157

НАИБОЛЕЕ СЛОЖНЫЕ ТЕМЫ

ШКОЛЬНОГО КУРСА ХИМИИ

В ЗАДАНИЯХ ЕГЭ

Учебно-методическое пособие

Нижний Новгород

2012

Печатается по решению научно-методического экспертного совета

ГБОУ ДПО НИРО «Нижегородский институт развития образования»

(экспертное заключение № от .2012)

Асанова Л.И. Наиболее сложные темы школьного курса химии в заданиях ЕГЭ: учебно-методическое пособие. – Н.Новгород: НИРО, 2012. – 157 с.

Учебно-методическое пособие содержит методические рекомендации по изучению тем школьного курса химии, освоение которых традиционно вызывает сложности у учащихся: скорость химических реакций, химическое равновесие, окислительно-восстановительные реакции, электролиз, генетическая связь между различными классами неорганических и органических соединений, решение расчетных задач.

В пособие включены дидактические материалы в формате ЕГЭ по указанным темам.

Пособие адресовано учителям химии, студентам и преподавателям химических специальностей педвузов. Кроме того, оно может быть использовано учащимся 10 – 11 классов при подготовке к ЕГЭ по химии.

Автор-составитель:

Л.И. Асанова, канд. пед. наук, доцент кафедры естественнонаучного образования ГОУ ДПО НИРО «Нижегородский институт развития образования»

Ответственный за выпуск: Л.И. Асанова

Рецензенты: Л.С. Чернышова, канд. пед. наук, доцент кафедры общей химии и методики преподавания химии ГОУ ВПО НГПУ,

В.Е. Лелеков, канд. хим. наук, доцент, заведующий кафедрой химии ГОУ ВПО ННГСА

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие….................................................................................................	5
1. Скорость химической реакции. Химическое равновесие……….….	6
1.1. Общие представления …………………………………………......	6
1.2. Примеры заданий по теме «Скорость химической реакции. Химическое равновесие» и комментарии к их решению.. …………..	10
1.3. Задания для самостоятельной работы по теме «Скорость химической реакции. Химическое равновесие» ………….………..…	14
2. Гидролиз…………………………………………………...………………	17
2.1. Общие представления ……………………………………..………	17
2.2. Примеры заданий по теме «Гидролиз» и комментарии к их решению …………..………………………………………………….…	22
2.3. Задания для самостоятельной работы по теме «Гидролиз».…….	26
3. Окислительно-восстановительные реакции ………………...………	29
3.1. Общие представления………………………………………….…..	29
3.2. Окислительно-восстановительные реакции с участием органических веществ…………………………………………………..	40
3.3. Примеры заданий по теме «Окислительно-восстановительные реакции» и комментарии к их решению.. …………………….………	50
3.4. Задания для самостоятельной работы по теме «Окислительно-восстановительные реакции»	54
4. Электролиз………………………………………………………..……….	61
4.1. Общие представления ……………………………………………..	61
4.2. Примеры заданий по теме «Электролиз» и комментарии к их решению.. ……………………………………………………………….	64
4.3. Задания для самостоятельной работы по теме «Электролиз» .….	68
5. Генетическая связь между различными классами неорганических веществ ..............................................................................	70
5.1. Общие представления ……………………………………………..	70
5.2. Примеры заданий по теме «Генетическая связь между различными классами неорганических веществ» и комментарии к их решению.. …………………………………………………………....	71
5.3. Задания для самостоятельной работы по теме «Генетическая связь между различными классами неорганических веществ»….…..	68
6. Генетическая связь между различными классами органических веществ ……………………………………………………………………....	96
6.1. Общие представления …………………………………………..…	96
6.2. Примеры заданий по теме «Генетическая связь между различными классами органических веществ» и комментарии к их решению.. …………………………………………………………….....	97
6.3. Задания для самостоятельной работы по теме «Генетическая связь между различными классами органических веществ»………...	102
7. Расчетные задачи высокого уровня сложности ..…………...……….	122
7.1. Задания С4…………………………………………………………..	122
7.1.1. Общие представления…………..………………………….…	122
7.1.2. Примеры заданий С4 и комментарии к их решению.. …..…	124
7.2. Задания С5……………………………………………………..…....	139
7.2.1. Общие представления …………………………………….….	139
7.2.2. Примеры заданий С5 и комментарии к их решению...….….	142
7.3. Задания для самостоятельной работы по теме «Расчетные задачи высокого уровня сложности»………..…………………..……..	146
Список литературы………………………….……………….…….……….	156

Предисловие

Анализ результатов ЕГЭ по химии позволил сделать вывод, что у школьников традиционно возникают затруднения при выполнении заданий, относящихся к следующим темам школьного курса: скорость химической реакции; химическое равновесие; гидролиз солей; окислительно-восстановительные реакции; химические свойства и способы получения основных классов неорганических и органических веществ; генетическая связь между классами неорганических и органических веществ; решение расчетных задач (в особенности высокого уровня сложности). Определенные проблемы теоретического и методического характера в процессе обучения школьников возникают также и у учителей химии, осуществляющих подготовку учащихся к экзамену.

Данное пособие содержит теоретические и методические материалы, которые помогут учителю и учащимся преодолеть трудности при изучении перечисленных наиболее сложных тем школьного курса химии. По каждой теме представлены примеры заданий в формате ЕГЭ различного уровня сложности и даны комментарии к их решению с учетом типичных ошибок учащихся. Кроме того, пособие содержит задания для самостоятельной работы по всем темам и ответы к ним.

Особый акцент делается на заданиях С1 – С5 высокого уровня сложности контрольной работы ЕГЭ, успешное выполнение которых требует прочного усвоения учащимися указанных тем школьного курса химии.

Пособие адресовано учителям химии, студентам и преподавателям химических специальностей педвузов. Кроме того, оно может быть использовано учащимся 10 – 11 классов при подготовке к ЕГЭ по химии.

1. СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ.

ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ

1.1. Общие представления

Формирование понятий о скорости химической реакции и химическом равновесии необходимо для понимания учащимися фундаментальных законов протекания химических процессов и научных принципов производства различных неорганических и органических веществ.

Скорость химической реакции

Тема «Скорость химической реакции» - одна из наиболее сложных в школьном курсе химии. Это связано со сложностью самого раздела физической химии - химической кинетики.

В школьном курсе химии процессы превращений веществ в основном рассматриваются с использованием представлений о скорости химической реакции на качественном уровне, а количественные характеристики очень упрощены и не всегда корректны. Отметим, что в последние годы задания, связанные с понятием скорости химической реакции, представлены в контрольных работах ЕГЭ по химии на базовом уровне сложности и не требуют количественных расчетов. Для выполнения этих заданий достаточно применения знаний на качественном уровне («больше», «меньше», «возрастает», уменьшается» и т.п.).

Напомним основные теоретические положения химической кинетики.

Скорость реакции v - количественная характеристика быстроты протекания химической реакции

А + В → D + E

Скорость реакции определяет скорость взаимодействия частиц реагента А и В или скорость образования продуктов D и E.

В гомогенных (однородных) системах (в растворе или в газовой фазе) скорость химической реакции определяется изменением молярной концентрации одного из реагирующих веществ в единицу времени:

,

где С₁ и С₂ - молярные концентрации веществ в моменты времени t₁ и t₂ соответственно. Знак (+) используют в том случае, если скорость определяется по продукту реакции (его концентрация в процессе реакции увеличивается), знак (–) – по исходному веществу (его концентрация в процессе реакции уменьшается). Если в реакции участвует несколько веществ, то скорость можно выражать через концентрацию любого из них, т.к. концентрации остальных веществ связаны с ней стехиометрическими соотношениями. Скорость реакции обычно выражают в моль / л^-1• с^-1.

Согласно теории столкновений, химические реакции происходят при столкновении молекул реагирующих веществ. Поэтому скорость реакции зависит от числа столкновений и, кроме того, определяется вероятностью того, что столкновения приведут к превращению. Число столкновений определяется концентрациями реагирующих веществ, а вероятность реакции - энергией сталкивающихся молекул.

Напомним факторы, влияющие на скорость химических реакций.

1. Природа реагирующих веществ. Реакции протекают в направлении разрушения менее прочных связей и образования веществ с более прочными связями. Поэтому знание типа химических связей и строения молекул реагирующих веществ необходимо для того, чтобы предсказать, с какой скоростью будет протекать реакция. Например, для разрыва связей в молекулах с ковалентными неполярными связями H₂ и N₂ требуются высокие энергии, и скорость взаимодействия между этими веществами мала. Для разрыва связей в сильнополярных молекулах HCl и H₂O требуется меньше энергии, и скорость реакции с их участием значительно выше. Отметим, что реакции между ионами в растворах электролитов протекают практически мгновенно.

2. Концентрация реагирующих веществ. Согласно теории столкновений, столкновения молекул реагирующих веществ с увеличением концентрации происходят чаще, поэтому скорость реакции возрастает.

Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ описывается законом действующих масс (К. Гульдберг, П.Вааге, 1867г.):

Скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.

Так, для одностадийной реакции

aA + bB + . . . → продукты

скорость будет выражаться уравнением:

v = k ∙ С ∙ С ∙ . . .

Здесь k – коэффициент, называемый константой скорости, a и b – показатели порядка реакции по реагентам А и В. Константа реакции зависит от природы реагирующих веществ, температуры и катализатора, но не зависит от концентраций реагентов. Физический смысл константы скорости заключается в том, что она равна скорости реакции при концентрациях реагирующих веществ, равных единице.

Большинство химических реакций состоит из нескольких стадий, называемых элементарными реакциями. Элементарная реакция – это единичный акт взаимодействия или превращения частиц, в результате которого образуются новые частицы продуктов или промежуточных соединений. Число частиц, участвующих в молекулярной реакции, называется молекулярностью реакции. Элементарные реакции бывают только трех типов – моно-, би- и тримолекулярные. Доказано, что вероятность одновременного столкновения более чем трех частиц крайне мала. Сложная реакция состоит из нескольких элементарных реакций, совокупность которых определяет ее механизм. По уравнению химической реакции нельзя определить, является реакция элементарной или сложной.

Для сложных реакций показатели порядка реакции почти никогда не равны стехиометрическим коэффициентам и определяются только экспериментально.

Для гетерогенных реакций концентрация твердой фазы в выражение скорости реакции не входит. Скорость гетерогенной реакции зависит также от величины поверхности соприкосновения между реагирующими веществами: увеличение поверхности соприкосновения (например, за счет измельчения твердых веществ) приводит к увеличению скорости реакции.

3. Температура. При повышении температуры на каждые 10^оC скорость реакции возрастает в 2 - 4 раза (Правило Вант-Гоффа). При увеличении температуры от t₁ до t₂ изменение скорости реакции можно рассчитать по формуле:

Здесь v₂ и v₁ - скорости реакции при температурах t₂ и t₁ соответственно; γ - температурный коэффициент данной реакции).

Правило Вант-Гоффа - эмпирическое и применимо только в узком интервале температур. Более точным является уравнение Аррениуса:

k = A ∙ e ^–Ea/RT

где

A - постоянная, зависящая от природы реагирующих веществ;

R - универсальная газовая постоянная [8,314 Дж/(моль ∙ К) = 0,082 л ∙ ∙атм/(моль • К)];

E_a - энергия активации, т.е. энергия, которой должны обладать сталкивающиеся молекулы, чтобы столкновение привело к химическому превращению.

Чем больше энергия активации E_a, тем сильнее возрастает скорость реакции при увеличении температуры.

4. Катализаторы. Катализаторы - вещества, которые участвуют в реакциях и увеличивают ее скорость, оставаясь к концу реакции неизменными. Механизм действия катализаторов очень сложен и связан с уменьшением энергии активации реакции за счет образования промежуточных соединений - комплексов. При гомогенном катализе реагенты и катализатор составляют одну фазу (находятся в одном агрегатном состоянии), при гетерогенном катализе - разные фазы (находятся в различных агрегатных состояниях). Вещества, позволяющие резко замедлить протекание нежелательных химических процессов, называются ингибиторами (явление «отрицательного катализа»).

Отметим, что для катализаторов характерна избирательность (селективность) действия. Это означает, что определенный катализатор, изменяя скорость одной реакции, совершенно не оказывает влияния на скорость какой-либо другой реакции.

Катализаторы играют огромную роль в химии и биологии. Практически все биохимические превращения, происходящие в живых организмах, протекают под действием катализаторов – ферментов.