SKKN xây dựng một số công thức kinh nghiệm giải nhanh bài tập liên quan đến nguyên tố sắt

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HÓATRƯỜNG THPT TĨNH GIA 1 SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM XÂY DỰNG MỘT SỐ CÔNG THỨC GIẢI NHANH BÀI TẬP LIÊN QUAN ĐẾN NGUYÊN TỐ SẮT Người thực hiện: Nguyễn Xuân Sinh C

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HÓA

TRƯỜNG THPT TĨNH GIA 1

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

XÂY DỰNG MỘT SỐ CÔNG THỨC GIẢI NHANH BÀI TẬP LIÊN QUAN ĐẾN NGUYÊN TỐ SẮT

Người thực hiện: Nguyễn Xuân Sinh Chức vụ: Tổ trưởng CM

SKKN thuộc lĩnh vực môn: Hóa

THANH HÓA NĂM 2014

A- ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong những năm gần đây, để nâng cao chất lượng giáo dục và đào tạo, ngành giáo dục đã có nhiều đổi mới về nội dung chương trình, phương pháp dạy học và phương pháp kiểm tra đánh giá Hình thức thi trắc nghiệm khách quan đối với các bộ môn thi trắc nghiệm nói chung và bộ môn Hóa học nói riêng yêu cầu giáo viên phải rèn luyện cho học sinh khả năng tư duy và thao tác tính toán, làm bài nhanh, tiết kiệm tối đa thời gian

Các đề thi đại học cao đẳng môn Hóa học có phạm vi kiến thức rộng, áp dụng nhiều kiến thức nằm rải rác ở các chương trình lớp 10, lớp 11 và lớp 12 Các kiến thức liên quan đến nguyên tố sắt (Fe) là một nội dung thường được khai thác với nhiều bài tập hay nhưng khó Từ năm 2007 đến 2013 mỗi đề thi thường có 6 – 10 câu hỏi về sắt và bài tập tổng hợp vô cơ liên quan đến sắt Đặc biệt để giải được các bài tập này yêu cầu các em cần phải có kiến thức vững về trạng thái oxi hóa của Fe, biết vận dụng các định luật bảo toàn electron, bảo toàn khối lượng và các phương pháp quy đổi, phương pháp đường chéo… Trong một

số bài toán nhất định những định luật và phương pháp này có thể thay thế bằng một số công thức kinh nghiệm

Trong quá trình giải toán, có những bài cần phải xác định công thức của oxit rồi mới áp dụng được định luật bảo toàn electron Nhưng khi đã hiểu và chứng minh được công thức kinh nghiệm thì học sinh chỉ cần một phép tính đã

có kết quả chính xác Để dễ nhớ một số công thức và áp dụng vào các bài toán thích hợp thì học sinh phải hiểu và chứng minh được công thức đó

Chính vì những yêu cầu thực tế trên, tôi mạnh dạn lựa chọn viết sáng kiến

kinh nghiệm “Xây dựng một số công thức kinh nghiệm giải nhanh bài tập liên

quan đến nguyên tố sắt”

B- GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ:

I- Cơ sở lý luận của vấn đề:

Trong thực tế đã có rất nhiều bài viết giới thiệu các công thức kinh nghiệm áp dụng tính toán cho nhiều dạng bài tập khác nhau Tuy nhiên các bài viết này chưa đưa ra cách chứng minh công thức, dẫn đến các em học sinh khó nhớ, đặc biệt đối với những công thức có nhiều hệ số

Trong phân phối chương trình, giáo viên và học sinh không có nhiều thời gian khi học về phần sắt và hợp chất của sắt Nếu không chủ động rèn luyện khi học phần phản ứng oxi hóa khử, axit H2SO4 đặc, axit HNO3 thì sẽ không kịp cho

kỳ thi đại học cao đẳng Vì vậy việc áp dụng công thức kinh nghiệm nói chung

và áp dụng trong giải bài tập về sắt nói riêng theo tôi là rất cần thiết và hiệu quả

2- Thực trạng của vấn đề:

Số lượng bài tập về Fe và các hợp chất của Fe trong các đề thi đại học – cao đẳng khối A và khối B các năm gần đây chiếm một tỉ lệ tương đối lớn và được thể hiện qua bảng sau:

Năm Tổng

số

Câu hỏi lý thuyết Bài tập tính toán

Nếu học sinh giải quyết được chính xác số lượng bài tập trên trong thời gian ngắn nhất thì sẽ đạt điểm cao hơn và có nhiều thời gian hơn dành cho các bài tập khác

Bài tập về nguyên tố sắt đã được làm quen từ lớp 9 Tuy nhiên đây là một nguyên tố có nhiều trạng thái oxi hóa Các dạng bài tập đa dạng và khó Đòi hỏi học sinh phải nắm vững kiến thức và làm nhiều bài tập

Ở trường THPT Tĩnh gia 1 chúng tôi, hầu hết các em học ban khoa học tự nhiên và cơ bản A đã được rèn luyện giải bài toán theo phương pháp bảo toàn electron, quy đổi, đường chéo, … Bản thân tôi trong quá trình dạy đã khái quát lên và đưa công thức kinh nghiệm vào áp dụng Đầu tiên sẽ khó khăn vì các hệ

số quá nhiều mà học sinh không hiểu vì sao có những hệ số đó Nhưng khi hướng dẫn chứng minh công thức thì học sinh hiểu và áp dụng một cách dễ dàng, gây hứng thú trong học tập khi gặp dạng toán áp dụng được các công thức này

Tuy nhiên số lượng công thức thì nhiều, các dạng bài tập thì đa dạng, đòi hỏi học sinh phải biết phân dạng, tập trung tư duy và áp dụng nhiều thì mới đạt kết quả cao Vì vậy cần thời gian tương đối lớn và phải được áp dụng ngay từ lớp 10 khi học chương Phản ứng oxi hóa – khử để học sinh làm quen Trong bài viết này, tôi xin phép chỉ tập trung vào dạng bài oxi hóa sắt và hợp chất của sắt bằng axit HNO3 (hoặc H2SO4)

III- Giải pháp và tổ chức thực hiện:

Để phát huy những thuận lợi và khắc phục những khó khăn đã nêu, tôi đã chứng minh công thức kinh nghiệm áp dụng cho một số dạng bài toán sau:

1- Tính khối lượng muối nitrat thu được khi cho hỗn hợp sắt và oxit sắt tác dụng với HNO 3 dư (sản phẩm không có NH 4 NO 3 ):

a- Chứng minh công thức m Muối =  8 ( 3 8 10 )

80

242

2 2

2 N O N NO

NO

Trước tiên ta chứng minh m muối = m hh 8 * 3n NO

80

242



Ví dụ: Chứng minh rằng khi hòa tan hết chất rắn X gồm Fe, FeO, Fe2O3; Fe3O4

bằng HNO3 loãng dư thu được khí NO là sản phẩm khử duy nhất và dung dịch chứa m gam muối thì m muối = m X 8 * 3n NO

80

242



Giải

Ta có thể xem Fe là Fe1O0 nên chất rắn X có công thức chung là FexOy

Gọi a là số mol chất rắn X đã dùng Ta có các quá trình cho, nhận electron:

FexOy  xFe3+ + yO2- + (3x – 2y)e N+5 + 3e  N+2

a mol ax a(3x – 2y)

Ta có hệ phương trình: 











) 2 ( )

16 56

(

) 1 ( 3 ) 2 3 (

X NO

m y x

a

n y

x a

Nhân (1) với 8 và cộng lại

ta có:

80ax = (mX + 8*3nNO)  ax = ( 8 * 3 )

80

1

NO

m 

Áp dụng bảo toàn nguyên tố Fe ta có: a mol FexOy  ax mol Fe(NO3)3

 m muối = ( 8 * 3 )

80

242

NO

m  (điều phải chứng minh) Như vậy, số 242 là khối lượng mol phân tử Fe(NO3)3

80 là một hệ số cố định khi tạo Fe(NO3)3

(80 = 56+8*số e Fe nhường = 56 + 8*3)

8 là hệ số cố định (dùng để nhân vào triệt tiêu ẩn y trong hệ)

3 là số e N+5 nhận vào để trở về số oxi hóa của sản phẩm khử

Như vậy, dễ dàng nhận thấy các hệ số 1; 8; 10 trong công thức (I) lần lượt

là số electron mà N+5 nhận để trở về NO2 (N+4); N2O (N+1) và N2 (N0) Ta chỉ cần

bỏ đi trong công thức (I) số hạng tương ứng với sản phẩm khử không có trong bài toán

Công thức (I) vẫn đúng khi hỗn hợp rắn X không gồm đầy đủ 4 chất như trong bài toán (vì công thức chung vẫn là FexOy)

b- Ví dụ áp dụng:

Ví dụ 1 (Câu 20 - mã đề 794 - Đề thi TS ĐH-CĐ khối A năm 2008)

Hòa tan hết 11,36 gam chất rắn X gồm Fe, FeO, Fe2O3, Fe3O4 trong HNO3

loãng dư thu được dung dịch chứa m gam muối và 1,344 lít NO (sản phẩm khử duy nhất, ở đktc) Tìm m?

Nhận xét: Bài này ta có thể giải bằng nhiều cách, như dùng phương pháp quy đổi, bảo toàn e… nhưng theo tôi nếu áp dụng công thức kinh nghiệm trên thì chỉ một phép tính là có kết quả

Giải

m muối =  ) 

4 , 22

344 , 1

* 3

* 8 36 , 11 ( 80

242

38,72 (gam)

Ví dụ 2: Đốt cháy x mol Fe trong oxi được 5,68 gam hỗn hợp rắn X Hòa tan

hoàn toàn lượng X trên trong HNO3 loãng dư được 0,672 lít NO (sản phẩm khử duy nhất, ở đktc) Tìm x?

Giải

4 , 22

672 , 0

* 3

* 8 68 , 5 ( 242

* 80

242





muôi

muôi

M

m

= 0,08 (mol)

Ví dụ 3: (Câu 1 - mã đề 860 – Đề thi dự bị TS ĐH-CĐ khối A năm 2009)

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) Giá trị của m là:

Giải

Cách 1: Sử dụng phương pháp bảo toàn electron và quy đổi:

Fe0  Fe+3 + 3e N+5 + 1e  N+4

x 3x 0,195 0,195 mol

y 2y

Ta có hệ phương trình: 











195 , 0 2 3

44 , 10 16

56

y x

y x

 





 1275 , 0 15 , 0

y x

12 160

* 2

15 , 0

3

Fe

Khi làm theo cách này yêu cầu học sinh phải nắm vững phương pháp quy đổi và bảo toàn electron

Cách 2: Áp dụng công thức kinh nghiệm:

n muối nitrat = )

4 , 22

368 , 4

* 8 44 , 10 ( 242

* 80

242

2

15 , 0

3

Fe

Với cách 2 sẽ nhanh hơn cách 1

2- Tính khối lượng muối sunfat thu được khi cho sắt và các oxit sắt tác dụng với axit H 2 SO 4 đặc, nóng dư:

a- Chứng minh công thức:

m muối =  8 ( 2 6 8 )

160

400

2

2 S H S SO

Ví dụ: Chứng minh rằng khi hòa tan hết chất rắn X gồm Fe, FeO, Fe2O3; Fe3O4

bằng H2SO4 đặc, nóng dư thu được khí SO2 là sản phẩm khử duy nhất và dung dịch chứa m gam muối thì m muối =  8 * 2 2

160

400

SO

m 

Ta có thể xem Fe là Fe1O0 nên chất rắn X có công thức chung là FexOy

Gọi a là số mol chất rắn X đã dùng

Ta có các quá trình cho, nhận electron:

FexOy  xFe3+ + yO2- + (3x – 2y)e S+6 + 2e  S+4

a mol ax a(3x – 2y)

Ta có hệ phương trình: 









) 2 ( )

16 56

(

) 1 ( 2 ) 2 3

X SO

m y x

a

n y

x a

Nhân (1) với 8 và cộng lại

ta có:

80ax = (m  X 8 * 2n SO2)  ax = ( 8 * 2 )

80

1

2

SO

m 

Áp dụng bảo toàn nguyên tố Fe ta có: a mol FexOy 

2

ax

mol Fe2(SO4)2

 m muối = ( 8 * 2 )

160

400

2

SO

m  (điều phải chứng minh) Trong công thức (II) : 400 là khối lượng mol phân tử của Fe2(SO4)3

160 là 2 lần hệ số cố định (a mol FexOy 

2

a

mol Fe2(SO4)3) 2; 6; 8 lần lượt là số e trao đổi của S+6 về S+4(SO2); S0; và S-2 (H2S) b- Ví dụ áp dụng:

Ví dụ 4:

Hòa tan 30 gam chất rắn X gồm FeO; Fe2O3 và Fe3O4 bằng H2SO4 đặc, nóng dư được 11,2 lít khí SO2 (sản phẩm khử duy nhất, ở đktc) Cô cạn dung dịch sau phản ứng thu được bao nhiêu gam muối khan?

Giải

4 , 22

2 , 11

* 2

* 8 30 ( 160

400

Ví dụ 5: Đốt 7 gam sắt trong oxi được m gam hỗn hợp rắn X Hòa tan hết lượng

X trên bằng H2SO4 đặc, nóng, dư thu được 2,8 lít khí SO2 (duy nhất ở đktc) Tính m?

Cách 1: Sử dụng bảo toàn electron

Fe0  Fe+3 + 3e S+6 + 2e  S+4

0 , 125 0,375 0,25 0,125

O0 + 2e  O-2

m16 7 2(m16 7)

0,375 = 0,25 +

16

) 7 (

 m= 8(gam) Cách 2: Sử dụng công thức kinh nghiệm:

Vì n Fe  2n Fe2 (SO4 ) 2 )

4 , 22

8 , 2

* 16 ( 400 160

400 2 56

7



Ví dụ 6: (Câu 12 - mã đề 637 đề thi TS ĐH-CĐ khối B nắm 2009)

Hòa tan hoàn toàn 20,88 gam một oxit sắt bằng dung dịch H2SO4 đặc nóng thu được dung dịch X và 3,248 lít khí SO2 (sản phẩm khử duy nhất, ở đktc) Cô cạn dung dịch X thu được m gam muối khan Giá trị của m là:

A 52,2 B 48,4 C 54,0 D 58,0

Giải Cách 1: áp dụng bảo toàn electron + đại số:

Gọi công thức oxit sắt là FexOy

xFe2y/x  xFe+3 + (3x – 2y)e S+6 + 2e  S+4

ax a(3x-2y) 0,29 0,145













29 , 0 ) 2 3

(

88 , 20 )

16 56

(

a y x

a y x

 x = y Vậy oxit sắt là FeO có số mol

29

,

0

72

88

,

20



2

29 , 0

3 4

2 (SO )  

Fe

Cách 2: Phương pháp quy đổi và bảo toàn electron:

Quy hỗn hợp gồm Fe và O Ta có:

Fe0  Fe+3 + 3e O0 + 2e  O-2 S+6 + 2e  S+4

x 3x y 2y 0,29 0,145













29 , 0 2 3

88 , 20 16

56

y x

y x







 29 , 0 29 , 0

y x

2

29 , 0

3 4

2 (SO )  

Fe

Cách 3: Áp dụng công thức kinh nghiệm:

58 ) 4 , 22

248 , 3

* 2

* 8 88 , 20 ( 160

400

3 4

Fe

Rõ ràng khi áp dụng công thức kinh nghiệm đã tiết kiệm được rất nhiều thời gian

Ví dụ 7: (Câu 3 - mã đề 537 đề thi TS ĐH-CĐ khối B nắm 2013)

Hỗn hợp X gồm FeO; Fe2O3 và Fe3O4 Cho một luồng khí CO qua m gam

X nung nóng, sau một thời gian thu được hỗn hợp chất rắn Y và hỗn hợp khí Z Cho toàn bộ Z vào dung dịch Ca(OH)2 dư, đến phản ứng hoàn toàn thu được 4 gam kết tủa Mặt khác, hòa tan hoàn toàn Y vào dung dịch H2SO4 đặc, nóng, dư thu được 1,008 lít khí SO2 (sản phẩm khử duy nhất, ở đktc) và dung dịch chứa

18 gam muối Giá trị của m là:

Giải

Ta có số mol CaCO3 = nCO = nO = 0,04 mol

Áp dụng công thức kinh nghiệm ta có:

18 = )

4 , 22

008 , 1

* 16 (

160

400



Y

m  mY = 7,2 (gam)

mX - mO = MY  mX = 6,48 + 0,04*16 = 7,12 (gam)

Nhanh hơn khi ta dùng phương pháp quy đổi và bảo toàn electron

Ví dụ 8: (Câu 6 - mã đề 537 đề thi TS ĐH-CĐ khối B nắm 2013)

Cho m gam một oxit sắt phản ứng vừa đủ với 0,75 mol H2SO4 thu được dung dịch chỉ chứa một muối duy nhất và 1,68 lít khí SO2 (sản phẩm khử duy nhất, ở đktc) Giá trị của m là:

Giải

2 3 4 2 4

2SO 3 Fe (SO ) SO

4 , 22

68 , 1 75 , 0 ( 3

1

 = 0,225 (mol)

Áp dụng công thức kinh nghiệm:

4 , 22

68 , 1 16 (

400 160

400





 m oxit

 moxit = 0,225 * 160 - 16*1,68/22,4 = 34,8 (gam)

Nếu áp dụng bảo toàn electron thì học sinh phải đi xác định công thức của oxit sắt Điều này sẽ lam mất thêm thời gian

Chứng minh tương tự, ta sẽ có các công thức:

Tính khối lượng kim loại Fe ban đầu trong bài toán oxi hóa hai lần:

Fe

+ Với H2SO4: [ 8 ( 2 6 10 )]

Fe

Để đơn giản, khi chia rút gọn các hệ số ta có thể viết:

Công thức (I): m muối = 3,025m X + 24,2n e trao đổi

Công thức (II): m muối =2,5m X + 20n e trao đổi

Công thức (III) và (IV) m Fe = 0,7m hh + 5,6n e trao đổi

Ví dụ 9: Đốt m gam Fe trong oxi thu được 10 gam hỗn hợp chất rắn X Hòa tan

hết X trong HNO3 đặc, nóng, dư giải phóng 10,08 lít khí NO2 (sản phẩm khử duy nhất, ở đktc) Tính m?

Giải Cách 1: Bài này ta có thể áp dụng bảo toàn electron:

Fe0  Fe+3 + 3e O0 + 2e  O-2 N+5 + 1e  N+4

m

3* 56m 1016 m 2*1016 m 0,45 0,45



56

3m

= 2*

16

10  m

+ 0,45  m= 9,52 (gam)

Cách 2: Nếu áp dụng công thức kinh nghiệm:

) ( 52 , 9 ) 4 , 22

08 , 10

* 8 10 ( 80

56 ) 8 ( 80

56

n m

Tương tự với bài toán hòa tan bằng axit H2SO4

IV- Kiểm nghiệm:

Trong thực tế tại trường THPT Tĩnh Gia I, bản thân đã áp dụng kiến thức trên vào giảng dạy ở 1 lớp ban khoa học tự nhiên và 2 lớp ban cơ bản A Ở cả 3 lớp thời gian làm bài đều được rút ngắn Đặc biệt các em tăng thêm hứng thú khi học và làm bài tập liên quan đến sắt nói riêng và trong học tập nói chung

Để kiểm tra kết quả cụ thể, tôi đã chuẩn bị 40 bài tập mức độ tương đương nhau (cả về nội dung, hình thức) và tương đương các ví dụ đã trình bày ở trên; chia làm 2 lần kiểm tra (lần kiểm tra thứ nhất gồm 20 câu không áp dụng công thức kinh nghiệm và lần kiểm tra thứ hai gồm 20 câu áp dụng công thức kinh nghiệm) Kết quả thu được như sau (Tính theo thời gian HS nộp bài đầu tiên):

Thời gian làm bài (phút) Lớp 12A6 Lớp 10A2 Lớp 10A5 khi không áp dụng công thức kinh nghiệm 26 phút 30 phút 35 phút khi áp dụng công thức kinh nghiệm 15 phút 16 phút 20 phút

Rõ ràng thời gian đã được rút ngắn hơn khi các em hiểu, phân dạng được

và áp dụng công thức kinh nghiệm vào làm bài

C KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT:

I- Kết luận

Dựa vào cách đã chứng minh có thể phát triển chứng minh nhiều công thức kinh nghiệm khác mà các tác giả Ngô Xuân Quỳnh, Nguyễn Trung Kiên…

đã giới thiệu Trong khuôn khổ bài viết cho phép, tôi chỉ xin xây dựng một số công thức như trên Một số công thức tính số mol của axit tham gia phản ứng có thể chứng minh dễ dàng bằng cách viết phương trình hoặc bán phương trình dạng ion

Mục đích của bản thân là rèn luyện cho học sinh biết phân dạng bài toán, làm giảm thời gian làm bài khi cho Fe tác dụng với axit có tính oxi hóa mạnh,

dư hoặc bài toán oxi hóa hai lần

II- Đề xuất:

- Tăng thời lượng học về Fe và các hợp chất của Fe ở chương trình hóa học lớp 12 Để có thời lượng đó, ta có thể giảm bớt ở chương Polime và vật liệu polime, chương Phân biệt một số chất vô cơ Chuẩn độ dung dịch (Không giảm

về nội dung mà giảm về thời lượng quy định)

- Tăng thời lượng học chương Phản ứng oxi hóa – khử ở hóa học lớp 10

Có thể giảm thời lượng ở phần Lai hóa (Vì thực tế ít có đề thi - trừ thi học sinh giỏi - khai thác về vấn đề này)

Với thời gian áp dụng trong năm học vừa qua, đồng thời đây cũng chỉ là ý kiến chủ quan và kinh nghiệm của bản thân tôi Vì vậy sáng kiến này sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Tôi rất mong có sự góp ý, bổ sung thêm của các quý thầy cô để sáng kiến này được hoàn thiện hơn nữa

Tôi xin cảm ơn!

XÁC NHẬN CỦA THỦ TRƯỞNG ĐƠN VỊ Thanh hóa, ngày 20/05/2014 CAM KẾT KHÔNG COPY

Người viết

Nguyễn Xuân Sinh

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1- 68 công thức kinh nghiệm giải nhanh bài tập hóa học (Trang web: HOAHOC.ORG) Tác giả: Ngô Xuân Quỳnh

2- Một số công thức kinh nghiệm dùng giải nhanh bài toán hóa học

Tác giả: GV Nguyễn Trung Kiên