Hướng dẫn học sinh vận dụng định luật bảo toàn khối lượng và quy tắc đường chéo

I ĐẶT VẤN ĐỀ I.1 Lý chọn đề tài Lý luận Hóa học mơn học vừa mẻ, vừa trừu tượng học sinh trung học sở (THCS), đòi hỏi học sinh phải biết cách tư duy, giáo viên phải biết sáng tạo từ cách thức tổ chức dạy lý thuyết đến phương pháp bồi dưỡng kỹ giải tập cho học sinh Ngoài mục tiêu giúp học sinh khám phá chuẩn kiến thức, giáo viên phải gắn liền với mục tiêu phát triển kiến thức; hình thành phương pháp học tập khoa học, phát huy tính chủ động sáng tạo, rèn luyện lực nhận thức tư hóa học cho học sinh Dạy hóa học phải trọng đến nhiệm vụ phát hiện, bồi dưỡng, nâng cao tri thức lực vận dụng thực tiễn, tác động tích cực đến tình cảm, đem lại niềm vui hứng thú, say mê học tập học sinh Các nhiệm vụ thực nhiều cách khác nhau, tập hóa học phương tiện hiệu nghiệm để phát hiện, bồi dưỡng lực nhận thức tư hóa học cho học sinh (nhất học sinh giỏi) Do đặc thù môn học mới, thời gian học bậc THCS ngắn hệ thống tập hóa học lại đa dạng phức tạp nên việc thực nhiệm vụ không dễ dàng giáo viên không nhiệt huyết thiếu say mê, sáng tạo Thực tiễn Qua nhiều năm tham gia giảng dạy bồi dưỡng học sinh giỏi dự thi cấp huyện, tơi nhận thấy có khơng học sinh THCS cịn lỗ hổng lớn kiến thức hóa học Nhiều học sinh “thuộc lòng” kiến thức chưa biết vận dụng, tiếp xúc với tập, địi hỏi tư cao học sinh thường lúng túng giải dài dòng, tốn nhiều thời gian Hai dạng tập làm lúng túng cho nhiều học sinh THCS là: - Các dạng tính tốn có liên quan đến định luật bảo tồn khối lượng, đề cho số kiện số lượng chất hỗn hợp - Các dạng tính tốn có liên quan đến quy tắc đường chéo, học sinh khơng hiểu ngun tắc áp dụng khơng biết đại lượng áp dụng vào quy tắc đường chéo Với lý chọn đề tài “ Hướng dẫn học sinh vận dụng định luật bảo toàn khối lượng quy tắc đường chéo " nhằm giúp em học sinh nắm vững chất hóa học phương pháp tính tốn hai dạng tốn trên, góp phần tăng thêm hứng thú học tập, phát triển lực tư duy; sáng tạo nâng cao chất lượng bồi dưỡng học sinh giỏi trường THCS I.2 Mục đích nghiên cứu Tơi nghiên cứu đề tài nhằm giúp học sinh: - Vận dụng định luật bảo tồn khối lượng khơng dạng đơn tính khối lượng chất (trong PTHH có n chất) biết khối lượng (n – 1) chất, mà cịn tính khối lượng chất biết khối lượng (n -2) chất - Nắm vững nguyên tắc áp dụng quy tắc đường chéo, từ biết đại lượng áp dụng vào quy tắc đường chéo I.3 Đối tượng nghiên cứu I.3.1 Nghiên cứu phương pháp giải tốn liên quan đến định luật bảo tồn khối lượng -Khi phản ứng chất chưa biết khối lượng -Khi phản ứng hai chất trở lên chưa biết khối lượng I.3.2 Nghiên cứu phương pháp giải toán liên quan đến quy tắc đường chéo -Trộn hai chất X,Y thành hỗn hợp có khối lượng mol trung bình -Trộn hai dung dịch chất tan, loại nồng độ I.4 Đối tượng khảo sát, thực nghiệm Đội tuyển học sinh giỏi hóa học lớp 8, lớp từ năm học 2017 -2018 đến năm học 2019 – 2020 I.5 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Tôi sưu tầm, nghiên cứu theo chuyên đề bao gồm sở lý thuyết phương pháp giải, từ áp dụng vào giải tập Phương pháp thực nghiệm sư phạm tổng kết kinh nghiệm: Tôi thực giảng dạy theo kế hoạch xây dựng với đội tuyển học sinh giỏi trường, tổng kết rút kinh nghiệm sau kết thúc chuyên đề Một số phương pháp hỗ trợ: gồm trao đổi đồng nghiệp; thu thập thơng tin học sinh; điều tra khảo sát, phân tích so sánh … I.6 Phạm vi thời gian nghiên cứu I.6.1 Phạm vi nghiên cứu Đội tuyển học sinh giỏi hóa học lớp 8, lớp Trường trung học sở Phước Hưng I.6.2 Thời gian nghiên cứu - Chuẩn bị xây dựng đề tài từ tháng / 2018 - Dạy học theo đề tài từ tháng 10 / 2018 - Viết thô sáng kiến vào tháng 10 /2018 - Hoàn thiện sáng kiến vào tháng 10 năm 2019 II NỘI DUNG II.1.Những nội dung lý luận có liên quan trực tiếp đến vấn đề nghiên cứu Quy tắc đường chéo: áp dụng cho tất hỗn hợp hai thành phần biết giá trị trung bình (T ) T = A Quy tắc đường chéo biểu diễn mối liên hệ giá trị trung B bình sau pha trộn giá trị ban đầu, kèm với đại lượng tỉ lệ nghịch II.2 Thực trạng vấn đề nghiên cứu Thực tế, em đội tuyển học sinh giỏi gặp toán có số lượng chất hỗn hợp nhiều số kiện đề cho thường lúng túng, không xác định hướng giải, giải tốn nhiều thời gian Khi dùng quy tắc đường chéo, em cịn mơ hồ, khơng biết áp dụng đại lượng để biểu diễn quy tắc đường chéo Tôi tiến hành tham gia khảo sát đội học sinh giỏi hai tập liên quan đến hai loại tốn trên: Bài 1: Hịa tan 11,2g hỗn hợp A gồm hai kim loại X Y (đều đứng trước H dãy hoạt động hóa học kim loại) vào dung dịch HCl dư (dung dịch D) Sau phản ứng, cô cạn dung dịch thu được39,6g muối khan a/ Tính thể tích H2 (ở đktc) b/ Cho 22,4g hỗn hợp A vào 500ml dung dịch D thu 16,8 lít khí (ở đktc) Cơ cạn dung dịch thu sau phản ứng chất rắn B Tính khối lượng chất rắn B nồng độ mol dung dịch D Bài 2: Hỗn hợp khí X gồm SO2 O2 Biết tỉ khối hỗn hợp X so với khí hiđro 28,8 Tính % theo thể tích % theo khối lượng khí có hỗn hợp X Kết quả: Đối với 1: học sinh lúng túng X, Y chưa biết hóa trị; số liệu đề cho lại số chất Do đó, học sinh khơng xác định hướng giải, giải với số lượng ẩn nhiều so với kiện đề Đối với 2: học sinh giải theo cách gọi x, y số mol chất hỗn hợp giải hệ phương trình tốn nhiều thời gian Khi tơi hướng dẫn giải hai tập (bài 1: phương pháp vận dụng định luật bảo toàn khối lượng; 2: dùng quy tắc đường chéo) điều thú vị có nhiều học sinh hiểu nhanh; giải nhanh chóng tập tương tự tỏ thích thú phương pháp Trước thái độ tích cực tình cảm u thích học sinh, tơi nghĩ phải có nhiệm vụ nghiên cứu thực đề tài để góp phần nâng cao chất lượng giảng dạy II.3 Mô tả, phân tích giải pháp (hoặc biện pháp, cách ứng dụng, cách làm mới) sử dụng nhằm làm cho cơng việc có hiệu cao II.3.1 Bài tốn vận dụng định luật bảo toàn khối lượng Cơ sở phương pháp Cơ sở phương pháp dựa nội dung định luật bảo toàn khối lượng “ Trong phản ứng hóa học, tổng khối lượng chất sản phẩm tổng khối lượng chất tham gia phản ứng” *Tổng quát: Giả sử có phản ứng: A + B  C + D Theo định luật bảo tồn khối lượng, ta có: mA(pư) + mB(pư) = mC + mD (Khơng tính phần chất cịn dư) *Các hệ quả: Hệ 1: ∑mtrước phản ứng = ∑msau phản ứng (đúng cho trường hợp) Hệ 2: Áp dụng tính khối lượng dung dịch thu sau phản ứng: mdd (sau phản ứng) = ∑mtrước phản ứng - mchất không tan (sau phản ứng) - mchất khí (sau phản ứng) Dấu hiệu nhận dạng tốn sử dụng định luật bảo tồn khối lượng √ Đề cho kiện khối lượng khơng đổi thành số mol thuộc chất tổng quát hỗn họp √ Số lượng chất hỗn hợp nhiều số kiện đề cho đề không hỏi lượng chất hỗn hợp Phương pháp giải tốn 3.1 Dạng 1: Nếu phản ứng chất chưa biết khối lượng * Phương pháp: Tính trực tiếp khối lượng chất theo định luật bảo toàn khối lượng: Giả sử có phản ứng: A + B  C + D (Trong đó, chất A, B, C biết khối lượng mA, mB, mC) Theo định luật bảo toàn khối lượng: mA + mB = mC + mD ¿>¿ mD = mA + mB - mD 3.2 Dạng 2: Nếu phản ứng chất trở lên chưa biết khối lượng * Phương pháp: Tính gián tiếp khối lượng chất theo định luật bảo toàn khối lượng Giả sử có phản ứng: A + B  C + D (Trong đó, chất A, B, biết khối lượng mA, mB) √ Bước 1: Đặt ẩn (a mol) cho số mol chất chưa biết khối lượng √ Bước 2: Viết đầy đủ PTHH ( viết chung PTHH tổng quát phản ứng tương tự) Theo tỉ lệ hệ số PTHH, từ a mol => số mol chất lại PTHH √ Bước 3: Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng, lập phương trình tốn học có chứa ẩn a, giải phương trình tốn học tìm nghiệm ẩn a √ Bước 4: Tính tốn để hồn thành u cầu đề Các tập minh họa Bài : Khi cho 10,4gam hỗn hợp oxit CuO, MgO, Fe 2O3, tác dụng vừa đủ với 300ml dung dịch HCl 1M thu dung dịch A Cô cạn dung dịch A thu m gam muối khan Hãy tính giá trị m?  Phân tích: -Đều oxit bazơ tác dụng với dd axit, nên ta đặt CTHH tổng quát oxit AxOy viết chung PTHH -Số lượng chất hỗn hợp nhiều số kiện đề cho đề không hỏi lượng chất hỗn hợp Đây dấu hiệu sử dụng định luật bảo toàn khối lượng (Thuộc dạng 2)  Hướng dẫn: nHCl = 0,3 = 0,3 mol Đặt CTHH oxit AxOy AxOy + 2yHCl 0,3mol  x ACl 2xy + yH2O ? 0,15mol Theo ĐLBTKL: mACl 2xy = mAxOy + mHCl – mH2O = 10,4 + 0,3.36,5 - 0,15 18 = 18,65g Bài 2: Hịa tan hồn tồn 12,4 gam hồn hợp A gồm kim loại X, Y, Z hóa trị I, II, III dung dịch H2SO4 loãng, dư thu dung dịch B V lít (đktc) khí H2 Cơ cạn dung dịch B thu 60,4 gam mi khan Tính V  Phân tích: -Do hỗn hợp có kim loại chưa biết khối lượng mol, sổ mol cùa kim loại chưa biẻí nên ta có tồng số ẩn số (nếu dùng phương pháp đại sò) đề chi cho biết kiện để định lượng Vì khơng thê giải tìm xác giá trị cùa ẩn -Đề cho kiện đổi thành số mol Đây dấu hiệu đề ta nhận định tốn giải pháp bào tồn khối lượng (Thuộc dạng 2)  Hướng dẫn: -Đặt A kim loại đại diện cho kim loại X, Y, Z -Đặt a mol số mol H2 -PTHH: 2A + xH2SO4  A2(SO4)x ? a mol + xH2 a mol -Theo ĐLBTKL: mA + mH2SO4 = mA2(SO4)x + mH2 12,4 + 98a = 60,4 + 2a ¿>¿ a = 0,5 (mol) -V H = 0,5 22,4 = 11,2 lít Bài 3: Cho luồng CO qua ống sứ đựng 0,04 mol hỗn hợp A gồm FeO Fe 2O3 đốt nóng Sau kết thúc thí nghiệm thu B gồm chất nặng 4,784 gam Khí khỏi ống sứ cho hấp thụ vào dung dịch Ba(OH) dư thu 9,062 gam kết tủa Phần trăm khối lượng Fe2O3 hỗn hợp A :  Phân tích: -Từ số mol chất kết tủa BaCO3 => số mol CO2 => số mol CO phản ứng khử (nCO = nCO2) -Như vậy, phản ứng khử, biết khối lượng chất, khối lượng hỗn hợp oxit chưa biết dấu hiệu sử dụng định luật bảo toàn khối lượng (Thuộc dạng 1)  Bài làm học sinh: Bài 4: Đốt cháy hoàn toàn 3,42g chất hữu X chứa nguyên tố C, H O cần dùng V lít O2 (đktc) Hấp thụ hết sản phẩm cháy vào bình đựng dung dịch Ca(OH) dư, thu 12g kết tủa, đồng thời khối lượng bình tăng 7,26g Tính V xác định CTPT X biết phân tử X số nguyên tử C nhiều số nguyên tử O đơn vị  Phân tích: - Từ lượng kết tủa => tính lượng CO2 - Khối lượng bình đựng dd Ca(OH)2 tăng => tính lượng H2O - Ở PTHH đốt cháy, khối lượng khí O chưa biết Đây dấu hiệu sử dụng định luật bảo toàn khối lượng (Thuộc dạng 1) 10 - Muốn xác định CTPT X, ta phải xác định khối lượng số mol nguyên tố có X Muốn vậy, ta vận dụng phương pháp bảo toàn mol nguyên tố Cơ sở phương pháp : Trong PƯHH có liên kết nguyên tử thay đổi, số nguyên tử nguyên tố không đổi Giả sử có cơng thức A xBy nA = nAxBy x ; nB = nAxBy y  Bài làm học sinh: Mở rộng toán vận dụng định luật bảo toàn khối lượng 5.1 Bảo toàn mol nguyên tố Định luật : ∑nX ( trước phản ứng ) = ∑nX ( sau phản ứng ) Phương pháp giải: Giải toán dựa vào quan hệ số mol Một số ý: * Phản ứng: oxit kim loại + axit (HCl, HSO, loãng )  muối + nước R2Ox + 2xHCl  2RClx + xH2O R2Ox + xH2SO4  R2(SO4)x + xH2O 18  Phân tích: -Khi cho kim loại R tan hồn tồn dung dịch HNO thu hỗn hợp hai khí NO NO2 biết khối lượng mol trung bình : M hh = 19.2 = 38 (g/mol) Đây dấu hiệu sử dụng quy tắc đường chéo Từ đây, ta tính số mol khí có (4,48 : 22,4 = 0,2 mol ) hỗn hợp -Muốn xác định kim loại R ta phải tính MR = m Dựa vào PTHH, tính nR n  Bài làm học sinh: Bài 2: Crackinh 4,4 gam propan hỗn hợp X (gồm hiđrocacbon) Dẫn X qua nước brom dư thấy khí có tỉ khối so với H2 10,8 Hiệu suất crackinh :  Phân tích: -Crắckinh ankan thu anken ankan (tổng số nguyên tử C anken ankan thu số nguyên tử C ankan ban đấu) -Khí khỏi bình brom gồm C 3H8 dư CH4 Tính khối lượng mol hỗn hợp khí Dùng quy tắc đường chéo tính tỉ lệ số mol chất -Hiệu suất phản ứng thính theo lượng C3H8 a mol C3H8 pư ; b mol C3H8 dư (CH4 C3H8 dư) : quy tắc đường chéo 19 C3H8 dư C3H8 pư = C3H8 bđ – C3H8 dư H= C3 H pư 100% C H bđ  Bài làm học sinh: 2.2 Dạng 2: Pha loãng dung dịch pha trộn hai dung dịch chất tan loại nồng độ 1.Cơ sở phương pháp  Bài toán tổng quát (thường gặp) Dung dịch Dung dịch Chất tan A Chất tan A Chất tan A V1 , m1 V2 , m2 V3 , m3 Dung dịch + 20 √ √ Cho đầy đủ kiện dung dịch 1, Yêu cầu tính nồng độ dung dịch √ Cho đầy đủ kiện dung dịch Yêu cầu tính đại lượng thuộc dung dịch 1, √ Chỉ cho nồng độ dung dịch 1, 2, Yêu cầu tính tỳ lệ pha trộn dung dịch 1,  Bản chất pha trộn Vì khơng xảy phản ứng hóa học nên lượng chất bảo toàn √ Bảo toàn lượng chất tan  mA (dd3 ) = mA (dd1) + mA (dd2) √ Bảo toàn lượng nước  mH2O (dd3) = mH2O (dd1) + mH2O (dd2) √ Bảo toàn lượng dung dịch  m3 = m2 + m1 √ Nếu giả thiết thể tích dung dịch thay đổi khơng đáng kể thì: V3 = V + V √ Nồng độ sau pha trộn giá trị trung bình nồng độ ban đầu: C% (min) < C3% < C% (max) CM (min) < CM(3) < CM (max) Phương pháp giải toán - Sử dụng quy tắc đường chéo pha trộn - Lưu ý: