Nghiên cứu phản ứng oxi hoá - khử trong chương trình hoá học phổ thông

1 MỤC LỤC Phụ lục bìa………………………………………………………………………… .i Lời cam ñoan …………………………………………………………………… .ii Lời cảm ơn……………………………………………………………………….…iii Mục lục …………………………………………………………………………… 1 Danh mục các cụm từ viết tắt……………………………………………………….3 MỞ ðẦU……………………………………………………………………………4 CHƯƠNG 1 : CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA VẤN ðỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Khái quát về phản ứng hóa học……………………………………………… 7 1.1.1.Khái niệm phản ứng hóa học………………………………………………7 1.1.2. Các loại phản ứng hóa học……………………………………………….7 1.2. Phản ứng oxi hóa - khử……………………………………………………… .9 1.2.1. Một số khái niệm ……………………………………………………… 9 1.2.2. Các phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa - khử……………………15 1.2.3. Ý nghĩa và tầm quan trọng của phản ứng oxi hóa - khử…………… 22 CHƯƠNG 2 PHẢN ỨNG OXI HÓA –KHỬ TRONG CHƯƠNG TRÌNH HÓA HỌC PHỔ THÔNG 2.1. Phản ứng oxi hóa - khử trong chương trình hoá học phổ thông …………… 24 2.1.1. Phản ứng oxi hóa - khử trong chương trìnhtrung học cơ sở… ……… 24 2.1.2. Phản ứng oxi hóa – khử trong chương trình trung học phổ thông…… .27 2.2. Phản ứng oxi hóa- khử…………………………………………………… .30 2.2.1. Nội dung phản ứng oxi hóa – khử trong hóa học vô cơ……………… .30 2.2.2. Nội dung phản ứng oxi hóa – khử trong hóa học hữu cơ……………… .32 2.3. Vận dụng phản ứng oxi hóa - khử trong dạy hóa học phổ thông………… 38 2.3.1. Sử dụng các khái niệm phản ứng oxi hóa - khử trong dạy tính chất hóa học của các chất…………………………………………………………… .38 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 2 2.3.2. Sử dụng các khái niệm phản ứng oxi hóa - khử ñể giải bài tập…… 43 2.3.3. Sử dụng kiến thức phản ứng oxi hoá - khử ñể giải thích tính chất các chất, các hiện tượng hóa học có liên quan trong thực tiễn………………………… .59 KẾT LUẬN VÀ ðỀ XUẤT 1. Kết luận chung ……………………………………………………………… .64 2. Ý kiến ñề xuất……………………………………………………………… 64 Tài liệu tham khảo……………………………………………………………… .65 Phụ lục………………………………………………………………………… .- p1- PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 3 DANH MỤC CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT CTðG : Công thức ñơn giản CTPT : Công thức phân tử ðktc : ðiều kiện tiêu chuẩn GV : Giáo viên HD : Hướng dẫn HS : Học sinh SGK : Sách giáo khoa Soh : Số oxi hoá THCS : Trung học cơ sở THPT : Trung học phổ thông PTHH : Phương trình hóa học. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 4 MỞ ðẦU 1. Lý do chọn ñề tài - Xuất phát từ yêu cầu của sự nghiệp giáo dục, thực trạng giảng dạy bộ môn hóa học ở cấp trung học phổ thông ñòi hỏi người giáo viên không ngừng nâng cao năng lực chuyên môn, ñổi mới phương pháp dạy học nhằm giúp học sinh tiếp thu tri thức một cách tốt nhất. - Phản ứng oxi hóa - khử là loại phản ứng quan trọng và xuyên suốt trong chương trình hóa học phổ thông. Kiến thức về phản ứng oxi hoá - khử ñược vận dụng phổ biến trong dạy học cũng như trong ñời sống. Vậy, phản ứng oxi hóa - khử là phản ứng thế nào? Phân loại chúng trong hóa học vô cơ, hữu cơ ra sao? So sánh sự khác nhau cơ bản giữa phản ứng oxi hóa – khử và các phản ứng khác; làm thế nào có thể nhận biết ñược phản ứng oxi hóa – khử và các phản ứng thông thường cũng như các bước lập phương trình phản ứng. Tầm quan trọng của phản ứng oxi hóa – khử, phản ứng oxi hóa - khử ñược nghiên cứu và phát triển như thế nào từ chương trình trung học cơ sở sang chương trình trung học phổ thông. Khi nắm rõ các nội dung trên, giáo viên sẽ vận dụng phản ứng oxi hoá - khử trong dạy hóa học ở phổ thông ñược tốt hơn. - Hóa học là khoa học thực nghiệm, giáo viên không chỉ dạy cho học sinh cách tiếp thu tri thức mà còn phải rèn luyện cho học sinh khả năng vận dụng các kiến thức hoá học ñể giải thích các hiện tượng trong thực tiễn như: tất cả các phản ứng cháy, các phản ứng tạo ra dòng ñiện trong pin, ắcquy… Các phản ứng xảy ra trong cơ thể người như sự oxi hóa glucôzơ thành khí cacbônic và hơi nước… Tất cả các hiện tượng hoá học trên ñều dùng các kiến thức của phản ứng oxi hoá - khử ñể giải thích. Do vậy, chúng tôi chọn ñề tài “ Nghiên cứu phản ứng oxi hoá - khử trong chương trình hoá học phổ thông “ làm nội dung nghiên cứu của khóa luận tốt nghiệp. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 5 2. Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu hệ thống kiến thức phản ứng oxi hoá – khử trong chương trình hoá học phổ thông. - Nghiên cứu việc sử dụng phản ứng oxi hóa – khử trong chương trình hóa học phổ thông cũng như các kiến thức có liên quan ñến phản ứng oxi hóa – khử trong dạy các chất và bài tập vận dụng có liên quan ñến phản ứng oxi hóa – khử. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu các tài liệu có liên quan ñến phản ứng oxi hóa - khử. - Nghiên cứu sự hình thành và phát triển, các quy luật biến ñổi trong sự tạo thành sản phẩm oxi hóa – khử. - Tìm hiểu sự vận dụng phản ứng oxi hóa - khử trong việc giảng dạy bộ môn hóa học trung học phổ thông. 4. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu lý luận : sách giáo khoa hóa học trung học phổ thông và các tài liệu có liên quan ñến phản ứng oxi hóa – khử. 5. ðối tượng nghiên cứu Phản ứng oxi hóa – khử trong chương trình trung học phổ, sách giáo khoa hoá học phổ thông và các tài liệu khác có liên quan ñến phản ứng oxi hóa – khử. 6. Khả năng áp dụng của ñề tài Nghiên cứu ñề tài hoàn thành sẽ góp thêm tài liệu tham khảo cho giáo viên dạy hóa học ở các trường THPT, sinh viên ñang học chuyên ngành hóa học và tài liệu học tập cho HS trung học cơ sở, trung học phổ thông. 7. Lịch sử ñề tài ðã có rất nhiều công trình nghiên cứu, nhiều sách, tài liệu nghiên cứu phản ứng oxi hóa - khử của nhiều tác giả khác nhau như: • Nguyễn Trọng Thọ, Ngô Ngọc An, Phản ứng oxi hóa – khử và sự ñiện phân, Nhà xuất bản giáo dục, năm 2006. Khai thác phản ứng oxi hóa - khử ở nhiều góc ñộ như : phân loại phản ứng, các phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa - khử các dạng bài toán về phản ứng oxi hóa - khử. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 6 • Một số bài viết trong Tạp chí hoá học & Ứng dụng : 1. Phạm Hà Thanh, Phạm Ngọc Sơn - Cách tính nhanh khối lượng muối tạo thành trong phản ứng oxi hóa – khử. (Số 3(75)/2008). 2. Lê Ngọc Sáng, Các phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa - khử bằng phương pháp thăng bằng electron và phân tử ion. (Số 8(80)/2008). ðề tài chúng tôi quan tâm nghiên cứu phản ứng oxi hóa - khử trong chương trình hóa học phổ thông nhằm tìm hiểu sự hình thành, phát triển và vận dụng phản ứng oxi hoá - khử trong dạy hoá học phổ thông. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 7 CHƯƠNG 1 : CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA VẤN ðỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Khái quát về phản ứng hóa học 1.1.1.Khái niệm phản ứng hóa học [2] Quá trình biến ñổi chất này thành chất khác gọi là phản ứng hóa học. Chất ban ñầu bị biến ñổi trong phản ứng gọi là chất phản ứng (chất tham gia, chất mới sinh ra là sản phẩm). Trong phản ứng hoá học tổng khối lượng các chất tham gia phản ứng bằng tổng khối lượng các chất tạo thành sau phản ứng. Phản ứng hóa học ñược ghi theo phương trình chữ như sau: Tên các chất phản ứng → Tên các sản phẩm Ví dụ: Lưu huỳnh + sắt → Sắt (II)sunfua Trong quá trình phản ứng, lượng chất phản ứng giảm dần, lượng sản phẩm tăng dần. Trong phản ứng hóa học chỉ có liên kết giữa các nguyên tử thay ñổi làm cho phân tử này biến thành phân tử khác. Phản ứng xảy ra ñược khi các chất tham gia tiếp xúc trực tiếp với nhau, có trường hợp ñun nóng, có trường hợp cần xúc tác. Nhận biết dấu hiệu xảy ra dựa vào dấu hiệu có chất mới tạo thành. 1.1.2. Các loại phản ứng hóa học 1.1.2.1. Các loại phản ứng trong hóa học vô cơ : [2]  Phản ứng có sự thay ñổi số oxi hóa và phản ứng không có sự thay ñổi số oxi hóa Các dạng phản ứng hoá học cơ bản: - Phản ứng phân tích là phản ứng trong ñó một chất bị phân tích thành nhiều chất mới. Ví dụ: CaCO 3 = CaO + CO 2 ↑ - Phản ứng kết hợp là phản ứng trong ñó hai hay nhiều chất kết hợp với nhau tạo thành một chất mới. Ví dụ: BaO + H 2 O = Ba(OH) 2 . - Phản ứng thế là phản ứng trong ñó nguyên tử của ngyên tố này ở dạng ñơn chất thay thế nguyên tử của nguyên tố khác trong hợp chất. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 8 Ví dụ: Zn + H 2 SO 4 loãng = ZnSO 4 + H 2 ↑ - Phản ứng trao ñổi là phản ứng trong ñó các hợp chất trao ñổi nguyên tử hay nhóm nguyên tử với nhau. Ví dụ: BaCl 2 + NaSO 4 = BaSO 4 + 2NaCl.  Phân loại dựa trên hiệu ứng nhiệt của phản ứng : - Phản ứng tỏa nhiệt. ðịnh nghĩa: Phản ứng tỏa nhiệt là phản ứng hóa học giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt. Ví dụ như phản ứng ñốt cháy xăng dầu, cung cấp năng lượng ñể vận hành xe cộ, máy móc… - Phản ứng thu nhiệt ðịnh nghĩa : phản ứng thu nhiệt là phản ứng hóa học hấp thụ năng lượng dưới dạng nhiệt. Ví dụ như khi sản xuất vôi, người ta phải liên tục cung cấp năng lượng dưới dạng nhiệt ñể thực hiện phản ứng phân hủy ñá vôi. 1.1.2.2.Các loại phản ứng trong hóa hữu cơ:[2]  Phản ứng cộng. Phân tử hữu cơ kết hợp thêm với các nguyên tử hoặc phân tử khác. Ví dụ: 0 2 3 3 2 t HC CH H H C CH≡ + → −  Phản ứng thế Một hoặc một nhóm nguyên tử ở phân tử hữu cơ bị thế bởi một hoặc một nhóm nguyên tử khác. Ví dụ: H 3 C – OH + H-Br → H 3 C- Br +HOH  Phản ứng tách Một vài nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử bị tách ra khỏi phân tử. Ví dụ: H 3 C- CH 2 -OH 0 ,170H C + → H 2 C = CH 2 +H 2 O  Phản ứng phân hủy Phân tử bị phá hủy hoàn toàn thành các nguyên tử hoặc các phân tử nhỏ. Ví dụ: CH 4 → o t C + 2H 2 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 9 C 4 H 10 + 5F 2 → 4C + 10HF C 6 H 12 + 9O 2 → 6CO 2 + 6H 2 O  Phản ứng este hóa Là phản ứng ñiều chế este bằng cách ñun nóng ancol với axit cacboxylic, có axit mạnh làm xúc tác. RCOOH + R’OH H + ⇀ ↽ R – COOR’ + H 2 O  Phản ứng trùng hợp Phản ứng trùng hợp là quá trình kết hợp liên tiếp nhiều phân tử nhỏ giống nhau hoặc tương tự nhau tạo thành những phân tử rất lớn gọi là polime. Trong phản ứng trùng hợp, chất ñầu (các phân tử nhỏ) ñược gọi là monome. Sản phẩm của phản ứng gồm nhiều mắt xích monome hợp thành nên ñược gọi là polime. Số lượng mắt xích monome trong một phân tử polime gọi là hệ số trùng hợp và kí hiệu là n. 1.2. Phản ứng oxi hóa - khử 1.2.1. Một số khái niệm 1.2.1.1. Hóa trị và số oxi hóa [4]  Hóa trị - Hóa trị ñặc trưng cho khả năng nguyên tử của các nguyên tố ñó có thể hình thành một số liên kết hoá học nhất ñịnh. Hoá trị thường gắn liền với một kiểu liên kết cụ thể. Có thể ñịnh nghĩa nó là số nguyên tử của nguyên tố hóa trị một kết hợp với một nguyên tử của nguyên tố ñã cho. Chẳng hạn, trong axit clohidric HCl, clo có hóa trị một, trong nước H 2 O oxi có hóa trị hai, trong amoniac NH 3 nitơ có hóa trị ba, trong metan CH 4 cacbon có hóa trị bốn, trong PCl 5 photpho có hóa trị năm, trong SF 6 lưu huỳnh có hóa trị sáu…. - Với sự phát triển học thuyết về liên kết hóa học, hóa trị của nguyên tử trong phân tử ñược hiểu là số cặp ñiện tử mà nguyên tử ñã cho dùng ñể liên kết với những nguyên tử khác, như vậy hóa trị ñược ñịnh nghĩa là số liên kết nhờ ñó nguyên tử ñã cho kết hợp với những nguyên tử khác. Số liên kết mà nguyên tử có thể tạo thành bằng số ñiện tử không kết ñôi của nó. Ở ñây không tính ñến tính có cực của liên kết PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 10 ñược tạo thành và vì vậy hóa trị không có dấu. Cần nhấn mạnh rằng hóa trị xác ñịnh theo số liên kết không thể âm và cũng có thể bằng không. - ðiện hoá trị ñược xác ñịnh bằng số electron mà một nguyên tử mất ñi hay thu vào khi tạo thành ion ñơn. ðó là ñiện tích của các ion trong hợp chất ion. Chẳng hạn, trong phân tử CaCl 2 , nguyên tử Caxi có ñiện hoá trị +2, nguyên tử Clo -1. - Cộng hoá trị ñược xác ñịnh bằng số liên kết cộng hoá trị do các nguyên tử trong phân tử tạo thành. Nói chung, mỗi liên kết cộng hoá trị ñược hình thành từ một cặp electron. Ví dụ trong phân tử H 2 , hydro có cộng hoá trị I (H-H); trong phân tử N 2 , nguyên tử nitơ có cộng hoá trị III (N≡N) (Mỗi gạch nối chỉ một liên kết thực hiện bằng một cặp electron).  Số oxi hóa ðể thuận tiện khi xem xét phản ứng oxi hoá - khử và tính chất của các nguyên tố, người ta ñưa ra khái niệm số oxi hoá (còn gọi là mức oxi hoá hay ñiện tích hoá trị). Số oxi hoá là ñiện tích quy ước mà nguyên tử có ñược nếu giả thuyết rằng cặp e liên kết (do 2 nguyên tử góp chung) chuyển hoàn toàn về phía nguyên tử có ñộ âm ñiện lớn hơn. Số oxi hoá ñược tính theo quy tắc sau : − Tổng ñại số số oxi hoá của các nguyên tử trong phân tử trung hoà ñiện bằng 0. − Tổng ñại số số oxi hoá của các nguyên tử trong một ion phức tạp bằng ñiện tích của ion. Ví dụ trong ion HSO 4 - , số oxi hoá của H là +1, của O là −2 của S là +6. + 1 + 6 + (−2. 4) = − 1. − Trong ñơn chất, số oxi hoá của các nguyên tử bằng 0. Ví dụ: Trong Cl 2 , số oxi hoá của Cl bằng 0. − Khi tham gia hợp chất, số oxi hoá của một số nguyên tố có trị số không ñổi như sau: + Kim loại kiềm luôn bằng +1. + Kim loại kiềm thổ luôn bằng +2. + Oxi (trừ trong peoxit bằng − 1) luôn bằng − 2. + Hiñro (trừ trong hiñrua kim loại bằng − 1) luôn bằng − 2, Al thường bằng +3. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com . HÓA HỌC PHỔ THÔNG 2.1. Phản ứng oxi hóa - khử trong chương trình hoá học phổ thông ……………..24 2.1.1. Phản ứng oxi hóa - khử trong chương trìnhtrung học. tốt nhất. - Phản ứng oxi hóa - khử là loại phản ứng quan trọng và xuyên suốt trong chương trình hóa học phổ thông. Kiến thức về phản ứng oxi hoá - khử ñược