ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP bảo TOÀN để GIẢI bài tập hóa học ở TRƯỜNG PHỔ THÔNG (tt)

ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP BẢO TOÀN ĐỂ GIẢI BÀI TẬP HĨA HỌC Ở TRƯỜNG PHỔ THƠNG Nguyễn Thị Hồn Trường Đại học Quảng Bình Tóm tắt Phương pháp giải tốn hóa học dựa vào định luật bảo tồn khối lượng phương pháp đưa sớm nói diện sử dụng rộng rãi nhất, nhiều sách báo, tài liệu đề cập đến Bài viết nghiên cứu nguyên tắc phạm vi áp dụng phương pháp bảo toàn theo nghĩa rộng (bao gồm bảo toàn khối lượng, bảo toàn nguyên tố, bảo toàn electron bảo toàn điện tích) số dạng tốn chương trình hóa học trường phổ thơng MỞ ĐẦU Bài tập hóa học đóng vai trò quan trọng q trình dạy học hóa học Bài tập hóa học sở để hình thành kiến thức kỹ mới, phương tiện để củng cố kiến thức kỹ năng, rèn luyện phát triển tư duy, trí thơng minh sáng tạo học sinh Bài tập hóa học nguồn để mở mang vốn hiểu biết thực tiễn cho học sinh, góp phần giáo dục kỹ thuật tổng hợp, giáo dục đạo đức, tư tưởng hình thành tác phong người lao động Trong thực tế dạy học hóa học, học sinh thường gặp nhiều khó khăn giải tập định lượng (bài tốn hóa học) Để giúp học sinh nắm vững phương pháp giải nhanh tốn hóa học, đặc biệt tốn trắc nghiệm, chúng tơi muốn đề cập đến nguyên tắc phạm vi áp dụng phương pháp bảo toàn khối lượng theo nghĩa rộng số dạng toán hay gặp NỘI DUNG Phương pháp áp dụng định luật bảo toàn khối lượng theo nghĩa rộng nói bảo tồn vật chất Tùy theo mức độ, đối tượng học sinh, ta tạm chia thành loại: Bảo tồn khối lượng, bảo toàn nguyên tố (cho học sinh lớp 8), bảo toàn electron (cho học sinh lớp 10, cho học sinh giỏi từ lớp 8) bảo tồn điện tích (cho học sinh từ lớp 11, cho học sinh giỏi từ lớp 10) 2.1 Phương pháp bảo toàn khối lượng Dựa vào nội dung định luật bảo toàn khối lượng: Tổng khối lượng chất tham gia phản ứng tổng khối lượng chất tạo thành sau phản ứng Một số ví dụ: a) Hóa học vơ cơ: Ví dụ Cho 12g hỗn hợp Fe, Mg vào 200 ml dung dịch hỗn hợp H 2SO4 1M HCl 1M phản ứng vừa đủ 1) Tính thể tích H2 2) Cô cạn dung dịch gam muối khan? Hướng dẫn giải n H2SO4  0,2 mol; n HCl  0,2 mol Các phương trình hóa học xảy ra: Mg + HCl → MgCl2 + H2↑ Mg + H2SO4 → MgSO4 + H2↑ Fe + HCl → FeCl2 + H2 ↑ Nhận xét: 1) n H  n H SO VH Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2 ↑   n HCl  0,3 (mol ) 0,3 22,4  6,72 (lit ) 2) Áp dụng Định luật bảo toàn khối lượng: mkim loại + m axit = mmuối + m H  mmuối = 12,0 + 0,2.(98 + 36,5) – 0,3 = 38,3 (gam) Ví dụ Hỗn hợp A gồm FeO, Fe2O3, Fe3O4 Nung nóng m (g) hỗn hợp A ống sứ cho luồng CO qua Sau kết thúc thí nghiệm, người ta thu 20,4 g chất rắn B 8,96 lit khí D ở đktc, có tỉ khối so với H 20 Tính giá trị m Hướng dẫn giải Nhận xét: MCO = 28 < MD = 20 = 40 < MCO2 = 44 Vậy D có CO2 CO dư nD  8,96  0,4 (mol) ; 22,4 mD = 0,4 40 = 16 (g) t Phản ứng xảy ra: Fe2O3 + CO  Fe3O4 + CO2 t Fe3O4 + CO  FeO + CO2 t FeO + CO  Fe + CO2 B có chất: Fe, FeO, Fe3O4, Fe2O3 Theo phương trình hóa học: nCO(pứ) = n CO  nCO (ban đầu) = nD Áp dụng định luật bảo tồn khối lượng ta có: m + 0,4 x 28 = 20,4 + 16,0 Suy ra: m = 20,4 + 16 - 11,2 = 25,2 (g) Ví dụ Cho hỗn hợp X gồm Al, Fe, Mg tác dụng với dung dịch HCl dư thu 11,2 lít khí (đktc) 53,0g muối Tìm khối lượng hỗn hợp X Hướng dẫn giải Cũng áp dụng tương tự, ta có mX + mHCl = mH2 + mmuối Mà nHCl = nH2 = 11.2 : 22.4 = 1,0 (mol) Suy ra: mX = 53,0 + 0,5 - 1,0 36,5 = 17,5 (gam) b) Hóa học hữu cơ: Ví dụ Đốt cháy hoàn toàn m gam hỗn hợp ba rượu no, đơn chức đồng đẳng thu V lít CO2 (đktc) a gam nước Lập phương trình thể mối quan hệ m, V, a Hướng dẫn giải Phương trình hóa học phản ứng: CnH2n + 1OH + 3n O2 → n CO2 + (n + ! ) H2O Nhận xét: nO2  3 V nCO2 = 2 22,4 Áp dụng Định luật bảo toàn khối lượng (ĐLBTKL) ta có: m + 32 V V = 44 +a 22,4 22,4 m=a–  V 5,6 Ví dụ Đốt cháy hồn tồn m gam chất hữu A cần 12,32 lít khơng khí (đo ở điều kiện tiêu chuẩn; khơng khí chứa 20% thể tích oxi lại nitơ) Sản phẩm cháy gồm CO2, nước khí nitơ Cho sản phẩm cháy sục vào nước vơi dư, khối lượng bình tăng thêm 6,04 gam xuất 8,0 gam kết tủa Khí khỏi bình tích 8,4 lít ở 1360C 1,84 atm Tìm m Hướng dẫn giải n KK  12,32  0,55 (mol) ; 22,4 nN2  nO2  20 0,55  0,11 (mol) ; 100 1,84 8,4 80  0,46 (mol) 0,55  0,44 (mol) ; nsau  0,082 (136  273) 100 Đặt cơng thức A CxHyOzNt, phương trình hóa học: CxHyOzNt + (x + ẳ y - ẵ z) O2 → x CO2 + ½ y H2O + ½.t N2 Bình nước vơi hấp thụ CO2 nước Khí khỏi bình có nitơ Áp dụng ĐLBTKL cho phản ứng ta có: m + mKK = 6,04 + 0,46 28 ↔ m = 18,92 - 0,11 32 - 0,44 28 = 3,08 (gam) 2.2 Phương pháp bảo tồn ngun tố, nhóm ngun tố (nhóm chức) Dựa vào tính chất: Trong phản ứng hóa học có biến đổi chất thành chất khác, khối lượng nguyên tố bảo toàn Từ khối lượng chất chứa nguyên tố biết tìm ngun tố chất khác Một số ví dụ: a) Hóa học vơ cơ: Ví dụ Hòa tan m gam hỗn hợp Al, Fe, Cu dung dịch H2SO4 đặc, nóng vừa đủ thu 6,72 lít SO2 (đktc) dung dịch X Cơ cạn dung dịch X 40,8 gam muối khan Tìm m Hướng dẫn giải nSO2  6,72  0,3 (mol ) 22,4 Từ phương trình hóa học rút nhận xét quan hệ số mol ion, chất Ở viết phương trình phản ứng tổng quát: M + 2n H2SO4 → M2(SO4)n + n SO2↑ + 2n H2O Ta thấy: nSO  nSO  0,3 (mol) ; nH SO  nH O  nSO  0,6 (mol) Như mol 2 2 2 S, H bảo tồn Bài tốn giải theo phương pháp bảo toàn khối lượng Bảo toàn thành phần muối, ta thấy: mmuối = mkim loại + mgốc axit nên khối lượng kim loại m = 40,8 - 0,3 96 = 12.0 (gam) Ví dụ Hòa tan 42,5 gam hỗn hợp CaCO3, Na2CO3, K2CO3, BaCO3 vào dung dịch HCl dư, 8,96 lít khí (đktc) Cơ cạn dung dịch thu gam muối khan? Hướng dẫn giải Sau viết phương trình hóa học, nhận xét rằng: nCO2  nCO2 nH 2O  0,4 (mol) ; nHCl  nCl   nCO2  0,8 (mol) Có thể áp dụng ĐLBTKL: Bảo tồn thành phần muối, ta thấy: mmuối = mkim loại + mCl- Hay: mmuối = (42,5 - 0,4 60) + 0,8 35,5 = 51,3 gam Ví dụ Hòa tan 42,4 gam hỗn hợp A (gồm Fe, FeO, Fe2O3) dung dịch HCl dư thu dung dịch X 4,48 lít khí (đktc) Thêm dung dịch NaOH dư vào dung dịch X, lọc lấy kết tủa, nung khơng khí đến khối lượng khơng đổi 48,0 gam chất rắn Y Tìm khối lượng chất hỗn hợp Hướng dẫn giải nFe 2O3  0,3 (mol); nH  0,2 (mol) Trong Y có 0,9 mol O Fe + HCl → FeCl2 + H2 Fe(OH)2 Fe2O3 t Fe(OH)3  42,4 gam FeO + HCl → FeCl2 + H2O + NaOH Fe2O3 + HCl → FeCl3 + H2O 48,0 gam (0,3 mol) Gọi số mol Fe, FeO, Fe2O3 A a, b, c Ta có hệ: a = 0,2 a = 0,2 (mol) a + b + 2c = 0,3 (bảo toàn Fe)  b = 0,1 (mol) 56a + 72b + 160c = 42,4 c = 0,15 (mol) Nên mFeO = 7,2 gam Hoặc tính theo phương pháp bảo toàn nguyên tố oxi: nFe = n H = 0,2 mol Mà: 0,2 mol Fe  0,1 mol Fe2O3 (có 0,3 mol O) Còn lại A: FeO Fe2O3 có khối lượng 42,4 - 0,2 56 = 31,2 (gam) Đặt số mol chúng x y Ta thấy có FeO bị oxi hóa: FeO + [O] → Fe2O3 x ½x Nên ta có hệ phương trình: x + ½ x + 3y + 0,3 = 0,2 (bảo toàn O) 72x + 160y = 31,2  x = 0,1 (mol) y=0,15 (mol) b) Hóa học hữu cơ: Trường hợp tổng quát, đốt cháy hợp chất A chứa C, H, O: CxHyOz + (x + ¼ y - ½ z) O2 → x CO2 + ½ y H2O Ngồi bảo tồn C, H, bảo tồn O Ta có nO(A) + nO(O2) = nO(CO2) + nO(H2O) Hay : nO(A) = nCO2 + nH2O – 2nO2 Đốt cháy hỗn hợp hidrocacbon khối lượng hỗn hợp tổng khối lượng cacbon (trong CO2) hidro (trong nước) Khối lượng rượu, axit cacboxylic, tổng khối lượng C, H (tính từ phản ứng đốt cháy) khối lượng O (tính từ phản ứng với Na chẳng hạn) Ví dụ Đốt cháy hồn tồn a gam hỗn hợp CH4 C2H4, C3H6 thu b gam CO2 c gam nước 1) Tính a theo b, c 2) Tính V lít khơng khí (đktc) cần để đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp Hướng dẫn giải CxHy + (x + ¼ y ) O2 → x CO2 + ½ y H2O 1) Tính khối lượng hỗn hợp: 2) Số mol oxi phản ứng: VKK = a  12 b c b c    a  44 18 11 nO2  nCO2  22,4 ( nH O 2  nO2  b c  44 36 b c b c  ) = 28 (  ) 44 36 11 Ví dụ Đốt cháy hồn tồn m gam hỗn hợp ba rượu no, đơn chức đồng đẳng thu V lít CO2 (đktc) a gam nước Lập phương trình thể mối quan hệ m, V, a (Ví dụ mục 2.1) Hướng dẫn giải Phương trình hóa học: CnH2n + 1OH + 3n O2 → n CO2 + (n + ) H2O Khác với cách giải ở ví dụ (mục 2.1), ở ta có nhận xét: Công thức cấu tạo hai chất H2N-C2H4-COOH H2N-C3H5 (COOH)2 Gọi số mol alanin axit glutamic a, b Số mol HCl phản ứng nHCl = n-NH2 = nX = a +b = (m + 36,5 - m): 36,5 = 1,0 (mol) (*) Số mol nNaOH = nNa = n-COOH = a + 2b = (m + 30,8 - m) : 22 = 1,4 (mol) (**) Giải hệ phương trình (*) (**) ta có: a = 0,6 (mol); b = 0,4 (mol) Suy ra: m = 0,6 89 + 0,4 147 =112,2 (gam) 2.3 Phương pháp bảo tồn điện tích Dựa vào tính chất: Trong dung dịch chất điện ly hợp chất hỗn hợp chất ln trung hòa điện, hay nói cách khác, tổng điện tích dương ln tổng điện tích âm Thiết lập phương trình tốn học liên hệ số mol ion để tính kết cần thiết Ví dụ Một dung dịch chứa hai cation Fe2+ (0,1 mol) Al3+(0,2 mol) hai anion Cl- (x mol) SO42-(y mol) Tính x, y biết sau cạn dung dịch thu 46,9 g chất rắn khan Hướng dẫn giải Ta có hệ phương trình: 56.0,1 +27.0,2 +35,5.x +96y = 46,9 (Định luật bảo tồn điện tích) 0,1.2 + 0,2.3 = x + 2y  35,5x + 96y = 35,9 (1) x + 2y = 0,8 (2) (Định luật bảo toàn khối lượng)  x = 0,2 mol y = 0,3 mol Ví dụ Dung dịch X chứa a mol Na+, b mol HCO3-, c mol CO32-, d mol SO42 Để tạo kết tủa lớn người ta dùng 200ml dung dịch Ba(OH)2 nồng độ x (M) Lập biểu thức tính x theo a, b Hướng dẫn giải Phương trình ion thu gọn: Ba2+ + CO32- = BaCO3  HCO3- + OH- = CO32- + H2O Ba2+ + SO42- = BaSO4  Dung dịch sau phản ứng có Na+: a mol, trung hòa điện tích bởi a mol OH- Để tác dụng với HCO3- cần b mol OH- nên tổng số mol OH- (a+b) mol ab Suy ra: số mol Ba(OH)2 = a  b nồng độ x =  a  b (mol/l) 0,2 0,4 2.4 Phương pháp bảo toàn electron Áp dụng tính chất: Trong phản ứng oxi hóa - khử, tổng số electron mà chất khử nhường tổng số electron mà chất oxi hóa nhận Khi có nhiều chất oxi hóa, nhiều chất khử hỗn hợp phản ứng (nhiều phản ứng phản ứng qua nhiều giai đoạn) ta cần xác định trạng thái đầu trạng thái cuối chất ôxi hóa, chất khử, chí khơng cần quan tâm đến việc cân phương trình hóa học Phương pháp trở nên đơn giản toán phải biện luận nhiều trường hợp xảy Ví dụ Hòa tan hồn tồn 15,8 gam hỗn hợp kim loại A, B, M thu 11,2 lít (đktc) hỗn hợp khí X gồm NO, NO2 có tỉ khối so với hidro 18,2 1) Tính số gam muối tạo thành 2) Tính thể tích HNO3 6M đủ dùng Hướng dẫn giải 1) Đặt ký hiệu kim loại R, hóa trị chung n MX = 18,2 = 36,4 Số mol hỗn hợp X là: 11,2 = 0,5 (mol) 22,4 Khối lượng X: mX = 0,5 36,4 = 18,2 (gam) Đặt số mol NO, NO2 a, b Ta có hệ phương trình : 30a + 46b = 18,2 a = 0,3 (mol) a + b = 0,5  b = 0,2 (mol) Q trình oxi hóa: R → R+n + neQuá trình khử: N+5 + 3e- → N+2 0,3.3 0,3 mol 0,2.1 N+5 + 1e- → N+4 0,2 mol * Dấu hiệu chất: Số mol electron nhường = số mol điện tích dương kim loại = số mol NO3- (bảo tồn điện tích), nên số mol NO3- = 0,3 + 0,2 = 0,8 (mol) Vậy: mmuối = 15,8 + 0,8 62 = 65,4 (gam) Ví dụ Đốt cháy 8,4 gam bột Fe bình chứa oxi thu 11,36 gam hỗn hợp A gồm Fe2O3, Fe3O4, FeO, Fe Cho A tác dụng hết với HNO3 thu V lít khí B (đktc) gồm NO2 NO có tỉ khối so với Hidro 19 Thể tích V thu là: A = 0,448 B = 1,344 C = 4,48 D = 0,896 Hướng dẫn giải Số mol Fe 0,15 mol MB = 19 = 38 Số mol O2 = 11,36  8,  0, 0925 (mol ) 32 Gọi số mol NO, NO2 x, y Ta có hệ phương trình: 30 x + 46 y = 38 (x + y) 3x + 1y + 0,0925 = 0,15 x = y = 0,02 (mol) V = 0,448 (lít) Ví dụ Trộn 0,3 mol Fe với 6,4 gam S nung nóng điều kiện khơng có khơng khí thu hỗn hợp X Hòa tan X H2SO4 đặc nóng thu m gam khí SO2 Giá trị m là: A = 56,0 D = 60,4 B = 67,20 C = 80.0 Hướng dẫn giải nS = 0,2 (mol) Tổng số mol electron mà Fe S nhường cho S+6 là: 0,3 + 0,2 = 1,7 (mol) Mà: S+6 + 2e → S+4 nên số mol S+6 nhận electron là: 1,7 : = 0,85 (mol) Tổng số mol SO2 thu = nS+6 + nS = 0,85 + 0,2 = 1,05 (mol) Vậy m = 67,20 Lưu ý: Trong trường hợp này, không ý chất mà viết phương trình phản ứng tạo FeS, tính lượng FeS, Fe dư, thời gian rắc rối cho việc tính tốn KẾT LUẬN Trong ví dụ nêu dấu hiệu chất cần ý để áp dụng phương pháp bảo tồn Các dấu hiệu chất quan hệ số mol chất, ion phương trình phản ứng, quan hệ chất đầu - chất cuối thấy thay đổi số nguyên tử, thay đổi khối lượng, thay đổi điện tích, hóa trị, Từ thiết lập mối quan hệ để tìm lượng chất khác lượng chất cần tìm Một tốn, có cách giải khác nhau: Bảo toàn khối lượng, bảo toàn nguyên tố, bảo toàn thành phần hợp chất bảo tồn electron (nếu có phản ứng oxi hóa - khử) Ngồi phương pháp bảo tồn, giải tốn hóa học theo phương pháp khác phương pháp tăng - giảm khối lượng, ghép ẩn số, Khi giảng dạy, giáo viên cần yêu cầu học sinh tìm nhiều cách giải khác để vừa phát huy trí lực em, giúp em tìm cách giải nhanh hơn, hiệu khắc sâu cách tìm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ngơ Ngọc An (2004), Câu hỏi tập trắc nghiệm hóa học THCS, Nxb ĐHSP [2] Vũ Văn Lục (1993), Phương pháp dạy tập hóa học, TLBDTX, Nxb Giáo dục [3] Lê Đình Ngun (2004), Bồi dưỡng hóa học THCS, Bài tập trắc nghiệm Hóa học 8, Nxb ĐHQG TPHCM [4] Quan Hán Thành (2009), Phân loại phương pháp giải tốn Hóa vơ cơ, Nxb ĐHQG TP Hồ Chí Minh [5] Quan Hán Thành (2009), Phân loại phương pháp giải tốn Hóa hữu cơ, Nxb ĐHQG TP Hồ Chí Minh [6] Nguyễn Xuân Trường (2006), Trắc nghiệm sử dụng trắc nghiệm dạy học hóa học trường phổ thông, Nxb Đại học sư phạm APPLICATION OF CONSERVATIVE METHODS TO SOLVE CHEMISTRY PROBLEMS IN HIGH SCHOOL CURRICULUM Nguyen Thi Hoan Quang Binh University Abstract Among many methods solving math problems in chemistry, the method using the principle of mass conservation is first described and perhaps is also the most widely used Thus, many books, documents have mentioned this method The article is about the study on the range of the conservation law's application generally (including mass conservation, element conservation, charge conservation, election conservation) in solving some math problems of the chemistry curriculum in high school  ... khử) Ngồi phương pháp bảo tồn, giải tốn hóa học theo phương pháp khác phương pháp tăng - giảm khối lượng, ghép ẩn số, Khi giảng dạy, giáo viên cần yêu cầu học sinh tìm nhiều cách giải khác để vừa... (2009), Phân loại phương pháp giải tốn Hóa hữu cơ, Nxb ĐHQG TP Hồ Chí Minh [6] Nguyễn Xuân Trường (2006), Trắc nghiệm sử dụng trắc nghiệm dạy học hóa học trường phổ thông, Nxb Đại học sư phạm APPLICATION...8), bảo tồn electron (cho học sinh lớp 10, cho học sinh giỏi từ lớp 8) bảo tồn điện tích (cho học sinh từ lớp 11, cho học sinh giỏi từ lớp 10) 2.1 Phương pháp bảo toàn khối lượng