Một trong những phương pháp có thể giải rất nhanh các bài tập hỗn hợp nhiều chất là “ phương pháp quy đổi”.. Xuất phát từ lí do trên, tôi nhận thấy việc trình bày “Sử dụng hiệu quả phươn
Trang 1A ĐẶT VẤN ĐỀ
I Lời mở đầu
Trong những ngày đầu khai sinh đất nước, Đảng và Nhà nước ta đã xác định vận mệnh của dân tộc phụ thuộc nhiều vào sự nghiệp giáo dục Sinh thời Bác Hồ nói “một dân tộc dốt có nghĩa là một dân tộc yếu” Người đã nhấn mạnh:
“Vì lợi ích mười năm phải trồng cây
Vì lợi ích trăm năm phải trồng người.”
Ở thời đại ngày nay, khi nhân loại đã bước sang một thế kỉ mới cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ thì tiềm năng trí tuệ trở thành động lực thúc đẩy sự phát triển của một đất nước Vì thế ta khẳng định “Giáo dục là chìa khóa mở đường cho tương lai và sự phồn vinh của đất nước”, quyết định sự thành bại của một quốc gia trên trường quốc tế, quyết định sự thành bại của mỗi cá nhân trong trường đời rộng lớn
Những vấn đề trọng tâm trên đã tạo một ý tưởng xây dựng một xã hội trong thế kỉ 21
là một xã hội học tập, một nền văn minh dựa vào quyền lực tri thức Phương pháp học tập ngày nay đã thay đổi, giáo dục phải giúp học sinh phát hiện và phát triển tài năng sáng tạo, khả năng thích ứng của bản thân Xuất phát từ những yêu cầu cao của thực tiễn xã hội như trên, việc đổi mới nội dung và phương pháp dạy học ở các bậc học nói chung và bậc học THPT nói riêng là một vấn đề cần thiết và không thể chậm trễ
Hòa mình vào xu thế chung, môn hóa học đã đổi mới phương pháp dạy học và phương thức kiểm tra đánh giá học sinh (hình thức thi trắc nghiệm) Với hình thức này đòi hỏi thí sinh trong khoảng thời gian ngắn phải giải quyết được số lượng câu hỏi và bài tập khá lớn
Do đó việc tìm ra phương pháp giải nhanh bài tập hóa học và giúp học sinh vận dụng có hiệu quả và thành thạo những phương pháp đó có ý nghĩa rất quan trọng Một trong những
phương pháp có thể giải rất nhanh các bài tập hỗn hợp nhiều chất là “ phương pháp quy
đổi” Tuy nhiên trong chương trình sách giáo khoa không đề cập đến phương pháp này.
Xuất phát từ lí do trên, tôi nhận thấy việc trình bày “Sử dụng hiệu quả phương pháp
quy đổi trong giải nhanh các bài tập hóa học” sẽ giúp học sinh biết vận dụng thành thạo có
hiệu quả trong giải nhanh các bài tập trắc nghiệm là cần thiết và thiết thực
Trang 2TRƯỜNG THPT THẠCH THÀNH IV Sáng kiến kinh nghiệm năm 2011
II Thực trạng của vấn đề nghiên cứu
1 Thực trạng
Bài tập hỗn hợp các chất khác nhau là những bài toán hay gặp trong hóa học phổ thông Tuy nhiên cách giải truyền thống là lập hệ phương trình, nếu phức tạp thì đưa thêm số liệu hoặc ghép ẩn Với những cách giải truyền thống này không thể đáp ứng được yêu cầu hiện nay của hình thức thi trắc nghiệm khách quan vì học sinh phải giải bài tập trong khoảng thời gian ngắn Đặc biệt là học sinh miền núi (học sinh trường THPT Thạch Thành 4) việc giải phương trình, hệ phương trình gặp nhiều khó khăn đặc biệt là phải ghép ẩn số
Trong sách giáo khoa không đề cập đến, rất ít sách tham khảo đề cập đến “Phương
pháp quy đổi” nhưng còn một số hạn chế: Trình bày sơ sài, số lượng bài tập ít và đặc biệt là
chưa giúp học sinh vận dụng kết hợp được với các phương pháp giải nhanh khác như phương pháp đường chéo, phương pháp trung bình
2 Kết quả.
“Phương pháp quy đổi” tập hợp phương pháp tư duy sáng tạo dựa vào những giả
định hóa học và tính toán phi thực tế giúp tính rất nhanh các giá trị lượng chất của một hỗn
hợp phức tạp Trong sáng kiến tôi đưa ra “Sử dụng hiệu quả phương pháp quy đổi trong
giải nhanh các bài tập hóa” với nguyên tắc quy đổi, các hướng quy đổi,một số sai lầm
trong quy đổi và sự kết hợp giữa phương pháp quy đổi với phương pháp trung bình, đường chéo để học sinh khai thác tối đa thế mạnh của các phương pháp giải nhanh và sử dụng có
hiệu quả phương pháp quy đổi từ đó giúp học sinh có thể giải rất nhanh bài tập trắc nghiệm đáp ứng được yêu cầu hiện nay của môn hóa học
B GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ PHẦN I: CÁC GIẢI PHÁP THỰC HIỆN
Để giải quyết thực trạng trên tôi mạnh dạn đưa ra “ Sử dụng hiệu quả phương pháp
quy đổi trong giải nhanh bài tập hóa học” vào giảng dạy môn hóa học bằng cách đưa ra
phương pháp quy đổi: Với nguyên tắc quy đổi, các hướng quy đổi; cách thức kết hợp khéo léo giữa phương pháp quy đổi, trung bình và đường chéo.
Trang 3I Phương pháp quy đổi:
1 Nguyên tắc:
Quy đổi là một phương pháp biến đổi toán học nhằm đưa bài toán đầu là một hỗn hợp phức tạp về dạng đơn giản, qua đó làm cho phép tính trở nên dễ dàng thuận tiện
Tuy nhiên, dù tiến hành quy đổi theo hướng nào cũng phải tuân thủ theo hai nguyên tắc sau:
+ Bảo toàn nguyên tố, tức tổng số mol mỗi nguyên tố ở hỗn hợp đầu và hỗn hợp mới phải như nhau
+Bảo toàn số oxi hóa, tức tổng số oxi hóa của các nguyên tố trong hai hỗn hợp là như nhau
Lưu ý:
- Có thể quy đổi hỗn hợp đầu về bất kì cặp chất nào, thậm chí quy đổi về một chất Tuy nhiên ta nên chọn cặp chất nào đơn giản có ít phản ứng oxi hóa khử nhất để đơn giản việc tính toán
- Trong quá trình tính toán theo phương pháp quy đổi đôi khi ta gặp số âm đó là do sự bù trừ
khối lượng của các chất trong hỗn hợp Trong trường hợp này ta vẫn tính toán bình thường
- Trong quá trình tính toán nên kết hợp sử dụng phương pháp bảo toàn khối lượng bảo toàn nguyên tố và bảo toàn electron, kết hợp với việc sơ đồ hóa bài toán để tránh viết phương trình qua đó rút ngắn thời gian làm bài
2 Các hướng quy đổi:
2.1 Quy đổi hỗn hợp nhiều chất về hỗn hợp hai hoặc chỉ một chất.
Phương pháp: Ta chuyển hỗn hợp các chất ban đầu thành hỗn hợp với số chất ít hơn( cũng
của các nguyên tố đó), thường là hỗn hợp hai chất có trong hỗn hợp hoặc thậm trí là một chất Sau đó dùng bảo toàn khối lượng và bảo toàn electron để giải bài toán
Ví dụ 1: Nung m gam bột sắt trong oxi, thu được 3 gam hỗn hợp chất rắn X Hòa tan hết hỗn
hợp X trong dung dịch HNO3 dư, thoát ra 0,56 lít khí NO (ở đktc) là sản phẩm khử duy nhất Giá trị của m là
( Đề tuyển sinh ĐH môn hóa học, khối B- năm 2007)
Trang 4TRƯỜNG THPT THẠCH THÀNH IV Sáng kiến kinh nghiệm năm 2011
Hướng dẫn giải
Sơ đồ hóa bài toán
Fe → + O2 X
3 2
4 3
O Fe
O Fe FeO
Fe
→
ddHNO3
m gam 3 gam
Trong trường hợp này ta có thể quy đổi hỗn hợp X ban đầu về các hỗn hợp khác đơn giản hơn gồm hai chất( Fe và Fe2O3; FeO và Fe2O3; Fe2O3 và Fe3O4; Fe và FeO; Fe và Fe3O4; FeO và Fe3O4) hoặc thậm chí là chỉ một chất duy nhất FexOy Tuy nhiên ở đây chỉ trình bày 2 phương án tối ưu nhất
Cách quy đổi 1: Quy đổi hỗn hợp X thành
) ( :
) ( : 3 2
mol x Fe
mol y O Fe
Áp dụng bảo toàn khối lượng: 56x + 160y = 3,0 (1)
Các quá trình nhường nhận electron:
Fe→ Fe+3 + 3e N+5 + 3e → N+2
x 3x 0,075 0,025
Áp dụng bảo toàn electron: 3x = 0,075 ⇒x = 0,025 (2)
Từ (1) và (2) ⇒
=
=
01 , 0
025 , 0
y
x
vậy X gồm
) ( 01 , 0 :
) ( 025 , 0 : 3
Fe
mol Fe
Áp dụng bảo toàn nguyên tố đối với Fe
∑n Fe = n Fe + 2n Fe2O3= 0,045 mol ⇒m = 56.0,045= 2,52 gam.⇒ Đáp án A.
Cách quy đổi 2: Quy đổi hỗn hợp X thành
) ( :
) ( :
mol x Fe
mol y FeO
Áp dụng bảo toàn khối lượng: 56x + 72y = 3,0 (1)
Các quá trình cho nhận electron
Fe → Fe+3 + 3e Fe+2 → Fe+3 +1e N+5 + 3e → N+2
x 3x y y 0,075 0,025
Áp dụng bảo toàn electron: 3x + y = 0,075 (2)
Khí NO, 0,56 lít(đktc)
Dung dịch Fe 3+
Trang 5Từ (2) và(1) ⇒
=
=
03 , 0
015 , 0
y
x
vậy X gồm
) ( 03 , 0 :
) ( 015 , 0 :
mol FeO
mol Fe
Áp dụng bảo toàn nguyên tố đối với Fe
∑n Fe = n Fe +n FeO= 0,045 mol ⇒m = 56.0,045= 2,52 gam.⇒ Đáp án A.
Ví dụ 2: Cho 11, 36 gam hỗn hợp 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 Giá trị của m là
( Đề tuyển sinh ĐH môn hóa học, khối A- năm 2008)
Hướng dẫn giải
Cách quy đổi 1: Quy đổi hỗn hợp X thành
) ( :
) ( : 3 2
mol x Fe
mol y O Fe
Áp dụng bảo toàn khối lượng: 56x + 160y = 11,36 (1)
Các quá trình nhường nhận electron:
Fe→ Fe+3 + 3e N+5 + 3e → N+2
x 3x 0,18 0,06
Áp dụng bảo toàn electron: 3x = 0,18 ⇒x = 0,06 (2)
Từ (1) và (2) ⇒
=
=
05 , 0
06 , 0
y
x
vậy X gồm
) ( 05 , 0 :
) ( 06 , 0 : 3
Fe
mol Fe
Áp dụng bảo toàn nguyên tố đối với Fe
3
)
( NO
Fe
m = (n Fe + 2n Fe2O3) M Fe ( NO3)3= (0,06 + 0,05.2).242 = 38,72 gam⇒ Đáp án D.
Cách quy đổi 2: Quy đổi hỗn hợp X thành
) ( :
) ( : 3 2
mol x FeO
mol y O Fe
Theo bảo toàn khối lượng: 72x + 160y = 11,36 (1)
Các quá trình nhường nhận electron:
Fe+2 → Fe+3 + 1e N+5 + 3e → N+2
x x 0,18 0,06
Theo bảo toàn electron: x = 0,18 (2)
Trang 6TRƯỜNG THPT THẠCH THÀNH IV Sáng kiến kinh nghiệm năm 2011
Từ (1) và (2) ⇒
−
=
=
01 , 0
18 , 0
y
x
vậy X gồm
− 0 , 01 ( ) :
) ( 18 , 0 : 3
Fe
mol FeO
Theo bảo toàn nguyên tố đối với Fe:
3
)
( NO
Fe
m = (n FeO + 2n Fe2O3) M Fe ( NO)3= (0,18 + (- 0,01).2).242 = 38,72 gam⇒ Đáp án D.
Lưu ý: Trong quá trình tính toán theo phương pháp quy đổi đôi khi ta gặp số âm đó là do
sự bù trừ khối lượng của các chất trong hỗn hợp Trong trường hợp này ta vẫn tính toán bình thường.
Ví dụ 3: Hòa tan hoàn toàn 11,2 gam hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe2O3, Fe3O4 trong HCl dư Sau phản ứng thấy tạo thành 12,7 gam FeCl2 và m gam FeCl3 Giá trị của m là
A 8,125 B 10,341 C 11,375 D 9,75
Hướng dẫn giải
Cách quy đổi 1: Quy đổi hỗn hợp X thành
) ( :
) ( : 4 3
mol x FeO
mol y O Fe
Theo bảo toàn khối lượng: 72x + 232y = 11,2 (1)
Ta có sơ đồ: FeO → FeCl2 Fe3O4 → FeCl2 + 2 FeCl3
x x y y 2y
Theo bài ra: (y + x).127 = 12,7 ⇒ x + y = 0,1 (2)
Từ (1) và (2) ⇒
=
=
025 , 0
075 , 0
y
x
Vậy khối lượng FeCl3 là: m = 2.0,025.162,5 = 8,125 gam Đáp án A
Cách quy đổi 2: Quy đổi hỗn hợp X thành
) ( :
) ( : 3 2
4 3
mol y O Fe
mol x O Fe
Áp dụng bảo toàn khối lượng: 232x + 160y = 11,2 (1)
Ta có sơ đồ: Fe3O4 → FeCl2 + 2 FeCl3 Fe2O3 →2 FeCl3
x x 2x y 2y
Theo bài ra x.127 = 12,7 ⇒ x = 0,1 (2)
Từ (1) và (2) ⇒
−
=
=
075 , 0
1 , 0
y
x
Vậy khối lượng FeCl3: m = (2.x + 2y).162,5 = ( 2.0,1+ 2.(-0,075)).162,5 = 8,125 gam
Trang 7Cách quy đổi 3: Quy đổi hỗn hợp X thành
) ( :
) ( : 3
Fe
mol x Fe
Thông thường với cách quy đổi thứ 3 học sinh thường mắc sai lầm và giải như sau:
Áp dụng bảo toàn khối lượng: 56x + 160y = 11,2 (1)
Ta có sơ đồ: Fe → FeCl2 Fe2O3 → 2 FeCl3
x x y 2y
Theo bài ra x.127 = 12,7 ⇒ x= 0,1 (2)
Từ (1) và (2) ⇒ y = 0,035 mol ⇒ m = 2.0,035.162,5= 11,375 Đáp án C
Nguyên nhân dẫn đến kết quả khác với 2 lần quy đổi trên là học sinh không chú ý đến ý
nghĩa của dãy điện hóa Thứ tự của dãy điện hóa:
Fe
Fe2+
…
2
2
H
H+
… 23++
Fe
Fe Vậy phản ứng 2Fe3+ + Fe→ 3 Fe2+ (*) xảy ra trước sau khi hết Fe3+ mới có phản ứng
Fe + 2H+ → Fe2+ + H2(**)
Mà trong bài toán trên có Fe3+ nên chưa có phản ứng (**) dẫn đến kết quả bài toán sai
Vậy với cách quy đổi 3 phải giải như sau:
Quy đổi hỗn hợp X thành
) ( :
) ( : 3
Fe
mol x Fe
Xảy ra phản ứng: Fe2O3 → 2 FeCl3 2 FeCl3 + Fe → 3 FeCl2
y 2y 2y x 3x
Áp dụng bảo toàn khối lượng 56.x + 160.y = 11,2 (1)
Theo bài ra 3x = 0,1(2)
Từ (1) và (2) ⇒
=
=
120 / 7
3 / 1 , 0
y
x
Khối lượng FeCl3 là m = (2y-2x).162,5 = 8,125g Đáp án A
Từ sai lầm trên ta rút ra nhận xét
+ Khi cho hỗn hợp Fe, FeO, Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 thì khi có khí H 2 thoát ra, muối thu được chỉ có
Fe 2+
+ Thứ tự phản ứng của các hợp chất chứa các oxit sắt và sắt khi phản ứng với dung dịch HCl hoặc H 2 SO 4 loãng: oxit sắt + axit sau đó tới sắt (III) + sắt cuối cùng là sắt + axit.
Trang 8TRƯỜNG THPT THẠCH THÀNH IV Sáng kiến kinh nghiệm năm 2011
2.2 Quy đổi hỗn hợp nhiều chất về các nguyên tử tương ứng
Phương pháp: Quy đổi hỗn hợp đầu về hỗn hợp chỉ gồm 2 hoặc 3 chất là những nguyên tố
cấu thành nên các hợp chất trong hỗn hợp đầu Sau đó áp dụng bảo toàn khối lượng và bảo toàn electron
Ví dụ 1: Nung m gam bột sắt trong oxi, thu được 3 gam hỗn hợp chất rắn X Hòa tan hết
hỗn hợp X trong dung dịch HNO3 dư, thoát ra 0,56 lít khí NO (ở đktc) là sản phẩm khử duy nhất Giá trị của m là
(Đề tuyển sinh ĐH môn hóa học, khối B- năm 2007)
Hướng dẫn giải
Nhận thấy hỗn hợp X tuy phức tạp nhưng chỉ gồm 2 nguyên tố Fe, O do đó có thể quy đổi X
thành hỗn hợp chỉ gồm 2 nguyên tố này với:
) ( :
) ( :
mol x Fe
mol y O
Lúc này sơ đồ biến đổi như sau:
Fe → + [ ]O X
o
o
O
Fe
m gam 3,0 gam
Áp dụng bảo toàn khối lượng: 56 x + 16 y = 3,0 (1)
Các quá trình nhận và nhường electron
Fe → Fe+3 + 3e O0
+ 2e →O-2 N+5 + 3e → N+2
x 3x y 2y 0,075 0,025
Áp dụng bảo toàn electron 3x = 2y + 0,075 (2)
Từ (1) và (2) ⇒
=
=
03 , 0
045 , 0
y
x
⇒trong X có số mol Fe = 0,045 mol
Ta có khối lượng Fe ban đầu bằng khối lượng Fe trong X nên m= 0,045 56 = 2,52 gam
Ví dụ 2: Hòa tan 2,08 gam hỗn hợp X gồm Fe, FeS, S bằng H2SO4 đặc nóng dư thu được 2,688 lít SO2 (sản phẩm khử duy nhất) ở đktc và dung dịch Y Cho dung dịch Y tác dụng với
−
+
ymol O
xmol Fe
:
:
2 3
NO: 0,025 mol
Trang 9NaOH dư lọc lấy kết tủa đem nung trong không khí đến khối lượng không đổi thì lượng chất rắn thu được là
A 8,2 gam B 9 gam C 1,6 gam D 1,07 gam
Hướng dẫn giải
Nhận thấy hỗn hợp X chỉ gồm 2 nguyên tố Fe và S
Do đó quy đổi hỗn hợp X thành
) ( :
) ( :
mol x Fe
mol y S
Theo bảo toàn khối lượng ta có: 56x + 32y = 2,08(1)
Quá trình nhường nhận electron như sau:
Feo → Fe3+ +3e S0 → S4+ + 4e S+6 + 2e →S4+
x 3x y 4y 2a a
Theo bảo toàn electron ta có:
= +
= +
12 , 0
2 4 3
a y
a y x
(2)
Từ (1) và (2) ⇒
=
=
03 , 0
02 , 0
y
x
Theo bảo toàn nguyên tố Fe ta có khối lượng rắn là khối lượng Fe2O3:
m = 160 1 , 6
2
1
=
Fe
n gam ( Đáp án C)
Ví dụ 3: Hòa tan hoàn toàn 30,4 gam chất rắn X gồm Cu, CuS, Cu2S và S bằng HNO3 dư, thoát ra 20,16 lít NO duy nhất(đktc) và dung dịch Y Thêm Ba(OH)2 dư vào dung dịch Y thu được m gam kết tủa Giá trị của m là
A 81,55 gam B 104,2 gam C 110,95 gam D 115,85 gam
Hướng dẫn giải
Nhận thấy hỗn hợp X chỉ gồm 2 nguyên tố Cu và S nên có thể quy đổi hỗn hợp X thành hỗn
hợp gồm 2 nguyên tố như sau: X gồm
) ( :
) ( :
mol x Cu
mol y S
Lúc này bài toán được biểu diễn bằng sơ đồ sau:
−
2
Trang 10TRƯỜNG THPT THẠCH THÀNH IV Sáng kiến kinh nghiệm năm 2011
X
0
0
S
Cu
30,4 gam
Áp dụng bảo toàn khối lượng ta có: 64x + 32y = 30,4 (1)
Quá trình nhường và nhận electron như sau:
Cu 0 → Cu2+ + 2e S0 → S+6 +6e N+5 + 3e → N2+
x x 2x y y 6y 2,7 0,9
Theo định luật bảo toàn electron: 2x + 6y = 2,7 (2)
Từ (1) và (2) ⇒
=
=
mol y
mol x
35 , 0
3 , 0
Áp dụng bảo toàn nguyên tố Cu và S ta có:
95 , 110 233 98
4 2
)
Lưu ý: Đây là cách quy đổi có tính khái quát nhất cho lời giải nhanh, gọn dễ hiểu biểu thị
đúng bản chất hóa học của bài toán.
2.3 Quy đổi tác nhân oxi hóa.
Phương pháp:Với những bài toán trải qua nhiều giai đoạn oxi hóa khác nhau bởi những chất
oxi hóa khác nhau ta có thể quy đổi vai trò của chất oxi hóa này cho chất oxi hóa kia để bài toán trở nên đơn giản hơn
Khi thực hiện phép quy đổi phải đảm bảo
+ Số electron nhường, nhận là không đổi( định luật bảo toàn electron)
+ Do sự thay đổi tác nhân oxi hóa có sự thay đổi sản phẩm cho phù hợp
Ví dụ 1: Nung m gam bột sắt trong oxi, thu được 3 gam hỗn hợp chất rắn X Hòa tan hết
hỗn hợp X trong dung dịch HNO3 dư, thoát ra 0,56 lít khí NO (ở đktc) là sản phẩm khử duy nhất Giá trị của m là
( Đề tuyển sinh ĐH môn hóa học, khối B- năm 2007)
Hướng dẫn giải
Thay vai trò của HNO3 bằng [ ]O , lúc này sản phẩm cuối cùng là Fe2O3 Ta có sơ đồ sau