RÈN LUYỆN KỶ NĂNG GIẢI BÀI TOÁN HÓA HỌC THEO PHƯƠNG PHÁP BẢO TOÀN ELECTRON

RÈN LUYỆN KỶ NĂNG GIẢI BÀI TOÁN HÓA HỌC THEO PHƯƠNG PHÁP BẢO TOÀN ELECTRON

RÈN LUYỆN KỶ NĂNG GIẢI BÀI TOÁN HÓA HỌC THEO

PHƯƠNG PHÁP BẢO TOÀN ELECTRON

Nguyễn Thị Kim Cúc - Tổ Hoá

A Đặt vấn đề:

Với cách thức kiểm tra đánh giá hiện nay, thời gian để hoàn thành bài thi rất ngắn, mỗi bài thi chỉ có thời gian 90 phút với số lượng 50 câu Như vậy, thời gian

để hoàn thành một bài toán hóa học chỉ cho phép trong khoảng thời gian từ 1 – 3 phút Vì vậy, nếu không nắm vững các phương pháp giúp giải nhanh bài toán hóa học thì khó có thể hoàn thành bài thi trong thời gian quy định Sau đây xin giới thiệu cách rèn kỷ năng vận dụng phương pháp bảo toàn electron (một trong những phương pháp giải nhanh) giúp giải nhanh các bài toán hóa học

B Nội dung:

I – Định luật bảo toàn Electron: Trong các quá trình Oxi hoá – Khử thì

tổng số electron các chất khử nhường bằng tổng số electron các chất oxi hoá nhận

II – Ưu điểm của phương pháp bảo toàn Electron:

- Cho phép giải nhanh chóng, chính xác các bài toán hoá học mà có thể không cần viết các phương trình phản ứng xảy ra trong bài

- Đặc biệt thích hợp với những bài toán mà việc giải bài toán theo phương pháp đại số thì số ẩn số nhiều hơn số phương trình

- Phù hợp với hình thức kiểm tra, đánh giá hiện nay

III – Phạm vi áp dụng của giải bài toán hoá học theo phương pháp bảo toàn Electron:

Áp dụng phương pháp này vào giải bài toán hoá học khi phản ứng xảy ra trong bài là phản ứng Oxi hoá - Khử

IV – Rèn luyện kỷ năng giải bài toán Hóa học theo phương pháp bảo toàn Electron:

1 Với mỗi bài toán hoá học đưa ra, cần cho học sinh xem xét có thể vận dụng phương pháp bảo toàn electron để giải được hay không.

Ví dụ 1: Có một hỗn hợp bột các kim loại là Fe và Al Lấy 8,3 gam hỗn hợp

bột này tác dụng với dung dịch HCl vừa đủ Phản ứng xong thu được 5,6 lít H2 (đktc) Tổng số mol electron đã trao đổi là bao nhiêu?

a) 0,75 mol

b) 0,5 mol

c) 1 mol

d) 2 mol

Nhận xét: Bài toán yêu cầu xác định tổng số mol electron trao đổi Vì vậy,

nên vận dụng phương pháp bảo toàn electron để xác định nhanh chóng kết quả của bài toán Cần phân tích để học sinh hiểu:

Tổng số mol electron đã trao đổi = tổng số mol electron cho + tổng số mol electron nhận

Ví dụ 2: Hoà tan hoàn toàn a (gam) hỗn hợp Al, Cu trong dung dịch HNO3 loãng thu được 4,8 lít NO duy nhất (đktc) Cũng cho a (gam) hỗn hợp trên tác dụng với dung dịch NaOH dư thì thu được 3,36 lít H2 (đktc) Thành phần % về khối lượng của Al là:

a) 49,67%

b) 32,05%

c) 21,95%

d) 43,44%

Nhận xét: Muốn vận dụng phương pháp bảo toàn electron để giải bài toán

này cần xác định các quá trình hoá học xảy ra trong bài có phải là các quá trình oxi

hoá – khử hay không?

Ta có:

Al + HNO3 (l) → NO ↑ Như vậy, lúc này:

Cu dd (Al3+; Cu2+) Al – 3e → Al3+

Cu – 2e → Cu2+

+ NaOH N+5 + 3e → N+2

Al3+, H2: Al – 3e → Al3+

2H+ + 2e → H2

Vậy, các quá trình hoá học xảy ra trong bài là các quá trình oxi hoá - khử

Do đó, vận dụng phương pháp bảo toàn electron để giải các bài toán được nhanh chóng (không cần viết các phương trình phản ứng xảy ra)

Ví dụ 3: Hoà tan hoàn toàn 9 gam hỗn hợp X gồm bột Mg và bột Al bằng

dung dịch H2SO4 loãng, dư thu được khí A và dung dịch B Thêm từ từ dung dịch NaOH vào B sao cho kết tủa đạt tới khối luợng lớn nhất thì dừng lại Lọc kết toả đem nung trong không khí đến khối lượng không đổi thu được 16,2 gam chất rắn Thể tích khí A thu được ở đktc là:

a) 6,72 lít

b) 8,96 lít

c) 10,08 lít

d) 7,84 lít

Nhận xét: Các quá trình hoá học:

X Mg + H2 SO 4 (l) → A ↑ to

Al dd B (Mg2+, Al3+) ddNaOH ↓(Mg(OH)2, Al (OH)3 → Al2O3, MgO

(I) (II) (III)

Như vậy, trong các quá trình hoá học này, chỉ có quá trình (I) là quá trình

oxi hoá – khử Vì vậy, không thể đơn thuần vận dụng phương pháp bảo toàn

electron để giải bài toán được

2 Giải bài toán theo phương pháp bảo toàn Electron:

* Nguyên tắc chung: Viết đầy đủ các quá trình oxi hoá và đầy đủ các quá

trình khử để xác định tổng số electron của chất khử nhường và tổng số electron của chất oxi nhận rồi dựa vào dữ kiện đề bài thiết lập phương trình toán học liên hệ

Ví dụ 1: Giải ví dụ 1 ở Mục I

Có các quá trình:

Fe + HCl → H2

Al Fe2+, Al3+

Như vậy: Fe – 2e → Fe2+ 2H+ + 2e → H2

Al – 3e → Al3+ 0,5 (mol) 0,25 (mol) 5,6

1 nH2 = = 0,25 mol

22,4

2 Ta có: Tổng số mol electron nhận = 0,5 mol Vậy tổng số mol electron nhường = 0,5 mol → Tổng số mol electron trao đổi = 0,5 + 0,5 = 1 mol

Ví dụ 2: Giải ví dụ 2 ở Mục I

Có các quá trình: a (g) Al + HNO3 (l) → Al 3+, Cu2+

Cu NO

+ NaOH → Al3+

H2

Gọi x là số mol của Al trong a (g) hỗn hợp, ta có:

Gọi y là số mol của Cu

Al – 3e → Al3+

x 3x

Cu – 2e → Cu2+

y 2y

NO3- + 4H+ + 3e → NO + 2H2O

0,6 0,2

4,48

nNO = = 0,2 mol

22,4

Áp dụng định luật bảo toàn electron: 3x + 2y = 0,6 (1)

Al – 3e → Al3+ 2H+ + 2e → H2

x 3x 0,3 0,15 mol

3,36

nH2 = = 0,15 mol, 3x = 0,3 → x = 0,1 mol thay vào (1),

22,4

ta có y = 0,15 mol

Vậy: mAl = 0,1 X 27 = 2,7 gam 2,7

%Al = X 100% = 21,95% mCu = 0,15 X 64 = 9,6 gam 2,7 + 9,6

Ví dụ 3: Hoà tan hoàn toàn 27,8g hợp kim Al – Mg với vừa đủ dung dịch

HNO3 1,25M thu được 8,961 lít ở đktc hỗn hợp khí A gồm NO và N2O có tỷ khối với H2 = 20,25 Xác định thành phần % về khối lượng hợp kim và thể tích HNO3

đã dùng

Phân tích:

27,8 Al + HNO3 1,25M → dd B

Mg 8,961 hhA (NO + N2O); (dA/H = 20,25)

a) %mAl = ?; %mMg = ?

- Muốn xác định được %mAl, %mMg phải xác định được mAl, mMg trong hợp kim → xác định nAl, nMg → dựa vào: Khối lượng hợp kim và nNO, nN2O

- Xác định được nNO, nN2O qua MA, nA tính được nNO = 0,1 mol và nN2O = 0,3 mol

- Dùng định luật bảo toàn electron, thông qua các bán phản ứng lập được phương trình:

Al – 3e → Al+3

x 3x

Mg – 2e → Mg+2

y 2y

NO3- + 4H+ + 3e → NO + 2H2O

0,1 0,4 0,3 0,1

2NO3- + 10H+ + 8e → N2O + 5H2O

0,6 3 2,4 0,3

3x + 2y = 27,9 (1)

Từ khối lượng hợp kim lập được phương trình: 27x + 24y = 27,9 (2)

Từ (1) và (2) x = 0,5, y = 0,6

mAl = 13,5g, mMg = 14,4g

%mAl = 48,4%, %mMg = 51,6%

b) VHNO3 đã dùng = ? 3,4

nHNO3 đã dùng = nH+ = 3,4mol VHNO3 đã dùng = = 2,721 lít 1,25

3 Nâng cao dần mức độ khó khăn của bài toán và yêu cầu học sinh giải theo các phương pháp khác nhau:

Để học sinh thích ứng được phương pháp giải toán này cần cho học sinh rèn luyện các bài toán từ đơn giản đến phức tạp để dần dần hình thành kỷ năng giải toán theo phương pháp này cho các em Và với mỗi bài toán đưa ra cần cho học sinh giải theo các phương pháp giải có thể có để từ đó các em thấy được rõ ưu điểm của phương pháp giải toán này

Ví dụ 1: Hoà tan hoàn toàn m gam Al vào dung dịch HNO3 đặc, nóng thấy

thoát ra 6,72 lít khí màu nâu (đktc) Tính m?

Bài giải:

Al + HNO3 → Al +3

NO2

Ta có: Al – 3e → Al3+

NO3- + 2H+ + e → NO2 + H2O 6,72

3nAl = n NO2 = = 0,3

22,4

m

3 = 0,3 → m = 2,7 gam

27

Ví dụ 2: Hoà tan hoàn toàn hỗn hợp kim loại gồm 0,02 mol Al và 0,01 mol

Zn với vừa đủ dung dịch HNO3 2M thu được V lít khí duy nhất (đktc) bị hoá nâu trong không khí

a) Tính V?

b) Tính thể tích HNO3 đã dùng?

* Nhận xét: So với ví dụ 1, ở ví dụ này nội dung kiến thức của bài tập đã đuợc nâng lên Ở đây học sinh có thể giải bằng 2 cách:

Cách 1: Bằng phương pháp thông thường tính được:

a) V = 0,672 lit

b) VHNO = 0,06 lít

Cách 2: theo phương pháp bảo toàn electron

Ta có phản ứng:

Quá trình oxi hóa Quá trình khử

Al – 3e → Al+3 NO3- + 4H+ + 3e → NO + 2H2O

0,02 0,06 4x 3x x

Zn – 2e → Zn+2

0,015 0,03

Kết hợp quá trình oxi hoá và quá trình khử, ta có:

3x = 0,06 + 0,03 → x = 0,03

nNO = x = 0,03 mol → VNO = 0,672 lít

nHNO3 đã dùng = nH+ = 4x = 0,12 mol VHNO3 = 0,06 lít

Ví dụ 3: Nung nóng m gam phôi bào sắt trong không khí, sau một thời gian

biến thành hỗn hợp (A) có khối lượng 30 gam gồm sắt và các oxít FeO, Fe3O4, Fe2O3 Hoà tan hoàn toàn hỗn hợp (A) bằng dung dịch HNO3 loãng thấy bay ra 5,6 lít khí NO duy nhất (đo ở đktc)

Tính khối lượng m?

Giải:

* Cách 1: Bằng phương pháp đại số:

Các phương trình phản ứng xảy ra:

Fe + 4HNO3 → Fe(NO3)3 + NO + 2H2O (4)

3FeO + 10HNO3 → 3Fe(NO3)3 + NO + 5H2O (5)

3Fe3O4 + 28HNO3 → 9Fe(NO3)3 + NO + 14H2O (6)

Fe2O3 + 6HNO3 → 2Fe(NO3)3 + 3H2O (7)

Gọi x, y, z, t là số mol của Fe, FeO, Fe3O4, Fe2O3 tương ứng Theo dữ kiện

đề cho và theo các phương trình phản ứng, ta có:

56x + 72y + 232z + 160t = 30 (a)

y z 5,6

Từ (4), (5), (6): x + + = nNO = = 0,25 mol (b)

3 3 22,4

Từ (1), (2), (3) hoặc từ (a) suy ra: 30 - m

y + 4z + 3t = nO = (c)

16

y z t

Từ (b) x = 0,25 - - - Thế x vào (a) ta có:

3 3 3

48

y + 4z + 3t = = 0,3

160

30 - m

Từ (c) và (d) = 0,3 → m = 25,2 gam

16

* Cách 2: Dùng phương pháp bảo toàn khối lượng:

Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng từ phương trình (4) đến (7), ta có:

mA + mHNO3 = mFe(NO)3 + mNO + mH2O (*)

Theo đề ra ta có:

m

nFe ban đầu = = nFe(NO)3

56

nNO3- tạo khí = nNO = 0,25 mol

3m

nNO3- trong muối = 3nFe = (mol)

56

3m

nHNO3 tham gia = + 0,25 mol

56

nHNO3 3m 0,25

nH2O = = = mol

2 2.56 2

Thay vào phương trình (*) ta có:

3m 242 3m 0,25

30 + + 0,25 63 = .m + 0,25.30 + 18 +

56 56 112 2

Giải ra ta được m = 25,2 gam

* Cách 3: Dùng phương pháp bảo toàn electron:

Từ phương trình (1) đến (7):

Fe: chất khử: Fe – 3e → Fe+3

a 3a

O2 và HNO3: chất oxi hoá: O2 + 4e → 2O-2

b 4b

NO3- + 4H+ + 3e → NO + 2H2O 3.0,25 0,25

Gọi số mol Fe ban đầu là a

Số mol O2 phản ứng là b

Áp dụng định luật bảo toàn electron, ta có:

3a = 4b + 3.0,25 <=> 3a – 4b = 0,75 (a)

Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng, ta có:

Giải hệ 2 phương trình (a) và (b): a = 0,45 (mol)

b = 0,15 (mol)

Từ đó suy ra: m = 0,45.56 = 25,2 (gam)