Входная диагностика

Как устроен курс

Модуль 1 «Введение и инструменты олимпиадной химии» начинается с урока 1 «Входная диагностика». Чтобы понять назначение этого урока, представьте обычную олимпиадную задачу по неорганической химии. По наблюдениям и числовым данным нужно определить участвующие вещества, записать уравнения реакций и проверить своё предположение расчётом. Поэтому курс одновременно развивает знания по двум направлениям: химия веществ помогает понять, что с чем реагирует, при каких условиях и почему, а инструменты — расчёты, строение вещества и равновесия — позволяют обосновать ответ.

В курсе 34 темы и 270 уроков. Основной маршрут включает 203 урока и даёт общую олимпиадную базу; ещё 67 углублённых уроков предназначены для подготовки к региональному и заключительному этапам ВсОШ. Каждый урок состоит из нескольких порций: после части теории следуют задания по ней. Урок засчитывается при 70 % верных ответов, тематический тест — при 80 %. Если вы ошибётесь, задание вернётся в другой форме, а в журнале ошибок будет указана причина: неверная модель, потерянный баланс, ошибка в преобразовании или вычислении, неверная интерпретация либо ошибка в единицах.

Входная диагностика не вводит нового материала. Она помогает выяснить, что требует повторения именно вам: формулы, уравнения реакций, количество вещества или доли. Решайте задания на бумаге и без подсказок. Тогда записи в журнале ошибок станут планом повторения.

Формулы и уравнения

Первый шаг при решении многих задач — правильно составить формулы веществ. Соединение должно быть электронейтральным: сумма зарядов ионов в нём равна нулю. При составлении формул солей часто используют правило креста: заряд катиона записывают как индекс аниона, заряд аниона — как индекс катиона, а затем сокращают индексы, если это возможно. Например, ионам \(\ce{Al^3+}\) и \(\ce{SO4^2-}\) соответствует формула \(\ce{Al2(SO4)3}\), ионам \(\ce{Ca^2+}\) и \(\ce{PO4^3-}\) — \(\ce{Ca3(PO4)2}\), а по тому же правилу для оксида из ионов \(\ce{Fe^3+}\) и \(\ce{O^2-}\) получаем \(\ce{Fe2O3}\).

После записи формул можно составить уравнение реакции. Оно должно отражать сохранение атомов: слева и справа находится одинаковое число атомов каждого элемента. Суммарный заряд по обе стороны уравнения также одинаков. Для выполнения этих условий подбирают коэффициенты, а затем приводят их к наименьшим целым значениям.

Рассмотрим обжиг пирита — один из способов получения диоксида серы для производства серной кислоты. Чтобы уравнять железо, перед \(\ce{FeS2}\) ставят коэффициент 2. Тогда слева оказываются четыре атома серы, поэтому перед \(\ce{SO2}\) нужен коэффициент 4. Справа получается \(3 + 8 = 11\) атомов кислорода; перед кислородом следует поставить коэффициент \(\tfrac{11}{2}\ce{O2}\). После умножения всех коэффициентов на 2 получаем:

Количество вещества

Коэффициенты уравнения реакции показывают, в каких отношениях вещества вступают в реакцию и образуются. Эти отношения относятся к количествам вещества, а не к массам. Количество вещества пропорционально числу частиц (атомов, молекул, ионов) и выражается в молях. Например, в реакции \(\ce{Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2}\) на 1 моль цинка расходуется 2 моль хлороводорода. Их массы при этом составляют соответственно 65,4 г и 72,9 г.

Чтобы использовать коэффициенты в расчёте, измеренную величину сначала переводят в количество вещества. Для этого применяют соотношения:

Здесь \(M\) — молярная масса (г/моль), \(N_A = 6{,}022\cdot10^{23}\) моль⁻¹ — постоянная Авогадро, \(V_m = 22{,}4\) л/моль — молярный объём идеального газа при нормальных условиях (0 °C, 101,3 кПа). Равенство, содержащее молярный объём, применяют только для газов и при тех условиях, для которых взято значение \(V_m\).

Доли и пропорции

Во всех задачах на доли нужно прежде всего определить, какая величина принята за целое. Доля показывает отношение части к целому, но в разных задачах этим целым могут быть масса вещества, масса раствора или объём газовой смеси.

• Массовая доля элемента в веществе показывает, какая часть массы вещества приходится на выбранный элемент. Например, \(w(\ce{N}) = \dfrac{2A_r(\ce{N})}{M_r(\ce{NH4NO3})}\); при расчёте необходимо учитывать индекс элемента в формуле.
• Массовая доля растворённого вещества показывает его часть в общей массе раствора: \(w = m_\text{в-ва}/m_\text{р-ра}\). Масса раствора включает массу воды и массу растворённого вещества.
• Объёмная доля газа в смеси показывает его часть в общем объёме смеси: \(\varphi_i = V_i/V_\text{смеси}\). Для смеси идеальных газов объёмная доля равна мольной доле.

При разбавлении раствора водой масса растворённого вещества не изменяется. Она сохраняется и при смешивании растворов одного и того же вещества, если между компонентами не происходит реакции. Поэтому массу вещества в полученном растворе можно выразить через его массы в исходных растворах: