skkn vận dụng sáng tạo định luật bảo toàn electron trong việc xây dựng phương pháp giải bài tập liên quan đến phản ứng oxi hóa khử phần hóa học vô cơ cho học sinh lớp 11

Thực tế trong công tác giảng dạy, người thầy luôn tìm mọi cách để truyền thụ kiến thức cho học sinh, để các em tiếp thu một cách hiệu quả nhất và vận dụng được kiến thức nhuần nhuyễn nhấ

A ĐẶT VẤN ĐỀ

I Lời mở đầu

Việc dạy học và giáo dục con người vừa mang tính khoa học vừa mang tính sáng tạo và nghệ thuật Đối tượng giáo dục của thầy giáo là học sinh, sự phát triển của các em đang còn ở phía trước và phụ thuộc vào sự tác động của rất nhiều yếu tố Sự thành công của các em không thể không nhắc tới vai trò của người thầy Có một câu hỏi rằng vai trò đó là như thế nào và tác động đến sự thành công của các em ra sao để có thể điều khiển các em theo khuynh hướng học tập tốt lên Và thực tế thì chúng ta thấy rằng, người thầy “ hằng ngày , hàng giờ” tiếp xúc với học sinh để quản lý, hướng dẫn các em vào các hoạt động giáo dục một cách có hiệu quả, thì đó không phải

là một vấn đề đơn giản

Thực tế trong công tác giảng dạy, người thầy luôn tìm mọi cách để truyền thụ kiến thức cho học sinh, để các em tiếp thu một cách hiệu quả nhất

và vận dụng được kiến thức nhuần nhuyễn nhất Thế nhưng trong phương pháp truyền thụ kiến thức cho học sinh lại không có một công thức hay một đáp án bất di bất dịch để áp dụng cho mọi môn học và cho mọi đối tượng học sinh Chỉ khi đi vào thực tế mỗi thầy cô sẽ suy nghĩ để tìm ra những phương pháp, phương án phù hợp để giảng dạy một cách hiệu quả nhất

Đối với môn Hóa Học là môn khoa học thực nghiệm, giữa kiến thức

lý thuyết gắn liền với thực nghiệm để kiểm chứng Cũng giống như các môn học khác sau khi được nghiên cứu về lý thuyết là vận dụng vào giải các bài tập nhằm củng cố lại kiến thức lý thuyết Mật khác các bài tập trong sách giáo khoa, sách bài tập lại không được phân dạng cụ thể, đây là vấn đề làm cho học sinh “lúng túng”, cũng như “ ngại” làm bài tập tính toán Nhưng xây dựng phương pháp như thế nào, đưa phương pháp ra vào thời điểm nào để khi các em học sinh tiếp thu được và vận dụng có hiệu quả nhất, lại phụ

thuộc ở sự am hiểu của thầy cô và đối tượng học sinh mà thầy cô trược tiếp giảng dạy Tất nhiên không thể tránh khỏi những ý kiến khác nhau của những người trong cuộc đối với việc xây dựng phương pháp giải bài tập, nhưng cái quan trọng đó là “nghệ thuật sáng tạo” nảy sinh ở mối thầy cô, khả năng tư duy sáng tạo góp phần cho hoạt động giáo dục thành công

Với những kiến thức và hiểu biết của cá nhân tôi mạnh dạn đưa ra

phương pháp giải bài tập “ Vận dụng sáng tạo định luật bảo toàn electron trong việc xây dựng phương pháp giải bài tập liên quan đến phản ứng oxi hóa - khử phần hóa học vô cơ cho học sinh lớp 11 THPT Trần Phú”.

II Thực trạng vấn đề

Hiện nay giáo dục đang được coi là vấn đề trọng điểm trong sự phát triển của đất nước, giáo dục luôn coi là quốc sách hàng đầu, với phương châm đào tạo cho học sinh phát triển toàn diện về Trí- Đức- Thể - Mỹ Sự hội nhập giao lưu của các nền kinh tế, giao lưu văn hóa, đặc biệt sự phát triển liên tục của khoa học kỹ thuật đòi hỏi mỗi con người cũng phải phát triển, nâng cao hơn về trình độ Với đòi hỏi đó Giáo Dục và Đào Tạo nước

ta cũng phải thay đổi để theo kịp với khu vực và thế giới

Một thực tế hiện nay sự phát triển vượt bậc của công nghệ thông tin,

sự đa dạng hóa của các nguồn tài liệu là yếu tố tích cực giúp cho các em học sinh củng cố, phát triển về kiến thức Nhưng như vậy có một câu hỏi đặt ra

là vai trò của người thầy là như thế nào, có thể xem nhẹ vai trò của người thầy hay không? Để trả lời được câu hỏi này ta cần phải nhìn ở nhiều góc độ:

Thứ nhất: Ông Cha ta có câu “không thầy đố mày làm nên”, người thầy với vai trò là người truyền thụ kiến thức cho học sinh, hướng học sinh vào những hoạt động giáo dục Sự tài trí của người thầy là chỗ xây dựng cho học sinh phương pháp, luyện cho học sinh nắm kiến thức từ đơn giản đến phức

2

tạp Khi các em đã hiểu thì sẽ say mê khoa học, nâng lên về nhận thức là yếu

tố tiếp tục rèn về đạo đức, thể chất, mỹ thuật Như vậy lúc này vai trò của

người thầy là người chủ đạo trong việc giáo dục học sinh.

Thứ hai: Học sinh tích cực tiếp thu kiến thức, tăng cường khả năng tự

nghiên cứu, tìm tòi, học hỏi thêm từ các nguồn tài liệu Sự chủ động tiếp thu

kiến thức, chủ động tích cực học tập của học sinh sẽ biến quá trình đào tạo thành quá trình tự đào tạo

Như vậy trong quá trình giáo dục tại nhà trường người thầy có vai trò là chủ đạo trong truyền tri thức cho học sinh, còn học sinh là chủ động tiếp thu,

vân dụng sáng tạo tri thức được truyền thụ Sản phẩm của một quá trình giáo dục là một con người, một con người có tri thức, có đạo đức sẽ giúp cho xã hội ngày càng phát triển và văn minh

Đối với môn Hóa học ở trường THPT với thực trạng hiện nay là thi với hình thức thi trắc nghiệm, chính vì lẽ đó mà tâm lý người học là khi làm bài bằng cách nào đó để có được đáp án đúng nhanh nhất Mặt khác trong những bài tập liên quan đến phản ứng oxi hóa - khử thường gặp phải một số khó khăn: Việc viết các phản ứng hóa học rất phức tạp; các mối liên quan của đề bài có số liệu ít; các em học sinh phải tư duy nhiều, lúng túng trong cách tìm ra hướng giải; bên cạnh đó nếu giải bài toán loại này theo cách thông thường là rất dài, đôi khi không giải ra được đáp án đúng

Để giải quyết được đồng thời việc tìm ra hướng giải nhanh nhất và lập luận chặt chẽ để đi đến đáp số của bài toán tôi đã xây dựng cho học sinh phương

pháp giải bài tập “ Vận dụng sáng tạo định luật bảo toàn electron trong việc xây dựng phương pháp giải bài tập liên quan đến phản ứng oxi hóa -khử phần hóa học vô cơ cho học sinh lớp 11 THPT Trần Phú” Với mục

đích giúp học sinh nhận dạng bài toán, và giải bài toán một cách nhanh nhất nhưng cũng được lập luận chặt chẽ Bên cạnh đó tôi cũng xây dựng phương

pháp này sau khi học sinh học hết Chương I Sự điện li Sách giáo khoa lớp

11 Vì lúc này học sinh đã nắm rõ được sự điện li tạo thành ion trong dụng dịch, cũng như sự trao đổi electron của ion Mặt khác trong quá trình xây dựng phương pháp tôi đã phân dạng cụ thể, cũng như đưa bài tập từ dễ đến nâng cao Để giúp các em học sinh nhận dạng bài toán dễ nhất và giải ra đáp

số nhanh nhất, và sau mỗi lần xây dựng phương pháp tôi đưa ra một số bài tập nhằm kiểm tra, đánh giá lại việc nắm kiến thức của các em Từ những kết quả thu được, các em sẽ say mê hứng thú trong học tập

Một lần nữa tôi muốn được nhắc lại trong quá trình giảng dạy vai trò

của người thầy là chủ đạo, trong quá trình học tập học sinh phải chủ động Với vai trò chủ đạo của thầy sự chủ động của trò trong hoạt động Dạy -Học, khi đó chất lượng giáo dục và đào tạo nâng lên, những thế hệ học sinh

được đào tạo có kiến thức cao về khoa học và phát triển toàn diện, là nguồn lực vô cùng quý giá cho sự phát triển của đất nước

B GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

I Các giải pháp thực hiện.

1 Cơ sở của phương pháp.

- Trong phản ứng oxi hóa - khử: Theo định luật bảo toàn electron (e)

Σ số electron nhường = Σ số electron nhận

Suy ra: Σ số mol electron nhường = Σ số mol electron nhận

- Bài toán chủ yếu được áp dụng cho bài toán liên quan đến phản ứng oxi hóa- khử

- Có thể áp dụng định luật bảo toàn (e) cho một phương trình, nhiều phương trình hoặc cả một quá trình

4

- Xác định được chính xác chất nhường và nhận (e) Nếu xét cho một quá trình thì chỉ cần xác định trạng thái đầu và cuối số oxi hóa của nguyên tố, thường không quan tâm đến trạng thái trung gian số oxi hóa của nguyên tố

- Khi áp dụng phương pháp bảo toàn (e) thường sử dụng thêm các phương pháp khác ( Bảo toàn khối lượng, bảo toàn nguyên tố)

- Trong bài toán cho kim loại tác dụng với axit HNO3 và dung dịch sau phản ứng không chứa muối amoni:

Số mol NO3-(muối) = Σ số mol (e) nhường hoặc (e) nhận

Tương tự như vậy với bài toán cho kim loại tác dụng với axit H2SO4 thì:

Số mol SO42-(muối) = 12 Σ( số mol (e) nhường hoặc (e) nhận)

2 Các dạng bài toán thường gặp.

Dạng 1: Bài toán chỉ xảy ra một quá trình khử, một quá trình oxi hóa.

- Để nhận dạng được bài toán loại này ta phải chú ý đến trạng thái đầu và

trạng thái cuối của chất oxi hóa, chất khử mà không cần quan tâm đến trạng thái trung gian Sau đó áp dụng định luật bảo toàn (e), từ đó bớt được các giai đoạn trung gian, giúp giải nhanh được bài toán

Ví dụ 1 Hòa tan hoàn toàn a gam Al vào dung dịch HNO3 thu được 0,224 l khí N2 (đktc) Tìm a?

Hướng dẫn

nN2 = 022,224,4 = 0,01 (mol) nAl = 27a (mol)

Quá trình oxi hóa

Al Al3+ + 3(e)

27

a

327a

Quá trình khử

2N+5 + 2.5(e) N2

0,1 0,01

Theo định luật bảo toàn (e) Σ số electron nhường = Σ số electron nhận.

3

27

a

= 0,1 a = 0,9 (gam)

Đáp số a = 0,9 gam

Ví dụ 2 Hòa tan hoàn toàn 19,2 gam Cu bằng dung dịch HNO3, toàn bộ lượng khí NO (sản phẩm khử duy nhất) thu được đem oxi hóa thành NO2 rồi chuyển hết thành HNO3 Tính thê tích khí oxi (đktc) đã tham gia vào quá trình trên?

Hướng dẫn

Nhận xét:

- Nitơ coi như không có sự thay đổi số oxi hóa (HNO3 ban đầu HNO3 )

- Như vậy chỉ có hai nguyên tố có thay đổi số oxi hóa là Cu và O2

nCu = 1964,2=0,3 (mol)

Cu0 Cu+2 + 2(e)

O20 + 2 2(e) 2O-2

a (mol) 4a(mol)

Theo định luật bảo toàn (e)

Vậy thể tích Oxi cần dùng là 0,15 22,4 = 3,36 lit

Ví dụ 3 A là một kim loại, hòa tan hết 3,24 gam A trong 100 ml dung dịch

NaOH 1,5M thu được 4,032 lit H2 (đktc) và dung dịch D Tìm kim loại A?

Hướng dẫn

nH2 =422,032,4 = 0,18 (mol) nA = 3,A24 (mol)

A

24

,

3

n

A

24 , 3

6

2H+ + 2(e) H2

0,18.2 0,18

Theo định luật bảo toàn (e)

Ta có n.3,A24 = 0,18.2 A= 9n chỉ có n=3, A=27 thỏa mãn

Vậy kim loại A là Nhôm

Ví dụ 4 ( Học sinh tự luyện ) Cho 3,024 gam một kim laoij M tan hết trong

dung dịch HNO3 loãng, thu được 940,8 ml khí NxOy (sản phẩm khử duy nhất, ở đktc) có tỉ khối hơi đối với H2 bằng 22 Hãy xác định khí NxOy và kim loại M

Đáp số: Khí là N 2 O; kim loại là Al.

Ví dụ 5 ( Học sinh tự luyện ) Cho a gam Mg tác dụng hết với dung dịch

H2SO4 đậm đặc, thấy có 49 gam H2SO4 tham gia phản ứng, tạo muối MgSO4,

H2S và nước Tính a?

Đáp số: a = 9,6 gam

Dạng 2: Bài toán xảy ra một quá trình khử, nhiều quá trình oxi hóa.

- Loại bài toán này thường gặp kiểu đề cho hỗn hợp kim loại tác dụng với axit, thu được một sản phẩm khử duy nhất

Ví dụ 1 Hòa tan hết 6 gam hỗn hợp A gồm Fe và Cu bằng dung dịch HNO3

đặc nóng thì thoát ra 5,6 lit khí nâu đỏ duy nhất (đktc) Tính % về khối lượng từng kim loại trong hỗn hợp

Hướng dẫn

nNO 2 = 225,,64 = 0,25 (mol)

Gọi số mol Fe và Cu trong hỗn hợp là a, b ( a, b > 0); 56a + 64b = 6 (I)

Fe0 Fe+3 + 3(e)

Cu0 Cu+2 + 2(e)

b 2b

N+5 + 1(e) N+4 (NO2)

0,25 0,25

Theo định luật bảo toàn (e) Ta có 3a + 2b = 0,25 (II)

Từ (I), (II) tác có hệ: 56a + 64b = 6

3a + 2b = 0,25

Giải hệ ta được: a = b = 0.05

Phần trăm về khối lượng của từng kim loại trong hỗn hợp A là

%Cu = 0,056.64x 100 = 53,3(%) ; % Fe = 100 - 53,33 = 46,67 (%)

Ví dụ 2 Hòa tan hết hỗn hợp gồm 0,15 mol Fe và 0,15 mol Cu cần tối thiểu

bao nhiêu ml dung dịch HNO3 1M thu được khí NO duy nhất Biết các phản ứng xảy ra hoàn toàn

Hướng dẫn

Thể tích dung dịch HNO3 là tối thiểu  HNO3 chỉ hòa tan một phần kim loại tạo muối sắt (III), lượng muối sắt (III) tạo ra này phản ứng vừa đủ với lượng kim loại còn dư  trong dung dịch sau phản ứng không chứa Fe+3

Fe0 Fe+3 + 2(e)

Cu Cu+2 + 2(e)

Tổng số mol (e) nhường = 0,6 (mol)

N+5 + 3(e) N+2 (NO)

0,6 0,2  nNO= 0,2 (mol)

Mặt khác nNO3 (muối) = Σ n (e) nhường (hoặc nhận) = 0,6 (mol)

8

Áp dụng định luật bảo toàn nguyên tố ta có

nHNO 3 = nNO



3 ( muối) + nNO = 0,6 + 0,2 = 0,8 (mol) Thể tích HNO3 cần dùng là:

VHNO 3 = 01,8= 0,8 (lít)

Ví dụ 3 ( Học sinh tự luyện) Hòa tan hoàn toàn 11,2 gam hỗn hợp kim loại

Cu và Ag bằng 19,6 gam dung dịch H2SO4 đặc, đun nóng, sau phản ứng thu được khí X và dung dịch Y Toàn bộ khí X được dẫn chậm qua dung dịch nước Clo dư, dung dịch thu được tác dụng với BaCl2 dư thu được 18,64 gam kết tủa Tính khôi lượng của Cu, Ag và nồng độ % của dung dịch H2SO4 ban đầu?

Đáp số: m Cu = 2,56 (g), m Ag = 8,64 (gam); C% (H 2 SO 4 ) = 80(%)

Dạng 3: Bài toán xảy ra nhiều quá trình khử, một quá trình oxi hóa.

- Loại bài tập này thường gặp; khi cho một kim loại bị oxi hóa nhiều lần bởi

cấc chất oxi hóa ( thường gặp ở những bài toán oxi hóa kim loại sắt ); Hoặc cho 1 kim loại tác dụng với axit thu được 2 sản phẩm khử ( thường gặp ở bài toán cho kim loại tác dụng với axit HNO3)

Ví dụ 1 Hòa tan hoàn toàn 12,8 gam Cu trong dung dịch HNO3 thấy thoát ra

V lit khí A gồm 2 khí NO và NO2 (đktc) Biết A có tỉ khối đối với H2 bằng

19 Tìm V?

Hướng dẫn

nCu= 1264,8 = 0,2 (mol)

Gọi số mol của NO là a, NO2 là b (a,b >0)

Ta có 30(a ab46)2b= 19 (I)

Ta lại có:

Cu0 Cu+2 + 2(e)

0,2 0,4

N+5 + 3(e) N+2 (NO)

3a a

N+5 + 1(e) N+4 (NO2)

b b

Theo định luật bảo toàn (e)

 3a + b = 0,4 (II)

Giải hệ phương trình (I, II) ta được a = b = 0,1

Vậy V = (0,1 + 0,1).22,4= 4,48 (lit)

Ví dụ 2 Oxi hóa hoàn toàn 0,782 gam bột Fe ta thu được 1,016 gam hỗn

hợp X gồm 2 oxit sắt Hòa tan hoàn toàn X bằng HNO3 loãng dư Thế tích khí NO ( sản phẩm khử duy nhất ở đktc ) thu được là bao nhiêu?

Hướng dẫn

- Nhận xét: Ta thấy Fe0 bị oxi hóa thành Fe+3, còn N+5 bị khử thành N+2

(NO), O0

2 bị khử thành 2O-2

Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng:

mO 2 = mX - mFe (ban đầu) = 1,016 - 0,728 = 0,28 (gam),

nO 2 =032.28 = 0,009 (mol)

nFe = 0,56728 = 0,013 (mol)

O0

2 + 4 (e) 2O-2

0,009 0,036

N+5 + 3 (e) N+2 (NO)

3a a

Áp dụng định luật bảo toàn (e) ta có:

3a + 0,036 = 0,039 → a = 0,001

10

Vậy thể tích khí NO thu được là : 22,4 0,001 = 0,0224 (l)

Ví dụ 3 Để m gam bột sắt ngoài không khí, sau một thời gian sẽ chuyển

thành hỗn hợp X có khối lượng là 75,2 gam gồm Fe, FeO, Fe2O3, Fe3O4 Cho hỗn hợp X phản ứng hết với dung dịch H2SO4 đậm đặc, nóng thu được 6,72 lít khí SO2 ( đktc) Tìm m ?

Hướng dẫn

nFe (ban đầu)= 56m (mol); nSO2 = 226,72,4 = 0,3 (mol)

Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng ta có:

mFe + mO 2 = mX  mO 2 = mX - mFe = 75,2 - m

nO2 = 75,322 m (mol)

Fe0 Fe+3 + 3(e)

56

m

3m56

O0

2 + 4(e) 2O-2

32

2

,

75  m

75,28 m

S+6 + 2 (e) S+4 (SO2)

0,6 0,3

Theo định luật bảo toàn (e) ta có:

56

3m

= 75,28 m + 0,6  m = 56

Vậy giá trị m = 56 gam

Ví dụ 4 Nung x gam Fe trong không khí thu được 104,8 gam hỗn hợp chất

rắn A gồm: Fe, FeO, Fe2O3, Fe3O4 Hòa tan A trong dung dịch HNO3 dư, thu được dung dịch B và 12,096 lit hỗn hợp khí NO và NO2 (đktc) có tỉ khối so

với Heli là 10,167 Tìm giá trị x?

Đáp số: x = 78,4 (g)

Dạng 4: Bài toán xảy ra nhiều quá trình khử, nhiều quá trình oxi hóa.

- Loại bài toán thường thấy có nhiều chất khử, nhiều sản phẩm khử khác nhau ( thường gặp ở bài toán cho kim loại tác dụng với axit; cho kim loại tác dụng với dung dịch muối)

- Khi gặp những bài toán loại này, người học thường khá lúng túng, vì phải viết nhiều phản ứng, số liệu ít, lập hệ để giải rất khó khăn phức tạp

- Do xảy ra nhiều quá trình khử, oxi hóa; Do đó phải xác định được tổng số mol (e) nhường, nhận Rồi mới áp dụng định luật bảo toàn (e)

Ví dụ 1 Hòa tan hoàn toàn 12 gam hỗn hợp Fe, Cu (tỉ lệ mol 1:1) bằng axit

HNO3, thu được V lit (đktc) hỗn hợp khí X (gồm NO và NO2) và dung dịch

Y (chứa 2 muối và axit dư) Tỉ khối của X đối với H2 bằng 19

Tìm giá trị V?

Hướng dẫn

Đặt số nFe= ncu = a (mol). 56a+64a = 12  a = 0,1 (mol)

Gọi số mol của NO, NO2 lần lượt là x,y (x,y >0)

Ta có:

Fe0 Fe+3 + 3(e)

0,1 0,3

Cu0 Cu+2 + 2(e)

0,1 0,2

Tổng số mol (e) nhường là : 0,5 mol

N+5 + 3 (e) N+2 (NO)

3x x

N+5 + 1(e) N+4 (NO2)

y y

Tổng số (e) nhận là: 3x + y

12