результате изучения данной темы. Предлагается применение таксономии Блума при проведении экспериментальных работ на лабораторных занятиях. Для решения проблемы связи теории с практикой авторы предлагают применение проектного метода. Это позволит сформировать такие компетенции, как умение искать, собирать и анализировать информацию.
таксономия Блума
самостоятельная работа студентов (СРС)
ненасыщенные углеводороды
профессиональные компетенции
планирование занятия
1. Чижик В.П. Формы организации учебного процесса в высшем учебном заведении // Сибирский торгово-экономический журнал. – 2011. – № 11. – С. 119–121.
2. Нуров К. Высшее образование в Казахстане: цена без качества и знаний [Электрон. ресурс]. – 2011. – URL: http://www.ipr.kz/kipr/3/1/44.
3. Лазарева И.Н. Таксономический подход в проектировании личностно ориентированного интеллектуально-развивающего обучения // Известия Российского государственного педагогического университета им. А.И. Герцена. – 2009. – № 94. – С. 130–136.
4. Крюков В.Ф. Современная методика преподавания. – М.: Норма. – 2006. – 176 с.
Важнейшим фактором создания инновационной системы и развития человеческого капитала страны является образование.
В настоящее время в нашей стране разработана и принята Государственная программа развития образования и науки до 2020 года. Повышение конкурентоспособности человеческого капитала и уровня обучения в целом является основным акцентом в данной программе.
Во многих странах мира в качестве приоритетного признан личностно ориентированный подход, что соответствует современным концепциям образования . В результате применения этого подхода происходит формирование и развитие творческого мышления и умения работать с информацией. В центре внимания находится деятельность познания, сотрудничества, взаимной работы, т.е. основой данного метода является самостоятельная познавательная деятельность обучающихся. Внедрить этот подход невозможно путем простой смены одной системы или формы обучения на другую. В первую очередь, необходимо осознание происходящих изменений всеми участниками образовательного процесса, а это подразумевает определенную ломку привычек и стереотипов.
На современном этапе обучения изменилась роль преподавателя. Он теперь является не столько источником передачи информации, а сколько учит студента добывать информацию. Задача студента состоит в умении переосмысливать добытую информацию и уметь в дальнейшем использовать знания на практике. В данном аспекте реализация всех функций обучения зависит от выбора метода. Одним словом, эффективность образования будет зависеть в первую очередь от того, насколько у обучаемых сформированы умения самостоятельно добывать знания, анализировать, структурировать и эффективно использовать информацию для максимальной самореализации и полезного участия в жизни общества.
Ряд авторов предлагает использовать организацию исследовательской работы на практических занятиях и СРС, как один из способов активизации дивергентного мышления Исследовательская работа по актуальным практическим направлениям позволяет формировать компетенции и умения обучающегося в соответствии с потребностями реальной действительности, что позволит формировать конкурентоспособных специалистов.
Нами предлагается применение таксономического подхода при подготовке заданий СРС и СРСП по дисциплине «Органическая химия».
Эффективно организованная самостоятельная работа начинается с постановки целей. Во-первых, это позволит определить степень продвижения студентов к намеченному результату, а во-вторых, обеспечит своевременную коррекцию.
Многолетнее использование таксономической модели Б. Блума свидетельствует об ее эффективности . Она может быть использована как инструмент планирования занятий и разработки стратегии, методов опроса - от простого к сложному.
На примере темы «Ненасыщенные углеводороды» (6 час) мы хотели показать, какие результаты мы ожидаем в результате изучения данной темы:
Студент должен знать: свойства и строение ненасыщенных углеводородов, типы органических реакций с их участием, признаки и условия их протекания.
Студент должен уметь: устанавливать взаимосвязь между строением соединения и его свойствами, планировать и осуществлять химический эксперимент, анализировать его результаты.
Студент должен иметь навыки сборки установок для проведения лабораторного эксперимента, работы с современными приборами.
В результате изучения данной темы, используя таксономию Б. Блума студент на первоначальном этапе (знание) сможет определять тип углеводорода, особенности его строения, наличие реакционных центров. Двигаясь от простого к сложному, на стадии применения знаний он сможет интерпретировать стадии протекания химических реакций, расписывать схемы превращений и на стадии анализа будет сравнивать методы получения и химические свойства различных классов ненасыщенных углеводородов, обсуждать механизмы реакций.
Ниже нами приведены примеры разноуровневых вопросов по теме для экспресс-опроса:
|
1) Химическая формула бутадиена? 2) Что такое полимеризация? 3) Когда была открыта теория химического строения? |
|
|
Понимание |
1) Сравните химические свойства этилена и ацетилена? 2) Какие факторы влияют на галогенирование алкенов? 3) Как можно назвать одним словом реакцию отщепления воды от спиртов? |
|
Применение |
1) Каковы возможные результаты изомеризации пентана? 2) Что образуется при циклизации бутадиена? 3) Как можно на практике применить реакцию гидратации алкенов? |
|
1) Каковы предпосылки возникновения теории химического строения? 2) Каковы результаты стереохимических реакций? 3) В чем заключается сущность реакции Фаворского? |
|
|
1) Как можно доказать структуру синтезированных органических соединений? 2) Как можно проверить прошла реакция или нет? 3) Как можно решить проблему синтеза жидкокристаллических соединений? |
|
|
Оценка (создание оценочных суждений на основе разума) |
1) Как Вы считаете, реакционная способность сопряженных диенов выше чем у кумулированных? 2) Как можно аргументировать низкий выход реакций радикального замещения? 3) Чем можно объяснить способность ненасыщенных соединений к реакциям электрофильного присоединения? |
При составлении вопросов на знание часто используются слова-вопросы: когда, что такое, кто, верно ли и др. Ответы на такие вопросы предполагают простое воспроизведение информации. Нагрузка идет не на мышление, а на память, например, что такое гидрогалогенирование? Обучающийся просто запоминает и распознает информацию.
На уровне понимания происходит понимание полученной информации; формулирование проблемы своими словами. Обучающийся объясняет, преобразовывает, т.е. происходит обработка информации, например, чем отличаются алкены от алкинов?
Под применением понимают использование понятий в новых ситуациях. Вопросы на применение позволяют перенести полученные знания в новые условия, например, на решение проблем, например, предскажите результат реакции Дильса-Альдера, каковы возможные результаты гидрогалогенирования 1,3-бутадиена и т.д.
На уровне анализа происходит разбиение информации на связанные части. Вопросы на анализ требуют прояснения причин и следствий, выделение отдельных частей из целого, например, в чем заключается суть проблемы, какой вывод можно сделать, каковы предпосылки и т.д.?. Анализ дает возможность разобраться и показать, как это работает.
Синтез - это компиляция информации. Вопросы на синтез связаны с творческим решением проблем. Здесь недостаточно просто имеющейся информации. Необходимо создание нового целого на основе оригинального подхода. На этом уровне чаще используются глаголы: разработайте, сформулируйте, обобщите, объедините, модифицируйте и др. Например, сформулируйте правило Марковникова, объедините схожите реакции ненасыщенных углеводородов.
На уровне оценки обучающийся дискутирует, выбирает и с помощью определенных критериев оценивает. На этом уровне чаще используются глаголы: докажите, выберите, сравните, сделайте вывод, обоснуйте, предскажите. Например, докажите, что тройная связь у пентина-1 концевая, сравните методы получения карбоновых кислот окислением углеводородов.
При подготовке описания алгоритма СРС необходимо чаще формулировать вопросы и задания более высоких уровней мышления. Очень важным моментом является обучение студентов самостоятельно формулировать разноуровневые вопросы при индивидуальном выполнении заданий. Тогда используя «Ромашку Блума», обучающиеся смогут не только отвечать на вопросы, но и сами разрабатывать определенные типы вопросов, позволяющие раскрыть каждый блок пирамиды Блума. Для традиционной системы образования этот принцип не характерен, так как там было более привычным, когда формируют вопросы и задают их только преподаватели. Преподавателю использование данного метода позволит диагностировать качество полученных знаний.
Слишком «теоретизированное» обучение не позволяет формировать качественные знания у студентов. А ведь не имеющие связи с практикой знания вызывают однобокое и очень узкое понимание изучаемого вопроса. Дополнительная мотивация студентов, направленная на активизацию ответов на более сложные вопросы, возможна при дифференцированной системе оценивания ответов на вопросы .
Разработка критериев для оценки знаний делает процесс оценивания прозрачным и понятным для всех, а совместная со студентами разработка критериев позволит сформировать позитивное отношение к оцениванию.
При проведении экспериментальных работ по теме применение таксономии Блума выглядит следующим образом:
Известно, что самыми распространенными заданиями для СРС в большинстве случаев выступают эссе и рефераты. Выполнение подобных заданий не вызывает сложностей у студентов, т.к. в интернете можно найти типовые эссе и рефераты практически по любым дисциплинам и темам. Следовательно, для подготовки конкурентоспособных специалистов необходимо приложить больше усилий по формированию у обучающихся не только необходимых знаний по дисциплине, что было характерно для традиционной системы, но и необходимо сформировать навыки и исследовательские компетенции с привязкой к практической действительности. Это позволяет готовить специалистов, направленных на потребности рынка и способных найти наиболее эффективные решения из множества других. Специалисты, подготовленные по предложенной схеме, уже в процессе обучения будут иметь четкие представления о своей специализации, но при этом будут иметь эффективные инструменты для решения вопросов более широкого спектра. Для решения данной проблемы широко используется метод проектов . Отличительной особенностью данной формы организации образовательного процесса является тот факт, что все необходимые знания, умения и навыки студенты получают не в процессе изучения той или иной дисциплины, а в процессе работы над тем или иным проектом. Метод проектов можно определить как способ обучения через детальную разработку проблемы, которая должна завершиться вполне реальным, осязаемым практическим результатом, имеющим жизненный контекст. В образовательном процессе вуза под проектом понимается специально организованный преподавателем и самостоятельно выполняемый студентами комплекс действий, завершающийся созданием творческого продукта. Для экспериментальных наук применение метода проектов очень актуально.
Для студентов химического факультета в качестве проектного задания по дисциплине «Органическая химия» разработан научно-исследовательский проект
462.44kb.
График контроля за СРС по органической химии
на Vсеместр 3 курс 2009-2010 уч.год| месяц | Сентябрь | Октябрь | Ноябрь | Декабрь |
| недели |
||||
I | ||||
| Контр.работа «Алифатические углеводороды» 13.10 14 40 -16 00 | ||||
| III | Проверка конспектов, собеседование по теме самостоятельного изучения «Основные источники углеводородов» 16.10 14 40 | Контрольная работа «Карбонильные соединения» 20.11 14 40 -16 00 | 15.12 14 40 -16 00 |
|
| Контр.работа «Галоген- и азотпроизводные алифатических углеводородов» 30.10 14 40 -16 00 | Проверка индивидуальных домашних занятий и отчет по л/р 25.12 14 40 -16 00 |
График контроля за СРС 3 курса, специальность «Химия»
по органической химии и основам супрамолекулярной химии
VI семестр 2008-2009 уч.год
| месяц неделя
| февраль | март | апрель | май |
| I | Контрольная работа «Карбоновые кислоты» 06.03.09 г. 14 40 | Проверка индивидуальных заданий по теме «Производные бензола» 08.05.09г. 14 40 |
||
| II | Индивидуальные задания «Моносахариды» 13.03.09г. 14 40 | Проверка конспектов и решение индивидуальных заданий по теме «Терпены» 10.04.09г. 14 40 | ||
| III | ||||
| IV | Компьютерные тесты по теме «Углеводы» 27.03.09г. 14 40 |
Виды самостоятельной работы студентов
- Подготовка к лабораторным работам
- Подготовка к контрольным работам
- Составление конспектов тем, вынесенных на самостоятельное изучение
- Выполнение курсовых работ
- Решение индивидуальных домашних заданий
Темы самостоятельного изучения
Природные источники углеводородов и их переработка
Вопросы для изучения
- Природный и попутный нефтяные газы.
- Нефть и продукты ее переработки: физические свойства и состав нефти, первичная переработка нефти, крекинг нефтяных продуктов.
- Переработка каменного угля, перегонка каменноугольной смолы.
Тиолы, тиоэфиры
Вопросы для изучения
- Общая характеристика (определение, функциональные группы)
- Изомерия, номенклатура
- Способы получения
- Химические свойства
- Применение
Терпены
Вопросы для изучения
- Распространение в природе
- Классификация
- Моноциклические терпены: номенклатура, свойства, способы получения, отдельные представители
- Бициклические терпены: номенклатура, свойства, способы получения, отдельные представители.
Небензоидные ароматические системы
Вопросы для изучения
1. Основные представители (ферроцен, азулен и др.)
2. Особенности строения
3. Важнейшие реакции
Форма отчета – собеседование
Кремнийорганические соединения
Вопросы для изучения
1. Классификация
2. Применение
Форма отчета – конспект, семинар
миноБрнауки России
«Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления»
Кафедра «Биоорганическая и пищевая химия»
Методические указания к выполнению
СРС и контрольных заданий по курсу
«Органическая химия с основами биохимии »
специальности «Стандартизация и метрология » и «Управление качеством»
Составители: ,
ПРЕДИСЛОВИЕ
Изучение органической химии представляет определенные трудности из-за большого объема фактического материала, значительного количества новых понятий, своеобразия номенклатуры органических соединений и самой тесной связи одного раздела с другим. Поэтому усвоение курса органической химии требует систематической и последовательной работы. При изучении надо особенно строго соблюдать последовательность перехода к изучению каждого следующего раздела лишь после того, как усвоен материал предыдущего. Не следует механически запоминать формулы, константы, уравнения реакции и др. Необходимо суметь выделить главное, понять сущность тех или иных превращений, найти взаимную связь различных классов соединений и их значение, применение.
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ЗАОЧНОГО ОБУЧЕНИЯ (6 часов)
1. Основные правила работы в лаборатории органической химии, техника безопасности при проведении лабораторных работ .
2. Углеводороды.
3. Кислородсодержащие органические соединения. Спирты и фенолы. Альдегиды и кетоны. Карбоновые кислоты.
4. Углеводы. Моносахариды.
5. Аминокислоты. Белки.
Контрольные мероприятия и распределение баллов по видам работ
Наименование разделов | Форма оценки теоретической составляющей | Форма оценки практической составляющей | Форма оценки СРС | ||||
Раздел 1 (модуль 1) Теоретические представления в органической химии |
лабораторной работы 1 | Самооценка, рецензирование, публичная защита КР Задания №1 | |||||
Раздел 2 (модуль 2) Углеводороды и их производные | Защита лабораторных (2, 3) и практических работ | Защита КР, зад. №2 | |||||
Раздел 3 (модуль 3) Гетерофункциональные производные углеводородов Биоорганические соединения | Защита лабораторных (4,5) и практических работ | Защита КР зад. №3 | |||||
Аттестация итоговое тестирование | |||||||
Итого: 108 (максибалл) | |||||||
УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ
КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ
Студент заочного отделения по учебному плану должен выполнить одну контрольную работу .
При выполнении и оформлении контрольных заданий студент должен придерживаться следующих правил:
1. Оформить титульный лист тетради, в которой выполнена контрольная работа, по следующему образцу:
2. Контрольные задания следует выполнять в тетрадях, оставляя поля для замечаний рецензента;
3. При выполнении контрольной работы полностью выписывать условие задачи или вопрос.
4. Ответ излагать подробно, избегая длинных описаний.
Контрольная работа состоит из трех заданий. Студент выбирает задачи в таблице следующим образом: задачу I находит против начальной буквы своей фамилии, задачу II – против начальной буквы имени, задачу III – против начальной буквы отчества. Например, выполняет задачи: 7, 29, 48.
Номера задач | |||
5. Выполненную и оформленную по вышеприведенным правилам контрольную работу сдать на кафедру «Биоорганическая и пищевая химия» (8-414 ауд.) для рецензирования.
ЗАДАЧИ И ВОПРОСЫ КОНТРОЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ
ЗАДАНИЕ I .
Алгоритм задания:
В приведенных структурах или формулах вашего задания:
б) привести примеры возможных для них изомеров;
в) дать названия по систематической номенклатуре или тривиальные названия;
г) указать в какой гибридизации находится каждый атом углерода в данных соединениях.
Варианты:
1. С –С– С С – С–ОН
2. С –С –С С –С –Сl
3. C –С –С C –С –С
4. C –С –С C=C –Cl
5. C –С –С–C C=C –COOH
C–С –С C–С –Br
7. C≡ C–C C – C – CN
8. C=C - C=C C - C - O - C –C
9. C - C= C - C C – CO – C
10. C =C –C C - C –N-C
11. C≡ C – C - C C – C - C
12. C - C-C C –C=O
13. C - C - C= C C –C –NH2
14. C C C - COOH
15. C=C - C C-CO - O - C - C
C - C - C - C - CONH- C -
17. С-С-С-С С-С-СООН
18. С-С-С С С-С-ОН
ЗАДАНИЕ II .
Алгоритм задания:
Осуществить химические превращения для нижеприведенных молекул органических соединений, указав реагенты, с которыми вступают в реакцию. Установить их строение и дать им названия по систематической номенклатуре. Для конечного продукта указать его область применения.
Варианты:
19. Галогенопроизводное→алкен→спирт→алкадиен → →синтетический каучук ↓
20. Алкан →галогенопроизводное →алкен → двухатомный спирт → лавсан
21. Спирт → алкен→ дибромпроизводное→ алкин→ хлоралкен → поливинилхлорид
22. Дихлорпроизводное→ алкин→ кетон →оксинитрил→ →оксипропионовая кислота → полиэфир
23. Натриевая соль карбоновой кислоты →алкан→ галогенопроизводное →алкен→ спирт двухатомный→полиэфир этиленгликоля и янтарной кислоты
24. Реакция Вюрца →алкан →динитросоединение → диамин → полиамид →этандиамин и адипиновая кислота
25. Арен →ароматическое нитросоединение → алкиланилин → аминобензойная кислота→ полиамид
26. Алкен → алкин→оксосоединение →оксинитрил → оксипропионовая кислота→ полиэфир
27. Алкен→ дихлорпроизводное →двухатомный спирт→ полиэфир→ этиленгликоль и янтарная кислота
28. Дихлопроизводное→ алкин→ кетон→ оксинитрил→ →оксиизомасляная кислота
29. Хлоралкан→ алкен→ спирт→ алкадиен → синтетический каучук ↓
2-метилбутан
30. Алкен→ дихлоралкан →двухатомный спирт →диамин→ полиамид→ диаминоэтан и щавелевая кислота
31. Алкан→ хлоралкан→ алкен →этиленгликоль →диамин → →полиамид фталевой кислоты
32. Алкин →кетон →изопропилспирт
оксинитрил→ оксикислота→полиэфир
33. Алкен →спирт →оксосоединение →оксинитрил → оксикислота→ полиэфир молочной кислоты
34. Бромалкан →спирт →карбоновая кислота → хлоркарбоновая кислота→ аминоуксусная кислота→ полиамид
35. Алкан →алкен→алкин→альдегид→оксикислота→ →α-аланин →дикетопиперазин
36. Алкен→бромалкан→спирт→кетон→оксинитрил→ →2-окси-2-метилпропановая кислота→α-аминокислота
ЗАДАНИЕ III .
Алгоритм задания:
а) Написать структурные формулы таутомерных формул моносахаридов, отметить полуацетальный гидроксил, дать им названия. Написать для одного моносахарида характерные для него уравнения реакции. Получить из моносахарида восстанавливающий и невосстанавливающий дисахариды, дать им названия.
б) Написать схему получения изомерных триацилглицеридов, входящих в состав липидов из жирных кислот. Дать названия триацилглицеридам. Какой консистенции будет жир, содержащий эти ацилглицериды? Как превратить жидкий жир в твердый? Как определить непредельность? Провести гидролиз и омыление полученных триацилглицеридов, дать названия полученным продуктам.
в) Написать для аминокислоты уравнения реакции, характерные для аминогруппы и карбоксила, показать амфотерность. Написать биполярный ион для аминокислоты. По значению рНi объяснить активность. Синтезировать изомерные трипептиды из данной аминокислоты и двух других аминокислот, дать названия.
а) моносахариды | б) жирные кислоты | в) аминокислоты |
|
Идоза, фруктоза | Каприловая, эруковая | ||
Альтроза, | Пальмитиновая, стеариновая | ||
Галактоза, | Олеиновая, масляная | ||
Линолевая, каприловая | |||
Аллоза, рибоза | Капроновая, арахидоновая | ||
Рибоза, таллоза | Стеариновая, масляная | Гистидин |
|
Арабиноза, | Каприновая, линолевая | Метионин |
|
Фруктоза, галактоза | Линоленовая, каприловая | ||
Ликсоза, рибоза | Рицинолевая, капроновая | Фенилаланин |
|
Гулоза, ксилоза | Лауриновая, линолевая | Триптофан |
|
Галактоза, | Лауриновая, миристиновая | ||
Фруктоза, | Эруковая, стеариновая | Глутаминовая кислота |
|
|
галактоза | Октадекановая, рицинолевая | Аспарагиновая кислота |
|
|
фруктоза | Мирисстиновая, стеариновая | ||
Глюкоза, рибоза | Каприновая, арахидоновая | ||
Манноза, идоза | Арахиновая, пальмитиновая | ||
Гулоза, идоза | Изолейцин |
||
Арабиноза, альтроза | Арахиновая, арахидоновая |
1. , Еременко химия.-М.:Высшая школа, 1985.
2. Грандберг химия.-М.:Высшая школа, 1974.
3. , Трощенко химия.-М.:Высшая школа, 2002.
4. Артеменко химия.-М.: Высшая школа, 2002.
5. , Ануфриев по органической химии.-М.:Высшая школа, 1988.
6. Максанова органической химии в схемах, таблицах и рисунках: Учебное пособие.-Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2007.
7. Максанова соединения и материалы на их основе, применяемые в пищевой промышленности .-М.: КолосС, 2005.- 213 с.
8. , Аюрова соединения и их применение.-Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2005.-344 с.
Моль. Закон Авогадро. Мольный объем газа
С 1961 г. в нашей стране введена Международная система единиц измерения (СИ). За единицу количества вещества принят моль.
Моль - количество вещества системы, содержащее столько молекул, атомов, ионов, электронов или других структурных единиц, сколько их содержится в 0,012 кг изотопа углерода 12 С . Число структурных единиц, содержащихся в 1 моле вещества NА (число Авогадро), определено с большой точностью; в практических расчетах его принимают равным 6,02 10 23 молекул (моль -1).
Нетрудно показать, что масса 1 моля вещества (мольная масса), выраженная в граммах, численно равна относительной молекулярной массе этого вещества, выражаемой в атомных единицах массы (а.е.м.). Например, относительная молекулярная масса кислорода (Мr) - 32 а.е.м., а мольная масса (М) - 32 г/моль.
Согласно закону Авогадро, в равных объемах любых газов, взятых при одной и той же температуре и одинаковом давлении, содержится одинаковое число молекул. Иными словами, одно и то же число молекул любого газа занимает при одинаковых условиях один и тот же объем. Вместе с тем, 1 моль любого газа содержит одинаковое число молекул. Следовательно, при одинаковых условиях 1 моль любого газа занимает один и тот же объем. Этот объем называется молярным объемом газа (V 0) и при нормальных условиях (0 °С = 273 К, давлении 101,325 кПа = 760 мм рт. ст. = 1 атм) равен 22,4 л/моль. Объем, занимаемый газом при этих условиях, принято обозначать через V 0 , а давление - через Р 0 .
Согласно закону Бойля-Мариотта, при постоянной температуре давление, производимое данной массой газа, обратно пропорционально объему газа:
Р 0 /Р 1 = V 1 /V 0 или РV = const.
По закону Гей-Люссака при постоянном давлении объем газа изменяется прямо пропорционально абсолютной температуре (Т):
V1/T1 = V0/T0 или V/T = const.
Зависимость между объемом газа, давлением и температурой можно выразить общим уравнением, объединяющим законы Бойля-Мариотта и Гей-Люссака:
PV/T = P0V0/T0, (1)
где Р и V - давление и объем газа при данной температуре Т; P0 и V0 - давление и объем газа при нормальных условиях (н.у.).
Приведенное уравнение позволяет находить любую из указанных величин, если известны остальные.
П р и м е р 1. При 25 °С и давлении 99,3 кПа (745 мм рт.ст) некоторый газ занимает объем 152 см 3 . Найдите, какой объем займет этот же газ при 0 °С и давлении 101,33 кПа?
Решение: Подставляя данные задачи в уравнение (1) получим:
V0 = PVT0/TP0 = 99,3 152 273/101,33 298 = 136,5 см 3 .
П р и м е р 2. Выразите в граммах массу одной молекулы СО2.
Решение: Молекулярная масса СО2 равна 44,0 а.е.м. Следовательно, молярная масса СО2 равна 44,0 г/моль. В 1 моле СО2 содержится 6,02 10 23 молекул. Отсюда находим массу одной молекулы:
m = 44,0/6,02 10 23 = 7,31 10 -23 г.
П р и м е р 3. Определите объем, который займет азот массой 5,25 г при 26 °С и давлении 98,9 кПа (742 мм рт.ст.).
Решение: Определяем количество N2, содержащееся в 5,25 г:
5,25/28 = 0,1875 моль, V0 = 0,1875 22,4 = 4,20 л.
Затем приводим полученный объем к указанным в задаче условиям:
V = P0V0 T/PT0 = 101,3 4,20 299/98,9 273 = 4,71 л.
Определение молекулярных масс веществ в газообразном состоянии
Чтобы определить молекулярную массу вещества (а.е.м.), обычно находят численно равную ей молярную массу вещества (г/моль).
А . Определение молекулярной массы по плотности газа
П р и м е р 4. Плотность газа по воздуху равна 1,17. Определите молекулярную массу газа.
Решение: Из закона Авогадро следует, что при одном и том же давлении и одинаковых температурах массы (m) равных объемов газов относятся как их мольные массы (М):
m1/m2 = M1/M2 = D, (2)
где D - относительная плотность первого газа по второму.
Следовательно, по условию задачи:
D = М1/М2 = 1,17.
Средняя мольная масса воздуха М2 равна 29,0 г/моль. Тогда:
М1= 1,17 29,0 = 33,9 г/моль,
что соответствует молекулярной массе, равной 33,9 а.е.м.
П р и м е р 5. Найдите плотность по азоту воздуха, имеющего следующий объемный состав: 20,0 % О2; 79,0 % N2; 1,0 % Ar.
Решение: Поскольку объемы газов пропорциональны их количествам (закон Авогадро), то среднюю мольную массу смеси можно выразить не только через моли, но и через объемы:
Мср = (М1V1 + M2V2 + M3V3)/(V1+ V2+ V3). (3)
Возьмем 100 мл смеси, тогда V(O2) = 20 мл, V(N2) = 79 мл, V(Ar) = = 1 мл. Подставляя эти значения в формулу (1.2.2) получим:
Мср = (32 20 + 28 79 + 40 1)/(20 + 79 + 1),
Мср = 28,9 г/моль.
Плотность по азоту получается делением средней мольной массы смеси на мольную массу азота:
DN2 = 28,9/28 = 1,03.
Б . Определение молекулярной массы газа по молярному объему
П р и м е р 6. Определите молекулярную массу газа, если при нормальных условиях газ массой 0,824 г занимает объем 0,260 л.
Решение: При нормальных условиях 1 моль любого газа занимает объем 22,4 л, νгаза = 0,26/22,4 = 0,0116 моль, а мольная масса равна 0,824/0,0116 = 71 г/моль.
Следовательно, мольная масса газа равна 71,0 г/моль, а его молекулярная масса 71,0 а.е.м.
В . Определение молекулярной массы по уравнению
Менделеева-Клапейрона
Уравнение Менделеева-Клапейрона (уравнение состояния идеального газа) устанавливает соотношение массы (m, кг), температуры (Т, К), давления (Р, Па) и объема (V, м3) газа с его молярной массой (М, кг/моль):
где R - универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/(моль К). Пользуясь этим уравнением, можно вычислить любую из входящих в него величин, если известны остальные.
П р и м е р 7. Вычислите молекулярную массу бензола, зная, что масса 600 см 3 его паров при 87 °С и давлении 83,2 кПа равна 1,30 г.
Решение: Выразив данные задачи в единицах СИ (Р = 8,32 10 4 Па; V = 6 10 -4 м 3 ; m = 1,30 10 -3 кг; Т = 360 К) и, подставив их в уравнение (1.2.3), найдем:
М = 1,30 10-3 8,31 360/8,32 104 6 10-4 = 78,0 10-3 кг/моль = 78,0 г/моль.
Молекулярная масса бензола равна 78,0 а.е.м.
Вывод химических формул и расчеты по уравнениям реакций
Формулы веществ показывают, какие элементы и в каком количестве входят в состав вещества. Различают формулы простейшие и молекулярные. Простейшая формула выражает наиболее простой возможный атомный состав молекул вещества, соответствующий отношениям масс между элементами, образующими данное вещество. Молекулярная формула показывает действительное число атомов каждого элемента в молекуле (для веществ молекулярного строения).
Для вывода простейшей формулы вещества достаточно знать его состав и атомные массы образующих данное вещество элементов.
П р и м е р 8. Определите формулу оксида хрома, содержащего 68,4 % хрома.
Решение Обозначим числа атомов хрома и кислорода в простейшей формуле оксида хрома соответственно через x и y. Формула оксида CrхOy. Содержание кислорода в оксиде хрома 31,6 %.
x: y = 68,4/52: 31,6/16 = 1,32: 1,98.
Чтобы выразить полученное отношение целыми числами, разделим полученные числа на меньшее число:
x: y = 1,32/1,32: 1,98/1,32 = 1: 1,5,
а затем умножим обе величины последнего отношения на два:
Таким образом, простейшая формула оксида хрома Cr2O3.
П р и м е р 9. При полном сжигании некоторого вещества массой 2,66 г образовались СО2 и SO2 массами 1,54 г и 4,48 г соответственно. Найдите простейшую формулу вещества.
Решение: Состав продуктов горения показывает, что вещество содержало углерод и серу. Кроме этих двух элементов, в состав его мог входить и кислород.
Массу углерода, входившего в состав вещества, найдем по массе образовавшегося СО2. Мольная масса СО2 равна 44 г/моль, при этом в 1 моле СО2 содержится 12 г углерода. Найдем массу углерода m, содержащуюся в 1,54 г СО2:
44/12 = 1,54/m; m = 12 1,54/44 = 0,42 г.
Вычисляя аналогично массу серы, содержащуюся в 4,48 г SO2, получаем 2,24 г.
Так как масса серы и углерода равна 2,66 г, то это вещество не содержит кислорода и формула вещества СхSy:
х: y = 0,42/12: 2,24/32 = 0,035: 0,070 = 1: 2.
Следовательно, простейшая формула вещества СS2.
Для нахождения молекулярной формулы вещества необходимо, кроме состава вещества, знать его молекулярную массу.
П р и м е р 10. Газообразное соединение азота с водородом содержит 12,5 % (масс.) водорода.Плотность соединения по водороду равна 16. Найдите молекулярную формулу соединения.
Решение: Искомая формула вещества NхHу:
x: y = 87,5/14: 12,5/1 = 6,25: 12,5 = 1: 2.
Простейшая формула соединения NH2. Этой формуле отвечает молекулярная масса, равная 16 а.е.м.
Истинную молекулярную массу соединения найдем, исходя из его плотности по водороду:
М = 2 16 = 32 а.е.м.
Следовательно, формула вещества N2Н4.
П р и м е р 11. При прокаливании кристаллогидрата сульфата цинка массой 2,87 г его масса уменьшилась на 1,26 г. Установите формулу кристаллогидрата.
Решение: При прокаливании происходит разложение кристаллогидрата:
ZnSO 4 nН2О → ZnSO4 + nH2O
М(ZnSO4) = 161 г/моль; М(Н2О) = 18 г/моль.
Из условия задачи следует, что масса воды составляет 1,26 г, а масса ZnSO4 равна (2,87-1,26) = 1,61г.Тогда количество ZnSO4 составит: 1,61/161= = 0,01 моль, а число молей воды 1,26/18 = 0,07 моль.
Следовательно, на 1 моль ZnSO4 приходится 7 молей Н2О и формула кристаллогидрата ZnSO4 7Н2О
П р и м е р 12. Найдите массу серной кислоты, необходимую для полной нейтрализации гидроксида натрия массой 20 г.
Решение Уравнение реакции:
H2SO4 + 2NaOH = Na2SO4 + 2Н2О.
М(H2SO4) = 98 г/моль; М(NaOH) = 40 г/моль.
По условию: (NaOH) = 20/40 = 0,5 моль. Согласно уравнению реакции 1 моль H2SO4 реагирует с 2 молями NaОH, с 0,5 моль NaOH реагирует 0,25 моль H2SO4 или 0,25 98 = 24,5 г.
П р и м е р 13. В токе хлора сожгли смесь медных и железных опилок массой 1,76 г; в результате чего получилась смесь хлоридов металлов массой 4,60 г. Рассчитайте массу меди, вступившей в реакцию.
Решение: Реакции протекают по схемам:
1) Cu + Cl2 = CuCl2
2) 2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3
М(Cu) = 64 г/моль; М(Fe) = 56 г/моль; М(CuCl2) = 135 г/моль;
М(FeCl3) = 162,5 г/моль.
По условию задачи масса смеси хлоридов меди(II) и железа(III), т.е. а + b = 4,60 г. Отсюда 135х/64 + 162,5 (1,76 - х)/56 = 4,60.
Следовательно, х = 0,63 , то есть масса меди 0,63 г.
П р и м е р 14. При обработке смеси гидроксида и гидрокарбоната калия избытком раствора соляной кислоты образовался хлорид калия массой 22,35 г и выделился газ объемом 4,48 дм 3 (н.у.). Рассчитайте состав исходной смеси (ω, %).
Решение: Уравнения реакций:
1) KHCO3 + HCl = KCl + H2O + CO2
2) KOH + HCl = KCl + H2O
M(KHCO3) = 100 г/моль; М(KCl) = 74,5 г/моль; М(KOH) = 56 г/моль.
По условию задачи объем газа (CO2) по реакции (1) равен 4,48 дм 3 или 0,2 моль. Тогда из уравнения реакции (1) следует, что исходное количество в смеси гидрокарбоната калия составляет 0,2 моль или 0,2 100 = 20 г и образуется такое же количество 0,2 моль KCl или 0,2 74,5 = 14,9 г.
Зная общую массу KСl, образующегося в результате реакций (1 и 2) можно определить массу КСl, образующуюся по реакции (2). Она составит 22,35 - 14,9 = 7,45 г или 7,45/74,5 = 0,1 моль. На образование 0,1 моль КСl по реакции (2) потребуется такое же количество КОН, то есть 0,1 моль или 0,1 56 = 5,60 г. Следовательно, содержание исходных компонентов в смеси составит:
5,6 100/25,6 = 21,9 % КОН и 20,0 100/25,6 = 78,1 % KHCO3.
Расчеты по закону эквивалентов
Количество элемента или вещества, которое взаимодействует с 1 молем атомов водорода (1 г) или замещает это количество водорода в химических реакциях называется эквивалентом данного элемента или вещества.
Эквивалентной массой (М э ) называется масса 1 эквивалента вещества.
П р и м е р 15 Определите эквивалент и эквивалентные массы брома, кислорода и азота в
соединениях HBr, H2O, NH3.
Решение: В указанных соединениях с 1 молем атомов водорода соединяется 1 моль атомов брома, 1/2 моль атомов кислорода и 1/3 моль атомов азота. Следовательно, согласно определению, эквиваленты брома, кислорода и азота равны соответственно 1 молю, 1/2 моля и 1/3 моля.
Исходя из мольных масс атомов этих элементов, найдем, что эквивалентная масса брома равна 79,9 г/моль, кислорода - 16 1/2 = 8 г/моль, азота - 14 1/3 = 4,67 г/моль.
Эквивалентную массу можно вычислить по составу соединения, если известны мольные массы (М):
1) Мэ(элемента): Мэ = А/В,
где А - атомная масса элемента, В - валентность элемента;
2) Мэ(оксида) = Мэ(элем.) + 8,
где 8 - эквивалентная масса кислорода;
3) Мэ(гидроксида) = М/n(он-) ,
где n(он-) - число групп ОН- ;
4) Мэ(кислоты) = М/n(н+) ,
где n(н+) - число ионов Н+
5) Мэ(соли) = М/nмеВме,
где nме - число атомов металла; Вме - валентность металла.
П р и м е р 16. Определите эквивалентные массы следующих веществ Al, Fe2O3, Ca(OH)2, H2 SO4, CaCO3.
Решение: Мэ(Аl)= А/В = 27/3 = 9 г/моль; Мэ(Fe2O3) = 160/2 3 = = 26,7 г/моль; Мэ(Са(ОН)2) = 74/2 = 37 г/моль; Мэ(Н2SO4) = 98/2 = 49 г/моль; Мэ(СаСО3) = 100/1 2 = 50 г/моль; Мэ(Al2(SO4)3) = 342/2 3=342/6 = 57 г/моль.
П р и м е р 17. Вычислите эквивалентную массу Н2SO4 в реакциях:
1) Н2SO4+ NaOH = NaHSO4 + H2O
2) H2SO4 + 2NaOH = Na2SO4 + H2O
Решение: Эквивалентная масса сложного вещества, как и эквивалентная масса элемента, могут иметь различные значения, и зависят от того в какую химическую реакцию вступает данное вещество.
Эквивалентная масса серной кислоты равна мольной массе, деленной на число атомов водорода, замещенных в данной реакции на металл. Следовательно, Мэ(Н2SO4) в реакции (1) равна 98 г/моль, а в реакции (2) - 98/2 = 49 г/моль.
При решении некоторых задач, содержащих сведения об объемах газообразных веществ, целесообразно пользоваться значением эквивалентного объема (Vэ).
Эквивалентным объемом называется объем, занимаемый при данных условиях 1 эквивалентном газообразного вещества. Так для водорода при н.у. эквивалентный объем равен 22,4 1/2 = 11,2 л, для кислорода - 5,6 л.
Согласно закону эквивалентов массы (объемы) реагирующих друг с другом веществ m 1 и m 2 пропорциональны их эквивалентным массам (объемам) :
m1/ Мэ1 = m2/ М э2 . (5)
Если одно из веществ находится в газообразном состоянии, тогда:
m/Мэ = V0/Vэ. (6)
П р и м е р 18. При сгорании металла массой 5,00 г образуется оксид металла массой 9,44 г. Определите эквивалентную массу металла.
Решение: Из условия задачи следует что, масса кислорода равна разности 9,44 г - 5,00 г = 4,44 г. Эквивалентная масса кислорода равна 8,0 г/моль. Подставляя эти значения в выражение (5) получим:
5,00/Мэ(Ме) = 4,44/8,0; Мз(Ме) = 5,00 8,0/4,44 = 9 г/моль.
П р и м е р 19. При окислении металла(II) массой 16,7 г образовался оксид массой 21,5 г. Вычислите эквивалентные массы: а) металла; б) его оксида. Чему равна молярная масса: в) металла; г) оксида металла?
Решение: m(O2) в оксиде составит: 21,54 - 16,74 = 4,80 г. В соответствии с законом эквивалентов получим:
16,74/Мэ(Ме) = 4,80/8,00,
Откуда: Мэ(Ме) = 27,90 г/моль.
Эквивалентная масса оксида равна сумме эквивалентных масс металла и кислорода и составит 27,90 + 8,00 = 35,90 г/моль.
Молярная масса металла (II) равна произведению эквивалентной массы на валентность (2) и составит 27,90 2 = 55,80 г/моль. Молярная масса оксида металла(II) составит 55,8 + 16,0 = 71,8 г/моль.
П р и м е р 20. Из нитрата металла массой 7,27 г получается хлорид массой 5,22 г. Вычислите эквивалентную массу металла.
Решение: Так как эквивалентная масса нитрата (хлорида) металла равна сумме эквивалентных масс металла (х) и кислотного остатка нитрата (хлорида), то по закону эквивалентов с учетом условия задачи получим:
7,27/5,22 = (х + 62)/(х + 35,5).
Откуда: х = 32,0 г/моль.
П р и м е р 21. Из сульфата металла (II) массой 15,20 г получен гидроксид массой 9,00 г. Вычислите эквивалентную массу металла и определите формулу исходной соли.
Решение: С учетом условия задачи и уравнения (5) получим:
15,2/9,0 = (Мэ(Ме) + 48)/(Мэ(Ме) + 17).
Откуда: Мэ(Ме) = 28 г/моль; М(Ме) = 28 2 = 56 г/моль.
Формула соли: FeSO4.
П р и м е р 22. В какой массе Са(ОН)2 содержится столько же эквивалентов, сколько в Аl(ОН)3 массой 312 г?
Решение: Мэ(Аl(ОН)3) составляет 1/3 его молярной массы, то есть 78/3 = = 26 г/моль.
Следовательно, в 312 г Аl(ОН)3 содержится 312/26 = 12 эквивалентов. Мэ(Са(ОН)2) составляет 1/2 его молярной массы, то есть 37 г/моль. Отсюда, 12 эквивалентов составляют 37 12 = 444 г.
П р и м е р 23. На восстановление оксида металла (II) массой 7,09 г требуется водород объемом 2,24 дм3 (н.у.). Вычислите эквивалентные массы оксида и металла. Чему равна мольная масса металла?
Решение: В соответствии с законом эквивалентов получим:
7,09/2,24 = Мэ(оксида)/11,20; Мэ(оксида) = 35,45 г/моль.
Эквивалентная масса оксида равна сумме эквивалентных масс металла и кислорода, поэтому Мэ(Ме) составит 35,45 - 8,00 = 27,45 г/моль. Мольная масса металла(II) составит 27,45 2 = 54,90 г/моль.
При определении эквивалентных масс различных веществ, например, по объему выделенного газа, последний собирают над водой. Тогда следует учитывать парциальное давление газа. Парциальным давлением газа в смеси называется давление, которое производил бы этот газ, занимая при тех же физических условиях объем всей газовой смеси. Согласно закону парциальных давлений, общее давление смеси газов, не вступающих друг с другом в химическое взаимодействие, равно сумме парциальных давлений газов, составляющих смесь. Если газ собран над жидкостью, то при расчетах следует иметь в виду, что его давление является парциальным и равно разности общего давления газовой смеси и парциального давления пара жидкости.
П р и м е р 24. Какой объем займут при н.у. 120 см 3 азота, собранного над водой при 20 0 С и давлении 100 кПа (750 мм.рт.ст.)? Давление насыщенного пара воды при 20 °С равно 2,3 кПа.
Решение: Парциальное давление азота равно разности общего давления и парциального давления пара воды:
PN2 = Р - H2O P = 100 - 2,3 = 97,7 кПа.
Обозначив искомый объем через V0 и используя объединенное уравнение Бойля-Мариотта и Гей- Люссака, находим:
V0 = РVT0/TP0 = 97,7 120 273/293 101,3 = 108 см 3 .