SỬ DỤNG CÂN BẰNG ION – ELECTRON TRONG GIẢI BÀI TẬP HÓA HỌC

LỊCH SỬ CỦA SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM Để giải các bài tập phần oxi hóa – khử trong dung dịch đòi hỏi học sinh phải viết và cân bằng đúng phương trình phản ứng, thao tác này mất nhiều thời gi

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

ĐỀ TÀI

“SỬ DỤNG CÂN BẰNG ION – ELECTRON

TRONG GIẢI BÀI TẬP HÓA HỌC”

PHẦN I: MỞ ĐẦU

I LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Trong quá trình dạy học, việc hình thành phương pháp, kỹ năng giải bài tập cho học sinh là rất quan trọng Đặc biệt đối với phương pháp đổi mới trong kiểm tra đánh giá và thi Đại học – Cao đẳng, khi học sinh đã có phương pháp tốt thì việc giải bài toán để có kết quả nhanh, chính xác sẽ trở nên nhanh chóng, đơn giản Không có phương pháp nào tối ưu để áp dụng cho mọi dạng bài tập Trên

cơ sở đó tôi mạnh rạn đưa ra đề tài sáng kiến kinh nghiệm “sử dụng cân bằng ion –electron để giải nhanh một số bài toán Hóa học” Thông qua đó học sinh có thể nhìn nhận được dạng bài tập và áp dụng để giải nhằm thu được kết quả nhanh và chính xác đáp ứng nhu cầu thi trắc nghiệm như hiện nay

II LỊCH SỬ CỦA SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

Để giải các bài tập phần oxi hóa – khử trong dung dịch đòi hỏi học sinh phải viết và cân bằng đúng phương trình phản ứng, thao tác này mất nhiều thời gian hơn nữa khi cân bằng được rồi thì tính toán theo phương trình cũng mất nhiêu thời gian để có thể đưa ra kết quả chính xác, việc này không phù hợp với hình thức kiểm tra đánh như hiện nay Do đó đề tài ra đời đáp ứng yêu cầu của phương pháp trắc nghiệm như hiện nay đối với bài tập sử dụng cân bằng phản ứng oxi hóa –khử theo phương pháp ion –electron

III MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

Đưa ra một số bài tập Hóa học có thể áp dụng phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa – khử theo phương pháp ion – electron giúp học sinh nhận biết được dạng bài tập, hình thành được kỹ năng và “xử lý” được bài tập nhanh chóng, đưa

ra kết quả nhanh và chính xác

IV NHIỆM VỤ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Có đưa ra cơ sở lí thuyết và nhắc lại các kiến thức liên quan tới phản ứng oxi hóa khử mà học sinh đã được học trong chương trình sgk Hóa học lớp

11 Thông qua đó học sinh có cái nhìn khách quan về phương pháp này, học sinh không bị gò ép mà có thể chủ động lĩnh hội, nắm bắt phương pháp, hình thành

kỹ năng giải bài tập

- Thông qua việc phân tích, giải bài tập theo phương pháp tính toán đơn thuần với phương pháp sử dụng cân bằng ion – electron để giải bài tập từ đó rút

ra tính nhanh chóng, chính xác và hiệu quả của phưong pháp ion – electron

V GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU

- Các bài tập Hóa học trongchương trình THPT

- Chuẩn bị những kiến thức giúp học sinh giải các bài tập Hóa học

VI ĐIỂM MỚI TRONG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

- §a ra cách cân bằng phản ứng oxi hóa khử theo phương pháp ion – electron

- Hệ thống các dạng bài tập có thể sử dụng cân bằng ion – electron để giải

PHẦN II: NỘI DUNG

I CƠ SỞ LÍ THUYẾT

1 Nhắc lại phản ứng oxi hóa khử

a Khái niệm:

- Phản ứng oxi hóa khử là phản ứng trong đó có sự thay đổi số oxi hóa của một số nguyên tố trước và sau phản ứng

- Chất khử là chất nhường electron

- Chất oxi hóa là chất nhận electron

- Quá trình oxi hóa là quá trình chất khử nhường electron

- Quá trình khử là quá trình chất oxi hóa nhận electron

b Quy tắc xác định số oxi hóa

Quy tắc 1: Số oxi hóa của nguyên tố trong các đơn chất bằng không

Quy tắc 2: Trong một phân tử tổng số oxi hóa của các nguyên tố bằng không Quy tắc 3: Số oxi hóa của ion đơn nguyên tử bằng điện tích của ion đó.Trong ion

đa nguyên tử, tổng số oxi hóa của các nguyên tố bằng điện tích của ion đó

Quy tắc 4: Trong hầu hết các hợp chất, số oxi hóa của hiđro bằng +1, trừ một số hiđrua kim loại (NaH, CaH2 …) Số oxi hóa của oxi bằng -2, trừ hợp chất OF2, peoxit (H2O2, Na2O2 …)

2 Cân bằng phản ứng oxi hóa khử theo phương pháp ion – electron

Bước 1: Viết sơ đồ phản ứng

Bước 2: Xác định số oxi hóa của nguyên tử các nguuyên tố thay đổi số oxi hóa Bước 3: Viết quá trình oxi hóa – quá trình khử theo nguyên tắc

- Chất điện li mạnh: Viết dưới dạng ion

- Chất điện li yếu hoặc không điện li: Viết dưới dạng phân tử

* Nếu phản ứng có axit tham gia (môi trường axit): Vế nào thừa a nguyên tử Oxi thì thêm vào vế đó 2a ion H+, vế còn lại thêm a phân tử H2O

VD: Al + 6H+ + 3NO3 → Al3+ + 3NO2 + 3 H2O

1 Al0 Al 3 3e



 

+5 +4

3 NO3  2H  1e NO2H2O

* Nếu phản ứng có bazơ tham gia (môi trường bazơ): Vế nào thừa a nguyên tử Oxi thì thêm vào vế đó a phân tử H2O, vế còn lại thêm 2a ion OH

VD: 2CrO  3Br  8OH  2CrO2  6Br  4H O

+3 +6

2 4

2 4OH CrO 3e 2H

CrO      

0 -1

3 



Br2 2 1 2

* Nếu phả ứng xảy ra trong môi trường trung tính ( không có axit, bazơ tham gia phản ứng) mà sau phản ứng tạo thành axit hoặc bazơ thì viết quá trình oxi hóa – quá trình khử như trong môi trường axit hoặc bazơ

Bước 4: Tìm hệ số thích hợp:

- Tìm bội chung nhỏ nhất (BCNN) của số electron nhường – nhận

- Lấy BCNN chia cho số e nhường hoặc nhận → hệ số thích hợp

II MỘT SỐ BÀI TOÁN VÍ DỤ

DẠNG 1: CÂN BẰNG PHẢN ỨNG OXI HÓA - KHỬ THEO PHƯƠNG

PHÁP ION - ELECTRON

1 3 Cu + 8 H+ + 2 NO3- → 3 Cu2+ + 2 NO + 4 H2O

3 Cu0  Cu 2  2e

+5 +2

2 NO3  3e 4H  NO 2H2O

2 2 Fe + 12 H+ + 3 SO42 - → 2 Fe3+ + 3 SO2 + 6 H2O

2 Fe0 Fe 3 3e



 

+6 +4

3 SO2 H SO2 e H2O

4  4    2  2

3 2 MnO4- + 3 SO32 - + H2O → 2 MnO2 + 3 SO42 - + 2 OH

+7 +4







+4 +6

3 SO OH SO2 e H2O

4

2

3  2     2 

4 8 Al + 3 NO3- + 5 OH- + 2 H2O → 8 AlO2- + 3 NH3

+3

8 Al0 OH AlO2 e H2O

2 3

+5 -3

3  







 e H O NH OH

5 4 Mg + 10H+ + NO3 - → 4 Mg2+ + NH4+ + 3 H2O

4 Mg0 Mg 2 2e



+5 -3

1 NO3  8e 10H  NH4 3H2O

Lưu ý: - Trường hợp phản ứng xảy ra trong môi trường bazơ mà sản phảm tạo

thành có NH3 thì trong quá trình khử tạo NH3 cần viết và cân bằng điện tích trước sau đó mới cân bằng cho nguyên tử nguyên tố Oxi

- Trường hợp có muối amoni (NH4+ ) tạo thành thì phái cân bằng cho số nguyên tử Oxi trước bằng cách thêm H2O vào vế thiếu Oxi sau đó mới cân bằng đến ion H+ theo định luật bảo toàn điện tích

DẠNG 2: KIM LOẠI, HỖN HỢP KIM LOẠI TÁC DỤNG VỚI DUNG DỊCH

AXIT HNO3, H2SO4 đặc

Bài 1: Hòa tan hoàn toàn 4,431g hỗn hợp X gồm Mg và Al trong dung dịch

HNO3 loãng thu được dung dịch A và 1,568 lít hỗn hợp khí B gồm NO và N2O cân nặng 2,59g Số mol HNO3 đã phản ứng là

Giải:

Đặt n NO= a mol, n N O

2 = b mol

a + b = 0,07 a = 0,035 mol

30a + 44b =2,59 → b = 0,035 mol

Cách 1: Sử dụng phương pháp ion-electron

Quá trình nhận electron: NO3  3e 4H  NO 2H2O (1)

2NO3  8e 10H  N2O 5H2O (2)

Theo (1), (2) ta có: n 3 n   4n NO  10n N2O 0 , 49

H HNO

p

Cách 2: Sử dụng định luật bảo toàn electron

Gọi x, y lần lượt là số mol của Mg và Al trong hỗn hợp X

Ta có: 24x + 27y = 4,431 (*)

Quá trình nhường – nhận electron

0 +2

Mg → Mg +2e

0 +3 → ∑ne nhường = 2x +3y (mol)

Al → Al + 3e

+5 +2

N + 3e → N (NO)

+5 +1 → ∑ne nhận = 3 8 0 , 385

 N O

2N + 2.4 e → 2N (N2O)

Theo định luật bảo toàn e ta có: 2x +3y = 0,385 (**)

Từ (*), (**) suy ra: x = 0,161 mol; y = 0,021 mol

3 2

n

(tạo muối) = n NO  2n N2O  2n Mg2  3n Al3

= 0,49 mol Nhận xét: Thông qua việc giải bài toán trên theo 2 cách chúng ta nhận thấy rằng nếu giải theo phương pháp bảo toàn electron mà học sinh thường hay áp dụng thì mất khoảng 3 phút trong khi đó nếu giải theo phương pháp ion-electron thì chỉ mất khoảng hơn 1 phút Do đó với bài toán trên chúng ta nên sử dụng phương pháp ion-electron thì đỡ mất thời gian mà kết quả lại chính xác

Vậy những dạng toán nào có thể áp dụng phương pháp ion-electron để giải

và yêu cầu của phương pháp này là gi? Xin thưa rằng đối với những bài toán oxi hóa khử xảy ra trong dung dịch thì đều có thể vận dụng phương pháp này để giải

và yêu cầu của phương pháp này là cần nắm được cách cân bằng phản ứng oxi hóa khử theo phương pháp ion-electron như phần bổ túc kiến thức đã nêu

Bài 2: Cho a gam bột Al tác dụng vừa đủ với V lít dung dịch HNO3 0,5M thu được dung dịch A và 1,792 lít hỗn hợp khí B gồm N2 và NO Biết d B/H2 = 14,25 Tính a và V

Giải:

Đặt n NO a (mol) , n N2 b(mol) → a + b = 0,08 (1)

NO (30), a 0,5

28,5 → 10,,5531

b

a

(2)

N2 ( 28), b 1,5

Từ (1) và (2) suy ra : a = 0,02 mol, b = 0,06 mol

Quá trình nhường – nhận e:

O H N H e

2      

0,12 0,6 0,06

O H NO H

e

0,02 0,06 0,02

Ta có: n HNO3pư = n H pư = 12n N2  4n NO  0 , 8 (mol) → V 1 , 6 ( )

5 , 0

8 , 0

→ n HNO3tạo muối = n HNO3pư - n HNO3tạo khí = 0,8 – 0,14 = 0,66 mol

3

66 , 0 3

1

3

n

n Al  Al  NO   → a = 5,94g

Bài 3: Cho 3,2g bột Cu tác dụng với 100ml dung dịch hỗn hợp HNO3 0,8M và

H2SO4 0,2M thu được khí V lít khí NO là sản phẩm khử duy nhất (ở đktc) Giá trị của V là

A 0,672 lít B 0,448 lít C 0,224 lít D 0,336 lít

Giải:

4 2

n

n H  HNO  H SO  , n NO3  0,08(mol), nCu = 0,05 (mol)

Ptpư: 3 Cu + 8 H+ + 2 NO3- → 3 Cu2+ + 2 NO + 4 H2O (1)

Giả sử H+ phản ứng hết

Ta có: nCu (pư) = 0 , 12 0 , 045

8

3 8

3







H

4

12 , 0 4

1

Vậy Cu và NO3- phản ứng dư, H+ phản ứng hết

Theo (1) ta có: 0 03 ( ) 0 , 03 22 , 4 0 , 672 ( )

4

1

lít V

mol n

Bài 4: Hòa tan hoàn toàn 24,2 gam hỗn hợp A gồm 3 kim loại bằng dung dịch HNO3 loãng dư thu được 6,72 lít NO duy nhất (đktc) và dung dịch B chỉ chứa muối nitrat của kim loại Khối lượng muối nitrat thu được khi cô cạn cẩn thận dung dịch B là

Giải:

Ta có: n NO  0 , 3 (mol)

Quá trình khử: NO3  3e 4H  NO 2H2O (1)

Theo (1) ta có: n HNO3 n H  4n NO  0 , 12 (mol)

Nhận thấy HNO3 phản ứng dùng vào 2 việc: tạo khí và tạo muối



3

NO

n (tạo muối) = n HNO n NO 1 , 2 0 , 03 0 , 9 (mol) m NO 55 , 8g

3

Theo định luật bảo toàn khối lượng ta có:

mmuối = m kimloại + 

3

NO

m = 24,2 + 55,8 = 80g

Bài 5: Cho m (g) bột Fe vào 800 ml dung dịch hỗn hợp gồm Cu(NO3)2 0,2M và

H2SO4 0,25M Sau khi các phản ứng hoàn toàn thu được 0,6m (g) hỗn hợp bột kim loại và V lít khí NO duy nhất (đktc) Giá trị của m và V lần lượt là

A 17,8g và 4,48 lít B 10,8g và 4,48 lít

C 17,8g và 2,24 lít D 10,8g và 2,24 lít

Giải:

Ta có: 0,16( ), 0,32( ), 0,4( ); 2 0,2( )

3

Quá trình nhận e: NO3  3e 4H  NO 2H2O (1)

4

1

n < 0,32 → NO3- dư, H|+ phản ứng hết

4

1

lít V

mol n

Vì sau phản ứng hoàn toàn thu được hỗn hợp bột kim loại chứng tỏ Fe dư, Cu2+

phản ứng hết

Ptpư: Fe H NO Fe3 NO H2O

0,1 0,4 0,1 0,1

Fe + Cu2+ → Fe2+ + Cu (2)

0,16 0,16 0,16

Fe + 2 Fe3+ → 3 Fe2+ (3)

0,05 0,1

Sau phản ứng hoàn toàn có: nFe dư = 0 , 31

56 ) 05 , 0 16 , 0 1 , 0 (

m m

(mol)

nCu = 0,16 (mol)

Phương trình theo khối lượng chất rắn

0 , 31 ) 64 0 , 16 0 , 6 17 , 8 ( )

56 (

DẠNG 3: HỖN HỢP OXIT KIM LOẠI, MUỐI CACBONAT KIM LOẠI TÁC

DỤNG VỚI DUNG DỊCH AXIT HNO3, H2SO4 đặc

Bài 6: Hòa tan hoàn toàn m (g) hỗn hợp Fe3O4 và FeCO3 bằng dung dịch HNO3

dư đun nóng thu được 3,36 lít hỗn hợp khí A (đktc) gồm CO2, NO2 và dung dịch

B Biết d A/H2 = 22,6 Tính m và số mol HNO3 đã phản ứng

Giải:

Đặt: n NO2 a(mol);n CO2 b(mol) → a+ b = 0,15 (1)

NO2 (46),a 01,2

45,2 → 10,,28 23

b

a

(2)

CO2 (44), b 0,8

Từ (1) và (2) suy ra : a = 0,09 mol, b = 0,06 mol

Theo định luật bảo toàn nguyên tố: n FeCO3 n CO2 b 0 , 06 (mol)

Gọi n Fe3O4 x(mol).Quá trình nhường-nhận e:

+8/3 +3

O H e Fe

H

O

4

3  8   3   1  4 (*)

x 3x x

+2 +3

FeCO3 + 2H+ → Fe3+ + 1.e + CO2 + H2O (**)

0,06 0,06 0,06 0,06

O H NO e H

NO3  2   1  2  2 (***)

0,09 0,09

Theo định luật bảo toàn e: ∑ne nhường = ∑ne nhận → x + 0,06 = 0,09 → x = 0,03(mol)

→ 3 0 , 03 232 0 , 06 116 13 , 92 ( )

4

m

Theo (*),(**) và (***) ta có:

) ( 54 , 0 09 , 0 2 06 , 0 2 03 , 0 8 2

2

n HNO  H  Fe O  FeCO  NO    

(hoặc: 3 3 ( 3 0 , 03 0 , 06 ) 0 , 09 0 , 54 ( )

2

Bài 7: Khuấy kĩ dung dịch chứa 13,6g AgNO3 và m (g) bột Cu rồi thêm vào đó

V lít dung dịch H2SO4 1M loãng, đun nóng tới phản ứng hoàn toàn thu được 9,28(g) hỗn hợp bột kim loại dung dịch A và khí NO Lượng NaOH cần thiết để tác dụng hết với các chất trong A là 13g Xác định các chất trong A và tính m Giải:

Ta có: 0 , 08 ( ) 0 , 08 ( )

3

Ptpư: Cu + 2AgNO3 → Cu(NO3)2 + 2Ag (1)

Giả sử (1) hoàn toàn thì khối lượng Ag giải phóng tối đa là

) ( 64 , 8 )

( 08 ,

n

n Ag  Ag   Ag  < 9,28 (g) nên Cu phải dư

→ hỗn hợp bột kim loại gồm: Cu = 9,28 – 8,64 = 0,64 (g) và Ag = 8,64(g)

Do Cu có tính khử mạnh hơn Ag nên khi thêm H2SO4 loãng vào vì Cu đang dư nên Ag chưa phản ứng

Ptpư: 3Cu + 8H+ + NO3- → 3Cu2+ + 2NO + 4 H2O (2)

TH1: Sau (2), NO3- dư, H+ hết → A gồm Cu2+, NO3- , SO4

Ta có: n OH = 0,325 mol

Cu2+ + 2OH- → Cu(OH)2 (3)

Theo (1), (2), (3): n OH = 0,08 < 0,325 (loại)

TH2: Sau (2), NO3- hết, H+ dư → A gồm Cu2+, H+ , SO4

H+ + OH- → H2O (4)

Cu2+ + 2OH- → Cu(OH)2 (5)

2

3 2

1

3

n Cu   Ag  NO 

→ n OH (5) = 0,32 mol → n OH (4) = 0,005 mol

→ m  m Cu(pư) + m Cu(dư) = 0,16.64 + 0,64 =10,88(g)

Bài 8: Hòa tan hoàn toàn 20,88 (g) một oxit sắt bằng H2SO4 đặc nóng thu được dung dịch X và 3,248 lít SO2 là sản phẩm khử duy nhất ở đktc Cô cạn dung dịch

X được m (g) muối sunfat khan Giá trị của m là

Giải:

Ta có: 0 , 145 ( )

Cách 1:

Quá trình nhường – nhận electron

e

x

y x x xFe O



a (3x-2y).a

S 6  2 e S 4

0,29 0,145

y

x y

x y

1 16

56

88 , 20 2

3

29 , 0













a x y

16 56

88 , 20





Quá trình nhường – nhận electron

SO2 e H SO2 H2O

4  2  4    2 +2 +3

FeO  2H  Fe3   1 eH2O

) ( 16 , 1 72

88 , 20 2 58 , 0

2 4

n

) ( 58 , 0 2

1

2

4

Nhận thấy H2SO4 sử dụng vào 2 việc: - tạo muối và tạo khí SO2

Theo định luật bảo toàn nguyên tố: n SO2  pư = n SO2  tạo muối + n SO2

→ n SO2  tạo muối = n SO2  pư - n SO2

→ n SO2  tạo muối = 0,58 - 0,145 = 0,435 (mol) → 0 , 435 58 ( )

3

1

Cách 2:

16 56

88 , 20 )

y x mol

a

n Fe x O y







Ta có: e

x

y x x xFe O



a (3x-2y).a

S 6  2 e S 4

0,29 0,145

y

x y

x y

1 16

56

88 , 20 2

3

29 , 0













a x y

16 56

88 , 20





2

1

3 2 3

Phân tích: Qua hai cách giải bài toán đều cho đáp số đúng tuy nhiên khi giải theo cách 2 thì kết qua đưa ra nhanh hơn cách 1 chứng tỏ trong bài toán này khi

sử dụng phương pháp bảo toàn nguyên tố sẽ nhanh hơn Vậy có một câu hỏi đặt

ra ở đây là khi nào thì nên sử dụng phương pháp cân bằng ion-electron để giải và khi nào thì không nên?

Tiểu kết

Qua việc trình bày cách cân bằng và một số ví dụ minh họa cho phương pháp giải bài tập thì chúng ta đều nhận thấy rằng đối với những bài toán khi cho Kim loại tác dụng với axit hoặc với hỗn hợp các chất trong dung dịch thì viêc áp dung phương pháp cân bằng ion-electron tỏ ra hiệu quả hơn khi giải theo phương pháp khác.Đây là điểm nổi bật của phương pháp này so với các phương pháp

III MỘT SỐ BÀI TẬP ÁP DỤNG

Câu 1: Hỗn hợp X gồm Fe, Fe2O3, Fe3O4, FeO với số mol mỗi chất là 0,1 mol, hoà tan hết vào dung dịch Y gồm HCl và H2SO4 loãng dư được dung dịch Z Nhỏ từ từ dung dịch Cu(NO3)2 1M vào dung dịch Z tới khi ngừng thoát khí NO Thể tích dung dịch Cu(NO3)2 cần dùng và thể tích khí thoát ra (đktc) là:

A 25 ml; 1,12 lít B 500ml; 22,4 lít C 50ml; 2,24 lít D 50ml; 1,12 lít

Câu 2: Hoà tan 0,1 mol Cu kim loại trong 120ml dung dịch X gồm HNO3 1M và

H2SO4 0,5M Sau khi phản ứng kết thúc thu được V lít khí NO duy nhất (đktc)

A 1,344 lít B 1,49 lít. C 0,672 lít D 1,12 lít

Câu 3: Dung dịch A chứa 0,01 mol Fe(NO3)3 và 0,15 mol HCl có khả năng hoà tan tối đa bao nhiêu gam Cu kim loại? (Biết NO là sản phẩm khử duy nhất)

A 2,88 g B 3,92 g C 3,2 g D 5,12 g

Câu 4: Hoà tan hỗn hợp chứa 0,8 mol Al và 0,6 mol Mg vào dd HNO3 1M vừa

đủ, đến phản ứng hoàn toàn thu được dung dịch A và 6,72 lít hỗn hợp khí N2 và

N2O (ở đktc) Cô cạn cẩn thận A thu được 267,2 gam muối khan Thể tích HNO3

cần dùng là: