áp dụng định luật bảo toàn khối lượng để giải bài toán hoá học trong chương trình thpt

Môn hoá học đã được đưa vào chương trình giáo dục từ rất lâu nhưng chúng ta luôn không ngừng cải tiến nội dung và phương pháp dạy học nhằm nâng cao chất lượng giáo dục.. Những nghiên cứu

MỞ ĐẦU

1.Lý do chọn đề tài

Hoá học là môn khoa học thực tiễn Ban đầu các lý luận về hoá học được đưa ra một cách mơ hồ bởi các nhà khoa học trong quá khứ Nhưng đến ngày nay, nhờ những công nghệ hiện đại hầu hết các tính chất, quá trình phản ứng đều

đã được minh chứng rõ ràng Đi đôi với sự khẳng định của lý thuyết Hoá học là các ứng dụng của ngành nghiên cứu Hoá học vào đời sống Nhiều ứng dụng hoá học đã từng được coi là những phát minh vĩ đại nhất của loài người

Môn hoá học đã được đưa vào chương trình giáo dục từ rất lâu nhưng chúng ta luôn không ngừng cải tiến nội dung và phương pháp dạy học nhằm nâng cao chất lượng giáo dục Những nghiên cứu về lý luận dạy học môn hoá học cho rằng: Học sinh sau khi được học xong lý thuyết các em phải thấy yên tâm khi vận dụng lý thuyết vào để giải bao tập Bài tập hoá học có tác dụng rèn luyện kỹ năng vận dụng kiến thức, mở sâu kiến thức một cách sinh động, phong phú và qua đó ôn tập lại, hệ thống hoá kiến thức một cách thuận lợi nhất Ngoài

ra, bài tập hoá học còn có tác dụng rèn luyện, phát triển năng lực hành động sáng tạo và khả năng tư duy nhạy bén Nâng cao hứng thú học tập bộ môn hoá học cũng là một vai trò của các bài tập hoá học

Bài tập hóa học vừa là mục đích, vừa là nội dung phương pháp dạy học có hiệu quả Bài tập hóa học có nhiều tác dụng lớn như vậy Nhưng sao học sinh lại rất “sợ” khi phải giải bài tập hoá học như vậy?

Một bài tập hoá học thường có rất nhiều cách giải khác nhau để đưa ra kết quả cuối cùng Nhưng hầu hết các học sinh THPT đều sử dụng phương pháp giải dựa trên phương trình phản ứng đã được cân bằng

Là một giáo viên hoá học tôi luôn mong muốn có được một phương pháp giải toán hoá học ngắn ngọn, chính xác và dễ hiểu nhất

Tất cả các lý do trên đây đã đưa tôi đến một quyết định là nghiên cứu vấn đề:

“Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng để giải bài toán hoá học trong chương trình THPT”

2 Mục đích nghiên cứu

- Củng cố phương pháp giải bài tập hay

- Rèn luyện khả năng tư duy thông minh, tích cực sáng tạo nhằm tạo hứng thú học tập bộ môn hoá học của học sinh THPT

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Các bài toán hoá học vô cơ và hữu cơ trong chương trình hoá học THPT

4 Nhiệm vụ nghiên cứu

Để hoàn thành đề tài này tôi nghiên cứu các vấn đề sau:

- Cơ sở lý luận về bài tập hoá học của phương pháp bảo toàn khối lượng

- Hệ thống các bài tập hoá học phổ thông Soạn và giải bài tập theo phương pháp bảo toàn khối lượng

- Thực hiện việc đánh giá việc áp dụng định luật bảo toàn nguyên tố và khối lượng

5 Phương pháp nghiên cứu

5.1 Nghiên cứu lý thuyết.

Trong quá trình nghiên cứu đề tài này tôi có sử dụng một số phương pháp nghiên cứu sau:

- Nghiên cứu phương pháp giải bài toán hoá học

- Nghiên cứu sách giáo khoa, sách bài tập hoá học THPT, các nội dung lý thuyết liên quan đến bài tập hoá học

5.2 Thực nghiệm sư phạm

Đánh giá việc áp dụng định luật bảo toàn nguyên tố và khối lượng trong giải toán hoá học

Tổ chức trò chuyện, trao đổi với giáo viên và học sinh trong quá trình nghiên cứu

NỘI DUNG CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI

1 Đại cương về bài tập hoá học

1.1 Định nghĩa về bài tập hoá học

Bài tập và bài toán là hai thuật ngữ trong từ điển Tiếng Việt dùng để hình

thành kiến thức mỗi khi giải quyết một vấn đề chưa có câu trả lời “bài tập” mang ý nghĩa tổng quát hơn “bài toán” nên ta thống nhất gọi là “bài toán hoá

học”

1.2 Ý nghĩa, tác dụng của bài tập hoá học ở trường THPT

Việc dạy học không thể thiếu bài tập Sử dụng bài tập để luyện tập là một biện pháp hết sức quan trọng để nâng cao chất lượng dạy và học

Bài tập hoá học có những ý nghĩa to lớn về nhiều mặt

1.2.1 Ý nghĩa trí dục

Làm chính xác hoá khái niệm hoá học, củng cố, đào sâu và mở rộng kiến thức một cách sinh động phong phú và hấp dẫn Chi khi vận dụng được kiến thức vào giải bài tập học sinh mới nắm được kiến thức một cách sâu sắc

Ôn tập, hệ thống hoá kiến thức một cách tích cực nhất Khi ôn tập học sinh sẽ buồn chán nếu chỉ yêu cầu học sinh nhắc lại kiến thức Thực tế cho thấy học sinh chỉ thích giải bài tập trong giờ ôn tập

Rèn luyện các kỹ năng hoá học như cân bằng phản ứng, tính toán theo công thức hoá học và phương trình hoá học… Nếu là bài tập thực nghiệm sẽ rèn các kỹ năng thực hành, góp phần vào thực tiễn đời sống lao động sản xuất và bảo vệ môi trường

Rèn luyện kỹ năng sử dụng ngôn ngữ hoá học và các thao tác tư duy

1.2.2 Ý nghĩa phát triển

Phát triển ở học sinh năng lực tư duy lôgic, biện chứng, khái quát, độc lập, thông minh, sáng tạo…

1.2.3 Ý nghĩa giáo dục

Rèn luyện đức tính chính xác, kiên nhẫn, trung thực và lòng say mê hoá học Bài tập thực nghiệm còn có tác dụng rèn luyện văn hoá lao động (lao động

có tổ chức, có kế hoạch, gọn gàng ngăn nắp, sạch sẽ nơi làm việc)

1.3 Các bước giải một bài tập hoá học tổng hợp

Bước 1: Viết tất cả các PT PƯ có thể xảy ra

Bước 2: Đổi các giả thiết không cơ bản ® giả thiết cơ bản.

Bước 3: Đặt ẩn cho số lượng các chất tham gia và thu được trong các

phản ứng cần tìm dựa vào mối tương quan giữa các ẩn số đó trong PTPƯ để lập

ra phương trình đại số

Bước 4: Giải phương trình hay hệ phương trình và biện luận kết quả rồi

chuyển kết quả từ dạng cơ bản sang dạng không cơ bản theo yêu cầu của bài toán

2 Cơ sở của phương pháp bảo toàn khối lượng.

2.1 Định luật bảo toàn khối lượng:

Trong phương trình phản ứng hoá học khối lượng của các nguyên tố luôn luôn được bảo toàn, nghĩa là khối lượng nguyên tố không mất đi và cũng không

tự tạo ra mà dịch chuyển từ chất này sang chất khác

2.2 Các hệ quả của định luật bảo toàn khối lượng.

Hệ quả 1: Ngoại trừ các phản ứng hạt nhân, không có phản ứng hoá học nào

làm mất đi hay xuất hiện nguyên tố lạ

- Ta áp dụng hệ quả này để cân bằng các phương trình phản ứng hoá học + Vế trái của PT có bao nhiêu nguyên tố thì vế phải của PT cũng phải có bấy nhiêu nguyên tố

+ Vế trái của PT có bao nhiêu nguyên tử của một nguyên tố thì vế phải có bấy nhiêu nguyên tử của nguyên Phương trình phản ứng được cân bằng khi và chỉ khi thoả mãn hai nội dung trên Tức là đảm bảo định luật bảo toàn nguyên tố

và khối lượng

Hệ quả 2: Trong các phương trình phản ứng tổng khối lượng các chất tham gia

bằng tổng khối lượng các chất tạo thành

Phương trình phản ứng: A + B → C + D

Thì: mA + mB = mC + mD

Hệ quả 3: Trong phản ứng hoá học dù các chất tham gia phản ứng vừa đủ hay

có chất dư thì tổng khối lượng các chất trước phản ứng (mt) bằng tổng khối lượng các chất sau phản ứng (ms ) ( sản phẩm + chất dư)

Nếu sau phản ứng có các chất tách khỏi môi trường do bay hay kết tủa Tức là không cùng trạng thái vật lý thì hệ quả trên vẫn không đổi

mt = ms

Hệ quả 4: Khi Cation kim loại thay thế Anion này bằng Anion khác chênh lệch

về khối lượng giữa chất mới và chất cũ bằng chênh lệch khối lượng giữa Anion

cũ và Anion mới

Khi Anion thay thế cation này bằng catinon khác để sinh ra chất mới và chất cũ bằng sự chênh lệch cation mới và cũ

Hệ quả 5: Khi cation kim loại kết hợp với anion phi kim để tạo ra các hợp chất

như Axit, oxit, hiđroxit…

Ta luôn có: m hợp chất = mcation + manion

Ghi chú:

Vì khối lượng e không đáng kể nên:

Khối lượng Mn+= khối lượng M

Khối lượng Am- = khối lượng A

2.3 Một số ví dụ áp dụng phương pháp bảo toàn nguyên tố và khối lượng

2.3.1.Phần vô cơ:

Ví dụ 1: Hoà tan 10(g) hỗn hợp 2 muối cacbonat của hai kim loại (hoá trị II và

III) bằng dung dịch HCl (dư) ta thu được dung dịch A và 0.672 lit khí (đktc) Hỏi khi cô cạn dung dịch A được bao nhiêu gam muối khan

Bài giải.

Đặt công thức 2 muối Cacbonat là XCO3 và Y2(CO3)3

Phương trình phản ứng:

XCO  HCl ® XCl CO H O (1)

Y CO  HCl ® YCl  CO  H O (2)

CO

0.672

0.03 22.4

Theo (1) và (2) ta có: 2 2 1 0.03

2

CO H O HCl

Gọi m là khối lượng muối khan thu được Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng ta có: 10 + 0,06.36,5 = m + 44 0,03 + 18.0,03 ® m = 10,33 g

Ví dụ 2: Cho 10g muối có CTPT là RCO3 vào HCl dư (dư 10% so với lý thuyết) thu được 0,672 lit khí (đktc) Tính khối lượng muối và HCl dư

Bài giải.

Phương trình phản ứng:

RCO  HCl® RCl CO  H O

2

O

0,672

0,03

22, 4

C

Theo phương trình phản ứng

1

0,03 2

CO H O HCl

n n  n  mol, m HCl  0,06.36,5 2,19  g

2,19.10

100

HCldadung

m    g, mHCl du = 0,219 g

RCO HCl muoi HCldu CO H O

10 + 2,409 = mmuoi + mHCldu + 44.0,03 + 18.0,03 ® mmuoi = 10,33g

Ví dụ 3: Cho 1,75g hỗn hợp 3 kim loại Fe, Al, Zn tan hoàn toàn trong dung dịch

H2SO4 loãng thu được 1,12 lit khí (đktc) Hỏi sau khi cô cạn dung dịch ta thu được bao nhiêu g muối khan

Bài giải:

Phương trình phản ứng:

2Al 3H SO ® 2Al SO  3H  (1)

Zn H SO ® ZnSO H (2)

Fe H SO ® Fe H (3)

Nhận xét (1), (2) và (3) ta thấy:

2

1,12

0,05

22, 4

H SO

Áp dụng hệ quả 5 ta có:

Khối lượng hỗn hợp muối = khối lượng kim loại + khối lượng SO4

= 1,75 + 0,05.96 = 6,55 gam

Ví dụ 4: Hoà tan 2,84g hỗn hợp 2 muối cácbonat của hai kim loại thuộc phân

nhóm chính nhóm 2 và thuộc hai chu kỳ liên tiếp bằng dung dịch HCl dư ta thu được dung dịch X và 0,672 lit khí (đktc) Hỏi khi cô cạn dd X thì thu được bao nhiêu gam muối khan Tìm hai kim loại ban đầu

Bài giải:

Gọi hai kim loại chưa biết là A và B ® hai muối cacbonat lần lượt là ACO3 và BCO3

Phương trình phản ứng:

ACO  HCl ® ACl CO  H O (1)

BCO  HCl® BCl CO  H O (2)

Từ (1) và (2) ta có: 2 2

0,03

CO H O HCl

Theo định luật bảo toàn khối lượng ta có:

MuoiCacbonat HCl MuoiClorua H O CO

2,84 0,06.36,5 (0,03.44 0,03.18) 3,17

MuoiClorua

Theo đầu bài ta có:

2-3

O

2,84

94,67 0,03

MuoiC

Mà A + 60 < M = 94,67 < B +60 ® A < 34,67 < B  A là Mg và B là Ca

Ví dụ 5: m gam hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe2O3 Cho một luồng khí CO đi qua ống đựng m gam hỗn hợp X nung nóng Sau khi để nguội thu được 64g chất rắn

A trong ống sứ và 11,2 lit khí (đktc) có tỉ khối so với H2 là 20,4 Tính giá trị của m

Bài giải:

Các phương trình phản ứng có thể xảy ra:

3Fe O CO® 2Fe O CO (1)

Fe O CO® FeO CO (2)

2

FeO CO ® Fe CO (3)

Như vậy A có thể gồm 4 chất Fe, FeO, Fe3O4, Fe2O3 hoặc ít hơn B có thể là CO

và CO2 11, 2 0,5

22, 4

B

Ta có: M CO M B  20, 4.2 40,8  M CO2

Vậy trong B có COdư

Gọi x là số mol CO2 ® Số mol của CO là (0,5 – x)

0,5

B

x

M  x    x = 0,4mol

Và đó cũng chính là số mol CO tham gia phản ứng

Theo định luật bảo toàn khối lượng ta có:

X CObd A B

m m m m

2

X A B CO bd A CO CO du CO bd

m m m  m m m m  m

X A CO CO pu

64 0, 4.44 0, 4.28 70, 4

X

2.3.2.Phần hữu cơ

Ví dụ 1: Đốt cháy hoàn toàn 4,3 gam một axit cacboxylic X đơn chức thu được

4,48 lít khí CO2 (đktc) và 2,7 gam H2O Xác định số mol của X

Bài giải.

Theo định luật bảo toàn khối lượng ta có:

O X CO H O

m m m m

1 2

O X CO H O

n n n  n

1

2

X CO H O O

Ví dụ 2: Đun nóng 5,14 gam hỗn hợp khí X gồm metan, hiđro và một ankin với

xúc tác Ni, thu được hỗn hợp khí Y Cho hỗn hợp Y tác dụng với dung dịch Br2

dư thu được 6,048 lít hỗn hợp khí Z (đktc) có tỉ khối đối với hiđro bằng 8 Độ tăng khối lượng dung dịch brom bằng bao nhiêu?

Bài giải:

6,048

22, 4

Z

,

Ni t

   ®    ®

Ta thấy: mkhí tác dụng với dung dịch brom = mkhối lượng bình brom tăng

mX = my = mZ + mkhối lượng bình brom tăng

mkhối lượng bình brom tăng = mX – mZ =5,14 – 0,27.8.2 = 0.82 gam

Ví dụ 3: Đun 132,8 gam hỗn hợp 3 ancol no đơn chức với H2SO4 ở 1400C thu được 111,2 gam hỗn hợp ete có số mol bằng nhau Tính số mol mỗi ete

Bài giải:

Đun hỗn hợp rượu được 3.(3 1) 6





Theo định luật bảo toàn khối lượng ta có:

mrượu =mete + m H O2

H O ruou ete

Tổng số các ete bằng số mol 2

21,6

18

Số mol mỗi ete = 1,2/6 = 0,2 mol

Ví dụ 4: Oxi hóa 4 gam ancol đơn chức thì thu được 5,6 gam một hỗn hợp X

gồm anđehit, nước và ancol dư Cho hỗn hợp tác dụng với dung dịch AgNO3/NH3 dư thu được m gam Ag Tìm m?

Bài giải:

Gọi công thức của ancol đơn chức là RCH2OH

Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng ta có:

2

ancol O hhX

m m m

0

,

1

2

Cu t

RCH OH  O    ®RCHO H O

0,1mol 0,05mol 0,1mol

Vì sau phản ứng ancol còn dư → mancol phản ứng < mancol ban đầu = 4 gam

2

4

0,1

AgNO NH du

    ®

0,1mol 0,4 mol

→ mAg = 0,4.108 = 43,2 (gam)

Ví dụ 5: Cho 15,4 gam hỗn hợp gồm ancol etylic và etilen glycol tác dụng vừa

đủ với Na thì thu được 4,48 lít H2 (đktc) và dung dịch muối Cô cạn dung dịch muối thì thu được chất rắn có khối lượng bằng bao nhiêu?

Bài giải:

Các pthh:

2C2H5OH + 2Na → 2C2H5ONa + H2↑

C2H4(OH)2 + 2Na → C2H4(ONa)2 + H2↑

Theo pthh ta có:

2

4, 48

22, 4

Na H

→ mNa = 0,4.23 = 9,2 gam

Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng ta có:

2

hh Na muoi H

m m m m

2 15, 4 9, 2 0, 2.2 24, 2

muoi hh Na H

CHƯƠNG 2:

MỘT SỐ BÀI TẬP ÁP DỤNG 1.Phần vô cơ:

Câu 1: Trong bình kín chứa 0,5 mol CO và m gam Fe3O4 Đun nóng bình cho tới khi phản ứng xảy ra hoàn toàn, thì khí trong bình có tỉ khối so với khí CO ban đầu là 1,457 Tính giá trị của m

(Đáp số: 23,2g)

Câu 2: Điện phân 100ml dung dịch CuSO4 với điện cực trơ, sau một thời gian thấy khối lượng dung dịch giảm 12 gam Dung dịch sau điện phân tác dụng vừa

đủ với 100ml dung dịch H2S 1M Tính nồng độ mol của dung dịch CuSO4 trước

Câu 3: Dẫn khí CO từ từ qua ống sứ đựng 14 gam CuO, FeO, Fe2O3 nung nóng một thời gian thu được m gam chất rắn X Toàn bộ khí thu được sau phản ứng

được dẫn chậm qua dung dịch Ca(OH)2 dư, kết tủa thu được cho tác dụng với dung dịch HCl dư được 2,8 lít khí (đktc) Xác định m (Đáp số: 12g)

Câu 4: Nung hoàn toàn 10 gam hỗn hợp X gồm CaCO3 và NaCl Kết thúc thí nghiệm thu được 7,8 gam chất rắn khan Tính khối lượng CaCO3 trong X

(Đs:5g)

Câu 5: Hòa tan 9,14 gam hợp kim Cu, Mg ,Al bằng một lượng vừa đủ dung

dịch HCl thu được 7,84 lít khí X (đktc), 2,54gam chất rắn Y và dung dịch Z Lọc

bỏ chất rắn Y, cô cạn cânr thận dung dịch Z thu được M gam muối khan Tính

Câu 6: Cho 11 gam hỗn hợp X gồm Al và Fe vào dung dịch HNO3 loãng dư, thu được dung dịch Y (không chứa muối amoni), hỗn hợp khí Y gồm 0,2 mol

NO và0,3 mol NO2 Cô cạn cẩn thận dung dịch Y thì khối lượng muối thu được

Câu 7: Hoà tan hết 7,8 gam Mg, Al trong dung dịch HCl dư Sau phản ứng thấy

khối lượng dung dịch tăng 7 gam so với ban đầu Tính số mol HCl đã tham gia

Câu 8: Cho x gam Fe hoà tan trong dung dịch HCl, sau khi cô cạn dung dịch

thu được 2,465 gam chất rắn Nếu cho x gam Fe và y gam Zn vào lượng dung dịch HCl như trên, cô cạn dung dịch sau phản ứng thu được8,965 gam chất rắn

và 0,336 lít khí (đktc) Xác định x, y (Đáp số: 1,4g và 6,5g)

Câu 9: Hòa tan hoàn toàn 11,4 gam hỗn hợp X gồm kim koại M (hóa trị I) và

kim loại N (hóa trị II) vào dung dịch chứa đồng thời H2SO4 và HNO3 đặc nóng thu được 4,48 lít (đktc) hỗn hợp Y gồm NO2 và SO2 có tỉ khối hơi so với H2 là 28,625 Tính khối lượng muối thu được sau phản ứng

(Đáp số: 28,05g)

Câu 10: Lấy 35,1 gam NaCl hoà tan vào 244,9 gam H2O sau đó điện phân dung dịch với điện cực trơ có màng ngăn cho tới khi catot thoát ra 1,5 gam khí thì dừng lại Tính nồng độ phần trăm chất tan có trong dung dịch sau khi điện phân (Đáp số: 9,6%)

2.Phần hữu cơ

Câu1: Đun m gam một ancol X với H2SO4 đặc ở 1700C được 1 olefin Cho m gam X qua bình đựng CuO dư, nung nóng (H=100%) thấy khối lượng chất rắn giảm 0,4 gam và hỗn hợp hơi thu được có tỉ khối hơi đối với hđro là 15,5 Tính

Câu 2: Dẫn V lít (đktc) hỗn hợp X gồm axetilen và H2 đi qua ống sứ đựng bột

Ni nung nóng , thu được khí Y Dẫn Y vào lượng dư dung dịch AgNO3/NH3

được 12 gam kết tủa Khí ra khỏi dung dịch phản ứng vừa đủ với dung dịch chứa 16 gam Br2 và còn lại khí Z Đốt cháy hoàn toàn Z thu được 0,1 mol CO2

và 0,25 mol nước.Tính giá trị của V (Đáp số: 11,2 lít)

Câu 3: Đun nóng 7,6 gam hỗn hợp X gồm C2H2, C2H4 và H2 trong bình kín với xúc tác Ni thu được hỗn hợp khí Y Đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp Y, dẫn sản phẩm cháy lần lượt qua bình 1 đựng H2SO4 đặc, bình 2 đựng Ca(OH)2 dư thấy khối lượng bình 1 tăng 14,4 gam Hỏi bình 2 tăng bao nhiêu gam?

(Đáp số: 22g)

Câu 4: Đốt cháy hết m gam hỗn hợp X gồm etan, etilen, axetilen và

buta-1,3-đien rồi hco sản phẩm cháy hấp thụ vào dung dịch nước vôi dư, thu được 100 gam kết tủa Khối lượng dung dịch nước vôi sau phản ứng giảm 39,8 gam Tìm m

(Đáp số: 13,8g)

Câu 5: Thực hiện phản ứng ete hoá hoàn toàn 11,8 gam hỗn hợp 2 ancol no đơn

chức, mạch hở, đồng đẳng kế tiếp thu được hỗn hợp gồm 3 ete và 1,98 gam

H2O Xác định công thức phân tử của 2 ancol

(Đáp số: C2H5OH; C3H7OH)

Câu 6: Cho 10,1 gam hỗn hợp 2 ancol đơn chức, kế tiếp nhau trong dãy đồng

đẳng tác dụng hết với 5,75 gam Na được 15,6 gam chất rắn Xác định công thức của 2 ancol

(Đáp số: CH3OH và C2H5OH)

Câu 7: Hòa tan 25,2 gam tinh thể R(COOH)n.2H2O vào 17,25ml etanol (D=0,8g/ml) được dung dịch X Lấy 7,8 gam dung dịch X cho tác dụng hết với

Na vừa đủ thu được chất rắn Y và 2,464 lít khí H2 (đktc) Tính khối lượng Y

(Đáp số: 12,64g)