Міжпредметні зв’язки на уроках хімії при розв’язуванні хімічних задач (стр. 2 из 5)
Іонні реакції. Хімічні рівняння можна записувати з вказівкою заряду початкових речовин і продуктів реакції (+, –, 0 означають позитивний, негативний і нульовий електричні заряди відповідно; їх поміщають вгорі праворуч від символу хімічного елемента).
Члени рівняння в правій і лівій його частинах, відповідаючі групам атомів однакового складу, несучих однаковий заряд, можна скорочувати, як це прийнято в рівняннях алгебри:
Іон срібла Ag+несе один позитивний заряд; отже, на кожний атом міді, створюючий двохзарядний позитивний іон, повинне доводитися два іони срібла, оскільки суми зарядів в лівій і правій частинах рівнянь повинні бути однаковий. Після скорочення однакових членів в обох частинах рівняння одержуємо рівняння (16), яке виражає хімічні перетворення, що відбулися в реакції. Приведені вище рівняння – це три різні способи представлення однієї і тієї ж хімічної реакції: її молекулярна форма, повна і скорочена іонні форми.
Ядерні реакції. Ядерні реакції можна віднести до хімічних лише вельми умовно, оскільки в них елемент перетворюється на ізотоп того ж елемента або інший елемент. Іноді якась частина речовини в ядерній реакції зникає, і цей процес супроводжується тим, що вивільняється величезної кількості енергії; такі процеси відбуваються при вибуху атомної бомби або в ядерному реакторі. Звичайно в рівняннях ядерних реакцій фігурують нейтрони (
), протони ( 
), електрони ( 
) ?-частицы ( 
) ?-лучи ( 
) і позитрони ( 
). Верхній лівий індекс позначає масу частинки, а нижній лівий – її заряд. Приведемо рівняння типових ядерних реакцій: 
Суми верхніх індексів в лівій і правій частинах рівняння повинні бути однаковими; те ж саме відноситься до нижніх індексів. Може показатися, що маса речовини в ході ядерних реакцій (17)–(19) не змінюється. Насправді ж унаслідок взаємодії елементарних частинок в ядрі і зміни їх маси спокою у продуктів маса може виявитися трохи менше ніж у початкових речовин. Саме із зникненням цієї незначної кількості речовини, яка перетворюється на енергію згідно рівнянню Ейнштейна Е = mc2, і зв'язана руйнівна сила ядерного вибуху. Протікаюча при цьому реакція описується рівнянням (19). В рівнянні (17)
((криптон ) випускає нейтрон з утворенням ізотопу з тим же атомним номером (36), але масою, меншою на одиницю.Окислювально-відновні реакції. В ході окислювально-відновної реакції міняється заряд елементів (їх ступінь окислення), що і враховується при написанні рівняння. Втрата електрона називається окисленням, а придбання – відновленням.
Число відданих і набутих в ході реакції електронів повинне бути однаковим, і виходячи з цього встановлюються співвідношення між всіма учасниками реакції.
Розглянемо реакцію:
Наведемо складніший приклад – окислювально-відновну реакцію між міддю і концентрованою азотною кислотою:
В ході цієї реакції Сu0 втрачає 2 електрони, перетворюючись на іон Сu2+, а N5+ приймає 1 електрон, перетворюючись в N4+. Щоб зрівняти число відданих електронів з числом придбаних, вводимо коефіцієнт 2 перед NO2 в правій частині, а щоб число атомів азоту при цьому залишилося колишнім, умножаємо HNO3 в лівій частині на 2. Cu(NO3)2 в правій частині містить два іони ступінь окислення N в яких рівний +5. Щоб зберегти число іонів в лівій частині з тим же ступенем окислення, додаємо в лівій частині 2 молекули HNO3. Далі, щоб зрівняти 4H+, що містяться в молекулах HNO3, записуємо в правій частині 2H2O. В лівій частині маємо 3?4 = 12 іонів кисню, що містяться в кислоті. Ці 12 іонів кисню присутні і в правій частині: 2 у воді, 4 в NO2 і 6 в нітраті міді Cu(NO3)2. Аналогічним чином можна записувати будь-кого, складніші рівняння.
Застосування. Хімічні рівняння використовуються хіміками-технологами при розрахунку характеристик виробничих процесів. Так, з їх допомогою визначається кількість реагентів (сировини), необхідне для отримання даної кількості продукту.
1.2 Математичні методи в аналітичній хімії
Хімія аналітична, – це наука про методи визначення хімічного складу речовин. Рішення аналітичних задач включає декілька стадій:
Постановка задачі. Ця неістотна на перший погляд стадія насправді дуже важлива. Припустимо, потрібно визначити кількість ртуті у водоймищі. А що саме мається на увазі під словом «ртуть»? Це може бути вся ртуть, незалежно від конкретної хімічної форми, або всі органічні сполуки ртуті (наприклад, диметилртуть), або всі її неорганічні з'єднання, або вся ртуть певною мірою окислення, або ідентифікація всіх ртутних з'єднань і визначення їх кількості. Аналогічним чином йде справа і з «водоймищем». Чи слід обмежити визначення розчиненою ртуттю або розглянути зважені у воді тверді частинки, мул на дні водоймища, що мешкають у воді тварин і рослини? Потрібно врахувати і тривалість аналізу: чи достатньо одиничне визначення, або буде потрібно розрахувати середню величину з результатів декількох вимірювань, зроблених протягом одного дня, а може бути, і цілого року. Відповіді на ці питання визначать характер всього аналізу.
Вибір методу. Метод аналізу вибирають виходячи з поставленої задачі, розмірів об'єкту і зразка, змісту визначуваних речовин, наявності домішок, необхідної точності результатів і наявного устаткування; враховують також можливу тривалість і вартість аналізу. Розглянемо, наприклад, два випадки визначення свинцю. В першому – за наслідками аналізу встановлюють вартість переробки руди, яка залежить від змісту свинцю. Є великий зразок, концентрація свинцю в ньому висока, відповідь необхідна точний. В другому випадку потрібно визначити, чи забруднений свинцем метал, з якого виготовлена старовинна монета. Зміст свинцю низький, потрібна лише приблизна його оцінка, в ході аналізу сама монета не повинна постраждати. Зрозуміло, що ці випадки вимагають різного підходу. Для аналізу зразка руди можна застосувати такі методи, як гравіметрія або титрування. Для монети буде потрібно іншій, щадний (неруйнуючий) метод, наприклад флуоресценція в рентгенівському промінні.
Відбір зразка. Для різних аналітичних методів потрібні, звичайно, і різні по величині зразки – в кількості від нанограмів (1 нг = 10–9 г) до декількох грамів. Навряд чи можливо цілком проаналізувати об'єкт, який важить набагато більше, ніж вимагає вибрана для аналізу методика. В цих випадках відбирають зразок, або пробу, речовини. Ця проба повинна бути репрезентативною, тобто адекватної всьому об'єкту або тій його частині, яка представляє найбільший інтерес. В приведеному вище прикладі з ртуттю у водоймищі постановка задачі визначає і спосіб відбору проби.
Підготовка зразка до аналізу. Якщо кількісні вимірювання проводять в розчині, зразок розчиняють у відповідному розчиннику; при цьому концентрацію зразка підбирають так, щоб вона знаходилася в межах застосовності методу. Іноді доводиться виділяти визначувану речовину з суміші, оскільки багато методів аналізу неспецифічні і навіть неселективні. Специфічним називають метод, за допомогою якого визначається тільки конкретна речовина, а селективним – переважний для даної речовини метод, користуючись яким можна визначати і інші речовини. Специфічних методів дуже мало, селективних – значно більше. Наприклад, високо-селективні мас-спектрометрія і імунологічний аналіз.
Вимірювання. Щоб визначити кількість аналізованої речовини або його склад, виміряють яку-небудь його фізичну величину: кількість речовини, витраченої або утворилося в результаті хімічної реакції; швидкість реакції; інтенсивність поглинання, випуски або розсіяння світла; струм, що виникає в ході окислювально-відновних процесів; кількість тепла, що виділилося або поглиненого, і т.д. Знаючи зв'язок між результатами вимірювань і тими величинами, які цікавлять дослідника, а також порівнявши ці результати з відповідними стандартами, встановлюють кількість визначуваної речовини або його склад.
Інтерпретація результатів. Коли результати вже отримані, може виникнути ряд питань: чи вирішена поставлена задача? як проводити подальші дослідження? Не виключено, що для отримання більш точних результатів потрібно удосконалити методику аналізу.
Робочі криві. Робоча крива – це графічна залежність, що зв'язує концентрацію визначуваної речовини з тим параметром, який вимірюється в ході аналізу (оптичною густиною, інтенсивністю флуоресценції, електродним потенціалом, швидкістю реакції і т.д.). Масштаб координатних осей – лінійний або логарифмічний – вибирається залежно від конкретного експерименту. Логарифмічні осі використовують, зокрема, при зміні концентрації в широких межах. Якщо потрібні більш точні результати, переважні лінійні осі і вузькі інтервали концентрації. Для побудови робочої кривої спочатку готують стандартні зразки відомої концентрації. Потім для кожного з них виміряють той або інший параметр і відкладають його значення у вигляді крапки проти відповідної концентрації. По крапках проводять плавну криву, на яку крапки лягають найкращим чином. Для цього використовують яку-небудь відповідну математичну функцію або емпіричну залежність. Потім виміряють той же параметр для досліджуваного зразка і по робочій кривій визначають його концентрацію (мал. 1).