Một số kinh nghiệm hướng dẫn học sinh phương pháp giải nhanh bài toán nhiệt luyện trong chương trình hóa học vô cơ lớp 12 THPT

Một số kinh nghiệm hướng dẫn học sinh phương pháp giải nhanh bài toán nhiệt luyện trong chương trình hóa học vô cơ lớp 12 THPT Một số kinh nghiệm hướng dẫn học sinh phương pháp giải nhanh bài toán nhiệt luyện trong chương trình hóa học vô cơ lớp 12 THPT Một số kinh nghiệm hướng dẫn học sinh phương pháp giải nhanh bài toán nhiệt luyện trong chương trình hóa học vô cơ lớp 12 THPT Một số kinh nghiệm hướng dẫn học sinh phương pháp giải nhanh bài toán nhiệt luyện trong chương trình hóa học vô cơ lớp 12 THPT Một số kinh nghiệm hướng dẫn học sinh phương pháp giải nhanh bài toán nhiệt luyện trong chương trình hóa học vô cơ lớp 12 THPT

A ĐẶT VẤN ĐỀ

1.Lý do chọn đề tài

Bước sang thế kỷ XXI, thế kỷ của khoa học kỹ thuật và sự bùng nổ thôngtin, nền kinh tế Việt Nam hoà chung với nền kinh tế thế giới chuyển sang mộtbước mới đó là nền “kinh tế tri thức” Đứng trước thực trạng tri thức nhân loạikhông ngừng tăng lên, đã đặt lên vai ngành giáo dục nhiệm vụ càng nặng nề hơn

đó là: Phải đào tạo, phải bồi dưỡng nguồn nhân lực tiên tiến, đáp ứng nhu cầucủa xã hội mới Chớnh vỡ vậy, đối với công tác dạy học hiện nay: Phải khuyếnkhích tự học, phải áp dụng phương pháp hiện đại để bồi dưỡng cho học sinhnăng lực tư duy sáng tạo, năng lực giải quyết vấn đề, từ đó đem lại niềm vui,hứng thú học tập cho học sinh

Trở lại với thực tế, trong kỳ thi tốt nghiệp THPT và tuyển sinh đại học,cao đẳng hiện nay đang áp dụng hình thức thi trắc nghiệm khách quan đối vớimôn Hóa Học và một số môn học khác Nhiều thí sinh hiện đang rất hoangmang, lo sợ bởi trong khoảng thời gian 60 phút thi tốt nghiệp phải hoàn thành 40câu hỏi và trong 90 phút thi tuyển sinh đại học, cao đẳng phải hoàn thành tới sốlượng câu hỏi là 50 câu Điều đó nghĩa là thời gian làm bài trung bình cho mộtcâu hỏi là 1,5 đến 1,8 phút Như vậy, kỹ năng làm bài chính là yếu tố quan trọngảnh hưởng tới tiến độ làm bài và chất lượng bài thi của thí sinh

Bên cạnh đó, bài tập hóa học vô cơ tập trung rất nhiều vào chương đạicương về kim loại ( SGK Hóa Học 12, ban cơ bản ) Việc giải nhanh các bàitoán nhiệt luyện góp phần đáng kể vào việc giải quyết các vấn đề trọng tâm củachương cũng như các vấn đề căn bản của hóa học vô cơ 12

Là một giáo viên hoá học, tôi luôn mong muốn dạy cho các em học sinhnhững phương pháp giải toán hoá học ngắn ngọn, chính xác và dễ hiểu nhất đểphần nào giúp các em giải nhanh bài toán nhiệt luyện và tạo nền tảng vững chắc

để các em giải nhanh các bài toán hóa học khác Từ đó tăng thêm niềm đam mê,yêu thích môn học, đồng thời đem lại kết quả cao trong các kỳ thi

Tất cả các lý do trên đã là động lực để tôi nghiên cứu đề tài: “Một số kinh nghiệm hướng dẫn học sinh phương pháp giải nhanh bài toán nhiệt luyện trong chương trình Hóa Học vô cơ lớp 12 THPT ”

2 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu.

- Hệ thống hóa kiến thức về cách điều chế kim loại bằng phương phápnhiệt luyện và các vấn đề liên quan

- Giới thiệu một số dạng bài tập về bài toán nhiệt luyện, đưa ra phươngpháp giải nhanh và bài tập vận dụng cho từng dạng

- Giúp học sinh hiểu đúng, hiểu rõ bản chất của bài toán nhiệt luyện vàcách giải nhanh bài toán Qua đó rèn luyện khả năng tư duy thông minh, tích cựcsáng tạo nhằm tạo hứng thú học tập bộ môn hoá học của học sinh THPT

- Đưa hệ thống bài tập để áp dụng cho HS lớp 12 Trường THPT Lê VănLinh, từ đó đánh giá và kiểm nghiệm đề tài

3 Phạm vi nghiên cứu.

Đề tài được áp dụng đối với học sinh THPT, đặc biệt là học sinh lớp 12Trường THPT Lê Văn Linh ( nơi tôi công tác )

4 Phương pháp nghiên cứu.

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

- Nghiên cứu sách giáo khoa, sách bài tập hoá học THPT, sách tham khảo,các nội dung lý thuyết liên quan đến bài toán nhiệt luyện trong hoá học vô cơ.Nghiên cứu phương pháp giải bài toán hoá học

- Nghiên cứu khả năng tiếp thu của học sinh lớp 12 Trường THPT Lê VănLinh để có những cách trình bày thật dễ hiểu, phù hợp với từng đối tượng họcsinh

- Vận dụng phương pháp giải bài tập vào thực tiễn giảng dạy của mình, họctập của học sinh, cũng như thu thập ý kiến phản hồi từ học sinh và đồng nghiệp,rút kinh nghiệm sữa chữa, bổ sung, hoàn thiện hơn

- Đánh giá việc áp dụng các phương pháp giải nhanh trong giải bài toánnhiệt luyện hoá học.

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

B GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

1 Cở sở lý luận của vấn đề.

1.1 Phương pháp nhiệt luyện.

Phương pháp nhiệt luyện là một trong ba phương pháp cơ bản để điều

chế kim loại ( nhiệt luyện, thủy luyện và điện phân )

Cơ sở của phương pháp là dùng các chất khử như C, CO, H2, Al… khửion kim loại trong oxít của các kim loại ở nhiệt độ cao

Phương pháp này dùng để điều chế các kim loại có tính khử trung bìnhnhư: Zn, Fe, Sn, Pb…

VD1 Dùng chất khử CO, H2

Fe2O3 + 3CO  t o 2Fe + 3CO2

PbO + H2  t o Pb + H2O

( SGK hóa học 12, ban cơ bản, trang 96 ).

VD2 Dùng chất khử là kim loại nhôm (ta gọi là phản ứng nhiệt nhôm)

Cr2O3 + 2Al  t o 2Cr + 2Al2O3

Trường hợp là quặng sunfua kim loại như Cu2S, ZnS, FeS2 thì phảichuyển sunfua kim loại thành oxít kim loại Sau đó khử oxít kim loại bằng chấtkhử thích hợp Thí dụ với ZnS:

- Nung quặng ZnS với O2 dư

2ZnS + 3O2  t o 2ZnO + 2SO2

- Khử ZnO bằng C ở nhiệt độ cao

ZnO + C  t o CO + ZnVới những kim loại kém hoạt động như Hg, Ag chỉ cần đốt cháy quặng cũng đãthu được kim loại mà không cần phải khử bằng các tác nhân khác:

Phương pháp này dùng để điều chế các kim loại kém hoạt động hơn Al và

có nhiệt độ nóng chảy cao như Cr, Fe

VD 3Fe3O4 + 8Al  t o 9Fe + 4Al2O3

Cr2O3 + 2Al  t o 2Cr + Al2O3

Hỗn hợp gồm bột Al và bột Fe2O3 hoặc Fe3O4 được gọi là hỗn hợp tecmit( không được dùng FeO vì phản ứng vẫn xảy ra nhưng tỏa ít nhiệt) Để phản ứngxảy ra phải mồi bằng hồ quang hoặc đốt cháy sợi dây Magie Phản ứng tỏa ra rấtnhiều nhiệt làm cho nhiệt độ hỗn hợp lên tới 2500oC – 3000oC

Fe2O3 + 2Al  t o 2Fe + Al2O3   0

Sắt tạo thành ở dạng nóng chảy có thể dùng hàn đường ray

( Cơ sở lý thuyết hóa học – Đào Hữu Vinh, trang 275 )

1.3 Định luật bảo toàn khối lượng.

Nguyên tắc: Trong phản ứng hóa học các nguyên tố và khối lượng củachúng được bảo toàn

Từ đó suy ra:

Tổng khối lượng chất tham gia = Tổng khối lượng chất sản phẩm

Hoặc nếu chất tham gia có chất dư thì:

Tổng khối lượng chất trước phản ứng = Tổng khối lượng chất sau phản ứng

( Phương pháp giải nhanh các bài toán trắc nghiệm Hóa Học vô cơ - Th.S Cao Thị Thiên An, trang 22 )

1.4 Định luật bảo toàn electron.

Nguyên tắc: Trong phản ứng oxi hóa-khử:

Tổng electron do chất khử nhường = Tổng electron do chất oxihóa nhận

Bài toán nhiệt luyện là dạng toán căn bản trong chương trình hóa học vô cơlớp 12 Cách giải bài toán nhiệt luyện không được đề cập tới trong SGK nhưngthực tế lại có rất nhiều bài toán liên quan tới vấn đề này ngay cả trong SGK,sách bài tập và trong các đề thi Trong các sách tham khảo, bài tập về phản ứngnhiệt luyện cũng chưa thực sự được quan tâm, hoặc chỉ đề cập đến một phầnnhỏ đó là phản ứng nhiệt nhôm, hoặc gộp chung với những vấn đề khác mà chưađược bóc tách riêng rẽ, cụ thể.

Trên thực tế, người ta dùng phương pháp nhiệt luyện để sản xuất kim loạitrong công nghiệp Đặc biệt, phản ứng nhiệt nhôm sau:

2Al + Fe2O3  t o 2Fe + Al2O3

được dùng để điều chế một lượng nhỏ sắt nóng chảy khi hàn đường ray

Như vậy, việc hiểu và giải nhanh bài toán nhiệt luyện trở nên rất quan trọng

và nhiều ý nghĩa Vì vậy, trong quá trình giảng dạy tôi đã đưa một số bài toánnhiệt luyện vào bài kiểm tra 1 tiết dành cho học sinh lớp 12 Thế nhưng hầu hếtcác em học sinh đều sử dụng phương pháp giải dựa trên phương trình phản ứng

đã được cân bằng, đặt ẩn và lập hệ phương trình Một số em còn mơ hồ chưahiểu rõ bản chất vấn đề thậm chí là bế tắc Chỉ được một số em sử dụng đượcphương pháp giải nhanh nhưng còn vụng về, máy móc và chưa linh hoạt Tôithiết nghĩ, nguyên nhân của sự yếu kém trên là do các em học sinh chưa tìm thấyhứng thú trong quá trình học, các em thấy khó và chán nản dẫn tới lười học Mộtphần là do giáo viên chưa tạo được những tiết học thực sự lôi cuốn học sinh,chưa giúp các em nhận ra những cái hay, cái dễ trong khi giải toán hay nói cáchkhác là giáo viên chưa giúp học sinh lĩnh hội được phương pháp giải nhanh

Trước thực trạng trên, tôi đã thấy rõ tầm quan trọng của bài toán nhiệtluyện và sự cần thiết phải hướng dẫn các em có được phương pháp giải nhanh

dạng bài toán này Tôi đã quyết định nghiên cứu đề tài “Hướng dẫn học sinh lớp 12 phương pháp giải nhanh bài toán nhiệt luyện trong chương trình hóa học vô cơ” và đưa đề tài ứng dụng vào thực tiễn đối với học sinh lớp 12 Trường

THPT Lê Văn Linh

3 Giải pháp và tổ chức thực hiện.

Với bài toán nhiệt luyện ta có thể chia thành các dạng toán cơ bản sau:

3.1 Dạng 1 Khử oxít kim loại bằng chất khử CO, H 2

Giáo viên (GV) hướng dẫn học sinh (HS) nghiên cứu bài toán sau:

Bài toán: Khử hoàn toàn m 1 gam Fe 2 O 3 cần V 1 lít khí CO Sau phản ứng thu được chất rắn có khối lượng m 2 gam và V 2 lít khí CO 2 Các khí đo ở đktc.

Đề bài có thể yêu cầu tìm ít nhất 1 trong 4 giá trị m 1 , m 2 , V 1 , V 2 ?

Giải:

Cách 1.

Sơ đồ phản ứng: Fe2O3 + CO  t o chất rắn + CO2

Ta có, CO lấy oxi của oxit phản ứng theo sơ đồ: CO + O  CO2

Suy ra: n CO2 = n COpư = n O(trong oxít pư) ( viết tắt là nO )

Suy ra:

(1)

Nếu biết được lượng oxi trong oxít ta tính được thể tích khí tham gia phản ứng(V1) hoặc thể tích khí sau phản ứng (V2) theo công thức (1)

Nếu biết V1 ( hoặc V2 ) và m1 ( hoặc m2 ) thì ta suy ra được lượng oxi trong oxít,

từ đó ta tính được khối lượng chất rắn sau phản ứng (m2) hoặc khối lượng oxítban đầu (m1) theo công thức sau:

(2)Tùy vào dữ kiện và yêu cầu bài toán mà ta sử dụng công thức (1) hoặc công thức(2) hoặc dùng đồng thời cả 2 công thức sao cho phù hợp

Cách 2 Sử dụng định luật bảo toàn khối lượng ta cũng có thể giải nhanh

bài toán trên

n = n(CO,H2)pu = n O

- Nếu phản ứng xảy ra hoàn toàn thì chất rắn thu được là kim loại

- Nếu phản ứng xảy ra không hoàn toàn thì chất rắn sinh ra có thể gồmkim loại và oxít dư hoặc các oxít mà kim loại có số oxihóa thấp hơn ban đầu(Fe3O4, FeO, Fe và Fe2O3 dư )

Như vậy:

+ Nếu biết khối lượng oxít , biết số mol CO, H2 tham gia phản ứng hoặc

số mol CO2, H2O tạo ra, ta tính được lượng oxi trong oxít phản ứng (hay hỗnhợp oxít) và suy ra lượng kim loại (hay hỗn hợp kim loại hoặc chất rắn) Vàngược lại

+ Nếu biết khối lượng oxít và khối lượng chất rắn sau phản ứng ta tính được lượng oxi trong oxít từ đó suy ra lượng khí thu được hoặc lượng khí đã dùng ban đầu

Từ những kiến thức ở trên GV hướng dẫn HS tìm hiểu các ví dụ cụ thể:

Ví dụ 1 ( Bài 4 – SGK hóa học 12, cơ bản, trang 98 )

Khử hoàn toàn 30g hỗn hợp X gồm CuO, FeO, Fe3O4, Fe2O3, Fe, MgOcần dùng 5,6 lít khí CO (đktc) Khối lượng chât rắn thu được sau phản ứng là:

A 28g B 26g C 24g D 22g

Phân tích: Bài toán cho biết khối lượng hỗn hợp oxít và thể tích chất khử

CO cần dùng Như vậy, từ CO ta sẽ tính được lượng oxi trong oxít phản ứng và

dễ dàng tính được khối lượng chất rắn thu được sau phản ứng ( cách 1 ) Hoặc

tính lượng khí CO 2 sinh ra và sử dụng định luật bảo toàn khối lượng để giải bài toán mà không cần viết phương trình phản ứng hay đặt ẩn và giải hệ ( cách 2 )

Ví dụ 2:

Nung m g hỗn hợp rắn gồm Fe2O3, Fe rồi cho 1 luồng khí CO (thiếu) quahỗn hợp trên Sau pư thu được 30,2 g chất rắn và 22 g CO2 Tính m?

Phân tích: Đây là trường hợp ngược lại so với ví dụ 1 Ở đây ta lại biết

lượng chất rắn sau phản ứng và lượng khí CO 2 sinh ra, ta suy ra lượng oxi trong oxít phản ứng từ đó suy ra khối lượng chất rắn ban đầu Ta cũng có thể dùng định luật bảo toàn khối lượng để giải bài toán tương tự ví dụ 1.

Giải:

Ví dụ 3 (Trích đề thi tuyển sinh ĐH, Cao Đẳng khối A năm 2008 )

Cho V lít hỗn hợp khí (ở đktc) gồm CO và H2 phản ứng với một lượng dưhỗn hợp rắn gồm CuO và Fe3O4 nung nóng Sau khi các phản ứng xãy ra hoàntoàn, khối lượng hỗn hợp rắn giảm 0,32g Gía trị V là:

(CO H2

n =n(CO2,H2O) = n O

Khối lượng chất rắn giảm chính là lượng oxi trong oxít phản ứng Như vậy từ tổng số mol hỗn hợp khí CO và H 2 ta suy ra V.

 t o chất rắn + 



O H CO

2 2

Ta có H2 và CO lấy đi oxi của oxít theo sơ đồ:

Phân tích : Đối với đề bài này nhiều HS sẽ e ngại vì công thức oxít sắt ta

chưa biết Thế nhưng nếu các các em để ý một chút sẽ thấy dù công thức oxít sắt nào cũng không ảnh hưởng tới đáp số bài toán Ở đây ta chỉ cần tìm lượng oxi trong oxít dựa vào khối lượng oxít ban đầu và khối lượng 2 kim loại là suy

ra được khối lượng nước rồi

Giải:

Sơ đồ phản ứng: oxít + H2  t o kim loại + H2O

Ta có, H2 lấy đi oxi của oxít theo sơ đồ: H2 + O  H2O

Phân tích : Để tìm CTPT oxít ta cần tìm tỉ lệ x : y = n Fe : n O Nếu x : y = 1

ta chọn FeO, nếu x : y = 3 : 4 ta chọn Fe 3 O 4 , nếu x : y = 2 : 3 ta chọn Fe 2 O 3 Với

đề bài này ta đã biết thể tích H 2 , từ đây ta suy ra được lượng oxi trong oxít Mà

đã biết khối lượng oxít và oxi ta dễ suy ra khối lượng kim loại trong oxít Sau đó lập tỉ lệ và tìm ra công thức oxít sắt.

Giải:

Sơ đồ phản ứng: oxít sắt + H2  t o Fe + H2O

Ta có: 0,75( )

4 , 22

8 , 16

0

2

mol H

28 16

:

O

Fe m m

Vậy công thức oxít sắt là Fe2O3

Nhận xét Như vậy, qua các ví dụ trên ta thấy: đối với bài toán nhiệt

luyện dùng chất khử CO hoặc H2 hoặc dùng hỗn hợp cả CO và H2, ta không cầnquan tâm nhiều tới việc xác định xem chất nào phản ứng hay không phản ứng,cũng không quan tâm tới việc chất nào dư Ta chỉ cần tính được lượng oxi trongoxít phản ứng là suy ra được khối lượng hỗn hợp oxít ban đầu hoặc tổng khốilượng chất rắn sau phản ứng, và ngược lại Ngoài ra, bài toán nhiệt luyện cònđược sử dụng như một khâu trong các bài toán khác

3.2 Dạng 2 Bài toán nhiệt nhôm.

GV hướng dẫn HS xét phản ứng nhiệt nhôm sau:

Fe2O3 + 2Al  t o 2Fe + Al2O3

- Nếu phản ứng xảy ra hoàn toàn chất tham gia có ít nhất một chất phảnứng hết:

+ Al hết, Fe2O3 dư: chất rắn sau phản ứng gồm Fe, Al2O3, Fe2O3 dư

+ Al dư, Fe2O3 hết: chất rắn sau phản ứng gồm Fe, Al2O3, Al dư

Sơ đồ phản ứng: oxit + Al  t o kim loại + Al2O3

- Khi hiệu suất phản ứng H = 100% thì chất rắn thu được gồm kim loại,

Al2O3 có thể oxít dư hoặc Al dư:

Nếu cho hỗn hợp chất rắn sau phản ứng vào dung dịch kiềm mà có khí thoát rachứng tỏ Al dư

- Khi H < 100% thì chất rắn thu được gồm kim loại, Al2O3, oxít dư và Aldư

- Chất rắn sau phản ứng thường chia làm 2 phần có tỉ lệ k:

+ k = 1 nghĩa là chất rắn chia làm 2 phần bằng nhau Khi đó số mol cácchất tương ứng ở 2 phần đều bằng nhau

+ k 1 nghĩa là chất rắn chia làm 2 phần không bằng nhau Khi đó số molcác chất trong phần 2 sẽ gấp k lần số mol các chất tương ứng ở phần 1 Để giảibài toán ta phải tìm giá trị của k

- Thường bài toán dạng này thường sử dụng phương pháp bảo toàn khốilượng, bảo toàn nguyên tố hoặc bảo toàn electron để giải nhanh:

m hỗn hợp trước phản ứng = m hỗn hợp sau phản ứng

n nguyên tố Al trước phản ứng = n nguyên tố Al sau phản ứng

 n e nhường =  n e nhận

Từ những kiến thức ở trên GV hướng dẫn HS tìm hiểu các ví dụ cụ thể:

Ví dụ 1 (Trích đề thi tuyển sinh ĐH, Cao Đẳng khối B năm 2009 )

Nung nóng m gam hỗn hợp Al và Fe3O4 (trong điều kiện không có khôngkhí) đến phản ứng xảy ra hoàn toàn, thu được hỗn hợp rắn X Cho X tác dụngvới dung dịch NaOH dư thu được dung dịch Y, chất rắn Z và 3,36 lít khí H2 ởđktc Sục khí CO2 dư vào dung dịch Y thu được 39 gam kết tủa Giá trị của m là:

A 45,6 B 48,3 C 36,7 D 57,0

Phân tích: Gặp bài toán dạng này nhiều HS sẽ cảm thấy khó giải vì bài

nhiều dữ kiện qua nhiều giai đoạn rắc rối Nếu giải bằng cách viết và tính theo phương trình phản ứng thì mất nhiều thời gian Vì vậy trước tiên GV tóm tắt bài toán bằng sơ đồ để HS hiểu và cảm nhận bài toán đơn giản hơn Sau đó GV gợi

ý HS theo dõi quá trình chuyển đổi của nguyên tố Al để giải nhanh bài toán.

Giải

PTPƯ: 3Fe3O4 + 8Al  t o 9Fe + 4Al2O3 (1)

X tác dụng với dung dịch NaOH tạo khí H2 vậy X có Al dư

Ta có sơ đồ chuyển hóa:

) (

) ( )

H Z Fe

OH Al Y

36 , 3 2 2

3n Aldu  n H2  

Suy ra: nAldư = 0,1 mol

Suy ra: n Al tham gia phản ứng (1) = 0,5 – 0,1 = 0,4 mol

8

3 4 , 0

4

Vậy m = mAl + m Fe3O4 = 0,5.27 + 0,15.232 = 48,3 g Chọn đáp án B