skkn hướng dẫn học sinh sử dụng phương pháp quy đổi trong giải toán hóa học

A. MỞ ĐẦU: I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI. Cùng với sự phát triển Kinh tế -Xã hội, Việt Nam ngày càng hội nhập sâu rộng vào các vấn đề quốc tế, trong đó có lĩnh hội những tinh hoa giáo dục của các nước tiên tiến trên thế giới trong công cuộc cải cách giáo dục và đặc biệt quan trọng là Đảng và Nhà nước đã xác định giáo dục là mục tiêu hàng đầu, đầu tư cho giáo dục là đầu tư cho sự phát triển lâu dài và bền vững. Khi hội nhập quốc tế đòi hỏi nguồn nhân lực của đất nước ta phải đảm bảo về trình độ, năng lực làm việc và có một nền tảng các kiến thức khoa học cơ bản Xuất phát từ đòi hỏi đó công cuộc cải cách giáo dục của nước nhà đã diễn ra trong những năm gần đây để đáp ứng những yêu cầu với sự phát triển của xã hội. Trong thực tế khi nghiên cứu và trực tiếp giảng dạy với bộ sách giáo khoa mới, đặc biệt là bộ môn Hóa Học tôi thấy: Về nội dung chương trình đáp ứng được với tinh thần đổi mới, tuy nhiên vẫn còn một số nội dung quá nặng với học sinh, vì đặc thù của bộ môn Hóa Học là một môn khoa học cơ bản, liên quan đến các vấn đề trong cuộc sống hàng ngày, bộ môn liên quan nhiều đến thực nghiệm. Trong khi đó điều kiện kinh tế và nền khoa học kĩ thuật của ta đang còn rất hạn chế. Công cuộc cải cách đòi hỏi từ nhiều phía: Từ nội dung chương trình, phương pháp dạy, phương pháp học Đòi hỏi giáo viên phải giảng dạy nghiêm túc, có trách nhiệm, tạo được hướng thú học tập, say mê tìm tòi. Học sinh phải có ý thức học tập thật sự, xây dựng được động lực học tập đúng đắn. Nhằm giúp học sinh có một cái nhìn tổng quát về một phương pháp giải bài tập hóa học từ đó các em sẽ linh hoạt lựa chọn cho mình được phương pháp tối ưu đối với một bài toán nhất định trong quá trình giải. Chính vì vậy tôi lựa chọn đề tài “Hướng dẫn học sinh sử dụng 1 phương pháp quy đổi trong giải toán hóa học” để nghiên cứu. 2 II. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU. Trong quá trình dạy học trên lớp và ôn thi đại học cho học sinh. Tôi nhận thấy rất nhiều em học sinh lúng túng khi gặp các bài toán hỗn hợp nhiều chất nhưng được cấu tạo từ một số nguyên tố nhất định đem thực hiện các quá trình phản ứng để định lượng. Học sinh thường đặt ẩn và giải hệ, một số bài toán các em giải được nhưng mất rất nhiều thời gian, một số bài học sinh không thể giải được vì số phương trình lập được ít hơn số ẩn. Đề tài này nhằm giúp học sinh có được cái nhìn tổng quát về một phương pháp giải toán hay gặp trong quá trình học tập và thi cử, từ đó giúp các em nhận ra dạng toán và lựa chọn được phương pháp phù hợp đưa ra kết quả chính xác trong thời gian ngắn nhất. Đề tài còn nhằm phát huy tính tích cực sáng tạo trong giải toán hóa học của học sinh, góp phần nâng cao chất lượng giảng dạy của giáo viên. III. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. Để thực hiện đề tài, tôi sử dụng phương pháp chủ yếu là tổng kết kinh nghiên. Xuất phát từ những khó khăn vướng mắc của học sinh trong quá trình lựa chọn phương pháp tối ưu cho các bài toán hỗn hợp các chất, được cấu tạo từ một số nguyên tố nhất định, tôi xác định cần phải nghiên cứu phương pháp quy đổi áp dụng cho giải bài toán hỗn hợp kim loại và oxit của nó làm cơ sở nghiêm cứu từ đó mở rộng ra giải các loại bài toán tương tự. Trong quá trình nghiên cứu đề tài tôi đã sử dụng nhiều phương pháp khác nhau như: - Phương pháp trao đổi cùng các giáo viên có kinh nghiệm và học sinh. - Phương pháp kiểm tra đánh giá. 3 - Phương pháp đối chứng. - Phương pháp nghiên cứu tài liệu… IV. GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU. Phương pháp quy đổi được áp dụng cho các bài toán hỗn hợp hoặc các bài toán thực hiện qua nhiều quá trình thí nghiệm. Trong đề tài này, tôi đi sâu nghiên cứu sử dụng phương pháp quy đổi áp dụng trong giải dạng toán sau làm cơ sở: Bài toán: Đốt cháy m(g) kim loại M trong không khí một thời gian thu được m 1 (g) hỗn hợp X gồm kim loại M và oxit M x O y . Cho m 1 (g) hỗn hợp X tác dụng với lượng dư dung dịch HNO 3 thu được V(l) khí N a O b duy nhất (ĐKTC). Bài toán được tóm tắt theo sơ đồ sau: 0 3 2 42 ( , ) 0 (1) (2) ( ) n HNO H SO d t duO x y M M M hhX M O N S + ++ α β    → →      m gam m 1 gam (n: max) V. PHẠM VI NGHIÊN CỨU. -Kế hoạch thực hiện đề tài: Đề tài bắt đầu nghiên cứu từ tháng 8 năm 2011, được thực nghiệm trong 2 năm học 2011- 2012 và 2012 - 2013. Đề tài được tổng kết rút kinh nghiệm vào tháng 4 năm 2013. - Đề tài được áp dụng tại trường THPT Lê Lợi. 4 B. NỘI DUNG PHƯƠNG PHÁP. I. NGUYÊN TẮC NGHIÊN CỨU. Quy đổi là một phương pháp biến đổi toán học nhằm đưa bài toán ban đầu là một hỗn hợp phức tạp về dạng đơn giản hơn, qua đó làm cho các phép tính trở nên dễ dàng, thuận tiện. Tuy nhiên, dù tiến hành quy đổi theo hướng nào thì cũng phải tuân thủ hai nguyên tắc sau: - Bảo toàn nguyên tố, tức tổng số mol mỗi nguyên tố ở hỗn hợp đầu và hỗn hợp mới phải bằng nhau. - Bảo toàn số oxi hóa, tức tổng số oxi hóa của các nguyên tố trong hai hỗn hợp là như nhau. II. CÁC HƯỚNG QUY ĐỔI. Một bài toán có thể có nhiều hướng quy đổi khác nhau, trong đó có ba hướng chính : 1. Quy đổi hỗn hợp nhiều chất về hỗn hợp hai hoặc chỉ một chất. Trong trường hợp này thay vì giữ nguyên hỗn hợp các chất như ban đầu, ta chuyển thành hỗn hợp với số chất ít hơn (cùng của các nguyên tố đó), thường là hỗn hợp hai chất, thậm chí là một chất duy nhất. Thí dụ: với hỗn hợp 5 các chất gồm Fe, FeO, Fe 3 O 4 , Fe 2 O 3 ta có thể chuyển thành các tổ hợp (Fe và FeO), (Fe và Fe 3 O 4 ), (Fe và Fe 2 O 3 ), (FeO và Fe 3 O 4 ), (FeO và Fe 2 O 3 ), (Fe 3 O 4 và Fe 2 O 3 ) thậm chí chỉ là một "chất" duy nhất dạng Fe x O y . Rõ ràng, với cách quy đổi này bài toán đã được đơn giản hóa đi rất nhiều, nhờ đó có thể giải một cách nhanh và gọn hơn. 2. Quy đổi hỗn hợp nhiều chất về các nguyên tố tương ứng. Thông thường ta gặp bài toán hỗn hợp nhiều chất nhưng về bản chất chỉ gồm 2 (hoặc 3) nguyên tố. Do đó, có thể quy đổi thẳng hỗn hợp đầu về hỗn hợp chỉ gồm 2 (hoặc 3) chất là các nguyên tố tương ứng. Thí dụ : (Fe, FeS, FeS 2 , Cu, CuS, Cu 2 S, S) → (Cu, Fe, S). 3. Quy đổi tác nhân oxi hóa trong phản ứng oxi hóa - khử. Với những bài toán trải qua nhiều giai đoạn oxi hóa khác nhau bởi những chất oxi hóa khác nhau, ta có thể quy đổi vai trò oxi hóa của chất oxi hóa này cho chất oxi hóa kia để bài toán trở nên đơn giản hơn. Khi thực hiện phép quy đổi phải đảm bảo : - Số electron nhường, nhận là không đổi (ĐLBT electron). - Do sự thay đổi tác nhân oxi hóa → có sự thay đổi sản phẩm cho phù hợp. Thông thường ta hay gặp dạng bài sau : 6 Kim loại 1 OXH+ → Hỗn hợp sẩn phẩm trung gian 2 OXH+ → Sản phẩm cuối. V í dụ : Quá trình oxi hóa hoàn toàn Fe thành Fe 3+ 2 3 O Fe Fe + + → Fe x O y Ở đây, vì trạng thái oxi hóa ban đầu và cuối của Fe ở hai quá trình là như nhau do vậy số electron nhường của Fe trong hai quá trình là như nhau. Có thể quy đổi hai tác nhân oxi hóa O 2 và HNO 3 thành một tác nhân duy nhất là O 2 hoặc ngược lại. III. CÁC CHÚ Ý KHI LÀM BÀI TOÁN QUY ĐỔI. 1. Do việc quy đổi nên trong một số trường hợp số mol một chất có thể có giá trị âm để tổng số mol mỗi nguyên tố là không đổi (bảo toàn). 2. Trong quá trình làm bài ta thường kết hợp sử dụng các phương pháp bảo toàn khối lượng, bảo toàn nguyên tố và bảo toàn electron, kết hợp với việc sơ đồ hóa bài toán để tránh viết phương trình phản ứng, qua đó rút ngắn thời gian làm bài. 3. Phương án quy đổi tốt nhất, có tính khái quát cao nhất là 7 +O 2 +HNO 3 quy đổi thẳng về các nguyên tử tương ứng. Đây là phương án cho lời giải nhanh, gọn và dễ hiểu, đồng thời biểu thị đúng bản chất hóa học của bài toán. IV. VÍ DỤ MINH HỌA. Ví dụ 1: Nung m gam bột sắt trong oxi, thu được 3,0 gam hỗn hợp chất rắn X. Hòa tan hết hỗn hợp X trong dung dịch HNO 3 (dư), thoát ra 0,56 lít NO (ở đktc, là sản phẩm khư duy nhất). Giá trị của m là A. 2,52g. B. 2,22g. C. 2,62g. D. 2,32g. Hướng dẫn giải: 1. Quy đổi hỗn hợp nhiều chất về hỗn hợp hai hoặc chỉ một chất. Sơ đồ của bài toán: ( ) 3 2 dd 3 3 4 2 3 0,025 dd HNOO Fe NO mol FeO Fe X Fe O Fe Fe O ++ +      → →        m (g) 3 (g) Trong trường hợp này ta có thể quy đổi hỗn hợp X ban đầu về các hỗn hợp khác đơn giản hơn gồm 2 chất (Fe và Fe 2 O 3 ; FeO và Fe 2 O 3 ; Fe 3 O 4 và Fe 2 O 3 ; Fe và FeO ; Fe và Fe 3 O 4 ; FeO và Fe 3 O 4 ) hoặc thậm chí là chỉ một chất Fe x O y ở đây tôi chỉ trình bày 2 phương án. 8 Phương án 1.1. Quy đổi hỗn hợp X thành 2 3 ( ) ( ) Fe x mol Fe O y mol →   →  Theo bảo toàn khối lượng : 56x + 160y = 3,0 (1) Các quá trình nhường nhận electron : Fe → Fe +3 + 3e N +5 + 3e → N +2 x → 3x 0,075← 0,025 Theo bảo toàn electron : 3x = 0,075 → x = 0,025 (2) → n Fe : 0,025 mol Từ (1) và (2) → y = 0,01 → 2 3 0,01 Fe O n mol= Theo bảo toàn nguyên tố đối với Fe : ∑ n Fe = n Fe + 2n(Fe 2 O 3 ) = 0,045 mol → m = 56.0,045 = 2,52 → Đáp án A. Phương án 1.2. Quy đổi hỗn hợp X thành ( ) ( ) Fe x mol FeO y mol →   →  Theo bảo toàn khối lượng : 56x + 72y = 3,0 (1) Các quá trình nhường nhận electron : Fe → Fe +3 + 3e N +5 + 3e → N +2 x → 3x 0,075 ← 0,025 Fe 2+ → Fe +3 + 1e y → y Theo bảo toàn electron : 3x + y = 0,075 (2) Từ (1) và (2) → 0,015 0,03 x mol y mol =   =  → 0,015 0,03 Fe FeO n mol n mol =   =  9 Theo bảo toàn nguyên tố đối với Fe : ∑ n Fe = n Fe + n Fe O = 0,045 mol → m = 56.0,045 = 2,52 → Đáp án A. 2. Quy đổi hỗn hợp nhiều chất về các nguyên tử tương ứng. Nhận thấy hỗn hợp X tuy phức tạp nhưng chỉ gồm 2 nguyên tố sắt và oxi, do đó có thể quy đổi hỗn hợp về hai nguyên tố là Fe (x mol) và O (y mol). X thành h ỗn hợp chỉ gồm 2 nguyên tố Fe (x mol) và O (y mol). Lúc này sơ đồ các biến đổi như sau : [ ] 5 3 0 dd 3 0 2 0,025 3,0 O H NO NO mol Fe Fe X Fe xmol O O ymol mg g + + + − →     → → →     →  → Theo bảo toàn khối lượng: 56x + 16y = 3,0 (5) Các quá trình nhường nhận electron : Fe 0 → Fe +3 + 3e N +5 + 3e → N +2 x 3x 0,075 0,025 O 0 +2e → O -2 y 2y Theo bảo toàn electron ta có: 3x = 2y + 0,075 (6) Từ (5) và (6) → 0,045 0,045 0,03 0,03 x mol Fe mol X y mol O mol = =   ⇒   = =   10 [...]... viết SKKN Nguyễn Vũ Hùng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS Nguyễn Xuân Trường, “Dùng phương pháp quy đổi để tìm nhanh 18 đáp số của bài toán hóa học , số 4(52)/2006, trang 2-3 [2] Th.s Lê Phạm Thành, Phương pháp giải nhanh các bài toán Hóa Học THPT” NXB Hà Nội, 3/2009 [3] Th.s Lê Phạm Thành, “ 16 phương pháp và kỹ thuật giải nhanh bài toán Hóa Học NXB ĐHSP Hà Nội, 4/2009 [4] Th.S Nguyễn Khoa Thị Phượng “ Phương. .. 1,5 y + 0,5 y x 1 ⇔ = y 3 VII SAI LẦM CẦN TRÁNH KHI GIẢI BÀI TOÁN THEO PHƯƠNG PHÁP QUI ĐỔI Giải bài toán theo phương pháp “qui đổi sẽ cho ta kết quả bài toán nhanh hơn, thuận lợi hơn Nhưng khi vận dụng phương pháp để giải một số bài toán có dạng tương tự nếu không hiểu rõ bản chất phản ứng hóa học trong dung dịch sẽ có thể gặp phải sai lầm sau: Qui đổi làm sai lệch bản chất của phản ứng Ví dụ 1: Hòa... dưỡng học sinh, giúp các em tích cực và tự tin hơn trong hoạt động tìm kiếm hướng giải cho các bài tập, từ chỗ rất lúng túng hoặc lựa chọn phương pháp tốn nhiều thời gian, thì nay sau khi bồi dưỡng chuyên đề trên phần lớn các em đã vận dụng phương pháp này một cách thành thạo Khá nhiều em không những áp dụng thành thạo phương pháp giải bài toán vô cơ mà các em còn vận dụng được phương pháp để giải thành... m? Hướng dẫn: Với bài toán này ta cũng có nhiều cách qui đổi khác nhau Nhưng nếu chúng ta qui đổi hỗn hợp thành các oxit (FeO và Fe 2O3…) thì bài toán sẽ phi thực tế do hỗn hợp các oxit phản ứng với dung dịch HCl không có khả năng tạo khí H2 Vì vậy khi vận dụng phương pháp qui đổi trong giải toán chúng ta cần chú ý: Dù muốn qui đổi theo hướng nào nhưng phải đảm bảo được bản chất hóa học của bài toán. .. chất 5 2 Quy đổi hỗn hợp nhiều chất về các nguyên tố tương ứng 6 3 Quy đổi tác nhân oxi hóa trong phản ứng oxi hóa - khử 6 III CÁC CHÚ Ý KHI LÀM BÀI TOÁN QUY ĐỔI 7 IV VÍ DỤ MINH HỌA 8 1 Quy đổi hỗn hợp nhiều chất về hỗn hợp hai hoặc chỉ một chất 8 2 Quy đổi hỗn hợp nhiều chất về các nguyên tử tương ứng .10 3 Quy đổi tác nhân oxi hóa ... giải thành công một số bài toán hóa học hữu cơ phức tạp Qua đề tài này, kiến thức kĩ năng giải toán của học sinh được củng cố một cách có cơ sở vững chắc; kết quả học tập của học sinh được nâng cao Số liệu và kết quả thực hiện đề tài: Bảng số liệu và kết quả thực hiện đề tài: Số học sinh giải thành Tỉ lệ đạt được thạo bài tập dạng này Năm học 2011-2012 99/575 17,22% Năm học 2012-2013 462/575 80,35%... Phương pháp giải bài tập hóa học đại cương- vô cơ” NXB Đại Học Quốc Gia Hà Nội, 08/04/2008 19 MỤC LỤC A MỞ ĐẦU: .1 I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1 II MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 3 III PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3 IV GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU .4 V PHẠM VI NGHIÊN CỨU 4 B NỘI DUNG PHƯƠNG PHÁP .5 I NGUYÊN TẮC NGHIÊN CỨU 5 II CÁC HƯỚNG QUY ĐỔI 5 1 Quy đổi hỗn... tử tương ứng .10 3 Quy đổi tác nhân oxi hóa 11 V THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH KINH NGHIỆM CHO BÀI TOÁN CƠ SỞ .12 VI VẬN DỤNG PHƯƠNG PHÁP GIẢI MỘT SỐ BÀI TOÁN VÔ CƠ VÀ HỮU CƠ 13 VII SAI LẦM CẦN TRÁNH KHI GIẢI BÀI TOÁN THEO PHƯƠNG PHÁP QUI ĐỔI 15 VII MỘT SỐ BÀI TẬP VẬN DỤNG 16 C KẾT LUẬN 18 TÀI LIỆU THAM KHẢO .18 20 ... (3) ta thấy: Bài toán có 3 đại lượng: m, m1 và ∑n e nhận(2) (hoặc Vkhí(2)) 12 Khi biết 2 trong 3 đại lượng trên ta tính được ngay đại lượng còn lại Áp dụng phương trình (2) cho ví dụ trên ta được m = 0, 7.3 + 5, 6 0,56 3 = 2,52( g ) chọn đáp án A 22, 4 VI VẬN DỤNG PHƯƠNG PHÁP GIẢI MỘT SỐ BÀI TOÁN VÔ CƠ VÀ HỮU CƠ Câu 1 Cho 28,8g hỗn hợp Fe, Mg, Cu (số mol mỗi kim loại bằng nhau) tác dụng hết với dung... qui đổi hỗn hợp thành Fe và FeO vì khi đó hỗn hợp Fe và FeO phản ứng với dd HCl không cho muối FeCl3 Bài toán bị sai về mặt bản chất hóa học 15 Ví dụ 2: Hòa tan hoàn toàn 20 gam hỗn hợp gồm Fe, FeO, Fe3O4, Fe2O3 trong lượng dư dung dịch HCl 1M thu được 0,224 lít H2 (ĐKTC) và dung dịch D Cho dung dịch D tác dụng với lượng dư dung dịch NaOH Lọc kết tủa đem nung ngoài không khí đến khối lượng không đổi . nhất định trong quá trình giải. Chính vì vậy tôi lựa chọn đề tài Hướng dẫn học sinh sử dụng 1 phương pháp quy đổi trong giải toán hóa học để nghiên cứu. 2 II. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU. Trong quá. KHI GIẢI BÀI TOÁN THEO PHƯƠNG PHÁP QUI ĐỔI. Giải bài toán theo phương pháp “qui đổi sẽ cho ta kết quả bài toán nhanh hơn, thuận lợi hơn. Nhưng khi vận dụng phương pháp để giải một số bài toán. tôi đã sử dụng nhiều phương pháp khác nhau như: - Phương pháp trao đổi cùng các giáo viên có kinh nghiệm và học sinh. - Phương pháp kiểm tra đánh giá. 3 - Phương pháp đối chứng. - Phương pháp