Sáng kiến kinh nghiệm Vận dụng các định luật bảo toàn để giải bài toán về hỗn hợp sắt và oxit sắt

Trong quá trình tìm tòi, nghiên cứu nhiều dạng bài toán hoá học khác nhau về các loại chất khác nhau vô cơ cũng như hữu cơ, tôi nhận thấy rằng bài tập hỗn hợp gồm sắt và oxit sắt là một

PHẦN THỨ NHẤT: MỞ ĐẦU

1 Lí do chọn đề tài

Trong các môn học ở trường phổ thông, môn Hóa học giữ một vai trò khá quan trọng Hóa học là một môn khoa học tự nhiên, nó nghiên cứu về chất và sự biến đổi chất này thành chất khác

Với 7 năm giảng dạy bộ môn Hoá học trong trường phổ thông, tôi đã được tham gia giảng dạy các khối lớp 10, 11, 12, được tham gia ôn luyện đội tuyển thi học sinh giỏi và luyện thi Đại học, Cao đẳng Trong quá trình tìm tòi, nghiên cứu nhiều dạng bài toán hoá học khác nhau về các loại chất khác nhau vô cơ cũng như hữu cơ, tôi nhận thấy rằng bài tập hỗn hợp gồm sắt và oxit sắt là một trong những dạng bài tập mà học sinh hay gặp trong các kỳ thi mà đặc biệt là kì thi Đại học, Cao đẳng, do sắt là một kim loại phổ biến có thể tạo ra nhiều hợp chất ứng với nhiều mức oxi hoá khác nhau Thông thường những bài tập về sắt và các oxit thường khá phức tạp và xảy ra theo nhiều phương trình phản ứng khác nhau Vậy phương pháp nào để giải quyết bài toán khoa học nhất, hiệu quả nhất và nhanh nhất Đó là lý do

để tôi viết đề tài “ Vận dụng các định luật bảo toàn để giải bài toán về hỗn hợp sắt

và oxit sắt” nhằm giúp học sinh giải quyết tốt các bài toán về hỗn hợp sắt và oxit sắt

một cách nhanh chóng đồng thời chia sẻ kinh nghiệm về phương pháp giải bài tập với các đồng nghiệp

2 Mục đích nghiên cứu

Vận dụng các định luật bảo toàn khối lượng, định luật bảo toàn nguyên tố, định luật bảo toàn electron để tìm ra phương pháp giải tối ưu nhất, nhanh nhất (không cần phải viết phương trình hóa học) dạng bài toán về sắt và oxit sắt thường gặp trong các đề thi tuyển sinh đại học, cao đẳng

Đề xuất những ý tưởng để giải nhanh bài toán về sắt và oxit sắt góp phần nâng cao chất lượng giảng dạy bộ môn ở trường phổ thông và là hành trang vững chắc để các em chuẩn bị bước vào kì thi tuyển sinh đại học, cao đẳng

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng là học sinh các lớp 12A1, 12A2 Trường THPT số 1 Bảo Yên – huyện Bảo Yên – tỉnh Lào Cai

Với khuôn khổ thời gian nghiên cứu có hạn nên trong đề tài này tôi chỉ nghiên cứu phương pháp vận dụng các định luật bảo toàn để giải bài bài toán về hỗn hợp sắt và oxit sắt bằng cách quy đổi về hỗn hợp gồm sắt và oxi

4 Nhiệm vụ nghiên cứu

Đưa ra các định luật bảo toàn cần vận dụng, phân tích áp dụng vào các dạng toán và đề ra phương pháp giải

Thử nghiệm trên các lớp: 12A1; 12A2 trường THPT số 1 Bảo Yên

Giáo viên đưa ra các phiếu học tập bằng các dạng bài tập về sắt và oxit sắt

5 Phương pháp nghiên cứu

5.1 Phương pháp nghiên cứu lí thuyết

Đọc các tài liệu làm cơ sở xây dựng lí thuyết của chuyên đề: tài liệu lí luận dạy học (Chủ yếu là phương pháp giải bài tập Hóa học THPT); sách giáo khoa, sách bài tập hóa học 12; phương pháp giải bài tập hóa vô cơ; 16 phương pháp và kĩ thuật giải nhanh bài tập trắc nghiệm môn Hóa học; một số đề thi học sinh giỏi, đề thi đại học, cao đẳng

5.2 Phương pháp sư phạm

a Phương pháp chuyên gia

Vận dụng phương pháp bài tập để hướng dẫn học sinh giải quyết bài toán Xin ý kiến nhận xét, đánh giá của các giáo viên có kinh nghiệm, giáo viên giỏi về nội dung sáng kiến

b Tìm hiểu chất lượng học sinh ở những lớp mình điều tra

c Chọn lớp thử nghiệm và đối chứng kết quả

6 Thời gian nghiên cứu

Từ tháng 8 năm 2011 đến tháng 4 năm 2012

PHẨN THỨ HAI: NỘI DUNG Chương I: TỔNG QUAN

1 Các định luật cần vận dụng

1.1 Định luật bảo toàn khối lượng

Nội dung định luật: Khối lượng các chất tham gia phản ứng bằng khối lượng

các chất được tạo thành sau phản ứng

Trong đó chúng ta cần vận dụng các hệ quả

Hệ quả 1: Gọi mT là tổng khối lượng các chất trước phản ứng, mS là khối lượng các chất sau phản ứng Dù phản ứng xảy ra với hiệu suất bất kỳ ta đều có: mT

= mS

Hệ quả 2: Khi cation kim loại kết hợp với anion phi kim để tạo ra các hợp

chất ta luôn có: Khối lượng chất = khối lượng của cation+khối lượng anion Khối lượng của cation hoặc anion ta coi như bằng khối lượng của nguyên tử cấu tạo thành

1.2 Định luật bảo toàn nguyên tố

Nội dung định luật: Tổng khối lượng một nguyên tố trước phản ứng bằng

tổng khối lượng của nguyên tố đó sau phản ứng Nội dung định luật có thể hiểu là tổng số mol của một nguyên tố được bảo toàn trong phản ứng

1.3 Định luật bảo toàn electron

Nội dung định luật: Trong phản ứng oxi hóa khử: Số mol electron mà chất

khử cho đi bằng số mol electron mà chất oxi hóa nhận về

Khi vận dụng định luật bảo toàn electron vào dạng toán này cần lưu ý:

Trong phản ứng hoặc một hệ phản ứng chỉ cần quan tâm đến trạng thái đầu và trạng thái cuối mà không cần quan tâm đến trạng thái trung gian

Nếu có nhiều chất oxi hóa và chất khử thì số mol electron trao đổi là tổng số mol của tất cả chất nhường hoặc nhận electron

2 Tổng quan về bài tập hỗn hợp sắt và oxit

Bài tập Fe và hỗn hợp oxit sắt thường có dạng cho khối lượng và cho phản ứng với một chất oxi hóa như H2SO4 đặc nóng hoặc HNO3 hoặc thậm chí là axit thường như HCl

Giải quyết vấn đề: Với giả thiết là cho m gam hỗn hợp gồm Fe và các oxit FeO,

Fe3O4, Fe2O3 tác dụng với HNO3 thu được khí NO2 Ta xem như đây là quá trình oxi hoá liên tiếp Fe bằng 2 chất oxi hoá là O và HNO3

Chất nhường electron: Fe , tạo sản phẩm là Fe3+

Chất nhận electron: O và HNO3 , tạo sản phẩm là oxit và V lít NO2 (đktc)

Theo định luật bảo toàn khối lượng: 56x + 16y = m (1) Theo định luật bảo toàn electron

3

3

Fe Fe   e

2 4 5

2

2 1







 

Tổng electron nhường: 3x mol Tổng electron nhận: 2y +

Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: 3x = 2y + (2)

Từ (1) và (2) ta có hệ 56 16

3 2

22, 4

x y m

V

x y





  



Việc giải hệ này khi một khi biết được 2 trong số 4 yếu tố sẽ giải quyết được yêu cầu của bài toán Hoặc ta cũng có thể sử dụng phương trình 1 ẩn số để lập theo nguyên tắc trên là: Số mol e ( Fe cho) = Số mol e ( O nhận) + Số mol e ( NO3

nhận)

3 nFe= 2 nO + nNO2

Chương II THỰC TRẠNG CỦA ĐỀ TÀI

1 Thuận lợi

Năm học 2011 – 2012 với sự đạo của ngành giáo dục nhằm thực hiện tốt chủ

đề của năm học: “Tiếp tục đổi mới và nâng cao chất lượng giáo dục” Tiếp tục thực hiện các cuộc vận động: “Học tập và làm theo tấm gương đạo đức Hồ Chí Minh”; cuộc vận động “Mỗi thầy cô giáo là tấm gương đạo đức, tự học và sáng tạo”; Phong trào thi đua “Xây dựng trường học thân thiện, học sinh tích cực” đã tạo tiền đề và

khí thế mạnh mẽ ngay từ đầu năm học

2y

y

22, 4

V

22, 4

V

22, 4

V

22, 4

V

y

Đội ngũ cán bộ giáo viên nhà trường và tổ bộ môn đảm bảo về số lượng và chất lượng, đáp ứng yêu cầu của cấp học Giáo viên trong nhà trường luôn có trách nhiệm cao, say mê với nghề nghiệp và hết lòng yêu thương học sinh Ngay từ đầu năm học, ban giám hiệu và tổ bộ môn đã có triển khai các kế hoạch, chỉ thị năm học; kiểm tra khảo sát theo bộ môn để phân loại đối tượng học sinh, từ đó có biện pháp phụ đạo học sinh yếu kém, bồi dưỡng học sinh khá giỏi

Học sinh trung học phổ thông sau khi được học chương “phản ứng oxi hoá khử ” ở lớp 10, và phần “ axit HNO3” ở lớp 11, đã bắt đầu làm quen với nhiều dạng bài toán phức tạp, trong đó có bài toán về hỗn hợp sắt và các oxit sắt phản ứng với các chất có tính oxi hoá mạnh (như HNO3, H2SO4 đặc nóng ) hoặc cả với những axit mạnh thông thường (như HCl, H2SO4 loãng )

Có nhiều học sinh khá, giỏi đã có kĩ năng giải bài tập này theo phương pháp thông thường (đặt ẩn, lập hệ phương trình)

2 Khó khăn

Đối tượng học sinh của trường THPT số 1 Bảo Yên phần đông là học sinh ở vùng nông thôn, vùng sâu, vùng xa thuộc huyện Bảo Yên – tỉnh Lào Cai nên không

có nhiều điều kiện cả về kinh tế và thời gian cho việc học tập

Rất nhiều học sinh lớp 12 vẫn chưa hiểu được bản chất của các phản ứng của hỗn hợp sắt và oxit sắt với các chất có tính oxi hóa mạnh như axit nit quá trình oxi nitrric (hoặc axit sunfuric đặc, nóng) là quá trình oxi hoá liên tiếp Fe bằng 2 chất oxi hoá là O và HNO3 (hoặc axit sunfuric đặc, nóng)

Chưa biết cách áp dụng các định luật bảo toàn vào giải toán, đặc biệt là bảo toàn electron trong phản ứng oxi hoá khử

Mỗi dạng bài tập có nhiều phương pháp làm, nhưng có 1 phương pháp hiệu quả nhất để giải quyết mà học sinh chưa tìm ra được

Thói quen của học sinh về giải toán hoá bao giờ cũng là viết phương trình hoá học, đặt ẩn, lập hệ phương trình Phương pháp này chỉ phù hợp với những bài toán đơn giản, khi số ẩn và số phương trình đại số lập được bằng nhau Mặt khác, với một câu hỏi trắc nghiệm khách quan trong đề thi Đại học với thời gian trung bình 1,8 phút/1 câu hỏi thì việc giải nhanh bài toán này là vấn đề khá nan giải

Chương III: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

1 Phương pháp giải một số dạng bài tập điển hình

1.1 Dạng đốt cháy Sắt trong không khí rồi cho sản phẩm phản ứng với chất

oxi hóa: Đây là dạng bài toán kinh điển về bài tập sắt và hỗn hợp sắt và oxit sắt

Ví dụ 1: Nung nóng 12,6 gam Fe ngoài không khí sau một thời gian thu được m

gam hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe2O3 và Fe3O4 Hỗn hợp này phản ứng hết với dung

dịch HNO3 loãng (dư), thu được 2,8 lít khí NO (sản phẩm khử duy nhất, ở đktc)

Tính giá trị của m?

Phân tích đề: Sơ đồ phản ứng

[O] [HNO 3 ]

Fe hh X Fe3+

Fe bị oxi hoá thành Fe3+

bằng 2 chất oxi hoá là O và HNO3

Như vậy: + Khối lượng oxit sẽ là tổng của khối lượng sắt và oxi

+ Trong cả quá trình: chất nhường e là Fe, chất nhận là O và HNO3

Giải quyết vấn đề: Ta có nNO = 0,125 mol, nFe = 0,225 mol

Gọi số mol oxi trong oxit là x ta có:

Fe 3 e + Fe3+ O + 2e O

2-0,225 0,675 x 2x

NO3- + 3e NO 0,375 0,125

Tổng e (electron) nhường: 0,675 mol Tổng e (electron) nhận: 2x + 0,375 (mol)

Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: 0,675 = 2x + 0,375   x = 0,15

Mặt khác ta có: mm Fem O2  nên: m = 12,6 + 0,15x16 = 15 (gam)

Ví dụ 2: Nung nóng m gam bột sắt ngoài không khí, sau phản ứng thu được 20 gam

hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe2O3 và Fe3O4 Hòa tan hết X trong dung dịch HNO3

loãng thu được 5,6 lít hỗn hợp khí Y gồm NO và NO2 có tỉ khối so với H2 là 19

Tính m và thể tích HNO3 1M đã dùng?

2

3 4 ( )

2 3

3 3

,

à Fe du

HNO

O kk

NO FeO Fe O

Fe O v

Fe NO







+ Hỗn hợp X gồm Fe và O trong oxit

+ Xét cả quá trình ta thấy chỉ có Fe nhường e, Chất nhận e là Oxi và HNO3

+ HNO3 nhận e để cho NO và NO2

+ Số mol HNO3 ban đầu bằng số mol HNO3 trong muối và chuyển về các khí

Giải quyết vấn đề: Theo đề ra ta có: n NO n NO2 0,125mol

Gọi số mol Fe và O tương ứng trong X là x và y ta có: 56x + 16y = 20 (1)

Quá trình nhường và nhận e:

3

3

Fe Fe   e

2

4 5

2 2 5

2 1 3











 

 

 

Tổng electron nhường: 3x mol Tổng electron nhận: 2y + 0,125+ 0,125x3 mol

Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: 3x = 2y + 0,5 (2)

Từ (1) và (2) ta có hệ 56 16 20

3 2 0, 5



  



Giải hệ trên ta có x = 0,3 và y = 0,2 Như vậy nFe = 0,3 mol vậy m = 16,8 gam Theo định luật bảo toàn nguyên tố ta có:

ôi í

3

nên n HNO3  0,3 3 0,125 0,125 1,15x    mol

Vậy 3 1,15 1,15( ít)

1

HNO

Ta cũng có thể dùng phương trình ion – electron để tìm số mol H+

chính là số mol HNO3 phản ứng:

NO3- + e + 2H+ NO2 + H2O NO3- + 3e + 4H+ NO + 2H2O nH+ = 2nNO2 + 4nNO

2y

y

0,125 0,125 3x

y

0,125 0,125

1.2 Dạng hỗn hợp sắt và các oxit phản ứng với chất oxi hóa mạnh

Ví dụ 3: Cho 11,36 gam hỗn hợp gồm Fe, FeO, Fe2O3 và Fe3O4 phản ứng hết với dung dịch HNO3 loãng (dư), thu được 1,344 lít khí NO (sản phẩm khử duy nhất, ở đktc) và dung dịch X Cô cạn dung dịch X thu được m gam muối khan Tính m ?

Phân tích đề: Ta coi như trong hỗn hợp X ban đầu gồm Fe và O Như vậy xét cả

quá trình chất nhường e là Fe chất nhận e là O và NO3 Nếu chúng ta biết được số tổng số mol Fe trong X thì sẽ biết được số mol muối Fe(NO3)3 trong dung dịch sau phản ứng Do đó chúng ta sẽ giải bài toán này như sau:

Giải quyết vấn đề: Số mol NO = 0,06 mol

Gọi số mol Fe và O tương ứng trong X là x và y ta có: 56x + 16y = 11,36 (1)

Quá trình nhường và nhận e:

3

3

Fe Fe   e

2

2 5

2 3







 

Tổng electron nhường: 3x (mol) Tổng electron nhận: 2y + (mol)

Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: 3x = 2y + (2)

Từ (1) và (2) ta có hệ 56 16 11, 36

3 2 0,18



  



Giải hệ trên ta có x = 0,16 và y = 0,15

Như vậy

3 3

Fe Fe NO

n n  mol vậy m = 38,72 gam

Với bài toán này ta cũng có thể quy về bài toán kinh điển: Đốt m gam sắt sau phản ứng sinh ra 11,36 gam hỗn hợp gồm Fe, FeO, Fe2O3 và Fe3O4 Hỗn hợp này phản ứng hết với dung dịch HNO3 loãng (dư), thu được 1,344 lít khí NO (sản phẩm khử duy nhất, ở đktc) Chúng ta sẽ tính m rồi từ suy ra số mol Fe và từ đó tính số mol của sắt

Phát triển bài toán:

Trường hợp 1: Cho nhiều sản phẩm khử như NO2, NO ta có vẫn đặt hệ bình thường

tuy nhiên chất nhận e bây giờ là HNO3 thì cho 2 sản phẩm

2y

y

0, 06 0,18

0,18 0,18

y

Trường hợp 2: Nếu đề ra yêu cầu tính thể tích hoặc khối lượng của HNO3 thì ta tính

số mol dựa vào bảo toàn nguyên tố N khi đó ta sẽ có:

nHNO3  nNO muôi3  nNO Khí3  3 nFe  nNO( nNO2)

Hoặc theo phương trình ion- electron như sau:

NO3- + 3e + 4H+ NO + 2H2O

Từ đó có: số mol HNO3 phản ứng = số mol H+

= 4 x số mol NO

Trường hợp 3: Có thể áp dụng cách giải trên cho hỗn hợp oxit các kim loại khác

ngoài sắt

Ví dụ 4: Cho a g hỗn hợp gồm CuO; Fe 2 O 3 ; FeO có số mol bằng nhau nung nóng với H 2 thu được 6,4 g hỗn hợp D gồm 2 kim loại và 4 oxit Hoà tan hoàn toàn D trong dd HNO 3 loãng dư thu được 0,672 lit khí NO (đktc) là sản phẩm khử duy nhất Tính a?

Giải quyết vấn đề: Gọi số mol mỗi oxit CuO, Fe2O3, FeO trong a gam hỗn hợp đầu

là x, ta có: Cu = x mol, Fe = 3x mol

Chất khử: Chất oxi hoá:

Cu  2e + Cu2+ O + 2e  O2-

x 2x y 2y

Fe  3e + Fe3+ NO3- + 3e  NO

3x 9x 0,09 0,03

Lập được hệ phương trình:

11x = 2y + 0,09

64x + 56 3x + 16y = 6,4

Giải ra được: x = 0,2225 Vậy a = 6,942

1.3 Dạng khử không hoàn toàn Fe 2 O 3 sau cho sản phẩm phản ứng với chất oxi hóa mạnh là HNO 3 hoặc H 2 SO 4 đặc nóng:

Ví dụ 5: Cho một luồng khí CO đi qua ống sứ đựng m gam Fe2O3 nung nóng Sau một thời gian thu được 10,44 gam chất rắn X gồm Fe, FeO, Fe2O3 và Fe3O4 Hòa tan hết X trong dung dịch HNO3 đặc, nóng thu được 4,368 lít NO2 (sản phẩm khử duy nhất ở đktc) Tính m ?

Phân tích đề: Sơ đồ phản ứng

,

o

HNO dn CO

t

Fe O



Trong trường hợp này xét quá trình đầu và cuối ta thấy chất nhường e là CO, chất nhận e là HNO3 Nhưng nếu biết tổng số mol Fe trong oxit ta sẽ biết được số mol Fe2O3 Bởi vậy ta dùng chính dữ kiện bài toán hòa tan X trong HNO3 đề tính tổng số mol Fe

Giải quyết vấn đề: Theo đề ra ta có: n NO2 0,195mol

Gọi số mol Fe và O tương ứng trong X là x và y ta có: 56x + 16y = 10,44 (1)

Quá trình nhường và nhận e:

3

3

Fe Fe   e

2

4 5

2

2 1







 

 

Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: 3x = 2y + 0,195 (2)

Từ (1) và (2) ta cú hệ 56 16 10, 44

3 2 0,195



  



Giải hệ trên ta có x = 0,15 và y = 0,1275

Như vậy nFe = 0,15 mol nên n Fe O2 3  0, 075mol   m = 12 gam

Nhận xét:

Với bài toán trên, ta cũng có thể giải theo cách tính số mol O bị CO lấy theo

phương trình: 2

2

2

CO O  e CO và 5 4

2

1



   Sau đó dựa vào định luật bảo toàn khối lượng ta có: m = 10,44 + mO

Phát triển bài toán:

Nếu là dạng khử không hoàn toàn một oxit sắt khác (như Fe3O4 hoặc FeO) thì không thể áp dụng phương pháp trên được, mà dùng phương pháp quy về bài toán kinh điển: oxi hoá 1 lượng đơn chất Fe ban đầu bằng 2 chất oxi hoá là O và HNO3 hoặc H2SO4 đặc nóng để giải bài toán này

2y

y

y

0,195 0,195