Phương pháp giải các bài toán xác định công thức hợp chất hữu cơ chương trình hóa học trung học phổ thông

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC NGUYỄN THỊ BÍCH PHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC BÀI TOÁN XÁC ĐỊNH CÔNG THỨC HỢP CHẤT HỮU CƠ CHƯƠNG TRÌNH HÓA HỌC TRUNG HỌC PHỔ THÔNG LUẬN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC

NGUYỄN THỊ BÍCH PHƯƠNG

PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC BÀI TOÁN XÁC ĐỊNH CÔNG THỨC HỢP CHẤT HỮU CƠ CHƯƠNG TRÌNH HÓA HỌC TRUNG HỌC PHỔ THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ SƯ PHẠM HÓA HỌC

CHUYÊN NGÀNH: LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP DẠY HỌC

(BỘ MÔN HÓA HỌC)

Mã số: 60 14 10

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Vũ Ngọc Ban

HÀ NỘI – 2011

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.2 Tổng hợp kết quả bài kiểm tra đầu vào tại các lớp thực

Bảng 3.3 Tổng hợp kết quả thực nghiệm sư phạm 131

Bảng 3.4 Tỉ lệ % số học sinh đạt điểm X i trở xuống 131

Bảng 3.5 Tổng hợp phân loại kết quả học tập 131

Bảng 3.6 Giá trị của các tham số đặc trưng 133

Bảng 3.7 Bảng thống kê các tham số đặc trưng của hai đối tượng

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 3.1 Đồ thị biểu diễn đường luỹ tích bài kiểm tra số 2 132

Hình 3.2 Đồ thị biểu diễn đường luỹ tích bài kiểm tra số 3 132

Hình 3.3 Đồ thị phân loại kết quả học tập học sinh qua bài kiểm

Hình 3.4 Đồ thị phân loại kết quả học tập học sinh qua bài kiểm

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Lí do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 2

3 Nhiệm vụ nghiên cứu 2

4 Khách thể và đối tượng nghiên cứu 2

5 Phạm vi nghiên cứu 2

6 Giả thuyết khoa học 3

7 Phương pháp nghiên cứu 3

8 Đóng góp của đề tài 4

9 Cấu trúc luận văn 4

Chương 1: CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ THỰC TIỄN CỦA PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC BÀI TOÁN XÁC ĐỊNH CÔNG THỨC HỢP CHẤT HỮU CƠ 5

1.1 Bài tập hóa học và bài toán xác định công thức hợp chất hữu cơ 5

1.1.1 Tầm quan trọng của bài tập hoá học 5

1.1.2 Xu hướng phát triển của bài tập hoá học trong giai đoạn hiện nay 6

1.1.3 Tình hình chung của việc giải bài toán hoá học hiện nay 7

1.2 Phương pháp chung giải các bài toán hóa học 8

1.2.1 Những công thức cần thiết khi giải bài toán hoá học 8

1.2.2 Quan hệ giữa số mol các chất phản ứng 10

1.2.3 Phương pháp chung giải các bài toán hoá học 12

1.3 Áp dụng phương pháp chung giải các bài toán hóa học để giải bài toán xác định công thức hợp chất hữu cơ 20

1.3.1 Phương pháp chung giải bài toán xác định công thức hợp chất hữu cơ 20

1.3.2 Các chú ý khi giải bài toán xác định công thức hợp chất hữu cơ 23

Chương 2 : PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC BÀI TOÁN ĐIỂN HÌNH XÁC ĐỊNH CÔNG THỨC HỢP CHẤT HỮU CƠ 33

2.1 Các bài toán xác định công thức hiđrocacbon 33

2.1.1 Các bài toán liên quan đến phản ứng cháy của hiđrocacbon 33

2.1.2 Các bài toán liên quan đến phản ứng đặc trưng của hiđrocacbon 41

2.2 Các bài toán xác định công thức dẫn xuất của hiđrocacbon 58

2.2.1 Dẫn xuất chứa oxi 58

2.2.2 Dẫn xuất chứa nitơ 103

2.3 Lựa chọn và sử dụng bài toán hóa học trong dạy học hóa học 121

2.3.1 Sử dụng bài toán hóa học trong việc hình thành kiến thức mới 121

2.3.2 Sử dụng bài toán hóa học để vận dụng, củng cố kiến thức, kĩ năng 122

2.3.3 Sử dụng bài toán hóa học nhằm kiểm tra, đánh giá mức độ vận dụng kiến thức, kĩ năng của học sinh 123

Chương 3: THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM 126

3.1 Mục đích và nhiệm vụ của thực nghiệm sư phạm 126

3.1.1 Mục đích của thực nghiệm sư phạm 126

3.1.2 Nhiệm vụ của thực nghiệm sư phạm 126

3.2 Quá trình tiến hành thực nghiệm sư phạm 126

3.2.1 Chuẩn bị cho quá trình thực nghiệm 126

3.2.2 Tiến hành thực nghiệm 127

3.2.3 Kết quả các bài kiểm tra 128

3.2.4 Xử lý kết quả thực nghiệm sư phạm 129

3.2.5 Tính các tham số đặc trưng thống kê 133

3.2.6 Phân tích kết quả thực nghiệm 134

KẾT LUẬN 138

TÀI LIỆU THAM KHẢO 139

MỞ ĐẦU

1 Lí do chọn đề tài

Bài toán hoá học có một vị trí rất quan trọng trong quá trình giảng dạy

và học tập môn hoá học Đó vừa là mục tiêu, vừa là nội dung, vừa là phương pháp giảng dạy hữu hiệu … Nó không những cung cấp cho học sinh kiến thức, niềm say mê môn học mà còn giúp cho học sinh phát triển trí tuệ một cách sáng tạo

Bài toán hoá học minh hoạ và làm chính xác kiến thức đã học; là con đường nối liền giữa kiến thức thực tế và lý thuyết; là phương tiện để củng cố, đào sâu, ôn luyện, kiểm tra, đánh giá việc nắm bắt kiến thức giúp cho học sinh năng động, sáng tạo trong học tập, phát huy khả năng suy luận tích cực của học sinh

Trong hoá học hữu cơ, bài toán xác định công thức hợp chất hữu cơ là bài toán chủ đạo, xuyên suốt chương trình Hiện nay, có nhiều sách tham khảo

về lý thuyết và bài tập dành cho học sinh phổ thông và luyện thi đại học, cao đẳng … các tác giả đã đưa ra nhiều phương pháp giải như dựa vào thành phần phần trăm các nguyên tố, tính trực tiếp từ khối lượng sản phẩm đốt cháy, phương pháp xác định tỉ lệ nguyên tố, tính khối lượng mol trung bình, xác định công thức dựa vào phản ứng đặc trưng … làm cho học sinh cảm thấy lúng túng, khó tiếp thu và sử dụng trước một số lượng bài toán hoá học lớn, với nhiều thể loại khác nhau mà thời gian học tập của học sinh lại không nhiều

Gần đây trong cuốn sách “Phương pháp chung giải các bài toán hoá học trung học phổ thông” [4] tác giả đã tổng kết và đưa ra phương pháp chung giải các bài toán hoá học Đó là phương pháp dựa vào quan hệ giữa số mol các chất phản ứng và dựa vào các công thức biểu thị quan hệ giữa số mol chất với các đại lượng thường gặp như khối lượng, thể tích, nồng độ … của chất Quan hệ giữa số mol của các chất phản ứng dễ dàng thiết lập khi đã viết được

phương trình hoá học, còn số công thức cần thiết phải nhớ khi giải các bài toán hoá học không nhiều (khoảng 4-5 công thức chính) do đó việc giải bài toán hoá học theo phương pháp trên là đơn giản và dễ dàng đối với học sinh

Vì vậy, chúng tôi đã chọn đề tài “Phương pháp giải các bài toán xác định công thức hợp chất hữu cơ chương trình hoá học trung học phổ thông ”,

với mục đích áp dụng phương pháp giải bài toán hoá học nêu trên vào việc giải các bài toán xác định công thức hợp chất hữu cơ

2 Mục đích nghiên cứu

Đưa ra cho học sinh một phương pháp chung, đơn giản và thuận tiện để giải các bài toán xác định công thức hợp chất hữu cơ trong chương trình hoá học THPT

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu cách giải các bài toán xác định công thức hợp chất hữu cơ trong sách giáo khoa, sách tham khảo và các tài liệu ôn luyện khác

- Nghiên cứu thực tiễn của việc giải các bài toán xác định công thức hợp chất hữu cơ của học sinh Trung học Phổ thông (THPT) hiện nay

- Đưa ra phương pháp chung giải các bài toán xác định công thức hợp chất hữu cơ

- Tiến hành điều tra thực trạng học tập phần hoá học hữu cơ nói chung

và việc giải quyết các bài toán xác định công thức hợp chất hữu cơ nói riêng

của học sinh ở trường THPT trong thực nghiệm sư phạm

4 Khách thể và đối tượng nghiên cứu

- Khách thể nghiên cứu: Chương trình hoá học THPT

- Đối tượng nghiên cứu: Các bài toán xác định công thức hợp chất hữu

cơ trong chương trình hoá học THPT

5 Phạm vi nghiên cứu

- Phạm vi nội dung: Các bài toán xác định công thức hợp chất hữu cơ

thuộc chương trình THPT

- Phạm vi về đối tượng: Học sinh lớp 11 - ban nâng cao của hai trường:

trường THPT Chuyên Hùng Vương, trường THPT Công Nghiệp Việt Trì

- Phạm vi về thời gian:

+ Thời gian tiến hành nghiên cứu bắt đầu từ tháng 1/2011

+ Thời gian thực nghiệm sư phạm từ tháng 01 /2011 đến tháng 11 /2011

6 Giả thuyết khoa học

Kết quả thu được của đề tài sẽ cung cấp những thông tin hữu hiệu đến các giáo viên dạy môn hoá học phổ thông và các em học sinh để có những điều chỉnh phù hợp trong việc dạy và học môn hoá học

Với đề tài này, chúng tôi hi vọng sẽ được đưa vào giảng dạy trong một

số tiết học mới, một số giờ luyện tập để xây dựng cho các em phương pháp tư duy giải toán hoá học thống nhất, dễ hiểu và dễ vận dụng, giúp các em giải toán hoá học được tốt hơn, góp phần nâng cao chất lượng dạy và học môn hoá học ở trường phổ thông Khi có điều kiện thuận lợi chúng tôi sẽ áp dụng nhiều hơn và hiệu quả hơn phương pháp chung giải bài toán hoá học xác định công thức hợp chất hữu cơ với học sinh ở trường THPT

7 Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng phối hợp các phương pháp nghiên cứu sau:

* Nhóm các phương pháp nghiên cứu lí thuyết: Phân tích, tổng hợp các tài liệu

* Nhóm các phương pháp nghiên cứu thực tiễn:

- Quan sát, điều tra thực trạng việc giải bài toán hóa học nói chung và hóa học hữu cơ nói riêng

- Quan sát khách quan: Hứng thú học tập của học sinh khi được hướng dẫn về phương pháp giải các bài toán xác định công thức hợp chất hữu cơ

- Tham khảo ý kiến của các chuyên gia, giáo viên giàu kinh nghiệm để hoàn thiện phương pháp giải các bài toán xác định công thức hợp chất hữu cơ trong quá trình dạy học hóa học ở trường THPT

- Thực nghiệm sư phạm để đánh giá hiệu quả của đề tài trong dạy học hóa học ở trường THPT

* Phương pháp thống kê toán học

Áp dụng toán thống kê để xử lý số liệu thu thập được trong thực nghiệm sư phạm, trên cơ sở đó rút ra kết luận về tính hiệu quả của đề tài nghiên cứu

8 Đóng góp của đề tài

- Về mặt lí luận: Đưa ra phương pháp chung để giải các bài toán hóa

học ở trường THPT

- Về mặt thực tiễn: Xây dựng được một hệ thống bài tập xác định công

thức hợp chất hữu cơ làm tư liệu cho giáo viên, học sinh có thể tham khảo, sử dụng trong quá trình dạy và học hóa học ở trường THPT

9 Cấu trúc luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận, phần phụ lục, và tài liệu tham khảo, luận văn

Chương 1: CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ THỰC TIỄN CỦA PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC BÀI TOÁN XÁC ĐỊNH CÔNG THỨC HỢP CHẤT HỮU CƠ 1.1 Bài tập hóa học và bài toán xác định công thức hợp chất hữu cơ

1.1.1 Tầm quan trọng của bài tập hoá học

Bài tập hoá học nói chung và bài toán xác định công thức hợp chất hữu

cơ nói riêng có một vai trò hết sức quan trọng đối với học sinh THPT trong việc rèn luyện, phát triển các kiến thức, kĩ năng học tập môn hoá học ở trường phổ thông

 Bài tập hoá học giúp học sinh hiểu được một cách chính xác các khái niệm hoá học, nắm được bản chất của từng khái niệm đã học

 Tạo cơ hội cho học sinh có điều kiện để rèn luyện, củng cố và khắc sâu các kiến thức hoá học cơ bản, hiểu được mối quan hệ giữa các nội dung kiến thức cơ bản

 Bài tập hoá học cũng góp phần hình thành được những kĩ năng, kĩ xảo cần thiết ở học sinh, giúp các em sử dụng ngôn ngữ hoá học đúng, chuẩn xác

Từ đó các em có được khả năng gắn kết các nội dung học tập ở trường với thực tiễn đa dạng, phong phú của đời sống xã hội hoặc trong sản xuất

 Phát triển năng lực nhận thức, rèn luyện trí thông minh cho học sinh thông qua việc học sinh tự chọn một cách giải độc đáo, hiệu quả với những bài tập có nhiều cách giải

 Bài tập hoá học còn giúp học sinh năng động, sáng tạo trong học tập, phát huy khả năng suy luận tích cực của học sinh và hình thành phương pháp

1.1.2 Xu hướng phát triển của bài tập hoá học trong giai đoạn hiện nay

Thực tế cho thấy có nhiều bài tập hoá học còn quá nặng nề về thuật toán, nghèo nàn về kiến thức hoá học và không có liên hệ với thực tế hoặc mô

tả không đúng với các quy trình hoá học Khi giải các bài tập này thường mất thời gian tính toán toán học, kiến thức hoá học lĩnh hội được không nhiều và hạn chế khả năng sáng tạo, nghiên cứu khoa học hoá học của học sinh Các dạng bài tập này dễ tạo lối mòn trong suy nghĩ hoặc nhiều khi lại quá phức tạp, rối rắm với học sinh làm cho các em thiếu tự tin vào khả năng của bản thân dẫn đến chán học, học kém

Định hướng xây dựng chương trình sách giáo khoa (SGK) THPT của

Bộ Giáo dục và Đào tạo (2002) có chú trọng đến tính thực tiễn và đặc thù của môn học trong lựa chọn kiến thức nội dung SGK Quan điểm thực tiễn và đặc thù của hoá học cần được hiểu ở các góc độ sau đây:

 Nội dung kiến thức hoá học phải gắn liền với thực tiễn đời sống, xã hội, cộng đồng

 Nội dung kiến thức phải gắn với thực hành, thí nghiệm hoá học và tăng cường thí nghiệm hoá học trong nội dung học tập

 Xu hướng phát triển chung của bài tập hoá học trong giai đoạn hiện nay cần đảm bảo các yêu cầu:

+ Nội dung bài tập phải ngắn gọn, xúc tích, không quá nặng về tính toán mà chú ý tập trung vào rèn luyện và phát triển các năng lực nhận thức, tư duy hoá học và hành động cho học sinh

+ Bài tập hoá học cần chú ý đến việc mở rộng kiến thức hoá học và các ứng dụng của hoá học trong thực tiễn Thông qua các dạng bài tập này làm cho học sinh thấy được việc học hoá học thực sự có ý nghĩa, những kiến thức hoá học rất gần gũi, thiết thực với cuộc sống Cần khai thác các nội dung

về vai trò của hoá học với các vần đề về kinh tế, xã hội, môi trường và các

hiện tượng tự nhiên, để xây dựng các bài tập hoá học làm cho bài tập hoá học thêm đa dạng, kích thích được sự đam mê, hứng thú học tập bộ môn

+ Bài tập hoá học định lượng được xây dựng trên quan điểm không phức tạp hoá bởi các thuật toán mà chú trọng đến nội dung hoá học và các phép tính được sử dụng nhiều trong tính toán hoá học

Như vậy xu hướng phát triển của bài tập hoá học hiện nay hướng đến rèn luyện khả năng vận dụng kiến thức, phát triển khả năng tư duy hoá học cho học sinh ở các mặt: lí thuyết, thực hành và ứng dụng Những bài tập có tính chất học thuộc trong các câu hỏi lí thuyết sẽ giảm dần mà được thay bằng các câu hỏi đòi hỏi sự tư duy, tìm tòi, sáng tạo.[10]

1.1.3 Tình hình chung của việc giải bài toán hoá học hiện nay

Hiện nay bên cạnh SGK còn có khá nhiều các sách tham khảo về lí thuyết và bài tập hoá học dành cho học sinh THPT Các tài liệu này góp phần làm phong phú, đa dạng thêm nhiều kiến thức lí thuyết cũng như các thể loại bài tập và các phương pháp giải bài tập khác nhau cho học sinh

Tuy nhiên, việc đưa ra quá nhiều câu hỏi lí thuyết và bài tập, đưa ra nhiều cách cách phân loại và phương pháp giải bài toán hóa học làm cho học sinh hết sức lúng túng Trước hết học sinh gặp khó khăn khi phải hiểu được nội dung của từng phương pháp, như phương pháp đại số, phương pháp biện luận, phương pháp trung bình, phương pháp ghép ẩn số, phương pháp tăng giảm khối lượng, phương pháp đường chéo, phương pháp bảo toàn … , học sinh không hiểu được vì sao phải đưa ra nhiều phương pháp như vậy và gặp nhiều khó khăn khi vận dụng các phương pháp đó vào giải một bài toán hoá học cụ thể Với bài toán xác định công thức hợp chất hữu cơ nói riêng, học sinh cũng gặp lúng túng như vậy Bên cạnh đó các em còn gặp những khó khăn riêng, đó là việc phải lựa chọn công thức hợp chất hữu cơ như thế nào

là đúng và hợp lí để viết các phương trình phản ứng, phải chọn cách giải các phương trình thiết lập được như thế nào là thích hợp với các bài toán hữu cơ

có số phương trình lập được ít hơn ẩn số … Hiện nay, với các bài toán trắc nghiệm đòi hỏi học sinh phải giải nhanh trong vòng từ 2 đến 3 phút thì có phương pháp nào là hữu hiệu? Những khó khăn trên cũng đã được đề cập và giải quyết trong một số sách tham khảo nhưng hiện tại chưa có sách nào hệ thống hoá một cách đầy đủ các vấn đề nêu trên và đưa ra được một phương pháp chung để giải các bài toán hóa học nói chung và các bài toán xác định công thức hợp chất hữu cơ nói riêng Trong bản luận văn này chúng tôi sẽ cố gắng đóng góp một phần vào việc giải quyết các khó khăn đó

1.2 Phương pháp chung giải các bài toán hóa học

Để giải bài toán hoá học trước hết cần phân tích nội dung bài toán và biểu thị nội dung đó bằng các phương trình phản ứng Khi đã viết và cân bằng được các phương trình hoá học, dễ dàng thiết lập được quan hệ giữa số mol của các chất tham gia hay hình thành sau phản ứng, nhờ đó tính được số mol của “các chất cần tính toán” khi biết số mol của “các chất có số liệu cho trước” Tuy nhiên, trong bài toán hoá học các số liệu cho trước không phải là

số mol của chất mà là khối lượng, thể tích, nồng độ của chất … và mục đích bài toán hoá học cũng không phải là xác định số mol “các chất cần tính toán”

mà là xác định khối lượng, thể tích, nồng độ … của các chất đó Như vậy, để giải các bài toán hoá học, ngoài quan hệ giữa số mol của các chất phản ứng, còn cần phải dựa vào một số công thức chuyển đổi khối lượng, thể tích, nồng

độ … của chất ra số mol chất và ngược lại

1.2.1 Những công thức cần thiết khi giải bài toán hoá học

Muốn chuyển đổi các đại lượng như nồng độ, thể tích, khối lượng của chất ra số mol chất ta sử dụng 4 công thức chính:

1 Quan hệ giữa khối lượng (m), khối lượng mol phân tử hay nguyên

tử (M), số mol (n) của chất

2 Quan hệ giữa thể tích khí ở điều kiện tiêu chuẩn (V0) với số mol khí

3 Quan hệ giữa nồng độ mol (CM), số mol chất tan (nct) và thể tích dung dịch (V)

4 Quan hệ giữa nồng độ phần trăm (C%), khối lượng chất tan (mct) và khối lượng hay thể tích dung dịch (mdd, V)

n M

Áp dụng các công thức trên với một hỗn hợp chất

Ví dụ: hỗn hợp gồm 2 chất khối lượng là m1, m2 có khối lượng mol là M1,

1.2.2 Quan hệ giữa số mol các chất phản ứng

nM?

Lời giải

Để thiết lập mối quan hệ giữa nK và nA ta xuất phát từ chất K và xét quan hệ giữa K và A bắc cầu qua các chất trung gian H, C Cụ thể theo các phản ứng (3), (2), (1) ta có:

.nX

Suy ra: nK 

2

1 3

4 2

5 nA 

3

5nA

Tương tự, để thiết lập quan hệ giữa nB và nM ta xuất phát từ chất B và cũng xét quan hệ giữa B và M bắc cầu qua các chất trung gian C và H ta có:

nB  5.nC ; nC 

4

3nH ; nH 

3

2nM

Suy ra: nB  5

3

2 4

3 nM 

2

5nM

Ví dụ 3

Cho m(g) hỗn hợp gồm Fe và Fe2O3 vào dung dịch HCl thu được khí

H2 và dung dịch A Cho dung dịch A tác dụng vừa đủ với dung dịch NaOH thu được chất rắn B Nung chất rắn B trong không khí đến khối lượng không đổi thu được chất rắn C Hãy thiết lập mối quan hệ giữa số mol khí H2, số mol chất rắn B và số mol chất rắn C với số mol các chất trong hỗn hợp ban đầu

Lời giải

Gọi số mol của Fe và Fe2O3 trong hỗn hợp lần lượt là x mol và y mol

Fe + 2HCl → FeCl2 + H2 (1)

Fe2O3 + 6HCl → 2FeCl3 + 3H2O (2)

FeCl2 + 2NaOH → Fe(OH)2 + 2NaCl (3)

FeCl3 + 2NaOH → Fe(OH)3 + 3NaCl (4)

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3 (5)

2Fe(OH)3 → Fe2O3 + 3H2O (6)

Gọi số mol của Fe và Fe2O3 lần lượt là x và y (mol) Theo ptpư (1) ta có 2 H n = nFe = x (a) Theo ptpư (1), (3), n Fe OH( )2= nFe = x Theo ptpư (2), (4): 3 ( ) (4) Fe OH n =2 2 3 2 Fe O n  y

Vậy nB= x+2y (b)

3 3 3 ( ) (6) ( ) (4) ( ) (5) 2

1.2.3 Phương pháp chung giải các bài toán hoá học

Theo trên, các bài toán hoá học có thể chia làm hai loại:

 Các bài toán liên quan đến phản ứng của một chất qua một giai đoạn hay một dãy biến hoá (như ví dụ 1, 2 ở trên)

 Các bài toán liên quan đến phản ứng của một hỗn hợp chất (như ví dụ 3

ở trên ) Các bài toán này được gọi là các bài toán “hỗn hợp”, còn các bài toán liên quan đến phản ứng của một chất được gọi là các bài toán “không hỗn hợp”

1.2.3.1 Đối với loại bài toán “ không hỗn hợp”

Phương pháp giải các bài toán loại này là lập biểu thức tính đại lượng mà bài toán đòi hỏi rồi dựa vào quan hệ giữa số mol của “chất cần tính toán” và số mol của “chất có số liệu cho trước” và dựa vào các công thức để giải

2 = 0,1 (mol) tính được số mol của các chất tham gia và

36 , 3

%.

20

% 100

( )

0,1

2 50

3n  m

O 2 → (n + m + 1)CO 2 + (n + m + 1)H 2 O (1)

C n H 2n+1 COOC m H 2m+1 + NaOH → C n H 2n+1 COONa + C m H 2m+1 OH (2)

Ta có: meste = (14n + 14m +46)a = 11,6 (a)

2

CO

4 , 22

44 ,

13 = 0,6 = (n + m + 1)a (b)

m muối = (14n + 68)a = 9,6 (c) Giải 3 phương trình thu được: n = 2; m = 3

Suy ra công thức phân tử của este là: C2H5COOC3H7

1.2.3.2 Đối với loại bài toán “hỗn hợp”

Phương pháp giải là đặt ẩn số, lập phương trình và giải phương trình để suy ra các đòi hỏi của bài toán

 Ẩn số thường đặt là số mol của các chất trong hỗn hợp

 Các phương trình được thiết lập bằng cách biểu thị mối quan hệ

giữa các số liệu cho trong bài (sau khi đã đổi ra số mol, nếu có thể được) với các ẩn số

 Giải các phương trình sẽ xác định được các ẩn số, rồi dựa vào

đó suy ra các đòi hỏi khác nhau của bài toán

Ví dụ

Nhiệt phân hoàn toàn 18,43 gam hỗn hợp gồm Na2CO3, K2CO3, BaCO3, MgCO3 thu được 2,464 lít khí (đktc) và hỗn hợp rắn A Hoà tan A bằng một thể tích vừa đủ dung dịch H2SO4 0,1 M thu được 1,568 lít khí (đktc)

và 2,33 gam một chất kết tủa

1 Tính khối lượng các chất trong hỗn hợp đầu

2 Tính thể tích dung dịch H2SO4 0,1M cần để hoà tan hỗn hợp rắn A

Lời giải

1 Khi nhiệt phân hỗn hợp:

BaCO3 → BaO + CO2 (1)

MgCO3 → MgO + CO2 (2)

Hỗn hợp A gồm BaO, MgO và các muối không bị nhiệt phân là Na2CO3, K2CO3: Na2CO3 + H2SO4 → Na2SO4 + H2O + CO2 (3)

K2CO3 + H2SO4 → K2SO4 + H2O + CO2 (4)

BaO + H2SO4 → BaSO4 + H2O (5)

MgO + H2SO4 → MgSO4 + H2O (6)

Chất kết tủa là BaSO4 Đặt số mol Na2CO3, K2CO3, Ba2CO3, MgCO3 trong hỗn hợp đầu là x, y, z, t ta có: mhh = 106x + 138y + 197z + 84t = 18,43 (a) Theo (1), (2):

2 CO n  4 , 22 464 , 2  0,11  z + t (b) Theo (3), (4):

2 CO n  4 , 22 568 , 1  0,07  x + y (c) Theo (5), (1):

4

BaSO

233

33 ,

2  0,01  z (d) Giải 4 phương trình (a), (b), (c), (d) thu được:

x = 0,05; y = 0,02; z = 0,01; t = 0,1

Suy ra:

3

2CO Na

m  106.0,05  5,3 (g) ;

3

2CO K

m  138.0,02  2,76 (g)

mBaCO3  197.0,01  1,97 (g) ;

3

MgCO

m  84.0,1  8,4 (g)

2 Ta có: V ddH2SO4=

1 , 0

4

2SO H

n

Theo (3), (4), (5) và (6):

4

2SO H

n = x + y + z + t = 0,18 →

4

2SO ddH

V = 1,8 (lít)

Qua các ví dụ trên, chúng ta nhận thấy cách giải các bài toán „không hỗn hợp” và các bài toán “hỗn hợp” tuy có những điểm khác nhau, nhưng

chúng đều thống nhất ở chỗ là đều dựa vào quan hệ giữa số mol của các

chất phản ứng và các công thức biểu thị quan hệ giữa số mol chất với khối lượng, thể tích, nồng độ của chất Đó chính là nội dung của phương pháp

chung giải các bài toán hoá học

* * * *

* *

Hiện nay hình thức kiểm tra trắc nghiệm khách quan ngày càng phổ biến Đặc điểm của loại hình kiểm tra này là số lượng câu hỏi nhiều chính vì thế thời gian làm bài rất ngắn Với một số bài tập ta có thể áp dụng những cách giải nhanh để giải Riêng với hóa hữu cơ có hai cách giải được sử dụng nhiều nhất đó là cách giải dựa vào định luật bảo toàn khối lượng và định luật bảo toàn nguyên tố

 Định luật bảo toàn khối lượng

“Tổng khối lượng các chất tham gia phản ứng bằng tổng khối lượng các chất tạo thành sau phản ứng”

Ví dụ 2

Đun nóng hỗn hợp 2 rượu đơn chức liên tiếp nhau trong dãy đồng đẳng

với H2SO4, đặc ở 1400C thu được 72 g hỗn hợp 3 ete và 21,6 g H2O Xác định

công thức 2 rượu

Lời giải

2ROH ROR + H2O

1,2 mol → nrượu = 2,4 mol

Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng:

m rượu = 72 + 21,6 = 93,6

→ M rượu = 93,6 : 2,4 = 39 → 2 rượu là CH3OH ( M = 32) ; C2H5OH ( M= 46)

Ví dụ 3

Cho 3,6 gam axit cacboxylic no, đơn chức X tác dụng hoàn toàn với

500 ml dung dịch gồm KOH 0,12 M và NaOH 0,12 M Cô cạn dung dịch thu

được 8,28 gam hỗn hợp chất rắn khan Xác định công thức phân tử của X

Lời giải

Đặt công thức của axit cacboxylic no, đơn chức là RCOOH, ta có:

RCOOH + KOH → RCOOK + H2O

RCOOH + NaOH → RCOONa + H2O

n NaOH = n KOH = 0,5.0,12 = 0,06 mol

Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng:

6 ,

+Br 2

Ví dụ 4

Đun nóng 5,14 gam hỗn hợp khí X gồm metan, hidro và một ankin với xúc tác Ni, thu được hỗn hợp khí Y Cho hỗn hợp Y tác dụng với dung dịch brom dư thu được 6,048 lít hỗn hợp khí Z (đktc) có tỉ khối đối với hidro bằng

8 Xác định độ tăng khối lượng bình đựng dung dịch brom

 Định luật bảo toàn nguyên tố:

Trong các phản ứng hoá học, các nguyên tố luôn được bảo toàn nghĩa

là “Tổng số mol nguyên tử của một nguyên tố bất kì, trước và sau phản ứng luôn bằng nhau”

9

7 , 2 = 2,46 ( g)

Ni, t 0

Ví dụ 2

Tiến hành crackinh 5,8 g C4H10 ở nhiệt độ cao Sau một thời gian thu được hỗn hợp khí X gồm CH4, C2H6, C2H4, C3H6 và C4H10 dư Đốt cháy hoàn toàn X bằng khì oxi dư, rồi dẫn toàn bộ sản phẩm cháy qua bình dựng H2SO4,

đặc thấy khối lượng bình tăng m gam Tính m?

08 ,

10 = 0,45 mol

nH2O =

18

6 ,

12 = 0,7 mol

Ta có: nH2O > nCO2 → Ancol no, đơn chức

Đặt công thức phân tử trung bình của 2 ancol no, đơn chức là C n H2 n 1OH , số mol là a C n H2 n 1OH +

n

= 0,45 +

2

7 ,

1.3 Áp dụng phương pháp chung giải các bài toán hóa học để giải bài

toán xác định công thức hợp chất hữu cơ

1.3.1 Phương pháp chung giải bài toán xác định công thức hợp chất hữu cơ

Các bài toán Hoá học, trong đó có bài toán xác định công thức hợp chất

hữu cơ đều được giải theo phương pháp chung nêu ở trên Cụ thể, để xác định

công thức của các chất hữu cơ chỉ cần đặt số mol của các chất đó là a, b, c

… và thiết lập quan hệ giữa các số liệu cho trong bài (sau khi đã đổi ra số

mol chất, nếu có thể được) với a, b, c … rồi giải các phương trình sẽ suy ra

được công thức của các hợp chất hữu cơ Trong trường hợp các chất hữu cơ

là chất khí thì có thể thay a, b, c … bằng V1, V2, V3 … và cũng giải bài toán

như nêu trên [4]

Ví dụ 1

Xác định công thức phân tử của các chất hữu cơ A, B biết rằng:

1 Đốt cháy hoàn toàn 52,5 g chất A thu được 84 lít khí CO2 (đktc) và 67,5 g

H2O Tỉ khối của A so với H2 bằng 21

2 Sau khi đốt cháy hoàn toàn 200 ml chất khí B (chứa C, H, O) bằng 900 ml

O2 thu được 1300 ml hỗn hợp khí Cho hơi nước ngưng tụ hết thì còn 700 ml

khí Tiếp tục cho khí còn lại qua dung dịch NaOH dư thì còn 100 ml khí Cho

biết các thể tích khí đo ở cùng điều kiện nhiệt độ, áp suất

67 = 3,75 =

2

y a (d)

Giải các phương trình trên thu được: a = 1,25; x = 3; y = 6; z = 0

→ Công thức phân tử của A là C3H6

2 Sản phẩm đốt cháy B sau khi ngưng tụ hết hơi nước cho qua dung dịch NaOH dư (CO2 phản ứng hết) vẫn còn 100 ml khí, khí đó phải là O2 dư

1 Xác định công thức phân tử của hai hidrocacbon và phần trăm thể tích của các chất trong hỗn hợp X

2 Tính thể tích oxi cần đốt cháy 100ml hỗn hợp X

1.3.2 Các chú ý khi giải bài toán xác định công thức hợp chất hữu cơ

1.3.2.1 Vấn đề lựa chọn công thức tổng quát của chất hữu cơ

Như đã nói ở phần 1.2, để giải bài toán hoá học trước hết cần phân tích nội dung bài toán và biểu thị nội dung đó bằng các phương trình phản ứng Đối với bài toán xác định công thức hợp chất hữu cơ thì việc lựa chọn đúng

và hợp lí công thức tổng quát của chất hữu cơ để viết các phương trình phản ứng là vô cùng quan trọng

Thí dụ, công thức tổng quát của một rượu mạch hở có thể viết là R(OH)m, CxHy(OH)m, CnH2n+2-2k-m(OH)m (với k là số liên kết П trong mạch C)

Cả 3 cách viết trên đều đúng, nhưng chọn cách viết nào là hợp lí điều đó còn tuỳ thuộc vào đề bài và các phản ứng cần phải viết trong bài là những loại phản ứng nào

Trong trường hợp đã biết rõ rượu cần xác định công thức là no (k = 0),

là đơn chức (m = 1), là no, đơn chức (k = 0, m = 1) … thì nên chọn công thức CnH2n+2-2k-m(OH)m với các giá trị k, m tương ứng để viết các phản ứng Còn trong trường hợp chưa rõ rượu thuộc lọai gì thì công thức trên chỉ được chọn khi cần viết phản ứng cộng của rượu chưa no với H2, Br2… Để viết phản ứng thế của rượu với kim loại kiềm hoặc viết phản ứng este hoá thì chọn công thức R(OH)m, còn để viết phản ứng cháy thì chọn công thức CxHy(OH)m hoặc gọn hơn chỉ cần dùng công thức CxHyOz

Đối với hidrocacbon hoặc các dẫn xuất hidrocacbon khác như anđehit, axit cacboxylic, este … thì cách chọn công thức tổng quát hợp lí để viết các phản ứng cũng tương tự Riêng đối với este, công thức tổng quát của este được tạo thành bởi một axit đa chức R(COOH)n và một rượu đa chức R‟(OH)m là Rm(COO)n.mR‟n Công thức này rất phức tạp vì vậy để viết phản ứng của este bất kì ta thường tách thành một số trường hợp riêng, như trường hợp este của axit đơn chức với rượu đa chức (RCOO)mR‟, este của axit đa chức với rượu đơn chức R(COOR‟)n … để xét trường hợp nào dẫn đến kết

quả hợp lí là đúng Thông thường với các bài toán xác định công thức của este

ở dạng phức tạp như trên người ta đi xét công thức của axit và của rượu trước

từ đó xác định được công thức của este ….[28]

Dưới đây là một số ví dụ minh hoạ

Ví dụ 1

Hidro hoá hoàn toàn 5,8 gam một rượu đơn chức A cần dùng 2,24 lít

H2 (đktc) Mặt khác, đốt cháy hoàn toàn lượng rượu trên thu được 13,2 gam

CO2 Xác định công thức phân tử và công thức cấu tạo của rượu A

24 ,

13  0,3 = n.a (c)

Giải hệ phương trình thu được a = 0,1; k = 1 và n = 3

Vậy công thức của A là: C3H5OH

Công thức cấu tạo của A là: CH2 = CH – CH2 – OH

Ví dụ 2

Khi đốt cháy hoàn toàn 6,44 gam một rượu no A thu được 9,24 gam khí

CO2 Mặt khác, khi cho 0,1 mol A tác dụng với kali thu được 3,36 lít khí (đktc) Tìm công thức phân tử, viết công thức cấu tạo của A

36 ,

Vậy công thức phân tử của rượu là C3H5(OH)3

Lời giải

Gọi công thức của A là (HO)n – R – (COOH)m, số mol là a

(HO) m –R–(COOH) n + nNaHCO 3 →(HO) m –R–(COONa) n +nCO 2 +nH 2 O (1) (HO) m –R–(COOH) n + (n + m)Na → (NaO) m −R−(COONa) n +

Lời giải

Theo đề bài, 1 mol este E tác dụng với 3 mol NaOH như vậy E có thể là este của axit đơn chức với rượu 3 lần (RCOO)3R‟, este của axit 3 lần với rượu đơn chức R(COOR‟)3 hoặc este của axit 3 lần với rượu 3 lần R(COO)3R‟ Xét trường hợp 1, gọi số mol của (RCOO)3R‟ là a

(RCOO)3R‟ + 3NaOH → RCOONa + R‟(OH)3

m E = [(R + 44)3 + R‟]a = 1,27 (a)

m NaOH = 3a = 0,015 hay a = 0,005 (b)

m muối = (R + 67).3a = 1,44 (c) Giải các phương trình (a), (b), (c) thu được: R = 27 (CH2=CH-)

R‟ = 41 ( )Suy ra công thức cấu tạo của E là:

H2C CH CH2

CH2=CH – COO – CH2

CH2=CH – COO – CH

CH2=CH – COO – CH2

Xét trường hợp 2 và 3, cũng viết phản ứng, lập các phương trình tương

tự và giải không thu được các kết quả hợp lí → loại Như vậy, trường hợp 1

đã xét ở trên là đúng và E có công thức cấu tạo như đã nêu

Ví dụ 5

Khi đun chất hữu cơ A với dung dịch axit vô cơ loãng thu được hai chất

B và C Mặt khác khi đun 4,04 gam A với một dung dịch chứa 0,05 mol NaOH thì được hai chất B và D (khối lượng mol của D lớn hơn C là 44 gam)

Để trung hoà NaOH dư cần 100 ml dung dịch HCl 0,1 M

1 Xác định công thức phân tử A, B, C biết rằng nếu đun 3,68 gam B với

H2SO4, đặc thì thu được 1,344 lít một olefin (đktc) với hiệu suất phản ứng là 75%

2 Xác định tên gọi của A biết rằng C là một chất mạch thẳng và là một đơn phân tử để tổng hợp một chất polime quan trọng

344 ,

68 ,

3 = 46 = 14n + 18 → n = 2

Vậy công thức phân tử của B là C2H5OH

170 0 C

H 2 SO 4 đ

Gọi công thức của axit C là R(COOH)m thì công thức của muối D là R(COONa)m ta có: M D – M C = 22m = 44 → m = 2

Vậy công thức của C là R(COOH)2, suy ra công thức của este A là R(COOC2H5)2

Viết các phương trình hoá học xảy ra và xác định công thức phân tử của aminoaxit

Lời giải

Gọi công thức của aminoaxit A là (NH2)m – R – (COOH)n ta có:

(NH 2 ) m – R – (COOH) n + nNaOH → (NH 2 ) m – R – (COONa) n + n H 2 O (1)

Theo đề bài: n NaOH =

Ta có:0,2 = m.0,2 → m = 1

Như vậy công thức phân tử của A có dạng: NH2 – R – COOH

Biết M A = 103 suy ra R = 42 (-C3H6-)

Công thức phân tử của A là: NH2 – C3H6 – COOH

1.3.2.2 Giải bài toán xác định công thức hợp chất hữu cơ khi số phương trình lập được ít hơn số ẩn số và bài toán hỗn hợp chất hữu cơ cùng loại

Nhiều bài toán hỗn hợp, đặc biệt là các bài toán hỗn hợp các chất hữu

cơ, thường có số phương trình lập được ít hơn số ẩn số Trong trường hợp này

để giải hệ các phương trình vô định có 2 phương pháp chính, đó là:

 Giải kết hợp với biện luận, dựa vào điều kiện của các ẩn số:

Ví dụ, nếu ẩn số là số mol của các chất thì chúng phải luôn luôn dương, ẩn

số là số nguyên tử cacbon (n) trong các chất hữu cơ thì n phải nguyên, dương Với hidrocacbon là chất khí thì n ≤ 4, với rượu chưa no thì n ≥ 3 … Dựa vào các điều kiện như vậy có thể giải được hệ phương trình vô định và giải được bài toán

 Giải dựa vào việc tính khối lượng mol trung bình của hỗn hợp:

2 2 1 1

n n

M n M n





Tính Mhh và giải bất đẳng thức M1 < M hh < M2 sẽ giải được hệ phương trình vô định Phương pháp này thường được áp dụng với các bài toán mà khối lượng hỗn hợp đã biết và số mol hỗn hợp đã biết hoặc có thể tính toán, đặc biệt là với các bài toán hỗn hợp các chất liên tiếp nhau trong dãy đồng đẳng

Với bài toán hỗn hợp của các chất cùng loại, có các phản ứng xảy ra

tương tự nhau, hiệu suất của phản ứng như nhau … thì có thể thay thế hỗn hợp đó bằng một chất có công thức phân tử trung bình để giải

Thí dụ, hỗn hợp gồm 2 chất cùng loại Cx1Hy1Oz1, số mol là b và Cx2Hy2Oz2 số mol là c có thể thay bằng một chất có công thức phân tử trung bình là:

CxHyOz, với số mol là a

Ở đây: a = b + c

x (số nguyên tử C trung bình) =

c b

c x b x

c y b y



 2

1 … Khi đó số ẩn số của bài toán giảm xuống và việc giải bài toán sẽ trở nên thuận lợi và nhanh gọn hơn Đây cũng là một phương pháp hiệu quả để giải các bài toán hỗn hợp (các chất cùng loại) khi số phương trình lập được ít hơn

số ẩn số [23]

Ví dụ

Cho 2,05 gam hỗn hợp 2 rượu no đơn chức liên tiếp nhau trong dãy đồng đẳng tác dụng với Na dư thu được 0,448 lit H2 (đktc) Xác định công thức 2 rượu và phần trăm khối lượng mỗi chất trong hỗn hợp

mhh = (14n + 18)x + (14n +32)y = 2,05 (a)

n H2 = 1

2 (x + y) = 0,02 hay x + y =0,04 (b)

Cách 1: Từ (a) suy ra: 14n (x+y) + 18(x+y) +14y = 2,05

Thay x +y = 0,04 thu được: y = 1,33 0,56

2

H

Giải thu được : n = 2,375

Suy ra hai rượu liên tiếp trong dãy đồng đẳng phải là C2H5OH và C3H7OH Gọi số mol 2 rượu tương ứng là b và c ta có:

Tiểu kết chương 1

Trong chương này chúng tôi đã trình bày cơ sở lý luận và thực tiễn của

đề tài :

 Đưa ra ý nghĩa, tác dụng của bài tập hóa học, xu hướng phát triển bài

tập hóa học trong giai đoạn hiện nay ở trường THPT

 Đưa ra phương pháp chung giải các bài toán hóa học

 Áp dụng phương pháp chung giải các bài toán hóa học để giải bài toán

xác định công thức hợp chất hữu cơ

Chương 2 : PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC BÀI TOÁN ĐIỂN HÌNH XÁC

ĐỊNH CÔNG THỨC HỢP CHẤT HỮU CƠ

Các hợp chất hữu cơ được chia thành hai loại là hiđrocacbon và dẫn xuất của hiđrocacbon Phần dẫn xuất của hiđrocacbon chủ yếu bao gồm dẫn xuất chứa oxi và dẫn xuất chứa nitơ

Trong các bài toán hóa học hữu cơ, các bài toán liên quan đến phản ứng cháy chiếm số lượng khá lớn Cùng với đó là các bài toán liên quan đến phản ứng đặc trưng của các hợp chất hữu cơ Đây là hai loại phản ứng chính, quan trọng bao quát được toàn bộ tính chất của các hợp chất hữu cơ Do đó trong nghiên cứu này chúng tôi tiến hành phân loại và lựa chọn các bài toán xác định công thức hợp chất hữu cơ theo hai loại phản ứng trên

2.1 Các bài toán xác định công thức hiđrocacbon

2.1.1 Các bài toán liên quan đến phản ứng cháy của hiđrocacbon [3]

2

1 1

a  ( số nguyên tử C)

 Khi T= 1 suy ra k=1 đây là anken hoặc xicloankan

 Khi T<1 suy ra k>1 đây là ankin, ankađien, aren …

Ví dụ với phản ứng đốt cháy ankin:

a  ( số nguyên tử C)

2 Đốt cháy hỗn hợp nhiều hiđrocacbon

 Nếu đã biết dãy đồng đẳng

Ví dụ: Xét hỗn hợp X gồm 2 ankan CnH2n+2 : x mol và CmH2m+2 : y mol với m>n Gọi CTPT trung bình là C H n 2n2: z mol, z= x+y

Khi xác định được giá trị nvà z ta suy ra CTPT và các đại lượng cần thiết

 Nếu chưa biết dãy đồng đẳng

Xét hỗn hợp X gồm 2 hiđrocacbon đồng đẳng C H n m: x mol và C H n m: y mol Gọi CTPT trung bình là C H n m: z mol , z= x+y

Xác định được giá trị n, m và z ta suy ra CTPT và các đại lượng cần thiết

BÀI TOÁN MINH HỌA Bài 1 Đốt cháy hoàn toàn một hiđrocacbon X thu được 0,11 mol CO2 và

0,132 mol H2O Khi X tác dụng với khí clo (theo tỉ lệ số mol 1:1) thu được một sản phẩm hữu cơ duy nhất Tên gọi của X là

A 2-Metylbutan B etan

C 2,2-Đimetylpropan D 2-Metylpropan