skkn vận dụng phương pháp bảo toàn khối lượng trong giải toán hóa học

Tên đề tài: ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP BẢO TOÀN KHỐI LƯỢNG TRONG GIẢI BÀI TOÁN HÓA HỌC A- LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI: Hóa học là một môn khoa học cơ bản, cung cấp cho học sinh một hệ thống kiến thức ph

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐỒNG NAI

Đơn vị: Trường THPT Đoàn Kết

Tổ bộ môn: Hóa học

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM VẬN DỤNG PHƯƠNG PHÁP BẢO TOÀN KHỐI LƯỢNG

TRONG GIẢI TOÁN HÓA HỌC

Người thực hiện: Nguyễn Thị Ngọc Quyên Lĩnh vực nghiên cứu:

Có đính kèm:

Năm học: 2012 – 2013

SƠ LƯỢC LÝ LỊCH KHOA HỌC

I- THÔNG TIN CÁ NHÂN:

1 Họ và tên: Nguyễn Thị Ngọc Quyên

2 Ngày tháng năm sinh: 17-06-1985

3 Nam, nữ: Nữ

4 Địa chỉ: Ấp Phương Lâm 1, Phú Lâm, Tân Phú, Đồng Nai

5 Điện thoại: 0974514286

6 Đơn vị công tác: Trường THPT Đoàn Kết

II- TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO:

Trình độ chuyên môn: cử nhân sư phạm

Năm nhận bằng: 2007

Chuyên ngành đào tạo: Cử nhân Hóa học

III- KINH NGHIỆM KHOA HỌC:

Lĩnh vực chuyên môn có kinh nghiệm: giáo viên dạy Hóa

Số năm kinh nghiệm: 5 năm

Tên đề tài:

ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP BẢO TOÀN KHỐI LƯỢNG

TRONG GIẢI BÀI TOÁN HÓA HỌC

A- LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI:

Hóa học là một môn khoa học cơ bản, cung cấp cho học sinh một hệ thống kiến thức phổ thông có tính thiết thực và liên hệ thực tiễn cao Trong bộ môn Hóa thì bài tập hóa học có một vai trò rất quan trọng, nó vừa là biện pháp củng cố kiên thức cũ, vừa vận dụng kiến thức đã biết giải thích các hiện tượng, các quá trình hóa học, giúp tính toán các đại lượng: khối lượng, thể tích, số mol… Việc giải bài tập sẽ giúp cho học sinh được củng cố các kiến thức lý thuyết đã được học, đồng thời vận dụng linh hoạt kiến thức vào bài làm

Để giải được bài tập đòi hỏi học sinh không chỉ nắm vững các tính chất hóa học của các đơn chất và hợp chất, nắm vững các công thức tính toán mà còn phải biết cách tính theo phương trình hóa học và công thức hóa học sao cho ngắn gọn và hiệu quả nhất Đối với những bài tập đơn giản thì học sinh chỉ đi theo những mô hình đơn giản như: viết phương trình hóa học, dựa vào các đại lượng bài để tính số mol của một chất, sau đó theo các phương trình hóa học tính số mol của các chất còn lại, từ đó tính được các đại lượng theo yêu cầu của bài Nhưng đối với một số dạng bài tập phức tạp, nếu học sinh tính toán theo cách giải thông thường thì mất rất nhiều thời gian làm bài, hơn nữa phần trình bày dài dòng có thể dẫn đến khó hiểu, từ đó gây cảm giác chán nản, thiếu thiện chí đối với bộ môn

Với xu hướng kiểm tra kiến thức dưới hình thức trắc nghiệm như những năm gần đây đã gây không ít khó khăn cho học sinh, nhất là áp lực về “thời gian” Bởi chỉ trong một thời gian ngắn học sinh phải giải khá nhiều bài tập theo nhiều dạng khác nhau, phải

sử dụng nhiều kiến thức cũng như các kĩ năng giải toán, đặc biệt là những bài toán xảy

ra qua nhiều giai đoạn, thiếu dữ kiện, biện luận… Chính vì vậy việc vận dụng những phương pháp giải nhanh là một vấn đề hết sức quan trọng, cần được ưu tiên quan tâm

Có khá nhiều phương pháp tính nhanh được vận dụng trong bài toán hóa học, rất đa dạng Trong giới hạn của đề tài này tôi xin trình bày phương pháp bảo toàn khối lượng – một trong những phương pháp được áp dụng khá rộng rãi trong nhiều dạng bài tập khác nhau Do thời gian có hạn nên tôi chỉ giới thiệu vận dụng phương pháp này trong chương halogen và oxi – lưu huỳnh ở lớp 10

B- THỰC TRẠNG TRƯỚC KHI THỰC HIỆN CÁC GIẢI PHÁP CỦA ĐỀ TÀI:

I/ Thuận lợi:

- Cơ sở vật chất của nhà trường khá đầy đủ, rất thuận lợi cho các tiết dạy công nghệ thông tin, đặc biệt là các giờ học ôn- luyện tập sẽ tiết kiệm được nhiều thời gian cho học sinh

- Nguồn sách tham khảo ở thư viện trường khá phong phú, đáp ứng được phần nào nhu cầu tìm hiểu và rèn luyện thêm kĩ năng giải bài tập của học sinh

- Học sinh tỏ ra rất thích thú với cách giải đơn giản, ngắn gọn, không nặng tính toán

và viết nhiều phương trình phức tạp

II/ Khó khăn:

- Với giáo viên:

+ Quỹ thời gian để hướng dẫn cho học sinh không nhiều, chỉ có thể giới thiệu đan xen trong giờ ôn – luyện tập thông qua một số ví dụ minh họa nào đó nên chưa lột tả hết được bản chất cũng như sự linh hoạt trong mỗi cách áp dụng ở mỗi bài toán + Trình độ học sinh trong một lớp học chưa thực sự đồng đều nhau, dẫn đến khó khăn trong việc truyền tải kiến thức

- Với học sinh:

+ Khả năng tổng hợp, bao quát các quá trình xảy ra trong bài toán, đặc biệt là bài toán qua nhiều giai đoạn oxi hóa khử phức tạp, hay bài toán chứa nhiều ẩn số phụ… còn chưa cao

+ Khả năng tự học, tự rèn luyện của nhiều học sinh còn hạn chế, đặc biệt là những học sinh chưa có sự yêu thích đối với môn học

+ Đặc thù của bộ môn là phải nhớ nhiều kiến thức, tính chất vật lý, hóa học của các chất – đó là điều kiện cần, kết hợp với những kĩ năng giải toán được rèn luyện lâu dài thì học sinh mới có thể giải tốt các bài tập trắc nghiệm vốn đã rất đa dạng, phong phú

C- TỔNG QUAN:

I/ Mục đích nghiên cứu:

- Việc vận dụng phương pháp bảo toàn khối lượng giúp học sinh giải nhanh một số bài tập, đặc biệt là bài tập có xảy ra nhiều phương trình phản ứng, nhiều giai đoạn, nhiều

ẩn số, thiếu dữ kiện hay đòi hỏi biện luận…

- Rèn luyện cho học sinh khả năng phân tích, nhận định, khái quát hóa Phát triển tư duy, sự sáng tạo, đồng thời tạo hứng thú học tập hơn khi những bài toán phức tạp được đơn giản hóa

II/ Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

1 Đối tượng nghiên cứu:

- Học sinh khối lớp 10, cụ thể ở lớp 10B1,10B2 ( năm học 2010-2011)

2 Phạm vi nghiên cứu:

- Chương halogen, oxi – lưu huỳnh ( SGK lớp 10- ban cơ bản)

III/ Phương pháp nghiên cứu:

- Tham khảo các nguồn tài liệu

- Kinh nghiệm giảng dạy cá nhân và học hỏi ở đồng nghiệp

- Kiểm tra, khảo sát, thống kê

D- NỘI DUNG ĐỀ TÀI:

I/ CƠ SỞ LÝ LUẬN:

Như chúng ta đã biết bài tập hóa học rất phong phú và đa dạng Tuy nhiên, do việc phân loại các bài tập hóa học chỉ có tính tương đối, vì vậy trong mỗi bài tập loại này thường chứa đựng một số yếu tố của bài tập loại kia, đó chính là lý do vì sao một bài toán hóa có thể được giải theo nhiều cách khác nhau Để giải được bài toán không chỉ đơn thuần là giải ra đáp số mà việc biết khéo léo kết hợp phương pháp, tiết kiệm thời gian mà vẫn cho kết quả chính xác mới là điều quan trọng

Về nguyên tắc, muốn giải nhanh và chính xác một bài toán hóa học thì nhất thiết học sinh phải hiểu sâu sắc nội dung và đặc điểm của bài toán đó, nắm vững các mối quan hệ giữa các lượng chất cũng như tính chất của các chất, viết đúng các phương trình phản ứng xảy ra Thực tế có rất nhiều bài toán rất phức tạp, dữ kiện đề cho ở dạng tổng quát, hoặc không rõ, hoặc thiếu nhiều dữ kiện… tưởng chừng như không bao giờ giải được Muốn giải nhanh chóng và chính xác những bài toán này thì phải lựa chọn một phương pháp phù hợp ( phương pháp giải thông minh)

II/ NỘI DUNG:

1/ Cơ sở lý thuyết:

1.1- Nội dung định luật và các hệ quả kèm theo:

 Định luật bảo toàn khối lượng: “ Tổng khối lượng của các chất tham gia phản

ứng bằng tổng khối lượng của các chất tạo thành sau phản ứng.”

Chú ý: không tính khối lượng của các chất không tham gia vào phản ứng cũng như

những chất có sẵn (ví dụ như H2O là chất có sẵn trong dung dịch)

 Hệ quả 1:

Trong một phản ứng hóa học thì : ∑ mT = ∑ mS

Trong đó: mT: khối lượng của các chất trước phản ứng

mS : khối lượng của các chất sau phản ứng

Cho dù phản ứng xảy ra vừa đủ hay có chất dư, phản ứng xảy ra với H% =100%

hay H% < 100%

 Hệ quả 2: Khi cation kết hợp với các anion để tạo ra các hợp chất như : oxit,

hydroxit, muối thì ta luôn có:

mhợp chất = mCation + manion

 Hệ quả 3:

Khi cation kim loại thay đổi anion tạo ra hợp chất mới thì sự chênh lệch khối lượng giữa hai hợp chất bằng sự chênh lệch khối lượng giữa các anion

 Hệ quả 4:

Tổng khối lượng của các nguyên tố trước phản ứng bằng tổng khối lượng của các nguyên tố sau phản ứng ( bảo toàn nguyên tố)

 Hệ quả 5: Trong phản ứng khử oxit kim loại bằng CO, H2, Al Nếu biết :

Số mol CO /H2 /Al tham gia phản ứng  lượng Oxi có trong oxit (hay hỗn hợp oxit)

Số mol CO2/ H2O/ Al2O3 tạo thành  lượng kim loại hay hỗn hợp kim loại

- Ta luôn có: nOxi trong Oxit = nCO = nCO2 ( = nH2 = nH2O)

Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng tính khối lượng của hỗn hợp oxit hoặc khối lượng kim loại thu được sau phản ứng

1.2- Phạm vi áp dụng:

Thường dùng cho những bài toán phức tạp,xảy ra nhiều giai đoạn,hoặc không xác định được thành phần của sản phẩm tạo thành Hoặc cần tính nhanh khối lượng của các chất trong phương trình

Khi đó ta chỉ cần lập sơ đồ phản ứng để thấy rõ mối quan hệ về tỉ lệ mol của các chất mà không cần viết phương trình phản ứng

2/ Các ví dụ minh họa:

* Phương pháp bảo toàn khối lượng giúp giải quyết một số bài toán thiếu dữ kiện, biện luận, bài toán xảy ra nhiều phương trình, nhiều giai đoạn phản ứng

VD 1 : Cho 2,81 g hỗn hợp Fe2O3, ZnO, MgO tác dụng vừa đủ với 500 ml dung dịch H2SO4

0,1M Khối lượng muối sunfat tạo ra trong dung dịch là bao nhiêu?

* Nhận xét :

Nếu học sinh viết ba phương trình phân tử, sau đó đặt ẩn, lập hệ phương trình theo cách giải thông thường thì sẽ bị thiếu dữ kiện để lập hệ, dẫn đến bế tắc khi giải toán.

Fe 2 O 3 + 3H 2 SO 4  Fe 2 (SO 4 ) 3 + 3H 2 O

ZnO + H 2 SO 4  ZnSO 4 + H 2 O

MgO + H 2 SO 4  MgSO 4 + H 2 O

 Cách 1:

- HS nhận dạng: các phương trình

phản ứng trên đều có sản phẩm là

H2O và muối sunfat kim loại

 Điểm giống nhau của phản ứng

trên là sự kết hợp giữa H+ của axit

và O2- của oxit kim loại (giáo viên

minh họa theo hình vẽ )

 viết phương trình và dựa vào hệ

quả 2 để tính kết quả

 Cách 2:

HS vận dụng phương pháp bảo

toàn khối lượng theo hệ quả 1:

∑ mT = ∑ mS

 Cách 1: H2SO4  2H+ + SO42-  H2

nH2SO4 =0,05 = n SO42- -> nH+= 0,1 mol

2H+ + O2-  H2O 0,1 0,05 mol Vậy: mmuối = moxit – mO (trong oxit) + m gốc axit

= 2,81 –0,05.16 +0,05.96 = 6,81 g

 Cách 2: 2H+ + O2-  H2O 0,1 0,05 mol

mmuối = moxit + mH2SO4 - mH2O = 2,81 + 0,05 98 – 0,05 18 = 6,81 g

VD 2 : Cho m (gam) hỗn hợp ba kim loại Fe, Al, Cu vào một bình kín chứa 0,9 mol oxi Nung

nóng bình một thời gian cho đến khi số mol oxi trong bình chỉ còn 0,865 mol và chất rắn trong bình có khối lượng 2,12g Giá trị của m là:

* Nhận xét:

- Nếu viết 3 phương trình

phản ứng và biện luận theo bài

toán dư thiếu thì sẽ mất nhiều

thời gian

- HS vẽ sơ đồ các quá trình và

vận dụng bảo toàn khối lượng

( có thể vận dụng theo hai

cách)

 Cách 1: Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng

(hệ quả 1) ta có:

∑ m bình trước = ∑ m bình sau

 m + 0,9 32 = 0,865 32 + 2,12

 m = 1 (g)  đáp án A

 Cách 2:

Số mol oxi kết hợp với kim loại để tạo thành oxit:

nO2 = 0,9 – 0,865 = 0,035 mol

Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng (hệ quả 2):

m + 0,035 32 = 2,12  m = 1 (g)  đáp án A

VD 3 : Hoà tan 14,8g hỗn hợp Al, Fe, Zn bằng dung dịch HCl vừa đủ thu được dung dịch A.

Lượng khí H2 tạo thành dẫn vào ống sứ đựng CuO dư nung nóng Sau phản ứng khối lượng trong ống sứ giảm 5,6g Cô cạn dung dịch A thu được m(g) muối Giá trị của m là :

* Tóm tắt:

* Nhận xét:

Bài toán có số lượng phương trình phản ứng và số ẩn nhiều:

2Al + 6HCl  2AlCl 3 + 3H 2 Fe + 2HCl  FeCl 2 + H 2

x 2x 3/2.x y y y

Zn + 2HCl  ZnCl 2 + H 2 H 2 + CuO t oC

  Cu + H 2 O

z z z ( 3/2.x+y+z)

 cần hạn chế viết phương trình để rút ngắn thời gian giải

0,9 mol O 2

  

m (g) Fe,

Al, Cu

0,865 mol

O 2

















2,12 g chất rắn

Bình trước phản Bình sau phản ứng

toC

Al Fe Zn

+ CuO

t0C Khối lượng ống sứ giảm 5,6g

H2

- Khối lượng ống sứ giảm chính

là khối lượng của nguyên tố oxi

- Vận dụng hệ quả 2 và 4 để giải

- Áp dụng định luật bảo toàn nguyên tố ta có:

nH2 = nH2O = nO (trong oxit) = 5,6/ 16 = 0,35 mol

 nCl- = 2nH2 = 2 0,35 = 0,7 mol Mà: mmuối = mkim loại + m

Cl- mmuối = 14,8 + 0,7 35,5 = 39,65 g

 đáp án D

VD 4 : Để tác dụng hoàn toàn với 4,64 g hỗn hợp FeO, Fe2O3, Fe3O4 cần dùng vừa đủ 160 ml dung dịch HCl 1M Nếu khử hoàn toàn 4,64 g hỗn hợp trên bằng CO ở nhiệt độ cao thì khối lượng Fe thu được là:

* Nhận xét: nếu giải theo cách thông thường thì bài toán có nhiều phương trình phản ứng, nhiều ẩn, thiếu dữ kiện số:

FeO + 2HCl  FeCl 2 + H 2 O (1)

x 2x

FeO + CO t oC

  Fe + CO 2 (2)

x x

Fe 2 O 3 + 6HCl  2FeCl 3 + 3H 2 O (3)

y 6y

Fe 2 O 3 + 3CO t oC

  2Fe + 3CO 2 (4)

y 2y

Fe 3 O 4 + 8HCl  FeCl 2 + 2FeCl 3 + 4H 2 O (5)

z 8z

Fe 3 O 4 + 4CO t oC

  3Fe + 4CO 2 (6)

z 3z

Ta chỉ lập được hai phương trình chứa ba ẩn số:

2x + 6y + 8z = 0,16 ( = n HCl ) và 72 x + 160y + 232z = 4,64 ( = m hỗn hợp)

- Ở phương trình (1,2,3) bản chất

của phản ứng là sự kết hợp giữa H+

của axit và O2- của oxit kim loại

 viết phương trình dạng tổng quát

(*)

- Vận dụng định luật bảo toàn khối

lượng theo hệ quả 4, nhận thấy khối

lượng sắt sinh ra ở thí nghiệm 2

chính là lượng sắt có trong oxit ban

đầu

Ta có: nHCl =0,16 mol = nH+

Ptrình: 2H+ + O2-  H2O (*)

0,16 0,08 (mol)

 mO2- (oxit) = 0,08 16 = 1,28 gam

- Áp dụng ĐLBTKL (hệ quả 2):

mFe = moxit - mO = 4,64 – 1,28 = 3,36 gam

 đáp án A

VD 5 : Hòa tan hỗn hợp gồm Fe và FexOy cần vừa đủ 0,1 mol H2SO4 đặc, nóng thu được 0,56 lít khí SO2 (sản phẩm khử duy nhất, đo ở đktc) và dung dịch X chỉ chứa muối Fe(III) Cô cạn dung dịch X thu được khối lượng muối khan là

* Tóm tắt:

* Nhận xét : Nếu giải theo cách thông thường, viết 2 phương trình phản ứng:

2Fe + 6H 2 SO 4 đặc, nóng  Fe 2 (SO 4 ) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O

a 3a a/2 3/2.a (mol)

2 Fe x O y + (6x-2y) H 2 SO 4  x Fe 2 (SO 4 ) 3 +(3x-2y) SO 2 + (6x-2y) H 2 O

b (3x-y)b bx/2 (3 - 2 )

2

b

Cần tìm ra 4 ẩn a,b,x,y với 2 dữ kiện số của đề bài  khó thực hiện

- Khai thác dữ kiện: hai dữ kiện số đề

bài cho và đại lượng cần tính ( khối

lượng muối) đều có sự xuất hiện của

nguyên tố S

 áp dụng định luật bảo toàn khối

lượng theo hệ quả 4 (bảo toàn

nguyên tố S)

Ta có: nSO2 = 0,025 mol

- Áp dụng bảo toàn khối lượng nguyên tố S :



2-4

SO /Muoi

 n Fe (SO ) 2 4 3 = 0,075 : 3 = 0,025 mol  m Fe (SO ) 2 4 3 = 400 0,025 = 10 (gam) Vậy: đáp án D

VD 6 : Hòa tan hoàn toàn 15,35g hỗn hợp X gồm Zn, Al, và M ( M trước H) vào 100g

dung dịch HCl ( lấy dư 10% so với lượng cần phản ứng) Cô cạn dung dịch sau phản ứng thu được 52,625g muối khan Nồng độ phần trăm của axit trong dung dịch thu được là :

* Nhận xét:

Bài toán có số ẩn nhiều hơn số dữ kiện đề cho ( số mol ba kim loại, hóa trị và nguyên

tử khối của M) => nếu viết phương trình phản ứng và lập hệ sẽ phải biện luận phức tạp

- HS nhận xét mối liên quan giữa

các đại lượng số của đề bài, vận

dụng hệ quả 1, 2 và hệ quả 4 để

giải nhanh bài toán

- Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng (hệ quả 2)

ta có : mmuối = mkim loại + m

Cl- mCl- = 52,625 – 15,35 = 37,275g  nCl- = 1,05 mol = nHCl p/ứng (bảo toàn nguyên tố Cl)

GV: Nguyễn Thị Ngọc Quyên Trang 9

100g dd

15,35g

hh X

H2

Cô cạn Fe

FexOy

+ H2SO4 đặc dd X : Fe2(SO4)3

0,56 lit SO2 (đkc)

m (g) muối khan

 mdd spu = mX + mdd HCl – mH2

 nHCl dư = 1,05 10% = 0,105 mol Vậy :

HCl du

0,105 36,5

15,35 + 100 - 1,05

 đáp án B

3 Một số bài tập vận dụng :

Câu 1: Cho 16,3 g hỗn hợp hai kim loại Na và X tác dụng hết với HCl loãng, dư thu được

34,05g hỗn hợp muối khan A Thể tích H2 thu được là bao nhiêu lít?

Câu 2: 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) và 2,54 gam chất rắn Y và dung dịch Z Lọc bỏ chất rắn Y, cô cạn cẩn thận dung dịch Z thu được lượng muối khan là

Câu 3: Hòa tan hoàn toàn 2,81 gam hỗn hợp gồm Fe2O3, MgO, ZnO trong 500 ml axit

H2SO4 0,1M (vừa đủ) Sau phản ứng, hỗn hợp muối sunfat khan thu được khi cô cạn dung dịch có khối lượng là

Câu 4: Hòa tan hoàn toàn 1,45 gam hỗn hợp 3 kim loại Zn, Mg, Fe vào dung dịch HCl dư

thấy thoát ra 0,896 lít H2 (đktc) Làm khan dung dịch ta thu được m gam muối khan thì giá trị của m là:

Câu 5: Hòa tan hòan toàn m gam oxit FexOy cần 150 ml dung dịch HCl 3M, nếu khử toàn bộ

m gam oxit trên bằng CO nóng, dư thu được 8,4 gam sắt Xác định CTPT của oxit sắt

C Fe2O3 D Tất cả đều đúng

Câu 6: Hai bình có thể tích bằng nhau, nạp oxi vào bình thứ nhất, nạp oxi đã được ozon hoá

vào bình thứ hai, thấy khối lượng hai bình khác nhau 0,42 gam ( nhiệt độ và áp suất ở hai bình như nhau) Khối lượng oxi đã được ozon hoá là:

Câu 7: Cho 2,13 gam hỗn hợp X gồm ba kim loại Mg, Cu và Al ở dạng bột tác dụng hoàn

toàn với oxi thu được hỗn hợp Y gồm các oxit có khối lượng 3,33 gam Thể tích dung dịch HCl 2M vừa đủ để phản ứng hết với Y là

Câu 8: Hoà tan hoàn toàn 23,8 gam hỗn hợp một muối cacbonat của các kim loại hoá trị (I)

và muối cacbonat của kim loại hoá trị (II) trong dung dịch HCl Sau phản ứng thu được 4,48 lít khí (đktc) Đem cô cạn dung dịch thu được bao nhiêu gam muối khan?