Нестандартні творчі задачі з хімії

Найбільш привабливими вважаю задачі в яких у красивій словесною упаковці (наприклад, про якусь життєву ситуацію), закладене просте рішення, знайти яке можливо лише спираючись на глибокі знання з хімії. Наприклад:

Задача І.

Юний хімік проводив перший у своєму житті  дослід: нагрівав суміш заліза та сірки. Для  реакції  він  взяв 7 г заліза і 4 г сірки, старанно відваживши їх на шкільних терезах. Зваживши продукт реакції – речовину темного кольору, він не повірив своїм очам: її маса була лише 10 г, тобто на 1 г менша, ніж маса вихідних речовин. Знову і знову повторював він дослід, отримуючи незмінний результат: безслідно зникав 1 г маси.

 Юний хімік підійшов до вчителя: “Я спростував закон збереження маси речовин”, –  скромно повідомив він...

Поясніть результати експерименту. Яку помилку допустив юний хімік?

(Учням складно вийти за межі добре відомого рівняння реакції:

Fe + S = FeS

Але маса ферум (ІІ) сульфіду повинна дорівнювати 11, а не 10 грамів. Оскільки експеримент повторювався неодноразово, можливість помилки у визначенні маси слід відкинути, і з’ясувати, де могла відбутися втрата речовини. Сірка могла окиснитися киснем повітря, і виділитися у вигляді сірчистого газу:

S + O₂ = SO₂

Але тоді маса залишку мала б бути не 10, а 7 грамів. Отже залізо приєднало кисень повітря, утворивши оксид, у якому на 7г Феруму  припадає 3 г Оксигену. За цими даними визначаємо формулу речовини. Шуканий оксид – Fe₃O₄

3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄

Помилка юного хіміка: перевіряючи дійсність закону збереження маси, необхідно було виключити можливість втрат речовини, наприклад, проводячи реакцію у замкненому об’ємі).

Увагу та інтерес учнів викликають задачі, тексти яких несуть нові, невідомі факти та відомості про речовини, реакції, теорії, що вивчаються на уроках. Це можуть бути відомості з історії хімії, використання хімічних методів в інших галузях знань

Задача І.

Відомий шведський хімік О. Бергман звернувся в аптеку з претензією щодо низької якості проданої йому натрієвої селітри: після прожарювання вона давали при взаємодії з кислотами якісь бурі пари. Аптекар, відомий своєю добросовісністю, не міг пояснити таку поведінку селітри, і був готовий з вибаченнями повернути отримані гроші. Правильне пояснення дав учень аптекаря К. Шеєле, що став пізніше відомим хіміком.

Чи зможете ви повторити його міркування?

(Учням відома реакція розкладу нітратів при нагріванні:

2NaNO₃ = 2NaNO₂ + O₂

При дії кислот на солі відбувається реакція обміну:

    NaNO₂ + HCl = 2NaCl + HNO₂

 Реакція розкладання нітратної кислоти:

   2 HNO₂ = NO + NO₂ + H₂O

NO₂ і утворює бурі пари, які так здивували Бергмана).

Задача ІІ.

Випускнику коледжу, який недавно поступив на роботу, доручили отримати 400,00 г хлориду металу. Для цього 300,27 г оксиду цього металу необхідно було відновити коксом, продукт реакції обробити HCl. Випускник вирішив отримати п’ятикратну кількість хлориду, про запас. Оскільки в його розпорядженні потрібної кількості оксиду не виявилося, він зібрав його по п’яти інших лабораторіях і приступив до синтезу...

Коли члени державної комісії по ліквідації наслідків катастроф пробралася на місце події, замість інституту вони побачили глибоку воронку. Про сполуки якого металу йшла мова в задачі?

(Молярну масу металу знаходимо за формулою:

де А – молярна маса металу,  х – ступінь окиснення в хлориді,   а (х+n) – в оксиді металу. А=235. Шуканий метал – Уран-235).       

Важливою ланкою розвитку творчого мислення учня становлять завдання, що містять певну суперечність, проблему, яку дитина може розв’язати на основі наявних теоретичних знань, або під час самостійного опрацювання матеріалу з метою здобуття нових знань. Наприклад при вивченні теми “Кисень. Оксиди. Горіння”, можна запропонувати слідуючи задачі: 

        Задача І.

На одній з площ Лондона стоїть пам’ятник: вчений тримає у руках збільшувальне скло. Це пам’ятник не біологу, який спостерігає мікроорганізми, не фізику, який вивчає будову збільшувальних приладів. Це – пам’ятник хіміку XVIII ст.

Якому вченому встановлено цей пам’ятник,  яку функцію виконує збільшувальне скло в руках вченого, адже сучасні хіміки практично не використовують це приладдя?

(У 1774 році англійський хімік і філософ Джозеф Прістлі відкрив кисень нагріваючи червоний оксид ртуті з допомогою збільшувального скла, яким спрямовуючи на нього сонячні промені).

Задача ІІ.

Чому, щоб загасити сірник і розпалити багаття ми виконуємо одну й ту ж саму дію: дмухаємо на них?

( Учням відомі умови виникнення і припинення горіння. Дмухаючи на сірник ми знижуємо його температуру нижче температури займання, і сірник гасне. Знизити температуру багаття таким чином неможливо, в даному випадку рух повітря забезпечує додаткове надходження кисню, тому багаття розгорається).

 Задача ІІІ. Для гасіння пожеж часто використовують воду. Але якщо полити вугілля, яке горить невеликою кількістю води, це тільки підсилить горіння. Поясніть це явище.

( реакція утворення водяного газу учням ще невідома, але користуючись довідковою літературою вони легко зможуть її знайти:

С +Н₂О = СО + Н₂

Продукти реакції – горючі речовини:

2СО + О₂ = 2СО₂

2Н₂ + О₂ = 2 Н₂О ).

З метою розвитку мислення і творчої ініціативи учнів на уроках хімії, я використовую оповідання-задачі. Вони не лише зацікавлюють дітей, а й привчають їх до самостійної роботи з додатковою літературою, розвивають творчу ініціативу, спонукають до застосування знань. Ці оповідання частково знаходжу в книзі  Ю. Ходакова “Оповідання-задачі з хімії”, частково складаю сама.

Задача І.

Іноді в гірських селищах можна спостерігати дивну картину: жінки беруть пусті глеки і по крутим гірським стежкам ідуть за водою, іноді навіть за кілька кілометрів. А дивне те, що в самому поселенні, часто навіть в самому центрі його, є колодязь.

Що змушує жінок нехтувати цією водою і йти до джерела?

     Задача ІІ.

Історики наводять багато можливих причин занепаду Римської імперії. Хіміки ж стверджують, що однією з причин було систематичне отруєння свинцем: останки стародавніх римлян, знайдені під час розкопок, містять значні кількості цього елементу. Саме “завдяки” йому середня тривалість життя римлян не перевищувала 25 років. Як потрапив цей елемент в організм людей?

Задача ІІІ.

Великий завойовник Олександр Македонський гордився своїми воєначальниками, і тому були причини.

Коли прості солдати хворіли на дизентерію, інші хвороби, їхні начальники залишалися цілком здоровими. Пояснювали вони це силою духу, адже їли всі одну страву з одного казана, разом ділили всі тяготи похідного життя. Єдиною відмінністю був особистий посуд: глиняна або дерев’яна миска у простого воїна і срібна у знатного.

Не могла ж ця срібна тарілка стати причиною високою стійкості організму воєначальника проти інфекції! А як  ви  гадаєте?

(Відповідь на всі три загадки одна: мова йде про властивості води як  розчинника. Вода, яку ми п’ємо завжди містить певну частку домішок. Це можуть бути шкідливі речовини, як сполуки свинцю, що стали причиною хронічного отруєння організму давніх римлян. А от мізерні кількості срібла знезаражують воду, саме срібний посуд врятував полководців Олександра Македонського від хвороб).

Урізноманітнити завдання з хімії допомагають літературні твори. “Оповідання про Шерлока Холмса”, “Таємничий острів”, “Граф Монте-Крісто”, хто з нас не зачитувався цими прекрасними книжками? Для дитини буде цікаво виявити, що герої цих творів теж мали справу з хімією.

Задача І.

Ви помиляєтеся на уроках хімії? Нехай вас хоч трохи втішить те, що  й інші люди, навіть дуже відомі та шановані, теж іноді помиляються. Ось хоча б Шерлок Холмс,  славетний детектив, автор кількох праць з хімії. Лише послухайте, що він говорить в оповіданні “Скандал в Богемії” своєму другові, доктору Ватсону: “Якщо в мою кімнату входить джентльмен, що пропах хлороформом, якщо на вказівному пальці правої руки у нього чорна пляма від азотної кислоти... я маю бути повним ідіотом, щоб не визнати у ньому представника медицини”. Які помилки допустив Холмс?

(Одразу зрозуміло, що ймовірні помилки можуть критися в описі властивостей двох хімічних речовин, про які йде мова в оповіданні. Озброївшись довідником, учні легко виявлять, що азотна кислота залишає на шкірі не чорні, а жовті плями. Реакція азотної кислоти з білками так і називається – ксантопротеїнова (ксантос –  означає жовтий).Можна її провести капнувши азотною кислотою на будь-який білок, наприклад яєчний, –  з’явиться жовте забарвлення. Крім того, представнику лікарської професії не властиво мати справу з  азотною кислотою. Чорна пляма на його руці могла з’явитися не від азотної кислоти, а від азотнокислого срібла, ляпісу, або “пекельного каменя”, як його називали в давнину. Ця  речовина,  яку  лікарі  застосовували  як  засіб  для припікання, на  світлі  розкладається, утворюючи  частинки  срібла  чорного  кольору.

В  висловлюванні  знаменитого  детектива  є  ще  одне  сумнівне  місце. Він  говорить  про  запах  хлороформу, але  ж  ця  речовина  використовується  для  загального  наркозу  при  складних  операціях: Ватсон  же  такими  операціями  не  займався. Швидше  за  все  від  нього можна  було  відчути  запах  йодоформу – поширеного  знезаражуючого  засобу. Назви цих речовин схожі, а от запах вони мають зовсім різний).

Задача ІІ.

В  романі  Олександра Дюма “Граф Монте-Крісто” знаходимо слідуючий уривок :

“Існує  отрута, яка вбиває, не залишаючи майже ніяких слідів. Є спосіб переконатися в наявності цієї отрути. Вона повертає синій колір лакмусовому папірцю, забарвленому кислотою в червоний колір, і забарвлює в зелений колір фіалковий сироп.

Лікар повільно налив кілька крапель лимонаду в чашку з фіалковим сиропом. В ту ж мить сироп на дні чашки змінив колір: спочатку став синім, як сапфір, потім набув кольору опалу, з опалового став смарагдово-зеленим і таким залишився.

     - Це отрута, – сказав лікар, - тепер я готовий присягнути в цьому перед богом і людьми”.

?        Яку реакцію – кислу чи лужну, мав лимонад?

?        Як ви гадаєте, чи справедливими були слова лікаря про те, що в лимонаді отрута, лише на тій підставі, що він змінив колір індикатора? 

(Лакмус – відомий кожному школяреві індикатор, який допомагає визначити реакцію середовища, і відрізнити кислоту від лугу. Індикаторами є також деякі рослинні барвники. Сік фіалки теж є індикатором. За допомогою фіалкового сиропу лікар міг лише встановити, що лимонад мав невластиву йому лужну реакцію, але визначити наявність отрути він таким чином не міг).

Задача ІІІ.

В романі Ж. Верна “Таємничий острів” колоністи виплавляли залізо слідуючим способом: “...руду і вугілля складали шарами. Після завантаження сировини під дією притоку кисню повітря вугілля згорало, перетворюючись на вуглекислий газ. Вуглекислий газ, діючи на оксид заліза руди, відбирає в нього частинки кисню і таким чином перетворює його на чисте залізо”.

Які неточності допустив Ж. Верн в даному описі?

(Вуглекислий газ СО₂ не має відновних властивостей, відновником виступає чадний газ – СО; руда містить не лише оксид заліза, але й домішки інших речовин, що не містять заліза; при виплавці, що здійснюється таким чином, неможливо отримати чисте залізо, внаслідок розчинення надлишку Карбону в металі, колоністи отримали не залізо, а чавун).

Надзвичайно велике значення має використання задач, що розкривають значення хімії в практичній діяльності людини, використання хімічних речовин у різноманітних сферах життя.

Задача І.

У роки ІІ Світової війни американські льотчики вперше використали винахід, який і сьогодні може стати в пригоді у випадку аварійних ситуацій. Це – сигнальні кулі, які при потраплянні у воду наповнюються воднем. Всередині них знаходиться речовина, яка взаємодіє з водою з утворенням водню.

 Яку речовину ви можете запропонувати, щоб маючи мінімальну масу, вона давала найбільший об’єм цього газу.

(Дану задачу кожен учень буде виконувати, відповідно до рівня своїх знань та здібностей. Найочевиднішим буде запропонувати в якості шуканої речовини якийсь з лужних, або лужноземельних металів. Найбільший об’єм водню дасть той метал, який має найменшу молекулярну (точніше – найменшу еквівалентну) масу, тобто літій:

2Li + 2H₂O = 2LiOH + H₂                (2 моль літію – 1 моль водню)

Але гідрид літію (на це вкажуть лише учні, які додатково займаються хімією) забезпечить отримання значно більшого об’єму водню, ніж металічний літій:

LiН + H₂O = LiOH + H₂                 (1 моль гідриду літію – 1 моль водню)

  При взаємодії з водою одного кілограму даної речовини утвориться 2800 л Н₂).

Задачі, які висвітлюють практичне значення хімії можуть пожвавлюватися образами вигаданих комічних персонажів: нового українця Стецька, фермера-початківця Грицька, чи  домогосподарки Параски, які (на відміну від учнів), хімію не знають і через це потрапляють у різноманітні неприємні ситуації. Наведу приклади подібних задач:

Задача І.

Восени фермер-початківець Грицько вирішив, що називається вбити двох зайців одразу: внести суперфосфат та провести вапнування кислого ґрунту. Однак навесні виявилося, що вся робота була даремною, результат титанічних зусиль виявився мізерним. Чому?

(Учні 10 класу знають формули суперфосфату і вапна і можуть передбачити перебіг слідуючої реакції:

Са(Н₂РО₄)₂ + 2Са(ОН)₂ = Са₃(РО₄)₂ ↓+ 4Н₂О

Відбулася нейтралізація кислої солі основою, в результаті реакції  суперфосфату з вапном утворилася лише низькоякісна, нерозчинна фосфоритна мука)  

Задача ІІ.

Фермер-початківець Грицько для боротьби з фітофторою, яка викликає захворювання багатьох рослин, вирішив скористатися бордоською сумішшю. Для її приготування йому знадобився 7%-овий розчин СuSO₄, але в наявності були лише яскраво-сині кристали мідного купоросу. Змішавши 70 г купоросу й 1 л води, Грицько замислився, а чи отримав він розчин потрібної концентрації?

(Мідний купорос – одна з найвідоміших юним хімікам солей, завдяки простоті вирощування з його розчину гарних кристалів. Та не всі звертають увагу, що яскраво-сині кристали мідного купоросу по суті є твердим розчином, бо містять кристалізаційну воду. Формула мідного купоросу: СuSO₄´5Н₂О. Розв’язувати задачу зручно за “правилом хреста”, представивши мідний купорос як 64%-овий розчин СuSO₄. Тоді для приготування 7%-ового розчину воду і мідний купорос слід змішувати у пропорції 57:7, тобто до 1 л води необхідно додати 123 г мідного купоросу).

Задача ІІІ.

З розрахунками Грицьку допоміг його сусід – 8-класник Сашко, який вже не один рік захоплювався хімією. Тепер до справи. Фермер взяв оцинковане відро, відміряв необхідну кількість солі та води, і пішов у сарай за вапном. Що він побачив, повернувшись?

(Властивість солей реагувати з металами відома навіть восьмикласникам. Відбулася реакція:

Zn + СuSO₄ = Zn SO₄+ Сu

Мідь осіла на стінках відра, а блакитний розчин СuSO₄ знебарвився, внаслідок утворення безбарвного Zn SO₄).

Особливу увагу я приділяю якісним задачам – практично єдиному виду хімічних задач, розв’язання яких не вимагає математичної підготовки. В той же час це, напевно – один з найскладніших типів задач, розв’язання яких вимагає ґрунтовних знань властивостей речовин, логічного мислення, уважності, добре розвиненої інтуїції. Наведу приклади подібних задач:

Задача І.

Якщо з пекельного каменя виділити лисячий хвіст, що залишиться: Сонце, чи Місяць?

(Чудово, якщо ви знаєте, що мовою алхімії пекельним каменем називали АgNО₃, лисячим хвостом – NО₂, Сонцем – золото, Місяцем – срібло. А якщо ні? Задачу все рівно можна розв’язати, адже наведені назви відображають властивості цих речовин: здатність АgNО₃ залишати чорні плями на руках, бурий колір  NО₂, тощо. А перетворення пекельного каменя в лисячий хвіст виглядає слідуючим чином:

2АgNО₃ = 2Аg + 2NО₂ + О₂ ).

 Задача ІІ.

Два оксиди прореагували між собою. Утворилися дві кислоти. Перша – слабка і нестійка, при розкладанні перетворюється на другу. А друга, якщо її посолити, може розчинити царя металів. Про які речовини йде мова? Напишіть рівняння реакцій.

(Задачу зручно розв’язувати з кінця. Цар металів – це, безсумнівно, золото. Його розчиняє лише царська водка, яку дійсно можна отримати посоливши концентровану нітратну кислоту. А нітратна кислота може утворюватися при розкладання нітритної. Отже, дві кислоти з умови задачі: нітратна та нітритна. Отримати їх можна в результаті реакції двох оксидів NО₂ і Н­₂О.

Рівняння реакцій:

2NО₂ +  Н­₂О = НNО₂ + НNО₃

3 НNО₂ = НNО₃ + 2NО +  Н­₂О

Au + НNО₃ + 3NaCl + Н­₂О = AuCl₃ + NО+3NaОН ).

Наведені приклади якісних задач є досить складними. А більш прості варіанти подібних задач можуть скласти самі учні, виконуючи слідуючи завдання: “Опишіть властивості певної речовини, не називаючи її, так щоб за описом можна було дізнатися, що це за речовина”.

Наведу приклад якісної задачі з хімії, розв’язання якої посильне навіть для учнів, які лише почали вивчати хімію:

Задача IV.

Білу речовину Х розплавили. Отримана безбарвна рідини бурхливо реагує з калієм та натрієм, взаємодіє з багатьма оксидами. З лугами та кислотами не реагує. Ні розплав, ні розчин речовини Х електричний струм не проводять. Що це за речовина?

(Усім зазначеним умовам , крім агрегатного стану, відповідає вода – Н_2­О, єдиним ускладненням задачі, яке робить її не зовсім очевидною є нестандартні умови, за яких рідка вода перетворюється на сніг)

Творчість учнів проявляється не лише в розв’язуванні, але і в створенні власних задач, що є вищою сходинкою у процесі осмислення матеріалу, оскільки неможливо скласти умову задачі, не знаючи, як її розв’язувати.

Наведу приклад дуже цікавої задачі, складеної учнями. Крім хімічного, ця задача має ще й виховний аспект.

Задача.   

                        Найстрашніша отрута.

 Якщо ви визначите формулу речовини, яка містить 34,78% найпоширенішого елемента планети Земля; 13,04% найпоширенішого елемента Всесвіту (разом з першим елементом він утворює найпоширенішу на Землі речовину); 52,18% елемента, який входить до складу усіх без виключення органічних сполук, то зможете взнати формулу універсальної отрути, яка вражає усі без виключення живі організми і забрала більше людських життів, ніж усі інші отрути разом взяті.

(Найпоширеніший елемент планети Земля – безперечно, Оксиген, найпоширеніший елемент Всесвіту – Гідроген (разом вони утворюють воду), елемент, який входить до складу усіх без виключення органічних сполук – Карбон, шукана речовина – С₂Н₅ОН – етиловий спирт).

Складання власних задач стимулює інтерес до вивчення як конкретної теми, так і предмета в цілому, дає дитині віру в власні сили, сприяє розвитку креативності учнів.

Психологи розрізняють два типи мислення: конвергентне (закрите, не творче) та дивергентне (відкрите, творче). Тип особистості з перевагою конвергентного мислення називають “інтелектуальним”, з перевагою дивергентного – “креативним”. Інтелектуал готовий вирішувати задачі, навіть дуже складні, але якщо вони мають готову технологію вирішення. Креатив же здатний сам бачити й ставити задачі, прагне вийти за межі поставленої умови.

Креативне мислення – це здатність поглянути на проблему з нової, оригінальної точки зору, здатність побачити незвичайне в повсякденному, і провести аналогію між дуже віддаленими речами. Запропонована нижче задача з точки зору хімії є жартом, але розв’язування подібних завдань сприяє відходу від прямолінійного догматичного мислення.

Задача І.

Умова задачі зображена на малюнку, але може бути представлена і предметно. Пробірка з блакитним розчином мідного купоросу перевертає слово “чай”, написане червоними літерами, а написане чорними літерами слово “сік” залишає без змін. Чому? Чим сік у даному випадку відрізняється від чаю?

(Справа тут, звісно, не в кольорі букв, і пробірка з рідиною однаково заломлюючи  промені світла, перевертає обидва слова. Але якщо слово “чай” є несиметричним відносно горизонтальної осі, то слово “сік” має однаковий вигляд як у прямому, так і в перевернутому вигляді. Це стане очевидним, якщо поставити крапку над “і”, через пробірку буде видно, що вона опинилася знизу).