Stechiometria na maturze z chemii: obliczenia z jawnym tokiem
Dział rozliczany po drodze, nie po wyniku: brak jednego przeliczenia kosztuje punkt nawet przy poprawnej liczbie na końcu.
Stechiometria to rachunek na molach. Odpowiada na pytania, ile substancji wchodzi do reakcji, ile z niej powstaje i jak tę ilość zamienić na gramy, decymetry sześcienne gazu albo liczbę cząsteczek. Na tym samym rachunku opierają się obliczenia w innych działach, na przykład stężenia roztworów i stałe równowagi, więc pomyłka w przeliczeniu moli kosztuje punkty także tam.
Punkty w tym dziale przyznaje się za drogę, a nie za samą liczbę. Rubryka zadania obliczeniowego oddziela metodę od wyniku. Metoda to zapis, z którego widać, jak dane prowadzą do szukanej. Wynik to liczba z jednostką, podana z dokładnością, o którą prosi polecenie. Poprawna liczba wpisana bez obliczeń punktów nie daje, bo egzaminator nie ma czego ocenić.
Co obejmuje dział
Dział zaczyna się od wielkości, którymi chemia mierzy materię. Masa atomowa pierwiastka to średnia mas jego izotopów, ważona tym, jak często każdy z nich występuje w przyrodzie. Masa cząsteczkowa to suma mas atomów w cząsteczce. Masa molowa ma tę samą wartość liczbową, tyle że w gramach na mol, i to ona łączy pojedyncze drobiny z tym, co da się zważyć na wadze. Mol zawiera zawsze tyle drobin, ile wynosi stała Avogadra, niezależnie od tego, czy liczymy atomy, cząsteczki czy jony.
Gazy mają własny skrót. W warunkach normalnych mol każdego gazu zajmuje taką samą objętość, więc objętość gazu zamienia się na mole równie prosto jak masę. Ten skrót działa jednak tylko w warunkach normalnych. Gdy polecenie podaje inną temperaturę albo inne ciśnienie, objętość trzeba policzyć z równania stanu gazu doskonałego, a objętość molowa z warunków normalnych przestaje pasować.
Druga grupa zadań dotyczy wzorów. Ze składu procentowego albo z mas pierwiastków w próbce ustala się wzór empiryczny, czyli najprostszy stosunek liczby atomów. Do wzoru rzeczywistego potrzeba jeszcze jednej informacji, zwykle masy molowej związku, bo jednemu wzorowi empirycznemu odpowiada wiele różnych cząsteczek. Pomaga tu prawo stałości składu: związek chemiczny ma stały stosunek mas pierwiastków bez względu na to, jak go otrzymano.
Trzecia grupa to obliczenia na podstawie równania reakcji. Współczynniki stechiometryczne mówią, w jakim stosunku molowym reagują substraty i powstają produkty, dlatego każde takie zadanie zaczyna się od poprawnie zbilansowanego równania. Do tego dochodzą dwie komplikacje. Pierwsza to substrat w nadmiarze: gdy dane opisują oba substraty, trzeba ustalić, który skończy się pierwszy, bo to on wyznacza ilość produktu. Druga to wydajność: produktu powstaje mniej, niż wynika z równania, i trzeba policzyć, jaką część ilości teoretycznej udało się otrzymać.
Za co przepadają punkty
Sam wynik bez toku obliczeń
Liczba w odpowiedzi nie wystarcza, nawet gdy zgadza się z kluczem co do cyfry. Zasady oceniania chemii mówią wprost, że brak toku rozumowania kosztuje punkty także przy poprawnym wyniku. Tok to zapis, z którego da się odtworzyć drogę: skąd wzięła się liczba moli, jaki stosunek przyjęto z równania i co przez co pomnożono. Działa to też w drugą stronę. Samo działanie bez zapisanego wyniku również uznaje się za niewystarczające.
Wynik bez jednostki
Wynik wielkości mianowanej podany bez jednostki albo z jednostką zapisaną błędnie liczy się jak wynik zły. Przy poprawnej metodzie przepada wtedy zwykle punkt za wynik, a punkt za metodę zostaje. To najtańszy do uniknięcia błąd w całym dziale: wystarczy, że po ostatnim znaku równości stoją gramy, mole albo decymetry sześcienne.
Pomyłka w masie molowej
Źle policzona masa molowa wygląda na drobną pomyłkę w dodawaniu, ale zasady oceniania traktują ją jak błąd metody. Wyjątek jest jeden: rozwiązanie pokazuje, jak masę molową policzono, i z tego zapisu widać, że pomylił się wyłącznie rachunek. Różnica jest duża. Błąd rachunkowy przy dobrej metodzie zabiera zwykle jeden punkt, a błąd metody zeruje rozwiązanie albo obcina liczbę punktów, które da się za nie dostać. Dlatego masę molową związku lepiej zapisać jako sumę mas atomów niż jako gotową liczbę.
Stosunek molowy wzięty na oko
Stosunek, w jakim reagują substancje, wynika ze współczynników w równaniu. Kto przyjmie jeden do jednego, bo tak jest szybciej, upraszcza zadanie, a za błąd upraszczający problem rozwiązanie dostaje zero punktów. Ten sam skutek ma odwrócona proporcja, czyli mnożenie przez stosunek współczynników tam, gdzie trzeba przez niego dzielić.
Przeoczony substrat w nadmiarze
Gdy zadanie podaje ilości obu substratów, trzeba je najpierw porównać ze współczynnikami równania. Ilość produktu wynika z substratu, którego jest za mało, a nie z tego, który akurat stoi w treści jako pierwszy. Część poleceń wymaga też, żeby wprost wskazać substancję użytą w nadmiarze. Same poprawne obliczenia bez tego wskazania, albo z błędnym wzorem tej substancji, nie dają kompletu punktów.
Zaokrąglanie po drodze
Rubryka uznaje każdy wynik, który wynika z poprawnej metody i poprawnych obliczeń, więc samo zaokrąglenie wyniku pośredniego nie jest błędem. Kłopot zaczyna się wtedy, gdy wczesne zaokrąglenie przesuwa wynik końcowy, a polecenie wymaga konkretnej dokładności. Bezpieczniej nieść w obliczeniach jedną albo dwie cyfry więcej i zaokrąglić dopiero na końcu. Wynik podany dokładniej, niż wymagano, punktów nie traci.
Wzór empiryczny tam, gdzie pytano o rzeczywisty
Wzory i symbole to jedyne miejsce, w którym zasady oceniania nie przyjmują żadnej parafrazy. Wzór empiryczny wpisany tam, gdzie polecenie pyta o wzór rzeczywisty, jest po prostu błędnym wzorem. Dobrze to widać na tlenku fosforu(V): jego cząsteczka ma cztery atomy fosforu i dziesięć atomów tlenu. Zapis z dwoma i pięcioma przechodzi w równaniu reakcji, ale nie tam, gdzie trzeba podać wzór rzeczywisty.
Zadania maturalne z chemii: stechiometria — co sprawdzamy w Twoim rozwiązaniu
- Czy równanie jest zbilansowane. Liczy to kod, nie model: atomy każdego pierwiastka i ładunek po obu stronach strzałki. Wynik tego liczenia model oceniający dostaje jako fakt, z którym nie dyskutuje.
- Czy wynik końcowy zgadza się z wartością wzorcową. Też liczy to kod, osobno dla liczby i osobno dla jednostki. Drobna różnica z zaokrągleń mieści się w tolerancji, a brak jednostki zostaje odnotowany zawsze.
- Z jaką dokładnością podano wynik. Kod liczy cyfry znaczące, bo dokładność bywa osobnym wymaganiem polecenia.
- Czy z zapisu widać drogę od danych do szukanej. To ocenia model, według rubryki tego zadania. Wyniku nie ma liczyć na własną rękę: dostaje to, co policzył kod.
- Czy w odpowiedzi w ogóle jest tok rozumowania. Gdy go brakuje, ocena mówi to wprost: sam wynik nie daje punktu za metodę.
Przykład: jak wygląda ocena jednego rozwiązania
Zadanie wymyślone na potrzeby tej strony, nie pochodzi z arkusza CKE.
Polecenie. Oblicz masę tlenku glinu, który powstaje podczas spalania 5,40 g glinu w nadmiarze tlenu. Przyjmij masy molowe: glin 27 g/mol, tlen 16 g/mol.
Rozwiązanie ucznia4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃n(Al) = 5,40 g : 27 g/mol = 0,200 moln(Al₂O₃) = 0,200 mol · 2 : 4 = 0,100 molM(Al₂O₃) = 2 · 27 g/mol + 3 · 16 g/mol = 102 g/molm(Al₂O₃) = 0,100 mol · 102 g/mol = 10,2
Ocena krok po kroku: 1 z 2 pkt
Metoda: od masy glinu do masy tlenku 1 z 1 pkt
Policzone kodem: Równanie zbilansowane, zgadzają się masa i ładunek.
Z zapisu widać każde przejście: masę glinu zamienioną na mole, stosunek molowy wzięty ze współczynników równania i masę molową tlenku policzoną z mas atomów. Niczego nie trzeba się domyślać, więc punkt za metodę zostaje.
Wynik z jednostką 0 z 1 pkt
Policzone kodem: Liczba zgodna z wartością wzorcową. Jednostki brak.
Liczba jest dobra, ale wynik nie ma jednostki, a wynik wielkości mianowanej bez jednostki liczy się jak zły. Wystarczyło napisać na końcu 10,2 g.
Gdyby w trzecim wierszu stosunek był odwrócony, cztery do dwóch zamiast dwóch do czterech, tlenku wyszłoby czterokrotnie za dużo i przepadłby także punkt za metodę. To byłby błąd metody, a nie rachunkowy.
Pojęcia z tego działu
- masa molowa
- mol
- objętość molowa gazu
- stechiometria reakcji
- substrat ograniczający
- wydajność reakcji