(SKKN 2022) sử dụng định luật bảo toàn khối lượng, bảo toàn nguyên tố để giải nhanh bài toán hỗn hợp kim loại và oxit kim loại tác dụng với dung dịch HCl, H2SO4 loãng

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG TRIỆU SƠN 4 SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM SỬ DỤNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN KHỐI LƯỢNG, BẢO TOÀN NGUYÊN TỐ ĐỂ GIẢI NHANH BÀI TOÁN HỖN HỢP KIM

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ

TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG TRIỆU SƠN 4

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

SỬ DỤNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN KHỐI LƯỢNG, BẢO TOÀN NGUYÊN TỐ ĐỂ GIẢI NHANH BÀI TOÁN HỖN HỢP KIM LOẠI

VÀ OXIT KIM LOẠI TÁC DỤNG VỚI DUNG DỊCH

HCl, H2SO4 LOÃNG

Người thực hiện: Khương Thị Vân Chức vụ: Giáo viên

SKKN thuộc lĩnh vực (môn): Hóa học

THANH HOÁ, NĂM 2022

2.2 Thực trạng của vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm 3

2.3.1 Bài toán hỗn hợp kim loại, oxit kim loại tác dụng với dung

2.3.2 Bài toán hỗn hợp kim loại, oxit kim loại tác dụng với dung

2.3.3 Bài toán hỗn hợp kim loại, oxit có Fe2O3 hoặc Fe3O4 tác

dụng với dung dịch HCl hoặc H2SO4 loãng 13

1 MỞ ĐẦU

1.1 Lí do chọn đề tài

Trong các dạng bài tập hóa học, việc sử dụng định luật bảo toàn khốilượng, bảo toàn nguyên tố không còn xa lạ với giáo viên và học sinh, ngay từkhi còn học cấp trung học cơ sở học sinh đã áp dụng chúng vào giải các bài tập.Tuy nhiên, việc áp dụng các định luật này vào giải các bài tập hỗn hợp nhiềuloại chất khác nhau với nhiều giai đoạn phản ứng không phải là việc dễ dàng màhọc sinh nào cũng làm được

Dạng bài toán hỗn hợp kim loại và oxit kim loại tác dụng với dung dịchHCl, H2SO4 loãng thường xuất hiện trong các đề thi đánh giá năng lực, đánh giá

tư duy, đề thi tốt nghiệp THPT Với các bài tập phức tạp đòi hỏi học sinh phảilinh hoạt sử dụng định luật bảo toàn, phải lập được sơ đồ chuỗi phản ứng, xácđịnh được thành phần của sản phẩm Bản thân người giáo viên muốn học sinhlàm tốt những dạng bài này cần định hướng tư duy, củng cố lý thuyết, phân loạidạng bài tâp theo các mức độ và hướng dẫn giải các ví dụ mẫu cho học sinh Cónhư vậy học sinh mới có thể tự tin giải quyết được hết các bài tập thuộc dạngnày Với mục đích giúp học sinh làm tốt những bài tập dạng hỗn hợp kim loại vàoxit kim loại tác dụng với dung dịch HCl, H2SO4 góp phần nâng cao chất lượng

dạy học Vì vậy tôi chọn đề tài “Sử dụng định luật bảo toàn khối lượng, bảo toàn nguyên tố để giải nhanh bài toán hỗn hợp kim loại và oxit kim loại tác dụng với dung dịch HCl, H 2 SO 4 loãng” làm sáng kiến kinh nghiệm của mình

trong năm học 2021 -2022 Với hy vọng đề tài này sẽ là tài liệu tham khảo phục

vụ tốt cho công tác giảng dạy của các bạn đồng nghiệp và nâng cao chất lượngdạy học

1.3 Đối tượng nghiên cứu

Trong đề tài này, tôi sẽ nghiên cứu những vấn đề sau:

- Nội dung các định luật bảo toàn khối lượng, bảo toàn nguyên tố Cách ápdụng các định luật trên vào các bài toán cụ thể

- Bản chất của của các phản ứng kim loại, oxit kim loại tác dụng với dungdịch HCl, H2SO4 loãng

- Các loại bài tập có liên quan

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Sáng kiến này được nghiên cứu trên một số phương pháp như sau:

- Các phương pháp nghiên cứu lý thuyết:

+ Tham khảo tài liệu sách, báo, tạp chí chuyên nghành, truy cập thông tintrên internet để nghiên cứu về các vấn đề liên quan đến dạng kim loại, oxit kimloại tác dụng với dung dịch HCl, H2SO4 loãng

+ Phân tích, tổng hợp, hệ thống hóa, khái quát hóa các nguồn tài liệu đểxây dựng cơ sở lý thuyết và nội dung của đề tài

- Các phương pháp nghiên cứu thực tiễn:

+ Khảo sát tình hình học tập của học sinh lớp 10A1 trước và sau khi ápdụng đề tài

+ Thực nghiệm sư phạm: Tổ chức thực hiện sáng kiến kinh nghiệm đối vớihọc sinh lớp 10A1 vào tháng 11/2021 và rút ra kinh nghiệm để đạt được hiệuquả cao

2 NỘI DUNG CỦA SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

2.1 Cơ sở lí luận của sáng kiến kinh nghiệm

Định luật bảo toàn khối lượng hay định luật Lomonosov – Lavoisier là mộtđịnh luật cơ bản trong lĩnh vực hóa học, được phát biểu như sau: “Trong phảnứng hóa học, tổng khối lượng các sản phẩm bằng tổng khối lượng của các chấttham gia phản ứng” [1]

Nguyên tắc áp dụng định luật bảo toàn khối lượng: Tổng khối lượng cácchất đem phản ứng bằng tổng khối lượng các chất thu được Tổng khối lượngcác chất tan trong dung dịch bằng tổng khối lượng các ion được tạo thành từ cácchất tan đó Tổng khối lượng của dung dịch sau phản ứng bằng tổng khối lượngcủa dung dịch trước phản ứng cộng khối lượng chất tan vào dung dịch trừ đikhối lượng chất khí, khối lượng kết tủa (nếu có) [2]

Trong các phản ứng hóa học thông thường, các nguyên tố luôn được bảotoàn, như vậy có nghĩa: “Tổng số mol nguyên tử của một nguyên tố X bất kỳtrước và sau phản ứng luôn bằng nhau” Tổng khối lượng các nguyên tố tạothành hợp chất bằng khối lượng của hợp chất đó [2]

Định luật bảo toàn khối lượng và bảo toàn nguyên tố được áp dụng rấtnhiều trong các bài toán hóa học Khi sử dụng bảo toàn khối lượng cần nắm rõchất tham gia phản ứng, chất trước phản ứng; sản phẩm tạo thành, các chất sauphản ứng Với bài toán hỗn hợp chất nên lập sơ đồ bài toán xác định thành phần

các chất trước và sau phản ứng để đảm bảo tính chính xác khi áp dụng bảo toàn.Khi sử dụng bảo toàn nguyên tố cần lưu ý tới nguyên tố cần xác định sau phảnứng đi về đâu? Xác định đúng vị trí tồn tại của nguyên tố trong đơn chất hay hợpchất để bảo toàn chính xác nhất.

2.2 Thực trạng của vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm.

Mặc dù định luật bảo toàn khối lượng (viết tắt là ĐL BTKL), bảo toànnguyên tố (viết tắt là BTNT) được áp dụng vào rất nhiều các dạng bài toán khácnhau cả vô cơ lẫn hữu cơ, ở chương trình cấp 2 học sinh cũng đã được học Tuynhiên một thực tế xảy ra ngay ở đơn vị trường tôi đó là khi bước chân lên cổngtrường THPT đa số học sinh chỉ nắm được sơ qua định luật, số học sinh biếtcách áp dụng vào việc giải bài toán rất ít, chủ yếu những bài những học sinh đógiải quyết được chỉ là bài toán đơn giản một giai đoạn phản ứng, số chất ít; chỉ

có những học sinh thuộc đội tuyển học sinh giỏi cấp 2 mới có thể làm được cácbài có nhiều chất phản ứng

Năm học này tôi trực tiếp giảng dạy và chủ nhiệm học sinh lớp 10A1, lớptôi là lớp học sinh có nguyện vọng học khối A, A1 (điểm trung bình đầu vào 3môn toán, văn, anh cao nhất trong các lớp của khối 10) Theo khảo sát của tôikhi bắt đầu học môn hóa thì với sĩ số 41 học sinh có 30/41 học sinh chiếm tỉ lệ73,17% học sinh cả lớp nhớ nội dung định luật bảo toàn khối lượng, bảo toànnguyên tố Tuy nhiên trong số 30 học sinh đó chỉ có 18 học sinh có thể áp dụngđúng định luật bảo toàn khối lượng trong bài toán cho kim loại hoặc oxit kimloại tác dụng với dung dịch HCl Trong 30 học sinh trên cũng chỉ có 7 học sinh

là làm được bài toán hỗn hợp kim loại, oxit kim loại tác dụng với dung dịchHCl, H2SO4 loãng

Với thực trạng đó, bắt đầu vào năm học tôi đã bố trí thời gian ôn tập lạikiến thức cơ bản môn hóa ở trường THCS cho học sinh Đến tháng 11/2021 tôi

đã tiến hành soạn, giảng các dạng bài toán cho kim loại, oxit kim loại tác dụngvới dung dịch HCl, H2SO4 loãng, sau đó là hỗn hợp gồm kim loại và oxit kimloại tác dụng với dung dịch HCl, H2SO4 loãng bằng việc áp dụng các định luậtbảo toàn khối lượng, bảo toàn nguyên tố

2.3 Giải pháp giải quyết vấn đề

Để giảng dạy cho học sinh dễ hiểu, dễ tiếp cận và rèn luyện tư duy cho các

em giúp các em có thể làm tốt các bài tập khó hơn, tôi đã chia nhỏ dạng toánthành các dạng nhỏ hơn, các bài tập đưa ra cho học sinh được sắp xếp theo mức

độ từ thông hiểu, vận dụng đến vận dụng cao Sau mỗi dạng tôi giao cho họcsinh các bài tập tự luyện giúp các e rèn luyện kĩ năng, củng cố kiến thức và pháttriển tư duy

Trong các bài toán hỗn hợp kim loại, oxit kim loại tác dụng với dung dịchHCl, H2SO4 loãng ở mức độ vận dụng, vận dụng cao tôi thường lồng ghép thêmcác dạng toán khác như đốt cháy hỗn hợp kim loại, bài toán cho dung dịch bazơvào dung dịch muối thu được kết tủa, bài toán hỗn hợp gồm kim loại, oxit kimloại, hidroxit kim loại tác dụng với dung dịch HCl, H2SO4,….

Trong dạng bài toán này, tôi đã chia thành 3 dạng nhỏ như sau:

1 Kim loại tác dụng với dung dịch HCl, H2SO4 loãng

Điều kiện phản ứng: M đứng trước H trong dãy hoạt động hóa học

mmuối = mM + mion gốc axit

2 Oxit kim loại tác dụng với dung dịch HCl, H2SO4 loãng

mdd sau pư = mM + mdd axit

mmuối = mM + mion gốc axit

3 Hỗn hợp kim loại và oxit kim loại tác dụng với dung dịch HCl, H2SO4 loãng.

mmuối = mM + mion gốc axit

(với H2SO4 loãng, định luật áp dụng tương tự, tuy nhiên n H2SO 4= nH

2 +

nH

2O )

4 Bài toán hỗn hợp kim loại, oxit kim loại có Fe2O3 hoặc Fe3O4

Với bài toán có sự xuất hiện của Fe2O3 hoặc Fe3O4 thì cần lưu ý:

Fe2O3 + 6HCl → 2FeCl3 + 3H2O

Fe3O4 + 8HCl → 2FeCl3 + FeCl2 + 4H2O

(phản ứng của H2SO4 loãng xảy ra hoàn toàn tương tự)

- Các kim loại từ Fe đến trước Ag trong dãy hoạt động hóa học (M) sẽ bịhòa tan bởi dung dịch FeCl3 theo phương trình hóa học:

Ví dụ 1: Hòa tan hoàn toàn m gam hỗn hợp X chứa Zn, ZnO trong dung

dịch H2SO4 loãng, dư, thu được dung dịch chứa 24,15 gam muối và 2,24 lít khí

H2 (đktc) Giá trị của m là

A 15,65 B 10,55 C 9,20 D 12,80 Định hướng tư duy:

Do số lượng ẩn và số dữ kiện bằng nhau nên các em có thể sử dụng phươngpháp thông thường để giải

Cách 1: Phương pháp thông thường (giải toán theo phương trình hóa học)

Cách 2: Phương pháp bảo toàn nguyên tố

Theo phương trình phản ứng của Zn với H2SO4: nZn = nH

2 = 0,1 mol.BTNT Zn: nZn + nZnO = n ZnSO 4 = 0,15 → nZnO = 0,05 mol

→ mX = 10,55 gam

Nhận xét:

Với bài toán ở mức độ thông hiểu này, việc giải bài toán bằng phương pháp bảo toàn nguyên tố ngắn gọn hơn, học sinh dễ hiểu Tuy nhiên bảo toàn nguyên tố, bảo toàn khối lượng sẽ phát huy được tính ưu việt của nó hơn trong các bài hỗn hợp nhiều chất, số dữ kiện ít hơn số ẩn.

Ví dụ 2: Hòa tan hoàn toàn 10,4 gam hỗn hợp X gồm Ca, Mg, MgO cần

vừa đủ dung dịch chứa 0,6 mol HCl, thu được 4,48 lít khí H2 (đktc), dung dịchthu được chỉ chứa m gam muối Giá trị của m là

A 30,1 B 31,2 C 36,5 D 26,8 Định hướng tư duy:

Trong hỗn hợp X chứa 3 chất tương ứng với 3 ẩn số mol, đề cũng cho 3 dữkiện Vì vậy bài toán có thể được giải quyết bằng phương pháp thông thườngviết phương trình hóa học, lập 3 phương trình toán học tương ứng và giải hệ.Tuy nhiên nếu làm vậy sẽ tốn nhiều thời gian, thay vào đó các em nên sử dụngphương pháp bảo toàn nguyên tố để giải nhanh bài toán

→ mmuối = 30,1 gam.

Nhận xét:

- Yêu cầu của bài toán không gây khó khăn gì cho học sinh trong việc giải quyết nó, tuy nhiên nếu sử dụng phương pháp thông thường thì sẽ mất rất nhiều thời gian tính toán nên sử dụng bảo toàn nguyên tố, bảo toàn khối lượng trong bài này là phương pháp ưu việt nhất.

- Để thuận tiện cho việc bảo toàn các em nên lập sơ đồ phản ứng cho bài toán.

Câu 1 Cho 0,3 mol hỗn hợp Fe và FeO tan vừa hết trong dung dịch H2SO4

loãng, thu được khí H2 và dung dịch chứa m gam muối Giá trị của m là

Câu 2 Hòa tan hoàn toàn m gam hỗn hợp X chứa Mg, CuO trong dung

dịch HCl loãng, dư, thu được dung dịch chứa 34,5 gam muối và 3,36 lít khí H2

(đktc) Giá trị của m là

A 15,6 B 12,4 C 19,2 D 12,8 Câu 3: Hòa tan hoàn toàn hỗn hợp chứa 0,05 mol mỗi chất gồm Fe, MgO

vào dung dịch H2SO4 loãng dư, thu được dung dịch X Cho dung dịch NaOH dưvào X thu được m gam kết tủa Giá trị của m là

A 7,4 B 8,2 C 9,6 D 6,8 Câu 4: Hòa tan hoàn toàn 19,3 gam hỗn hợp X gồm Fe, CaO, ZnO cần vừa

đủ dung dịch chứa 0,6 mol HCl, thu được 2,24 lít khí H2 (đktc), dung dịch thuđược chỉ chứa m gam muối Giá trị của m là

A 37,4 B 41,2 C 36,5 D 28,8.

vừa đủ với dung dịch chứa 0,8 mol HCl thì thu được dung dịch X và 3,36 lít H2

(đktc) Cô cạn dung dịch X thì khối lượng muối khan thu được là

A 44,40 gam B 48,90 gam C 42,00 gam D 30,65 gam.

cần vừa đủ V ml dung dịch H2SO4 1M, thu được dung dịch chỉ chứa 47,4 gammuối và 2,24 lít khí H2 (đktc) Giá trị của V là

A 360 B 120 C 300 D 480

Định hướng tư duy:

Bài toán có số ẩn nhiều hơn số dữ kiện nên việc giải toán bằng phươngpháp thông thường gây khó khăn lớn cho học sinh Để làm được cần áp dụngđến bảo toàn nguyên tố, bảo toàn khối lượng

Sở dĩ bài toán được xếp ở mức vận dụng bởi lẽ với học sinh lớp 10 khi số

ẩn nhiều hơn số dữ kiện thì bản thân các em cảm thấy bế tắc, không tìm được hướng để giải Học sinh sẽ cảm thấy đề thiếu dữ kiện Tuy nhiên khi nắm vững bản chất và mối liên hệ số mol các chất, phương pháp bảo toàn thì bài toán trở nên dễ dàng hơn rất nhiều.

ở nhiệt độ cao, thu được 38 gam chất rắn Y Lượng chất rắn Y phản ứng vừa đủvới V ml dung dịch HCl 2M, thu được 2,24 lit khí (đktc) bay ra Giá trị của V là

Định hướng tư duy:

Để giải quyết được bài toán này, các em cần xác định được trong Y chứaloại hợp chất nào? Sau phản ứng nguyên tố O, H đi về đâu?

 Bài tập tự luyện

Câu 1 Nung 20,8 gam hỗn hợp gồm Cu, Mg và Al trong oxi một thời gian

thu được 21,52 gam chất rắn X Hòa tan X trong V ml dung dịch HCl 0,5M vừa

đủ thu được 0,672 lít khí H2 (ở đktc) Giá trị của V là

không đổi), thu được chất rắn X Hòa tan toàn bộ X bằng dung dịch HCl dư, thuđược 13,44 lít khí H2 (đktc) Kim loại M là

Câu 3 Hòa tan hoàn toàn 5,44 gam X gồm kim loại M và oxit xủa nó (M

chỉ có 1 hóa trị trong các hợp chất) cần vừa đủ 160 ml dung dịch H2SO4 1M, thuđược 1,344 lít khí H2 (ở đktc) Kim loại M là

A Mg B Al C Zn D Fe.

dịch H2SO4 9,8% (vừa đủ), thu được dung dịch E và 1,344 lít khí H2 (đktc) Bỏqua sự bay hơi của nước trong quá trình phản ứng Nồng độ phần trăm của

Al2(SO4)3 trong E là

A 11,12% B 11,40% C 5,56% D 5,70%.

oxi chiếm 25,6% về khối lượng) tác dụng vừa đủ với dung dịch HCl thì thuđược dung dịch X và 1,792 lít khí (đktc) Cô cạn X được m gam muối khan Giátrị của m là

m gam dung dịch HCl 14,6% thu được một muối và 6,72 lit khí H2 (đktc) Biếtnồng độ phần trăm của muối trong dung dịch là 23,9% Phần trăm khối lượng

của R trong hỗn hợp ban đầu có giá trị gần nhất với

Định hướng tư duy:

Để giải quyết được bài toán này cần bám vào C% của muối trong dungdịch, các em cần tìm được khối lượng chất tan theo x (x là số mol HCl), khốilượng dung dịch muối theo x (áp dụng định luật bảo toàn khối lượng cho dungdịch)

Hướng dẫn giải:

Đây là bài toán không đơn giản với học sinh, bài toán đòi hỏi các em cần

nắm vững các kiến thức: Tỉ lệ mol của R với H 2 là 1:1; bảo toàn nguyên tố O,

Cl; tổng khối lượng hợp chất bằng tổng khối lượng các thành phần cấu tạo nên

nó và áp dụng được định luật bảo toàn khối lượng cho dung dịch để tìm khối

lượng dung dịch sau phản ứng.

dung dịch HCl vừa đủ thu được 3,248 lit khí (đktc) và dung dịch Y Trong Y có

12,35 gam MgCl2 Cho hỗn hợp X tác dụng với dung dịch H2SO4 loãng, vừa đủthì thu được dung dịch Z Cô cạn Z thu được m gam muối khan Giá trị của m là

Định hướng tư duy:

Bài toán có 4 ẩn nhưng chỉ có 3 dữ kiện, vì thế tính toán theo phương trình

hóa học rất khó Bài toán này các em cần sử dụng bảo toàn tất cả các nguyên tố

và bảo toàn khối lượng

Hướng dẫn giải:

BTNT Mg: nMg(X) = 0,13 mol; Gọi nCa(X) = a mol; nO(X) = b mol

X⃗ + HCl ¿ { MgCl 2 :0,13mol ¿ { CaCl 2 :amol ¿ { H 2 :0,145mol ¿¿¿

Mặt khác: mX = mMg + mCa + mO ↔ 24.0,13 + 40a + 16b = 10,72

→ a = 0,14; b = 0,125

BTNT Mg, Ca: n MgSO 4=0 , 13 ;nCaSO

Nhận xét:

Qua bài toán các em thấy, hỗn hợp gồm tới 4 chất tham gia phản ứng, số

dữ kiện ít hơn nhưng nếu các em biết cách lựa chọn phương pháp phù hợp thì bài toán trở nên đơn giản hơn nhiều.

dung dịch H2SO4 12,5% thu được dung dịch X có nồng độ phần trăm là

14,5631% và 2,24 lít H2 (đktc) Cô cạn dung dịch X thu được 30 gam muối khan Giá trị của m là

kim loại có hoá trị không đổi) trong 100,8 gam dung dịch H2SO4 17,5% (vừa đủ), thu được dung dịch MSO4 20% và 1,344 lít khí H2 (đktc) Kim loại M là

A Mg B Be C Zn D Ni Câu 3 Cho 30,7 gam hỗn hợp Na, K, Na2O, K2O tác dụng với dd HCl vừa

đủ thu được 2,464 lít H2 (đktc) và dung dịch chứa 22,23 gam NaCl và x gamKCl Giá trị của x là:

Câu 4 Hoà tan 5,36 gam CaO, Mg, Ca, MgO bằng dung dịch HCl vừa đủ

thì thu được 1,624 lít khí H2(đktc) và dung dịch trong đó có 6,175 gam MgCl2 và

m gam CaCl2 giá trị của m là

2.3.2 Bài toán hỗn hợp kim loại và oxit kim loại tác dụng với hỗn hợp dung dịch chứa HCl, H 2 SO 4 loãng.

Ví dụ 1 Hòa tan hết hỗn hợp X gồm 0,1 mol Mg, 0,15 mol MgO cần vừa

đủ 100 ml dung dịch chứa HCl 1,5M, H2SO4 0,5M thu được dung dịch Y chứa

m gam muối Giá trị của m là

A 16,125 B 18,210 C 14,042 D 21,408

Định hướng tư duy:

Để tính được khối lượng của muối trong Y, các em chỉ cần lưu ý tổng khốilượng muối trong Y bằng tổng khối lượng ion kim loại và ion gốc axit