Vận dụng Phương pháp cộng đại số lập PTHH

PHÒNG GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HUYỆN CƯ KUIN TRƯỜNG THCS LÊ THỊ HỒNG GẤM Người thực hiện: Đinh Văn Nhật Năm học: 2010-2011 1 Mục lục Nội dung trang Trang Trang phụ bìa Mục lục và danh mục chữ cái viết tắt Đặt vấn đề Nội dung SKKN Kết luận-Tài liệu tham khảo 1 2 3 4-9 9 Các cụm từ viết tắt: THPT: Trung học phổ thong THCS: Trung học cơ sở PTHH: Phương Trình hóa học HS: Học sinh SKKN: Sáng kiến kinh nghiệm I.Đặt vấn đề: Để bồi dưỡng cho học sinh năng lực sáng tạo, năng lực giải quyết vấn đề, lý luận dạy học hiện đại khẳng định: Cần phải đưa học sinh vào vị trí chủ thể hoạt động nhận 2 thức, học trong hoạt động. Học sinh bằng họat động tự lực, tích cực của mình mà chiếm lĩnh kiến thức . Quá trình này được lặp đi lặp lại nhiều lần sẽ góp phần hình thành và phát triển cho học sinh năng lực tư duy sáng tạo. Tăng cường tính tích cực phát triển tư duy sáng tạo cho học sinh trong quá trình học tập là một yêu cầu rất cần thiết, đòi hỏi người học tích cực, tự lực tham gia sáng tạo trong quá trình nhận thức. Bộ môn Hoá học ở phổ thông có mục đích trang bị cho học sinh hệ thống kiến thức cơ bản, bao gồm các kiến thức về cấu tạo chất, phân loại chất và tính chất của chúng. Việc nắm vững các kiến thức cơ bản góp phần nâng cao chất lượng đào tạo ở bậc phổ thông, chuẩn bị cho học sinh tham gia các hoạt đông sản xuất và các hoạt động sau này. Trong hệ thống bài tập hóa học luôn luôn gắn liền với việc lập phương trình hóa học, để lập phương trình hóa học trong chương trình THCS đã có một bài học chuyên biệt cho vấn đề này đó là Bài 16.BÀI PHƯƠNG TRÌNH HÓA HỌC, tuy nhiên các phương trình mà học sinh được thực hiện ở đây chỉ có tính chất hình thành phương pháp cân bằng số nguyên tử cho những phản ứng đơn giản.Từ đó qua các bài học học sinh được cũng cố kĩ hơn về cân bằng số nguyên tử cho phản ứng hóa học. Thực tế trong những năm qua trong nhiều sách tham khảo,đề thi học sinh giỏi,đề thi chuên hóa ở các trường THPT,thi vào trường THPT của nhiều trường ra đề thi có những phản ứng hóa học liên quan đến phản ứng oxi hóa – khử có thay đổi số oxi hóa mà học sinh THCS sử dụng những phương pháp cân bằng thông thường khó có thể cân bằng số nguyên tử được.Ở chương trình THPT học sinh có thể dễ dàng sử dụng phương pháp cân bằng electron hoặc phương pháp ion-electron giải quyết được.Sau đây là một số ví dụ về hai phương pháp nói trên: -Phương pháp electron: Ví dụ 1:FeS + HNO 3 o t → Fe(NO 3 ) 3 + N 2 O +H 2 SO 4 + H 2 O 8x Fe +2 -1e = Fe +3 1x S -2 - 8e = S +6 8x FeS - 9e = Fe +3 + S +6 9x 2N +5 + 8e = 2N +1 => 8FeS + 42HNO 3 o t → 8Fe(NO 3 ) 3 + 9N 2 O +8H 2 SO 4 + 13H 2 O Ví dụ 2: Fe x O y + H 2 SO 4(đặc) o t → Fe 2 (SO 4 ) 3 + SO 2 + H 2 O 2x xFe +2y/x – x(3-2y/x)e = xFe +3 (3x-2y)x S +6 + 2e = S +4 => 2Fe x O y + (6x-2y)H 2 SO 4(đặc) o t → xFe 2 (SO 4 ) 3 + (3x-2y) SO 2 + (6x-2y) H 2 O -Phương pháp ion-electron: Ví dụ: FeS 2 + HNO 3 → Fe(NO 3 ) 3 + H 2 SO 4 +NO 2 + H 2 O x 1 FeS 2 + 8H 2 O - 15e → Fe 3+ + 2SO 4 2- + 16H + x 15 NO 3 - + 2H + +1e → NO 2 + H 2 O FeS 2 + 15 NO 3 - +14H + → Fe 3+ + 2SO 4 2- + 15NO 2 + 7H 2 O =>FeS 2 + 18 HNO 3 → Fe(NO 3 ) 3 + 2H 2 SO 4 +15NO 2 + 7 H 2 O 3 +2 -2 +5 +3 +1 +6 +2y/x +6 +4 Trong chương trình THCS học sinh cũng đã tìm hiểu phản ứng oxi hóa khử đơn giản, cũng như tính chất của axit Sunfuric đặc, nóng do đó trong thi học sinh giỏi cũng như thi vào các trường THPT hoặc THPT chuyên hóa người ta đã đưa ra những phản ứng hóa học có mức độ khó mà với những phương pháp cân bằng thông thường học sinh THCS không thể thực hiện được.Đây củng là những khó khăn mà giáo viên và học sinh ở bậc THCS hiện nay gặp phải. Để giải quyết khó khăn này trong một số tài liệu mà tôi tham khảo có đề cập tới phương pháp CÂN BẰNG ĐẠI SỐ rất phù hợp với học sinh THCS để các em có phương pháp cân bằng số nguyên tử cho những phản ứng oxi hóa-khử khó. Đây củng là phương pháp mà bản thân tôi trong những năm qua đã vận dụng thành công trong việc bồi dưỡng học sinh khá giỏi, xin được đưa ra để cho các em học sinh cùng đồng nghiệp tham khảo vận dụng. II.Nội dung sáng kiến kinh nghiệm: 1. Cơ sở lý luận của vấn đề: -Phương pháp: + Ta lập sơ đồ phản ứng. + Đưa các hệ số ẩn ( a,b,c ) trước các chất tham gia và sản phẩm, rồi lập các phương trình đại số bậc nhất nhiều ẩn sao cho giá trị ẩn của cùng loại nguyên tố hóa học trước và sau phản ứng bằng nhau. + Giải các phương trình này ta tìm ra các hệ số ẩn (Nghiệm là những số nguyên dương đơn giản nhất ta sẽ xác định được hệ số phân tử của các chất trong phương trình phản ứng hoá học) . -Cơ sở lí luận: + Dựa vào mối tương quan giữa các nguyên tử của các nguyên tố theo định luật bảo toàn khối lượng (Số nguyên tử được bảo toàn). 2 Thực trạng của vấn đề: Người ta đã thử dùng phương pháp này để cân bằng hầu hết các phương trình phản ứng có trong chương trình phổ thông, một số chương trình đại học đã gặp những trường hợp sau đây: 1. Các phương trình phản ứng hoá học trong đó số các chất tham gia và thu được sau phản ứng bằng số các nguyên tố tạo nên các chất ấy. Ví dụ: P 2 O 5 + H 2 O > H 3 PO 4 Hoặc số các chất tham gia và thu được sau phản ứng lớn hơn số các nguyên tố tạo nên chúng 1 đơn vị (đại bộ phận các phương trình hoá học đều rơi vào trường hợp này). Khi lập hệ các phương trình đại số để cân bằng các phương trình này, ta được các hệ phương trình có n ẩn số và n phương trình hoặc n – 1 phương trình. Giải những hệ phương trình đại số này ta được vô số nghiệm nhưng bao giờ cũng chọn được những nghiệm nguyên dương đơn giản nhất phù hợp với phương trình hoá học như 2 ví dụ đầu tiên. 2. Các phương trình hóa học trong đó số các chất tham gia và sản phẩm trong phản ứng hóa học lớn hơn số các nguyên tố cấu tạo nên chất ấy từ hai đơn vị trở lên (Dạng này chưa phù hợp với học sinh THCS), ví dụ: 4 K 2 S + KMnO 4 + H 2 SO 4 > S + MnSO 4 + K 2 SO 4 +H 2 O ( 7 chất, 5 nguyên tố) KI + H 2 O + O 3 > KOH + I 2 + O 2 (6 chất, 4 nguyên tố) H 2 S + K 2 Cr 2 O 7 + H 2 SO 4 > S + K 2 SO 4 + Cr 2 (SO 4 ) 3 + H 2 O (7 chất, 5 nguyên tố) H 2 O 2 + AgNO 3 + NH 4 OH > O 2 + Ag + NH 4 NO 3 + H 2 O (7 chất, 4 nguyên tố) Khi lập hệ phương trình đại số để cân bằng những phương trình phản ứng này, ta được những hệ phương trình có n ẩn nhưng chỉ có n - 2 hay n - 3 phương trình. Giải những hệ phương trình này dài, phức tạp, mất nhiều thời gian và cho ta những kết quả không duy nhất. Khi đó phải căn cứ vào bản chất hóa học của phản ứng biện luận và chọn những nghiệm số thích hợp cho phương trình hóa học. Đây là việc làm rất khó khăn với các bạn lớp 8 - 9. Chúng ta sẽ phân tích chi tiết một ví dụ dưới đây. Lập phương trình hóa học: aH 2 S + bK 2 Cr 2 O 7 + cH 2 SO 4 (l) > dS + eK 2 SO 4 + fCr 2 (SO 4 ) 3 + gH 2 O Xét về số nguyên tử các nguyên tố: + H: 2a + 2c = 2g (1) + S: a + c = d + e + 3f (2) + K: 2b = 2e (3) + Cr: 2b = 2f (4) + O: 7b + 4c = 4e + 12f + g (5) Từ phương trình (1) ta có: a + c = g Từ phương trình (2) ta có: d = a + c - e - 3f Từ phương trình (3) và (4) ta có: b = e = f Thay các giá trị của e và f bằng b và của g bằng a + c vào phương trình 5 ta được: 7b + 4c = 4b + 12b + a + c > a = 3c - 9b Do a > 0 nên c > 3b Cho b và c một số giá trị thích hợp rồi tìm giá trị của các ẩn còn lại ta được các kết quả sau: - Với a = 3: + b = 1, c = 4 > d = 3, e = 1, f = 1, g = 7 + b = 2, c = 7 > d = 2, e = 2, f = 2, g = 10 + b = 3, c = 10 > d = 1, e = 3, f = 3, g = 13 - Với a = 6: + b = 1, c = 5 > d = 7, e = 1, f = 1, g = 11 + b = 2, c = 8 > d = 6, e = 2, f = 2, g = 14 + b = 3, c = 11 > d = 5, e = 3, f = 3, g = 17 - Với a = 9: + b = 1, c = 6 > d = 11, e = 1, f = 1, g = 15 + b = 2, c = 9 > d = 10, e = 2, f = 2, g = 18 + b = 3, c = 12 > d = 9, e = 3, f = 3, g = 21 Ghi vào phương trình phản ứng hóa học các hệ số đã xác định ta được nhiều phương trình với cặp hệ số các chất khác nhau: 3H 2 S + K 2 Cr 2 O 7 + 4H 2 SO 4 > 3S + K 2 SO 4 + Cr 2 (SO 4 ) 3 + 7H 2 O (1) 5 6H 2 S + K 2 Cr 2 O 7 + 5H 2 SO 4 > 7S + K 2 SO 4 + Cr 2 (SO 4 ) 3 + 11H 2 O (2) 9H 2 S + K 2 Cr 2 O 7 + 6H 2 SO 4 > 11S + K 2 SO 4 + Cr 2 (SO 4 ) 3 + 15H 2 O (3) Ở đây ta thấy các hệ số của (2) và (3) không phải là bội số của các hệ số của (1). Về mặt toán học tất cả các phương trình hóa học trên đều đúng nhưng với quan điểm hóa học ta chỉ dùng những hệ số của (1). Thế nhưng nếu phản ứng trên xẩy ra trong môi trường axit đặc thì (2) cũng đúng vì H 2 SO 4 đặc là chất oxi hóa mạnh, có thể oxi hóa H 2 S theo phương trình: H 2 SO 4 + 3H 2 S > 4S + 4H 2 O(*) Tức (1) dung dịch H 2 SO 4 đóng vai trò tạo môi trường, còn (2) H 2 SO 4 đặc có xảy ra sự oxi hóa. Trong (2) xảy ra cả hai quá trình ta cộng gộp (1) và (*) sẽ được (2). Còn (3) về bản chất hóa học không khác (2) chỉ có số lượng các phân tử axit H 2 SO 4 và H 2 S tham gia là khác nhau mà thôi. 3 Các biện pháp đã tiến hành để giải quyết vấn đề: Trong các tiết dạy học giáo viên khi mở rộng nâng cao kiến thức lập PTHH có thể lồng ghép vào các tiết dạy và đưa vào nội dung ôn thi học sinh giỏi phương pháp này. Sau đây là một số ví dụ cụ thể: Ví dụ 1: Cân bằng phản ứng: Al+ H 2 SO 4(đặc,nóng) > Al 2 (SO 4 ) 3 +SO 2 + H 2 O Kí hiều các hệ số phải tìm là các chữ a, b, c, d, e và ghi vào phương trình ta thu được: aAl+ bH 2 SO 4(đặc,nóng) → cAl 2 (SO 4 ) 3 +dSO 2 + eH 2 O + Xét số nguyên tử Al: a = 2c (1) + Xét số nguyên tử H: 2b = 2e (2) + Xét số nguyên tử N: b = 3c + d (3) + Xét số nguyên tử O: 4b = 12c + 2d + e (4) Ta được hệ phương trình 5 ẩn và giải như sau: Ta có: e = b từ phương trình (2) và d = b – 3c từ phương trình (3) và thay vào phương trình (4): 4b = 12c + 2b – 6c + b > b = 6c=> 6 b c = Ta thấy để c nguyên thì b phải chia hết cho 6. Trong trường hợp này để hệ số của phương trình hoá học là số nguyên dương đơn giản nhất ta cần lấy b = 6=>c=1. Khi đó: a = 2, d = 3, e = 6 Vậy phương trình phản ứng trên có dạng: 2Al+ 6H 2 SO 4(đặc,nóng) → Al 2 (SO 4 ) 3 +3SO 2 + 6H 2 O Ví dụ 2: Cân bằng phản ứng: Cu + HNO 3 > Cu(NO 3 ) 2 + NO + H 2 O Kí hiều các hệ số phải tìm là các chữ a, b, c, d, e và ghi vào phương trình ta thu được: aCu + bHNO 3 > cCu(NO 3 ) 2 + dNO + eH 2 O + Xét số nguyên tử Cu: a = c (1) + Xét số nguyên tử H: b = 2e (2) + Xét số nguyên tử N: b = 2c + d (3) 6 + Xét số nguyên tử O: 3b = 6c + d + e (4) Ta được hệ phương trình 5 ẩn và giải như sau: Rút e = b/2 từ phương trình (2) và d = b – 2c từ phương trình (3) và thay vào phương trình (4): 3b = 6c + b – 2c + b/2 > b = 8c/3 Ta thấy để b nguyên thì c phải chia hết cho 3. Trong trường hợp này để hệ số của phương trình hoá học là số nguyên dương đơn giản nhất ta cần lấy c = 3. Khi đó: a = 3, b = 8, d = 2, e = 4 Vậy phương trình phản ứng trên có dạng: 3Cu + 8HNO 3 → 3Cu(NO 3 ) 2 + 2NO + 4H 2 O Ở ví dụ trên trong phương trình hoá học có 5 chất (Cu, HNO3, Cu(NO3)2, NO, H2O) và 4 nguyên tố (Cu, H, N, O) khi lập hệ phương trình đại số để cân bằng ta được một hệ 4 phương trình với 5 ẩn số. Hay nói một cách tổng quát, ta có n ẩn số và n – 1 phương trình. Ví dụ 3: Trong câu 2 đề thi học sinh giỏi huyện Cư Kuin năm 2011: Fe 3 O 4 +H 2 SO 4(đặc,nóng) o t → Fe 2 (SO 4 ) 3 + SO 2 + H 2 O Kí hiều các hệ số phải tìm là các chữ a, b, c, d, e và ghi vào phương trình ta thu được: aFe 3 O 4 +bH 2 SO 4(đặc,nóng) o t → cFe 2 (SO 4 ) 3 + dSO 2 + eH 2 O + Xét số nguyên tử Fe: 3a = 2c (1) + Xét số nguyên tử O: 4a+4b = 12c+2d+e (2) + Xét số nguyên tử H: 2b = 2e (3) + Xét số nguyên tử S: b = 3c + d (4) Ta được hệ phương trình 5 ẩn và giải như sau: Rút a = 2c/3 từ phương trình (1) và d = b – 3c từ phương trình (4), e=b từ phương trình (3) thay vào phương trình (2): 8c/3+4b=12c+2(b – 3c)+b=> 8c+12b=36c+6b-18c+3b=> 3b=10c=>b=10c/3 Ta thấy để b nguyên thì c phải chia hết cho 3. Trong trường hợp này để hệ số của phương trình hoá học là số nguyên dương đơn giản nhất ta cần lấy c = 3. Khi đó: a = 2, b = 10, d = 1, e = 10 Vậy phương trình phản ứng trên có dạng: 2Fe 3 O 4 +10H 2 SO 4(đặc,nóng) o t → 3Fe 2 (SO 4 ) 3 + SO 2 + 10H 2 O Vậy khi lập một hệ phương trình đại số để cân bằng một phương trình hoá học, nếu có bao nhiêu chất trong phương trình hoá học thì có bấy nhiêu ẩn số và nếu có bao nhiêu nguyên tố tạo nên các hợp chất đó thì có bấy nhiêu phương trình. Như vậy : 1. Tuy có hạn chế về mặt nội dung hóa học nhưng học sinh các lớp 8 - 9 vẫn nên học phương pháp cân bằng đại số vì: + Trong khi chưa được học phương pháp cân bằng electron thì phương pháp này là 7 một trong những phương pháp thuận lợi vì nói chung học sinh THCS đã giải thành thạo hệ phương trình bậc nhất. + Tùy điều kiện cụ thể, phản ứng cụ thể mà chọn phương pháp cân bằng cho thích hợp.Ngoài phương pháp này các thầy cô và các em học sinh nên tham khảo,tìm hiểu thêm các phương pháp cân bằng khác: Phương pháp nguyên tử nguyên tố,phương pháp hóa trị tác dụng, phương pháp dùng hệ số phân số, phương pháp chẳn – lẻ, phương pháp xuất phát từ nguyên tố chung nhất, phương pháp cân bằng theo nguyên tố tiêu biểu, phương pháp cân bằng theo trình tự kim loại-phi kim, phương pháp cân bằng phản ứng cháy của hợp chất hữu cơ(Hidrocacbon và hợp chất chứa oxi), phương pháp xuất phát từ bản chất hóa học của phản ứng. + Hầu hết các phương trình phản ứng ở PT đều đơn giản. Khi gặp hệ phương trình đại số để cân bằng ta thường gặp hệ phương trình có n ẩn số và n - 1 phương trình, giải những hệ phương trình này dễ dàng, cho những nghiệm duy nhất, không phải biện luận. Tuy nhiên nếu thấy số chất lớn hơn số nguyên tố từ 2 đơn vị trở lên thì không nên dùng đại số để cân bằng, như trường hợp trên sẽ cho nhiều kết quả và việc lựa chọn là khó khăn.Tuy nhiên trong thi cử những trường hợp này hiếm gặp ở mức độ học sinh THCS. + Nếu phương trình hóa học có các nhóm nguyên tố, các gốc axit chuyển nguyên vẹn từ vế trái sang vế phải, chúng không bị phá vỡ trong phản ứng hóa học thì khi lập hệ phương trình đại số để cân bằng ta nên tính theo các nhóm, các gốc đó. Lúc đó hệ phương trình đại số sẽ đơn giản đi nhiều. Ví dụ: aFeCl 3 + bAgNO 3 > cAgCl + dFe(NO 3 ) 3 Khi so sánh hệ số giữa b và d ta nên tính theo các nhóm NO 3 , lúc đó b = 3d thì việc lập và giải rất đơn giản hơn. Phát triễn: Dựa trên quan điểm của định luật bảo toàn khối lượng chúng ta cũng đặt ẩn và lập hệ phương trình đại số tương tự nhưng số ẩn có thể ít hơn: Ví dụ 1: Lập PTHH: FeS 2 + HNO 3 > Fe(NO 3 ) 3 + H 2 SO 4 + NO + H 2 O -Gọi a là số phân tử FeS 2 , ta thêm a trước FeS 2 của phản ứng=> số nguyên tử Fe vế phải là a,thêm a trước Fe(NO 3 ) 3 ở vế phải,thêm 2a trước H 2 SO 4 . -Gọi số nguyên tử N ở vế phải( trong NO) là b rồi thêm b vào NO=>Số nguyên tử N ở vế trái là 3a+b,thêm 3a+b vào HNO 3 . -Gọi số số phân tử H 2 O là c ta có: a FeS 2 + (3a+ b) HNO 3 -> a Fe(NO 3 ) 3 + 2a H 2 SO 4 + bNO + c H 2 O Fe , S , N tự cân bằng. H: 3a + b= 4a + 2c O: 9a + 3b = 9a + 8a + b + c => 2b = 2a + 4c 2b = 8a + c => 2a = c chọn a = 1 => c = 2 => b = 5 FeS 2 + 8 HNO 3 -> Fe(NO 3 ) 3 + 2 H 2 SO 4 + 5 NO + 2 H 2 O Ví dụ 2: aC n H 2n-2 O + 2bKMnO 4 +3b H 2 SO 4 -> anCO 2 + bK 2 SO 4 + 2bMnSO 4 + cH 2 O ở phương trình hóa học này ta xem n là hệ số còn a,b,c là ẩn 8 C, K, Mn, S : tự cân bằng H: 2an - 2a + 6b = 2c O: a + 8b + 12b = 2an + 4b + 8b + c => an - a + 3b = c (1) a - 2an + 8b = c (2) từ (1) (2) => 5b = a ( 3n - 2 ) cho a = 5 => b = 3n - 2 => c = 14n - 11 5C n H 2n-2 O +(6n-4)KMnO 4 +(9n-6)H 2 SO 4 ->5nCO 2 +(3n-2)K 2 SO 4 + (6n-4)MnSO 4 + (14n-11) H 2 O 4 Hiệu quả của SKKN: Với việc áp dụng phương pháp này nhiều năm qua bản thân tôi trong quá trình giảng dạy đã lồng ghép trong các tiết lên lớp và tiến hành bồi dưỡng học sinh giỏi đã có những thành quả nhất định: Năm 2007 đạt 2 học sinh giỏi cấp huyện một học sinh đạt giải nhất. Năm 2009 một học sinh giỏi huyện (Tốp nhất). III. Kết luận: Phương pháp đại số đã khắc phục được khó khăn cho học sinh THCS giải quyết khó khăn trong lập phương trình phản ứng hóa học khó.Với phương pháp này các đối tượng học sinh có học lực yếu kém khó có thể vận dụng được. Mặc dù đây là phương pháp khó nhưng cần thiết phải lồng ghép giảng dạy để học sinh có biện pháp tháo gỡ khố khăn trong thi cử hiện nay. Trong khi viết SKKN này chắc chắn tôi có thể chưa thấy hết những ưu nhược điểm trong quá trình áp dụng. Tôi rất mong muốn được sự góp ý của đồng nghiệp để kinh nghiệm này trở thành có giá trị tương tác cũng như là cách tháo gỡ vấn đề khó khăn hiện nay ở môn hóa học THCS. Tôi xin chân thành cảm ơn! IV.Tài liệu tham khảo: + Phương pháp dạy học hóa học sách đại học sư phạm. + Bài tập hóa học ở trường phổ thông.(Nguyễn Xuân Trường) Các bài tập, ví dụ lấy trong đề thi học sinh giỏi huyện Cư Kuin, sách bài tập, sách bài tập nâng cao Hóa học 8 - 9. 9 . phương pháp này các thầy cô và các em học sinh nên tham khảo,tìm hiểu thêm các phương pháp cân bằng khác: Phương pháp nguyên tử nguyên tố ,phương pháp hóa trị tác dụng, phương pháp dùng hệ số. phương trình đại số để cân bằng các phương trình này, ta được các hệ phương trình có n ẩn số và n phương trình hoặc n – 1 phương trình. Giải những hệ phương trình đại số này ta được vô số nghiệm. phân số, phương pháp chẳn – lẻ, phương pháp xuất phát từ nguyên tố chung nhất, phương pháp cân bằng theo nguyên tố tiêu biểu, phương pháp cân bằng theo trình tự kim loại-phi kim, phương pháp