Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Томский политехнический университет»

Н.Ф. Стась

Задачи и вопросы по неорганической химии

Учебное пособие

Издательство тпу

Томск 2008

УДК 546 (076.1)

Стась Н.Ф. Задачи и вопросы по неорганической химии. Учебное пособие. - Томск: Издательство ТПУ, 2008. – 254 с.

Пособие является частью учебно-методического комплекса кафедры общей и неорганической химии Томского политехнического университета. Оно содержит 1650 задач, упражнений и вопросов для формирования индивидуальных домашних заданий при изучении второй части дисциплины «Общая и неорганическая химия» – химии элементов. Пособие отличается оптимальным соотношением расчетных задач и упражне6ний, а также прямых, обратных и комбинированных задач. Содержит перечень рекомендуемой учебной литературы (63 наименования) и 150 вариантов индивидуального домашнего задания. Предназначено для студентов химических направлений и специальностей технических университетов.

Рецензенты:

Кафедра

химии и химической технологии Северского технологического института,

заведующий кафедрой доктор химических наук, профессор В.В. Гузеев.

Л.П. Ерёмин

доктор химических наук, профессор кафедры неорганической химии

Томского государственного педагогического университета.

© Томский политехнический университет

© Стась Николай Фёдорович

Введение

При составлении задачников по химии авторам приходится решать такие методические проблемы как последовательность расположения материала, соотношение расчетных задач, упражнений и вопросов по теоретическому материалу, типы расчетных задач, объем и уровень требуемых знаний и умений, наличие в заданиях элементов обучения, порядок подачи справочного материала, способы представления ответов и т.д.

Данный сборник является частью учебного комплекса (комплексного методического обеспечения) кафедры общей и неорганической химии Томского политехнического университета. Он отражает методику обучения студентов химико-технологических направлений и специальностей ТПУ дисциплине «Общая и неорганическая химия», точнее, ее второй части – химии элементов.

Химию элементов студенты изучают во втором семестре после изучения (в первом семестре) общей химии. Но после зимних каникул наблюдается некоторая «опустошенность» студентов, поэтому мы начинаем второй семестр с повторения основных закономерностей Периодической системы (основно-кислотных свойств и реакций оксидов и гидроксидов в связи с положением элементов в периодах и группах) и закономерностей окислительно-восстановительных реакций на примере взаимодействия простых веществ с кислотами, щелочами и водой. Этим вопросам, а также закономерностям гидролиза солей и распространенности элементов в природе посвящена первая глава задачника.

По традиции, идущей от первых преподавателей неорганической химии в Томском политехническом университете Д.И. Турбабы и Я.И. Михайленко, изучение химии элементов начинается с водорода. После этого студенты «проходят» p-элементы в порядке, обратном их расположению в Периодической системе: галогены, халькогены, главные подгруппы пятой, четвертой и третьей группы. При такой последовательности наиболее сложный материал изучается в первой половине семестра «на свежую голову».

Во второй половине семестра изучаются s-элементы и химия переходных элементов. В связи с тем, что d-элементы имеют ряд общих свойств, которые закономерно изменяются в периодах, в начале рассматриваются эти общие свойства. Специфические свойства d-элементов рассматриваются по подгруппам в порядке их расположения в периодической системе, т.е. начиная с подгруппы скандия и заканчивая подгруппой цинка. При этом d-элементы восьмой группы подразделяются, как это принято в большинстве вузов и учебных пособий, на два «семейства» – железа и платины.

Соотношение расчетных задач и упражнений в задачнике должно быть оптимальным, но в методическом плане этот вопрос не проработан. Доля расчетных задач в пособиях, изданных в центральных издательствах в последние годы, колеблется в очень широких пределах: от 10 % (Свиридов В.В. с соав.) до 35 % (Любимова Н.Б.) и до 70 % (Гольбрайх З.Е. и Маслов Е.И.). По-разному относятся авторы к включению в свои задачники теоретических вопросов: их доля колеблется от 1–2 % (Гольбрайх и Маслов) до 25 % (Любимова) и 70 % (Свиридов).

В данном пособии предпочтение отдано расчетным задачам (около 40 %) и упражнениям (примерно 45 %); но теоретические вопросы также необходимы – их доля в сборнике составляет около 15 %.

Теоретические вопросы относятся в основном к строению атомов и молекул, закономерностям изменения свойств однотипных соединений, а также получения и применения наиболее важных соединений.

Расчетные задачи, которые приходится решать студентам при изучении современной неорганической химии, весьма разнообразны как по содержанию, так и по форме. Например, классификация по содержанию содержит 19 типов задач.

1. Вычисление атомной массы элемента по его изотопному составу.

2. Стехиометрические расчеты по формулам соединений и минералов.

3. Расчеты по уравнениям реакций и закону эквивалентов.

3. Вычисление характеристик газов и газовых смесей.

5. Различные термохимические расчеты.

6. Расчеты энтропии и энергии Гиббса реакций для определения направления их протекания.

7. Вычисление констант равновесия и выхода продуктов обратимых реакций.

8. Рассчёты, иллюстрирующие закон действующих масс для скорости геакций (влияние концентрации реагентов на скорость реакций).

9. Расчёты по влиянию температуры на скорость реакций (уравнение Аррениуса, правило Вант-Гоффа)

10. Расчёты количественных показателей окислительно-востановительных реакций по значениям окислительно-востановительных потенциалов.

11. Задачи на растворимость веществ и произведение растворимости.

12. Расчеты, связанные с приготовлением растворов.

13. Переходы между способами выражения концентрации растворов.

14. Определение концентрации раствора по результатам титрования.

15. Задачи на коллигативные свойства растворов неэлектролитов.

16. Вычисление количественых показателей электролитической диссоциации и свойств растворов электролитов.

17. Вычисление количественых показателей гидролиза солей.

18. Определение электродвижущей силы гальванических элементов.

19. Расчёты процессов электролиза.

Обычно в задачниках по неорганической химии наиболее полно и в ущерб другим типам представлены задачи на стехиометрию реакций и определение концентрации растворов. В данном пособии стехиометрические и концентрационные расчеты представлены в большом числе, но не в ущерб другим типам задач.

По форме расчетные задачи по химии целесообразно классифицировать на прямые, обратные, комбинированные и с межпредметными связями (Н.Ф. Стась. Классификация расчетных задач по химии. В сб.: Материалы региональной научно-практической конференции «Развитие творческого мышления в образовательном процессе». Томск, 1997. – с. 26).

К прямым относятся задачи, решаемые подстановкой данных в условии задачи величин в известную формулу, которая является математическим выражением химического закона или определения. В обратных задачах искомая величина находится в правой части математической формулы и ее необходимо вначале выразить с помощью математических преобразований. Прямые и обратные задачи в данном пособии преобладают по таким элементам содержания дисциплины, которые не изучаются в школьной химии или изучаются, но недостаточно. По элементам содержания, известным студентам по школьному курсу химии, прямые и обратные задачи усложнены приближением их к практическим задачам, которые приходится решать химикам в своей работе.

Комбинированные задачи объединяют материалы двух–трех тем дисциплины. Такие задачи вызывают у студентов повышенный интерес. Поэтому в каждой следующей главе данного пособия комбинированных задач становится больше, так как в них используются материал предыдущих глав.

В последние годы на кафедре общей и неорганической химии ТПУ в методику преподавания вводятся расчетные задачи, которые отражают связь химии с другими дисциплинами. Но в данном пособии таких задач пока немного, поскольку они изданы отдельным сборником [29].

Качественные задачи (упражнения) и теоретические вопросы данного пособия отражают следующийматериал.

1. Формулы и названия химических соединений и минералов.

2. Ядерные реакции.

3. Закономерности изменения свойств атомов, элементов и однотипных соединений согласно расположению элементов в Периодической системе

4. Определение валентных «возможностей» элементов по электронным формулам атомов.

5. Объяснение механизма образования и харатеристик химической связи в молекулах и ионах, а также их пространственно-геометрического строения.

6. Межмолекулярные взаимодействия.

7. Кристаллическое строение твёрдых веществ.

8. Уравнения основно-кислотных реакций и определение направления их протекания сравнением произведений растворимости и констант диссоциации реагентов и продуктов.

9. Уравнения окислительно-восстановительных реакций и определение направления их протекания сравнением окислительно-восстановительных потенциалов полуреакций окисления и восстановления.

10. Формулы и названия комплексных соединений, химическая связь в комплексах, их строение, магнитные свойства и окраска, «поведение» в растворах.

11. Влияние внешних условий на направление смещения химического равновесия обратимых реакций.

12. Кинетические характеристики реакций (тип, молекулярность, порядок).

13. Схемы электролитической диссоциации электролитов.

14. Сопоставление кислот и оснований по их силе.

15. Уравнения гидролиза соединений, усиление и подавление гидролиза.

16. Токообразующие реакции химических источников электроэнергии.

17. Электродные процессы и химические реакции электролиза.

Неорганическая химия охватывает огромный материал, она фактически беспредельна, так как непрерывно углубляется и расширяется. Её основная практическая задача – получение веществ с заданными свойствами в соответствии с потребностями научного и технического прогресса. Желательно, чтобы студент-химик первого курса при изучении неорганической химии «увидел» эту беспредельность знаний и накопил как можно больше информации о химических элементах и соединениях, их строению, свойствах, получению и применению. В тоже время наиболее значимые для технического прогресса свойства и закономерности должны быть усвоены глубоко. В связи с этим важны содержание и форма каждого конкретного задания и ответа к нему, объём индивидуальных домашних заданий.

Преподаватели вузов обычно не придают значения форме задач и упражнений: предполагается, что студентам процесс усвоения знаний интересен уже сам по себе. Действительно, такие студенты есть, но их совсем немного. На первом курсе значительная часть студентов доверяет преподавателю: если преподаватель что-то требует, следовательно, так надо. Но с каждым новым приёмом в вузах возрастает доля студентов-прагматиков. Студент-прагматик хочет и имеет право знать, почему от него требуют усвоения тех или иных знаний, где они ему понадобятся и в каких источниках информации он может их найти. Поэтому в данном пособии мы внесим в некоторые задачи краткую информацию об их практическом значении, а в ответах к сложным и необычным задачам и упражнениям – сведения о том, что необходимо знать или какой материал следует проработать.

Данное пособие предназначено для формирования индивидуальных домашних заданий. Студентам химических направлений и специальностей Томского политехнического университета выдаётся домашнее задание из 50 задач и упражнений, которые распределены по главам следующим образом.

Глава 1. Общие закономерности неорганической химии – 5.

Глава 2. Водород и галогены – 5.

Глава 3. Кислород и халькогены – 6.

Глава 4. Главная подгруппа пятой группы – 6.

Глава 5. Главная подгруппа четвёртой группы – 4.

Глава 6. Главная подгруппа третьей группы – 3.

Глава 7. s-Элементы и их соединения – 4.

Глава 8. Переходные элементы – 16.

Глава 9. Благородные газы – 1.

Варианты домашних заданий составляются при помощи компьютера по программе выбора случайных чисел. В программу работы компьютера внесены такие команды, благодаря которым в соседних вариантах число совпадающих номеров задач и упражнений сведено к минимуму. Компьютеру «запрещено» вносить в вариант номера соседних задач, так как в некоторых случаях они отражают одно и тоже свойство или один и тот же химический процесс и поэтому близки по содержанию. Распечатки вариантов выдаются студентам в начале семестра, а проверка решений проводится по частям в сроки, устанавливаемые календарным планом занятий.

В пособии приведено 150 вариантов индивидуальных заданий, что соответствует числу студентов-химиков первого курса в большинстве университетов. При необходимости можно составить любое дополнительное число вариантов, изменить общее число заданий и их распределение по главам и эленентам содержания.

Индивидуальное домашнеее задание студенты выполняют самостоятельно в свободное от аудиторных занятий время. Оно (задание) является средством организации и контроля самостоятельной работы студентов при изучении химии. Самостоятельная работа студентов становится основной формой учебного процесса в вузах. Этому способствуют: сокращение времени аудиторных занятий, разработка учебных комплексов, наличие бльшого числа учебных пособюий в библиотеках, развитие электронных и дистанционных средств обучения и т.д. В этой связи мы придаём особое значение тому, чтобы в задачниках были методически грамотно сформулированные рекомендации по самостоятельному выполнению заданий и использованию учебной литературы. В этом пособии такие рекомендации имеются по всем заданиям средней и повышенной трудности, а список рекомендуемой литературы содержит 63 источника: это учебники, учебные пособия, сборники задач и упражнений, лабораторные практикумы и справочники.

В наше время учебный процесс в вузах осложняется существованием пунктов типа «Учись легко», «Скорая помощь студенту» и т.п., в которых можно купить готовые решения домашних заданий. Некоторые преподаватели не могут этому противодействовать и поэтому отказываются от выдачи студентам индивидуальных домашних заданий. Это неправильно, поскольку альтернативных, эффективных и проверенных временем средств организации самостоятельной работы студентов не существует. (Таким средством, как мы считаем, является самостоятельная аудиторная работа студентов по расписанию под контролем преподавателей, которая некоторое время существовала в наших вузах, но сейчас в учебных планах её нет, и время аудиторных занятий сокращено до предела). Опытные преподаватели знают и используют несколько способов пресечения попыток купли выполненных домашних заданий и поэтому у них такие случаи крайне редки.

Отзывы, замечания и предложения просим направлять на кафедру общей и неорганической химии Томского политехнического университета по почтовому адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30, ТПУ, кафедра общей и неорганической химии или по е-mail: stanif@mail.ru

Н.Ф. Стась

Глава первая.