Ứng dụng đồ thị để giải nhanh bài toán hóa học phổ thông

114 TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG ỨNG DỤNG ĐỒ THỊ ĐỂ GIẢI NHANH BÀI TOÁN HÓA HỌC PHỔ THÔNG Vũ Thành Công Khoa Toán và KHTN Email congvt@dhhp edu vn Ngày nhận bài 19/4/2021 Ngày PB đánh giá 03/5/2021 Ngày d[.]

ỨNG DỤNG ĐỒ THỊ ĐỂ GIẢI NHANH BÀI TỐN HĨA HỌC PHỔ THƠNG Vũ Thành Cơng Khoa Tốn KHTN Email: congvt@dhhp.edu.vn Ngày nhận bài: 19/4/2021 Ngày PB đánh giá: 03/5/2021 Ngày duyệt đăng: 10/5/2021 TÓM TẮT: Việc giải tốn trắc nghiệm khơng địi hỏi học sinh nắm vững kiến thức cách giải mà phải biết cách vận dụng kiến thức toán học để giải nhanh tốn hóa học Đồ thị cách mà học sinh vận dụng vào việc giải nhanh tốn Việc áp dụng đồ thị giải tốn CO2 tác dụng với dung dịch kiềm, hỗn hợp dung dịch kiềm, toán dung dịch kiềm tác dụng với dung dịch Al+3… Bài báo trình bày dạng tập mà dùng đồ thị để giải nhanh Từ khóa: đồ thị, trắc nghiệm, giải nhanh APPLICATION OF GRAPHICS IN A QUICK SOLUTION TO HIGH-SCHOOL CHEMICAL PROBLEMS ABSTRACT: Solving multiple-choice problems requires students not only to master basic knowledge and problem-solving methods, but also to know how to apply mathematical knowledge to solve chemical problems quickly Students can use graphs to that The application of the graphs can solve problems such as CO2 and alkaline solution reactions, mixture of alkaline solutions, Al+3 and alkaline solution reactions related exercises, etc This article presents some types of exercises which can have graphs as a quick solution Keywords: graphs, multiple-choice , solve quickly ĐẶT VẤN ĐỀ Việc đánh giá học sinh qua hình thức thi trắc nghiệm có nhiều ưu điểm như: nhanh, gọn, khách quan chấm máy đặc biệt độ bao phủ kiến thức toàn diện, chống học lệch, học tủ Để làm thi trắc nghiệm tốt, địi hỏi học sinh khơng có kiến thức sâu, rộng, tư tốt mà cịn phải biết vận dụng tốn học q trình làm Đồ thị kiến thức tốn học mà học sinh có 114 TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG thể vận dụng để giải nhanh tốn hóa học Bản chất phương pháp đồ thị biểu diễn biến thiên, mối liên hệ phụ thuộc lẫn đại lượng biến đổi tuần hồn tính chất ngun tố hợp chất; yếu tố ảnh hưởng tới tốc độ phản ứng; chuyển dịch cân bằng; khí CO2, SO2 tác dụng với dung dịch kiềm, hỗn hợp dung dịch kiềm, muối nhôm, kẽm tác dụng với dung dịch kiềm; dung dịch axit tác dụng với dung dịch aluminat, dung dịch cacbonat… Để giải tốn dạng địi hỏi học sinh phải nắm vững lý thuyết, phương pháp giải, cơng thức tính nhanh, biết cách phân tích, đọc, hiểu đồ thị; tính đồng biến, nghịch biến, khơng đổi; tỉ lệ đại lượng đồ thị; tỉ lệ số mol kết tủa (hoặc khí) số mol chất thêm vào (OH- , H+…) áp dụng kiến thức hình học; hiểu thứ tự phản ứng xảy thể đồ thị.[4] Mục tiêu, đối tượng phương pháp nghiên cứu Mục tiêu: Nghiên cứu hệ thống số dạng tốn hóa học áp dụng phương pháp đồ thị để giải nhanh Đối tượng phạm vi: Bài tập hóa học cấp trung học phổ thơng (THPT) tốn hóa áp dụng phương pháp đồ thị để giải kỳ thi THPT quốc gia 10 năm trở lại Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu sách giáo khoa THPT đề thi kỳ thi THPT năm gần đây, giải toán nhiều phương pháp khác nhau, từ hệ thống hóa dạng áp dụng phương pháp đồ thị để giải, giải nhanh Kết nghiên cứu 3.1 Qui luật biến thiên độ âm điện Kiến thức cần nắm vững: Bảng 1: Qui luật biến đổi tính chất đơn chất, hợp chất nguyên tố nhóm A bảng tuần hồn [1] Tính chất Theo chu kì Theo nhóm A - Số thứ tự Tăng dần Tăng dần - Bán kính nguyên tử Giảm dần Tăng dần - Năng lượng ion hoá thứ (I1)(*) Tăng dần Giảm dần - Độ âm điện ngun tử (nói chung) Tăng dần Giảm dần - Tính kim loại,tính phi kim nguyên tố Tính kim loại giảm Tính kim loại dần, tính phi kim tăng dần, tính phi tăng dần kim giảm dần - Số electron lớp Tăng từ đến - Hoá trị cao nguyên tố với oxi Tăng từ đến - Hoá trị phi kim hợp chất khí với hiđro Giảm từ đến - Tính axit - bazơ oxit hiđroxit Tính bazơ giảm tính axit tăng Tính bazơ tăng tính axit giảm (*) Năng lượng ion hố thứ (I1): Năng lượng tối thiểu cần thiết để tách electron trạng thái khỏi nguyên tử nguyên tố.[3] TẠP CHÍ KHOA HỌC, Số 46, tháng năm 2021 115 Ví dụ 1: Đồ thị biểu diễn biến đổi độ âm điện nguyên tố L, M R (đều thuộc nhóm A bảng tuần hồn ngun tố hóa học) theo chiều tăng dần điện tích hạt nhân (Z) Trong bảng tuần hoàn, nguyên tố cho A thuộc nhóm A B thuộc nhóm A, chu kì liên tiếp xúc tác chất làm tăng tốc độ phản ứng, lại sau phản ứng kết thúc Các yếu tố ảnh hưởng đến cân hóa học - Khi nồng độ tăng, áp suất tăng, nhiệt độ tăng cân chuyển dịch phía làm giảm nồng độ, áp suất, giảm nhiệt độ (về phía thu nhiệt), ngược lại giảm nồng độ , áp suất, nhiệt độ, cân chuyển dịch phía làm tăng nồng độ, áp suất nhiệt độ (phía phản ứng tỏa nhiệt) - Phản ứng có số mol khí hai vế phương trình hóa học phản ứng khơng có chất khí áp suất khơng ảnh hưởng đến cân D - Khi thêm bớt chất rắn (nguyên chất) cân không chuyển dịch Theo đồ thị dễ thấy Z tăng, độ âm điện tăng nên chọn phương án C Ví dụ 2: Sự biến thiên tốc độ phản ứng thuận (Vt) nghịch (Vn) theo thời gian (t) phản ứng: C thuộc chu kì nguyên tố phi kim 3.2 Tốc độ phản ứng, Cân hóa học Kiến thức cần nắm vững: Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng [1] H2 (k) + I2 (k) ⇌ 2HI (k) biểu diễn theo đồ thị đây? (Ban đầu có H2 I2) - Ảnh hưởng nồng độ: Khi tăng nồng độ chất phản ứng, tốc độ phản ứng tăng - Ảnh hưởng áp suất: Khi áp suất tăng, nồng độ chất khí tăng theo, nên tốc độ phản ứng tăng - Ảnh hưởng nhiệt độ: Khi tăng nhiệt độ, tốc độ phản ứng tăng - Ảnh hưởng diện tích bề mặt: Khi tăng diện tích bề mặt chất phản ứng, tốc độ phản ứng tăng - Ảnh hưởng chất xúc tác: Chất 116 TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG Vận dụng kiến thức tốc độ phản ứng, tốc độ phản ứng thuận, tốc độ phản ứng nghịch cân hóa học cân động, cân Vt = Vn, nên đồ thị A biểu diễn biến thiên tốc độ phản ứng Chọn phương án A đáp án 3.3 Khí CO2 (SO2) tác dụng với dung dịch Ba(OH)2 (hoặc Ca(OH)2) Kiến thức cần nắm vững: Ví dụ 3[2]: Sục từ từ khí CO2 đến dư vào dung dịch Ba(OH)2, kết thí nghiệm thể đồ thị sau: Phương trình hóa học: CO2 + Ba(OH)2 → BaCO3 + H2O (1) (đồ thị đồng biến - nửa trái) Nếu dư CO2: BaCO3 + CO2 + H2O → Ba(HCO3)2 (2) (đồ thị nghịch biến nửa phải) Đồ thị: + Trục tung biểu diễn số mol kết tủa tạo thành + Trục hoành biểu diễn số mol CO2 thêm vào Giá trị a x đồ thị A B 1,8 3,6 C 1,6 3,2 D 1,7 3,4 Theo đồ thị: 2a = x; x –3 = 0,5a, suy a = ; x = 4, đáp án A 3.4 Khí CO2 tác dụng với hỗn hợp NaOH (hoặc KOH) Ba(OH)2 (hoặc Ca(OH)2) Kiến thức cần nắm vững: Hình 1: Đồ thị biểu diễn phụ thuộc số mol BaCO3 vào số mol CO2 tác dụng với dung dịch Ba(OH)2 Dạng toán thường có dạng câu hỏi: 1) Sục khí CO2 (đã biết số mol) vào dung dịch có a mol Ba(OH)2 Tính lượng kết tủa tạo thành Theo đồ thị, có trường hợp: Phương trình hóa học: CO2 + Ba(OH)2BaCO3 + H2O (1) (đồ thị đồng biến- nửa trái) Nếu CO2 cịn sau phản ứng (1) CO2 + 2NaOHNa2CO3 + H2O( 2) Nếu CO2 sau phản ứng (2) Na2CO3 + CO2 + H2O 2NaHCO3 (3) 2) Sục khí CO2 (chưa biết số mol) vào dung dịch có a mol Ba(OH)2 tạo lượng kết tủa (b mol) Tính lượng CO2 Theo đồ thị: tác dụng với dung dịch hỗn hợp Ba(OH)2 NaOH TẠP CHÍ KHOA HỌC, Số 46, tháng năm 2021 117 Phương trình tổ hợp: CO2 + NaOHNaHCO3 (đoạn nằm ngang) Nếu CO2 cịn sau phản ứng (3) BaCO3 + CO2 + H2O Ba(HCO3)2 (4) (đồ thị nghịch biến - nửa phải) Dạng tốn thường có dạng câu hỏi: 1) Sục khí CO2 (đã biết số mol) vào dung dịch có a mol Ba(OH)2 b mol NaOH Tính lượng kết tủa tạo thành Dựa theo đồ thị, có trường hợp: 3.5 Dung dịch kiềm (OH-) tác dụng với dung dịch muối kẽm (Zn2+) Kiến thức cần nắm vững: Dung dịch kiềm (KOH, NaOH…) tác dụng với dung dịch muối kẽm (ZnSO4 , Zn(NO3)2) Phương trình hóa học cho phản ứng xảy ra: 2KOH + ZnSO4 Zn(OH)2 + K2SO4 (1) ( đồ thị đồng biến - nửa trái) Khi KOH dư thì: Zn(OH)2 + 2KOH K2ZnO2 + 2H2O (2) (đồ thị nghịch biến - nửa phải) 2) Sục khí CO2 (chưa biết số mol) vào dung dịch có a mol Ba(OH)2 b mol NaOH tạo lượng kết tủa (c mol) Tính lượng CO2 hoặc: 4KOH + ZnSO4 2H2O (2) K2ZnO2 + Đồ thị (Zn(OH)2 - KOH) (hai nửa đối xứng) Dựa theo đồ thị, có trường hợp: Ví dụ 4[2]: Sục từ từ khí CO2 đến dư vào dung dịch X chứa m (gam) NaOH a mol Ca(OH)2 Kết thí nghiệm biểu diễn đồ thị sau: Hình 3: Đồ thị biểu diễn phụ thuộc số mol Zn(OH)2 vào số mol KOH tác dụng với dung dịch Zn2+ Bài toán thường có dạng câu hỏi: Giá trị m a là: A 48 1,2 B 36 1,2 C 48 0,8 D 36 0,8 Gọi số mol NaOH = b; từ đồ thị ta có: + b = 1,2 ⇒ m = 48 ⇒ 2a + b = 2,8 ⇒ a = 0,8 Đáp án C 118 TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG 1) Cho dung dịch KOH (x mol biết) vào dung dịch chứa a mol Zn2+ Tính lượng Zn(OH)2 tạo thành Theo đồ thị: 2) Cho dung dịch KOH (x mol; chưa biết) vào dung dịch chứa a mol Zn2+ Sau phản ứng thu b mol Zn(OH)2 Tính lượng KOH Theo đồ thị: Đồ thị (Al(OH)3- NaOH) (hai nửa khơng đối xứng) Ví dụ 5[2]: Khi nhỏ từ từ đến dư dung dịch KOH vào dung dịch chứa ZnSO4, kết thí nghiệm biểu diễn đồ thị sau (số liệu chất tính theo đơn vị mol): Hình 4: Đồ thị biểu diễn phụ thuộc số mol Al(OH)3 vào số mol NaOH tác dụng với dung dịch Al3+ Bài tốn thường có dạng câu hỏi: Tỉ lệ x : y là: A 10 : 13 B 11 : 13 C 12 : 15 D 11 : 14 1) Cho dung dịch NaOH (3b mol biết) vào dung dịch chứa a mol Al3+ Tính lượng Al(OH)3 tạo thành Theo đồ thị: Từ đồ thị ta có: Theo đồ thị, trường hợp: ; với a số mol Zn , x số mol KOH 2+ Áp dụng ta có hệ phương trình: 2) Cho dung dịch NaOH (chưa biết số) dung dịch chứa a mol Al3+ Sau phản ứng thu b mol Al(OH)3 Tính lượng NaOH Theo đồ thị: 0,2 – x/2 = 0,09 0,2 – y/2 = 0,06 x = 0,22 y = 0,28 Đáp án D 3.6 Dung dịch kiềm (OH-) tác dụng với dung dịch muối nhơm (Al3+) Ví dụ 6[2]: Cho từ từ đến dư dung dịch NaOH vào dung dịch Al2(SO4)3, kết thí nghiệm biểu diễn đồ thị sau: Kiến thức cần nắm vững Phương trình hóa hoc cho phản ứng xáy ra: 3NaOH + AlCl3 Al(OH)3 + 3NaCl (1) (đồ thị đồng biến - nửa trái) Tỉ lệ x : y sơ đồ Theo đồ thị: A : B : Nếu dư NaOH: NaOH + Al(OH)3 NaAlO2 + 2H2O (2) (đồ thị nghịch biến - nửa phải) C : D : hoặc: 4NaOH + AlCl3 3NaCl + 2H2O 4a-b = 4a -0,4a = y y = 3,6a NaAlO2 + ⇒x:y = 5:6 Đáp án B TẠP CHÍ KHOA HỌC, Số 46, tháng năm 2021 119 3.7 Dung dịch axit HCl (H+) tác dụng với dung dịch muối NaAlO2 (AlO2- ) Phương trình hóa học cho phản ứng xảy ra: HCl + NaAlO2 + H2O ⟶ Al(OH)3 + NaCl (1) (đồ thị đồng biến- nửa trái) dư HCl: 3HCl + Al(OH)3 ⟶ AlCl3 + 3H2O (2) (đồ thị nghịch biến- nửa phải) hoặc: 4HCl + NaAlO2 ⟶ AlCl3 + NaCl + 2H2O Đồ thị (Al(OH)3- HCl) (hai nửa không đối xứng) Hình 5: Đồ thị biểu diễn phụ thuộc số mol Al(OH)3 vào số mol HCl tác dụng với dung dịch AlO2Bài tốn thường có dạng câu hỏi: 1) Cho dung dịch HCl (b mol, biết) vào dung dịch chứa a mol AlO2- Tính lượng Al(OH)3 tạo thành Theo đồ thị: 2) Cho dung dịch HCl (chưa biết số) dung dịch chứa a mol AlO2- Sau phản ứng thu b mol Al(OH)3 Tính lượng HCl Theo đồ thị: Ví dụ 7[2]: Cho từ từ dung dịch HCl 0,2M vào dung dịch NaAlO2, kết thí nghiệm biểu diễn đồ thị sau (số liệu chất tính theo đơn vị mol): 120 TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG Tỉ lệ a : b A 3:11 B 3:10 C 2:11 D 1:5 Theo đồ thị, dễ thấy: a = 0,06; (4.0,1 – 3.0,06) = b ⇒ b = 0,22 ⇒ đáp án A KẾT LUẬN Bài báo sử dụng phương pháp đồ thị vận dụng vào việc giải dạng toán khác sử dụng trọng đề thi tuyển sinh Kết cho thấy, phương pháp đồ thị vận dụng để giải giải nhanh tốn hóa học Phương pháp khơng giúp học sinh giải nhanh mà cịn giúp học sinh dễ nhớ kiến thức áp dụng Ngồi dạng tốn trên, cịn áp dụng giải số dạng toán khác đề thi TN THPT Quốc gia đề thi học sinh giỏi Kết trình bày báo Tác giả chân thành cảm ơn phản biện ẩn danh góp ý để báo hồn thiện tốt Rất mong tiếp tục nhận góp ý phản biện, quý Thầy Cô bạn đọc để báo sau có hữu ích TÀI LIỆU THAM KHẢO Bộ Giáo dục Đào tạo (2018), Hóa học 10, 11, 12, Nhà xuất Giáo dục Việt Nam Bộ Giáo dục Đào tạo, đề thi THPT Quốc gia năm 2010 đến năm 2020 Lâm Ngọc Thiềm, Nguyễn Đình Thành, Huỳnh Văn Trung, Nguyễn Cương (2020), Từ điển hóa học phổ thơng, Nhà Xuất Giáo dục Việt Nam Giac, C.C., N.T.P Lien, and P.N Tuan (2017), “Training Skills to Solve Some Inorganic Chemistry Exercises by Using the Graphic Method of Calculation for Teaching Chemistry in High School.”  World Journal of Chemical Education 5.1: 12-19  ... hệ thống số dạng toán hóa học áp dụng phương pháp đồ thị để giải nhanh Đối tượng phạm vi: Bài tập hóa học cấp trung học phổ thơng (THPT) tốn hóa áp dụng phương pháp đồ thị để giải kỳ thi THPT... giải dạng toán khác sử dụng trọng đề thi tuyển sinh Kết cho thấy, phương pháp đồ thị vận dụng để giải giải nhanh tốn hóa học Phương pháp khơng giúp học sinh giải nhanh mà cịn giúp học sinh dễ... nghiệm thể đồ thị sau: Phương trình hóa học: CO2 + Ba(OH)2 → BaCO3 + H2O (1) (đồ thị đồng biến - nửa trái) Nếu dư CO2: BaCO3 + CO2 + H2O → Ba(HCO3)2 (2) (đồ thị nghịch biến nửa phải) Đồ thị: + Trục