sáng kiến kinh nghiệm vận dụng các định luật bảo toàn để giải bài toán về hỗn hợp sắt và oxit sắt

PHẦN THỨ NHẤT: MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Trong các môn học ở trường phổ thông, môn Hóa học giữ một vai trò khá quan trọng. Hóa học là một môn khoa học tự nhiên, nó nghiên cứu về chất và sự biến đổi chất này thành chất khác. Với 7 năm giảng dạy bộ môn Hoá học trong trường phổ thông, tôi đã được tham gia giảng dạy các khối lớp 10, 11, 12, được tham gia ôn luyện đội tuyển thi học sinh giỏi và luyện thi Đại học, Cao đẳng. Trong quá trình tìm tòi, nghiên cứu nhiều dạng bài toán hoá học khác nhau về các loại chất khác nhau vô cơ cũng như hữu cơ, tôi nhận thấy rằng bài tập hỗn hợp gồm sắt và oxit sắt là một trong những dạng bài tập mà học sinh hay gặp trong các kỳ thi mà đặc biệt là kì thi Đại học, Cao đẳng, do sắt là một kim loại phổ biến có thể tạo ra nhiều hợp chất ứng với nhiều mức oxi hoá khác nhau. Thông thường những bài tập về sắt và các oxit thường khá phức tạp và xảy ra theo nhiều phương trình phản ứng khác nhau. Vậy phương pháp nào để giải quyết bài toán khoa học nhất, hiệu quả nhất và nhanh nhất. Đó là lý do để tôi viết đề tài “ Vận dụng các định luật bảo toàn để giải bài toán về hỗn hợp sắt và oxit sắt” nhằm giúp học sinh giải quyết tốt các bài toán về hỗn hợp sắt và oxit sắt một cách nhanh chóng đồng thời chia sẻ kinh nghiệm về phương pháp giải bài tập với các đồng nghiệp. 2. Mục đích nghiên cứu Vận dụng các định luật bảo toàn khối lượng, định luật bảo toàn nguyên tố, định luật bảo toàn electron để tìm ra phương pháp giải tối ưu nhất, nhanh nhất 1 (không cần phải viết phương trình hóa học) dạng bài toán về sắt và oxit sắt thường gặp trong các đề thi tuyển sinh đại học, cao đẳng. Đề xuất những ý tưởng để giải nhanh bài toán về sắt và oxit sắt góp phần nâng cao chất lượng giảng dạy bộ môn ở trường phổ thông và là hành trang vững chắc để các em chuẩn bị bước vào kì thi tuyển sinh đại học, cao đẳng. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng là học sinh các lớp 12A1, 12A2 Trường THPT số 1 Bảo Yên – huyện Bảo Yên – tỉnh Lào Cai. Với khuôn khổ thời gian nghiên cứu có hạn nên trong đề tài này tôi chỉ nghiên cứu phương pháp vận dụng các định luật bảo toàn để giải bài bài toán về hỗn hợp sắt và oxit sắt bằng cách quy đổi về hỗn hợp gồm sắt và oxi. 4. Nhiệm vụ nghiên cứu Đưa ra các định luật bảo toàn cần vận dụng, phân tích áp dụng vào các dạng toán và đề ra phương pháp giải. Thử nghiệm trên các lớp: 12A1; 12A2 trường THPT số 1 Bảo Yên. Giáo viên đưa ra các phiếu học tập bằng các dạng bài tập về sắt và oxit sắt. 5. Phương pháp nghiên cứu 5.1 Phương pháp nghiên cứu lí thuyết Đọc các tài liệu làm cơ sở xây dựng lí thuyết của chuyên đề: tài liệu lí luận dạy học (Chủ yếu là phương pháp giải bài tập Hóa học THPT); sách giáo khoa, sách bài tập hóa học 12; phương pháp giải bài tập hóa vô cơ; 16 phương pháp và kĩ thuật giải nhanh bài tập trắc nghiệm môn Hóa học; một số đề thi học sinh giỏi, đề thi đại học, cao đẳng 2 5.2. Phương pháp sư phạm a. Phương pháp chuyên gia Vận dụng phương pháp bài tập để hướng dẫn học sinh giải quyết bài toán. Xin ý kiến nhận xét, đánh giá của các giáo viên có kinh nghiệm, giáo viên giỏi về nội dung sáng kiến. b. Tìm hiểu chất lượng học sinh ở những lớp mình điều tra c. Chọn lớp thử nghiệm và đối chứng kết quả 6. Thời gian nghiên cứu Từ tháng 8 năm 2011 đến tháng 4 năm 2012. PHẨN THỨ HAI: NỘI DUNG Chương I: TỔNG QUAN 1. Các định luật cần vận dụng 1.1. Định luật bảo toàn khối lượng Nội dung định luật: Khối lượng các chất tham gia phản ứng bằng khối lượng các chất được tạo thành sau phản ứng. Trong đó chúng ta cần vận dụng các hệ quả 3 Hệ quả 1: Gọi m T là tổng khối lượng các chất trước phản ứng, m S là khối lượng các chất sau phản ứng. Dù phản ứng xảy ra với hiệu suất bất kỳ ta đều có: m T = m S . Hệ quả 2: Khi cation kim loại kết hợp với anion phi kim để tạo ra các hợp chất ta luôn có: Khối lượng chất = khối lượng của cation+khối lượng anion. Khối lượng của cation hoặc anion ta coi như bằng khối lượng của nguyên tử cấu tạo thành. 1.2. Định luật bảo toàn nguyên tố Nội dung định luật: Tổng khối lượng một nguyên tố trước phản ứng bằng tổng khối lượng của nguyên tố đó sau phản ứng. Nội dung định luật có thể hiểu là tổng số mol của một nguyên tố được bảo toàn trong phản ứng. 1.3. Định luật bảo toàn electron Nội dung định luật: Trong phản ứng oxi hóa khử: Số mol electron mà chất khử cho đi bằng số mol electron mà chất oxi hóa nhận về. Khi vận dụng định luật bảo toàn electron vào dạng toán này cần lưu ý: Trong phản ứng hoặc một hệ phản ứng chỉ cần quan tâm đến trạng thái đầu và trạng thái cuối mà không cần quan tâm đến trạng thái trung gian. Nếu có nhiều chất oxi hóa và chất khử thì số mol electron trao đổi là tổng số mol của tất cả chất nhường hoặc nhận electron. 2. Tổng quan về bài tập hỗn hợp sắt và oxit Bài tập Fe và hỗn hợp oxit sắt thường có dạng cho khối lượng và cho phản ứng với một chất oxi hóa như H 2 SO 4 đặc nóng hoặc HNO 3 hoặc thậm chí là axit thường như HCl. 4 Giải quyết vấn đề: Với giả thiết là cho m gam hỗn hợp gồm Fe và các oxit FeO, Fe 3 O 4 , Fe 2 O 3 tác dụng với HNO 3 thu được khí NO 2 . Ta xem như đây là quá trình oxi hoá liên tiếp Fe bằng 2 chất oxi hoá là O và HNO 3. . Chất nhường electron: Fe , tạo sản phẩm là Fe 3+ . Chất nhận electron: O và HNO 3 , tạo sản phẩm là oxit và V lít NO 2 (đktc). Theo định luật bảo toàn khối lượng: 56x + 16y = m (1) Theo định luật bảo toàn electron Chất khử Chất oxi hóa 3 3Fe Fe e + → + 2 4 5 2 2 1 O e O N e N O − + + + → + → Tổng electron nhường: 3x mol Tổng electron nhận: 2y + Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: 3x = 2y + (2) Từ (1) và (2) ta có hệ 56 16 3 2 22,4 x y m V x y + =    − =   Việc giải hệ này khi một khi biết được 2 trong số 4 yếu tố sẽ giải quyết được yêu cầu của bài toán. Hoặc ta cũng có thể sử dụng phương trình 1 ẩn số để lập theo nguyên tắc trên là: Số mol e ( Fe cho) = Số mol e ( O nhận) + Số mol e ( NO 3 - nhận) 3. n Fe = 2. n O + n NO2 Chương II. THỰC TRẠNG CỦA ĐỀ TÀI 1. Thuận lợi 5 2y y x 3x 22,4 V 22,4 V 22,4 V 22,4 V y Năm học 2011 – 2012 với sự đạo của ngành giáo dục nhằm thực hiện tốt chủ đề của năm học: “Tiếp tục đổi mới và nâng cao chất lượng giáo dục”. Tiếp tục thực hiện các cuộc vận động: “Học tập và làm theo tấm gương đạo đức Hồ Chí Minh”; cuộc vận động “Mỗi thầy cô giáo là tấm gương đạo đức, tự học và sáng tạo”; Phong trào thi đua “Xây dựng trường học thân thiện, học sinh tích cực” đã tạo tiền đề và khí thế mạnh mẽ ngay từ đầu năm học. Đội ngũ cán bộ giáo viên nhà trường và tổ bộ môn đảm bảo về số lượng và chất lượng, đáp ứng yêu cầu của cấp học. Giáo viên trong nhà trường luôn có trách nhiệm cao, say mê với nghề nghiệp và hết lòng yêu thương học sinh. Ngay từ đầu năm học, ban giám hiệu và tổ bộ môn đã có triển khai các kế hoạch, chỉ thị năm học; kiểm tra khảo sát theo bộ môn để phân loại đối tượng học sinh, từ đó có biện pháp phụ đạo học sinh yếu kém, bồi dưỡng học sinh khá giỏi. Học sinh trung học phổ thông sau khi được học chương “phản ứng oxi hoá khử ” ở lớp 10, và phần “ axit HNO 3 ” ở lớp 11, đã bắt đầu làm quen với nhiều dạng bài toán phức tạp, trong đó có bài toán về hỗn hợp sắt và các oxit sắt phản ứng với các chất có tính oxi hoá mạnh (như HNO 3 , H 2 SO 4 đặc nóng ) hoặc cả với những axit mạnh thông thường (như HCl, H 2 SO 4 loãng ). Có nhiều học sinh khá, giỏi đã có kĩ năng giải bài tập này theo phương pháp thông thường (đặt ẩn, lập hệ phương trình). 2. Khó khăn Đối tượng học sinh của trường THPT số 1 Bảo Yên phần đông là học sinh ở vùng nông thôn, vùng sâu, vùng xa thuộc huyện Bảo Yên – tỉnh Lào Cai nên không có nhiều điều kiện cả về kinh tế và thời gian cho việc học tập. 6 Rất nhiều học sinh lớp 12 vẫn chưa hiểu được bản chất của các phản ứng của hỗn hợp sắt và oxit sắt với các chất có tính oxi hóa mạnh như axit nit quá trình oxi nitrric (hoặc axit sunfuric đặc, nóng) là quá trình oxi hoá liên tiếp Fe bằng 2 chất oxi hoá là O và HNO 3 (hoặc axit sunfuric đặc, nóng). Chưa biết cách áp dụng các định luật bảo toàn vào giải toán, đặc biệt là bảo toàn electron trong phản ứng oxi hoá khử. Mỗi dạng bài tập có nhiều phương pháp làm, nhưng có 1 phương pháp hiệu quả nhất để giải quyết mà học sinh chưa tìm ra được. Thói quen của học sinh về giải toán hoá bao giờ cũng là viết phương trình hoá học, đặt ẩn, lập hệ phương trình. Phương pháp này chỉ phù hợp với những bài toán đơn giản, khi số ẩn và số phương trình đại số lập được bằng nhau. Mặt khác, với một câu hỏi trắc nghiệm khách quan trong đề thi Đại học với thời gian trung bình 1,8 phút/1 câu hỏi thì việc giải nhanh bài toán này là vấn đề khá nan giải. Chương III: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 1. Phương pháp giải một số dạng bài tập điển hình 1.1. Dạng đốt cháy Sắt trong không khí rồi cho sản phẩm phản ứng với chất oxi hóa: Đây là dạng bài toán kinh điển về bài tập sắt và hỗn hợp sắt và oxit sắt. Ví dụ 1: Nung nóng 12,6 gam Fe ngoài không khí sau một thời gian thu được m gam hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe 2 O 3 và Fe 3 O 4 . Hỗn hợp này phản ứng hết với dung dịch HNO 3 loãng (dư), thu được 2,8 lít khí NO (sản phẩm khử duy nhất, ở đktc). Tính giá trị của m? Phân tích đề: Sơ đồ phản ứng [O] [HNO 3 ] 7 Fe hh X Fe 3+ Fe bị oxi hoá thành Fe 3+ bằng 2 chất oxi hoá là O và HNO 3 . Như vậy: + Khối lượng oxit sẽ là tổng của khối lượng sắt và oxi. + Trong cả quá trình: chất nhường e là Fe, chất nhận là O và HNO 3 . Giải quyết vấn đề: Ta có n NO = 0,125 mol, n Fe = 0,225 mol Gọi số mol oxi trong oxit là x ta có: Chất khử Chất oxi hóa Fe 3 e + Fe 3+ O + 2e O 2- 0,225 0,675 x 2x NO 3 - + 3e NO 0,375 0,125 Tổng e (electron) nhường: 0,675 mol Tổng e (electron) nhận: 2x + 0,375 (mol) Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: 0,675 = 2x + 0,375 → x = 0,15 Mặt khác ta có: 2 Fe O m m m − = + nên: m = 12,6 + 0,15x16 = 15 (gam). Ví dụ 2: Nung nóng m gam bột sắt ngoài không khí, sau phản ứng thu được 20 gam hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe 2 O 3 và Fe 3 O 4 . Hòa tan hết X trong dung dịch HNO 3 loãng thu được 5,6 lít hỗn hợp khí Y gồm NO và NO 2 có tỉ khối so với H 2 là 19. Tính m và thể tích HNO 3 1M đã dùng? Phân tích đề: Sơ đồ phản ứng: 32 2 3 4 ( ) 2 3 3 3 , à Fe du ( ) HNO O kk NO FeO Fe O Fe NO Fe O v Fe NO  ↑   → → ↑      + Hỗn hợp X gồm Fe và O trong oxit. + Xét cả quá trình ta thấy chỉ có Fe nhường e, Chất nhận e là Oxi và HNO 3 . 8 + HNO 3 nhận e để cho NO và NO 2 . + Số mol HNO 3 ban đầu bằng số mol HNO 3 trong muối và chuyển về các khí. Giải quyết vấn đề: Theo đề ra ta có: 2 0,125 NO NO n n mol = = Gọi số mol Fe và O tương ứng trong X là x và y ta có: 56x + 16y = 20 (1). Quá trình nhường và nhận e: Chất khử Chất oxi hóa 3 3Fe Fe e + → + 2 4 5 2 2 5 2 1 3 O e O N e N O N e N O − + + + + + → + → + → Tổng electron nhường: 3x mol Tổng electron nhận: 2y + 0,125+ 0,125x3 mol Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: 3x = 2y + 0,5 (2) Từ (1) và (2) ta có hệ 56 16 20 3 2 0,5 x y x y + =   − =  Giải hệ trên ta có x = 0,3 và y = 0,2 . Như vậy n Fe = 0,3 mol vậy m = 16,8 gam. Theo định luật bảo toàn nguyên tố ta có: 3 3 3 2 ôi í 3 mu Kh HNO NO NO Fe NO NO n n n n n n = + = + + nên 3 0,3 3 0,125 0,125 1,15 HNO n x= + + = mol. Vậy 3 1,15 1,15( ít) 1 HNO V l = = Ta cũng có thể dùng phương trình ion – electron để tìm số mol H + chính là số mol HNO 3 phản ứng: 9 2y y x 3x 0,125 0,125 3x y 0,125 0,125 NO 3 - + e + 2H + → NO 2 + H 2 O NO 3 - + 3e + 4H + → NO + 2H 2 O n H+ = 2n NO2 + 4n NO 1.2. Dạng hỗn hợp sắt và các oxit phản ứng với chất oxi hóa mạnh Ví dụ 3: Cho 11,36 gam hỗn hợp gồm Fe, FeO, Fe 2 O 3 và Fe 3 O 4 phản ứng hết với dung dịch HNO 3 loãng (dư), thu được 1,344 lít khí NO (sản phẩm khử duy nhất, ở đktc) và dung dịch X. Cô cạn dung dịch X thu được m gam muối khan. Tính m ? Phân tích đề: Ta coi như trong hỗn hợp X ban đầu gồm Fe và O. Như vậy xét cả quá trình chất nhường e là Fe chất nhận e là O và 3 NO − . Nếu chúng ta biết được số tổng số mol Fe trong X thì sẽ biết được số mol muối Fe(NO 3 ) 3 trong dung dịch sau phản ứng. Do đó chúng ta sẽ giải bài toán này như sau: Giải quyết vấn đề: Số mol NO = 0,06 mol. Gọi số mol Fe và O tương ứng trong X là x và y ta có: 56x + 16y = 11,36 (1). Quá trình nhường và nhận e: Chất khử Chất oxi hóa 3 3Fe Fe e + → + 2 2 5 2 3 O e O N e N O − + + + → + → Tổng electron nhường: 3x (mol) Tổng electron nhận: 2y + (mol) Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: 3x = 2y + (2) Từ (1) và (2) ta có hệ 56 16 11,36 3 2 0,18 x y x y + =   − =  10 2y y x 3x 0,06 0,18 0,18 0,18 y [...]... nghiên cứu và áp dụng cho đối tượng học sinh lớp 12 trường THPT số 1 Bảo Yên tôi nhận thấy: Dạng bài tập về sắt và oxit sắt có vai trò rất quan trọng trong chương trình hóa học THPT Thông qua việc giải bài tập hóa học về sắt và oxit sắt, học sinh củng cố và nắm vững được các khái niệm cũng như các tính chất của chất của sắt và các hợp chất của sắt Căn cứ vào thực trạng học tập của học sinh và công tác... Sau đó dựa vào định luật bảo toàn khối lượng ta có: m = 10,44 + mO Phát triển bài toán: Nếu là dạng khử không hoàn toàn một oxit sắt khác (như Fe 3O4 hoặc FeO) thì không thể áp dụng phương pháp trên được, mà dùng phương pháp quy về bài toán 13 kinh điển: oxi hoá 1 lượng đơn chất Fe ban đầu bằng 2 chất oxi hoá là O và HNO 3 hoặc H2SO4 đặc nóng để giải bài toán này 1.4 Dạng hỗn hợp oxit sắt phản ứng với... Trường hợp 3: Có thể áp dụng cách giải trên cho hỗn hợp oxit các kim loại khác ngoài sắt Ví dụ 4: Cho a g hỗn hợp gồm CuO; Fe2O3; FeO có số mol bằng nhau nung nóng với H2 thu được 6,4 g hỗn hợp D gồm 2 kim loại và 4 oxit Hoà tan hoàn toàn D trong dd HNO3 loãng dư thu được 0,672 lit khí NO (đktc) là sản phẩm khử duy nhất Tính a? 11 Giải quyết vấn đề: Gọi số mol mỗi oxit CuO, Fe 2O3, FeO trong a gam hỗn hợp. .. cứu 6 Thời gian nghiên cứu PHẦN THỨ HAI: NỘI DUNG Chương I: TỔNG QUAN 1 Các định luật cần vận dụng 2 Tổng quan về bài tập hỗn hợp sắt và oxit Chương II: THỰC TRẠNG CỦA ĐỀ TÀI 1 Thuận lợi 2 Khó khăn Chương III: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 1 Phương pháp giải một số dạng bài tập điển hình 2 Kết quả và bài học kinh nghiệm PHẦN BA: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO 26 Trang 1 1 1 1 2 2 2 3 3 3 3 4 4 5 6 6 15... án:70,4 gam) Bài 3: Để khử hoàn toàn 3,04 gam hỗn hợp Y (gồm FeO, Fe 3O4, Fe2O3) thì cần 0,05 mol H2 Nếu hoà tan hoàn toàn 3,04 gam hỗn hợp Y trong dung dịch H 2SO4 đặc thì thu được khí SO2 (sản phẩm khử duy nhất) Tính thể tích khí SO2 (đktc)? (Đáp án: 0,224 lít) Bài 4: Đốt cháy m gam sắt ngoài không khí sau một thời gian thu được 5,04 gam hỗn hợp X gồm sắt và các oxit sắt Hòa tan hỗn hợp X trong HNO... Một số bài tập vận dụng 18 Bài 1: Để m gam sắt ngoài không khí một thời gian được hỗn hợp rắn gồm Fe, FeO, Fe2O3, và Fe3O4 có tổng khối lượng là 30g Cho hỗn hợp này tan trong HNO 3 dư được 5,6 lít NO duy nhất (đktc) Tính m? (Đáp án: 25,2 gam) Bài 2: Hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe2O3 Cho một luồng khí CO đi qua ống sứ đựng m gam hỗn hợp X đun nóng Sau khi kết thúc thí nghiệm thu được 64g chất rắn và 11,2... M vào H2SO4 đặc, nóng dư thu được 3,36 lít SO2 (đtkc) duy nhất Cô cạn dung dịch thu được bao nhiêu gam muối khan? (Đáp số: 36 gam) 2 Kết quả và bài học kinh nghiệm 2.1 Kết quả Trong khi giảng dạy bồi dưỡng học sinh giỏi và ôn thi đại học tôi đó có rất nhiều trăn trở khi dạy phần hỗn hợp sắt và hợp chất của sắt Tôi nhận thấy kể cả đề thi học sinh giỏi và đề thi đại học số lượng câu hỏi về sắt và hợp. .. và hợp chất sắt luôn chiếm một tỉ lệ nhất định và đặc biệt là những bài toán kinh điển Trên thực tế như vậy, tôi đã mạnh dạn đưa các phương pháp giải dạng bài tập này vào và qua giảng dạy tôi thấy học sinh nắm vấn đề tương đối nhẹ nhàng và có hiệu quả rõ rệt không những chỉ ở những học sinh khá giỏi mà một số học sinh trung bình đã tiếp cận và áp dụng được ở một số bài tập Tôi đã hướng dẫn cách làm này... đam mê vào việc học tập bộ môn hoá học Hay nói cách khác, người thầy phải là người truyền lửa để thắp sáng tâm hồn và trái tim của các thế hệ học sinh Phần quan trọng nhất trong quá trình áp dụng phương pháp này là giúp học sinh định hướng được dạng bài tập, tìm ra bản chất của vấn đề để rút ngắn thời gian giải bài tập Đó cũng là động lực để tôi hoàn thành đề tài này 22 PHẦN BA: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.. .Giải hệ trên ta có x = 0,16 và y = 0,15 Như vậy nFe = nFe ( NO ) = 0,16 mol vậy m = 38,72 gam 3 3 Với bài toán này ta cũng có thể quy về bài toán kinh điển: Đốt m gam sắt sau phản ứng sinh ra 11,36 gam hỗn hợp gồm Fe, FeO, Fe 2O3 và Fe3O4 Hỗn hợp này phản ứng hết với dung dịch HNO3 loãng (dư), thu được 1,344 lít khí NO (sản phẩm khử duy nhất, ở đktc) Chúng ta sẽ tính m rồi từ suy ra số mol Fe và . pháp vận dụng các định luật bảo toàn để giải bài bài toán về hỗn hợp sắt và oxit sắt bằng cách quy đổi về hỗn hợp gồm sắt và oxi. 4. Nhiệm vụ nghiên cứu Đưa ra các định luật bảo toàn cần vận dụng, . các bài toán về hỗn hợp sắt và oxit sắt một cách nhanh chóng đồng thời chia sẻ kinh nghiệm về phương pháp giải bài tập với các đồng nghiệp. 2. Mục đích nghiên cứu Vận dụng các định luật bảo toàn. quyết bài toán khoa học nhất, hiệu quả nhất và nhanh nhất. Đó là lý do để tôi viết đề tài “ Vận dụng các định luật bảo toàn để giải bài toán về hỗn hợp sắt và oxit sắt nhằm giúp học sinh giải