MỘT SỐ KINH NGHIỆM GIẢI NHANH BÀI TOÁN HIĐROCACBON A-ĐẶT VẤN ĐỀ.Trong quá trình dạy học ở trường phổ thông, nhiệm vụ quan trọng của giáo dục là nhằm phát triển tư duy cho học sinh ở mọi
Trang 1SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ
TRƯỜNG THPT YÊN ĐỊNH 2
SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM
MỘT SỐ KINH NGHIỆM GIẢI NHANH BÀI TOÁN
Trang 2THANH HÓA NĂM 2014
MỤC LỤC
A LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Trang 1B.GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ Trang 1
1 Cơ sở ly luận của đề tài Trang 1
2 Thực trạng của đề tài Trang 13.Giải pháp thực hiện Trang 24.Các biện pháp tổ chức thực hiện Trang 24.1.Kinh nghiệm 1: Dựa vào phản ứng đốt cháy Trang 24.2 Kinh nghiệm 2: Sử dụng định ĐLBT KL và ĐLBTNT Trang 34.3 Kinh nghiệm 3 : Sử dụng PP tăng giảm số mol ( thể tích) khí Trang 64.4 Kinh nghiêm 4: Sử dụng số mol liên kết pi Trang 84.5 Kinh nghiệm 5: Sử dụng PP tự chọn lượng chất Trang 104.6 Kinh nghiệm 6: Sử dụng các giá trị trung bình Trang 124.7 Kinh nghiệm 7:Sử dụng PP loại trừ Trang 145.Bài tập vận dụng Trang 166.Thực nghiệm sư phạm Trang 19C.KẾT LUẬN Trang 20
Trang 3MỘT SỐ KINH NGHIỆM GIẢI NHANH BÀI TOÁN HIĐROCACBON A-ĐẶT VẤN ĐỀ.
Trong quá trình dạy học ở trường phổ thông, nhiệm vụ quan trọng của giáo dục là nhằm phát triển tư duy cho học sinh ở mọi bộ môn, trong đó có bộ môn hóa học Có thể phát triển năng lực cho học sinh dưới nhiều hình thức từ lí thuyết, thực tế đến kĩ năng giải toán … Trong đó việc sử dụng các phương pháp giải nhanh để giải các bài tập hóa học không những có tác dụng rèn luyện kĩ năng, vận dụng, đào sâu và mở rộng kiến thức đã học mà còn có tác dụng rèn luyện tính tích cực, tự lực trí thông minh sáng tạo cho học sinh, giúp học sinh hứng thú học tập
Trong nội dung hóa học ở trường THPT, phần hóa học hữu cơ là một phân môn rất quan trọng, chiếm một nửa số lượng trong các đề thi đại học Phần này bắt đầu từ học kì hai lớp 11 học sinh mới được học và tìm hiểu sâu
Do đó trong quá trình học, học sinh thường cảm thấy khó khi học hóa hữu cơ cũng như còn rất lung túng khi giải quyết các bài tập hữu cơ
Trong hóa học hữu cơ, phần hiđrocacbon là nội dung các em được học đầu tiên Xuất phát từ thực tiễn phần nhiều học sinh còn “sợ” học hóa hữu cơ
tôi mạnh dạn đưa ra đề tài “Một số kinh nghiệm giải nhanh bài toán
hiđrocacbon” Tôi viết đề tài này dựa trên những kinh nghiệm tích lũy được
trong quá trình dạy học với mục đích giúp các em ngay từ đầu có cái nhìn dễ hiểu hơn về hóa học hữu cơ Cũng như góp phần giúp các em rèn luyện tư duy, nâng cao khả năng suy luận và hoàn thiện khả năng giải toán hoá Mặc dù kinh nghiệm này tôi giới hạn trong một chuyên đề nhỏ nhưng nó là tiền đề, là cơ sở giúp các em học tốt phần hiđrocacbon và những phần còn lại của hóa học hữu
cơ
B.GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ
1 Cơ sở lý luận của đề tài.
Trong thời gian qua các phương pháp giải nhanh các bài toán hoá học không ngừng phát triển để phù hợp với hình thức thi trắc nghiệm khách quan do
Bộ Giáo Dục và Đào Tạo đưa ra và để không ngừng phát triển tư duy hoá học cho học sinh.Yêu cầu mới đòi hỏi giáo viên phải hiểu thấu đáo các phương
Trang 4pháp, các thủ thuật giải nhanh và học sinh phải dần hoàn thiện kĩ năng sử dụng các phương pháp đó Mỗi bài toán hoá học có thể giải bằng nhiều cách khác nhau nhưng quan trọng là phải nắm bắt được phương pháp nào là tối ưu cho bài toán đó.
2.Thực trạng của đề tài.
Dựa trên việc giảng dạy phần hiđrocacbon tôi đúc rút một số kinh nghiệm giải nhanh một số dạng bài tập phần này nhằm giúp các em có cái nhìn tổng quát, hiểu rõ bản chất của từng dạng bài tập Biết khi nào thì vận dụng từng phương pháp cho phù hợp với từng bài toán cụ thể cũng như biết vận dụng nhiều phương pháp trong giải một bài tập khó
3 Giải pháp thực hiện.
Một số kinh nghiệm giải nhanh bài tập phần hiđrocacbon Mỗi phần sẽ có nội dung lí thuyết và phương pháp giải
Kinh nghiệm 1: Dựa vào phản ứng đốt cháy
Kinh nghiệm 2: Sử dụng định luật bảo toàn khối lượng và định luật bảo toàn nguyên tố.
Kinh nghiệm 3 : Sử dụng phương pháp tăng giảm số mol (thể tích) khí
Kinh nghiêm 4 : Sử dụng số mol liên kết pi
Kinh nghiệm 5: Sử dụng phương pháp tự chọn lượng chất
Kinh nghiệm 6: Sử dụng các giá trị trung bình
Kinh nghiệm 7:Sử dụng phương pháp loại trừ
4 Các biện pháp tổ chức thực hiện.
4.1.
Khi làm bài tập đốt cháy hiđrocacbon chúng ta cần chú ý đến tỉ lệ số nguyên tử hiđro và cácbon trong các phân tử cũng như chú ý đến tỉ lệ số mol
H2O và CO2 để xác định loại hiđrocacbon
+ Nếu nCO2 < nH2O → Dãy đồng đẳng của ankan nAnkan = nH2O - nCO2
+ Nếu nCO2 = nH2O → Dãy đồng đẳng của anken (nếu mạch hở), hoặc dãy đồng đẳng của xicloankan (mạch vòng)
+ Nếu nCO2 > nH2O → Dãy đồng đẳng của ankin hoặc ankađien (n Ankin,ankadien = nCO2 - nH2O) hoặc aren …
+ Nếu các hiđrocacbon có cùng số nguyên tử hiđro thì khi đốt cháy số mol nước của chúng bằng nhau
Trang 5+ Nếu các hiđrocacbon có cùng số nguyên tử cacbon thì khi đốt cháy số mol
CO2 của chúng bằng nhau
-Nếu đốt cháy hiđrocacbon và cho toàn bộ sản phẩm vào bình nước vôi trong (hoặc dd Ba(OH)2) thu được
+ Kết tủa và dung dịch có khối lượng tăng so với ban đầu ta có
mCO2 + mH2O = m kết tủa + m dd tăng
+ Kết tủa và dung dịch có khối lượng giảm so với ban đầu ta có
mCO2 + mH2O = m kết tủa - m dd tăng
Ví dụ 1: Hỗn hợp khí X gồm etilen, metan, propin và vinylaxetilen có tỉ khối so
với H 2 là 17 Đốt cháy hoàn toàn 0,05 mol hỗn hợp X rồi hấp thụ toàn bộ sản phẩm cháy vào bình dung dịch Ca(OH) 2 (dư) thì khối lượng bình tăng thêm m gam Giá trị của m là
HD: Ta thấy cả 4 chất đều có 4 nguyên tử hiđro Gọi công thức chung là CxH4
12x + 4 = 17× 2 = 34 → x= 2,5
CxH4 + ( x + 1)O2 → xCO2 + 2H2OKhối lượng bình tăng : 0 , 05 2 , 5 44 0 , 05 2 18 7 , 3 ( )
2
m
m= CO + H O = × × + × × =
Ví dụ 2: Đốt cháy hoàn toàn 2,24 lít (đktc) hỗn hợp khí gồm: CH4 , C 2 H 4 , C 2 H 6 ,
C 3 H 8 thu được 6,16 gam CO 2 và 4,14 gam H 2 O Số mol C 2 H 4 trong hỗn hợp trên là
A 0,08 mol B 0,09 mol C 0,01 mol D 0,02 mol
HD: Trong bài này ta nhận thấy C2H4 là anken, còn lại là ankan
HD: Ta thấy 3 hiđrocacbon này đều có hai nguyên tử cacbon
C2Hy + (2 + y/4) O2 → 2CO2 + y/2 H2O2,24 lit 4,48 lit
Trang 62 2
2 2 2
2
:
H
H C
H C B H
C
m m crackinh
n n
) ( )
(
2 2
2 2 ,
2
2
du H
du H C
H C toida B H
H
C
n n t
Ni n
du H C
ankan H
C
anken H
C toida B H
ankin H
C
n n
n n
n n t
Ni n
2
2 2
2 2
2 ,
2
2
) ( )
( )
HD: nA = 0,15 mol, nH2O = 0,3 mol, nCO2 = 0,3 mol
Trang 7Theo định luật bảo toàn nguyên tố ta thấy lượng CO2 và H2O sinh ra khi đốt A hay B đều bằng nhau.
Khi đốt C2H4, C3H6 thì n H2O =n CO2
Độ chênh lệch số mol CO2 và H2O chính là số mol H2O sinh ra khi đốt H2
Vậy: n H n H O n CO 0 , 3 0 , 25 0 , 05mol
2 2
% 33 , 33 100 15 , 0
05 , 0
%V H2 = × =
Ví dụ 2: Cho hỗn hợp X gồm 0,1 mol CH4 , 0,1 mol C 2 H 2 và 0,1 mol H 2 Cho hỗn hợp X qua Ni đốt nóng một thời gian, thu được hỗn hợp Y Đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp Y thu được khối H 2 O là
mol n
280 ml hỗn hợp khí Z (đktc) thoát ra Tỉ khối của Z so với H 2 là 10,08 Giá trị của m là
A 33,6 lít B 22,4 lít C 26,88 lít D 44,8 lít
Trang 8HD: mY = Khối lượng khí pư với Br2 + khối lượng khí thoát ra
g
m Y 8 2 14
4 , 22
48 , 4 8 ,
=
Theo định luật bảo toàn khối lượng mY = mX =14g
Gọi số mol mỗi chất trong X là a: 26a + 2a = 14 → a = 0,5 mol
Theo định luật bảo toàn nguyên tố C và H Số mol O2 dùng để đốt Y cũng bằng
+
4.3 Kinh nghiệm 3 : Sử dụng phương pháp tăng giảm số mol (thể tích) khí
Sử dụng phương pháp tăng giảm số mol (thể tích) khí để tính nhanh số mol H2 phản ứng trong phản ứng cộng H2 vào hiđrocacbon không no Số mol (thể tích) hỗn hợp giảm chính là số mol (thể tích) hiđro phản ứng
A 5,6 lít B 4,48 lít C 6,72 lít D 8,96 lít
HD: Thể tích giảm chính là thể tích H2 phản ứng = 2,24 lit Theo bài H2 hết Vậy thể tích Hiđrcacbon sau phản ứng bằng thể tích hiđrocacbon trước phản ứng
= 6,72 lit
Trang 9Ví dụ 2: Hỗn hợp khí X gồm 0,3 mol H2 và 0,1 mol vinylaxetilen Nung X một thời gian với xúc tác Ni thu được hỗn hợp khí Y có tỉ khối so với không khí là 1
Vậy số mol H2 phản ứng = 0,4 – 0,2 = 0,2 mol
Ví dụ 3: Hỗn hợp X gồm 3 khí C3 H 4 , C 2 H 2 và H 2 cho vào bình kín dung tích 8,96 lít ở 0 0 C, áp suất 1 atm, chứa ít bột Ni, nung nóng bình một thời gian thu được hỗn hợp khí Y Biết tỉ khối của X so với Y là 0,75 Số mol H 2 tham gia phản ứng là
A 0,75 mol B 0,30 mol C 0,10 mol D 0,60 mol
HD: Ta có: n X = 0 , 4mol , mY = mX
Y
X = 0 , 75 → = 0 , 75 = 0 , 75 × 0 , 4 = 0 , 3Vậy số mol H2 phản ứng = 0,4 – 0,3 = 0,1 mol
Phương pháp này thường đi kèm với các phương pháp khác
Sử dụng phương pháp tăng giảm số mol (thể tích) khí để tính nhanh hiệu suất phản ứng crackinh.
Trong phản ứng crackinh ankan ta thấy số mol các chất tạo thành luôn lớn hơn số mol các chất phản ứng Khối lượng các chất trước và sau không đổi Dựa vào điều này có thể nhanh chóng tìm được số mol (thể tích) ankan phản ứng hoặc tính lượng dư, tính hiệu suất
Nếu phản ứng xảy ra như sau
CnH2n+2 CRK → CmH2m+2 + CpH2p
Lượng pư a lit a a
Lượng dư b lit
Cách 1: Tính thể tích ankan phản ứng
Ta thấy thể tích sau phản ứng = 2a + b tăng thêm a lít so với ban đầu.
Vậy thể tích (số mol) tăng sau phản ứng bằng thể tích (số mol) ankan tham gia phản ứng
Cách 2: Tính thể tích ankan chưa phản ứng
Trang 10Giả sử nếu ankan pư hết thì V sau pư = 2a + 2b
Vậy V ankan dư =V hỗn hợp sau phản ứng tính theo lí thuyết – V hỗn hợp
thực tế tạo thành sau phản ứng = 2(a+ b) – (2a+ b)
Từ đó ta tính nhanh H phản ứng
Ví dụ 1: Crăckinh 560 (lít) C4 H 10 sau một thời gian thu được 1010 (lít) hỗn hợp
C 4 H 10 , CH 4 , C 3 H 6 , C 2 H 4 , C 2 H 6 (các chất cùng điều kiện) Thể tích C 4 H 10 chưa phản ứng là
Thể tích C4H10 chưa pư là = 560 – 450 = 110 lit
Ví dụ 2 : Craking 40 lít n-butan thu được 56 lít hỗn hợp A gồm H2 , CH 4 , C 2 H 4 ,
C 2 H 6 , C 3 H 6 , C 4 H 8 và một phần n-butan chưa bị craking (các thể tích khí đo ở cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất) Giả sử chỉ có các phản ứng tạo ra các sản phẩm trên Hiệu suất phản ứng tạo hỗn hợp A là
HD: Thể tích C4H10 chưa pư là
Vdư = 40.2 – 56 = 24 litVậy H phản ứng: H= 100 40 %
40
24 40
=
×
−
Ví dụ 3: Crackinh V lít C4 H 10 thu được 35 lit hỗn hợp A gồm H 2 , CH 4 ,C 2 H 4 ,
C 2 H 6 , C 3 H 6 , C 4 H 8 và một phần C 4 H 10 chưa bị crackinh Cho hỗn hợp A đi từ từ qua bình đựng brom dư thấy thể tích còn lại 20 lit Tính hiệu suất của phản ứng crackinh
Trang 11Vậy: 100 75 %
5 15
Kinh nghiêm 4 : Sử dụng số mol liên kết pi
Tính chất cơ bản của hiđrocabon không no là tham gia phản cộng để phá vỡ liên kết pi
Đối với hiđrocacbon mạch hở số liên kết π được tính theo công thức
CxHy: Số liên kết π = 2x+22−y
Đối với mạch vòng thì 1π = 1 vòng
Ta xem số mol liên kết π được tính bằng = số mol phân tử × số liên kết π
VD: Có a mol CnH2n+2-2k thì số mol liên kết π = a.k
Hiđrocacbon không no khi tác dụng với H2 hay halogen thì
CnH2n+2-2k + kH2 → CnH2n+2 (Số liên kết π = k)
CnH2n+2-2k + kBr2 → CnH2n+2-2k Br2k
Ta thấy số mol liên kết π bằng số mol H2 hay Br2 phản ứng Dựa vào điều này ta
có thể giải quyết nhiều bài toán một cách nhanh chóng
Phương pháp này thường áp dụng với bài toán hiđrocacbon không no cộng H2 sau đó cộng brom Khi đó nπ =n H2 +n Br2
hợp X (xúc tác Ni) một thời gian, thu được hỗn hợp Y có tỉ khối so với H 2 bằng
10 Dẫn hỗn hợp Y qua dung dịch brom dư, sau khi phản ứng xảy ra hoàn toàn, khối lượng brom tham gia phản ứng là
A 12 gam B 24 gam C 8 gam D 16 gam
HD: Ta có n X = 0 , 75( mol) và m X =9 g( )
M Y = 20 →n Y = 9 : 20 = 0 , 45mol
Số mol hỗn hợp giảm là số mol H2 phản ứng = 0,3 mol
Số mol liên kết π của vinylaxetilen C4H4 = 0,15 × 3 = 0 , 45mol
mol n
n n
nπ = H2 + Br2 → Br2 = 0 , 45 − 0 , 3 = 0 , 15
Vậy : m Br 0 , 15 160 24gam
Trang 12Ví dụ 2 : Trong một bình kín chứa 0,35 mol C2 H 2 ; 0,65 mol H 2 và một ít bột Ni Nung nóng bình một thời gian, thu được hỗn hợp khí X có tỉ khối so với H 2 bằng
8 Sục X vào lượng dư dung dịch AgNO 3 trong NH 3 đến phản ứng hoàn toàn, thu được hỗn hợp khí Y và 12 gam kết tủa Hỗn hợp khí Y phản ứng vừa đủ với bao nhiêu mol Br 2 trong dung dịch?
A 0,20 mol B 0,15 mol C 0,25 mol. D 0,10 mol
HD : Số mol hỗn hợp ban đầu = 0,35 + 0,65 = 1 mol
Khối lượng hỗn hợp ban đầu = 0,35 26 + 0,65.2 = 10,4 gam
Số mol liên kết π = 0,35.2=0,7 mol
Số mol X = 0 , 65mol
8 2
4 , 10
=
×
→ số mol giảm= số mol H2 phản ứng = 0,35 mol
Số mol C2H2 dư =n Ag2C2 = 0 , 05mol
Số mol liên kết π trong Y = n n H n C H du
2 2
−
π
Vậy số mol Br2 pư với Y = nπ - n H2 − 2n c2H2du = 0 , 7 − 0 , 35 − 0 , 05 2 = 0 , 25mol
Ví dụ 3 : Cho 22,4 lít (đktc) hỗn hợp E gồm x mol C2 H 4 , z mol C 2 H 2 , y mol H 2 (d(E/He)=3,6 ) qua bình đựng Ni nung nóng, sau một thời gian phản ứng thì thu được 15,68 lít hỗn hợp khí G (đktc) Dẫn toàn bộ khí G lội chậm vào bình đựng dung dịch Brom dư, khối lượng Brom phản ứng là 80 gam Giá trị x và y lần lượt là
A.0,3mol và 0,4 mol B 0,2 mol và 0,5 mol
C 0,3 mol và 0,2 mol D 0,2 mol và 0,3 mol
HD: Theo bài nX = 1 mol; mX= 14,4 g; số mol liên kết π = x + 2z
nG = 0,7 mol → số mol H2 pư = 1- 0,7 = 0,3 mol
= + +
= + +
8 , 0 2
4 , 14 26 2 28
1
z x
z y x
z y x
5 , 0
2 , 0
z y x
Vậy x= 0,2 mol và y= 0,5 mol
Trang 134.5 Kinh nghiệm 5: Sử dụng phương pháp tự chọn lượng chất
Nếu bài toán không cho dữ kiện cụ thể mà ở dạng tổng quát hay ở dạng tỉ lệ thì nên tự chọn lượng chất để cho bài toán dễ dàng tính toán hơn
Tùy theo bài mà ta có thể chọn lượng chất là số mol (thường 1 mol), là khối lượng (100 gam) hay theo dữ kiện đề bài
Trong bài toán về hiđrocacbon chủ yếu ta chọn lượng chất là số mol
Ví dụ 1: Hỗn hợp X gồm H2 và C 2 H 4 có tỉ khối so với H 2 là 7,5 Dẫn X qua Ni nung nóng, thu được hỗn hợp Y có tỉ khối so với H 2 là 12,5 Hiệu suất của phản ứng hiđro hoá là
2 5 ,
290
9 58 9
290 2 9
=Gọi a, b là số mol của ankan (CnH2n+2) và H2
Khi crackinh a mol A thì số mol sản phẩm thu được sẽ là 2a mol Ta có hệ phương trình
= +
2 , 0
8 , 0 8
, 1 2
1
b
a b
a b a
Trang 14m Z = X = 13 , 4Theo bài M Z n Z 0 , 4mol
5 , 33
4 , 13 5
, 33 2 75 ,
=
Do M Z = 33 , 5 nên H2 dư, ankin hết
Số mol H2 phản ứng = 1 – 0,4 = 0,6 mol
Số mol ankin = 0,6 : 2= 0,3 mol
Số mol H2 ban đầu = 1 – 0,3 = 0,7 mol
Gọi công thức ankin là CnH2n-2 ta có
0,7.2 + 0,3 (14n – 2 ) = 13,4 → n = 3 vậy ankin là C3H4
được nung nóng với chất xúc tác để thực hiện phản ứng đề hiđro hóa Sau một thời gian thu được hỗn hợp khí B có tỉ khối hơi so với H 2 là 16,2 gồm các ankan, anken và hiđro Hiệu suất của phản ứng đề hiđro hóa là (biết tốc độ phản ứng của etan và propan là như nhau)
Trang 15Nếu có một hỗn hợp nhiều chất cùng tác dụng với một chất khác (các phương trình phản ứng cùng loại, cùng hiệu suất, sản phẩm tương tự nhau) ta có thể thay hỗn hợp này bằng một chất tương đương.
Giả sử có hỗn hợp gồm các chất A, B, C … (chứa C, H), có thể thay bằng chất tương đương C X H Y: M với
+ Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp:
A
K K B
B A A
n n
n
M n M
n M n
+ + +
+ + +
A
k k B
A
n n
n
n x n
x n x
+ + +
+ + +
2 1
(x1, x2, xk là số nguyên tử cacbon của A, B, C)
+Số nguyên tử hiđro trung bình:
k B
A
k k B
A
n n
n
n y n
y n y y
+ + +
+ + +
=
2 1
(y1, y2, …, yk là số nguyên tử hiđro)
Số liên kết π trung bình thiết lập tương tự
Ví dụ 1 : Đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp X gồm hai hiđrocacbon A, B kế tiếp nhau
trong dãy đồng đẳng thu được 96,8 gam CO 2 và 57,6 gam H 2 O Công thức phân
tử của A,B tương ứng là
A CH4, C2H6 B C 2 H 6 và C 3 H 8 C C3H8 và C4H10 D C2H4 và C3H6
HD: nCO2 = 2,2 mol < nH2O = 3,2 mol → A, B là ankan
Đặt công thức chung của A, B là C n H2n+2
Số mol hỗn hợp X = nH2O - nCO2 = 1 mol
Số nguyên tử cacbon trung bình: 2 , 2
1
2 , 2
Vậy công thức phân tử của A, B là C2H6 và C3H8
Ví dụ 2: Đốt cháy hoàn toàn 0,672 lit hỗn hợp A gồm hai hiđrocacbon (đktc) có
cùng số nguyên tử cacbon, thu được 2,64 gam CO 2 và 1,26 gam H 2 O Mặt khác