Sử dụng phương pháp trung bình trong bài tập hoá học THPT

1 MỞ ĐẦU 1.1 Lý chọn đề tài Hóa học môn nghiên cứu chất biến đổi chất Đa phần hệ thống khái niệm, kiến thức chất phản ứng hóa học trừu tượng Vì song song với việc học lý thuyết, làm thực nghiệm việc giải tập hóa học có vai trò quan trọng Thơng qua giải tập hóa học, học sinh nắm vững kiến thức đồng thời rèn luyện lực tư Đối với mơn hóa học nói chung hóa hữu nói riêng, để giải tập hóa học ngồi việc nắm vững kiến thức lý thuyết liên quan phương pháp giải tốn có tính chất định hướng cho hoạt động tư học sinh Mặt khác trình giải tập học hóa chương trình phổ thơng nhiều toán, dạng toán phải vận dụng phương pháp sử dụng trị số trung bình Qua thực tế giảng dạy tơi nhận thấy đa phần học sinh lúng túng, chưa linh hoạt việc vận dụng phương pháp Trong nhiều tài liệu tham khảo đề cập phương pháp nhiên tác giả có cách tiếp cận khác nhìn chung chưa có tính chất hệ thống, đầy đủ mang tính khái quát cao học sinh khơng có nhìn tổng thể Vì tơi chọn đề tài: “ Sử dụng phương pháp trị số trung bình tập hóa học ” 1.2 Mục đích nghiên cứu - Nâng cao chất lượng hiệu dạy- học hoá học - Giúp cho học sinh nắm nguyên tắc chung sử dụng phương pháp trị số trung bình Từ rèn kỹ giải tập nói chung tập dạng nói riêng - Phát huy tính tích cực tạo hứng thú cho học sinh học tập đặc biệt giải tập hoá học 1.3 Đối tượng nghiên cứu - Đối tượng học sinh trung học phổ thơng - Kiến thức lí thuyết tập liên quan chương trình hóa học THPT - Nghiên cứu sở lí thuyết, dấu hiệu sử dụng, bước tiến hành sử dụng phương pháp trị số trung bình tốn hóa học - Chọn lọc ví dụ đặc trưng, khai thác khía cạnh mà học sinh thường vướng mắc 1.4 Phương pháp nghiên cứu Để hoàn thành đề tài, vận dụng phương pháp nghiên cứu khoa học như: Phân tích lý thuyết, điều tra bản, tổng kết kinh nghiệm sư phạm sử dụng số phương pháp thống kê toán học việc phân tích kết thực nghiệm sư phạm v.v Nghiên cứu kỹ sách giáo khoa sách nâng cao phương pháp giải tập tham khảo tài liệu biên soạn phân tích hệ thống dạng toán hoá học theo nội dung đề Đúc rút kinh nghiệm thân trình dạy học Áp dụng đề tài vào chương trình giảng dạy học sinh THPT 1.5 Những điểm sáng kiến kinh nghiệm - Hệ thống hóa cách khái quát, đầy đủ việc vận dụng phương pháp trung bình tốn xác định cơng thức phân tử hợp chất hữu vô hỗn hợp - Sử dụng phương pháp trung bình dạng tập khác: Biện luận chất dư, chứng minh bất đẳng thức, tìm khoảng xác định NỘI DUNG 2.1 Cơ sở lý luận sáng kiến kinh nghiệm 2.1.1 Các giá trị trung bình hóa học Trong hố học hữu thường sử dụng giá trị trung bình số nguyên tử C, H, O , số nhóm chức, số liên kết  Cách xác định giá trị tổng quát sau: X= �X �n X yếu tố cần xác định giá trị trung bình; theo mol) hỗn hợp; �X tổng yếu tố X (qui  n tổng số mol hỗn hợp Hoặc: X = X1 a1 + X2.a2 +X3.a3+ +Xn.an Xn giá trị X chất n; a n tỉ lệ % theo mol chất n hỗn hợp 2.1.2 Đặc điểm trị số trung bình X : - X khơng phải số, phụ thuộc vào thành phần % (theo mol) hỗn hợp - X nhận giá trị ngun khơng ngun Trong trường hợp X nguyên có Xmin X  Xmax (Dấu = xảy X X Khi X khơng phụ thuộc vào tỷ lệ % theo mol) - Trong hỗn hợp xảy trường hợp: tất chất có X X ( xảy X có giá trị nguyên); có chất có X < X chất có X> X , tức Xmin< X < Xmax 2.1.3 Phạm vi áp dụng phương pháp Về nguyên tắc, phương pháp áp dụng để giải tất toán hỗn hợp Tuy nhiên, thích hợp ưu việt với toán thỏa mãn điều kiện sau: + Tất chất hỗn hợp có phản ứng với chất điều kiện + Các phản ứng loại tạo loại sản phẩm + Các phản ứng xảy với hiệu suất 2.2 Thực trạng vấn đề trước áp dụng sáng kiến kinh nghiệm + Học sinh chưa nhận diện dạng tập cần sử dụng phương pháp trị số trung bình vận dụng lúng túng, chưa có tính hệ thống 2.3 Các trường hợp sử dụng phương pháp trung bình tập hóa học 2.3.1 Sử dụng phương pháp trung bình để xác định công thức chất hữu vô hỗn hợp 2.3.1.1 Đặt công thức tương đương cho hỗn hợp (cơng thức trung bình) * Cơng thức tương đương: công thức phân tử chung hỗn hợp yếu tố như: số nguyên tử nguyên tố, số liên kết , số nhóm chức thay giá trị trung bình Dùng cơng thức tương đương ta coi hỗn hợp chất Việc lựa chọn dạng CTTĐ tương tự toán chất * Việc chọn cơng thức tương đương thích hợp yếu tố quan trọng để giải toán, cần nắm số ngun tắc: - Trong tốn sử dụng đồng thời nhiều công thức tương đương tùy thuộc loại phản ứng: Nếu chất hỗn hợp loại nhóm chức, phản ứng xảy nhóm chức đặt cơng thức dạng chức Nếu khác nhóm chức phản ứng cháy dùng cơng thức dạng phân tử Nếu tạp chức tùy trường hợp dùng hai loại - Chọn công thức tương đương giá trị trung bình tốt Thường vào trị số không đổi giống chất, mối liên hệ nguyên tử phân tử theo đặc điểm cấu tạo 2.3.1.2 Xác định giá trị trung bình Sau đặt cơng thức chất tương đương việc viết phương trình hóa học, sơ đồ tính tốn để tìm giá trị trung bình, giá trị khác thực với chất có CTTĐ tương tự tốn chất 2.3.1.3 Kết luận nghiệm sau xác định trị số trung bình (xét đơn giản cho hỗn hợp chất): Nguyên tắc chung dựa vào tính chất X min X  Xmax biểu thức tính X Trường hợp 1: Biết quan hệ chất – cụ thể mối quan hệ số lượng X chất: Đồng đẳng liên tiếp, chu kì liên tiếp, k nguyên tử cacbon, k nguyên tử H , k nhóm chức, k liên kết pi, biết tương quan khối lượng mol biết giới hạn số số nguyên tử cacbon, hiddro, nhom chưc, liên kết pi, khối lượng mol Trong trường hợp ta dựa vào tính chất Xmin X  Xmax để biện luận Khi ta xác định chất thoả mãn điều kiện toán có X < X X > X , chất lại xác định dựa vào quan hệ đảm bảo có X > X X< X Trường hợp gặp phổ biến với hỗn hợp đồng đẳng biết quan hệ Trường hợp 2: Không biết quan hệ số lượng X chất Trong trường hợp ta dựa vào biểu thức tính X để biện luận X = a X  b.Y (1) a b X = X x + Y (1 – x) (2) Trong a, b x, (1- x) số mol % số mol X, Y - Nếu đề cho biết số mol tỉ lệ mol chất, tức a = k b Thay vào vào (1) ta phương trình nghiệm nguyên X, Y Chọn nghiệm X, Y thỏa mãn - Nếu chưa biết tỉ lệ mol ta tim số mol chất tỉ lệ mol sau lam Trường hợp tìm giá trị trung bình, ta dựa vào giá trị trung bình (với yếu tố biết chất) tìm % mol hỗn hợp Trường hợp 3: Không biết quan hệ số lượng X chất khơng tìm tỉ lệ mol chất Trong trường hợp này, đề cho có kiện để xác đinh giới hạn số mol chất, sau dựa vào biểu thức tính X để biện luận X = a X  b.Y (1) a b X = X x + Y (1 – x) (2) Trong a, b x, (1- x) số mol % số mol X, Y Dựa vào X kiện khác cho xác định chất Ở cần ý đến tính chất vật lý – trạng thái tồn tại, điều kiện trạng thái bền để xác định Chẳng hạn: Hyđrocacbon khí có số C  4; HC khơng no có số C  2; Rượu khơng no có 3C; số nhóm OH rượu  số nguyên tử C no; Rượu đa chức, axit, andehit đa chức có 2C; hợp chất thơm có 6C, Sau định chất (chất có nhiều trường hợp), việc xác định chất lại tiến hành sau: Giới hạn mol cho tự đặt sở: Với hỗn hợp chất A, B : < nA < nh2 < nb < nh2 Nếu giả sử nA > nB  nhh n  n A  nhh ;  nB  hh ;  n A pu �n A  nhh 2 Biểu thị số mol theo đại lượng cần tìm ( số mol = f (X)) Đặt biểu thức số mol vào giới hạn để tìm giới hạn X Trường hợp khó xác định trị số cụ thể X Có tốn buộc phải theo phương pháp trị số trung bình (vì dùng phương pháp khác phức tạp, chí khơng giải được), lại khơng tìm giá trị cụ thể X Trong trường hợp này, giải theo phương án sau đây: Phương án 1: - Biểu thị X theo đại lượng giới hạn được, đại lượng thường là: + số liên kết  với điều kiện số liên kết  mạch C nhỏ số nguyên tử C + số nhóm chức, xác định số lượng chức tối đa, + số nguyên tử nguyên tố đó, giới hạn điều kiện tồn tại, trạng thái vật lý hay quan hệ nguyên tử phân tử ) - Xác định giá trị X theo giá trị yếu tố mà X biểu thị theo miền giá trị yếu tố - Từ giá trị X tìm xác định chất Phương án 2: Tìm khoảng xác định X Khi khơng thể tìm giá trị cụ thể X ta tìm khoảng giới hạn X từ biện luận kiện tốn tính chất X Giả sử có a < X < b Thì có Xmin < b; Xmax > a Khi dựa vào Xmin < b tìm chất thích hợp kết hợp liệu khác để xác định chất lại thoả mãn X max> a + Khoảng giới hạn X thường xác định theo giới hạn mol, rút số mol chất theo X đặt số mol vào điều kiện nó, từ tìm giới hạn X 2.3.1.4 Các ví dụ cụ thể Ví dụ 1: Đốt cháy hồn tồn 2,92 (g) hỗn hợp ankan A,B thu 4,48 lit CO (đktc) Xác định công thức A, B trường hợp sau: a A, B chất khí điều kiện thường b A, B dãy đồng đẳng c A, B cách chất dãy đồng đẳng d A, B có tỷ lệ mol nA : nB = : e Tỷ lệ mol A,B tỷ lệ số nguyên tử C A, B * Nhận xét: Đề yêu cầu lập công thức phân tử ankan có thêm kiện mối liên hệ , giới hạn số nguyên tử C, tỉ lệ mol � Sử dụng pp trị số trung bình kết luận nghiệm theo trường hợp   Giải: Đặt CTTĐ hỗn hợp ankan C n H2 n +2 _   C n H2 n +2 + n O2 �� � n CO2 +( n +1)H2O   n=  nCO2 nhh  0,2 10  0,06 Đặt HC CxH2x+2 CyH2y+2 giả sử x 1) Vì A khí điều kiện thường nên 8/3 < m  � m=3 m=4 * Nếu n = 2, m = thay vào (1) � x = 1/3, thay giá trị x vào (2) � a + 2b = Nghiệm phù hợp a = 2, b = CTPT hidrocacbon C2H2 C3H6 * Nếu n = 2, m = thay vào (1) � x = 2/3, thay giá trị x vào (2) � 2a + b = Nghiệm phù hợp a = 1, b = CTPT hidrocacbon C2H4 C4 H6 Ví dụ 6: Chia hỗn hợp rượu no, mạch hở A, B thành phần - Phần tác dụng hết với Na dư thu 0,896 lít khí (đktc) - Phần đốt cháy hồn tồn thu 3,06 (g) H2O 5,28 (g) CO2 Xác định CTCT rượu Biết đốt V thể tích A B thu khơng 3V thể tích CO2 điều kiện Giải: nCO2= 0,12 mol; nH2O = 0,17 mol ; nH2= 0,04 mol    Đặt CTTĐ hh C n H2 n +2O k   Viết ptpư tính n = 2,4; k = 1,6 Nhận xét: Bài tốn xuất giá trị trung bình số ngun tử cacbon số nhóm chức OH Vì việc kết luận nghiệm theo trường hợp Gọi số nguyên tử cacbon, số nhóm chức % số mol ancol n, m; a, b x, (1- x)   Ta có: n = 2,4 = x n + (1- x) m (1) k = 1,6 = x a + (1 – x) b (2)  Do n =2,4 số C rượu khơng q nên rượu có số nguyên tử C m = 3, rượu lại có số C nhỏ 2,4 n = n = * Nếu m = 3, n = thay vào (1) ta được: 2,4 = 2x + (1 – x).3 � x = 0,6 Thay x = 0,6 vào (2) ta được: 3a + 2b = � Nghiệm phù hợp a = 2, b = Công thức ancol là: C2H4(OH)2 C3H7OH * Nếu m = 3, n = thay vào (1) ta được: 2,4 = x + (1 – x).3 � x = 0,3 Thay x = 0,3 vào (2) ta được: 3a + 7b = 16 � Nghiệm phù hợp a = 3, b = Với n = 1, a = khơng có ancol bền (loại) Ví dụ 7: Hỗn hợp A gồm rượu đồng đẳng Đốt thể tích hỗn hợp A cần 4,5 thể tích O2 thu thể tích CO2 điều kiện Xác định CTPT chất biết rượu có nhiều C chiếm khoảng 40 đến 50% thể tích hỗn hợp   Giải: Đặt CTTĐ rượu C n H2 n +2-2aOm   Ptpư: C n H2 n +2-2a-mOm + 3n   a  m   O2 �� � n CO2 + ( n +1-a)H2O (1) 10 Theo ta có nO 4,5 3n   a  m  1,5 � = 1,5 � a + m = nCO 2n A gồm rượu đồng đẳng nên 1 m; 0 a; m, a nguyên � m=1; a=0 � hỗn hợp gồm rượu no, đơn chức (1) viết lại:   C n H2 n +2O + 3n   O2 �� � n CO2 + ( n +1)H2O VCO (1')   1,5 Theo(1') n = VA Nhận xét: Bài tốn khơng cho tỉ lệ mol mà cho giới hạn % thể tích giới hạn % số mol Vì việc kết luận nghiệm theo trường hợp  Ta có: n = 1,5 � rượu CH3OH Đặt CTPT rượu lại C mH2m+1OH; Tỉ lệ % theo mol hỗn hợp x; % theo mol CH3OH 1-x Ta có n=m.x+1.(1-x) = 1,5 � x= 0,5 m Theo 0,4< x < 0,5 � 1,5 < m < 2,25 � m=2 CTPT rượu lại C2H5OH Ví dụ 8: Cho 47 g hỗn hợp hai rượu qua xt Al 2O3 nung nóng thu hh ete, ơlefin, rượu lại nước Tách nước khỏi hỗn hợp A ta hỗn hợp khí B Lấy nước tách cho tác dụng với Na dư thu 4,704 l khí( đktc) Lượng olefin B tác dụng vừa đủ với 1,35 lít dung dịch Br 0.2M Phần ête rượu B chiếm thể tích 16,128 lít 136,50C atm a Tính hiệu suất rượu bị loại nước thành olefin biết hiệu suất với rượu nhan b Xác định CTPT rượu Biết số mol ete Giải: Vì rượu bị loại nước tạo olefin nên rượu cho no, đơn chức, mạch hở Gọi công thức   chung rượu C n H2 n +1OH Các phản ứng xảy ra:     Al O , t C n H2 n +1OH ���� � C n H2 n + H2O    (1)  Al O , t 2C n H2 n +1OH ���� � (C n H2 n +1)2O + H2O (2) H2O + Na �� � NaOH + H2     C n H2 n + Br2 �� � C n H2 n Br2 (3) (4) 11 Theo (3) giả thiết: nH2O = nH2 =2.0,21 = 0,42 (mol) Theo (3) giả thiết: nolefin = nBr2 = 1,35.2 = 0,27 (mol) Theo (1): nH2O (1) = nolefin = 0,27 (mol) � nH2O (2) = 0,42 – 0,27 = 0,15 Theo (2): nete = nH2O (2) = 0,15 Do số mol ete nên số mol ete 0,15/3 = 0,05 Mặt khác tổng số mol rượu ete lại B n = 1.16,128 = 0,48 0, 082.(136,5  273) � nrượu lại = 0,48 – 0,15 = 0,33 � nrượu ban đầu = nrượu lại + nolefin + 2nete = 0,9 nrượu tao olefin = nolefin = 0,27 � Hiệu suất H = 0, 27 100 = 30 (%) 0,9 Tìm cơng thức rượu M = 2ruou 47   = 52,2 = 14 n + 18 � n = 2,44 0,9 Nên phải có rượu có số nguyên tử cacbon nhỏ 2,44 mà loại nước tạo olefin � có C2H5OH Rượu lại có số C > 2,44: CmH2m+1OH (m >2,44) Gọi số mol CmH2m+1OH x, số mol C2H5OH 0,9 – x  Ta có n = 2,44 = x.m  (0,9  x ).2 0, � x= 0,9 m2 Mặt khác: - số mol CmH2m+1OH tạo olefin 0,3x - số mol CmH2m+1OH tạo ete nruou (2)  2nete  0,15 (Do số mol ete nên số mol rượu tạo ete nhau) Vì rượu dư nên: x > 0,3x + 0,15 mà x< nhh rượu = 0,9 � 0,21 < x < 0,9 mà x = 0, 0, � 0,21 < < 0,9 � 2,33 < m < 3,9 m2 m2 Vì m nguyên nên m = 3, công thức rượu thứ 2: C3H7OH Vậy CT rượu C2H5OH C3H7OH Nhận xét:  Sau tìm n = 2,44 tìm rượu Khơng có yếu tố liên quan số ngun tử, khối lượng mol chất nên phải dựa vào tỉ lệ mol hay 12 giới hạn mol Nhưng khơng kiện tìm tỉ lệ mol phải sử dung giới hạn mol Vì đề khơng phai tự đặt đặt dạng 0< n A < nhh giải ta m > m > 2,4 khơng có giá trị Vì mục đích phải đặt m vào khoảng giới hạn chặn phía ( > < ) nên phải dùng nhận xét nA pư �nA < nhh (trường hợp 3) Ví dụ 9: Hỗn hợp khí A (ở đktc) gồm Hiđro hiđrocacbon mạch hở đồng đẳng có tỉ khối dA/H2 = 3,96 Dẫn A qua bình chứa Ni nung nóng thu hỗn hợp B có tỉ khối dB/H2 = 6,6 Hãy xác định công thức phân tử hiđrocacbon phần trăm thể tich chất A Biết phản ứng xảy hồn tồn Giải: Gọi cơng thức chung hidrocacbon mạch hở đồng đẳng C n H2 n +2-2k Với 2< n < k 2(x+y) = 2nhh kim loại mà nhh kim loại > 22/56 =0,39 � nHCl pư > 0,39 = 0,78 mà nHCl sử dụng =0,6