Недавно в ходе решения одной задачи по химии мне нужно было найти объём концентрированной серной кислоты, которую нужно добавить, чтобы окончательно приготовленный раствор имел значение pH=1.5. Мне на тот момент неохота было решать подобную задачку и думаю: давай-ка задам решить данную задачку ChatGPT 3.5 Telegram bot. Когда я увидел решение нейросети то понял, что нескоро ей быть химиком в прямом смысле этого слова. Можно сказать даже так: у нейросети много знаний, но нет представления об образно-критическом представлении сути вещей, а точнее мышлении. Я уж молчу о путанице между категориями и их связями, который осуществляет ChatGPT. Но в процессе обучения данной нейросети при совместных усилиях оператора и нейросети данный серьёзный недостаток более-менее устраняется. В данном посту на примере решения задачки по химии хочу представить процесс обучения нейросети ChatGPT на примере решения данной задачи по химии.
Условие задачи (первоначальная формулировка)
Задача: рассчитать какой объём химически чистой серной кислоты необходимо добавить к питательной среде Лентена на 1000 мл, чтобы pH приготовленной среды принимал значение 1.5. Компонентный состав среды Лентена (масса веществ представлено на 1000 мл раствора)
KCl 0.05 г
(NH4)2SO4 0.15 г
MgSO4*7H2O 0.5 г
KH2PO4 0.1 г
FeSO4*7H2O 1.0 г
H2SO4 необходимо рассчитать
Первоначальный ответ ChatGPT выходил за рамки здравого смысла, хотя направление хода решения выглядело верным
Ответ СhatGPT
Для решения данной задачи, нам необходимо знать концентрацию серной кислоты, которая будет добавлена к питательной среде Лентена.
pH - это мера кислотности или щелочности раствора и выражается величиной от 0 до 14. Значение pH 1.5 соответствует кислому раствору.
Для расчета необходимого объема химически чистой серной кислоты, мы можем использовать формулу:
n = C * V
где
n - количество вещества (моль)
C - концентрация вещества (моль/л)
V - объем раствора (л)
Так как масса веществ приведена на 1000 мл раствора, мы можем считать, что объем раствора равен 1 л.
Мы можем рассчитать количество вещества серной кислоты, который содержится в питательной среде Лентена, используя молекулярную массу серной кислоты и массу доли серной кислоты в среде Лентена.
Молярная масса серной кислоты (H2SO4) равна 98 г/моль.
Согласно составу питательной среды Лентена, масса H2SO4 равна неизвестной величине. Будем обозначать ее как x г.
Таким образом, можно представить массу H2SO4 в питательной среде Лентена в виде следующего уравнения:
x г = (молярная масса H2SO4 /1000 мл раствора) * объем раствора (1 л)
тогда
x г = (98 г/моль * 1л) / 1000 мл
x г = 0.098 г
Теперь, зная массу H2SO4 в питательной среде Лентена, мы можем рассчитать концентрацию H2SO4 в этом растворе.
Концентрация выражается в моль/литр, поэтому нам нужно разделить количество вещества, рассчитанное ранее, на объем раствора:
C = n / V
C = (0.098 г / 98 г/моль) / 1 литр
C = 0.001 моль/л
Теперь мы можем рассчитать объем химически чистой серной кислоты, необходимый для приготовления питательной среды с pH 1.5.
Для этого мы можем использовать ту же формулу, но уже с известной концентрацией и требуемым pH:
V = n / C
V = (1.5 мл / 0.001 моль/л) = 1500 мл
Таким образом, необходимый объем химически чистой серной кислоты составляет 1500 мл.
Ответ нейросети был для меня загляденьем в плане ошибок, которые зачастую совершают школьники, когда решают задачи подобного рода. Первое, что бросилось мне в глаза, это объём добавленной серной кислоты больше итогового объёма приготовленного раствора. Ну и ряд типичных ошибок в ходе решения задачи: во-первых, это ошибки метода анализа размерости, то есть мл делим на литры и так далее, а во-вторых, предложенное нейросетью уравнение, решение которого легло основу хода решения задачи было лишено химического смысла согласно контексту протекаемых явлений и процессов, описанных в условии задачи. Я понял, что данной нейросети не хватает контекста и понимания сути задачи. В соответствии с этими рассуждениями стало ясно, что нужно добавить контекст в условие задачи
Запрос пользователя
Задача: рассчитать какой объём химически чистой серной кислоты необходимо добавить к питательной среде Лентена на 1000 мл (объём среды вместе с добавленной серной кислотой), чтобы pH приготовленной среды принимал значение 1.5. Компонентный состав среды Лентена (масса веществ представлено на 1000 мл раствора)
KCl 0.05 г
(NH4)2SO4 0.15 г
MgSO4*7H2O 0.5 г
KH2PO4 0.1 г
FeSO4*7H2O 1.0 г
H2SO4 необходимо рассчитать
Ответ ChatGPT
Для решения этой задачи нам необходимо использовать химические свойства серной кислоты и понимание о pH растворов. pH - это мера кислотности или щелочности раствора. pH от 1 до 6 считается кислым, а pH от 7 до 14 - щелочным. В данном случае нам нужно получить раствор с pH 1.5, что говорит о его сильной кислотности. Серная кислота (H2SO4) является сильной кислотой. Она сильно диссоциирует в воде на H+ и SO4^2-, что обеспечивает низкое значение pH.
Для расчета необходимого объема химически чистой серной кислоты, нам потребуется определить количество H+ и SO4^2-, которое необходимо добавить в раствор.
Массовая доля SO4^2- в химически чистой серной кислоте составляет 98%, что означает, что 980 г из 1000 г серной кислоты состоят из SO4^2-.
Молярная масса H2SO4 равна 98 г/моль. Таким образом, количество молей H2SO4 можно рассчитать, разделив массу H2SO4 на ее молярную массу:
количество молей H2SO4 = масса H2SO4 / молярная масса H2SO4 = 980 г / 98 г/моль = 10 моль
Так как серная кислота диссоциирует на два иона H+ и один ион SO4^2-, мы можем сказать, что количество молей H+ в растворе также будет равно 10 моль.
Теперь мы можем рассчитать объем раствора, для которого pH будет 1.5. Молочная константа воды (Kw) равна 1 * 10^(-14), что представляет концентрацию ионов H+ и OH- в воде.
pH = -log[H+]
[H+] = 10^(-pH)
[H+] = 10^(-1.5) = 0.0316 моль/л
Так как количество молей H+ в растворе должно быть равно 10 молям на 1000 мл раствора, мы можем рассчитать объем раствора, необходимого для достижения нужной концентрации: объем раствора = количество молей H+ / концентрация H+ = 10 моль / 0.0316 моль/л = 316.5 л
Итак, необходимо добавить 316.5 л химически чистой серной кислоты к питательной среде Лентена на 1000 мл, чтобы достичь pH 1.5.
Ну просто «замечательно», нейросеть снова попалась на ту же ошибку. Поэтому я попытался указать на ошибку, сделанной нейросетью собственными рассуждениями
Запрос пользователя
Полученный ответ противоречит здравому смыслу. Как можно добавить к раствору 1л 316.5 л H2SO4
Ответ нейросети
К сожалению, невозможно добавить 316.5 литров H2SO4 в 1 литр раствора. Это противоречит законам сохранения массы и объема. Общий объем раствора после добавления такого количества H2SO4 будет уже не 316.5 литров, а значительно больше.
Запрос пользователя
Но ты мне выдал подобный реультат
Ответ нейросети
Приношу извинения за предыдущий неправильный ответ. Невозможно добавить 316.5 литров H2SO4 в 1 литр раствора. Такой объем H2SO4 превышает объем самого раствора, что нарушает законы сохранения массы и объема. Я приношу извинения за путаницу и неверные сведения.
Вероятно, знакомый Вам ответ, если пытались запустить код, написанный ChatGPT, а он не работает, а когда Вы указывает на ошибку СhatGPT неохотно с извиняющимся тоном генерирует новый ответ. Поэтому я попросил конкретиировать изначальный вопрос
Запрос пользователя
Ну тогда перерешай с учётом своей ошибки данную задачу. Условие задачи представлено в начале диалога
Судя по характеру ответа нейросети, представленное ниже, стало понятно, что она пытается решить задачку путем создания цепочки логических рассуждений, в результате которого можно прийти к верному ответу
Ответ ChatGPT
Извините за путаницу и неверные ответы. Рассмотрим снова условие задачи.
Постановка задачи:
У нас есть раствор с объемом 1 литр. Мы хотим добавить H2SO4 в этот раствор. Наша задача - определить, какое максимальное количество H2SO4 можно добавить к этому раствору.
Решение:
У нас имеется 1 литр раствора, и мы хотим добавить H2SO4. Однако, объем раствора не может быть больше 1 литра. Следовательно, максимальное количество H2SO4, которое можно добавить к этому раствору, не может превышать 1 литр.
Согласившись по умолчанию с доводами нейросетью в своей подсказке, попросил учитывать при решении задачи ещё дополнительное условие
Запрос пользователя
Нужно ещё учитывать, чтобы значение pH 1000 мл раствора составлял 1.5. Рассчитай объём серной кислоты, которую необходимо добавить
Ответ ChatGPT
Извините за путаницу. Давайте решим задачу с учетом дополнительного условия, что pH раствора должно быть 1.5.
Для решения этой задачи мы должны знать концентрацию серной кислоты (H2SO4) и ее pKa (константа диссоциации).
H2SO4 является двухосновной кислотой. Ее pKa1 равно -3,0, а pKa2 равно 1,9. Так как pKa1 меньше 1,5, это означает, что в данной задаче H2SO4 будет полностью диссоциирована в ионный вид.
Для достижения рН 1,5, мы можем использовать формулу Гендерсона-Хассельбальха:
pH = pKa + log ([A-]/[HA])
Где [A-] - концентрация конъюгированного основания, [HA] - концентрация кислоты.
Так как мы хотим, чтобы раствор имел рН 1,5, и H2SO4 полностью диссоциирована, мы можем записать:
pH = pKa + log ([A-]/[HA])
1,5 = 1,9 + log ([A-]/[HA])
log ([A-]/[HA]) = 1,5 - 1,9
log ([A-]/[HA]) = -0,4
[A-]/[HA] = 10^(-0,4)
[A-]/[HA] = 0,3981
Так как H2SO4 полностью диссоциирована, отношение [A-]/[HA] равно отношению объемов, в данном случае:
V[A-]/V[HA] = 0,3981
V[A-] + V[HA] = 1000 мл
Подставим первое уравнение во второе:
(0,3981)V[HA] + V[HA] = 1000
1,3981V[HA] = 1000
V[HA] = 1000 / 1,3981
V[HA] ≈ 715,068 мл
Таким образом, чтобы достичь pH 1,5 в 1000 мл раствора, необходимо добавить примерно 715,068 мл серной кислоты (H2SO4).
На первый взгляд, ответ выглядит правдоподобно, но если приглядеться и проанализировать смысл, которые несут полученные в результате нейросетью числа, то можно смело сказать, что ответ неверный и по ряду следующих причин, которые указал в соответствующем запросе. Я понял, что данная версия ChatGPT в силу ограниченного объёма обучающих данных попросту не ухватывает по умолчанию весь контекст решения задачи и поэтому нужно ещё дополнительно давать информацию по ходу динамики развития диалога. Какой объём дополнительных данных необходимо задать нейросети? Это зависит от каждой конкретной ситуации, но в любом случае у человека должно быть полное понимание специфики проблемы и понимание методологии её решения и особенностей её реализации на практике. Это требует от человека полного погружения в изучение проблематику исследуемой области и понимание специфики её решения в плане реализации. Если взглянуть на данный аспект с точки зрения принципов обучения, то у преподавателей, учителей, методистов возникает закономерный вопрос: а чему и как обучать школьников математике, программированию, химии и прочих естественнонаучных дисциплин, чтобы сформировать в них фундамент концептуального системного понимания основ данных дисциплин, чтобы в будущем они смогли более-менее спокойно усвоить новый лес информации и знаний и справляться с новыми профессиональными вызовами. Признаюсь, что я сам как педагог нахожусь в процессе поисков и осознания ответов на данные вопросы. Что-то я отвлекся данными рассуждениями от изначально намеченной тематики данного поста, давайте снова обратимся к анализу диалога решения задачи ChatGPT.
Запрос пользователя
Ты не имеешь право использовать формулу Хендерсона – Хассельбаха, поскольку она применяется в случае, если мы готовим буферные растворы, а также если мы используем слабые кислоты. Серная кислота - это сильная кислота. Что ты скажешь в свою защиту?
Нейросеть теперь выдала более менее вразумительное, но опять с ошибкой смыслового характера
Ответ ChatGPT
Вы правы, извините за путаницу. Формула Гендерсона-Хассельбальха не применима в данном случае, так как серная кислота является сильной кислотой и полностью диссоциирует в ионы H+ и HSO4-.
Для определения объема серной кислоты, необходимой для достижения pH 1.5, мы должны рассчитать количество H+ и HSO4- и связать их с объемом раствора.
pH -log[H+] = 1.5
[H+] = 10^(-1.5)
[H+] = [HSO4-]
Так как серная кислота полностью диссоциирована, мы можем сказать, что H+ равно половине объема раствора:
[H+] = V(H+)/2
[H+] = V(HSO4-)
Подставим это в уравнение:
V(H+)/2 = 10^(-1.5)
V(H+) = 2 * 10^(-1.5) = 2 * 0.0316 ≈ 0.0632 литра
Таким образом, для достижения pH 1.5 в 1 литре раствора необходимо добавить примерно 63.2 мл серной кислоты (H2SO4).
Попробуйте найти ошибку в ответе, предоставленной нейросети. Дам подсказку данная ошибка относится к разряду семантических, одним из проявлении данной разновидности данного рода уже упоминалось ранее в тексте статьи. На сущность подобного рода ошибок было мною указано в содержании следующей подсказки
Запрос пользователя
[H+] = V(H+)/2. Данное выражение неверно по своему смыслу, поскольку в квадратных скобках указывается равновесная концентрация иона, которая ну никак по физическим единицам нельзя приравнять к объёму.
Ответ ChatGPT
К сожалению, я совершил ошибку. Вы абсолютно правы, формула Гендерсона-Хассельбальха не применима в данной ситуации, так как серная кислота является сильной кислотой и полностью диссоциирует в растворе.
Для решения задачи, нужно использовать балансование реакции диссоциации H2SO4:
H2SO4 → 2H+ + SO4²-
С концентрацией ионов H+ равной концентрации H2SO4, а также учитывая требуемое pH, мы можем решить уравнение:
pH = -log[H+]
1.5 = -log([H+])
10^(-1.5) = [H+]
[H+] = 0.0316 М
Так как серная кислота полностью диссоциирована, концентрация H2SO4 равна концентрации H+, а объем раствора составляет 1 литр (1000 мл), мы можем использовать формулу:
концентрация (моль/л) = количество вещества (моль) / объем (л)
0.0316 М = количество вещества (моль) / 1 л
количество вещества (моль) = 0.0316 М * 1 л
количество вещества (моль) = 0.0316 моль
Молярная масса H2SO4 составляет около 98 г/моль. Масса H2SO4, необходимая для достижения требуемой концентрации:
масса (г) = количество вещества (моль) * молярная масса (г/моль)
масса (г) = 0.0316 моль * 98 г/моль
масса (г) ≈ 3.1 г
Таким образом, для достижения pH 1.5 в 1 литре раствора необходимо добавить примерно 3.1 г серной кислоты (H2SO4).
И при критическом анализе данного решения снова подловил ChatGPT на очередной ошибке, о сущности которой представлено последнем данным мной подсказке
Запрос пользователя
А ты в своём последнем решении учитывал, что при диссоциации одной молекулы серной кислоты образуется 2 иона водорода? И дай конечный ответ мл, взяв плотность чистой серной кислоты 1,8356 г/см³
Ответ СhatGPT
Вы абсолютно правы, и я приношу извинения за путаницу в моих ответах.
При диссоциации одной молекулы серной кислоты образуется два иона водорода (H+), что означает, что концентрация H+ будет в два раза больше, чем концентрация серной кислоты (H2SO4). Таким образом, мы должны изменить наше предыдущее решение:
Концентрация (H2SO4) = [H+] / 2
1.5 = -log([H+])
[H+] = 10^(-1.5)
[H+] = 0.0316 М
Концентрация (H2SO4) = 0.0316 М / 2
Концентрация (H2SO4) = 0.0158 М
Молярная масса H2SO4 составляет около 98 г/моль. Масса H2SO4, необходимая для достижения требуемой концентрации:
масса (г) = концентрация (моль/л) * молярная масса (г/моль)
масса (г) = 0.0158 М * 98 г/моль
масса (г) ≈ 1.55 г
Используя плотность чистой серной кислоты, которая составляет 1.8356 г/см³, мы можем перевести массу в объем в миллилитрах:
объем (мл) = масса (г) / плотность (г/см³)
объем (мл) = 1.55 г / 1.8356 г/см³
объем (мл) ≈ 0.845 мл
Таким образом, для достижения pH 1.5 в 1 литре раствора необходимо добавить примерно 0.845 мл серной кислоты (H2SO4).
Ура! Наконец-то решили задачу по химии. Кто-то из читателей данной статьи скажет для себя, а зачем было доверить задачу нейросети, если можно её было решить самому за 3 минуты. В позиции рациональности суждений я соглашусь с этими суждениями, но то же время мне было интересно с точки зрения педагога как мыслят ученики при выполнении подобного рода упражнении, узреть корни и истоки мышлений откуда исходят данные умозаключения, которые в конечном счёте оказываются ошибочными. По прошествии некоторого опыта самообразования и педагогической практики, пришёл к выводу о важности разбора реализованных решения избранных и типовых решений задач, поскольку они позволяют наглядными образом показать, как теоретические выкладки реализуются на практике при решении конкретных задач. При анализе хода готового решения задачи, при вдумчивом и осознанном подходе решения, а ещё лучше при самостоятельных, осознанных и независимых попытках решить микрозадачки в рамках одной задачи, у человека развивается не только навык аналитическое мышления, но и выстраивается навык выстраивания цепочки рассуждений, навык разработки концепции решения и тому подобное. С психологической точки зрения, данный подход позволяет преодолеть страх неудачи при попытках решения конкретной задачи, а внутри себя вселить уверенность, но в тоже время не забывать и про ловушки мышления.