Hướng dẫn học sinh vận dụng định luật bảo toàn khối lượng và quy tắc đường chéo

- Các dạng tính toán có liên quan đến định luật bảo toàn khối lượng, vì đề bài cho số dữ kiện ít hơn số lượng chất trong hỗn hợp.. Với những lý do trên tôi chọn đề tài “ Hướng dẫn học si

I.1 Lý do chọn đề tài

1 Lý luận

Hóa học là môn học vừa mới mẻ, vừa khá trừu tượng đối với học sinh trung học cơ sở(THCS), đòi hỏi học sinh phải biết cách tư duy, giáo viên phải biết sáng tạo từ cách thức tổchức dạy lý thuyết đến phương pháp bồi dưỡng kỹ năng giải bài tập cho học sinh Ngoàimục tiêu giúp học sinh khám phá các chuẩn kiến thức, giáo viên còn phải gắn liền với mụctiêu phát triển kiến thức; hình thành phương pháp học tập khoa học, phát huy tính chủ độngsáng tạo, rèn luyện năng lực nhận thức và tư duy hóa học cho học sinh Dạy hóa học phảichú trọng đến nhiệm vụ phát hiện, bồi dưỡng, nâng cao tri thức và năng lực vận dụng thựctiễn, tác động tích cực đến tình cảm, đem lại niềm vui và sự hứng thú, say mê học tập tronghọc sinh Các nhiệm vụ đó có thể được thực hiện bằng nhiều cách khác nhau, trong đó bàitập hóa học là một trong những phương tiện hiệu nghiệm để phát hiện, bồi dưỡng năng lựcnhận thức và tư duy hóa học cho học sinh (nhất là học sinh giỏi) Do đặc thù là một môn họcmới, thời gian học ở bậc THCS rất ngắn trong khi hệ thống bài tập hóa học lại rất đa dạng vàphức tạp nên việc thực hiện nhiệm vụ không hề dễ dàng nếu giáo viên không nhiệt huyếthoặc thiếu say mê, sáng tạo

- Các dạng tính toán có liên quan đến định luật bảo toàn khối lượng, vì đề bài cho số dữ kiện

ít hơn số lượng chất trong hỗn hợp

- Các dạng tính toán có liên quan đến quy tắc đường chéo, vì nếu như học sinh không hiểuđược nguyên tắc áp dụng thì sẽ không biết đại lượng nào áp dụng vào quy tắc đường chéo

Với những lý do trên tôi chọn đề tài “ Hướng dẫn học sinh vận dụng định luật bảo

toàn khối lượng và quy tắc đường chéo " nhằm giúp các em học sinh nắm vững bản chất

hóa học và phương pháp tính toán hai dạng toán trên, góp phần tăng thêm hứng thú tronghọc tập, phát triển năng lực tư duy; sáng tạo và nâng cao chất lượng bồi dưỡng học sinh giỏi

ở trường THCS

I.2 Mục đích nghiên cứu

Tôi nghiên cứu đề tài này nhằm giúp học sinh:

- Vận dụng được định luật bảo toàn khối lượng không chỉ ở dạng đơn thuần là tínhkhối lượng của một chất (trong PTHH có n chất) khi biết khối lượng của (n – 1) chất, mà còntính khối lượng của một chất khi biết khối lượng của (n -2) chất

- Nắm vững nguyên tắc áp dụng quy tắc đường chéo, từ đó biết đại lượng áp dụngvào quy tắc đường chéo

I.3 Đối tượng nghiên cứu

I.3.1 Nghiên cứu phương pháp giải toán liên quan đến định luật bảo toàn khối lượng

-Khi trong phản ứng chỉ còn một chất chưa biết khối lượng

-Khi trong phản ứng còn hai chất trở lên chưa biết khối lượng

I.3.2 Nghiên cứu phương pháp giải toán liên quan đến quy tắc đường chéo

-Trộn hai chất X,Y thành một hỗn hợp có khối lượng mol trung bình

-Trộn hai dung dịch cùng chất tan, cùng loại nồng độ

I.4 Đối tượng khảo sát, thực nghiệm

Đội tuyển học sinh giỏi hóa học lớp 8, lớp 9 từ năm học 2017 -2018 đến năm học 2019 –2020

I.5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Tôi sưu tầm, nghiên cứu theo chuyên đề bao gồm

cơ sở lý thuyết và phương pháp giải, từ đó áp dụng vào giải bài tập

Phương pháp thực nghiệm sư phạm và tổng kết kinh nghiệm: Tôi thực hiện giảng dạytheo kế hoạch đã được xây dựng với đội tuyển học sinh giỏi của trường, tổng kết rút kinhnghiệm sau khi kết thúc chuyên đề.

Một số phương pháp hỗ trợ: gồm trao đổi cùng đồng nghiệp; thu thập thông tin họcsinh; điều tra khảo sát, phân tích so sánh …

I.6 Phạm vi và thời gian nghiên cứu

I.6.1 Phạm vi nghiên cứu

Đội tuyển học sinh giỏi hóa học lớp 8, lớp 9 Trường trung học cơ sở Phước Hưng

I.6.2 Thời gian nghiên cứu

- Chuẩn bị xây dựng đề tài từ tháng 8 / 2018

- Dạy học theo đề tài từ tháng 10 / 2018

- Viết thô sáng kiến vào tháng 10 /2018

- Hoàn thiện sáng kiến vào tháng 10 năm 2019

II NỘI DUNG

II.1.Những nội dung lý luận có liên quan trực tiếp đến vấn đề nghiên cứu

Quy tắc đường chéo: được áp dụng cho tất cả hỗn hợp hai thành phần và biết giá trịtrung bình (T) T = A B Quy tắc đường chéo biểu diễn mối liên hệ giữa các giá trị trung bình sau khi pha trộn và các giá trị ban đầu, kèm với đại lượng tỉ lệ nghịch.

II.2 Thực trạng vấn đề nghiên cứu

Thực tế, các em trong đội tuyển học sinh giỏi khi gặp bài toán có số lượng chất trong hỗnhợp nhiều hơn số dữ kiện đề bài cho thường rất lúng túng, không xác định được hướng giải,hoặc giải được nhưng tốn rất nhiều thời gian Khi dùng quy tắc đường chéo, các em còn mơ hồ,không biết áp dụng đại lượng nào để biểu diễn quy tắc đường chéo

Tôi đã tiến hành tham gia khảo sát đội học sinh giỏi hai bài tập liên quan đến hai loạitoán trên:

Bài 1: Hòa tan 11,2g hỗn hợp A gồm hai kim loại X và Y (đều đứng trước H trong dãyhoạt động hóa học của kim loại) vào dung dịch HCl dư (dung dịch D) Sau phản ứng, cô cạndung dịch thu được39,6g muối khan

a/ Tính thể tích H2 (ở đktc)

b/ Cho 22,4g hỗn hợp A vào 500ml dung dịch D thì thu được 16,8 lít khí (ở đktc) Cô cạndung dịch thu được sau phản ứng được chất rắn B Tính khối lượng chất rắn B và nồng độ molcủa dung dịch D

Bài 2: Hỗn hợp khí X gồm SO2 và O2 Biết tỉ khối của hỗn hợp X so với khí hiđro là28,8 Tính % theo thể tích và % theo khối lượng mỗi khí có trong hỗn hợp X

Kết quả:

Đối với bài 1: học sinh lúng túng vì X, Y chưa biết được hóa trị; số liệu đề bài cho lại íthơn số chất Do đó, học sinh không xác định được hướng giải, hoặc giải với số lượng ẩn nhiềuhơn so với dữ kiện đề bài

Đối với bài 2: học sinh giải theo cách gọi x, y là số mol từng chất trong hỗn hợp rồi giải

hệ phương trình tốn rất nhiều thời gian

Khi được tôi hướng dẫn giải hai bài tập trên (bài 1: phương pháp vận dụng định luậtbảo toàn khối lượng; bài 2: dùng quy tắc đường chéo) thì một điều khá thú vị là có nhiều họcsinh hiểu rất nhanh; giải được nhanh chóng một bài tập tương tự và tỏ ra thích thú về nhữngphương pháp này Trước thái độ tích cực và tình cảm yêu thích của học sinh, tôi nghĩ mìnhphải có nhiệm vụ nghiên cứu và thực hiện đề tài này để góp phần nâng cao chất lượng giảngdạy

II.3 Mô tả, phân tích các giải pháp (hoặc biện pháp, các cách ứng dụng, cách làm mới) đã sửdụng nhằm làm cho công việc có hiệu quả cao hơn

II.3.1 Bài toán vận dụng định luật bảo toàn khối lượng

1 Cơ sở của phương pháp

Cơ sở phương pháp dựa trên nội dung định luật bảo toàn khối lượng “ Trong một phản ứng hóa học, tổng khối lượng của các chất sản phẩm bằng tổng khối lượng của các chất tham gia phản ứng”.

*Tổng quát:

Giả sử có phản ứng: A + B  C + D

Theo định luật bảo toàn khối lượng, ta có:

mA(pư) + mB(pư) = mC + mD (Không tính phần chất còn dư)

*Các hệ quả:

Hệ quả 1: ∑mtrước phản ứng = ∑msau phản ứng (đúng cho mọi trường hợp)

Hệ quả 2: Áp dụng tính khối lượng dung dịch thu được sau phản ứng:

mdd (sau phản ứng) = ∑mtrước phản ứng - mchất không tan (sau phản ứng) - mchất khí (sau phản ứng)

2 Dấu hiệu nhận dạng bài toán sử dụng được định luật bảo toàn khối lượng

√Đề bài cho 2 dữ kiện khối lượng không đổi được thành số mol vì nó thuộc một chấttổng quát hoặc của hỗn họp

√Số lượng chất trong hỗn hợp nhiều hơn số dữ kiện đề cho và đề bài không hỏi lượngtừng chất trong hỗn hợp đó

3 Phương pháp giải toán

3.1 Dạng 1: Nếu trong phản ứng chỉ còn một chất chưa biết khối lượng

* Phương pháp: Tính trực tiếp khối lượng chất theo định luật bảo toàn khối lượng:

Giả sử có phản ứng: A + B  C + D

(Trong đó, các chất A, B, C đã biết khối lượng mA, mB, mC)

Theo định luật bảo toàn khối lượng:

mA + mB = mC + mD ¿>¿ mD = mA + mB - mD

3.2 Dạng 2: Nếu trong phản ứng còn 2 chất trở lên chưa biết khối lượng

* Phương pháp: Tính gián tiếp khối lượng của chất theo định luật bảo toàn khối lượng

Giả sử có phản ứng: A + B  C + D

(Trong đó, các chất A, B, đã biết khối lượng mA, mB)

√Bước 1: Đặt ẩn (a mol) cho số mol của một trong các chất chưa biết khối lượng

√Bước 2: Viết đầy đủ các PTHH ( hoặc viết chung một PTHH tổng quát nếu các phản ứngtương tự)

Theo tỉ lệ hệ số của PTHH, từ a mol => số mol của các chất còn lại trong PTHH

√Bước 3: Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng, lập phương trình toán học có chứa ẩn a,giải phương trình toán học tìm nghiệm của ẩn a

√Bước 4: Tính toán để hoàn thành các yêu cầu của đề bài

4 Các bài tập minh họa

Bài 1 : Khi cho 10,4gam hỗn hợp các oxit CuO, MgO, Fe2O3, tác dụng vừa đủ với 300ml

dung dịch HCl 1M thu được dung dịch A Cô cạn dung dịch A thu được m gam muối khan.Hãy tính giá trị của m?

Theo ĐLBTKL: mACl 2 y

x = mAxOy + mHCl – mH2O = 10,4 + 0,3.36,5 - 0,15 18 = 18,65g

Bài 2: Hòa tan hoàn toàn 12,4 gam hồn hợp A gồm 3 kim loại X, Y, Z hóa trị lần lượt là I,

II, III trong dung dịch H2SO4 loãng, dư thu được dung dịch B và V lít (đktc) khí H2 Cô cạndung dịch B thu được 60,4 gam muôi khan Tính V.

 Phân tích:

-Do hỗn hợp có 3 kim loại chưa biết khối lượng mol, sổ mol cùa mỗi kim loại cũngchưa biẻí nên ta có tồng số ẩn số là 6 (nếu dùng phương pháp đại sò) trong khi đề bài chi cho

biết 2 dữ kiện để định lượng Vì vậy không thê giải tìm chính xác giá trị cùa mỗi ẩn

-Đề bài cho 2 dữ kiện không thể đổi thành số mol Đây là dấu hiệu đề ta nhận định bàitoán giải được bằng pháp bào toàn khối lượng (Thuộc dạng 2)

 Hướng dẫn:

-Đặt A là kim loại đại diện cho các kim loại X, Y, Z

-Đặt a mol là số mol của H2

 Phân tích:

-Từ số mol chất kết tủa BaCO3 => số mol CO2 => số mol CO ở phản ứng khử (nCO =nCO2)

-Như vậy, ở phản ứng khử, biết được khối lượng của các chất, chỉ còn khối lượng củahỗn hợp 2 oxit là chưa biết đây là dấu hiệu sử dụng định luật bảo toàn khối lượng (Thuộcdạng 1)

 Bài làm của học sinh:

Bài 4: Đốt cháy hoàn toàn 3,42g chất hữu cơ X chứa 3 nguyên tố C, H và O cần dùng V lít

O2 (đktc) Hấp thụ hết sản phẩm cháy vào bình đựng dung dịch Ca(OH)2 dư, thu được 12gkết tủa, đồng thời khối lượng bình tăng 7,26g Tính V và xác định CTPT của X biết trongphân tử X thì số nguyên tử C nhiều hơn số nguyên tử O là 1 đơn vị

 Phân tích:

- Từ lượng kết tủa => tính được lượng CO2

- Khối lượng bình đựng dd Ca(OH)2 tăng => tính được lượng H2O

- Ở PTHH đốt cháy, chỉ còn khối lượng khí O2 chưa biết Đây là dấu hiệu sử dụngđịnh luật bảo toàn khối lượng (Thuộc dạng 1)

- Muốn xác định được CTPT của X, ta phải xác định khối lượng hoặc số mol các

nguyên tố có trong X Muốn vậy, ta vận dụng phương pháp bảo toàn mol nguyên tố Cơ sở

của phương pháp là : Trong PƯHH chỉ có liên kết giữa các nguyên tử thay đổi, còn sốnguyên tử của mỗi nguyên tố là không đổi Giả sử có công thức AxBy thì nA = nA x B y x ; n B

= nA x B y y

 Bài làm của học sinh:

5 Mở rộng bài toán vận dụng định luật bảo toàn khối lượng

5.1 Bảo toàn mol nguyên tố

1 Định luật : ∑nX ( trước phản ứng ) = ∑nX ( sau phản ứng )

2 Phương pháp giải: Giải bài toán dựa vào quan hệ về số mol

=> quan hệ số mol:

nHCl (phản ứng) = 2nO (oxit phản ứng) = 2nH2O

nH2SO4 (phản ứng) = nO (oxit phản ứng) = nH2O

Bảo toàn khối lượng: mmuối = mkim loại = mgốc axit

* Phản ứng: kim loại + axit (HCl, H 2 SO 4 loãng )  muối + H 2

=> quan hệ số mol:

nHCl (phản ứng) = 2nH2 ; nH2SO4 (phản ứng) = nH2

Bảo toàn khối lượng: mmuối = mkim loại = mgốc axit

* Phản ứng: kim loại (hoặc oxit kim loại) + axit (HNO 3 , H 2 SO 4 đặc)

Sơ đồ phản ứng:

M + H2SO4 đặc, nóng  M2(SO4)n + H2O + SO2 (hoặc H2S, hoặc S)

M + HNO3  M(NO3)n + H2O + NxOy (hoặc NH4NO3)

=> quan hệ số mol:

nH2SO4 (phản ứng) = nSO4 (muối) + nsản phẩm khử (SO2; S; H2S)

n HNO3 (phản ứng) = nNO3 (muối) + nN (trong sản phẩm: NO; NO2; )

* Phản ứng: oxit kim loại + CO (hoặc H 2 )  chất rắn + CO 2 (hoặc H 2 O)

=> quan hệ số mol:

no (bị khử) = nCO2 = nCO ( phản ứng) (với chất khử CO)

no (bị khử) = nH2O = nH2 ( phản ứng) (với chất khử H2)

Số mol chất khí không đổi

Bảo toàn khối lượng, ta có:

mrắn sau = moxit kim loại – mO (bị khử)

moxit kim loại + nCO 28 = mrắn sau phản ứng + nCO Mkhí sau phản ứng

3 Bài tập:

Bài tập 1: Cho hỗn hợp A gồm Al, Zn, Fe Đem Oxi hoá 28,6 gam A bằng Oxi thu được 44,6gam hỗn hợp rắn B (chỉ gồm các oxit) Hoà tan hết B trong dung dịch HCl thu được dungdịch D Cô cạn dung dịch D được hỗn hợp muối khan có khối lượng là bao nhiêu?

Hướng dẫn giải:

Gọi M là kim loại chung:

4M + nO2  2M2On

M2On + 2nHCl  2MCln + nH2O

Theo bảo toàn khối lượng ta có:

nO(rắn B) = mB−mA16 = 44,6−28,616 = 1 (mol)

Ta có sơ đồ phản ứng:

28,6g A + O2 44,6g oxit B + HCl muối D + H2O

-Bảo toàn số mol O => nH2O = nO = 1 mol

-Bảo toàn số mol H => nHCl = 2nH2O => nHCl = 2 mol

=> m muối = m kim loại + m gốc axit = 28,6 + 2x 35,5 = 99,6g

Bài tập 2: Để khử hoàn toàn 3,04 gam hỗn hợp X gồm FeO, Fe3O4, Fe2O3 cần 0,05 mol H2.Mặt khác hòa tan hoàn toàn 3,04 gam hỗn hợp X trong dung dịch H2SO4 đặc thu được khíSO2 (sản phẩm khử duy nhất) ở điều kiện tiêu chuẩn.Tính thể tích SO2

5.2 Bảo toàn electron

1 Nội dung định luật bảo toàn electron

- Trong phản ứng oxi hóa - khử, tổng số electron mà các chất khử nhường luôn bằngtổng số electron mà các chất oxi hóa nhận

3 Các dạng bài tập

a Kim loại tác dụng với phi kim

Bài tập: Cho 11,2 lít hỗn hợp khí A gồm clo và oxi phản ứng vừa hết với 16,98 gam hỗnhợp B gồm magie và nhôm tạo ra 42,34 gam hỗn hợp các muối clorua và oxit hai kim loại.Tính thành phần % khối lượng của magie và nhôm trong hỗn hợp B ?

Hướng dẫn giải

Theo giả thiết ta có : n(Cl ,O ) 2 2 0,5 mol ; m(Cl ,O ) 2 2 25,36 gam.

Gọi x và y lần lượt là số mol của Cl2 và O2 ta có :

Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có :

nelectron cho = nelectron nhận  3.nAl2.nMg 2.nCl 2 4.nO 2 

b Kim loại tác dụng với dung dịch axit

Bài tập: Cho 1,35 gam hỗn hợp gồm Cu, Mg, Al tác dụng với dung dịch HNO3 dư, thu được1,12 lít (đktc) hỗn hợp khí NO và NO2 có tỉ khối so với hiđro bằng 20 Tổng khối lượngmuối nitrat sinh ra là bao nhiêu?

NO

m = mM(NO ) 3 n= m +mM NO3 

= 1,35 +

0,0875

n n.62 = 6,775 gam

Suy ra : nNO tạo muối3  nelectron trao đổi

c Kim loại tác dụng với dung dịch muối

Bài tập: Cho 2,8 gam bột sắt vào 200 ml dung dịch gồm AgNO3 0,1M và Cu(NO3)2 0,5M;khi các phản ứng xảy ra hồn tồn thu được m gam chất rắn X Tính giá trị của m

Bài tập: Hỗn hợp X gồm Na và Al Cho m gam X vào một lượng dư nước thì thoát ra V lítkhí Nếu cũng cho m gam X vào dung dịch NaOH dư thì được 1,75V lít khí Tính thànhphần phần trăm theo khối lượng của Na trong X là (biết các thể tích khí đo trong cùng điềukiện)?

Hướng dẫn giải

X tác dụng với dung dịch NaOH dư thu được lượng khí nhiều hơn so với khi X tác dụngvới H2O, chứng tỏ khi X tác dụng với H2O thì Al còn dư, dung dịch sau phản ứng chứaNaAlO2

Đối với các chất khí thì tỉ lệ thể tích cũng chính là tỉ lệ mol nên căn cứ vào giả thiết tachọn số mol H2 giải phóng ở hai trường hợp lần lượt là 1 mol và 1,75 mol

Đặt số mol của Na và Al tham gia phản ứng với H2O là x mol

Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có :

2

1.n 3.n 2.n  1.x + 3.x = 2.1  x = 0,5

Đặt số mol Al ban đầu là y, khi X tác dụng với dung dịch NaOH dư thì Al phản ứng hết

Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có :

2

1.n 3.n 2.n 

1.0,5 + 3.y = 2.1,75  y = 1 Thành phần phần trăm theo khối lượng của Na trong X là :

0,5.23

.100% 29,87%0,5.23 1.27 

e Kim loại tác dụng với nhiều chất oxi hóa (phi kim, dung dịch axit, bazơ, muối)

Bài tập: Trộn 56 gam bột Fe với 16 gam bột lưu huỳnh rồi đun nóng (không có không khí)thu được chất rắn A Hoà tan A bằng dung dịch axit HCl dư được dung dịch B và khí D Đốtcháy D cần V lít O2 (đktc) Biết các phản ứng xảy ra hoàn toàn Tính giá trị của V