hướng dẫn học sinh giỏi áp dụng định luật bảo toàn electron trong giải toán hóa học

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TỈNH VĨNH PHÚCPHÒNG GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THÀNH PHỐ VĨNH YÊN    ---BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI HƯỚNG DẪN HỌC SINH GIỎI ÁP DỤNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN E

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TỈNH VĨNH PHÚC

PHÒNG GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THÀNH PHỐ VĨNH YÊN

  

-BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI

HƯỚNG DẪN HỌC SINH GIỎI ÁP DỤNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN

ELECTRON TRONG GIẢI TOÁN HÓA HỌC

Phần I: ĐẶT VẤN ĐỀ

1 Lý do chọn đề tài

Nâng cao chất lượng giáo dục là vấn đề không chỉ của ngành giáo dục

mà còn được toàn xã hội quan tâm Chính vì lẽ đó mà nó là một phần quantrọng trong chủ đề của nhiều năm học Để nâng cao chất lượng giáo dục cầnđầu tư nâng cao chất lượng đại trà bằng nhiều phương pháp, song đầu tư chochất lượng mũi nhọn để phát hiện, chọn lựa và bồi dưỡng học sinh giỏi cũng

là một vấn đề hết sức quan trọng

Bồi dưỡng học sinh giỏi là nhiệm vụ khó, vì nó đòi hỏi nhiều kiến thức, kĩnăng vận dụng cao, đề thi tập trung khai thác sâu kiến thức không chỉ ở cấp họcTHCS mà còn cả ở cấp THPT, thậm chí cả đề thi Đại học, đề thi học sinh giỏi cấpTHPT Riêng môn hoá học có nhiều phương pháp giải bài tập hoá học được giáoviên hướng dẫn học sinh sử dụng khi bồi dưỡng học sinh giỏi như: sử dụng đinhluật bảo toàn nguyên tố, bảo toàn khối lượng, bảo toàn electron, tăng giảm khốilượng, sử dụng khối lượng mol trung bình…

Qua việc tham khảo những đề thi học sinh giỏi gần đây, xu hướng sử dụngđịnh luật bảo toàn electron cho phản ứng oxi hoá – khử ngày càng áp dụng rộng rãi,với ưu điểm dùng được cho các bài toán phức tạp xảy ra qua nhiều quá trình, thậmchí nhiều bài không xác định được chất dư chất hết Điều đặc biệt lý thú củaphương pháp này là không cần viết bất cứ một phương trình phản ứng nào, khôngcần quan tâm tới các giai đoạn trung gian… nên được nhiều giáo viên sử dụng

Chính vì vậy chúng tôi mạnh dạn đề xuất chuyên đề bồi dưỡng học sinh giỏi

THCS: “Hướng dẫn học sinh giỏi áp dụng định luật bảo toàn electron trong giải toán hoá học”

2 Mục đích của đề tài

Phân dạng các bài toán hoá học có sử dụng định luật bảo toàn electron nhằmnâng cao chất lượng học sinh giỏi

3 Nhiệm vụ nghiên cứu.

- Nêu lên được cơ sở lý luận của chuyên đề

- Tiến hành điều tra tình hình nắm vững kiến thức cơ bản của học sinh giỏi

- Hệ thống bài toán Hoá học theo từng dạng

- Qua bài tập giúp các em tích cực, chủ động chiếm lĩnh tri thức rèn luyện kĩ năng

4 Đối tượng nghiên cứu: Học sinh giỏi lớp 9

5 Phương pháp nghiên cứu.

Trong đề tài này chúng tôi đã vận dụng các phương pháp nghiên cứu khoahọc như: Phân tích lý thuyết, tổng kết kinh nghiệm sư phạm Tham khảo các tài liệu

đã được biên soạn và phân tích hệ thống các dạng bài toán hoá học theo nội dung

đã đề ra

Trên cơ sở đó chúng tôi đã trình bày các dạng bài toán hoá học đã sưu tầm vànghiên cứu để nâng cao khả năng, trí tuệ của học sinh

6 Giới hạn về không gian của đối tượng: Trường THCS Đồng Tâm

7 Phạm vi và kế hoạch nghiên cứu

Đối tượng: học sinh lớp 9

Dự kiến số tiết bồi dưỡng: 9 tiết

Phần II: NỘI DUNG

1 Cơ sở lý luận của đề tài:

1.1 Cách xác định số oxi hoá

Số oxi hóa là một đại lượng qui ước

- Số oxi hóa của các nguyên tử trong đơn chất bằng không (0)

VD: Nao, O2o, …

- Tổng đại số số oxi hóa của các nguyên tử trong hợp chất bằng không (0).Kim loại trong hợp chất có số oxi hoá dương, thường bằng hoá trị của chúng,kim loại kiềm là +1, kim loại kiềm thổ là +2

VD: Trong các hợp chất NaCl, CuSO4 số oxi hoá của Na, Cu lần lượt là +1,+2 và được viết là Na+1, Cu+2

Hiđro trong các hợp chất thường có số oxi hoá +1, Oxi là - 2

Bài tập vận dụng : Tính số oxi hóa của các nguyên tố có gạch dưới trong các

chất sau: KMnO4, K2MnO4, MnO2, HNO3, NO2, , NH4NO3, N2O, NO,

(NH4)2SO4, FeO, Fe2O3, Fe3O4, Fe, Fe(OH)2,Fe(OH)3, FeS2, FeCO3,

FeSO4, Fe2(SO4)3, Fe(NO3)3, H2SO4, SO2

- Quá trình oxi hoá là quá trình xảy ra sự mất electron

- Quá trình khử là quá trình xảy ra sự nhận electron

1.3.Áp dụng định luật bảo toàn electron

Trong phản ứng oxi hóa – khử thì tổng số electron nhường bằng tổng sốelectron nhận nên tổng số mol electron mà các chất khử cho đi bằng tổng số molelectron mà các chất oxi hoá thu vào :  ne cho   ne nhËn

VD: Trong phản ứng trên số mol electron nhận là : 2.nCl2

Số mol electron nhường là : 1.nNa

Theo định luật bảo toàn electron : 2 nCl2 = 1 nNa

1.4 Chú ý

- Chủ yếu áp dụng cho bài toán oxi hoá khử các chất vô cơ

- Có thể áp dụng định luật bảo toàn electron cho một phương trình, nhiềuphương trình hoặc toàn bộ quá trình

và ngại khi gặp bài tập dạng tính toán

3 Giải pháp mới sáng tạo:

Chúng tôi đã chọn lọc và phân loại các bài tập theo các dạng cơ bản sử dụngđịnh luật bảo toàn electron, tìm cách giải cho từng dạng này góp phần nâng caohứng thú của các em đối với môn học

3.1 Các dạng bài tập thường gặp:

1 Kim loại ( hoặc hỗn hợp kim loại) tác dụng với axit ( hoặc hỗn hợp axit)không có tính oxi hoá (HCl, H2SO4 loãng …)

2 Kim loại ( hoặc hỗn hợp kim loại) tác dụng với axit ( hoặc hỗn hợp axit)

có tính oxi hoá( HNO3, H2SO4 đặc, nóng …) tạo 1 khí hoặc hỗn hợp khí

3 Oxit kim loại (hoặc hỗn hợp oxit kim loại) tác dụng với axit ( hoặc hỗnhợp axit) có tính oxi hoá( HNO3, H2SO4 đặc, nóng …)

4 Các bài toán liên quan tới sắt (điển hình là bài toán để sắt ngoài không khí)

5 Bài toán nhúng kim loại vào dung dịch muối

Nói chung bất kỳ bài toán nào liên quan tới sự thay đổi số oxi hoá đều có thể giải được bằng phương pháp này.

3.2 Các ví dụ minh hoạ :

3.2.1 Kim loại (hoặc hỗn hợp kim loại) tác dụng với axit ( hoặc hỗn hợp axit) không có tính oxi hoá (HCl, H 2 SO 4 loãng …)

Ví dụ 1: Hoà tan hoàn toàn 1,5 g hỗn hợp gồm Al và Mg bằng dung dịch HCl dư

thu được 1,68 lít khí H2 (đktc) Tính phần trăm khối lượng mỗi kim loại trong hỗnhợp ban đầu

2.0,075 0, 075

Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: 3x + 2y = 0,15 (1)

Mặt khác, theo bài ra ta có: 27x + 24y = 1,5 (2)

Từ (1) và (2) có: x = 0,03, y = 0,025

3.2.2 Kim loại( hoặc hỗn hợp kim loại) tác dụng với axit( hoặc hỗn hợp axit)

có tính oxi hoá( HNO 3 , H 2 SO 4 đặc, nóng …) tạo 1 khí hoặc hỗn hợp khí

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

Ví dụ 2: Hoà tan hoàn toàn hỗn hợp kim loại gồm 0,02 mol Al và 0,015 mol Zn với

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

a) Tính V?

Ví dụ 3: Hoà tan hoàn toàn 24,3 g Al vào dung dịch HNO3 loãng dư thu được hỗn

hợp khí NO và N2O có tỉ khối hơi so với H2 là 20,25 và dung dịch B chỉ chứa mộtmuối Thể tích khí thoát ra ở đktc là bao nhiêu?

3.2.3 Oxit của kim loại nhiều hoá trị (hoặc hỗn hợp oxit kim loại nhiều hoá trị) tác dụng với axit ( hoặc hỗn hợp axit) có tính oxi hoá (HNO 3 , H 2 SO 4 đặc, nóng

…)

Ví dụ 1 Hoà tan hết 2,16 gam FeO trong HNO3 sau phản ứng thấy thoát ra 0,244

lit khí X (đktc) là sản phẩm khử duy nhất Tìm X?

Giải

Khí X sinh ra chứa nitơ: NxOy ( x = 1, 2 y = 0, 1, 2, 3)

nFeO = 0,03 mol, nX = 0,01 mol

Ta có các bán phản ứng oxi hoá - khử:

Fe+2 → Fe+3 + 1e xN+5 + (5x- 2y)e → xN +2y/x.0,03 0,03 l (5x – 2y)0,01 0,01x

Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có:

0,03 = (5x – 2y) 0,01 Vậy 5x – 2y = 3

y 1 (nhận) 2,5 (loại)Vậy X là: NO

3.2.4 Các bài toán liên quan tới sắt (điển hình là bài toán để sắt ngoài không khí)

Ví dụ 1: Thổi luồng không khí đi qua m(g) bột sắt nung nóng sau một thời gian

biến thành hỗn hợp A có khối lượng 30g gồm Fe, FeO, Fe2O3, Fe3O4 Cho Aphản ứng hoàn toàn với dung dịch HNO3 thấy giải phóng ra 5,6 lít khí NO duynhất (đktc) Tính m?

G iải

– Chất nhường electron Fe, số mol : m

Ví dụ 2 Nung nóng 5,6 g bột sắt trong bình đựng O2 thu được 7,36 g hỗn hợp X

gồm Fe, Fe2O3 và Fe3O4 Cho X tan hoàn toàn trong dung dịch HNO3 thu được

V lít (đktc) hỗn hợp khí Y gồm NO và N2O4, tỉ khối hơi của Y so với H2 là25,33 gam Tìm giá trị của V?

=> ne cho = 0,3 molChất nhận electron O :7, 36 5, 6 0,11 (mol)

loãng, dư thu được V lít hỗn hợp khí B (ở 30oC, 1 atm) gồm NO, NO2 (với

2

3.2.5 Bài toán nhúng kim loại vào dung dịch muối

Ví dụ : Cho 3,61g gồm Fe và Al tác dụng với 100ml dung dịch A chứa Cu(NO3)2

và AgNO3 Sau phản ứng thu được dung dịch B và 8,12g chất rắn D gồm 3 kimloại Cho chất rắn D tác dụng với dung dịch HCl dư thu được 0,672 l H2 Các chấtkhí đo ở đktc và các phản ứng xảy ra hoàn toàn Tính CM của Cu(NO3)2 và AgNO3trong dung dịch A

Giải:

Đặt nồng độ mol của Cu(NO3)2 và AgNO3 trong 100 ml dung dịch A là x và y

Số mol của Cu(NO3)2 và AgNO3 trong 100 ml dung dịch A: 0,1x và 0,1y

Vì chất rắn D gồm 3 kim loại nên Fe dư, các muối trong dung dịch A hết

0,03 mol 0,09 mol 0,1y mol 0,1y mol 0,1y mol

Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có:

3.3 Một số đề thi sử dụng định luật bảo toàn electron

Bài 1: (Trích đề thi học sinh giỏi lớp 9 - Sở GD & ĐT Vĩnh Phúc năm 2011-2012)

Một hỗn hợp X gồm Na, Ca, Na2O và CaO Hoà tan hết 25,65 (g) hỗn hợp X vào nước thu được 2,8 (lít) H2 (đktc) và dung dịch Y có 14 (g) NaOH Hấp thụ hoàn toàn 16,8 (l) CO2 (đktc) vào dung dịch Y Tính khối lượng kết tủa thu được

Giải:

- Quy đổi hỗn hợp ban đầu gồm Na, Ca và O2 Đặt số mol tương ứng mỗi chất

có trong hỗn hợp là x, y, z

- Khối lượng hỗn hợp: mhh = 23x + 40y+ 32z = 25,56 (a)

- Định luật bảo toàn electron: x + 2y = 4z + 0,125 2 (b)

- Định luật bảo toàn nguyên tố: nNaOH = x = 0,35 (c)

x = 0,35 molGiải hệ (a)(b)(c) ta thu được : y = 0,3 mol

z = 0,175 molVậy dung dịch Y chứa 0,35 mol NaOH và 0,3 mol Ca(OH)2

Hấp thụ CO2 vào dung dịch Y có các phản ứng:

Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O (1)

2NaOH + CO2 Na2CO3 + H2O (2)

Na2CO3 + CO2 + H2O 2NaHCO3 (3)

CaCO3 + CO2 + H2O Ca(HCO3)2 (4)

Dựa vào các phương trình trên ta tính được khối lượng kết tủa là 20 (g) Bài 2: (Trích đề thi học sinh giỏi tỉnh Phú Thọ 2012 - 2013) Để 1 lượng bột sắt nặng a gam ngoài không khí, sau 1 thời gian thu được 12g chất X gồm sắt và các oxit của sắt Cho X tác dụng hoàn toàn với dd HNO3 loãng dư thấy giải phóng ra 2,24lit khí NO duy nhất (đktc) Viết các phương trình hoá học xảy ra và xác định giá trị a Giải: nNO=0,1mol - PTHH: 2Fe + O2  2FeO (1)

4Fe + 3O2  2Fe2O3 (2)

3Fe + 2O2  Fe3O4 (3)

3FeO + 10HNO3 3Fe(NO3)3 + NO + 5H2O (4)

3Fe3O4 + 28HNO3  9Fe(NO3)3 + NO + 14H2O (5)

Fe2O3 + 6HNO3  2Fe(NO3)3 + 3H2O (6)

Fe + 4HNO3  Fe(NO3)3 + NO + 2H2O (7)

- Xét quá trình cho e: Fe0  Fe+3 + 3e

56 m 3

56 m - Quá trình nhận e: N+5 + 3e  N+2 0,3 0,1 O2 + 4e  2O-2 (12 )

32

a



4.(12 )

32

a



- Theo định luật bảo toàn electron ta có: 4 (12 )

32

a



+ 0,3 = 3

56

m

=> a = 10,08g

Bài 3: (Trích đề học sinh giỏi lớp 9- Vĩnh Yên Năm học 2012-2013)

Hoà tan 3,6 (g) kim loại M hoá trị n không đổi bằng 200(g) dung dịch HNO3 a

% thì vừa đủ thu được dung dịch A (chỉ chứa một chất tan) và 4,48 (l) hỗn hợp 2 khí NO và NO2 (đktc) có tỷ khối so với H2 là 21

a Xác định kim loại M

b Tìm nồng độ của dd HNO3 đã dùng Cô cạn dung dịch A thu được bao nhiêugam muối khan.

b) Áp dụng định luật bảo toàn nguyên tố:

nN(HNO3 ) = nN(Mg(NO 3 )2) + nN(NO) + nN(NO 2 )

nHNO3 = 2.nMg(NO 3 )2 + nNO + nNO2

Chú ý: Khi cho kim loại tác dụng với dung dịch HNO3 và dung dịch phản ứng

không chứa muối amoni: nNO3 (,muối) =  số mol e nhường (hoặc nhận)

có thể tính nHNO3 = nN(axit)) = nN(muối) + nN(NO) + nN(NO 2 )

= nN(NO3



trong muối) + nN(NO) + n (NO 2 ) =  số mol e nhường (hoặc nhận) + nN(NO) + n (NO2 ) = 3.0,05 + 0,15 + 0,05 + 0,15

= 0,5 mol

Khối lượng muối khan = mMg(NO3 )2= mMg + mNO3



(muối) = 3,6 + 62.0,3 = 22,2 gam

Bài 4: (Trích đề kiểm tra học sinh giỏi năm 2013 -2014 Phòng GD & ĐT Vĩnh

Yên)

Hoà tan hoàn toàn 15,3âm hỗn hợp A gồm (Na, Ca, CaO, Na2O) vào H2O dư thu được dung dịch X và 3,36 lít khí (đktc) Để trung hoà dung dich X cần vừa đủ 300ml dung dịch HCl 2M Cho CO2 vào dung dịch X thu được 11gam kết tủa Xác định thể tích CO2 (đktc) đã dùng

Theo bảo toàn nguyên tố ta có:

23x + 40y + 16z = 15,3 (a)

nNaOH = nNa = x mol

nCa(OH)2 = nCa = y mol

Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O (1)

n = 11

100 = 0,11 (mol)

Trường hợp 1: Ca(OH)2 dư n = nCO 2 = 0,11 mol =>V = 2,464 (lít)

Trường hợp 2: Ca(OH)2 không dư: xảy ra cả 4 phương trình (1) (2) (3) (4)

nCO2 (4) = 0,15 – 0,11 = 0,04(mol)

 nCO2 = 0,15 + 0,15 + 0,15 + 0,04 = 0,49 (mol) => V = 10,976 (lít).

Bài 5: ( Trích đề khảo sát chất lượng giáo viên Vĩnh Yên năm học 2011-2012)

Cho 14,4 (g) hỗn hợp Fe, Mg, Cu (số mol mỗi kim loại bằng nhau) tác dụng hếtvới dung dịch HNO3 thu được dung dịch X và 2,688 (l) (đktc) hỗn hợp gồm 4 khí N2, NO, N2O, NO2 Trong đó 2 khí N2 và NO2 có số mol bằng nhau Cô cạn cẩn thận dung dịch X thu được 58,8(g) muối khan Tìm số mol HNO3 đã phản ứng?

Giải:

Ta có: nFe = nMg = nCu = 14, 4

144 = 0,1 (mol)Giả sử không có muối amoni trong X, ta có các quá trình:

11a + 3b + 8c = 0,6 a + c = 0,048

2a + b + c = 0,12 a + b = 0,072

 nHNO3= 0,725 + 2 0,048 + 0,0 72 = 0,893 (mol)

Bài 6: ( Trích đề khảo sát chất lượng giáo viên Vĩnh Yên năm học 2012-2013)

Cho 19,2 gam kim loại M tác dụng hoàn toàn với dung dịch H2SO4 đặc, nóng,

dư, thu toàn bộ khí SO2 thoát ra hấp thụ hoàn toàn vào 1 lít dung dịch NaOH 0,7M Sản phẩm thu được đem cô cạn thì được 41,8 gam chất rắn Xác định kim loại M

Giải:

nNaOH = 0,7 (mol)

Giả sử SO2 phản ứng vừa đủ với NaOH để tạo thành Na2SO3

PTHH: SO2 + 2NaOH  Na2SO3 + H2O

Khối lượng muối Na2SO3 = 0,35 126 = 44,1 gam > 41,8 gam Chứng tỏ NaOH dư.Gọi số mol SO2 là x mol, nNaOH dư = 0,7 – 2x ( mol), nNa2 SO3 = x (mol)

Chọn n = 2, M = 64 Đó là kim loại đồng (Cu)

Bài 7: Hoà tan hoàn toàn 30,4 g rắn X gồm Cu, CuS, Cu2S và S bằng HNO3 dư,

thoát ra 20,16 lít khí NO duy nhất (đktc) và dung dịch Y Thêm Ba(OH2) dư vào dung dịch Y thu được m g kết tủa Tìm giá trị của m

Giải:

nNO = 20,1622, 4 = 0,9 mol

Quy đổi hỗn hợp X thành Cu x mol

64x + 32y = 30,4 (1)

Theo bảo toàn nguyên tố:

nCu(OH)2 = nCu = 0,3 mol

Hỗn hợp X gồm Fe và kim loại R có hoá trị không đổi Hoà tan hết 3,3 gam

X trong dung dịch HCl dư được 2,9568 lít khí ở 27,30C, 1atm Mặt klhacs cũng hoàtan hết 3,3 gam trên trong dung dịch HNO3 1M lấy dư 10% thì được 896 ml hỗn

hợp khí Y gồm N2O và NO (đktc) có tỉ khối so với hỗn hợp ( NO + C2H6) là 1,35

và dung dịch Z chứa 2 muối

1 Tìm R và phần trăm khối lượng các chất trong X

2 Cho Z phản ứng với 400 ml dung dịch NaOH thấy xuất hiện 4,77 gam kết tủa.Tính CM của NaOH biết Fe(OH)3 kết tủa hoàn toàn

a) Viết phương trình phản ứng có thể xảy ra

b) Tính phần trăm khối lượng của mỗi kim loại trong hỗn hợp

Đáp số: %m Fe = 58,33%

%mMg = 41,67%

Bài 3:(Trích đề học sinh giỏi lớp 10 Sở GD& ĐT Vĩnh Phúc năm học 2005 – 2006)

Hoà tan hết 4,431 gam hỗn hợp Al và Mg trong dung dịch HNO3 loãng thu được dung dịch A và 1,568 lít (đktc) hỗn hợp 2 khí (đều không màu) có khối lượng 2,59 gam, trong đó có 1 khí bị oxi hoá thành màu nâu trong không khí

a) Tính phần trăm khối lượng của mỗi kim loại trong hỗn hợp

Khối lượng muối khan = 28,301gam

Bài 4:(Trích đề học sinh giỏi lớp 12 Sở GD& ĐT Vĩnh Phúc năm học 2011 – 2012)

Hoà tan hết 22,064 gam hỗn hợp Al, zn trong thể tích vừa đủ là 500ml dung dịch HNO3 loãng được dung dịch A và 3,136 lít (đktc) hỗn hợp 2 khí không màu cókhối lượng 5,18 gam trong đó có 1 khí hoá nâu trong không khí

a) Tính phần trăm khối lượng trong hỗn hợp

b) Cô cạn dung dịch A thu được bao nhiêu gam muối khan

Đáp số: % m Al =5,145%