Tài liệu Bồi dưỡng học sinh giỏi môn Hóa

NĂNG KHIẾU HÓA HỌCHọc sinh có khả năng tư duy Toán học tốt nhưng không có khả năng quan sát, nhận thức các hiện tượng tự nhiên Ví dụ: Hỗn hợp A gồm một axit no đơn chức và hai axit khôn

NĂNG KHIẾU HÓA HỌC

Học sinh có khả năng tư duy Toán học tốt nhưng không có khả năng quan sát, nhận thức các hiện tượng tự nhiên

Ví dụ: Hỗn hợp A gồm một axit no đơn chức và hai axit không no đơn chức chứa một liên kết

đôi, kế tiếp nhau trong dãy đồng đẳng Cho A tác dụng hoàn toàn với 150 ml dung dịch NaOH 2

M Để trung hòa hết lượng NaOH d cần thêm vào 100 ml dung dịch HCl 1 M, được dung dịch D

Cô cạn cẩn thận D được 22,89 gam chất rắn khan Mặt khác đốt cháy hoàn toàn A rồi cho toàn

bộ sản phẩm cháyhấp thụ hết vào bình đựng lượng dư dung dịch NaOH đặc, khối lượng bình tăng thêm 26,72 gam Xác định công thức cấu tạo có thể có của từng axit và tính khối lượng của chúng trong A

Giải bình thường

Gọi công thức của axit no là: C n H 2n+1 COOH, công thức chung của 2 axit không no là:

COOH

H

Cm 2m−1 với số mol tương ứng là x và y

C n H 2n+1 COOH + NaOH → C n H 2n+1 COONa + H 2 O

O 2→ (m+ 1)CO 2 + mH 2 O

y (m+ 1)y my

Phản ứng trung hoà NaOH dư:

NaOH dư + HCl = NaCl + H 2 O

0,1 0,1 0,1

Theo phương trình:

NaOH phản ứng với các axit hữu cơ = 0,3 – 0,1 = 0,2 mol

lượng muối của các axit hữu cơ = 22,89 - 0,1.58,5 = 17,04 gam

Độ tăng khối lượng bình NaOH là tổng khối lượng CO 2 và H 2 O

+++

++

=+

++

=+

26,72y]18

m1)x[(n1)y]44m

(1)x[(n

17,0466)y

m(1468)x(14n

0,2yx

+

=+++

04,17x2)yx(66)ymnx(14

2,0)yx(

Giải hệ phương trình trên, ta được: x = 0,1 ; y = 0,1 ; nx + my = 0,26

⇒ n + m = 2,6 Với m ≥ 2 nên n = 0 và m=2,6

Công thức của 3 axit là: HCOOH ; C 2 H 3 COOH và C 3 H 5 COOH

Giải có nhận xét:

KL mol TB của 3 muối bằng 17,04

0,2 = 85,2

→ KL mol TB của 3axit bằng 85,2 – 22 = 63,2

Với công thức tổng quát CnH 2n O 2 và 2

2 -2

m m

C H O (với m > 3) ta thấy:

Tổng khối lượng C + H bằng (63,2× 0,2) – (32× 0,2)= 6,24 gam, kết hợp với tổng khối lượng

CO 2 và H 2 O bằng 26,72 gam tính được số mol CO 2 bằng 0,46 và số mol H 2 O bằng 0,36

và n + m = 0,46

0,1 = 4,6 → khi m > 3 thì n ≤ 1 → n = 1 ứng với H – COOH

KL mol TB của 2 axit không no = (63,2 0,2) (46 0,1)

0,1

=80,4 ứng với 2 axít không no kế tiếp là C 2 H 3 COOH (72) và C 3 H 5 COOH (86)

Học sinh có khả năng quan sát, nhận thức các hiện tượng tự nhiên dẫn đến niềm say mê Hóa học nhưng khả năng tư duy Toán học chưa tốt

Ví dụ: Hãy xác định khoảng cách giữa 2 nguyên tử iot trong 2 đồng phân hình học của C2H2I2

với giả thiết 2 đồng phân này có cấu tạo phẳng.( Cho độ dài liên kết C – I là

2,10 Å và C=C là 1,33 Å )

♣ Đồng phân cis- :

dcis = d C= C + 2 d C – I × sin 300 = d C= C + d C – I

I I

I

I

1200

d C

I

I

C O

PHÁT HIỆN NĂNG LỰC HỌC SINH GIỎI

A NĂNG LỰC TIẾP THU KIẾN THỨC

2 Hãy viết phương trình hoá học biểu diễn quá trình quang hợp ở cây xanh: Tính khối lượng tinh

bột thu được, nếu biết lượng nước tiêu thụ là 5 tấn và hiệu suất quang hợp là 60%

3 Khi nitro hóa 10 g phenol bằng axit nitric 50%, thu được 17g hỗn hợp các hợp chất nitro trong

đó phần khối lượng của ni tơ là 17% Xác định hiệu suất nitro hóa bằng % so với lí thuyết

4 Hỏi những chất nào và ở điều kiện nào phản ứng với nhau tao nên những chất sau đây (ở đây

không ghi hệ số của các sản phẩm phản ứng):

1) propanol – 1

2) propanol –1 + NaCl;

3) propanol –1 + NaOH.

4) glixerin + natri axetat.

5 Viết các phương trình phản ứng trong dãy chuyển hóa sau:

Bài 5: Hãy cho biết cấu trúc lập thể và gọi tên các oxit hình thành khi epoxihóa cis – và

trans – but-2- en bằng axit m- clopebenzoic Nêu nhận xét về cấu trúc của chất đầu và sản phẩm

epoxi hóa

Viết cơ chế của phản ứng giữa buten – 2 với Ar – COOOH

♣ * Với cis – but- 2- en :

C

CH

* Cơ chế phản ứng: electron π của liên kết đôi trong anken tấn công S N 2 vào oxi của nhóm

OH trong peaxit Kết quả là chuyển oxi của Ar-COOOH đến C=C tạo ra epoxit

B NĂNG LỰC TƯ DUY TOÁN HỌC

Ví dụ 1: Đồng (Cu) kết tinh có dạng tinh thể lập phương tâm diện

*Tính cạnh lập phương a(Å) của mạng tinh thể và khoảng cách ngắn nhất giữa hai tâm của hai nguyên tử đồng trong mạng, biết rằng nguyên tử đồng có bán kính bằng 1,28 Å *Tính khối lượng riêng của Cu theo g/cm3 ( Cu= 64)

Ví dụ 2 Phân tử X có công thức abc Tổng số hạt mang điện và không mang điện trong phân tử X

là 82 Trong đó số hạt mang điện nhiều hơn số hạt không mang điện là 22, hiệu số khối giữa b

và c gấp 10 lần số khối của a, tổng số khối của b và c gấp 27 lần số khối của a Tìm công thức phân tử đúng của X

HDG:

Gọi số hạt proton, nơtron, số khối của nguyên tử a là: Za ; Na ; Aa

Gọi số hạt proton, nơtron, số khối của nguyên tử b là: Zb ; Nb ; Ab

Gọi số hạt proton, nơtron, số khối của nguyên tử c là: Zc ; Nc ; Ac

Từ các dữ kiện của đầu bài thiết lập được các phương trình:

a

C NĂNG LỰC TÁI HIỆN, LIÊN HỆ VÀ VẬN DỤNG KIẾN THỨC

Ví dụ 1 Hãy dùng kí hiệu ô lượng tử biểu diễn các trường hợp số lượng electron trong một

obitan nguyên tử

HDG:

1 Có ba trường hợp: ↑ hoặc ↓ ↓↑

Obitan nguyên tử trống có 1 e có 2 e

Ví dụ 2. Liệu pháp phóng xạ được ứng dụng rộng rãi để chữa ung thư Cơ sở của liệu pháp đó là

sự biến đổi hạt nhân

59

27Co + 0n1 X? (1)

28Ni + ; hν = 1,25 MeV (2)a) Hãy hoàn thành phương trình của sự biến đổi hạt nhân trên và nêu rõ định luật nào được áp dụng để hoàn thành phương trình

b) Hãy cho biết điểm khác nhau giữa phản ứng hạt nhân với phản ứng oxi hoá-khử (lấy thí dụ từ phản ứng (2) và phản ứng Co + Cl2 → CoCl2)

Ví dụ 3 Hãy dùng sec-butyl bromua để minh họa cho các phản ứng sau:

a) Thuỷ phân theo S N 1

 → CH3-CH2-CH I-CH3

Ví dụ 4. a/ Đun nóng butađien 1,3 với Stiren thu được sản phẩm duy nhất X: C12H14 sản phẩm này có thể bị hiđro hoá theo sơ đồ:

b/ Khi trùng hợp Isopren thấy tạo thành 4 loại polime, ngoài ra còn có một vài sản phẩm phụ trong đó có chất P (1-metyl-3-isopropyl xiclohecxan) có thể tạo ra từ chất Q

Viết công thức cấu tạo 4 loại polyme và các chất X, Y

CH3

CH2n

D NĂNG LỰC KIỂM CHỨNG

Ví dụ 1 Chất rắn A là kim loại hoặc là một trong các chất MnO2, KMnO4, K2Cr2O7, CaOCl2, khi hoà tan 15 gam A và dung dịch HCl thì tạo ra 8,4 lít đơn chất khí B bay ra (đktc) Hãy chứng minh rằng B không thể là Cl2

Điều này trái giả thiết mA = 15 Vậy B không thể là Cl2

Ví dụ 2 : Có cân bằng N2O4 (k) ⇌ 2 NO2 (k) Cho 18,4 gam N2O4 vào bình dung tích 5,904

lít ở 270C Tại cân bằng hóa học, áp suất của khí trong bình bằng 1atm Nguyên lý chuyển dịch cân bằng hóa học nói rằng ‘khi giảm áp suất thì cân bằng của hệ sẽ dịch chuyển về phía làm tăng

áp suất’’ Hãy chứng minh điều đó

Ví dụ 3: Có thể hòa tan 100 mg bạc kim loại trong 100 mL amoniac 0,1M khi tiếp xúc với

không khí được không ?

Cho Kb(NH3) = 1,74 10−5 ; KL mol (Ag) = 107,88

Hằng số bền của phức Ag(NH3)+ = 103,32 ; Ag(NH3)2 +

= 107,23 ; Thế oxihóa-khử chuẩn E0(Ag+/Ag) = 0,799 V ; E0(O2/OH−) = 0,401 V

(Hàm lượng oxi trong không khí là 20,95% theo thể tích)

số mol NH3 đã cho = 10− 2 > số mol NH3 cực đại để tạo phức = 18,54 10− 4 ;

* Cần phải kiểm tra khả năng hòa tan bằng nhiệt động học :

Ag + + e → Ag E1 = E10 + 0,059 lg [Ag + ]

O2 + 2H2O + 4e → 4OH−

E2 = E02 + 0,059 2

lg 4

OP

S = [Ag + ] + [Ag(NH3) + + Ag(NH3)2

+

] = [Ag + ] × ( 1 + β1[NH3] + β2[NH3] 2 )

= 9,25 10 −5× ( 1 + 10 2,32 + 10 5,23 ) = 15,5 M >> nồng độ đã tính để hòa tan hoàn toàn bạc kim loại Vậy các điều kiện nhiệt động thuận lợi cho sự hòa tan.

Ví dụ 4 : Các α - aminoaxit tại điểm đẳng điện thì dạng ion lưỡng cực là nhiều nhất, mặc dù cả

ba loại ion cho dưới đây đều có bất cứ giá trị pH nào

a) Xác định giá trị pH tại đó nồng độ ion lưỡng cực lớn nhất ?

b) Hỏi vết alanin chuyển về cực nào ở pH < 5 ? ở pH > 8 ?

c) Xác định hàm lượng tương đối của ion lưỡng cực C của alanin ở điểm đẳng điện, biết các giá trị hằng số axit pK1 = 2,35 đối với cân bằng A ⇌ C + H+ ;

pK2 = 9,69 đối với cân bằng C ⇌ B + H+

+

 

  (3)

Theo định luật bảo toàn nồng độ : [A] + [B] + [C] = C0 (4),

( trong đó C0 là tổng nồng độ của aminoaxit )

Từ (1), (2), (3) tại điểm đẳng điện : [H + ] 2 = K1.K2 (5) hay pH = pK1 + 2 pK2

[H + ] = (10 −2,35 10 −9,69 ) 1/2 = 10 −6,02 → pH = 6,02

Vì điểm đẳng điện của alanin là 6,02 nên vết di chuyển về phía cực âm

ở pH < 5,0 và về phía cực dương khi pH > 8,0

* Bây giờ ta kiểm chứng lại [H + ] trên bằng phép tính toán để tìm hàm lượng tương đối của ion lưỡng cực C tại điểm đẳng điện:

[ ]

[ ]

2

2,35 1

9,69 2

10 10

[ ]

[ ]

1 2

E NĂNG LỰC QUAN SÁT, NHẬN XÉT ĐỂ TÌM CON ĐƯỜNG NGẮN NHẤT ĐẾN KẾT QUẢ

Ví dụ 1 Hỗn hợp gồm Mg và Fe2O3 nặng 20gam tan hết trong dung dịch H2SO4 loãng, dư thoát ra Vlít H2 (đktc) và nhận được dung dịch B Thêm dung dịch NaOH dư vào dung dịch B và lọc kết tủa tách ra, nung trong không khí đến khối lượng không đổi được 28gam chất rắn Viết phương trình phản ứng, tínhV và % khối lượng mỗi chất trong hỗn hợp

HDG:

♣ Sau khi viết phương trình phản ứng, ta nhận xét: Mg + O Mg O

Suy ra: Fe 2 O 3 Fe 2 O 3

Lượng oxi đã kết hợp với Mg bằng 28 - 20 = 8( gam) hay 0,05 mol

⇒ V= 1,12 ( dm 3 ) và lượng Mg bằng (8: 16)x 24 = 12 (gam) chiếm 60%

Ví dụ 2 Hỗn hợp Y gồm hai chất hữu cơ A và B cùng chức hoá học Nếu đun nóng 15,7 gam

hỗn hợp Y với NaOH dư thì thu được muối của một axit hữu cơ đơn chức và 7,6 gam hỗn hợp hai Rượu no đơn chức bậc nhất kế tiếp nhau trong cùng dãy đồng đẳng Nếu đốt 15,7 gam hỗn hợp Y thì cần dùng vừa hết 21,84 lít O2 và thu được 17,92 lít CO2 (các thể tích khí đo ở đktc) Xác định công thức cấu tạo của A và B

Vậy công thức phân tử 2 Este là C 5 H 8 O 2 và C 6 H 10 O 2

Kl mol TB của 2 Rượu bằng 7,6

0,15= 50,66 ⇒ 2 Rượu kế tiếp là C 2 H 5 OH (46) và C 3 H 7 OH (60) Suy ra Muối có số C bằng 5 - 2 = 3 và số H = 8 - 5 = 3

⇒ Công thức của muối là C 3 H 3 O 2 Na hay CH 2 =CH-COONa Vậy công thức cấu tạo của A là

CH 2 =CH-COO-C 2 H 5 và B là CH 2 =CH-COO-C 3 H 7

Ví dụ 3 Cho 9,0 gam hỗn hợp gồm bột Mg và bột Al tan hết trong 200 ml dung dịch HCl thấy

thoát ra khí A và thu được dung dịch B Thêm từ từ dung dịch NaOH vào B sao cho kết tủa đạt tới lượng lớn nhất thì dùng hết 500 ml dung dịch NaOH 2M Lọc kết tủa đem nung đến phản ứng hòan toàn thu được 16,2 gam chất rắn Viết phương trình phản ứng Tính thể tích khí A (đktc), nồng độ mol của dung dịch HCl và % khối lượng mỗi kim loại ban đầu

HDG:

♣ Mg + 2 HCl → MgCl2 + H2↑

Al + 3 HCl → AlCl3 + 1,5 H2 ↑

HCl + NaOH → NaCl + H2O

MgCl2 + 2NaOH → Mg(OH)2 ↓ + 2 NaCl

AlCl3 + 3NaOH → Al(OH)3 ↓ + 3 NaCl

Mg(OH)2 → MgO + H2O

2 Al(OH)3 → Al2O3 +3 H2O

Theo phương trình: số mol HCl = NaOH bằng 1,0 mol → CM (HCl) = 5 M

Số mol H2↑ bằng số mol oxi trong 2 oxit bằng 16, 2 9

Ví dụ 4: Hỗn hợp 2 kim loại kiềm được cho tác dụng với dung dịch HCl vừa đủ rồi cô cạn thì

nhận được m1 gam muối khan Cùng lượng hỗn hợp được cho tác dụng với dung dịch H2SO4 vừa đủ rồi cô cạn dung dịch thì nhận được m2 gam muối khan Tính tổng số mol 2 kim loại kiềm

* Nếu m2 = 1,1807m, thì 2 kim loại kiềm kế tiếp nhau là nguyên tố nào?

* Với m1 + m2 = 90,5 Tính lượng hỗn hợp đầu và lượng kết tủa tạo ra từ (m1 + m2)

gam muối tác dụng với dung dịch BaCl2 dư

HDG:

♣ 2R + 2HCl → 2RCl + H 2↑ và 2R + H 2 SO 4→ R 2 SO 4 + H 2↑

Con đường ngắn nhất là coi 2RCl ~ R 2 Cl 2 sẽ nhận thấy m 2 > m 1 do lượng gốc

SO 4 = 96 > lượng gốc Cl 2 = 71 ( Độ tăng = 96 – 71 = 25 )Suy ra:

∑ số mol 2 muối sunfat 2 1

=> Số mol muối = 0,3 => lượng 2 kim loại kiềm = 49 - 0,3 96 = 20,2 (gam)

Ba 2+ + SO 4 2- => BaSO 4 lượng kết tủa = 0,3 x 233 = 69,9 (gam)

F NĂNG LỰC SUY LUẬN, BIỆN LUẬN LOGIC

Ví dụ 1 Chia hỗn hợp gồm 2 rượu no mạch hở P và Q làm 2 phần bằng nhau

- Cho phần thứ nhất tác dụng hết với Na dư thu được 0,896 lít khí (đktc)

- Đốt cháy hết phần thứ hai thu được 3,06 gam H2O và 5,28 gam CO2

Xác định Công thức cấu tạo của 2 rượu, biết rằng khi đốt V thể tích hơi của P hoặc Q thì thể

tích CO2 thu được trong cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất đều không vượt quá 3V

HDG:

♣ Số mol H2 = 0,04 ; CO2 = 0,12 ; H2O = 0,17

Do 2 rượu đều no mạch hở nên công thức chung CnH2n+2Ox (n, x đều là trị số TB)

CnH2n+2Ox + 3 1

2

n + − x

O2 → n CO2 + (n +1) H2O Theo phương trình tổng số mol A + B = 0,17 – 0,12 = 0,05 mol

CnH2n+2Ox + x Na → CnH2n+2- x(ONa)x +

2

x H2↑

Dễ thấy : n = 0,12

0,05= 2,4 và x =

0,04 0,05× 2 = 1,6 → phải có 1 rượu đơn chức Theo giả thiết, số nguyên tử các bon trong mỗi rượu đều không quá 3 nên :

* Trường hợp 1 : Rượu đơn chức có số cacbon = 3 (C3H7OH)

Rượu đa chức còn lại có số cácbon < 2,4 và có số nhóm OH > 1,6

Đó là CH2OH – CH2OH (số nhóm OH không vượt quá số cacbon)

* Trường hợp 2 : Rượu đơn chức có số cacbon = 2 (C2H5OH)

Rượu đa chức còn lại có số cacbon > 2,4 và số nhóm OH ≤ 3 → C3H8Ox

2,4

0,6

0,41x

1,6

x - 1,60,6

2Mg(NO 3 ) 2 → 2MgO + 4 NO 2↑ + O 2↑

Với KL mol TB của 2 khí = 36 và tổng số mol 2khí = 0,02 ta có thể tính được số

mol N 2 = 0,01 và N 2 O = 0,01 Sau đó lập phương trình theo quy tắc bảo toàn số

mol electron : Al – 3e → Al 3+ 2N 5+ + 10 e → N 2

x 3x 0,1 0,01

Mg – 2e → Mg 2+ 2N 5+ + 8 e → N 2 O

y 2y 0,08 0,01

dẫn tới hệ phương trình : 3x + 2y = 0,18 và 27x + 24y = 2,16

Hệ phương trình này khi giải sẽ cho x = 0 Từ đây nảy sinh tình huống có vấn đề ?

- Theo định luật bảo toàn khối lượng : 3,84 gam chất E chắc chắn là Al 2 O 3 và MgO

Từ lượng 2 kim loại và lượng 2 oxit tính được số mol Al = 0,04

Ví dụ 3 Chất A là một trong những thành phần có chỉ số octan thấp của xăng Ankyl hóa A bằng

isobutan sinh ra hidrocacbon B, có chứa hidro nhiều hơn A là 1% Nếu reforming, A chuyển thành hidrocacbon D Nitro hóa chất D chỉ cho một dẫn xuất mono nitro thôi D không phản ứng với nước brom, khi đun hồi lưu D với dung dịch KMnO4 trong axit thì thu được axit E Phản ứng ngưng tụ giữa E với một lượng tương đương của tetra metylen diamino được dùng trong sản xuất một polime dễ mua trên thị trường Khi đun chảy E với kiềm sinh ra một hợp chất F, hidro hóa hoàn toàn F cho hidrocacbon X Các chất A, X và sản phẩm hidro hóa hoàn toàn D có cùng thành phần nguyên tố A không có đồng phân hình học, khi bị ozon phân tạo ra một xeton cho phản ứng halofom

a) Lập luận để viết cấu tạo của A, D, E, F, X Nêu xúc tác chuyển A → B

b) Đồng phân nào của E có thể tạo anhidrit vòng ? So sánh nhiệt độ nóng chảy và tính axit giữa đồng phân đó và E Giải thích

HDG:

♣ - Các tính chất của D nêu trên cho thấy nó là đồng đẳng của benzen

- Axit E sinh ra khi oxihóa D có phản ứng ngưng tụ với diaminohexan tạo ra nhựa poliamit nên axit E là diaxit cacboxylic → D là diankyl benzen và phải là dẫn xuất para – mới cho một sản phẩm mononitro khi nitro hóa → E là axit terephtalic.

- Phản ứng decacboxyl hóa E tạo ra benzen, chất này bị hidro hóa cho xiclohecxan ( C6H12

có thành phần 85,71% C và 14,29% H hay CnH2n )

- Ankyl hóa A bằng isobutan tạo ra ankan B có công thức Cn+4H2n+10

Theo giả thiết : 2 10

n n

+ + = 0,1529 → n = 8 → công thức A là C8H16

- Chất D (diankylbenzen) là para-xilen, chất F là benzen và chất X là xiclohexan

- Ka1(Y) > Ka1(E) do liên kết hidro nội phân tử làm tăng độ phân cực liên kết O-H

- Ka2(Y) < Ka2(E) do độ phân cực liên kết O-H giảm bởi độ bền của anion 1−