áp dụng phương pháp quy đổi nguyên tử để giải một số bài toán hóa vô cơ

ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP QUY ĐỔI NGUYÊN TỬ ĐỂ GIẢI MỘT SỐBÀI TOÁN HÓA VÔ CƠ A.ĐẶT VẤN ĐỀ: Trong những năm gần đây,các phương pháp giải nhanh toán hóa học không ngừng phát triển, đây là hệ quả

ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP QUY ĐỔI NGUYÊN TỬ ĐỂ GIẢI MỘT SỐ

BÀI TOÁN HÓA VÔ CƠ A.ĐẶT VẤN ĐỀ:

Trong những năm gần đây,các phương pháp giải nhanh toán hóa học không ngừng phát triển, đây là hệ quả tất yếu khi Bộ giáo dục và đào tạo triển khai hình thức thi trắc nghiệm với bộ môn Hóa học.Với hình thức thi trắc nghiệm,trong một khoảng thời gian rất ngắn học sinh phải giải quyết được một lượng khá lớn các câu hỏi, bài tập.Điều này không những yêu cầu các em phải nắm vững, hiểu rỏ kiến thức mà còn phải thành thạo trong việc sử dụng các kỹ năng giải bài tập và đặc biệt phải có phương pháp giải hợp lý cho từng dạng bài tập.Từ thực tế sau mỗi kỳ thi ĐH-CĐ,nhiều em học sinh có kiến thức khá vững nhưng kết quả vẫn không cao, lý do chủ yếu là các em vẫn giải các bài toán theo phương pháp truyền thống,việc này rất mất thời gian nen từ đó không đem lại hiệu quả cao trong việc làm bài trắc nghiệm.Vì vậy việc nghiên cứu ,tìm tòi và xây dựng các phương pháp giải nhanh các bài tập hóa học là một việc rất cần thiết để giúp các em đạt kết quả cao trong các kỳ thi ĐH-CĐ.Tuy nhiên Hóa học là một môn khoa học thực nghiệm nên để áp dụng tốt các phương pháp giải nhanh mà vẫn giúp các em học sinh hiểu được bản chất hóa học là một vấn

đề khá khó khăn, đòi hỏi học sinh phải nắm vững kiến thức và có kỹ năng tốt để giải bài tập

Trong quá trình giảng dạy,tôi phát hiện thấy các em học sinh gặp nhiều khó khăn trong việc giải quyết các bài toán về hỗn hợp nhiều chất(như :Fe và các ôxít sắt hay muối sắt hoặc đồng với lưu huỳnh ) hoặc các hợp chất khó xác định số ôxi hóa như Cu FeS Cu FeS2 2 ; 2 4 tác dụng với dung dịch HNO 3 hoặc

H 2 SO 4 đặc nóng.Đây là dạng bài tập khó và rất hay gặp trong các đề thi

ĐH-CĐ những năm gần đây.Để giải các bài toán dạng này có nhiều phương pháp nhưng phương pháp tối ưu nhất và tiết kiệm thời gian nhất có thể nói đến là phương pháp quy đổi.Do đó tôi xin mạnh dạn trình bày một số kinh nghiệm trong việc" áp dụng phương pháp quy đổi nguyên tử để giải nhanh một số bài toán hóa vô cơ.Việc áp dụng phương pháp này để giải quyết một số bài toán hóa vô cơ phức tạp sẽ phần nào giúp các em giảm bớt lượng thời gian để làm bài từ đó đem đến kết quả cao hơn trong mỗi kỳ thi.

B.NỘI DUNG ĐỀ TÀI

I PHƯƠNG PHÁP QUY ĐỔI NGUYÊN TỬ

1 Dấu hiệu nhận biết dạng toán vận dụng phương pháp quy đổi nguyên tử.

- Bài toán hỗn hợp, trong đó tổng số chất và hợp chất nhiều hơn tổng số nguyên tố tạo thành hỗn hợp đó

- Bài toán hỗn hợp các oxit, sunfua của kim loại; xác định thành phần các nguyên tố trong hỗn hợp phức tạp; các hợp chất khó xác định số oxi hoá

2 2 ; 2 4

Cu FeS Cu FeS

2 Các bước giải toán theo phương pháp quy đổi nguyên tử

- Bước 1: Quy đổi hợp chất về các nguyên tố tạo thành hỗn hợp

+ Đặt ẩn số thích hợp cho số mol nguyên tử các nguyên tố trong hỗn hợp

- Bước 2: Lập các phương trình dựa vào các định luật bảo toàn (ĐLBT) khối lượng, bảo toàn nguyên tố và bảo toàn electron

+ Lập phương trình dựa vào các dữ kiện khác của bài toán nếu có

3 Yêu cầu đối với học sinh khi giải bài tập bằng phương pháp quy đổi nguyên tử.

Phương pháp này quy đổi nguyên tử là phương pháp kết hợp những ưu điểm của việc vận dụng các định luật bảo toàn khối lượng; bảo toàn nguyên tố

và bảo toàn electron Vì vậy để áp dụng có hiệu quả phương pháp này học sinh phải thành thạo kỹ năng vận dụng các định luật bảo toàn này

II.MỘT SỐ DẠNG BÀI TẬP CÓ THỂ SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP QUY ĐỔI NGUYÊN TỬ:

1.Loại bài tập về sắt và các ôxít sắt tác dụng với axít có tính ôxi hóa mạnh như HNO3 hoặc H2SO4 đặc nóng:

Bài toán tổng quát: Cho m gam Fe ở ngoài không khí ,sau một thời gian

thu được a gam chất rắn A.Hòa tan hoàn toàn hỗn hợp A bằng dung dịch HNO3 loãng, dư (hoặc H2SO4 đặc nóng dư) thu được x mol sản phẩm khử của N(hoặc S) duy nhất.Tính m theo a và x hoặc ngược lại tính x theo a,m hay tính a theo m,x

Ví dụ minh họa:

Nung nóng 12,6 gam Fe ngoài không khí ,sau một thời gian thu được m gam hỗn hợp X gồm Fe,FeO,Fe2O3, Fe3O4 Hòa tan hoàn toàn hỗn hợp này trong dung dịch H2SO4 đặc nóng dư, thu được 4,2 lít khí SO2 duy nhất (đktc) Giá trị

m là:

A 15 B 15,6 C 18,2 D 20

Hướng dẫn giải:

Phân tích đề: Sơ đồ phản ứng:

Fe + O2  X (Fe, FeO, Fe2O3 , Fe3O4 )

X + H2SO4  Fe2(SO4)3 + SO2 + H2O

Fe phản ứng với ôxi cho sản phẩm là 3 ôxít sắt và sắt dư.Hỗn hợp này tác dụng với H2SO4 đặc nóng đưa Fe 0 lên Fe+3 Trong cả quá trình oxi nhận e để

về O-2 và S+6 ( trong H2SO4 ) nhận e vđể về S+4 ( trong SO2) Như vậy :

- Khối lượng ôxít bằng tổng khối lựong sắt và ôxi

- Cả quá trình phản ứng : chất nhường e là Fe và chất nhận e là O và S+6

Ta có : nSO2 = 0,1875 mol , nFe = 0,225 mol

Gọi số mol ôxi trong Ôxít là x mol, ta có:

-Chất khử: Fe0  Fe3+ + 3e

0,225 mol 3 0,225 mol

- Chất ôxi hóa: O0 + 2e  O2- S+6 + 2e  S+4

x mol 2.x mol 2.0,1875 0,1875mol

- Tổng số mol e nhường : 0,675 mol

-Tổng số mol e nhận : 2.x + 0,35 mol

Áp dụng ĐLBT e, ta có: 0,675 = 2.x + 0,35  x = 0,15 mol

Áp dụng ĐLBT khối lượng : m = m Fe + mO = 12,6 + 0,15.16 =15 gam Chọn đáp án A

2 Loại bài tập về hỗn hợp muối sắt hoặc đồng với lưu huỳnh:

Bài toán tổng quát: Hòa tan hoàn toàn m gam hỗn hợp X gồm Fe, FeS,

FeS2 hoặc Cu, CuS, CuS2 trong dung dịch HNO3 thu được a mol sản phẩm khử duy nhất và dung dịch A Cho dung dịch A phản ứng với Ba(OH)2 dư ,lọc

bỏ kết tủa nung đến khối lượng không đổi được x gam chất rắn Tính x theo m

và a hoặc ngược lại tính a theo m và x

Ví dụ minh họa:

Hòa tan hoàn toàn m gam hỗn hợp X gồm Fe,Cu,CuS,Cu2S,S trong dung dịch HNO3 dư thóat ra 20,16 lít khí NO duy nhất (đktc) và dung dịchY.Thêm Ba(OH)2 dư vào dung dịch Y thu được m gam kết tủa.Giá trị m là:

A 81,55 gam B 104,2 gam C 110,95 gam D 115,85 gam.

Hướng dẫn giải:

Quy đổi hỗn hợp X thành x (mol) Cu và y (mol) S

Áp dụng Định luật bảo toàn khối lượng ta có:

mX = mCu + mS = 64.x + 32.y = 30,4 (1)

Ta có sơ đồ bài toán:

X {Cu0 ,S0 } + HNO3  dung dịch Y { Cu2+ ,SO42-} + khí NO

Y + Ba(OH)2  m gam { BaSO4 ,Cu(OH)2 }

Ta có các quá trình cho nhận electron như sau:

Cu0  Cu2+ + 2e N+5 + 3e  N+2 (NO)

x mol 2.x mol 3.0,9 0,9 mol

S  S+6 + 6e

y mol 6.y mol

Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: 2.x + 6.y = 2,7 (2)

Từ (1) và (2) ta có : x = 0,3 mol ; y = 0,35 mol

Theo định luật bảo toàn nguyên tố ta có:

n Cu(OH)2 = nCu = 0,3 mol ; n BaSO4 = nS = 0,35 mol

m = 0,3.98 + 0,35.233 = 110,95 gam  Chọn đáp án C

3 Loại bài tập về xác định công thức của ô xít sắt.

Bài toán tổng quát: Hòa tan hoàn toàn m gam FexOy trong dung dịch HNO3 (hoặc H2SO4 đặc nóng dư) thu được x mol sản phẩm khử của N(hoặc S) duy nhất.Xác định công thức ôxít sắt ở trên

Ví dụ minh họa:(Đề -TSĐH Khối B-2009)Hoà tan hoàn toàn 20,88 gam

một ôxít sắt bằng dung dịch H2SO4 đặc nóng thu được dung dịch X và 3,248 lít

SO2 ( sản phẩm khử duy nhất,đktc).Cô cạn dung dịch X thu được m gam muối sunfat khan.Giá trị m là :

A 52,2 B 48,4 C 54,0 D 58,0

Hướng dẫn giải:

Công thức ôxít sắt: FexOy

Ta quy đổi như sau: 20,88 gam FexOy  [ Fe: a mol, O: b mol ]

 56.a +16.b =20,88 ( I )

Ta xét các quá trình oxi hóa- khử:

Fe 0  Fe+3 + 3e O0 + 2e  O-2

a mol 3.a mol b mol 2.b mol

S+6 + 2e  S+4 (SO2)

2.0,145 0,145 mol

Áp dụng ĐLBT electron ta có : 3.a = 2.a + 0,29 (II)

Từ (I) và (II) ta có : a = b = 0,29 mol  ôxít sắt là FeO

Ta có : 2 FeO  Fe2(SO4)3

0,29 mol 0,29/2 mol

 mFe2(SO4)3 = 0,145.400 = 58 gam  chọn đáp án D

4.Loại bài tập về phản ứng nhiệt nhôm:

Bài toán tổng quát: Cho hỗn hợp A có khối lượng m gam gôm bột Al và

FexOy ,tiến hành phản ứng nhiệt nhôm trong đk không có không khí, thu được hỗn hợp B.Hòa tan B trong HNO3 thu đươcV (lít) sản phẩm khí chứa N duy nhất

(đktc).Xác định ô xít sắt và tính m

Ví dụ minh họa:

Cho hỗn hợp A có khối lượng m gam bột Al và oxit FexOy, tiến hành phản ứng nhiệt nhôm hỗn hợp A trng điều kiện không có không khí được hỗn hợp B Nghiền nhỏ trộn đều hỗn hợp B rồi chia làm 2 phần

- Phần 1 có khối lượng 14,49 gam được hòa tan hết trong dung dịch HNO3 đun nóng được dung dịch C là 3,696 lít khí NO duy nhất (đktc)

- Phần 2 tác dụng với lượng dư NaOH đun nóng thấy giải phóng 0,336 lít khí H2 (đktc) và còn lại 2,52 gam chất rắn

Các phản ứng xảy ra hoàn toàn

Trị số của m và công thức của FexOy là:

A 12,32g và FeO B 13,92g và Fe2O3

C 19,32g và Fe3O4 D 11,32g và Fe2O3

Giải

Coi phần 1 của hỗn hợp B gồm amol Al bxmol Fe0 ; 0 và bymol O0

- Phần 1: Áp dụng ĐLBT khối lượng

 mphần 1 = 27a + 56bx + 16by = 14,49 (l)

Áp dụng ĐLBT e:

- Giả sử phần 2 gấp n lần phần 1:

 Phần 2 gồm: anmol Al bxnmol Fe0 ; 0 và bynmol O0

- Phần 2 của B tác dụng với dung dịch NaOH có khí H2 bay ra vậy còn Al

dư và phần chất rắn không tan là Fe

3 2  2 2 0,015 2 

56 x 2,52

Fe

Thay 1

3

n  vào (III) 3a 2by 0,09IV

Giải hệ phương trình (I); (II) và (IV):  bx 0,135;by 0,18;a 0,15

3 4

0,135 3 0,18 4

x bx

Fe O

y by

mhh = mphần 1 + mphần 2 = mphần 1 + 1

3mphần 1

=4/3.mphần 1 = 4/3.14,49=19,32 gam

 Đáp án C

III MỘT SỐ BÀI TẬP VẬN DỤNG:

Bài 1.(Đề TS Khối A, năm 2008 - câu 29 - mã đề số 263)

Cho 11,36 gam hỗn hợp gồm: Fe, FeO, Fe2O3, Fe3O4 phản ứng hết với dung dịch HNO3 loãng, dư, thu được 1,344 lít NO (sản phẩm khử duy nhất, đktc) và dung dịch X Cô cạn dung dịch X thu được m gam muối khan Giá trị của m là:

Giải

Bước 1:

Coi 11,36 gam hỗn hợp gồm Fe; FeO, Fe2O3, Fe3O4 là hỗn hợp của xmolFe0

và ymolO0

Bước 2:

 

56 16 11,36

hh

m  x y I

- Các quá trình oxi hoá - khử:

0 3

3 3 2

2

3

0,18 0,06



























áp dụng ĐLBT electron:

 

2 0,18 3

3 2 0,18

e

Bước 3:

Giải hệ (I) và (II):  x 0,16; y 0,15

Ta có: n Fe NO 3 3 n Fe  x 0,16mol

 3 3 0,16 242 38, 72

Fe NO

 Đáp án A

Thực tế quá trình giảng dạy cho thấy những học sinh có kỹ năng tốt và áp dụng thành thạo phương pháp có thể lập ngay được hệ phương trình:

0,16

56 16 11,36

Fe O





 3 2 0,16 242 38, 72

Fe NO

trong không khí một thời gian, thu được 63,2 gam hỗn hợp B gồm hai kim loại trên và hỗn hợp các oxit của chúng Đem hoà tan kết lượng hỗn hợp B trên bằng dung dịch H2SO4 đặc nóng dư, thì thu được 0,3 mol SO2 Trị số của x là:

A 0,6 mol B 0,4 mol C 0,5 mol D 0,7 mol Giải: Hỗn hợp B có thể gồm : Cu dư, Fe dư và CuO, FeO, Fe2O3, Fe3O4 Coi B là hỗn hợp của x mol Fe0 và 0,15 mol Cu0 và y mol O0 :

56 0,15.64 16 63, 2

 

56x 16y 53,6 I

3 3

Fe Fe e



2 0,15 0,3

Cu Cu  e  ĐLBT e:  n e  3x 0,3 0,6 2   y

2

2



   3x 2y 0,3III

4 6

2

0,6 0,3

x





Giải hệ (I) và (II):  y = 0,9; x = 0,7

 Đáp án D

dung dịch HNO3 đặc nóng dư thu được dung dịch B và 9,072 lít NO2 (đktc), sản phẩm khử duy nhất Chia dung dịch B thành 2 phần bằng nhau

- Phần 1: Tác dụng với dung dịch BaCl2 dư thu được 5,825g kết tủa trắng

- Phần 2: Tác dụng với dung dịch NaOH dư thu được kết tủa C Nung C đến khối lượng không đổi thu được m1 gam chất rắn

Giá trị của m và m1 lần lượt là:

A 3,56g; 1,4g B 4,02g; 2,9g C 2,15g; 1,95g D 2,1g; 1,84g

Hướng dẫn giải:

Coi hỗn hợp A gồm 0

xmol Fe và ymol 0

S

3 3



  Áp dụng ĐLBT e:

2

6





9,072

3 6

22, 4

1

0, 405 0, 405

N  e  N

0

2

3

2 3 3

6 2

1/ 2

Ba

ddB





























Từ sơ đồ ta có:

4

5,825

0,025

2 233

BaSO

y

 

0,05

Giải hệ phương trình (I) và (II): x = 0,035mol; y = 0,05mol

56 32 56 0,035 32 0,05 3,56

A

2 3

1 160 40 0,035 1, 4

4

Fe O

x

 Đáp án A

Bài 4: Đốt cháy hoàn toàn 6,48 gam hỗn hợp chất rắn X gồm: Cu, CuS,

FeS; FeS2; FeCu2S2; S thì cần 2,52 lít O2 và thấy thoát ra 1,568 lít SO2 Mặt khác cho 6,48 gam X tác dụng với dung dịch HNO3 đặc nóng dư thu được V lít NO2 (là sản phẩm khử duy nhất) và dung dịch A Cho dung dịch A tác dụng với dung dịch Ba(OH)2 dư thu được m gam kết tủa Biết thể tích các khí đều đo ở đktc Giá trị của V và m là:

A 12,316 lít và 24,34g B 13,216 lít và 23,44g

C 16,312 lít và 23,34g D 11,216 lít và 24,44g

Giải: Coi hỗn hợp X gồm xmol Cu ymol Fe0 , 0 và zmol S0

 

64x 56y 32z 6, 48 I

2

X O   xmol CuO molFe O zmolSO

Áp dụng ĐLBT nguyên tố oxi và lưu huỳnh:

2

O

y

 

2x 3y 4z 0, 45 II

2

1,568

0,07

22, 4

Giải hệ (I), (II) và (III): x 0,04; y = 0,03; z = 0,07

- Khi cho X tác dụng với dung dịch HNO3 đặc nóng:

3

6

; ; HNO

Cu Fe S ddA Cu  Fe S SO   NO

= 2 x 0,04 + 3 x 0,03 + 6 x 0,07 = 0,59 mol

 

2 0,59 22, 4 13, 216

NO

-  2 3 2   2

4

ddA Cu  Fe  SO 

     Kết tủa gồm Cu OH 2;Fe OH 3;BaSO4

m m

  = mm m m

0,04x 9 0,03 107 0,07 233 23, 44x x g

 Đáp án B

IV.MỘT SỐ BÀI TẬP TƯƠNG TỰ

Bài 1 (Đề TSĐH Khối B-2007)Nung m gam bột sắt trong không khí ,thu

đuợc 3 gam hỗn hợp rắn X Hòa tan hết hỗn hợp X trong dung dịch HNO3

dư ,thoát ra 0,56 lit (đktc) NO là sản phẩm khử duy nhất.Giá trị m là:

A 2,22 B 2,52 C 2,62 D 2,32

Bài 3 Đề thi thử ĐH lần3-2012(Trường THPT Chuyên- ĐH Vinh)

Hòa tan hết 17,92 gam hỗn hợp X gồm Fe3O4, FeO, Fe, CuO, Cu, Al ,

Al2O3 (trong đó ôxi chiếm 25,446% về khối lượng) trong dung dịch HNO3 loãng

dư Kết thúc các phản ứng thu được dung dịch Y và hỗn hợp khí Z có tỉ khối so với H2 là 15,29 Cho NaOH tới dư vào Y rồi đun nóng không có khí thoát ra.Số mol HNO3 đã phản ứng là:

A 1,215 B 1,392 C 1,475 D 0,75

Bài 4 Nung nóng m gam bột sắt ngoài không khí,sau phản ứng thu được

20 gam hỗn hợp X gồm các ôxit sắt và sắt dư Hòa tan hết X trong dung dịch HNO3 thu được 5,6 lit (đktc) hỗn hợp khí Y gồm NO và NO2 có tỉ khối so H2 là 19.Giá trị m là:

A 16,8 B.17 C 18,4 D 18,6

Bài 5 Hòa tan hoàn toàn 5,92 gam hỗn hợp X gồm FeS, FeS2 vào dung dịch HNO3 thu được dung dịch Z (không chứa muối amôni) và hỗn hợp khí Y gồm 0,2 mol NO và 0,06 mol NO2.Cho dung dịch Z tác dụng với dung dịch Ba(OH)2 dư thì khối lượng kết tủa tối đa thu được là:

A 6,42 gam B 18,64 gam C 20,4 gam D 25,06 gam Bài 6 Ôxi hóa chậm ngoài không khí thu được 12 gam hỗn hợp X gồm

FeO, Fe2O3 ,Fe3O4 và Fe dư Hòa tan hết X trong 200ml dung dịch HNO3 vừa đủ thu được 2,24 lít khí NO duy nhất (đktc).Giá trị m và nồng độ của dung dịch HNO3 tương ứng là:

A 7,75 gam và 2M B.7,75 gam và 3,2M

C.10,08 gam và 3,2M D.10,08 gam và 2M

C.KẾT LUẬN:

I Kết quả đạt được và bài học kinh nghiệm:

Sử dụng phương pháp quy đổi hiện nay tỏ ra có nhiều ưu thế khi áp dụng giải nhanh các bài tập khó trong quá trình làm bài tập trắc nghiệm.Học sinh có thể chọn được đáp án đúng trong thời gian ngắn ,không phải mất quá nhiều thời gian như sử dụng các phương pháp truyền thống.Tuy nhiên khi giải các bài tập dạng này cần áp dụng linh hoạt nhiều phương pháp giải nhanh như: bảo toàn khối lượng ,bảo toàn electron hay bảo toàn nguyên tố

Ta có thể sử dụng phương pháp quy đổi cho các bài tập rất phức tạp nhưng vẫn đưa ra kết quả chính xác và nhanh nhất.Tuy nhiên trong quá trình làm bài cần khéo léo trong cách quy đổi về các nguyên tố và đặt ẩn số cho số mol của các nguyên tố sao cho phù hợp.Khi số lượng chất và hợp chất càng nhiều,càng phức tạp thì phương pháp quy đổi càng tỏ ra ưu việt so với các phương pháp khác

Về phương pháp quy đổi ta có thể có nhiều cách quy đổi nhưng trong phạm vi bài viết này tôi chỉ trình bày dạng quy đổi hỗn hợp về các nguyên tử và

sử dụng phương pháp quy đổi để giải các bài toán hóa vô cơ còn với bài toán hóa hữu cơ vẫn chưa đề cập đến.Do đó nội dung của đề tài vẫn còn nhiều hạn chế.Bản thân tôi sẽ không ngừng học hỏi,tự cố gắng phấn đấu để ngày càng hoàn thiện hơn

II Kết luận:

Đổi mới phương pháp để nâng cao chất lượng dạy học, không những giúp học sinh nhanh chóng nắm vững kiến thức, hiểu rõ bản chất và hứng thú với việc học mà còn giúp học sinh đạt kết quả cao hơn trong thi cử là một điều trăn trở của một giáo viên trẻ chỉ với 7 năm công tác như tôi Trong quá trình công