Решение качественных и количественных химических задач получило широкое применение при обучении химии в советской школе, что побуждается целью научить школьников применять научные знания на практике.

Чтобы решить химическую задачу, надо понять условие, наметить план и затем последовательно выполнять намеченные в плане действия. Но для этого необходимо подвергнуть анализу условие задачи, выяснить известное и неизвестное и от первого перейти к последнему. Этот переход требует воспроизведения соответствующих знаний и применения их в практике При решении задач знания уточняются и закрепляются, а учитель убеждается в наличии их, проверяет их качество. Это происходит не только тогда, когда задачи решаются правильно, но и тогда, когда они решаются неверно, но исправляются и разъясняются учителем. В самом деле, если задача была решена правильно, ученик вследствие применения знаний в процессе решения ее закрепляет их, а учитель обнаруживает, что учащийся правильно усвоил соответствующие вопросы программы. Если же задача не решена совсем или решена неверно, ученик обнаруживает, что он недостаточно усвоил или понял пройденное, а учитель узнает, какие сведения усвоены не правильно или не применяются учащимся на практике. Ученик внимательнее выслушивает разъяснения учителя, тщательнее разбирается по книге в соответствующих вопросах, а это ведет к уточнению и пополнению химических знаний. Решение задач содействует приобретению умений и навыков производить расчеты и опыты. Оно является важным средством развития речи и мышления учащихся.

В основу подбора химических задач для решения учащимися следует положить принцип связи теории с практикой. Подбираются задачи, типичные для практики химических работ в промышленности, в сельском хозяйстве, в обыденной жизни, а также важные с точки зрения сознательного, глубокого и прочного усвоения основ химии.

На основании обобщения практики обучения химии в школе можно дать следующую классификацию химических задач, укоренившуюся в преподавании:

А. КАЧЕСТВЕННЫЕ ЗАДАЧИ

Тип. I. Наблюдение и объяснение химических явлений (VII—XI классы)

Примеры: а) В пробирку с раствором соляной кислоты опустите железный заржавленный гвоздь (главная составная часть ржавчины — гидрат окиси железа Fe(OH)3) и слегка нагрейте. Наблюдайте. Объясните наблюдения. Какое практическое использование может иметь этот опыт?

б) Почему нитрат аммония (удобрение) нельзя смешивать с известью? Проделайте опыт, подтверждающий ваш ответ. Опишите наблюдения. Напишите уравнение реакции.

Тип II. Получение веществ (VII—XI классы)

1. Получение веществ без перехода через промежуточные продукты, если исходные вещества указаны: а) полностью, б) частично.

Примеры. а) На заводах для приготовления сернокислого никеля пользуются углекислым никелем и серной кислотой. Получите сернокислый никель.

б) На заводах сернокислый свинец получают, исходя из азотнокислого свинца. Получите сернокислый свинец.

2. Получение веществ с переходом через промежуточные продукты, если исходные вещества указаны: а) полностью, б) частично.

Примеры. а) Даны серная кислота, гидрат окиси меди и железо. Получите металлическую медь.

б) Исходя из карбоната магния, получите гидрат окиси магния

3. Получение веществ, если исходные продукты вовсе не указаны.

Пример. Получите азотнокислую медь всеми возможными способами.

Тип III. Определение (доказательство) химического состава веществ и распознавание их (IX—XI классы).

Примеры. а) Вам выданы образцы азотных удобрений. Определите-, в каких образцах азот находится в аммонийной, в каких — нитратной форме.

б) Проделайте реакции, подтверждающие качественный состав медного купороса.

Тип IV. Определение (доказательство) нахождения в данном продукте примесей (IX—XI классы).

Примеры. а) Определите, не содержит ли данный образец хлорного железа, свободной соляной кислоты или хлора.

б) Как доказать, что техническая поваренная соль содержит примесь сульфатов?

Тип. V. Разделение смесей (VIII—X классы).

Пример. Технический хлористый цинк содержит примесь хлорной меди и хлористого свинца.

Как из этой смеси выделить хлористый цинк в чистом виде?

Тип VI. Сравнение состава и свойств веществ и их химических реакций (VII—XI классы).

Примеры. а) Сравните свойства и состав углекислого газа с составом и свойствами окиси углерода. В чем сходство, в чем различие?

б) Сравните реакцию железа и хлора с реакцией железа и серы. В чем сходство и в чем различие этих реакций?

Тип VII. Отнесение явлений и веществ к определенным типам и классам (VII—XI классы).

Примеры. а) Как доказать, что окись меди — основной окисел?

б) Произведите опыты, которые доказали бы, что сероводородная вода—слабая кислота?

в) При нагревании гидрата окиси железа образуется окись железа в вода. К какому типу реакций надо отнести данную реакцию?

Примеры. а) Проделайте характерные реакции для серной кислоты,

б) Проделайте характерные реакции для уксусной кислоты.

Тип IX. Анализ правильности определений, утверждений, доказательств VII—XI классы)

а) Когда учитель предложил дать определение понятию «кислота», ученик ответил: «Кислотами называются соединения окислов неметаллов с водой». Почему это определение неправильное?

б) Объясняя горение магния в воздухе, ученик сказал: «При горении магний соединяется с молекулами воздуха». Почему это утверждение неправильное?

в) На вопрос учителя: «Как доказать, что вода состоит из водорода « кислорода» — ученик ответил: «Для этого надо написать формулу воды». Удовлетворяет ли вас такое доказательство? Почему?

Б. КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ЗАДАЧИ

Тип 1. Расчеты на основании опытных данных и законов сохранения веса веществ и постоянства состава (VII—XI классы)

1. Расчеты на основании опытных данных и закона сохранения веса веществ.

Пример. Какое количество ртути получится при разложении 4,32 г окиси ртути, если кислорода при этом получено 0,32 г?

2. Расчеты на основании опытных данных и закона постоянства состава.

Пример. В эвдиометре взорвали смесь из 6 мл водорода и 6 мл кислорода. Какой газ и в каком количестве останется в избытке?

Тип II. Составление формул веществ (X—XI классы)

1. Определение простейшей формулы вещества, исходя из процентного содержания в нем элементов.

Пример. Определить простейшую формулу вещества, применяющегося для окуривания овощехранилищ, в состав которого входят 50% серы и 50% кислорода

2. Определение молекулярной формулы вещества, зная процентное содержание в нем элементов и плотность его в газообразном состоянии по водороду или вес 1 л при нормальных условиях.

Пример. Определите молекулярную формулу вещества, если известна, что в состав его входит 92,3% углерода и 7,7% водорода, а плотность па- dob по водороду равна 39.

Тип. III. Расчеты по химическим формулам (VII—XI классы)

1. Расчет процентного содержания элементов в веществе по его формуле.

Пример. Каково процентное содержание калия в хлористом калии KCI и углекислом калии К2СО3, применяемых в качестве удобрений?

2. Расчет количества вещества, которое можно получить из определенного количества исходного продукта (химически чистого и с примесями).

Пример. Для удобрения почвы необходимо внести на каждый гектар 32 кг связанного элементарного азота. Сколько килограммов надо взять для этой цели 97-процентного сульфата аммония, 95-процентной натриевой селитры, 87-процентной кальциевой селитры?

3. Расчет количества исходного продукта для получения определенного количества заданного вещества (чистого или с известным процентом примесей).

Пример. Сколько килограммов калия содержится в 3 г золы, содержащей 28% углекислого калия К2СО3?

4. Расчет выхода продукта (в процентах к теоретическому), если выход дан в весовом измерении.

Пример. Из 60 т фосфоритов, содержащих 60% фосфорнокислого кальция Са3(РO4)г. получено 6,9 г фосфора. Каков выход его в процентах к

теоретическому?

5. Расчет количества кристаллизационной воды, которое содержится в определенном количестве данного кристаллогидрата.

Пример. Сколько тонн весит кристаллическая сода, если она содержит 6 т углекислого натрия Na2C03?

Тип IV. Расчеты по химическим уравнениям (VII—XI классы)

1. Вычисление весовых отношений, в которых реагируют и получаются вещества.

Пример. В каком весовом отношении образуются нитрат кальция в вода при взаимодействии гидрата окиси кальция с азотной кислотой?

2. Вычисление количества исходных веществ для получения определенного количества заданного вещества.

Пример. Сколько надо взять серной кислоты и поваренной соли, чтобы получить 200 г сульфата натрия?

3. Вычисление количества заданного вещества, которое получится и> определенных количеств исходных веществ.

Пример. Сколько тонн преципитата можно получить, исходя из 500 г фосфорита, содержащего 40% чистого фосфорнокислого кальция Са3(РО4)2?

4. Определение веществ и количеств их, которые будут содержаться в продуктах реакций, если взять известные количества исходных веществ.

Пример. Какие вещества и в каком количестве будут находиться в продуктах реакций, если 212 г соды обработать плавиковой кислотой, содержащей 60 г фтористого водорода?

5. Определение выхода вещества (в процентах по отношению к теоретическому) в весовом отношении.

Пример. Рассчитать процент выхода азотной кислоты по отношению к теоретическому, если известно, что было взято 43 г натриевой селитры и получено 28 г азотной кислоты.

6. То же, что в 1—5-м случаях, но указываются загрязненные продукты или растворы определенной концентрации (IX—X классы).

Примеры. Сколько тонн поваренной соли содержащей 8% примесей, надо завезти на завод, чтобы получить 182,2 т 36-процентного раствора соляной кислоты?

Сколько тонн 70-процентной серной кислоты можно получить из 32 7 Флотационных хвостов с содержанием серы 35%, если после сжигания в огарке остается 1 % серы?

Тип V. Расчеты, связанные с приготовлением растворов и определением их концентрации (VII—XI классы)

1. Расчет количества растворителя и растворяемого вещества для приготовления определенного количества раствора заданной концентрации, выраженной в процентах.

Пример. Для приготовления бордосской жидкости требуется изготовить 25 кг 1,5-процентного раствора медного купороса. Сколько воды и медного купороса надо взять для этой цели?

2. Расчет количества растворенного вещества, содержащегося в определенном количестве раствора известной концентрации, выраженной в процентах.

Пример. Для опрыскивания сахарной свеклы против долгоносика приготовлено 480 кг 4-процентного раствора хлористого бария. Сколько хлористого бария для этого затрачено?

3. Определение процентной концентрации раствора, если известно, сколько взято раствора и сколько в нем растворенного вещества.

Пример. Какова концентрация раствора, если в 750 кг его содержится 7,5 кг едкого натра?

4. Получение раствора новой концентрации из раствора данной концентрации, выраженной в процентах.

Пример. Для приготовления раствора формалина, применяющегося при протравливании семян, 40-процентный раствор формальдегида разбавляют гак, чтобы на 1 вес. ч. этого раствора приходилось 300 вес. ч. воды. Какова процентная концентрация раствора, применяющегося для протравливания?

5. Расчет концентрации раствора, выраженной в процентах, при разбавлении его определенным количеством растворителя.

Пример. Какой концентрации стал 10-процентный раствор едкого натра, если к 50 г его прилить 20 г воды?

6. Расчет количества растворителя и растворяемого вещества для приготовления молярного раствора заданной концентрации.

Пример. Приготовить 250 мл 0,2 М раствора поваренной соли.

7. Расчет количества растворителя и растворяемого вещества для приготовления нормального раствора заданной концентрации.

Пример. Приготовьте 100 мл 0,1% раствора едкого натра.

Тип VI. Расчеты молекулярных весов по плотности, плотности по молекулярному весу и расчет объема газа при нормальных условиях (IX—XI классы)

1. Определение молекулярного веса вещества, зная его плотность по водороду или воздуху.

Пример. Чему равен молекулярный вес ацетилена, если плотность его по водороду равна 13?

2. Определение плотности вещества по водороду или по воздуху, зная химическую формулу его.

Пример. Какие из указанных ниже газов тяжелее воздуха, какие легче: 02, N2, НС1. S02, С02, NO, N02?

3. Вычисление объема, который будет занимать при нормальных условиях определенное количество газа.

Пример. Сколько литров при нормальных условиях займет 80 г кислорода?

4. Вычисление веса определенного объема газа при нормальных условиях.

Пример. Чему равен вес водорода, заполнившего воздушный шар, емкостью в 10 тыс. м3 (при нормальных условиях)?

Тип VII. Комбинированные задачи, где требуется применение расчетов указанных выше типов (IX—XI классы)

1. Вычисление объема (при нормальных условиях) газообразных продуктов, получающихся при реакции из определенных количеств исходных веществ.

Пример. Сколько литров углекислого газа при нормальных условиях получится при взаимодействии 160 г углекислого кальция с соляной кислотой?

2. Расчет объема газа, необходимого для получения определенного количества заданного продукта.

Пример. Сколько надо взять литров сернистого газа и сероводорода (при нормальных условиях), чтобы получить 96 г серы?

3. Определение веществ, которые будут содержаться в продуктах реакции, если для нее взять известный объем газа.

Пример. Над платиновым катализатором при 460° С циркулирует смесь сернистого газа и кислорода. При нормальных условиях смесь состояла из 33,6 л сернистого газа и 20 л кислорода. Какие вещества и в каком количестве будут содержаться в продуктах реакции в конечном счете?

4. Расчет выхода вещества в процентах по отношению к теоретическому, если выход газа дан в объемном измерении.

Пример. При обжиге одной тонны известняка, содержащего 90% углекислого кальция, получено 181 440 л углекислого газа (приведено к нормальным условиям). Рассчитать процент выхода газа по отношению к теоретическому.

В последнее время появились более сложные химические задачи, цель которых помочь учащимся усвоить технологические процессы производства отдельных химических продуктов (автор Д. А. Эпштейн). Это полезные задачи, условия и применение которых требует, однако, тщательной проверки.

Наиболее распространенными путями решения качественных и количественных задач являются устный, письменный и экспериментальный.

При устном решении задач все действия производятся в уме. Письменный путь решения задач характеризуется тем, что действия в уме сопровождаются записями в тетради или на доске. Экспериментальный путь решения задач заключается в том, что действия в уме сопровождаются не только записями в тетради, но и химическими опытами — демонстрационными или лабораторными.

В зависимости от того, устным, письменным или экспериментальным путем решаются качественные и количественные химические задачи, .их можно разделить на три группы: а) устные, б) письменные и в) экспериментальные. Экспериментальные задачи в свою очередь можно разделить на две подгруппы: а) демонстрационные, когда в процессе решения задачи учитель или один-два учащихся демонстрируют опыты, и б) лабораторные, когда в процессе решения задачи, индивидуально или по звеньям, во время изложения учителем материала или во время практических занятий, учащиеся выполняют химические опыты.

Было бы грубейшей ошибкой противопоставлять устные, письменные и экспериментальные задачи друг другу. Каждая из этих групп имеет свои достоинства и свои недостатки. Только применяя все три группы, каждую в свое время, на своем месте и в определенной мере, можно быстро и с наименьшей затратой сил и средств достигнуть наилучших результатов в закреплении, развитии и применении химических знаний в про цессе обучения.

Каждому учителю химии надо владеть методикой подбора и составления задач, потому что работа учителя конкретна и в зависимости от того, как усвоены отдельные вопросы программы, насколько успешно учащиеся оперируют ими в жизненных ситуациях, должен изменяться и подбор задач. Для сильных учеников нужны более сложные задачи, для средних и слабых — более простые. В задачнике и учебнике учитель не всегда найдет нужный в данной конкретной обстановке набор задач и потому будет вынужден прибегать к составлению дополнительных задач.

В набор задач по каждой теме следует включать такие задачи, решение которых требует от учащихся применения знаний, которые формируются в данной теме, и сведений, полученных при изучении предыдущих тем. Если будет выполнено это требование, то получится не случайный, а обоснованный набор задач, решение которых дает возможность проверить усвоение системы знаний, повторить, закрепить, применить их в жизненных условиях.

В набор задач по теме следует включать задачи, помогающие осмысливать явления природы и производства и связывающие преподавание с жизнью, с практикой коммунистического строительства.

Приведем несколько примеров задач, помогающих учащимся осмыслить явления природы и производства, связывающих преподавание химии с практикой коммунистического строительства.

а) В дождевой воде, собранной во время сильных гроз, можно обнаружить следы азотной кислоты. Как объяснить наличие азотной кислоты в такой дождевой воде?

б) Для никелирования металлических предметов гальваническим путем применяется хлористый никель NiCl2. Производство его осуществляется несколькими способами и при этом используются следующие вещества: закись никеля NiO, гидрат закиси никеля Ni(OH)2, углекислый никель NiCO3, металлический никель, хлор, соляная кислота. Выскажите предположения о том, какими способами получается хлористый никель в производстве. Напишите уравнения реакций.

в) В техническом хлористом барии имеются примеси хлорного железа FeCl3 и хлористого алюминия АlСlз. Для получения химически чистого хлористого бария технический продукт растворяют в воде и обрабатывают гидратом окиси бария. Осадок отфильтровывают и в растворе получают химически чистый хлористый барий. Объясните, какие химические реакции происходят при очистке (напишите уравнения реакций), какие вещества выпадают в осадок, почему обработкой технического продукта гидратом окиси бария удается получить химически чистый хлористый барий.

В набор задач по теме следует включать задачи различных типов и видов. Решение задач каждого типа и вида требует различных рассуждений. Поэтому выполнение указанного выше требования поможет разносторонне развивать мышление учащихся.

Необходимо подбирать задачи, в которых наряду с известными даются также новые, неизвестные учащимся химические явления. В этом случае усвоенные знания используются как метод для получения и осмысления новых знаний, а задача служит средством применения имеющихся знаний для приобретения новых.

Необходимо следить, чтобы в набор задач были включены задачи для устного, письменного и экспериментального (демонстрационного и лабораторного) решения.

По каждой теме следует подбирать такое количество задач, которое можно решить без ущерба для других видов учебных занятий по химии, и иметь возможность индивидуализировать задания в зависимости от развития учащихся.

Химические задачи следует решать с учащимися в различные моменты обучения. Правильно поступают те учителя, которые к опросу на уроке готовят одну-две письменные и одну- две экспериментальные задачи. Для экспериментальных задач выбираются такие опыты, которые напомнили бы самое существенное из пройденного на предыдущем уроке. Повторять опыты также необходимо, как и всякий другой материал. Неверно думать, будто учащиеся, увидев однажды опыт, запомнят его навсегда. В тех случаях, когда опыты показываются редко и на каждый опыт выделяется много времени, учащиеся их запоминают хорошо. Но когда опытов демонстрируется много и они не повторяются, учащиеся их забывают. Нецелесообразно демонстрировать одни и те же опыты и в той же связи, что были на уроке, где впервые излагался материал. Гораздо полезнее и интереснее для учащихся взять эти опыты в другой связи, в форме задачи, или, еще лучше, взять другие опыты, подтверждающие, однако, те же самые теоретические положения.

Среди задач, применяемых для закрепления пройденного на предыдущих уроках, даются и такие, которые связывают только что пройденный материал с пройденным ранее. Например, при закреплении сведений о свойствах соляной кислоты предлагается несколько задач, которые заставляют учащихся воспроизвести основные сведения о способах получения солей.

Приведем пример, когда решение задач применяется как средство сообщения и закрепления знаний.

На уроке учащимся сообщаются знания о химических свойствах хлора. Материал здесь небольшой и нетрудный для запоминания. Но для хорошего усвоения его требуется значительная работа. Один рассказ почти ничего не говорит о том, насколько успешно поняли учащиеся химические свойства хлора и умеют применять эти знания на практике. Лучшим способом закрепления будет решение 3—4 задач, подобных следующей: «Для гальванического золочения иногда применяется хлорное золото. Какой способ получения этого вещества вы могли бы предложить?»

В зависимости от того, каким путем предполагается провести решение задач, изложение материала строится по-разному. Когда решение задач предполагается провести письменным путем, учитель демонстрирует все опыты, приготовленные для иллюстрации химических свойств хлора, до решения задач. Когда же решение задач намечено провести и письменным, и экспериментально-демонстрационным путем, то лучше часть опытов, предназначенных для этой цели, не показывать до сообщения знаний о химических свойствах хлора, а приберечь их до того времени, когда будет проводиться закрепление и применение знаний путем решения задач. Например, учитель приготовился показать реакции соединения хлора с сурьмой, с натрием, водородом, медью, цинком и фосфором. При ознакомлении учащихся со свойствами хлора можно продемонстрировать лишь первые три опыта и дать понятие об отношении хлора к простым веществам. «Хлор непосредственно соединяется со всеми простыми веществами, за исключением инертных газов, кислорода и азота. С одними веществами он соединяется при обычной температуре, с другими — при нагревании (например, с платиной, золотом и др.)». Затем надо перейти к закреплению этих сведений путем письменного и экспериментального решения задач. В основу задач для экспериментально-демонстрационного решения можно взять последних три опыта. Техника работы будет такова. Учащиеся вызываются к демонстрационному столу и решают экспериментальные задачи:

«В банку с хлором опустите на ложечке немного зажженного красного фосфора. Объясните наблюдения». «Получить хлорную медь». «Получить хлористый цинк». Учитель или лично демонстрирует опыты, или, давая предварительно указания по технике химического эксперимента, разрешает демонстрировать их учащимся.

Надо стараться почти всякий раз включать в домашние задания решение одной-двух задач, если не по пройденному только что материалу, то по материалу предыдущих тем, чтобы, таким образом, все время повторять пройденное и учить применять приобретенные знания. В тех случаях, когда материал учебника достаточно труден, задачи предлагаются не к первому, а ко второму занятию, когда учащиеся достаточно хорошо усвоят вопросы, изложенные в учебнике.

При повторении пройденного по всей теме целесообразно предлагать учащимся комбинированные задачи, т. е. такие, решение которых требует применения знаний из различных разделов темы и даже из различных тем, например: «Как получить бром, если имеются следующие вещества: поваренная соль, бромистый натрий, серная кислота и двуокись марганца?» После изучения ряда тем полезно проводить самостоятельное лабораторное решение химических задач.

Конкретная методика решения экспериментальных и расчетных задач будет рассмотрена дальше.