Все о решении задач по органической химии

О качественных и количественных характеристиках химических процессов можно получить представление, решая задачи. Овладеть основными методиками и подходами к пониманию алгоритмов последовательности действий стоит не только для того, чтобы сделать химию своей профессией, но и для формирования собственного мировоззрения.

Кратко о предмете и сложности задач

Химические процессы протекают в окружающем пространстве постоянно. Одни вещества превращаются в другие, образуются смеси и растворы. Количество конечного продукта не всегда соответствует по составу и процентному соотношению начальным ингредиентам. В то же время с чистыми веществами человек встречается редко. Для придания им стойкости, практичности и безопасности их соединяют с примесями, удельный вес которых должен быть четко определен.

Научиться решать задачи по химии значит в совершенстве овладеть соответствующей символикой, в которую входят не только специальные обозначения химических веществ и смесей, запомнить формулы, характеризующие те или иные превращения.

Типы задач

Для упрощения пояснений задачи объединяются по группам. В основе классификации лежит не только основной принцип деления химии на органическую и неорганическую, но и, например, по определению процентного соотношения элементов, концентрации растворов, свойств полученных смесей и т.п. Большая группа задач направлена на выявление не столько количественных, сколько качественных показателей. Для решения таких заданий также необходим запас теоретических знаний по особенностям протекания химических превращений.

Химики по характеру превращений делят задачи на прямые и обратные. Кроме того, существует классификация на простые, сложные и комбинированные. Часть из них может быть решена с помощью химического уравнения, другие требуют поэтапного решения, в зависимости от последовательности протекания реакций.

Способы решения

Чтобы в ходе решения были учтены все представленные в задании сведения, в начале полезно составить план. В нем происходит деление на мелкие этапы, из которых в конце формируется один вывод — ответ задачи. При составлении плана используют синтетический и аналитический методы, которые носят противоположный характер. В первом случае из отдельных фактов формируется общая суть, во втором — данное условие раскладывается на составные части. Успешному решению задач по химии содействует знание математических закономерностей.

Задача с примесями

Задача 1. Прокалив 0,4 кг NaNO₃, студент зафиксировал 33,6 л О₂. Определить массовую долю примесей в первичном составе.

Решение задания состоит из этапов:

1. Происходящая реакция имеет вид уравнения:

2NaNO₃=2NaNO₂+O₂↑ 

2. Составляя в соответствие с этим уравнением пропорцию, получаем следующее математическое выражение:

Х г — 33,6 л

170 г — 22,4 л

3. M(NaNO₃)=23+14+16×3=85 г/моль
4. m(NaNO₃)=M×n=85г/моль×2 моль=170 г
5. V(O₂)=22,4 л/моль×1 моль=22,4 л
6. Из пропорции получается:

Х=170 г×33,6 л/22,4 л=255 г

7. Масса примесей определяется так: 400 г–255 г=145 г.
8. Выразить их удельный вес (в процентах) следует так:

ω=145 г∶400 г=0,36=36% — это и есть ответ задачи.

Задача 2. При растворении мрамора массой 11,2 г в соляной кислоте было получено 2,24 л газа. Какова массовая доля примесей в исходном сырье?

Уравнение реакции имеет следующий вид:

CaCO₃+2HCl=CaCl₂+CO₂+H₂O

1 шаг: нужно найти количество СО₂: n(CO₂)=2,24∶22,4=0,1 моль

2 шаг: по уравнению реакции соотношение CaCO₃ и CO₂ в реакции идентично — 0,1 моль. Поэтому масса чистого карбоната определяется так: M(CaCO₃)+0,1×100=10 г. Соответственно масса примесей: 11,2–10=1,2 г.

3 шаг: перевести массу в массовую долю: 1,2/11,2=0,1071 (10,71%).

Ответ задачи: 10,71%

Задача с процентами

Задача 1. Имеется магний в количестве 36 г. Из него получается 128,25 г MgCl₂. Какую долю составляет это количество от теоретически расчетного выхода продукта?

Требуется рассчитать W_вых(MgCl₂), если известно, что M(Mg)=24 г/моль, M(MgCl₂)=95 г/моль.

Решение.

1. Определение количества веществ:

v(Mg)=m(Mg)∶M(Mg)=36г∶24г/моль=1,5 моль

v(MgCl₂)=m(MgCl₂)∶M(MgCl₂)=1,35 моль

2. Составление уравнения реакции:

Mg+Cl₂=MgCl₂

Если молярная масса (M) Mg — 24 г/моль, а MgCl₂ — 95 г/моль, то масса (m) Mg — 24 г, а MgCl₂ — 95 г.

3. Исходя из уравнения реакции, из 1 моля Mg можно получить 1 моль MgCl_2, значит из 1,5 моля Mg — 1,5 моля MgCl₂. Однако на практике получено лишь 1,35 моль. Следовательно, нужно составить пропорцию:

1,5 моль — 100%

1,35 маль — Х

Решая математическое уравнение, получаем W_вых(MgCl₂) равное 90%.

Задача 2. В 50 мл дистиллированной воды поместили 3,9 г металлического калия. Получилось 53,8 г раствора, в котором массовая доля вещества составила 10%. Каков выход в % вещества от рассчитанного теоретически?

Решение.

1. Записываем уравнение химической реакции:

2K+2H₂O=2KOH+H₂

Отсюда видно, что из 2-х молекул К (2 моля, М=39г/моль, m=78г) и двух молекул H₂O (2 моля) образуются 2 молекулы КОН (2 моля, М=56 г/моль, m=112 г и одна молекула Н₂ (1 моль).

2. Рассчитываем массу едкого калия, который получен. Составляем формулу, исходя из массовой доли: W_в-ва=M_в-ва∶M_р-ра×100%. Отсюда M_в-ва= M_р-ра×W_в-ва/100%.
3. В 53,8 г 10%-го раствора: M(KOH)=M_р-ра×W(KOH)/100%=53,8×10%/100%=5,38 г.
4. Из предыдущего действия легко высчитать выход едкого калия:

W_вых(KOH)=5,38/5,6×100%=96%

Задача с избытком

Вещества, вступающие в химические реакции, часто характеризуются избытком либо недостатком. Эти два понятия взаимосвязаны, поскольку, если один из участников реакции в избытке, то второй — обязательно в недостатке, и наоборот.

Задача. Химик провел химическую реакцию, состоящую из соединения 47 г оксида калия и раствора, в котором 40 г HNO₃. Какова масса образовавшейся соли?

Решение.

1. Молекулярные массы вступающих в реакцию и образующихся веществ рассчитываются так:

 M_r(K₂O)=2A_r(K)+A_r(O)=2×39+16=94

M_r(HNO₃)+A_r(H)+A_r(N)+3A_r(O)=1+14+3×16=63

K₂O+2HNO₃=2KNO₃+H₂O

2. Уравнение химической реакции:

В реакции участвуют:

K₂O: 1 моль, 47 г, М=94г/моль, m=94 г

HNO₃: 2 моль, 40 г, М=63г/моль, m=126 г

KNO₃: 2 моль, Х г, М=101г/моль, m=202 г

Для нахождения массы HNO₃ составляем пропорцию:

K₂O 47г — HNO₃ Х

K₂O 94г — HNO₃ 126 г

Получаем Х=63 г

Итак, раз по условию задачи HNO₃ 40 г, а согласно расчетам ее необходимо 63 г, ее недостаточно. Другими словами, K₂O было в избытке.

3. 40 г HNO₃ — Х KNO₃

126г HNO₃ — 202 г KNO₃

Х=64 г

В ответе масса KNO₃ — 64 г.

Задача на смеси

Для решения задач на смеси нужно знать понятия следующей терминологии:

1. Масса смеси всегда состоит из масс входящих в нее компонентов.
2. В случаях соединения нескольких смесей новое вещество имеет массу, которая равна сумме всех составляющих.
3. Растворенное вещество своей массой суммируется с обоими растворами.

Задача. Масса 5%-го раствора кислоты — 3,8 кг. К нему добавили 1,2 кг воды. Какова концентрация нового раствора? Выразить в процентах.

Решение.

• Определить, сколько кислоты содержится в 3,8 кг 5%-го раствора: 0,05×3,8=0,19 (кг).
• Масса нового раствора составляет: 3,8+1,2=5 (кг).
• В новом количестве воды количество кислоты не изменилось, поэтому 0,19:5=0,038.
• Выражая данную цифру в процентах, получаем: 3,8%.

Задача на растворы

Условия задач на растворы могут быть разнообразными. В некоторых в качестве исходных данных даются два раствора различной концентрации. Нужно определить, какая концентрация получится после смешения. В других задачах, напротив, дается концентрация конечного продукта и нужно определить, из каких составляющих он был получен. Рассмотрим пример.

Задача. Учитель на уроке продемонстрировал ученикам два раствора одной и той же кислоты: 20%-й и 40%-й. После их смешивания получился раствор с 32,5%-й концентрацией. Объем нового раствора составил 4 л. Определить, какой объем 20%-го раствора был использован.

Решение. Обозначим Х объем 20%-го раствора. Тогда 40%-го раствора он использовал 4-Х.

Объем кислоты в 20%-м растворе = 20Х/100, в 40%-м — 40×(4-Х)/100.

В условии сказано, что образовалась 32,5%-я кислота. Следовательно, 32,5:100×4=1,3 (л).

Составляем уравнение: 20Х/100+40(4-Х)/100=1,3.

Высчитав Х, получается ответ задачи: 1,5.

Как научиться решать задачи по органической химии

Первым шагом в понимании задач по органической химии является факт, что каждое вещество имеет свою формулу. В ней отражаются составляющие элементы, характер связей между ними. Есть несколько нюансов, знание которых сделает решение задач простым и понятным. Так, углерод всегда имеет валентность 4, у алканов образуются только одинарные связи, у алкенов — двойные, а у алкинов — тройные. Не будет лишним запомнить состав функциональных групп: кислород- и азотсодержащие соединения.

Наиболее часто предлагаемые задачи:

• на составление органических цепочек (для этого используются уравнения);
• на определение состава органического вещества;
• расчетные задачи комбинированного типа.

Чтобы правильно составить условие и изложить решение, необходимо грамотно применять терминологию и условные обозначения.

Если нет времени или не получается овладеть методиками решения, можно найти грамотного и оперативного помощника, например, Феникс.Хелп. Достаточно зайти на ресурс и любая задача будет решена рациональным путем.