Химических формул в excel

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Важное место в химическом образовании в техническом вузе занимает решение расчетных задач. В процессе решения задач происходит закрепление полученных знаний, вырабатывается умение применять их на практике, осуществляется реализация межпредметных связей. Однако решение некоторых задач требует большой затраты времени на расчеты (задачи по вычислению концентрации растворов, на выявление функциональной зависимости одной переменной от другой, с применением термохимических расчетов). Тем не менее, решение таких задач позволяет лучше усвоить определенные химические понятия и закономерности.

В образовательном процессе высшей школы информационно-коммуникационные технологии получили широкое распространение. Преподаватели и обучающиеся в подавляющем большинстве являются уверенными пользователями ПК, а программы пакета Microsoft Office (Word, PowerPoint, Excel или их аналоги пакета Open Office) широко распространены. Существует ряд лицензионных профессиональных программных комплексов определения кинетических параметров, таких как MATLAB, MathCad и другие. Специализированные приложения имеют ряд ограничений: коммерческое распространение, не все из них поддерживают русский интерфейс, приемы работы с некоторыми приложениями не являются интуитивно-понятными пользователю. Поэтому актуальным и обоснованным может быть использование электронных таблиц Excel для решения самых разнообразных расчетных задач [1, 2].

Основываясь на вышеперечисленных критериях отбора, можно предложить несколько типов расчетных задач в курсе изучения дисциплины «Общая и неорганическая химия»:

— задачи на основе расчетов стехиометрии и материальных балансов отдельных химических процессов и их комбинаций;

— задачи на основе термодинамических расчетов энергий Гиббса, энтальпий, энтропий веществ и химических процессов, изменения теплоемкости химических систем;

— задачи на основе расчетов, концентрациях, кислотности среды в твердой фазе и растворах построение

— задачи на основе расчетов кислотно-основных равновесий в растворах электролитов: определение рН, растворимости, возможности образования и растворения осадков, образования и растворения осадков в данных условиях.

Таким образом, использование электронных таблиц Excel в процессе обучения «Общей и неорганической химии» выполняет мотивационную, обучающую и развивающую функции.

Рассмотрим автоматизацию расчетов по теме «Массовая доля компонентов смеси (раствора)» на примере задачи 1.

Задача 1. Какие массы соли и воды требуется взять для приготовления 500 г 20 % раствора соли (рис. 1)?

При решении данной задачи предусмотрено два варианта ввода исходных данных. Первый вариант – известны масса растворенного вещества и масса растворителя, массу раствора и массовую долю нужно найти. Второй вариант – наоборот, известны масса раствора и массовая доля, нужно найти массу растворенного вещества и массу растворителя.

Для того, чтобы результаты корректно отображались при любых вариантах исходных данных, использовалась логическая функция ЕСЛИ (табл. 1).

Представим несколько задач по теме «Массовая доля компонентов смеси (раствора)», решаемые с применением шаблона «Массовая доля компонентов смеси (раствора)».

1. В 135 г. воды растворили 15 г. соли. Какова массовая доля ( %) растворенного вещества в растворе?

2. В 350 г. воды растворили 50 г. нитрата калия KNO3. Вычислите массовую долю нитрата калия в образовавшемся растворе.

3. Порцию серной кислоты H2SO4 массой 25 г. растворили в 125 г. воды. Какова массовая доля серной кислоты в образовавшемся растворе?

4. Определить массовую долю растворенного вещества в растворе полученного растворением 10 г. NaOH в 30 мл воды (плотность воды принять 1 г/мл).

5. В 150 граммах воды растворили 50 грамм фосфорной кислоты. Найти массовую долю кислоты в полученном растворе [3].

Приведем шаблон автоматизации решения задач по теме «Расчеты по химическим уравнениям».

Задача 2. Определите объем газа, который выделится при взаимодействии вещества кислотой.

При разработке шаблона используются два рабочих листа: первый лист – непосредственно расчеты (рис. 2, 3), второй лист содержит атомные номера и массы химических элементов (рис. 4).

Рис. 4. Фрагмент таблицы химических элементов

В табл. 2 представлены основные формулы шаблона 2.

Задачи, решаемые с применением шаблона «Расчеты по химическим уравнениям».

1. Вычислите массу железа, необходимого для получений 39 грамм хлорида железа (III).

2. Вычислите массу кислорода, выделившегося в результате разложения воды массой 9 грамм.

3. Для получения водорода алюминий растворяют в серной кислоте: Для реакции взяли 10,8 г. алюминия. Вычислите массу затраченной серной кислоты.

4. 25 граммов цинка растворяют в соляной кислоте, в ходе химической реакции выделяется газ – водород. Рассчитайте объем выделяющегося водорода.

5. Какое количество кислорода потребуется для полного сжигания 3 моль меди? [4, 5].

При наличии соответствующих методических пособий большое количество задач может решаться самостоятельно с последующим обсуждением полученных результатов. Это будет способствовать не только быстрому овладению навыками работы с приложением Excel, но и формированию информационной культуры. В качестве среды разработки шаблонов можно выбрать не только MS Excel, но бесплатно распространяемое приложение OpenOffice.org Calc.

Библиографическая ссылка

Редикульцева У.А., Зайцева О.С., Смирнова Ю.К. РЕШЕНИЕ РАСЧЕТНЫХ ЗАДАЧ ПО ХИМИИ В MS EXCEL // Научное обозрение. Педагогические науки. – 2019. – № 2-3.
– С. 69-72;

URL: https://science-pedagogy.ru/ru/article/view?id=1899 (дата обращения: 17.04.2023).

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

В эпоху информатизации образования невозможно представить изучение химии без использования информационных технологий. Разрабатываются новые методики, сущность которых состоит в том, что наряду с лекциями, семинарами и лабораторными работами осуществляется проведение занятий в компьютерном классе.

Важное место в химическом образовании занимает решение задач по химической кинетике, термодинамике и другим разделам химии, требующих больших затрат времени на вычисления. Представляется актуальным применение для этой цели электронных таблиц  Excel, поскольку данная программа обладает рядом вычислительных достоинств:

• Возможность автоматического вычисления значений, заданных рекуррентными соотношениями.
• Возможность автоматического перерасчета значений для всех ячеек, связанных формульными соотношениями (обновление всей таблицы в соответствии с изменившимися данными).
• Процесс вычислений является открытым — все формулы видны, все значения доступны.
• Наличие богатой библиотеки встроенных функций самого различного назначения.
• Возможность осуществлять графическую интерпретацию расчетов.

Покажем вычислительные возможности MS Excel на примере решения задачи химической кинетики.

Задача:  Бензоилпероксид (перекись бензоила) разлагается при температуре выше 100 ºС. Для данной реакции были получены следующие кинетические данные [1]:

Таблица 1

Исходная концентрация бензоилпероксида составляет 0,02 моль/л.

Построить кинетическую кривую,  график зависимости скорости реакции от времени. Определить порядок реакции и усредненную константу скорости.

Рассмотрим аналитический и графический методы решения задач на определение порядка реакции по имеющимся данным об изменении концентрации реагирующих веществ во времени.

Аналитический метод (метод «подбора уравнений», метод «проб и ошибок») основан на подстановке экспериментальных данных по концентрации веществ для каждого момента времени (из кинетической кривой) в кинетические уравнения реакций различных (нулевого, первого, второго и третьего) порядков [2-5].

а) , б) , в) , г) .

Определяемый порядок реакции соответствует тому уравнению, для которого в различные моменты времени при заданной температуре константа скорости реакции k будет оставаться постоянной величиной.

Графический метод основан на том, что определяют такую функцию от концентрации, которая на графике зависимости ее от времени дает прямую линию. В соответствии с кинетическими уравнениями (a—г)  такими функциями являются: для реакции нулевого порядка — С; реакций первого порядка — lnC; реакций второго порядка — 1/С.

Порядок выполнения вычислений в программе Excel:

Исходные данные из таблицы 1 заносятся в столбцы А и В. По этим данным с помощью Мастера диаграмм строится точечная диаграмма зависимости концентрации от времени — кинетическая кривая (рис. 1).

Рис. 1. Кинетическая кривая

Для определения порядка реакции аналитическим методом в ячейку С3 заносится формула а) для вычисления k₀  при t=15 . В Excel она принимает вид =(B2-B3)/A3. Далее в этой формуле закрепляется адрес значения  исходной концентрации C₀ — ячейки B2. Для этого необходимо дважды щелкнуть мышью в строке формул на адресе B2, чтобы выделить его, и нажать клавишу F4. После этого адрес ячейки B2 станет абсолютным, на что указывает символ $ перед буквой столбца и номером строки адреса. Формула принимает вид =($B$2-B3)/A3. В дальнейшем, при переносе формулы адрес B2, в отличие от адреса B3, меняться не будет. Необходимо перенести формулу ячейки С3 вниз до одиннадцатой строки с помощью маркера заполнения. После выполнения этого действия столбец С таблицы будет заполнен значениями  k₀  для всех значений времени t.

Аналогичным образом с помощью формул б), в), г) заполняются ячейки столбцов D, E, F. Соответствующие формулы Excel принимают вид: в ячейке D3: =LN(($B$2)/B3)/A3; в ячейке E3: =(1/B3-1/$B$2)/A3; в ячейке F3: =(1/B3^2-1/$B$2^2)/A3.

Рис. 2. Таблица вычислений для определения порядка реакции аналитическим методом

Результаты вычислений показаны на рис 2. Как видим, данная реакция является реакцией первого порядка, поскольку в различные моменты времени константа скорости реакции k₁ остается постоянной величиной. В ячейке D12 вычисляются усредненная константа скорости. Для этого необходимо воспользоваться статистической функцией СРЗНАЧ из встроенной библиотеки функций. Формула Excel в ячейке D12 примет вид: =СРЗНАЧ(D3:D11), а результат вычислений — усредненная константа скорости равна 0,023197.

Для определения порядка реакции графическим методом в столбцах G, H, I вычислим значения . Соответствующие формулы Excel примут вид: в ячейке G3: =LN(B3), функция LN содержится в библиотеке функций в категории «математические»;  в ячейке H3: =1/B3; в ячейке  I3: =1/B3^2. Все остальные ячейки столбцов G, H, I заполняются с помощью маркера заполнения.

Рис. 3. Таблица вычислений для определения порядка реакции графическим методом

Таблица вычислений для определения порядка реакции графическим методом.

По результатам вычислений, представленным на рис. 3, с помощью мастера диаграмм строятся графики зависимости  от времени t (рис. 4). Замечание: график зависимости C от t — построенная ранее кинетическая кривая.

Как видим, данная реакция имеет первый порядок, поскольку именно график зависимости ln C от t представляет собой прямую линию.

Рис. 4. Иллюстрация графического метода определения порядка реакции

К каждому графику добавлена линия тренда — аппроксимирующая прямая, ее уравнение и величина достоверности аппроксимации. Например, на втором графике линия тренда полностью совпадает с построенным графиком, а величина достоверности аппроксимации примерно равна единице. Определив уравнение этой прямой , по углу наклона можно оценить значение .

Решение задач посредством электронных таблиц Excel может быть реализовано как на занятиях по информатике, так и на интегрированных занятиях, которые проводятся в компьютерном классе и внедряются в программу обучения химическим дисциплинам. Такой подход способствует углубленному изучению теоретических основ химии, интеграции химических и математических знаний, формированию информационной культуры, а также дает большие возможности для реализации междисциплинарных связей (химия, информатика, математика).

Рецензенты:

• Соколов Иван Павлович, доктор химических наук, профессор, профессор кафедры химии и экологии ГОУ ВПО «Московский  государственный вечерний  металлургический институт», г. Москва.
• Тимонин Виктор Алексеевич, доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой химии и экологии  ГОУ ВПО «Московский  государственный вечерний  металлургический институт», г. Москва.

Библиографическая ссылка

Анисова Т.Л., Салпагаров С.И. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММЫ MS EXCEL // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 3.
;

URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=6405 (дата обращения: 17.04.2023).