Trong xu hướng đổi mới hình thức thi cử như hiện nay của các kỳ thi quốc gia (tốt nghiệp và tuyển sinh đại học, cao đẳng) việc giải nhanh, chính xác các câu hỏi trắc nghiệm khách quan luôn là vấn đề lớn mà bất cứ học sinh nào cũng muốn tìm ra cho mình hướng giải quyết. Nhằm giúp các em giải quyết tốt dạng bài tập cơ bản và chiếm một tỉ lệ khá lớn trong các đề thi tôi đã tổng kết những kinh nghiệm và rút ra một số kết luận cho bài toán: kim loại phản ứng với axit HNO3 và H2SO4 đặc nhằm tiết kiệm tối đa thời gian cho các em học sinh trong việc giải các đề thi và làm cơ sở cho việc nghiên cứu các nội dung khác. Tất nhiên đề tài này không khuyến khích các em học sinh học một cách máy móc, lười tư duy mà chúng có tác dụng kích thích khả năng tư duy, sáng tạo và nhận định tổng kết một vấn đề nào đó trong học tập bởi để nhớ được các công thức học sinh cần phải hiểu được công thức và cách xây dựng công thức đó.
Trang 1MỤC LỤC
Trang
Phần 1: Mở đầu 2
1 Lý do chọn đề tài 3
2 Mục đích của đề tài 3
3 Giới hạn của đề tài: 3
4 Đối tượng nghiên cứu: 3
5 Phương pháp nghiên cứu 3
Phân2: Nội dung 5
1 Cơ sở lí luận 5
2 Thực trạng của vấn đề 5
3 Giải pháp cho vấn đề 5
4 Lý thuyết áp dụng 6
5 Các hệ quả 6
6 Bài tập minh họa 9
7 Bài tập áp dụng 15
Kiểm nghiệm 16
Phần 3: Kết luận 17
Tài liệu tham khảo 18
Trang 2PHẦN I: MỞ ĐẦU
I Lí do chọn đề tài
Trong xu hướng đổi mới hình thức thi cử như hiện nay của các kỳ thi quốc gia (tốt nghiệp và tuyển sinh đại học, cao đẳng) việc giải nhanh, chính xác các câu hỏi trắc nghiệm khách quan luôn là vấn đề lớn mà bất cứ học sinh nào cũng muốn tìm ra cho mình hướng giải quyết
Nhằm giúp các em giải quyết tốt dạng bài tập cơ bản và chiếm một tỉ lệ khá lớn trong các đề thi tôi đã tổng kết những kinh nghiệm và rút ra một số
kết luận cho bài toán: kim loại phản ứng với axit HNO 3 và H 2 SO 4 đặc nhằm
tiết kiệm tối đa thời gian cho các em học sinh trong việc giải các đề thi và làm
cơ sở cho việc nghiên cứu các nội dung khác
Tất nhiên đề tài này không khuyến khích các em học sinh học một cách máy móc, lười tư duy mà chúng có tác dụng kích thích khả năng tư duy, sáng tạo và nhận định tổng kết một vấn đề nào đó trong học tập bởi để nhớ được các công thức học sinh cần phải hiểu được công thức và cách xây dựng công thức đó
Do lần đầu tiên viết đề tài này và kinh nghiệm bản thân còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót Rất mong được sự đóng góp ý kiến của các đồng nghiệp và bạn đọc
Xin chân thành cám ơn!
Trang 3II Mục đích của đề tài:
Nhằm nâng cao chất lượng, hiệu quả của quá trình giảng dạy và học tập môn hóa học ở trường phổ thông
Giúp các em học sinh thi vào các trường đại học – cao đẳng có được kết quả khả quan nhất
Giúp đỡ bản thân và đồng nghiệp trong quá trình giảng dạy
III Giới hạn của đề tài:
- Hướng dẫn học sinh THPT ôn thi tốt nghiệp, luyện thi đại học- cao đẳng
- Thực hiện công tác bồi dưỡng học sinh giỏi
IV Đối tượng nghiên cứu:
Hệ thống kiến thức, kỹ năng hóa học THPT chương trình lớp 10, 11, 12 trọng tâm là phản ứng oxi hóa – khử
Các bài tập hóa học chương trình phổ thông, bài tập trong các đề thi quốc gia tốt nghiệp THPT và tuyển sinh đại học cao đẳng
Các định luật cơ bản trong hóa học: Định luật bảo toàn nguyên tố, định luật bảo toàn electron
V Phương pháp nghiên cứu.
1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết.
Nghiên cứu lí luận dạy học và lý luận dạy học hóa học, các tài liệu có liên quan đến đề tài đặc biệt là lý thuyết về phản ứng oxi hóa – khử về lý thuyết và bài tập trong cấu trúc chương trình hóa học phổ thông và đề thi tốt nghiệp THPT, tuyển sinh đại học – cao đẳng từ năm 2007 đến nay
Căn cứ vào nhiệm vụ của đề tài nghiên cứu kỹ về cơ sở lý thuyết phản ứng của kim loại với axit HNO3, H2SO4 đặc trong chương trình hóa học vô cơ
ở trường THPT
Nghiên cứu sâu vào bản chất của các định luật cơ bản trong hóa học: Bảo toàn khối lượng, bảo toàn electron, bảo toàn nguyên tố
Trang 42 Phương pháp quan sát.
Quan sát quá trình dạy học hóa học và luyện thi đại học – cao đẳng ở trường THPT với hình thức thi trắc nghiệm khách quan
Quan sát quá trình kiểm tra đánh giá kiến thức, kỹ năng trong các kỳ thi quốc gia
3 Nguyên tắc xây dựng.
Trên cơ sở phân loại bài tập hóa học ở trường phổ thông để chia bài tập thành các mức độ khác nhau: Nhận biết, thông hiểu, vận dụng và vận dụng nâng cao mà chủ yếu và mức độ vận dụng và vận dụng nâng cao
Xây dựng cách giải bài tập trắc nghiệm hóa học theo hướng giải nhanh trong các đề thi và kiểm tra đánh giá
4 Tư liệu nghiên cứu.
Đề thi tuyển sinh đại học – cao đẳng từ năm 2007 – năm 2010
SGK hóa học chương trình THPT cơ bản và nâng cao
Tài liệu tham khảo liên quan đến định luật cơ bản trong hóa học
Trang 5PHẦN II NỘI DUNG
I Cơ sở lí luận:
Trong quá trình giảng dạy môn hóa học ở trường phổ thông không chỉ dừng lại ở việc hướng dẫn các em học sinh học lý thuyết mà còn phải làm bài tập thông qua việc nắm vững lý thuyết
Bài tập hóa học phổ thông giúp học sinh yêu thích môn học và tin tưởng vào năng lực của bản thân
Giải nhanh các bài tập hóa học là góp phần giúp học sinh rèn luyện khả năng tư duy và tốc độ giải quyết vấn đề
Bài tập hóa học phổ thông mô phỏng một số tình huống thực tế của đời sống mà việc giải nhanh bài tập là công việc mà qua đó kích thích khả năng tìm tòi, sáng tạo giải quyết vấn đề một cách tối ưu nhất
II Thực trạng của vấn đề:
Đa số học sinh khi giải bài tập liên quan đến phản ứng oxi hóa – khử thường cảm thấy bế tắc trong một số điểm như:
- Xác định sản phẩm tạo thành trong các phản ứng oxi hóa – khử
- Cân bằng phương trình phản ứng oxi hóa – khử
- Xác định chất oxi hóa, chất khử và số mol e nhường, mol e nhận
- Tính toán một số đại lượng theo yêu cầu của bài toán một cách rườm
rà, máy móc
- Mất quá nhiều thời gian cho việc xác định các quá trình oxi hóa và quá trình khử
III Giải pháp cho vấn đề:
Hình thành công thức chung cho bài toán oxi hóa khử giúp học sinh nhận định nhanh các sản phẩm tạo thành
Tổng kết các quá trình oxi hóa, quá trình khử giúp học sinh dễ dàng xác định chất oxi hóa, chất khử và nhẩm nhanh mol e nhường và mol e nhận
Sử dụng các định luật trong hóa học giúp học sinh hiểu rõ và tính toán các đại lượng theo yêu cầu của bài toán ngắn gọn nhất
Trang 6Rút ngắn tối đa các bước tính toán giúp học sinh tiết kiệm thời gian cho mỗi bài toán
IV Lý thuyết áp dụng:
1 Định lật bảo toàn e trong phản ứng oxi hóa khử:
Trong phản ứng oxi hóa khử tổng số mol e chất khử nhường bằng tổng số mol
e chất oxi hóa nhận
mol e nhường = mol e nhận
2 Định luật bảo toàn nguyên tố trong hóa học:
Trong một phản ứng hóa học tổng khối lượng của một nguyên tố trước và sau phản ứng được bảo toàn
m nguyên tố tham gia = m nguyên tố đó trong sản phẩm
V Các hệ quả:
* Công thức phản ứng:
Kim loại + Axit Muối + spk + nước Điều kiện chất tham gia và sản phẩm:
- Xảy ra với hầu hết kim loại (trừ Au, Pt)
- Muối: Trong đó kim loại có hóa trị cao nhất (*)
1 Áp dụng định luật bảo toàn e.
- Chất nhường electron: Kim loại
Mol e nhường = Mol kl phản ứng x hóa trị kim loại
- Chất nhận electron: HNO3 và H2SO4 đặc
Mol e nhận, N+5, S+6 + e 2.SO2 (không màu)
1.NO2 (nâu đỏ) 3.NO (không màu bị hóa nâu) 8.N2O (không màu) 10.N2 (không màu) 8.NH4NO3
(*) Trừ một số trường hợp như Cr, Pb… tuy nhiên phần này ít gặp trong đề thi.
Trang 72 Áp dụng định luật bảo toàn nguyên tố.
a Với axit HNO 3
(1) nmuối = nkl phản ứng
(2) mmuối = mkl + mNO3-(muối)
(3) nNO3-(muối) = mol e nhận = mol e nhường
nNO3- (muối) 1NO2
3NO 8N2O 10N2 (4) nHNO3pứ = nN(NO3- muối) + nN(Spk)
4NO 10N2O 12N2 10NH4+
* Chú ý: Nếu là Mg, Al, Zn phản ứng với axit HNO3 loãng cần kiểm tra xem sản phẩm khử có sinh ra NH4NO3 hay không
Có 3 cách cơ bản để xác định
- Mol e nhường > mol e nhận chứng tỏ có NH4NO3
Mol e nhường – mol e nhận
nNH4NO3 =
8
- Cho dung dịch NaOH vào dung dịch sau phản ứng có khí mùi khai thoát ra chứng tỏ có NH4NO3
NaOH + NH4NO3 NaNO3 + NH3 + H2O
nNH4NO3 = nNaOH = nNH3
Trang 8- Khối lượng muối nitrat kim loại < khối lượng muối bài cho chứng tỏ có thêm muối NH4NO3
Muối bài cho – muối nitrat kim loại
nNH4NO3 =
80
muối = muối nitrat kim loại + NH4NO3
b Với axit H 2 SO 4 đặc.
(1) mmuối = mkl phản ứng + mSO42- (muối)
Mol e nhận (2) nSO42-(muối) =
2 (3) nSO42-(muối) = nSO2
(4) nH2SO4pứ = nS(SO42-muối) + nS(Spk)
(5) nH2SO4pứ = 2nSO2
* Chú ý:
- Al, Fe, Cr không phản ứng với axit HNO3 đặc nguội, H2SO4 đặc nguội
- Các công thức trên chỉ nên áp dụng cho bài toán kim loại phản ứng với từng loại axit, không nên áp dụng cho bài toán hỗn hợp axit
c Với hỗn hợp axit HNO 3 và H 2 SO 4
(1) nNO3- (tạo muối) = nHNO3 – nN(Spk)
Nếu sinh khí NO: nNO3- (tạo muối) = nHNO3 – nNO
(2) nSO42- (tạo muối) = nH2SO4 – nSO2
Nếu không có khí SO2 sinh ra thì: nSO42- (tạo muối) = nH2SO4
(3) mMuối = mKlpứ + mNO3-(tạo muối) + mSO42-(tạo muối)
Trang 9VI BÀI TẬP MINH HỌA
Bài số 1: Cho m gam Al hòa tan hoàn toàn trong dung dịch HNO3 thì thấy thoát ra 11.2 lít khí A gồm ba khí N2, NO, N2O có tỉ lệ số mol tương ứng là 2: 1: 2 Giá trị của m là:
Cách 1: Giải theo định luật bảo toàn e thông thường.
Tóm tắt:
Al HNO3
Al(NO3)3 + N2 + NO + N2O + H2O
m gam 0,2 0,1 0,2
Quá trình nhường:
Al Al3+ + 3e
Quá trình nhận:
N+5 + 3e N+2
3.0,1 0,1 2N+5 + 8e 2N+1
8.0,2 0,2
2N+5 + 10e N20
10.0,2 0,2 Theo định luật bảo toàn e: 3x = 3.0,1 + 8.0,2 + 10.0,2 x = 1,3
Khối lượng của nhôm phản ứng là: 35,1 gam Phương án: D
Cách 2: Giải theo định luật bào toàn e thu gọn:
Tóm tắt:
Al HNO3
Al(NO3)3 + N2 + NO + N2O + H2O
m gam 0,2 0,1 0,2
- Nhìn vào sơ đồ tóm tắt bài toán và những công thức kinh nghiệm trong phần
lí thuyết dễ dàng thấy để tính m chỉ cần vận dụng định luật bảo toàn e
Mol e nhường = Mol e nhận 3nAl = 3nNO + 8nN2O + 10nN2
nAl = 1,3 mol mAl = 35,1 gam (Phương án: D)
Nhận xét:
-Đa số học sinh học khá sẽ giải được theo cách này cũng khá nhanh nhưng vẫn tốn nhiều thời gian do viết quá nhiều
- Học sinh hay nhầm lẫn tỉ lệ ở quá trình nhận thứ 2
- Thường thì học sinh không dám làm theo công thức vì sợ không nhớ được công thức đó là do học sinh học tập không chịu nhìn lại vấn đề để rút ra kinh nghiệm cho bản thân
Trang 10- Nếu làm thuần thục công thức đối với câu này chỉ cần khoảng tối đa 10s là giải xong
Bài số 2: Trích đề thi ĐH khối A năm 2007
Hòa tan hoàn toàn 12 gam hỗn hợp Fe,Cu (tỉ lệ mol 1:1) bằng axit HNO3, thu được V lít (ở đktc) hỗn hợp khí X (gồm NO và NO2) và dung dịch Y (chỉ chứa hai muối và axit dư) Tỉ khối của X đối với H2 bằng 19 Giá trị của V là:
Cách 1: Giải theo định luật bảo toàn e.
Tóm tắt:
Fe Cu
Fe(NO3)3 Cu(NO3)2
HNO3dö
nFe:nCu=1:1
12 g
NO
NO2
dx/H2=19
+ H2O
Vx=?
Đặt mol Fe = Cu = x mol 56x + 64x = 12 x = 0,1
Bằng phương pháp đường chéo dễ thấy nNO = nNO2 = a mol
Quá trình nhường:
Fe Fe3+ + 3e 0,1 3.0,1
Cu Cu2+ + 2e 0,1 2.0,1 Quá trình nhận:
N+5 + 1e N+4
1.a a
N+5 + 3e N+2
3.a a
Theo định luật bảo toàn e:
3.0,1 + 2.0,1 = 1.a + 3.a a = 0,125 Thể tích khí NO và NO2 là V = 0,125.2.22,4= 5,6 lít Phương án C
Cách 2: Giải theo công thức
Fe Cu
Fe(NO3)3 Cu(NO3)2
HNO3dö
nFe:nCu=1:1
12 g
NO
NO2
dx/H2=19
+ H2O
Vx=?
Đặt mol Fe = Cu = x mol 56x + 64x = 12 x = 0,1
Bằng phương pháp đường chéo dễ thấy nNO = nNO2 = a mol
Theo định luật bảo toàn e:
3nFe + 2nCu = 1nNO2 + 3nNO
nNO2 = nNO = 0,125 V= 5,6 lít
Trang 11Nhận xét:
- Nếu học sinh giải theo phương trình phản ứng thì rất dài và việc cân bằng phản ứng mất nhiều thời gian
- Nếu giải theo định luật bảo toàn e thông thường thì phải viết quá trình nhường và nhận mất thời gian mà không hiệu quả
Bài số 3: Trích đề thi ĐH khối B 2009
Cho hỗn hợp chứa 0,15 mol Cu và 0,15 mol Fe phản ứng vừa đủ với dung dịch HNO3 được 0,2 mol khí NO sản phẩm khử duy nhất Tổng khối lượng các muối sau phản ứng là:
A 64,5 gam B 40,8 gam C 51,6 gam D 55,2 gam
Cách 1: Giải theo phương trình phản ứng.
Khi cho Fe và Cu vào dung dịch axit HNO3 vừa đủ các phản ứng có thể xảy
ra là:
Fe + 4HNO3 Fe(NO3)3 + NO + 2H2O 3Cu + 8HNO3 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O
Fe + 2Fe(NO3)3 3Fe(NO3)2
Cu + 2Fe(NO3)3 2Fe(NO3)2 + Cu(NO3)2 Như vậy sau phản ứng có thể chỉ tạo ra Fe(NO3)3 và Cu(NO3)2 hoặc tạo ra Fe(NO3)2 và Cu(NO3)2 hoặc có thể là Fe(NO3)2, Fe(NO3)3và Cu(NO3)2
Theo định luật bảo toàn e thấy 2.nCu + 2nFe = 3nNO
Chỉ có Fe(NO3)2 và Cu(NO3)2
Sơ đồ hợp thức Fe Fe(NO3)2
0,15 0,15 mol
Cu Cu(NO3)2 0,15 0,15 mol Khối lượng muối thu được = mFe(NO3)2 + mCu(NO3)2 = 55,2 gam
Cách 2: Giải theo công thức.
Dễ thấy axit vừa đủ nên hỗn hợp kim loại phải tan hết
nNO3- (tạo muối) = 3NO = 0,6 mol
mMuối = mKl + mNO3- (tạo muối)
mMuối = 0,15.56 + 0,15.64 + 0,6.62 = 55,2 gam (Phương án D)
Nhận xét:
- Nếu giải theo cách 1 bắt buộc phải xác định xem muối sau phản ứng gồm có muối nào cũng có thể vận dụng định luật bảo toàn e để xác định được
Trang 12- Nếu bài toán tạo ra cả ba muối thì việc tính toán trở nên phức tạp hơn nhiều.
- Giải theo cách 2 không cần quan tâm muối sinh ra là muối nào
Bài số 4: Trích đề thi tuyển sinh ĐH năm 2009
Cho 2,16 gam Mg tác dụng với dung dịch HNO3 dư sau khi phản ứng xảy ra hoàn toàn thu được 0,896 lít khí NO ở đktc và dung dịch X Khối lượng muối khan thu khi làm bay hơi dung dịch X là:
A 8.88 gam B 13,92 gam C 6,52 gam D 13,32 gam
Bài giải
Dễ dàng tính được nMg = 0,09 mol, nNO = 0,04 mol
Do axit dư nên Mg sẽ tan hết
Ta có 2nMg > 3nNO tức mol nhường > mol nhận vậy sau phản ứng có muối NH4NO3
Mg(NO3)2
NH4NO3
HNO3dö
2O
Mg
Mol e nhường – mol e nhận
8
Sơ đồ hợp thức
Mg Mg(NO3)2 0,09 0,09
mMuối = 148.0,09 + 80.0,0075 = 13,92 Phương án B
Bài số 5: Trích đề thi tuyển sinh ĐH 2009
Cho 6,72 gam Fe vào 400 ml dung dịch HNO3 1M, đến khi phản ứng xảy ra hoàn toàn, thu được khí NO (sản phẩm khử duy nhất) và dung dịch X Dung dịch X có thể hoà tan tối đa m gam Cu Giá trị của m là
Bài giải
nHNO3 = 0,4 mol nFe = 0,12 mol
Áp dụng công thức nHNO3 = 4nNO Mol NO tối đa là 0,1 mol
Mol e nhận tối đa là 0,3 mol
Nếu sau phản ứng tạo muối Fe3+ thì mol e nhường tối đa = 3Fe = 0,36 mol
Mol e nhường > mol e nhận Sau phản ứng có cả Fe2+ và Fe3+
Quy đổi hỗn hợp thành Fe và Cu với dung dịch HNO3 vừa đủ để tạo ra Fe2+
và Cu2+
Áp dụng định luật bảo toàn e
2nFe + 2nCu = 3nNO 2 0,12 + 2nCu = 3.0,1
nCu = 0,03 mCu = 1,92 gam (C)
Bài số 6: Trích đề thi ĐH khối B 2008
Thể tích dung dịch HNO3 1M (loãng) ít nhất cần dùng để hoà tan hoàn toàn một hỗn hợp gồm 0,15 mol Fe và 0,15 mol Cu là (biết phản ứng tạo chất khử duy nhất là NO)
Trang 13A 0,8 lít B 1,0 lít C 1,2 lít D 0,6 lít.
Bài giải
Thể tích axit HNO3 tối thiểu để hòa tan hỗn hợp là lượng axit cần oxi hóa Fe Fe2+, Cu Cu2+
Áp dụng định luật bảo toàn e:
2nFe + 2nCu = 3nNO 2.0,15 + 2.0,15 = 3nNO nNO = 0,2
nHNO3 = 4nNO = 4 0,2 = 0,8 mol Phương án A
Bài số 7: Trích đề tuyển sinh ĐH 2010
Cho x mol Fe tan hoàn toàn trong dung dịch chứa y mol H2SO4 (tỉ lệ x : y =
2 : 5), thu được một sản phẩm khử duy nhất và dung dịch chỉ chứa muối sunfat Số mol electron do lượng Fe trên nhường khi bị hoà tan là
Bài giải
Do sắt tan hoàn toàn và chỉ có muối sunfat trong dung dịch chứng tỏ axit và sắt phản ứng hết
Nếu sinh sản phẩm khử là H2 nFe: nH2SO4 = 1: 1 axit dư (không phù hợp) Nếu sinh sản phẩm khử là SO2 và Fe Fe3+ thì nFe : nH2SO4 = 2 : 3 sau phản ứng có cả Fe2+ và Fe3+
nH2SO4pứ = 2nSO2 = mol e nhận = mol e nhường = y Phương án D
Nhận xét:
- Đây là bài tập khó thường học sinh bị nhầm lẫn vào đáp án A hoặc B
- Đề làm tốt bài tập này cần nắm vứng tỉ lệ của phản ứng và tỉ lệ mol của
H2SO4 và SO2
Bài số 8: ( Trích 16 phương pháp và kỹ thuật giải nhanh bài tập Hóa học)
Hòa tan hoàn toàn hỗn hợp gồm 9,75 gam Zn và 2,7 gam Al vào 200 ml dung dịch chứa đồng thời HNO3 2,5M và H2SO4 0,75M chỉ thu được khí NO sản phẩm khử duy nhất và dung dịch muối chỉ gồm các muối Cô cạn dung dịch thì khối lượng muối khan thu được là:
Bài giải
Zn(NO3)2
HNO3 0,5M
NO + H2O
9,75gZn
2,7g Al H2SO4 0,15M
ZnSO4
Al2(SO4)3
Sau phản ứng kim loại tan hết, dung dịch chỉ có muối nên axit phản ứng vừa đủ
Dễ dàng tính được nHNO3 = 0,5 mol; nH2SO4 = 0,15 mol
Áp dụng bảo toàn e: 2nZn + 3nAl = 3nNO nNO = 0,2 mol