SKKN Phương pháp giải bài tập hóa học theo định luật bảo toàn khối lượng và bảo toàn nguyên tố

1 TÊN ĐỀ TÀI: PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP HÓA HỌC THEO ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN KHỐI LƯỢNG VÀ BẢO TOÀN NGUYÊN TỐ.. Dùng để bồi dưỡng cho học sinh giỏi môn hóa học THCS Là một giáo viên được nh

Người thực hiện: Nguyễn Tấn Anh – Trường THCS Hoài Hương – Hoài Nhơn –Bình Định 1

TÊN ĐỀ TÀI:

PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP HÓA HỌC THEO ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN

KHỐI LƯỢNG VÀ BẢO TOÀN NGUYÊN TỐ

(Dùng để bồi dưỡng cho học sinh giỏi môn hóa học THCS)

Là một giáo viên được nhà trường phân công bồi dưỡng học sinh giỏi môn hóa học 8, 9, tôi đã có dịp tiếp xúc với một số đồng nghiệp, khảo sát từ thực tế và đã thấy được nhiều vấn đề mà trong đội tuyển nhiều học sinh còn lúng túng, nhất là khi giải quyết các bài toán có liên quan đến định luật bảo toàn khối lượng và bảo toàn nguyên

tố Trong khi loại bài tập này hầu như năm nào cũng có trong các đề thi HSG hóa học lơp 8, 9 cấp huyện Từ những khó khăn vướng mắc tôi đã tìm tòi nghiên cứu tìm ra nguyên nhân (nắm kỹ năng chưa chắc; thiếu khả năng tư duy hóa học,…) và tìm ra được biện pháp củng như đúc rút những kinh nghiệm giảng dạy để giúp học sinh giải quyết tốt các bài toán thuộc các dạng trên

Với những lý do đó tôi đã tìm tòi nghiên cứu, tham khảo tư liệu và áp dụng đề

tài: PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP HÓA HỌC THEO ĐỊNH LUẬT BẢO

TOÀN KHỐI LƯỢNG VÀ BẢO TOÀN NGUYÊN TỐ Nhằm giúp cho các em HS

giỏi có kinh nghiệm trong việc giải toán nói chung và giải theo phương pháp bảo toàn khối lượng và bảo toàn nguyên tố nói riêng Qua nhiều năm vận dụng đề tài các thế hệ

HS giỏi đã tự tin hơn và giải quyết có hiệu quả khi gặp những bài tập loại này

2 Ý nghĩa và tác dụng của giải pháp mới

Những kinh nghiệm nêu trong đề tài đã phát huy rất tốt năng lực tư duy, độc lập suy nghĩ cho đối tượng HS giỏi Các em đã tích cực hơn trong việc tham gia các hoạt động xác định hướng giải và tìm kiếm hướng giải cho các bài tập.Qua đề tài này, kiến thức, kỹ năng của HS được củng cố một cách vững chắc, sâu sắc; kết quả học tập của

HS luôn được nâng cao Từ chỗ rất lúng túng khi gặp các bài toán, thì nay phần lớn các

em đã tự tin hơn , biết vận dụng những kỹ năng được bồi dưỡng để giải thành thạo các bài tập mang tính phức tạp

Người thực hiện: Nguyễn Tấn Anh – Trường THCS Hoài Hương – Hoài Nhơn –Bình Định 2

3 Phạm vi nghiên cứu của đề tài

Thời gian nghiên cứu và áp dụng đề tài này từ năm 2005 đến 2011 Về phạm vi nghiên cứu, đề tài này chỉ nghiên cứu giới hạn trong phạm vi trường THCS Hoài Hương Về mặt kiến thức kỹ năng, đề tài chỉ nghiên cứu một số dạng bài tập được giải theo định luật bảo toàn khối lượng và bảo toàn nguyên tố

II Phương pháp tiến hành

1 Cơ sở lý luận và thực tiễn có tính định hướng cho việc nghiên cứu, tìm giải pháp của đề tài

1.1- CƠ SỞ LÝ LUẬN:

- Với định luật bảo toàn khối lượng (ĐLBTKL): Trong một phản ứng hóa học tổng khối lượng của các sản phẩm bằng tổng khối lượng các chất tham gia phản ứng

mcác chất tham giai phản ứng = mcác chất sau phản ứng.

Chú ý:

mmuối (dung dịch) = mcation + manion

mdung dịch sau phản ứng = mcác chất ban đầu - mcác chất kết tủa - mcác chất bay hơi

Khối lượng của các nguyên tố trong một phản ứng được bảo toàn

- Với định luật bảo toàn nguyên tố (ĐLBTNT): Trong một phản ứng hóa học tổng số mol nguyên tử của một nguyên tố X bất kì trước và sau phản ứng luôn bằng nhau

ra rất mệt mỏi khi phải làm bài tập loại này Vì thế các em rất thụ động trong các buổi học bồi dưỡng và không có hứng thú học tập Rất ít học sinh có sách tham khảo về loại bài tập này Nếu có cũng chỉ là một quyển sách “học tốt” hoặc một quyển sách “nâng cao” mà nội dung viết về vấn đề này quá ít ỏi Lý do chủ yếu là do điều kiện kinh tế gia đình còn khó khăn hoặc không biết tìm mua một sách hay

Người thực hiện: Nguyễn Tấn Anh – Trường THCS Hoài Hương – Hoài Nhơn –Bình Định 3

b- Chuẩn bị thực hiện đề tài:

Để áp dụng đề tài vào trong công tác bồi dưỡng HS giỏi tôi đã thực hiện một số khâu quan trọng như sau:

a) Điều tra trình độ HS, tình cảm thái độ của HS về nội dung của đề tài; điều

kiện học tập của HS Đặt ra yêu cầu về bộ môn, hướng dẫn cách sử dụng sách tham khảo và giới thiệu một số sách hay của các tác giả để những học sinh có điều kiện tìm mua; các học sinh khó khăn sẽ mượn sách bạn để học tập

b) Xác định mục tiêu, chọn lọc và nhóm các bài toán theo dạng, xây dựng

nguyên tắc áp dụng cho mỗi dạng, biên soạn bài tập mẫu và các bài tập vận dụng và nâng cao Ngoài ra phải dự đoán những tình huống có thể xảy ra khi bồi dưỡng mỗi chủ

2.1 Xác định đối tượng: Xuất phát từ nhứng khó khăn vướng mắc trong những

năm đầu làm nhiệm vụ bồi dưỡng HS giỏi, tôi xác định đối tượng cần phải nghiên cứu là kinh nghiệm bồi dưỡng năng lực giải bài tập cho học sinh giỏi Qua việc áp dụng đề tài để đúc rút, tổng kết kinh nghiệm

2.2 Phát triển đề tài và đúc kết kinh nghiệm: Năm học 2005-2006, năm đầu

tiên tôi đảm nhận bồi dưỡng HSG môn hóa học lớp 8, chất lượng HS còn nhiều yếu kém; phần đông các em thường bế tắc trong khi giải bài tập Trước thực trạng đó, tôi

đã mạnh dạng áp dụng đề tài này

2.3 Các biện pháp tiến hành, thời gian tạo ra giải pháp

Trong quá trình vận dụng đề tài, tôi đã suy nghĩ tìm tòi, học hỏi và áp dụng nhiều biện pháp Ví dụ như : Trò chuyện cùng HS, thể nghiệm đề tài, kiểm tra và đánh giá kết quả dạy và học những nội dung trong đề tài Đến nay, trình độ kỹ năng giải quyết bài tập theo dạng này ở HS đã được nâng cao đáng kể

Người thực hiện: Nguyễn Tấn Anh – Trường THCS Hoài Hương – Hoài Nhơn –Bình Định 4

Ngoài các phương pháp chủ yếu, tôi còn dùng một số phương pháp hỗ trợ khác như phương pháp nghiên cứu tài liệu, điều tra…

Đối tượng điều tra: Các HS giỏi đã đạt cấp huyện

Câu hỏi điều tra: Tập trung các nội dung xoay quanh việc dạy và học phương

pháp giải bài tập theo phương pháp bảo toàn khối lượng và bảo toàn nguyên tố; điều tra tình cảm thái độ của HS đối với việc tiếp xúc các bài tập dạng này

B NỘI DUNG

Người thực hiện: Nguyễn Tấn Anh – Trường THCS Hoài Hương – Hoài Nhơn –Bình Định 5

I Mục tiêu

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài này nhằm giải quyết một số vấn đề cơ bản sau đây :

- Thực trạng về trình độ và điều kiện học tập của học sinh

- Những vấn đề lý luận về phương pháp giải bài tập; cách phân dạng và nguyên tắc áp dụng cho mỗi dạng

-Từ việc nghiên cứu vận dụng đề tài, rút ra bài học kinh nghiệm góp phần nâng cao chất lượng trong công tác bồi dưỡng học sinh giỏi môn hóa tại trường THCS Hoài Hương

II Mô tả giải pháp của đề tài

1 Thuyết minh tính mới:

- Với những bài tập theo dạng này bài toán thường cho nhiều chất tham gia với nhiều quá trình phức tạp Khi giải các bài tập dạng này các em không nhất thiết phải viết đầy

đủ các phương trình hóa học nếu bài toán không yêu cầu viết phương trình, các em lập

sơ đồ hợp thức, thiết lập mối quan hệ logic của quá trình để giải nhanh một bài tập

- Nhiều bài tập khi áp dụng phương pháp bảo toàn mol nguyên tử các em chỉ chú ý đến quá trình đầu và quá trình cuối không nhất thiết phải chú ý đến các quá trình trung gian

- Những bài tập phức tạp có thể kết hợp hai phương pháp bảo toàn khối lượng và bảo toàn mol nguyên tử để giải nhanh và có thể thay thế cho các phương pháp cao hơn ở cấp (THPT)

- Khi nắm chắc và vận dụng có hiệu quả các em se hứng thú tham gia các buổi học bồi dưỡng, các em không cảm thấy những bài tập này quá khó, sẽ không thấy áp lực khi tiếp xúc với đề thi HSG

* KINH NGHIỆM VẬN DỤNG ĐỀ TÀI VÀO THỰC TIỄN:

Khi thực hiện đề tài vào giảng dạy, trước hết tôi giới thiệu sơ đồ định hướng giải bài tập theo dạng này cho học sinh gồm 5 bước cơ bản:

B1: Xác định chất tham gia phản ứng và sản phẩm của phản ứng

B2: Xác định xem trong phản ứng có chất khí hoặc chất rắn hay không

B3: Lập sơ đồ chuyển hóa (có thể lập PTHH hoặc không)

B4: Chuyễn đổi các dữ kiện thành mol (hoặc có thể không )

Người thực hiện: Nguyễn Tấn Anh – Trường THCS Hoài Hương – Hoài Nhơn –Bình Định 6

B5: Tiến hành giải bài tập

Tiếp theo, tôi tiến hành bồi dưỡng kỹ năng theo dạng Mức độ rèn luyện từ minh họa đến khó, nhằm bồi dưỡng học sinh phát triển kỹ năng từ biết làm đến đạt mềm dẻo, linh hoạt và sáng tạo Để bồi dưỡng mỗi dạng tôi thường thực hiện theo các bước sau:

B1: giới thiệu bài tập mẫu và hướng dẫn giải

B2: rút ra nguyên tắc và phương pháp áp dụng

B3: HS tự luyện và nâng cao

Tuỳ độ khó mỗi dạng tôi có thể hoán đổi thứ tự của bước 1 và 2

Sau đây là một số dạng bài tập, cách nhận dạng, kinh nghiệm giải quyết đã được tôi thực hiện và đúc kết từ thực tế

LUẬT BẢO TOÀN KHỐI LƯỢNG

Ví dụ 1: Khử m gam hỗn hợp A gồm CuO, FeO, Fe3O4, Fe2O3 bằng khí CO ở nhiệt độ cao người ta thu được 40 gam hỗn hợp chất rắn X và 1,32 gam khí CO2 Tính

Suy ra: mA = mB + mCO2 – mCO = 40 + 13,2 – 8,4 = 44,8(g)

Ví dụ 2: Dẫn chậm V lit khí H2 (đktc) đi qua m gam hỗn hợp A gồm các oxit nung nóng (CuO, Fe3O4, PbO, HgO) khi kết thúc phản ứng thu được hỗn hợp B có khối lượng giảm 0,8 gam so với hỗn hợp A Tính V

Hướng dẫn: Thiết lập sơ đồ

Người thực hiện: Nguyễn Tấn Anh – Trường THCS Hoài Hương – Hoài Nhơn –Bình Định 7

Ví dụ 3: Để điều chế khí hidro trong phòng thí nghiệm người ta cho kim loại như

Zn hoặc Al, hoặc Fe tác dụng với dung dịch HCl hoặc H2SO4

Hòa tan hoàn toàn 30,8 gam hỗn hợp 3 kim loại Al, Zn, Fe vào 700 ml dung dich HCl 2M (vừa đủ) Sau khi phản ứng kết thúc cô cạn dung dịch thu được bao nhiêu gam muối khan

Hướng dẫn: Thiết lập sơ đồ

3

2 2

Vậy khối lượng muối khan thu được là 80,5(g)

Ví dụ 4: Một hỗn hợp X gồm FeO và Fe2O3 có khối lượng bằng 30,4g Nung hỗn hợp này trong một bình kín chứa 22,4 lit khí CO (đktc), thu được hỗn hợp khí có khối

Người thực hiện: Nguyễn Tấn Anh – Trường THCS Hoài Hương – Hoài Nhơn –Bình Định 8

lượng 36g Xác định thành phần phần trăm thể tích các khí trong hỗn hợp, Biết X bị khử thành Fe

Phân tích: Nếu bài này giải theo cách thông thường, tức là viết tất cả các PTHH xảy ra rồi đặt ẩn số bài giải sẽ rất dài dòng, tốn thời gian

Ta thấy 0,5mol CO + 0,5mol O -> 0,5mol CO2

Suy ra số mol CO dư là: 1 – 0,5 = 0,5 (mol)

Như vậy hỗn hợp khí sau phản ứng gồm 50%CO và 50% CO 2

Ví dụ 5: Cho 10,8 g một kim loại hoá trị III tác dụng với khí Clo có dư thu được

53,4 g muối Xác định kim loại đã dùng

Hướng dẫn:

Gọi CTHH muối tạo thành là ACl3

Người thực hiện: Nguyễn Tấn Anh – Trường THCS Hoài Hương – Hoài Nhơn –Bình Định 9

Dựa vào định luật bảo toàn khối lượng Vì kim loại phản ứng hết ta có:

mKim loại + mclo tham gia phản ứng = m muối

0 x

= 0,4 (mol)

 a 0,4 = 10,8

a = 27 Kim loại đó là Al

Ví dụ 6: Hòa tan hoàn toàn 2,81 gam hỗn hợp gồm Fe2O3, MgO, ZnO trong 500

ml dung dịch axit H2SO4 0,1M (vừa đủ) Tính khối lượng hỗn hợp muối khan sau phản ứng

Hướng dẫn: Lập sơ đồ:

( 4) 2

4 4

SO Fe

Fe O

SO H

Theo ĐLBTKL: mA + mH2SO4 = mB + mH2O

Suy ra : mB = mA + mH2SO4 – mH2O = 2,81 + 0,5 x 0,1 x 98 – 0,5 x 0,1 x 18 = 6,81(g)

Ví dụ 7: Hòa tan hết 44,08 gam FexOy bằng dung dịch HNO3 loãng thu được dung dịch A Cho dung dịch NaOH dư vào dung dịch A thu được kết tủa, nung kết tủa

ở nhiệt độ cao đến khối lượng không đổi Dùng H2 khử hết lượng oxit tạo thanhfsau khi nung được 31,92 gam chất rắn Tìm công thức hóa học của FexOy

m Fe(FexOy) = m Fe = 31,92 (g), suy ra n Fe = 31,92/56 = 0,57 (mol)

m O(FexOy) = m FexOy – m Fe = 44,08 – 31,92 = 12,16(g) suy ra n O = 12,16/16 = 0,76 (mol)

Người thực hiện: Nguyễn Tấn Anh – Trường THCS Hoài Hương – Hoài Nhơn –Bình Định 10

Ví dụ 8: Đốt cháy hết 1,88 gam chất A cần vừa đủ 1,904 lit khí oxi (đktc) chỉ thu

được CO2 và hơi nước với VCO2:VH2O = 4:3 Xác định công thức phân tử của A Biết tỉ khối của A đối với khí oxi là 5,875 (các thể tích đo ở cùng đều kiện)

Vậy mCO2 + mH2O = 1,88 + 2,72 = 4,6 (g)

Các thể tích đo ở cùng điều kiện nên tỉ lệ thể tích bằng tỉ lệ mol

3nH O nH O  , giải phương trình ta có: nH2O = 0,06(mol)

Suy ra nCO2 = 0,08(mol)

Ta lại có: mC + mH = 0,08 x 12 + 0,12 x 1 = 1,08(g) < mA Vậy trong A có oxi

mO = 1,88 – 1,08 = 0,8(g) suy ra nO = 0,8 : 16 = 0,05(mol)

Đặt CTHH cần tìm là CxHyOz (x,y,z thuộc N*)

Ta co tỉ lệ: x:y:z = 0,08 : 0,12 : 0,05 = 8:12:5

Hay x = 8; y = 12 ; z = 5 suy ra công thức tổng quát có dạng (C8H12O5)n

Theo đầu bài: 188n = 5,875 x 32 = 188 suy ra n = 1 vậy CTHH cần tìm: C8H12O5

٭ Nguyên tắc và phương pháp áp dụng

Khi làm bài tập áp dụng định luật bảo toàn khối lượng dạng này học sinh không cần thiết phải viết phương trình hóa học nếu bài toán không yêu cầu, các em chỉ cần lập sơ đồ hợp thức, xác định đúng chiều hướng phản ứng và bản chất của quá trình Vì vậy muốn làm được điều này học sinh phải nắm vững cơ sở lí thuyết, khái quát hóa tất cả các đơn vị kiến thức trong bài, xác định được mục đích của bài làm

٭ Tự luyện và nâng cao

1 Cho 21g hỗn hợp bột 3 kim loại Al, Fe, Zn tan hoàn toàn trong dung

dịch H2SO4 0,5M thu được 6,72 lit khí hidro (()oC, 1atm) Tính khối

Người thực hiện: Nguyễn Tấn Anh – Trường THCS Hoài Hương – Hoài Nhơn –Bình Định 11

lượng muối khan thu được sau khi cô cạn dung dịch và thể tích axit tối thiểu cần đùng

2 Cho 4,48 lit khí CO (đktc) tác dụng với FeO ở nhiệt độ cao Sau phản

ứng thu được chất rắn A có khối lượng bé hơn 1,6g so với khối lượng FeO ban đầu Tính khối lượng Fe thu được và % thể tích hỗn hợp khí sau phản ứng

3 Hòa tan hết 3,53g hỗn hợp A gồm 3 kim loại Mg, Al, Fe trong dung dịch

HCl có 2,352 lít khí hidro thoát ra (đktc) và dung dịch B Tính khối lượng muối khan thu được khi cô cạn dung dịch B

4 Ngâm một lá kim loại có khối lượng 50 gam trong dung dịch HCl, sau

khi thu được 336ml khí H2 (đktc) thì khối lượng lá kim loại giảm 1,68% Xác định kim loại đã dùng

5 Nung 31,6 gam KMnO4, sau một thời gian cân lại thấy nặng 29,04 gam

Tính hiệu suất của phản ứng này

6 Nung 33,18 gam thuốc tím, sau khi không thấy khí thoát ra, cân lại nặng

29,98 gam Tính hiệu suất của phản ứng này Nếu hiệu suất của phản ứng là 90% thì thể tích khí oxi thu được (đktc) là bao nhiệu

7 Hòa tan hoàn toàn 18,4 gam hỗn hợp hai kim loại M (II), và N (III) trong

dung dịch HCl, thu được dung dịch Q và 11,2 lit H2 (đktc) Cô cạn dung dịch Q được m gam muối khan Tính m

DẠNG 2: GIẢI BÀI TẬP THEO PHƯƠNG PHÁP ÁP DỤNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN KHỐI LƯỢNG TRONG BÀI TẬP CÓ SỬ DỤNG HOẶC TÍNH NỒNG ĐỘ

DUNG DỊCH

Ví dụ 1: (bài 1 tự luận đề thi HSG lớp 8 cấp huyện năm 2005 – 2006)

Cho sản phẩm thu được khi oxi hóa hoàn toàn 5,6 lit khí sunfuro (đktc) vào trong 57,2ml dung dịch H2SO4 60% (D = 1,5g/ml) Tính nồng độ % dung dịch axit thu được

Người thực hiện: Nguyễn Tấn Anh – Trường THCS Hoài Hương – Hoài Nhơn –Bình Định 12

Khối lượng SO3: 0,25x80 = 20(g)

Khối lượng H2SO4 mới tạo thành: 0,25 x 98 = 24,5(g)

Khối lượng dung dịch H2SO4 60%: 57,2 x 1,5 = 85,8(g)

Ví dụ 2: (bài 5/2 đề thi HSG lớp 8 cấp huyện năm 2010)

Cho 27,4 gam một kim loại X hóa trị II vào 73ml nước, thấy có khí H2 thoát ra và thu được dung dịch Y co nồng độ 34,2% Xác định kim loại đem phản ứng biết khối lượng riêng của nước 1g/ml

X





Vậy X là Bari (Ba)

Ví dụ 3: (bài 5/2 đề thi HSG lớp 8 cấp huyện năm 2008 - 2009)

Cho 13,7 gam một kim loại X vào 86,5ml nước thấy có khí H2 thoát ra và dung dịch Y có nồng độ 17,1% Xác định kim loại đem phản ứng và nồng độ mol của dung dịch Y biết thể tích dung dịch thay đổi không đáng kể

Hướng dẫn:

Người thực hiện: Nguyễn Tấn Anh – Trường THCS Hoài Hương – Hoài Nhơn –Bình Định 13

M

X OH

Ví dụ 4: (bài 5 đề thi HSG lớp 8 cấp huyện năm 2004 - 2005)

Cho luồng khí hidro dư qua ống đựng đồng (II) oxit nung nóng Sau khi phản ứng kết thúc thu được hỗn hợp A gồm khí và hơi nước Cho A hấp thụ trong 50g dung dịch axitsunfuric 98% Sau khi hấp thụ hết nước thì nồng độ của axitsunfuric là 89,91% Tính khối lượng CuO đã dùng