Kinh nghiệm dạy chuyên đề áp suất trong bồi dưỡng học sinh giỏi THPT

Hướng dẫn học sinh hình thành tư duy khái quát hoá dạng bài tập về áp suất, giúp học sinh hiểuđúng và hiểu rõ bản chất của vấn đề áp suất, từ đó kích thích óc sáng tạo tìm tòi và gây hứn

Đề tài: “Kinh nghiệm dạy chuyên đề áp suất trong bồi dưỡng học sinh giỏi THPT”

II MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Đề tài này nhằm mục đích:

1 Hướng dẫn học sinh hình thành tư duy khái quát hoá dạng bài tập về áp suất, giúp học sinh hiểuđúng và hiểu rõ bản chất của vấn đề áp suất, từ đó kích thích óc sáng tạo tìm tòi và gây hứng thúcho học sinh trong học tập

2 Sau khi học xong lí thuyết đề tài còn rèn luyện kĩ năng vận dụng, sự nhanh nhạy trong quá trìnhvận dụng kiến thức giải bài tập đáp ứng cả yêu cầu của kì thi TNKQ Thông qua việc phân chia bàitập thành các dạng đặc trưng, có phương pháp giải kèm theo để giúp học sinh tối ưu hoá việc vậndụng lí thuyết đã học

III ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Lí thuyết và bài tập về chuyên đề áp suất áp dụng cho học sinh THPT được chọn vào các lớp đểbồi dưỡng học sinh giỏi các khối 10, 11 và 12 môn Hóa học

IV PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1 Phương pháp nghiên cứu lý luận

2 Phương pháp nghiên cứu thực tiễn

3 Phương pháp điều tra

4 Phương pháp nghiên cứu lí thuyết

5 Phương pháp thực nghiệm sư phạm;

6 Phương pháp tổng kết kinh nghiệm

PHẦN NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

I CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN VỀ BÀI TẬP ÁP SUẤT

Trong sách giáo khoa và tài liệu tham khảo ở phổ thông hiện nay, thuật ngữ “ bài tập” chủ yếu được

sử dụng theo quan niệm: Bài tập bao gồm cả những câu hỏi và bài toán, mà khi hoàn thành chúnghọc sinh vừa nắm được vừa hoàn thiện được một tri thức hay một kỹ năng nào đó, bằng cách trả lờimiệng, trả lời viết hoặc kèm theo thực nghiệm

Về mặt lý luận dạy học, để phát huy tối đa tác dụng của bài tập hóa học trong quá trình dạy học,người giáo viên phải sử dụng và hiểu nó theo quan điểm hệ thống và lý thuyết hoạt động Bài tậpchỉ có thể thực sự là “bài tập” khi nó trở thành đối tượng hoạt động của chủ thể, khi có một ngườinào đó chọn nó làm đối tượng, mong muốn giải nó, tức là khi có một “người giải” Vì vậy, bài tập

và người học có mối liên hệ mật thiết tạo thành một hệ thống toàn vẹn, thống nhất và liên hệ chặtchẽ với nhau

Sơ đồ cấu trúc của hệ bài tập:

Bài tập không chỉ cung cấp cho học sinh hệ thống các kiến thức mà còn giúp cho học sinh thấyđược niềm vui khám phá và kết quả của quá trình nghiên cứu tìm tòi khi tìm ra kết quả của bài tập Trong quá trình dạy học bộ môn Hóa học ở trường phổ thông, BTHH giữ một vai trò hết sức quantrọng trong việc thực hiện tốt và hoàn thành mục tiêu đào tạo, nó vừa là mục đích, vừa là nội dung,vừa là phương phương pháp dạy học rất có hiệu quả BTHH có những ý nghĩa, tác dụng to lớn vềnhiều mặt được thể hiện qua một số vai trò như sau,trong đó bài tập về áp suất cũng không ngoài ýnghĩa đó:

* Ý nghĩa trí dục

- Làm chính xác hoá các khái niệm hoá học, củng cố, đào sâu và mở rộng kiến thức một cách sinhđộng, phong phú, hấp dẫn

- Ôn tập, hệ thống hoá kiến thức một cách tích cực nhất

- Rèn luyện khả năng vận dụng kiến thức vào thực tiễn đời sống, lao động sản xuất và bảo vệ môitrường

- Giáo dục đạo đức, tác phong: rèn luyện tính kiên nhẫn, sáng tạo, chính xác và phong cách làmviệc khoa học Giáo dục lòng yêu thích bộ môn

- Một thực tế cho thấy đa số học sinh không có sự nhạy bén với các bài tập về áp suất Về loại bàitập này không chỉ được khai thác trong các đề thi HSG mà kể cả kỳ thi THPT Quốc gia vẫn có, họcsinh vẫn làm nhưng ít em làm được đa số là lúng túng Vì vậy không chỉ không có kết quả mà lạitốn thời gian ảnh hưởng rất lớn đến bài thi và tâm lý khi thi

- Hơn nữa trước mỗi dạng bài tập học sinh chưa biết lựa chọn phương pháp phù hợp để giải quyếtbài toán ngắn gọn nhất, nhanh nhất và chính xác nhất, đây là vấn đề không dễ đối với học sinh Đa

số những học sinh không có lối tư duy tốt và không có đủ độ nhạy, thiếu phương pháp và kinhnghiệm giải quyết loại bài này thì sẽ mất rất nhiều thời gian Trong một số trường hợp thì có thểthực hiện được nhưng sẽ gặp những vướng mắc nhất định dẫn tới bài toán trở nên rườm rà, phức tạp

Là giáo viên trực tiếp giảng dạy môn hóa và được giao nhiệm vụ giảng dạy, bồi dưỡng HSG tôithấy nếu ko khai thác thêm vấn đề áp suất thì kể cả HSG cũng khó đáp ứng được những dạng bàitrên Trước thực trạng như trên khi giảng dạy tôi đã chủ động đưa ra một số biện pháp cải tiến đểkhắc phục những tồn tại đó và giúp đa số các đối tượng học sinh giỏi đều có thể tự tin giải bài tậpnhanh, chính xác, hiệu quả khi gặp dạng bài tập trên

III CÁC GIẢI PHÁP VỀ LÍ THUYẾT VÀ BÀI TẬP ĐÃ ĐƯỢC SỬ DỤNG ĐỂ GIẢI

QUYẾT VẤN ĐỀ ÁP SUẤT

III.1 LÍ THUYẾT

Trước hết cần hiểu những khái niệm cơ bản về thể tích và áp suất của chất khí:

Các phân tử chất khí ( đối với khí hiếm là nguyên tử ) ở cách xa nhau, luôn luôn trong trạng tháichuyển động hỗn loạn, lực tương tác giữa chúng rất nhỏ, nên nó chiếm hết khoảng trống trong bình

và do đó thể tích khí đúng bằng thể tích bình Dung tích là phần rỗng bên trong bình, còn thể tích là

kể cả vỏ bình Vậy khi đề cho dung tích bình ta hiểu chính là thể tích khí chiếm

Khác với chất rắn và chất lỏng, vì thể tích phân tử khí rất nhỏ so với thể tích khí (khoảng từ1/500 đến 1/1000 thể tích khí) nghĩa là khoảng trống giữa các phân tử khí khá lớn ta có thể nén khílại gần nhau hơn

Sự va chạm thường xuyên của các phân tử khí vào thành bình gây ra áp suất Vậy áp suất chính

là lực tác dụng vuông góc lên một đơn vị diện tích thành bình

1 Thể tích mol phân tử chất khí

ở điều kiện tiêu chuẩn ( 273K chính xác 273,15K hoặc 0oC và 1atm hoặc 760mmHg hoặc101325Pa ) một mol của bất cứ khí nào đều chiếm thể tích 22,4lit ( chính xác 22,414lit ) Đây là

tính chất đặc trưng riêng của chất khí Còn chất rắn, chất lỏng không như thế, mỗi chất có một thểtích riêng

Gọi n là số mol khí, V0 là thể tích khí đo ở điều kiện tiêu chuẩn Ta có biểu thức

4,22

0

V

(1)Biểu thức này áp dụng cho cả hỗn hợp khí

2 Định luật Avogađrô

"ở cùng một nhiệt độ, áp suất, mọi thể tích khí bằng nhau đều chứa cùng một số phân tử khí"

Định luật này chỉ đúng cho các chất khí , không đúng cho các chất lỏng, chất rắn vì mật độ phân tửcủa các chất khí rất nhỏ, khoảng cách rất xa nhau nên thực tế thể tích riêng của các phân tử khíkhông ảnh hưởng tới thể tích chung của khí

Từ đó: Giáo viên dẫn đến ở cùng nhiệt độ áp suất mọi thể tích bằng nhau đều chứa cùng số mol khíhay nói cách khác trong cùng nhiệt độ áp suất như nhau thể tích tỉ lệ với số mol khí

3 Định luật Boyle( Bôi) - Quan hệ giữa áp suất và thể tích.

"ở một nhiệt độ không đổi, cùng một số mol khí như nhau, áp suất càng lớn thì thể tích càng nhỏ, nói cách khác tích số P.V là một hằng số"

P1 V1 = P2 V2 = P3 V3 = … (2)

4 Định luật Charle( Saclơ)

"Ở một áp suất không đổi, cùng số mol khí như nhau thể tich khí tỉ lệ với nhiệt độ Kenvin"

=

T

V P.

(4)Trong đó P0 là áp suất ở đktc lấy bằng 1 atm (760mmHg) T0 là nhiệt độ ở đktc bằng 273 K

V0 thể tích đo ở đktc ( V0 = 22,4 n)

P,V,T, là các đại lượng đo ở đk thường T = T0 + t0c

Nếu khí đựng trong bình kín thì V chính là dung tích của bình

Công thức (4) còn được viết dưới dạng:

Phương trình trạng thái thường được dùng vào 2 mục đích:

a) Đổi thể tích khí ở đk không tiêu chuẩn thành số mol

b) Dùng để tính áp suất P

*Trong một số trường hợp cần vận dụng mấy điểm sau đây để giải quyết bài toán áp suất

1) ở cùng nhiệt độ và thể tích (dung tích bình) tỉ lệ áp suất bằng tỉ lệ số mol các khí:

+ Nếu t 0 c > 100 0 c ( áp suất không quá lớn) nước ở trạng thái hơi xem như một chất khí.

+ Nếu t 0 c ≤ 0 0 c ( áp suất không quá bé) nước trở thành trạng thái rắn coi như không gây ra áp

+ Nếu 0 0 c < t 0 c < 100 0 c, thường là 20 đến 25 0 c thì phải lưu ý tới hơi nước bão hoà ở nhiệt độ đó, thường áp suất hơi nước đề bài cho sẵn.

4) Khái niệm áp suất riêng phần, tức là áp suất gây ra bởi từng khí, áp suất đó tỉ lệ với số mol khí:

P A : P B = n A : n B

Làm rõ cho học sinh hiểu áp suất hơi nước bão hoà, và áp suất riêng phần

Những phân tử ở bề mặt chất lỏng có động năng lớn hơn lực hút của các phân tử ở phía bên trongnên có thể thoát ra khỏi bề mặt chất lỏng nghĩa là chuyển thành trạng thái khí bay hơi Nhiệt độcàng tăng thì số phân tử bay hơi càng nhiều Nếu để chất lỏng tiếp xúc với không khí hở thì chấtlỏng dần dần bay hơi hết ( dĩ nhiên tốc độ bay hơi của chất lỏng phụ thuộc vào bản chất chất lỏng).Nhưng nếu bịt kín lọ đựng chất lỏng (nước lỏng) ở một nhiệt độ nhất định, sự bay hơi của chất lỏng

có hạn, tới mức bão hoà Đó chính là áp suất hơi nước bão hoà

Như vậy nếu trong bình kín có chứa nước lỏng hoặc úp ngược một ống nghiệm trên chậu đứngnước thì tương đương tạo ra một mặt giới hạn, vì vậy ở đó sẽ tạo ra hiện tượng hơi nước bão hoà.Hơi nước bão hoà cũng tương đương như một khí và gây ra áp suất Vấn đề áp suất hơi nước bãohoà thường phổ biến trong các bài toán bình úp ngược, bài toán bình kín có chứa nước ở trạng tháilỏng

Còn áp suất riêng phần được tạo ra khi các khí chuyển động bản thân mỗi khí tự va đập vàothành bình và tự gây ra phần áp suất cho riêng mình

III.2 BÀI TẬP

Để cho việc vận dụng kiến thức đã học đạt hiệu quả cao tôi tiến hành phân bài tập thành haidạng cơ bản nhất ở mỗi dạng tôi đều chú ý đưa phương pháp đặc trưng riêng, hướng dẫn để họcsinh biết cách vận dụng những lí thuyết đã nêu trên trong các buổi học

DẠNG 1: BÀI TẬP TÍNH ÁP SUẤT P

1 Phương pháp giải

Để giải các bài toán này trước tiên giáo viên hướng dẫn và đặt ra câu hỏi cho học sinh yêu cầu xácđịnh xem áp suất đang tính tại thời điểm nào ? tức là trước hay sau phản ứng ? Câu hỏi tiếp theo làtại thời điểm đó trong bình có những khí gì ? tìm cách tính số mol mỗi khí để suy ra tổng số mol cáckhí trong bình lúc đó Cuối cùng dùng phương trình trạng thái thay các đại lượng đã tính được vàcác đại lượng đề cho vào để tính P

P =

V nRT

Chú ý: các đại lượng n, R, T, V phải vận dụng cùng thời điểm thì phương trình trạng thái mới có ýnghĩa

Như vậy tất cả những câu hỏi mà giáo viên đặt ra để hướng dẫn học sinh chính là những câu hỏi màhọc sinh phải tự trả lời khi tính P Tuy nhiên không phải bài toán nào cũng vận dụng cứng nhắc cáchlàm trên, mà tuỳ từng bài có thể vận dụng linh hoạt 4 chú ý trong phần lí thuyết đã hướng dẫn.Sauđây là các bài tập thực nghiệm minh hoạ cho dạng I

2 Bài tập thực nghiệm

Ví dụ 1:

Trong một bình kín dung tích 16 lít chứa hỗn hợp hơi ba rượu đơn chức A, B, C và 13,44 gam O2,nhiệt độ và áp suất trong bình là 109,20C và 0,89atm Bật tia lửa điện đốt cháy hết các rượu, sau đóđưa nhiệt độ bình về 136,50C, áp suất trong bình lúc này là P

Cho tất cả các khí trong bình sau khi đốt cháy lần lượt đi qua bình 1 đựng H2SO4đặc, bình 2đựng KOH đặc Sau thí nghiệm thấy khối lượng bình 1 tăng thêm 3,78 gam, còn bình 2 tăng 6,16gam

oxi dư = oxi đầu - oxi phản ứng Vì trong rượu có O2 nên

oxi phản ứng = oxi trong CO2 + oxi trong H2O - oxi trong rượu

Vì vậy phải tính số mol rượu (đơn chức)

Cách giải cụ thể

Tổng số mol khí ban đầu (gồm hơi rượu và O2) trước phản ứng cháy:

n =

)2732,109(082,0

16.98,0

+ = 0,5 mol

nO 2 = 32

44 ,

13

= 0,42 mol do đó nr = 0,5 - 0,42 = 0,08 mol

nCO 2= 44

16 ,

6

= 0,14 mol ; nH 2 O = 18

78 ,

3

= 0,21 mol

Oxi dư nO 2= 0,42 - 0,14 - (0,21 : 2) + (0,21 : 2) = 0,215 mol

Vậy tổng số trong bình sau khi đốt cháy:

= 0,215 + 0,14 + 0,21 = 0,565 mol

áp suất P bằng: P =

16

) 5 , 136 273 (

082 , 0 565 ,

38 , 3

= 42,2

Phải có rượu có M < 42,2 ứng với rượu duy nhất là CH3OH(M = 32) Và đó là rượu A vì B, C có cùng số nguyên tử các bon Như vậy A chiếm 0,08

5 3

05 , 0 32 38

,

3 −

= 59,3

Vì B,C chỉ khác nhau số nguyên tử H nên gọi công thức trung bình của B, C là CxHyOH ta có:

12x + y = 42,3 do y < 2x + 2 nên chỉ có cặp nghiệm : x = 3 và y = 6,3 là phù hợp Nhưvậy phải có rượu với số nguyên tử H lớn hơn 6,3 và rượu khác có số nguyên tử H dưới 6,3 vậy có

Đốt nóng bình một thời gian sau đó làm lạnh bình tới 00C, áp suất trong bình lúc đó là P Tỉ khối

so với hiđro của các hỗn hợp khí trong bình trước và sau phản ứng là 7,6 và 8,445

1 Giải thích tại sao tỉ khối tăng

2 tính phần trăm thể tích các khí trong bình trước phản ứng

3 Tính áp suất P

4 Tính hiệu suất phản ứng đối với mỗi olêin, biết rằng nếu cho khí trong bình sau phản ứng đi từ

từ qua bình nước Brom thấy nước Brôm bị nhạt màu và khối lượng bình nước Brom tăng 1,05 gam

a là khối lượng hỗn hợp khí trước và sau phản ứng không đổi (theo định luật bảo toàn khốilượng) Theo phản ứng (1) và (2) số mol khí giảm do đó

M sau > M trước nên tỉ khối tăng

2 Gọi x là % thể tích của mỗi olêfin trước phản ứng

6 , 7

Giải hệ phương trình (*) và (**) ta có a = b = 0,005 mol

Vậy hiệu suất phản ứng đối với mỗi olêfin bằng nhau:

1 Muốn tính %V trong bình A trước hết phải xem trong bình có khí gì , ta viết phương trình

%N2 = 83,16% ; %O2 = 3,68% ; %SO2 = 100 - 83,16 - 3,68 = 13,16%

2 Do lượng S không dư nên khi thay đổi tức trong khoảng từ 0 đến vừa đủ tác dụng hết lượng

O2 trong B thành SO2 Ta thấy %N2 luôn không đổi bằng 83,16%

+ Khi lượng S bằng 0: khi đó thành phần % các khí giống như trong A

+ Khi lượng S vừa đủ tác dụng hết oxi trong B:

Khi đó %O2 = 0% %SO2 = 100 - 83,16 = 16,84%

Vậy: 0 ≤ %O2 ≤ 3,68%; 13,16% ≤ SO2 ≤ 16,84%

3 Như câu trên cho thấy V, T, n ở hai bình như nhau ⇒ PA = PB

số mol khí N2 trong hai bình không đổi, chiếm %V không đổi nên từ đó ta tính tổng số mol hỗnhợp các khí sau phản ứng dựa vào mol khí N2

nKK =

) 3 , 27 273 (

082 , 0

.

760

96 , 9 4 , 752

100

= 0,38 mol

PA = PB =

96 , 9

) 5 , 136 273 (

082 , 0 38 ,

Giải hệ phương trình trên ta có: a = 0,01 mol b = 0,02 mol

Khối lượng hỗn hợp = 97 0,01 + 120 0,02 = 3,37 gam

Tính hiệu suất h của phản ứng

3 Giả sử dung tích bình không thay đổi, thể tích của chất rắn không đáng kể, hãy:

a Lập biểu thức tính áp suất p2 theo p1 và h là hiệu suất của phản ứng

b Tính khoảng giá trị của p2 theo p1

Phân tích để áp dụng phương pháp:

1 Cho CaC2 phản ứng với H2O:

CaC2 + H2O → Ca(OH)2 + C2H2 (1)

Mol:

4 , 22

V

4 , 22

4 , 22

3 / = +

3 / 100

3 /

3 /

x

x V

1

V V V

V P

P h

−

b vì h có giá trị từ 0 đến 1 (từ 0% đến 100%) nên

31

H2O, khí HCl tan hết tạo thành 100ml dung dịch HCl (d = 1,05 g/ml )

1 Tính nồng độ mol của dung dịch HCl

2 Tính hiệu suất phản ứng điều chế khí Clo

3 Tính áp suất trong bình thép trước khi dẫn khí Clo vào

15

= 0,1 mol ⇒ Theo p.ư (1) nCl 2 = 0,1.5/2 = 0,25 mol.

Gọi số mol thực tế khí Clo tạo ra là a mol Khi cho vào bình thép có hiđro:

Cl2 + H2 = 2HCl (2)

Sau p.ư: nHCl = 2a mol Và có H2 dư

n H 2 + nHCl = 0 , 082 273

2 72 ,

3 , 7

= 0,2 molVậy 2a = 0,2 ⇒ a = 0,1 mol

1 Nồng độ HCl: CM =

1 , 0

2 , 0

= 2M

2 Hiệu suất p.ư điều chế khí Clo: h =

25 , 0

1 , 0

.100 = 40%

3 Tính P:

Trước khi cho Clo vào bình thì trong bình chỉ có khí hiđro

n H 2ban đầu = n H 2p.ư + n H 2dư

= 0,1 + ( 0,6 - 0,2 ) = 0,5 mol

Vậy P =

72 , 6

273 082 , 0 5

1 Tính thành phần phần trăm thể tích của hỗn hợp ban đầu

2 Bơm 1,7 lít dung dịch KMnO4 vào bình để tác dụng hết với HCl trong X Sau phản ứng áp suất ở

0oC là p1 với p1 = 1,12p2 Tìm hiệu suất phản ứng tạo ra HCl

3 Nếu không bơm dung dịch KMnO4 mà bơm khí NH3 dư vào bình để phản ứng hoàn toàn Sauphản ứng áp suất ở 0oC giảm 20% Tính phần trăm thể tích các khí trong bình sau phản ứng Chobiết áp suất hơi nước và thể tích chất rắn không đáng kể

y

+ = 60%; %Cl2 = 40%

2 2KMnO4 + 16 HCl → 2KCl + 2MnCl2 + 5Cl2 + 8H2O (2)

Số mol: 2a 0,625a

Sau p.ư (2) trong bình có: nH 2= x - a; nCl 2= y - a + 0,625a = y - 0,375a

nS = x - a + y - 0,375a = x + y - 1,375a = 2,5y - 1,375a

V

PS S

.

( cùng nhiệt độ )

6 , 5 375

, 1 5 , 2

5 , 2 375

, 1 5 ,

P a

y

y a

y

y x

nH 2= x - a = 1,5y - 0,4y = 1,1y nN 2= 1/3( y - a ) = 0,2y

Ta thấy V, T không đổi nên:

S

T S

T

P

P n

Mở khoá K cho khí ở hai bình khuyếch tán lẫn vào nhau Sau một thời gian, thành phần khí tronghai bình như nhau Đưa nhiệt độ hai bình đến 54,6oC ; áp suất khí trong hai bình đều bằng 1,68atm

1 Tính phần trăm về thể tích các khí trong A, B ở thời điểm ban đầu

2 Tính thành phần % về khối lượng các khí trong bình ở thời điểm cuối, biết rằng ở nhiệt độ đãcho chất rắn tạo thành không bị phân huỷ và chiếm thể tích không đáng kể

Phân tích để áp dụng phương pháp:

1 Trước khi mở khoá: Phải hiểu hai bình hoàn toàn độc lập với nhau

) 3 , 27 273 (

082 , 0

6 , 5 32 , 1

= +

) 3 , 27 273 (

082 , 0

6 , 5 2 ,

+

Gọi số mol các khí trong A : có x mol H2, y mol CO, z mol HCl

B : có x mol CO, y mol H2, t mol NH3

= + +

5 , 0

3 , 0

t y x

z y x

⇒{ t - z = 0,2 (1)Theo hiệu khối lượng khí: