sang kiến kinh nghiệm (đã đăng trên tạp chí hóa học ứng dụng)

Kêt hợp với định luật bảo toàn nguyên tố đưa ra các hệ số của các chất còn lại trong phương trình.. b Phương pháp: xác định số electron nhường và nhận dựa vào quá trình cân bằng điện tí

Sở giáo dục và đào tạo hà nam Trờng thpt c duy tiên

**********

Sáng kiến kinh nghiệm

Đề tài

đổi mới phơng pháp cân bằng phơng trình hóa học

Họ và tên: Trần Đăng Tuấn Giáo viên bộn môn : Hoá Học

Hà Nam 5 - 2009

Hóa học giúp con người hiểu biết về tự nhiên và có ảnh hưởng lớn đến các vấn đề thực tiễn Việc khai thác tài nguyên thiên nhiên như các loại nhiên liệu hóa thạch, các loại quặng sử dụng chế biến và sản xuất được nhiều chất khác nhau ứng dụng trong nhiều lĩnh vực là nhiệm vụ thực tế của hóa học Hóa học cũng tham tạo nhiều loại vật liệu mới đáp ứng nhu cầu phát triển kỹ thuật công nghệ ngày càng tiên tiến Có thể nói hóa học đã, đang và sẽ góp phần vào việc đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế, xã hội và bảo vệ môi trường.

Đảng và nhà nước ta đã coi giáo dục là quốc sách hàng đầu, phát triển giáo dục và đào tạo là một trong những động lực quan trọng thúc đẩy sự công nghiệp hóa, hiện đại hóa là điều kiện để phát huy nguồn lực con người – yếu tố để phát triển xã hội, tăng trưởng kinh tế nhanh và bền vững

Để hóa học cùng với các bộ môn khoa học khác đáp ứng được nhu cầu về con người nguồn nhân lực là yếu tố quyết định sự phát triển của đất nước cần phải tạo sự chuyển biến cơ bản và toàn diện về giáo dục và đào tạo Một trong những chuyển biến quan trọng và cấp thiết là “đổi mớiphương pháp dạy học, phát huy tư duy sáng tạo và năng lực tự đào tạo của người học”

Quay trở lại với bộ môn hóa học ta thấy đối tượng của hóa học là chất

và sự biến đổi của các chất Để thể hiện sự biến đổi của các chất ta phải dùng phương trình phản ứng (ptpư) để biểu diễn sự biến đổi đó

Vì vậy một trong những kỹ năng quan trọng mà người giáo viên giảngdạy môn hóa học cần rèn luyện cho học sinh là hoàn thành ptpư và áp dụng mỗi phương trình để giải quyết những yêu cầu thực tiễn Trong đó

kỹ năng cân bằng phương trình thường gây khó khăn cho học sinh về thao tác cân bằng phương trình và thời gian để hoàn thành một phương trình

Xuất phát từ lý do trên tôi mạnh dạn nghiên cứu đề tài “Đổi mới

phương pháp cân bằng phương trình hóa học”

II/ MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU

1 Mục đích của đề tài

Đề tài sẽ xây dựng các phương pháp cân bằng nhanh các loại phương trình phản ứng hóa học Từ đó áp dụng vào giảng dạy bộ môn hóa học ở trường THPT

2 Nhiệm vụ của đề tài

 Nghiên cứu các tài liệu liên quan đến cân bằng phương trình ptpư hóa học

 Nghiên cứu cơ sở lý luận để xây dựng phương pháp cân bằng phương trình phản ứng hóa học

 Nghiên cứu nội dung chương trình hóa học THPT

 Xây dựng các bài tập áp dụng ở dạng dạng tự luận trắc nghiệm khách quan

 Tiến hành thực nghiệm sư phạm tại trường THPT C Duy Tiên xác định hiệu quả của đề tài

 Đề xuất việc sử dụng phương pháp cân bằng phương trình đổi mới

III/ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1 nghiên cứu lý luận

Nghiên cứu lý luận có liên quan đến đề tài: nghiên cứu bản chất của phương trình phản ứng hóa học, Các phương pháp cân bằng đang sử dụng hiện nay, Phương pháp giáo dục THPT

2 Điều tra cơ bản

Trao đổi với giáo viên đang giảng dạy bộ môn hóa trong và ngoài nhà trường

Thăm dò ý kiến của học sinh trong trường, và các học sinh ở các trường khác nhau thông qua các diễn đàn trên internet Và sử lý kết quả thăm dò

3 Thực nghiệm sư phạm

Xác định phạm vi kiến thức chương trình tiến hành thực nghiệm sư phạm tại trường THPT C Duy Tiên Xử lý kết quả và thực nghiệm sư phạm bằng phương pháp thống kê để đánh giá

IV/ ĐIỂM MỚI CỦA ĐỀ TÀI

Trong nội dung của chương trình hóa học phổ thông chưa có phần hệ thống những phương pháp cân bằng phương trình, qua tham khảo tài liệu bản thân tôi chưa gặp tài liệu nào hệ thống các phương pháp cân bằng phương trình và hệ thống lại những kinh nghiệm cân băng phương trình

mà có thể nhiều thầy cô đã sử dụng trong quá trình giảng dạy môn hóa học

Các phương pháp cân bằng hiện nay thường phải tiến hành qua nhiều bước làm cho học sinh khó hiểu, mất nhiều thời gian Trong khi phương pháp kiểm tra trắc nghiệm khách quan dùng để kiểm tra đánh giá yêu cầugiải quyết bài tập trong một thời gian ngắn

Dựa trên bản chất của những phương pháp cân bằng hiện có và đặc điểm riêng của từng loại phương trình đề tài đưa ra những quy luật mang những ý tưởng hoàn toàn mới, chỉ ra những kỹ năng cần thiết giúp người học thấy được cần phải làm gì và giảm bớt những bước cân bằng không cần thiết giúp người học dễ thực hiện trong một thời gian ngắn

I/ CÁC PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG PHƯƠNG TRÌNH ĐANG ÁP DỤNG HIỆN NAY

1 Phương pháp đại số

a) Nguyên tắc: Dựa vào định luật bảo toàn nguyên tố.

b) phương pháp: Đặt ẩn là các hệ số của các chất trong phương trình, từ

đó lập được một hệ phương trình nghiệm nguyên vô định Tìm

nghiệm nguyên tối giản nhất là hệ số của các phương trình tương ứng

2 Phương pháp cân bằng electron

a) Nguyên tắc: Dựa vào định luật bảo toàn electron.

b) Phương pháp: Xác định số electron nhường và nhận dựa trên sự thay

đổi số oxi hóa của các nguyên tố trong phương trình Cân bằng số electron nhường và nhận từ đó tìm được hệ số của chất oxi hóa và chất khử Kêt hợp với định luật bảo toàn nguyên tố đưa ra các hệ số của các chất còn lại trong phương trình

3 Phương pháp ion – electron

a) Nguyên tắc: Áp dụng định luật bảo toàn electron.

b) Phương pháp: xác định số electron nhường và nhận dựa vào quá

trình cân bằng điện tích của các chất và ion, từ đó cân bằng hệ số các chất và ion rồi sau đó trung hòa điện tích của các ion bằng những ion trái dấu trở về phương trình phân tử

Lưu ý:

Phương pháp này áp dụng chủ yếu cho các phản ứng oxi hóa – khử sảy ra trong dung dịch, Có sự tham gia của môi trường (axit, bazơ, nước).Phương pháp này có hai ưu điểm so với phương pháp cân bằng

electron: Một là không cần xác định số oxi hóa vì tính số electron theo định luật bảo toàn điện tích, hai là phương trình ion thu gọn có thể tìm được một các tự nhiên

Nếu phản ứng nào có axit tham gia: Vế nào thừa O phải thêm H+ để tạo nước và ngược lại

Nếu phản ứng nào có bazơ tham gia: Vế nào thừa O phải thêm H2O đểtạo OH- và ngược lại

Một số nửa phản ứng thường gặp với những tác nhân oxi hóa quan trọng.

MnO4-:

MnO4- + 8H+ + 5e > Mn2+ + 4H2O (môi trường axit)

MnO4- + 2H2O + 3e > MnO2 + 4OH- (Mối trường trung tính)MnO4- + e > MnO42- (trong môi trường kiềm)

SO42-/H+:

SO42- + 4H+ + 2e > SO2 + H2O (phản ứng với chất khử yếu)

SO42- + 10H+ + 8e > H2S + H2O (phản ứng với chất khử rất mạnh)

NO3-/H+:

NO3- + 2H+ + e > NO2 + H2O (axit đặc với chất khử yếu)

NO3- + 4H+ + 3e > NO + 2H2O (axit loãng với chất khử yếu)

NO3- + 10H+ + 8e > NH4+ + 3H2O (axit loãng với chất khử mạnh)

Cr2O42- + 14H+ + 6e > 2Cr3+ + 7H2O (môi trường axit)

CrO4- + 8H+ + 3e > [Cr(OH)6]3+ + 2OH- (mối trường kiềm)

4 Thăng bằng số oxi hóa

a) Nguyên tắc: Trong một phản ứng oxi hóa – khử, tổng số oxi hóa tăng

bằng tổng số oxi hóa giảm (hệ quả của định luật bảo toàn electron)

b) Phương pháp: Dựa vào sự biến đổi số oxi hóa của các nguyên tố

trong phương trình xác định số oxi hóa tăng và số oxi hóa giảm thêm

hệ số cần thiết để cân bằng số oxi hóa tăng và số oxi hóa giảm đưa hệ

số vào phương trình và áp dụng định luật bảo toàn nguyên tố cân băngcho các nguyên tố còn lại

Nhận xét chung:

Qua nghiên cứu các phương pháp cân bằng phương trình hiện nay tôi thấy rằng các phương pháp cơ bản là dựa vào hai định luật: Định luật bảo toàn nguyên tố và định luật bảo toàn electron (với phương trình ion cần áp dụng thêm định luật bảo toàn điện tích) Với mỗi phương pháp phải tiến hành qua nhiều thao dẫn đến khi thực hiện học sinh thường gặp không ít khó khăn

II/ PHÂN LOẠI PHẢN ỨNG HÓA HỌC

1 Dựa vào sự thay đổi các chất đầu và các chất tạo thành sau phản ứng.

Là phản ứng hóa học trong phản ứng số chất không bị thay đổi,

nhưng có sự thay thế thành phần của hợp chất bằng đơn chất khác (hoặc những nguyên tử của một đơn chất thay thế những nguyên tử của một trong những nguyên tố tạo thành hợp chất).

Ví dụ: Fe + CuSO4  FeSO4 + Cu

d) Phản ứng trao đổi kép

Là phản ứng trong đó những phân tử của hai chất ban đầu trao đổi với nhau thành phẩn của chúng để tạo thành những phân tử của hai chất mới Trong phản ứng số chất ban đầu bằng số chất tạo thành.

Ví dụ: AgNO3 + NaCl  AgCl + NaNO3

e) Phản ứng biến đổi đa hình

Là phản ứng trong đó một chất biến đổ từ dạng tinh thể này sang dạng tinh thể khách nhưng thành phần hóa học của nó không thay đổi.

2 Dựa vào sự thay đổi số oxi hóa của các nguyên tố trong phương trình phản ứng

a) Phản ứng không có sự thay đổi số oxi hóa

Các phản ứng không kèm theo sự thay đổi số oxi hóa thường diễn ra trong tướng khí và đặc biệt là trong dung dịch nước với sự tham gia của các ion Phản ứng không có sự thay đổi số oxi hóa trong hóa học vô cơ bao gồm: Phản ứng trao đổi, một số phản ứng phân hủy và kết hợp.

b) Phản ứng có sự thay đổi số oxi hóa (phản ứng oxi hóa - khử)

Là những phản ứng trong đó có sự thay đổi số oxi hóa của các nguyêntố

Trong tự nhiên phản ứng oxi hóa khử tạo nên phần lớn các quá trình biến đổi hóa học vì vậy định luật bảo toàn electron là một cơ sở quan trọng để cân bằng phương trình phản ứng và trong các kỹ năng của đề tài đưa ra trao đổi thì cân bằng phản ứng dựa trên định luật bảo toàn electron

là một nội dung trọng tâm

Để hoàn thành được phản ứng oxi hóa – khử học sinh cần được rèn luyện những kỹ năng quan trọng sau:

KỸ NĂNG THỨ I: Dự đoán được sản phẩm oxi hóa và sản phẩm

khử tạo thành sau phản ứng vì vậy đề tài xin đưa ra một số tác nhân oxi hóa thường gặp để phục vụ cho kỹ năng này Với học sinh nhận thức tốt (hoặc khi ôn tập) giáo viên có thể cung cấp đầy đủ các tác nhân oxi hóa dưới đây Còn với học sinh có nhận thức kém nên cung cấp các tác nhân theo các bài học liên quan

Tác nhân thứ 1: Cl2 sản phẩm khử tạo thành Cl- Tác nhân này oxi hóa được Fe+2 thành Fe+3 S-2 thành S S+4 thành S+6, Br- thành Br2 I- thành

Tác nhân thứ 4: (Mn+7)MnO-4+ H+ sản phẩm khử tạo thành là Mn2+,tác nhân này có thể oxi được X-(X: Cl, Br, I) thành X2, Fe<+3 thành Fe+3,

S<+6 thành S+6

Chú ý: trong môi trương trung tính hoặc kiềm loãng và môi trương

kiềm đặc Mn+7 bị khử tương ứng về Mn+4 (trong MnO2), Mn+6 (trong

K2MnO4)

Tác nhân thứ 5: Fe3+ sản phẩm khử có thể là Fe2+ hoặc Fe3+ tùy thuộc

và bản chất của chất khử và lượng chất khử tác nhân này có thể oxi hóa được S-2 thành S, I- thành I2, các kim loại sau Fe đến Cu thành ion kim loại

Tác nhân thứ 6: O2 + H+ tác nhân này có thể oxi hóa được Fe+2 thành

Fe3+ S-2 thành S, I- thành I2

KỸ NĂNG THỨ II: Xác định nhanh số oxi hóa của những nguyên tố

thay đổi số oxi hóa trong phương trình qua các nguyên tắc xác định số oxi hóa Để học sinh dễ nhớ các nguyên tắc giáo viên cần chỉ rõ mỗi nguyên tắc áp dụng đối với trường hợp nào (Với đơn chất, Với phân tử, với ion và với những nguyên tố thường gặp)

KỸ NĂNG THỨ III: Phân loại phản ứng oxi hóa khử Kỹ năng này

đặc biệt quan trong với giáo viên trong quá trình ra bài tập vừa sức phù hợp với đối tượng học sinh theo trình độ và thời gian học Độ khó của phản ứng oxi hóa khử tăng dẫn theo thứ tự phân loại sau

Phản ứng oxi hóa - khử giữa các chất (nguyên tử, phân tử, ion), trong đó có sự thay đổi số oxi hóa của hai nguyên tố khác nhau (hoặc cùng một nguyên tố nhưng có số oxi hóa khác nhau) thuộc các chất khác nhau.

Ví du: Cu + 4HNO3 đặc > Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O

(phản ứng chỉ có 2 nguyên tố thay đổi số oxi hóa: Cu > Cu+2, và

N+5 > N+4)

Là những phản ứng trong đó chất oxi hóa và chất khử đều nằm trong thành phần của một chất.

số oxi hóa trung gian).

Ví dụ: Cl2 + 2NaOH > NaCl + NaClO + H2O

(Cl2 tự oxi hóa khử thành Cl-1 và Cl+1)

Là những phản ứng oxi hóa - khử còn lại, có những đặc điểm dẫn đến khó khăn trong việc hoàn thành phương trình như: có nhiều nguyên tố thay đổi số oxi hóa, có nguyên tố có số oxi hóa không nguyên hoặc là ẩn số, có môi trường phản ứng phức tạp

VD1: 2FeS2 + 30HNO3 đặc > Fe2(SO4)3 + 30NO2 + H2SO4 + 19H2OVD2: FexOy + (6x – 2y)HNO3 loãng > xFe(NO3)3 + (3x – 2y)NO + (3x – y)H2O

B/ ĐỔI MỚI PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG PHƯƠNG TRÌNH ÁP DỤNG

PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG ĐỂ GIẢI BÀI TẬP HÓA HỌC

Khi hướng dẫn học sinh các phương pháp cân bằng phương trình cần cho học sinh thấy rõ được bản chất áp dụng để cân bằng phương trình và giúp học sinh có được những kỹ năng cần thiết như đã nêu ở trên

I Với những phương trình phản ứng không có sự thay đổi số oxi hóa

Kết hợp với cách phân loại thứ nhất (Dựa vào sự thay đổi các chất đầu và các chất tạo thành sau phản ứng) thì trong hóa học vô cơ phản ứng dạng này bao gồm: phản ứng trao đổi, một số phản ứng phân hủy

và kết hợp

Nguyên tắc: Với loại phương trình phản ứng hóa học dạng này phải dựa trên định luật bảo toàn nguyên tố để cân bằng phương trình.

1) Cách thông thường

Để cân bằng phương trình thuộc dạng này ta dùng phương pháp đại số với bản chất là dựa trên định luật bảo toàn nguyên tố

Ví dụ: Fe2(SO4)3 + NaOH  Fe(OH)3 + Na2SO4

Đặt ẩn: aFe2(SO4)3 + bNaOH  cFe(OH)3 + dNa2SO4

Với điều kiện: a, b, c, d là những số nguyên dương

 Dựa vào sự bảo toàn nguyên tố sắt ta có: 2a = c (1)

 Dựa vào sự bảo toàn nguyên tố Na ta có: b = 2d (2)

 Dựa vào sự bảo toàn nguyên tố S ta có: 3a = d (3)

Chú ý: Ta có thể thay một trong các phương trình (1), (2), (3)

bằng phương trình lập được từ sự bảo toàn của nguyên tố O hoặc nguyên tố H

Từ (1), (2), (3) ta lập được một hệ phương trình nghiệm nguyên vôđịnh Chọn a = 1 thay vào hệ và giải hệ ta được kết quả là d = 3, c = 2,

b = 6 Đưa các hệ số thu được vào phương trình và hoàn thành

phương trình

Điểm hạn chế của phương pháp đại số là phải lập một hệ phương trình nghiệm nguyên có vô số nghiệm Với phương trình phản ứng càng phức tạp thì hệ phương trình càng cồng kềnh (ptpư có n hệ số thìphải lập hệ phương trình đại số có n - 1 phuơng trình) việc giải hệ phương trình mất rất nhiều thời gian (nhất là không biết loại đi nhưng phương trình đại số phức tạp)

2) Đổi mới phương pháp

Phương pháp mới của đề tài đưa ra vẫn dựa trên định luật bảo toàn nguyên tố nhưng tùy thuộc vào từng loại phương trình phản ứng ta vận dụng định luật một cách hợp lý mà không vận dụng một cách cứng nhắc phương pháp đại số

Với phản ứng phân hủy hoặc phản ứng kết hợp ta chọn một chất thích hợp trong phương trình và lấy hệ số của chất đó là 1 từ đó đưa ra

hệ số của các chất còn lại trong phương trình dựa trên định luật bảo toàn nguyên tố Hệ số thu được của phương trình có thể là các phân sốsau đó ta quy đồng các hệ số để chuyển các hệ số ở dạng phân số đó

về hệ số nguyên tối giản nhất Kết thúc việc cân bằng phương trình (Đề tài gọi cách cân bằng trên là cân bằng phân số)

Với phản ứng trao đổi ta cân bằng phương trình bằng cách cân bằng số oxi hóa dương trao đổi từ đó đưa ra được các hệ số của chất tham gia phản ứng, sau đó áp dụng định luật bảo toàn khối lượng ta cân bằng được các hệ số còn lại của phương trình

Các phương pháp cân bằng trên có thể áp dụng cho cả phản ứng oxi hoá khử

Để làm rõ định hướng chung trên xin mời các thầy cô theo dõi các các trường hợp cụ thể với từng loại phản ứng

Với phản ứng phân hủy

Phản ứng phân hủy có thể là phản ứng không có sự thay đổi số oxi hóa cũng có thể là phản ứng oxi hóa – khử Với phản ứng oxi hóa - khử ngoài phương pháp đại số ta có thể dùng phương pháp bảo toàn electron để cân bằng phản ứng này Nhưng do đăc thù của phản ứng này để cân bằng nhanh phương trình phản ứng ta nên áp dụng định luật bảo toàn nguyên tố

Chất thích hợp để chọn hệ số là 1 ở đây là chất tham gia phản ứng

2Cu(NO3)2  2CuO + 4NO2 + O2

Hệ số thích hợp chọn là 1 trong phản ứng này là chất tạo thành sau phản ứng