SKKN xây dựng một số công thức kinh nghiệm giải nhanh bài tập liên quan đến nguyên tố sắt

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HÓA TRƯỜNG THPT TĨNH GIA SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM XÂY DỰNG MỘT SỐ CÔNG THỨC GIẢI NHANH BÀI TẬP LIÊN QUAN ĐẾN NGUYÊN TỐ SẮT Người thực hiện: Nguyễn Xuân Sinh Chức vụ: Tổ trưởng CM SKKN thuộc lĩnh vực mơn: Hóa THANH HÓA NĂM 2014 A- ĐẶT VẤN ĐỀ Trong năm gần đây, để nâng cao chất lượng giáo dục đào tạo, ngành giáo dục có nhiều đổi nội dung chương trình, phương pháp dạy học phương pháp kiểm tra đánh giá Hình thức thi trắc nghiệm khách quan môn thi trắc nghiệm nói chung mơn Hóa học nói riêng yêu cầu giáo viên phải rèn luyện cho học sinh khả tư thao tác tính tốn, làm nhanh, tiết kiệm tối đa thời gian Các đề thi đại học cao đẳng mơn Hóa học có phạm vi kiến thức rộng, áp dụng nhiều kiến thức nằm rải rác chương trình lớp 10, lớp 11 lớp 12 Các kiến thức liên quan đến nguyên tố sắt (Fe) nội dung thường khai thác với nhiều tập hay khó Từ năm 2007 đến 2013 đề thi thường có – 10 câu hỏi sắt tập tổng hợp vô liên quan đến sắt Đặc biệt để giải tập yêu cầu em cần phải có kiến thức vững trạng thái oxi hóa Fe, biết vận dụng định luật bảo toàn electron, bảo toàn khối lượng phương pháp quy đổi, phương pháp đường chéo… Trong số toán định định luật phương pháp thay số cơng thức kinh nghiệm Trong q trình giải tốn, có cần phải xác định công thức oxit áp dụng định luật bảo toàn electron Nhưng hiểu chứng minh cơng thức kinh nghiệm học sinh cần phép tính có kết xác Để dễ nhớ số cơng thức áp dụng vào tốn thích hợp học sinh phải hiểu chứng minh công thức Chính u cầu thực tế trên, tơi mạnh dạn lựa chọn viết sáng kiến kinh nghiệm “Xây dựng số công thức kinh nghiệm giải nhanh tập liên quan đến nguyên tố sắt” B- GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ: I- Cơ sở lý luận vấn đề: Trong thực tế có nhiều viết giới thiệu cơng thức kinh nghiệm áp dụng tính tốn cho nhiều dạng tập khác Tuy nhiên viết chưa đưa cách chứng minh công thức, dẫn đến em học sinh khó nhớ, đặc biệt cơng thức có nhiều hệ số Trong phân phối chương trình, giáo viên học sinh khơng có nhiều thời gian học phần sắt hợp chất sắt Nếu không chủ động rèn luyện học phần phản ứng oxi hóa khử, axit H2SO4 đặc, axit HNO3 khơng kịp cho kỳ thi đại học cao đẳng Vì việc áp dụng cơng thức kinh nghiệm nói chung áp dụng giải tập sắt nói riêng theo tơi cần thiết hiệu 2- Thực trạng vấn đề: Số lượng tập Fe hợp chất Fe đề thi đại học – cao đẳng khối A khối B năm gần chiếm tỉ lệ tương đối lớn thể qua bảng sau: Câu hỏi lý thuyết Bài tập tính tốn Tổng Khối A Khối B Khối A Khối B số 2007 16 4 2008 14 5 2009 17 7 2010 16 2011 14 3 2012 14 4 2013 15 Nếu học sinh giải xác số lượng tập thời gian ngắn đạt điểm cao có nhiều thời gian dành cho tập khác Năm Bài tập nguyên tố sắt làm quen từ lớp Tuy nhiên nguyên tố có nhiều trạng thái oxi hóa Các dạng tập đa dạng khó Đòi hỏi học sinh phải nắm vững kiến thức làm nhiều tập Ở trường THPT Tĩnh gia chúng tôi, hầu hết em học ban khoa học tự nhiên A rèn luyện giải tốn theo phương pháp bảo tồn electron, quy đổi, đường chéo, … Bản thân tơi q trình dạy khái quát lên đưa công thức kinh nghiệm vào áp dụng Đầu tiên khó khăn hệ số q nhiều mà học sinh khơng hiểu có hệ số Nhưng hướng dẫn chứng minh cơng thức học sinh hiểu áp dụng cách dễ dàng, gây hứng thú học tập gặp dạng tốn áp dụng cơng thức Tuy nhiên số lượng cơng thức nhiều, dạng tập đa dạng, đòi hỏi học sinh phải biết phân dạng, tập trung tư áp dụng nhiều đạt kết cao Vì cần thời gian tương đối lớn phải áp dụng từ lớp 10 học chương Phản ứng oxi hóa – khử để học sinh làm quen Trong viết này, xin phép tập trung vào dạng oxi hóa sắt hợp chất sắt axit HNO3 (hoặc H2SO4) III- Giải pháp tổ chức thực hiện: Để phát huy thuận lợi khắc phục khó khăn nêu, tơi chứng minh công thức kinh nghiệm áp dụng cho số dạng tốn sau: 1- Tính khối lượng muối nitrat thu cho hỗn hợp sắt oxit sắt tác dụng với HNO3 dư (sản phẩm khơng có NH4NO3): a- Chứng minh công thức m Muối = [ ] 242 mhh + 8(3n NO + n NO2 + 8n N 2O + 10n N ) (I) 80 Trước tiên ta chứng minh m muối = 242 [ m hh + * 3n NO ] 80 Ví dụ: Chứng minh hòa tan hết chất rắn X gồm Fe, FeO, Fe 2O3; Fe3O4 HNO3 loãng dư thu khí NO sản phẩm khử dung dịch chứa m gam muối m muối = 242 [ m X + * 3n NO ] 80 Giải Ta xem Fe Fe1O0 nên chất rắn X có cơng thức chung FexOy Gọi a số mol chất rắn X dùng Ta có q trình cho, nhận electron: CHO NHẬN FexOy  xFe3+ + yO2- + (3x – 2y)e a mol ax N+5 + 3e  N+2 a(3x – 2y) a (3x − y ) = 3n NO (1) a (56 x + 16 y ) = m X (2) Ta có hệ phương trình:  80ax = (mX + 8*3nNO)  ax = Nhân (1) với cộng lại ta có: ( m X + * 3n NO ) 80 Áp dụng bảo toàn nguyên tố Fe ta có: a mol FexOy  ax mol Fe(NO3)3  m muối = 242 (m X + * 3n NO ) 80 (điều phải chứng minh) Như vậy, số 242 khối lượng mol phân tử Fe(NO3)3 80 hệ số cố định tạo Fe(NO3)3 (80 = 56+8*số e Fe nhường = 56 + 8*3) hệ số cố định (dùng để nhân vào triệt tiêu ẩn y hệ) số e N+5 nhận vào để trở số oxi hóa sản phẩm khử Như vậy, dễ dàng nhận thấy hệ số 1; 8; 10 công thức (I) số electron mà N+5 nhận để trở NO2 (N+4); N2O (N+1) N2 (N0) Ta cần bỏ công thức (I) số hạng tương ứng với sản phẩm khử khơng có tốn Cơng thức (I) hỗn hợp rắn X không gồm đầy đủ chất tốn (vì cơng thức chung FexOy) b- Ví dụ áp dụng: Ví dụ (Câu 20 - mã đề 794 - Đề thi TS ĐH-CĐ khối A năm 2008) Hòa tan hết 11,36 gam chất rắn X gồm Fe, FeO, Fe 2O3, Fe3O4 HNO3 loãng dư thu dung dịch chứa m gam muối 1,344 lít NO (sản phẩm khử nhất, đktc) Tìm m? Nhận xét: Bài ta giải nhiều cách, dùng phương pháp quy đổi, bảo toàn e… theo áp dụng công thức kinh nghiệm phép tính có kết Giải 242 1,344 m muối = 80 (11,36 + * * 22,4 ) = 38,72 (gam) Ví dụ 2: Đốt cháy x mol Fe oxi 5,68 gam hỗn hợp rắn X Hòa tan hồn tồn lượng X HNO3 lỗng dư 0,672 lít NO (sản phẩm khử nhất, đktc) Tìm x? Giải m 242 0,672 muôi n muối = M = 80 * 242 (5,68 + * * 22,4 ) = 0,08 (mol) mi Ví dụ 3: (Câu - mã đề 860 – Đề thi dự bị TS ĐH-CĐ khối A năm 2009) Cho luồng khí CO qua ống sứ đựng m gam Fe 2O3 nung nóng Sau thời gian thu 10,44 gam chất rắn X gồm Fe, FeO, Fe 2O3 Fe3O4 Hòa tan hết X dung dịch HNO3 đặc nóng thu 4,368 lít NO2 (sản phẩm khử nhất, đktc) Giá trị m là: A 12 B 24 C 10,8 D 16 Giải Cách 1: Sử dụng phương pháp bảo toàn electron quy đổi: CHO NHẬN Fe0  Fe+3 + 3e x N+5 + 1e  N+4 3x 0,195 0,195 mol O0 + 2e  O-2 y 56 x + 16 y = 10,44 3x = y + 0,195 Ta có hệ phương trình:  m Fe2O3 = 2y  x = 0,15  y = 0,1275  0,15 * 160 = 12 (gam) Khi làm theo cách yêu cầu học sinh phải nắm vững phương pháp quy đổi bảo toàn electron Cách 2: Áp dụng công thức kinh nghiệm: 242 4,368 n muối nitrat = 80 * 242 (10,44 + * 22,4 ) = 0,15 mol  m Fe O = 0,15 * 160 = 12 (gam) Với cách nhanh cách 2- Tính khối lượng muối sunfat thu cho sắt oxit sắt tác dụng với axit H2SO4 đặc, nóng dư: a- Chứng minh công thức: m muối = [ ] 400 m X + 8(2n SO2 + 6n S + 8n H S ) (II) 160 Ví dụ: Chứng minh hòa tan hết chất rắn X gồm Fe, FeO, Fe 2O3; Fe3O4 H2SO4 đặc, nóng dư thu khí SO sản phẩm khử dung dịch chứa m gam muối m muối = [ 400 m X + * 2n SO2 160 ] Ta xem Fe Fe1O0 nên chất rắn X có cơng thức chung FexOy Gọi a số mol chất rắn X dùng Ta có q trình cho, nhận electron: CHO NHẬN FexOy  xFe3+ + yO2- + (3x – 2y)e a mol ax S+6 + 2e  S+4 a(3x – 2y) a (3x − y ) = 2n SO2 (1) Ta có hệ phương trình:  Nhân (1) với cộng lại ta có: a (56 x + 16 y ) = m X (2) 80ax = (m X + * 2n SO )  ax = (m X + * 2n SO ) 80 2 Áp dụng bảo toàn nguyên tố Fe ta có: a mol FexOy   m muối = 400 (m X + * 2n SO2 ) 160 ax mol Fe2(SO4)2 (điều phải chứng minh) Trong công thức (II) : 400 khối lượng mol phân tử Fe2(SO4)3 160 lần hệ số cố định (a mol FexOy  a mol Fe2(SO4)3) 2; 6; số e trao đổi S+6 S+4(SO2); S0; S-2 (H2S) b- Ví dụ áp dụng: Ví dụ 4: Hòa tan 30 gam chất rắn X gồm FeO; Fe 2O3 Fe3O4 H2SO4 đặc, nóng dư 11,2 lít khí SO2 (sản phẩm khử nhất, đktc) Cô cạn dung dịch sau phản ứng thu gam muối khan? Giải 400 11,2 m muối = 160 (30 + * * 22,4 ) =95 (gam) Ví dụ 5: Đốt gam sắt oxi m gam hỗn hợp rắn X Hòa tan hết lượng X H2SO4 đặc, nóng, dư thu 2,8 lít khí SO2 (duy đktc) Tính m? Cách 1: Sử dụng bảo tồn electron Fe0  Fe+3 + 3e 0,125 S+6 + 2e  S+4 0,375 0,25 0,125 O0 + 2e  O-2 m−7 16 0,375 = 0,25 + 2(m − 7) 16 2(m − 7)  m= 8(gam) 16 Cách 2: Sử dụng cơng thức kinh nghiệm: Vì n Fe = 2n Fe ( SO )  2.400 2,8 = (m + 16 * )  m=8 (gam) 56 160.400 22,4 Ví dụ 6: (Câu 12 - mã đề 637 đề thi TS ĐH-CĐ khối B nắm 2009) Hòa tan hồn tồn 20,88 gam oxit sắt dung dịch H 2SO4 đặc nóng thu dung dịch X 3,248 lít khí SO (sản phẩm khử nhất, đktc) Cô cạn dung dịch X thu m gam muối khan Giá trị m là: A 52,2 B 48,4 C 54,0 D 58,0 Giải Cách 1: áp dụng bảo toàn electron + đại số: Gọi công thức oxit sắt FexOy xFe2y/x  xFe+3 + (3x – 2y)e ax S+6 + 2e  S+4 a(3x-2y) (56 x + 16 y )a = 20,88  (3x − y )a = 0,29  m Fe ( SO ) = 0,29 0,145  x = y Vậy oxit sắt FeO có số mol 20,88 = 0,29 72 0,29 * 400 = 58 (gam) Cách 2: Phương pháp quy đổi bảo toàn electron: Quy hỗn hợp gồm Fe O Ta có: Fe0  Fe+3 + 3e O0 + 2e  O-2 x y 3x 56 x + 16 y = 20,88  3x = y + 0,29 2y S+6 + 2e  S+4 0,29 0,145  x = 0,29 0,29 * 400 = 58 (gam)  m Fe2 ( SO4 )3 =  y = 0,29  Cách 3: Áp dụng công thức kinh nghiệm: m Fe2 ( SO4 ) = 400 3,248 (20,88 + * * ) = 58 (gam) 160 22,4 Rõ ràng áp dụng công thức kinh nghiệm tiết kiệm nhiều thời gian Ví dụ 7: (Câu - mã đề 537 đề thi TS ĐH-CĐ khối B nắm 2013) Hỗn hợp X gồm FeO; Fe2O3 Fe3O4 Cho luồng khí CO qua m gam X nung nóng, sau thời gian thu hỗn hợp chất rắn Y hỗn hợp khí Z Cho tồn Z vào dung dịch Ca(OH)2 dư, đến phản ứng hoàn toàn thu gam kết tủa Mặt khác, hòa tan hồn tồn Y vào dung dịch H 2SO4 đặc, nóng, dư thu 1,008 lít khí SO2 (sản phẩm khử nhất, đktc) dung dịch chứa 18 gam muối Giá trị m là: A 7,12 B 6,08 C 5,68 D 13,52 Giải Ta có số mol CaCO3 = nCO = nO = 0,04 mol Áp dụng cơng thức kinh nghiệm ta có: 400 1,008 18 = 160 (mY + 16 * 22,4 )  mY = 7,2 (gam) mX - mO = MY  mX = 6,48 + 0,04*16 = 7,12 (gam) Nhanh ta dùng phương pháp quy đổi bảo tồn electron Ví dụ 8: (Câu - mã đề 537 đề thi TS ĐH-CĐ khối B nắm 2013) Cho m gam oxit sắt phản ứng vừa đủ với 0,75 mol H 2SO4 thu dung dịch chứa muối 1,68 lít khí SO (sản phẩm khử nhất, đktc) Giá trị m là: A 24 B 34,8 C 10,8 D 46,4 Giải n H SO4 = 3n Fe2 ( SO4 ) + n SO2  Số mol Fe2(SO4)3 = 1,68 (0,75 − ) = 0,225 (mol) 22,4 Áp dụng công thức kinh nghiệm: 400 1,68 0,225 = 160 × 400 (m oxit + 16 × 22,4 )  moxit = 0,225 * 160 - 16*1,68/22,4 = 34,8 (gam) Nếu áp dụng bảo tồn electron học sinh phải xác định công thức oxit sắt Điều lam thêm thời gian Chứng minh tương tự, ta có cơng thức: Tính khối lượng kim loại Fe ban đầu tốn oxi hóa hai lần: + Với HNO3: m Fe = M Fe [m hh + 8(n NO2 + 3n NO + 8n N 2O + 8n NH NO3 + 10n N )] (III) 80 + Với H2SO4: m Fe = M Fe [m hh + 8(2n SO2 + 6n S + 10n H S )] 80 (IV) Để đơn giản, chia rút gọn hệ số ta viết: Cơng thức (I): mmuối = 3,025mX + 24,2ne trao đổi Công thức (II): mmuối =2,5mX + 20ne trao đổi Công thức (III) (IV) mFe = 0,7m hh + 5,6ne trao đổi Ví dụ 9: Đốt m gam Fe oxi thu 10 gam hỗn hợp chất rắn X Hòa tan hết X HNO3 đặc, nóng, dư giải phóng 10,08 lít khí NO (sản phẩm khử nhất, đktc) Tính m? Giải Cách 1: Bài ta áp dụng bảo tồn electron: Fe0  Fe+3 + 3e m 56  3* O0 + m 56 3m 10 − m = 2* + 0,45 56 16 10 − m 16 2e  O-2 2* 10 − m 16 N+5 + 1e  N+4 0,45 0,45  m= 9,52 (gam) Cách 2: Nếu áp dụng công thức kinh nghiệm: m Fe = 56 56 10,08 (m hh +8n NO2 ) = (10 + * ) = 9,52( gam) 80 80 22,4 Tương tự với tốn hòa tan axit H2SO4 IV- Kiểm nghiệm: Trong thực tế trường THPT Tĩnh Gia I, thân áp dụng kiến thức vào giảng dạy lớp ban khoa học tự nhiên lớp ban A Ở lớp thời gian làm rút ngắn Đặc biệt em tăng thêm hứng thú học làm tập liên quan đến sắt nói riêng học tập nói chung Để kiểm tra kết cụ thể, tơi chuẩn bị 40 tập mức độ tương đương (cả nội dung, hình thức) tương đương ví dụ trình bày trên; chia làm lần kiểm tra (lần kiểm tra thứ gồm 20 câu không áp dụng công thức kinh nghiệm lần kiểm tra thứ hai gồm 20 câu áp dụng công thức kinh nghiệm) Kết thu sau (Tính theo thời gian HS nộp đầu tiên): Thời gian làm (phút) Lớp 12A6 Lớp 10A2 Lớp 10A5 không áp dụng công thức kinh nghiệm 26 phút 30 phút 35 phút áp dụng công thức kinh nghiệm 15 phút 16 phút 20 phút Rõ ràng thời gian rút ngắn em hiểu, phân dạng áp dụng công thức kinh nghiệm vào làm C KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT: I- Kết luận 10 Dựa vào cách chứng minh phát triển chứng minh nhiều công thức kinh nghiệm khác mà tác giả Ngô Xuân Quỳnh, Nguyễn Trung Kiên… giới thiệu Trong khuôn khổ viết cho phép, xin xây dựng số công thức Một số cơng thức tính số mol axit tham gia phản ứng chứng minh dễ dàng cách viết phương trình bán phương trình dạng ion Mục đích thân rèn luyện cho học sinh biết phân dạng toán, làm giảm thời gian làm cho Fe tác dụng với axit có tính oxi hóa mạnh, dư tốn oxi hóa hai lần II- Đề xuất: - Tăng thời lượng học Fe hợp chất Fe chương trình hóa học lớp 12 Để có thời lượng đó, ta giảm bớt chương Polime vật liệu polime, chương Phân biệt số chất vô Chuẩn độ dung dịch (Không giảm nội dung mà giảm thời lượng quy định) - Tăng thời lượng học chương Phản ứng oxi hóa – khử hóa học lớp 10 Có thể giảm thời lượng phần Lai hóa (Vì thực tế có đề thi - trừ thi học sinh giỏi - khai thác vấn đề này) Với thời gian áp dụng năm học vừa qua, đồng thời ý kiến chủ quan kinh nghiệm thân tơi Vì sáng kiến khơng tránh khỏi thiếu sót Tơi mong có góp ý, bổ sung thêm quý thầy cô để sáng kiến hồn thiện Tơi xin cảm ơn! XÁC NHẬN CỦA THỦ TRƯỞNG ĐƠN VỊThanh hóa, ngày 20/05/2014 CAM KẾT KHÔNG COPY Người viết Nguyễn Xuân Sinh 11 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1- 68 công thức kinh nghiệm giải nhanh tập hóa học (Trang web: HOAHOC.ORG) Tác giả: Ngô Xuân Quỳnh 2- Một số công thức kinh nghiệm dùng giải nhanh tốn hóa học Tác giả: GV Nguyễn Trung Kiên 3- Đề thi tuyển sinh Đại học, Cao đẳng năm 2007 đến 2013 Bộ Giáo dục Đào tạo 4- Phương pháp giải nhanh tập hóa học trọng tâm Tác giả: Ths Nguyễn Khoa Thị Phượng 12 ... kiến kinh nghiệm Xây dựng số công thức kinh nghiệm giải nhanh tập liên quan đến nguyên tố sắt B- GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ: I- Cơ sở lý luận vấn đề: Trong thực tế có nhiều viết giới thiệu cơng thức kinh. .. 11 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1- 68 công thức kinh nghiệm giải nhanh tập hóa học (Trang web: HOAHOC.ORG) Tác giả: Ngơ Xn Quỳnh 2- Một số công thức kinh nghiệm dùng giải nhanh tốn hóa học Tác giả: GV Nguyễn... chứng minh nhiều công thức kinh nghiệm khác mà tác giả Ngô Xuân Quỳnh, Nguyễn Trung Kiên… giới thiệu Trong khuôn khổ viết cho phép, xin xây dựng số công thức Một số cơng thức tính số mol axit tham