SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁTRƯỜNG THPT CẨM THỦY 2 SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM KINH NGHIỆM GIẢI BÀI TẬP VỀ PHẢN ỨNG GIỮA KIM LOẠI VỚI AXIT NITRIC TẠO MUỐI AMONI GIÚP HỌC SINH TRUNG HỌC PHỔ
Trang 1SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ
TRƯỜNG THPT CẨM THỦY 2
SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM
KINH NGHIỆM GIẢI BÀI TẬP VỀ PHẢN ỨNG GIỮA KIM LOẠI VỚI AXIT NITRIC TẠO MUỐI AMONI GIÚP HỌC SINH TRUNG HỌC PHỔ THÔNG
GIẢI NHANH BÀI TẬP HOÁ HỌC
Người thực hiện: Nguyễn Đức Hào Chức vụ: Tổ trưởng chuyên môn SKKN thuộc môn: Hóa học
Trang 2Mục lục
B NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2
IV Hiệu quả của sáng kiến kinh nghiệm 17
Trang 3A MỞ ĐẦU
I Lí do chọn đề tài
Ở trường trung học phổ thông, môn hóa học là một trong những môn học cơbản bao gồm cả lí thuyết và thực nghiệm Bài tập hoá học là một phương tiện rấtcần thiết giúp học sinh nắm vững, nhớ lâu các kiến thức cơ bản, mở rộng và đàosâu những nội dung đã được học Nhờ đó, học sinh hoàn thiện được kiến thức,đồng thời phát triển trí thông minh, sáng tạo, rèn luyện được những kĩ năng, kĩ xảo,năng lực nhận thức và tư duy phát triển Thông qua bài tập hoá học giúp giáo viênđánh giá kết quả học tập của học sinh Từ đó phân loại học sinh và có kế hoạch ôntập, củng cố kiến thức sát với đối tượng
Trong các dạng bài tập hóa học thì axit nitric luôn có trong các đề thi như đềthi học sinh giỏi, đề thi đại học (nay gọi là đề thi trung học phổ thông Quốc gia).Nitơ là nguyên tố phi kim có nhiều số oxi hóa (-3, 0, +1, +2, +3, +4, +5) Trongphân tử axit nitric, nguyên tố nitơ có số oxi hóa là +5 nên khi tham gia phản ứnghóa học với các chất khử, axit nitric bị khử về các mức oxi hóa thấp hơn củanguyên tố nitơ Do đó, bài tập về axit nitric có nhiều dạng, nhiều bài tập khó, họcsinh dễ bị nhầm lẫn và thường bị lúng túng khi phân tích đề, không xác định đượcphản ứng tạo ra sản phẩm gì? đặc biệt là phản ứng tạo ra muối amoni Do đó,phương pháp xác định sản phẩm của phản ứng có tạo ra muối amoni hay không làrất quan trọng Mấu chốt của phương pháp là học sinh phải phát hiện ra vấn đề củamỗi bài tập và có phương pháp giải bài tập phù hợp
Hiện tại, chưa có các tài liệu nghiên cứu nào bàn sâu vào vấn đề này, cácđồng nghiệp và học sinh trong trường chưa có kinh nghiệm để giải quyết, khắc
phục nên tôi chọn đề tài: “Kinh nghiệm giải bài tập về phản ứng giữa kim loại
và axit nitric tạo muối amoni giúp học sinh trung học phổ thông giải nhanh bài tập hoá học”.
II Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu đề tài để giúp học sinh phân tích, giải nhanh, gọn nhất, tiết kiệmthời gian, từ đó gây hứng thú học tập cho học sinh
III Đối tượng nghiên cứu
Bài tập về phản ứng giữa kim loại và axit nitric tạo muối amoni
Trang 4IV Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tôi nghiên cứu các tài liệu sách, báo, đềthi học sinh giỏi các tỉnh, đề thi trung học phổ thông Quốc gia có liên quan, tổnghợp và phân loại bài tập theo một trình tự logic, phù hợp với quá trình nghiên cứu.Phương pháp quan sát sư phạm: Nghiên cứu thực tiễn dạy và học của giáoviên và học sinh trường THPT Cẩm Thủy 2 nhằm tìm ra những nhu cầu kiến thứccần thiết trong lĩnh vực hóa học vô cơ
Phương pháp lấy ý kiến chuyên gia: Tôi tham khảo ý kiến của các thầy, côgiáo trong bộ môn, những người có kinh nghiệm trong lĩnh vực này
Phương pháp toán học: Sử dụng các phương pháp thống kê toán học để xử lýkết quả thu được
B NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM
I Cơ sở lí luận của sáng kiến kinh nghiệm
1 Axit nitric
Axit nitric HNO3 là một trong những hoá chất cơ bản và quan trọng hàng đầu
1.1 Tính chất vật lí
- Là chất lỏng, không màu, tan tốt trong nước
- Trong điều kiện thường, dung dịch có màu hơi vàng do HNO3 bị phân hủy chậm:4HNO3 → 4NO2 + 2H2O + O2 Vì vậy, người ta phải đựng dung dịch HNO3 trongbình tối màu
1.2 Tính chất hóa học
a HNO 3 là một axit mạnh
- Làm quỳ tím chuyển thành màu đỏ
- Tác dụng với oxit bazơ (trong đó kim loại đã đạt hóa trị cao nhất) → muối + H2O: 2HNO3 + CuO → Cu(NO3)2 + H2O
- Tác dụng với bazơ (trong đó kim loại đã đạt hóa trị cao nhất) → muối + H2O: 2HNO3 + Mg(OH)2 → Mg(NO3)2 + 2H2O
- Tác dụng với muối của axit yếu (trong muối kim loại đã đạt hóa trị caonhất) → muối mới + axit mới:
2HNO3 + CaCO3 → Ca(NO3)2 + CO2 + H2O
Trang 5b HNO 3 là chất oxi hóa mạnh
- Tác dụng với kim loại:
+ HNO3 phản ứng với hầu hết các kim loại trừ Au và Pt → muối nitrat + H2O vàsản phẩm khử của N+5 (NO2, NO, N2O, N2 và NH4NO3)
M + HNO3 → M(NO3)n + H2O + NO2 (hoặc NO, N2O, N2, NH4NO3) + Sản phẩm khử của N+5 là tùy thuộc vào độ mạnh của kim loại và nồng độ củadung dịch axit Thông thường thì dung dịch đặc → NO2, dung dịch loãng → NO;dung dịch axit càng loãng, kim loại càng mạnh thì N bị khử xuống mức càng sâu
Cu + 4HNO3 → Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O
Fe + 4HNO3 loãng → Fe(NO3)3 + NO + 2H2O+ Khi cho các kim loại hoạt động mạnh như K, Na, Ba, Ca, Mg, Al, Zn, … vàodung dịch HNO3 loãng thi phản ứng có thể tạo muối NH4NO3:
4Mg + 10HNO3 → 4Mg(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O
Chú ý: Nếu cho Fe hoặc hỗn hợp Fe và Cu tác dụng với dung dịch HNO3 mà sauphản ứng còn dư kim loại → trong dung dịch Fe thu được chỉ ở dạng muối
Fe2+ HNO3 đặc nguội thụ động với Al, Fe, Cr
- Tác dụng với phi kim → NO2 + H2O + oxit của phi kim hoặc axit tương ứng
Trang 6- Đối với ion nitrat: tác dụng với kim loại có tính khử yếu tạo khí không màu hóanâu trong không khí.
3Cu + 8H+ + 2NO3- → 3Cu2+ + 2NO↑ + 4H2O2NO↑ (không màu) + O2 → 2NO2 (màu nâu đỏ)
1.5 Ứng dụng
Axit nitric là một trong những hóa chất cơ bản và quan trọng Phần lớn axit nàyđược dùng để sản xuất phân đạm Ngoài ra nó còn được dùng để sản xuất thuốc nổ,thuốc nhuộm, dược phẩm
2 Ion nitrat trong các môi trường
2.1 Ion nitrat trong môi trường axit có tính oxi hóa tương tự axit nitric
Ví dụ: Cho một ít bột đồng vào dung dịch hỗn hợp gồm HCl và KNO3 thấy
có khí không màu thoát ra hóa nâu trong không khí:
3Cu + 8H+ + 2NO3- → 3Cu2+ + 2NO↑ + 4H2O
2NO + O2 → 2NO2
2.2 Ion nitrat trong môi trường bazơ có tính oxi hóa tạo ra amoniac
Ví dụ: Cho bột nhôm vào dung dịch hỗn hợp gồm NaOH và NaNO3, đunnóng thấy có khí mùi khai thoát ra:
8Al + 3NaNO3 + 5NaOH + 18H2O → 8Na[Al(OH)4] + 3NH3↑Nếu Al và NaOH còn dư thì còn có khí H2 thoát ra:
2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑
2.3 Ion nitrat trong môi trường trung tính không có tính oxi hóa
Trang 7Ví dụ: Cho bột nhôm vào dung dịch NaNO3 không có phản ứng hóa học xảyra.
II Thực trạng vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm
Qua theo dõi trong thực tế giảng dạy nhiều năm ở trường THPT Cẩm Thủy
2, trên nhiều đối tượng học sinh, kết hợp với việc tham khảo ý kiến của đồngnghiệp giảng dạy cùng bộ môn, tôi nhận thấy hiện nay đa số học sinh đang còn dễ
bị nhầm lẫn và thường bị lúng túng khi phân tích đề hoặc không có hướng giảiquyết được các bài tập tính toán về phản ứng tạo ra muối amoni Trong quá trìnhlàm bài tập của học sinh, các biểu hiện có thể dễ dàng nhận thấy như:
Thứ nhất, chưa tự giác, chưa tích cực trong việc đào sâu nghiên cứu kiếnthức, học đang còn mang tính đối phó, việc tìm tài liệu tham khảo của học sinh cònhạn chế nên chưa hiểu sâu sắc kiến thức đã được học
Thứ hai, học sinh không tích cực trong các giờ học trên lớp với các biểu hiện
cụ thể như: ít đóng góp ý kiến xây dựng bài, việc tham gia hoạt động học và ghi bàimột cách thụ động, …
Thứ ba, chưa có nhiều tài liệu hướng dẫn học sinh cách phát hiện ra điểmmấu chốt của bài tập để có hướng giải quyết bài tập phù hợp
Từ những hiện trạng trên dẫn tới kết quả là: Khi ôn thi học sinh giỏi, ôn thiTHPT Quốc gia, trong quá trình làm bài tập về axit nitric, học sinh thường trầm,tính tích cực tự giác của học sinh không được phát huy, ít học sinh làm đúng kếtquả, thậm trí có học sinh không làm bài
Nguyên nhân: Thực trạng trên có thể được tạo nên từ nhiều nguyên nhânkhác nhau như:
Từ phía học sinh: Có thể do ý thức tự giác của học sinh chưa cao, do trình độcủa học sinh còn hạn chế, chưa được làm nhiều dạng bài tập nên kĩ năng giải bàitập còn hạn chế, …
Từ phía giáo viên: Do cách hướng dẫn giải bài tập của giáo viên chưa phùhợp, đang còn rườm rà, khó hiểu, không logic nên chưa khơi gợi sự hứng thú, tíchcực cho học sinh Đôi khi có cách hướng dẫn giải bài tập của giáo viên quá khókhiến học sinh lúng túng, không tự tin khi làm các bài tập khác tương tự
Trang 8Từ phía xã hội: Do xu thế xã hội hiện nay có nhiều vấn đề khiến học sinhbận tâm như: việc yêu sớm, sự quan tâm của gia đình, các trang mạng xã hội (đặcbiệt là facebook), các tệ nạn xã hội, Từ xu thế đó khiến học sinh giảm bớt hứngthú, động lực học tập.
Ngoài ra, việc thi theo hình thức trắc nghiệm đối với môn Hóa học cũng là lí
do của phần đông học sinh ngại giải các bài tập đề dài và khó Hơn nữa, hệ thốngbài tập trong sách giáo khoa chỉ là định hướng chung cho việc khai thác kiến thức
cơ bản, trong khi đó trình độ của học sinh lại hết sức đa dạng, được phân chia thànhnhiều đối tượng khác nhau, không phải nơi nào, lớp nào cũng như nhau
III Giải pháp và tổ chức thực hiện
Khi tham gia phản ứng hoá học, tuỳ theo tác nhân khử và nồng độ của axitnitric, nguyên tố nitơ có thể bị khử thành NO2, NO, N2O, N2, NH4NO3 Trong đề tàinày sẽ chú trọng vào phản ứng tạo ra muối amoni
1 Cơ sở lý thuyết
- Trong những năm gần đây, trong đề thi học sinh giỏi của các tinh và đề thiĐại học (nay gọi là trung học phổ thông Quốc gia) bao giờ cũng có câu hỏi về kimloại tác dụng với dung dịch chứa ion nitrat trong môi trường axit tạo muối amoni.Phản ứng tạo muối amoni là một trong những dạng bài tập hóa vô vơ hay và khó.Nếu như đề thi trước năm 2014 dừng lại ở việc tạo ra NH4NO3 thì từ năm 2014 đếnnay, mức độ khó đã tăng lên đáng kể Phản ứng vẫn tạo ra NH4NO3 nhưng sau đóion NO 3 bị khử hết thành các sản phẩm khác
- Dấu hiệu nhận biết phản ứng tạo muối NH4NO3: Khi cho các kim loại hoạtđộng hóa học mạnh hoặc hỗn hợp chất rắn chứa kim loại hoạt động hóa học mạnh
như Ba, Ca, Mg, Al, Zn, vào dung dịch axit nitric rất loãng thì phản ứng có thể
tạo ra muối amoni
- Một số kinh nghiệm trong việc phân tích đề:
+ Khi cho các kim loại hoạt động hóa học mạnh hoặc hỗn hợp chất rắn chứa
kim loại hoạt động hóa học mạnh như Ba, Ca, Mg, Al, Zn, vào dung dịch axit
nitric loãng hoặc dung dịch hỗn hợp chứa đồng thời các ion NO3- và H+ thì với các
dữ kiện sau đây chứng tỏ phản ứng tạo thành dung dịch chứa ion NH4+:
Trang 9* Cho dung dịch kiềm vào dung dịch sau phản ứng và đun nóng thấythoát ra khí mùi khai.
* Số mol electron nhường lớn hơn số mol electron nhận để tạo khí(như N2O, NO, N2, H2)
* Khối lượng muối thu được theo bài ra lớn hơn khối lượng muối củakim loại
* Số mol của nguyên tố N trong HNO3 ban đầu lớn hơn tổng số molcủa nguyên tố N trong muối của kim loại và sản phẩm khí
+ Khi cho kim loại vào dung dịch chứa đồng thời các ion NO3- và H+ mà sảnphẩm tạo thành có khí H2 chứng tỏ ion NO3- hết
+ Khi cho kim loại sắt hoặc hỗn hợp chất rắn chứa sắt, hợp chất sắt (II) vàodung dịch chứa đồng thời các ion NO3- và H+ mà sản phẩm tạo thành có khí H2chứng tỏ ion NO3- hết và dung dịch thu được chứa ion Fe2+, không có ion Fe3+
+ Khi cho kim loại sắt hoặc hỗn hợp chất rắn chứa sắt, hợp chất sắt (II) vàodung dịch chứa đồng thời các ion Cl-, NO3- và H+, sau đó cho dung dịch AgNO3 vàodung dịch thu được tạo thành kết tủa thì thường là dung dịch thu được chứa đồngthời ion Fe2+ và Fe3+, kết tủa tạo thành gồm AgCl và Ag:
Ag+ + Cl- → AgCl↓
Ag+ + Fe2+ → Ag↓ + Fe3+
- Khi giải các bài tập về vấn đề nêu trên, chúng ta cần kết hợp linh hoạt cácđịnh luật bảo toàn (như bảo toàn khối lượng, bảo toàn nguyên tố, bảo toàn electron,bảo toàn điện tích) để giải nhanh bài tập
2 Bài tập minh họa
2.1 Bài tập về axit nitric trong đề thi học sinh giỏi
Câu 1: Cho 7,8 gam X gồm Al và Mg vào 1 lít HNO3 1M được dung dịch Y
và 1,792 lít hỗn hợp khí Z gồm N2 và N2O (đktc) có tỉ khối so với H2 bằng 18 Cho
từ từ dung dịch NaOH 1M vào Y đến khi lượng kết tủa không đổi thì cần 1,03 lít
Cô cạn dung dịch Y thu được m gam muối Xác định m Biết rằng quá trình cô cạnkhông xảy ra phản ứng (Trích đề thi Casio Thanh Hóa năm học 2016 – 2017)
Giải:
Ta có : nZ = 0,08 mol; mZ = 0,08.2.18 = 2,88 gam
Trang 10Gọi số mol của N2 và N2O có trong hỗn hợp Z lần lượt là a và b.
Bảo toàn electron: 3x + 2y – 8z = 10.0,04 + 8.0,04 = 0,72 (II)
Lượng H+ phản ứng: 12H+ + 2NO3- + 10e → N2 + 6H2O
10H+ + 2NO3- + 8e → N2O + 5H2O10H+ + NO3- + 8e → NH4+ + 3H2O
Số mol H+ đã phản ứng = 10z + 12.0,04 + 10.0,04 = 10z + 0,88 mol
Số mol H+ dư = 1 – (10z + 0,88) = 0,12 – 10z mol
Cho dung dịch NaOH vào dung dịch Y :
H+ + OH- → H2O
NH4+ + OH- → NH3 + H2O
Al3+ + 4OH- → Al(OH)4
-Mg2+ + 2OH- → Mg(OH)2
Từ (I), (II) và (III) → x = 0,2; y = 0,1 và z = 0,01
Cô cạn dung dịch Y thu được 0,2 mol Al(NO3)3; 0,1 mol Mg(NO3)2 và 0,01mol NH4NO3 có khối lượng = 0,2.213 + 0,1.148 + 0,01.80 = 58,2 gam
Đáp số: m = 58,2 gam
Câu 2: Hòa tan hoàn toàn 3,6 gam Mg trong 500ml dung dịch HNO3 0,8M,phản ứng kết thúc thu được 448 ml một khí X (ở đktc) và dung dịch Y có khốilượng lớn hơn khối lượng dung dịch HNO3 ban đầu là 3,04 gam Để phản ứng hếtvới các chất có trong Y cần vừa đủ V ml dung dịch NaOH 2M Tính V
Trang 11Đáp số: V = 173,75 ml
Câu 3: Hòa tan hoàn toàn 216,55 gam hỗn hợp KHSO4 và Fe(NO3)3 vàonước được dung dịch X Cho m gam hỗn hợp Y gồm Mg, Al, MgO, Al2O3 (trong đóoxi chiếm về khối lượng) tan hết vào X, sau khi các phản ứng kết thúc thu đượcdung dịch Z chỉ chứa muối trung hòa và 2,016 lít (đktc) hỗn hợp khí T có tổng khốilượng 1,84 gam gồm (H2 và các khí là sản phẩm khử của N+5), trong đó chiếm về
Trang 12thể tích H2 và nitơ chiếm về khối lượng Cho BaCl2 dư vào Z thu được 356,49gam kết tủa Tìm giá trị của m
(Trích đề thi HSG 11 tỉnh Nghệ An năm học 2016 – 2017)
Giải:
Theo bài ra, ta có 0,09 mol hỗn hợp khí T gồm 0,04 mol H2 và 0,05 mol NaOb (là các khí trong sản phẩm khử của N+5)
Trong NaOb có mN = 1,84 = 1,12 gam và mO = 1,84 – 1,12 – 2.0,04 = 0,64 gam
nên nN = = 0,08 mol → số nguyên tử N = = 1,6
nO = = 0,04 mol → số nguyên tử O = = 0,8
Vậy các khí là sản phẩm khử của N+5 có công thức N1,6O0,8
Số mol BaSO4 = 1,53 mol số mol KHSO4 = 1,53 mol số mol H+ = 1,53 mol
Từ 216,55 gam hỗn hợp KHSO4 và Fe(NO3)3 Số mol Fe(NO3)3 = 0,035 mol
Do phản ứng tạo khí H2 nên NO3- hết Sơ đồ phản ứng:
Bảo toàn nguyên tố N: = 3.0,035 – 1,6.0,05 = 0,025 mol
Lượng H+ pư: 8H+ + 1,6NO3- + 6,4e N1,6O0,8 + 4H2O
2H+ + 2e H2
10H+ + NO3- + 8e NH4+ + 3H2O 2H+ + O2- H2O
Theo phản ứng: = 8.0,05 + 2.0,04 + 10.0,025 + 2.nO = 1,53 → nO = 0,4 mol Trong X, oxi chiếm 64/205 về khối lượng nên: m = 0,4.16 = 20,5 gam
Trang 13Đáp số: m = 20,5 gam.
Câu 4: Cho 12,56 gam hỗn hợp gồm Mg và Mg(NO3)2 tan vừa đủ trongdung dịch hỗn hợp chứa 0,98 mol HCl và x mol KNO3 Sau phản ứng thu đượcdung dịch Y chỉ chứa muối clorua và 0,04 mol khí N2 Cô cạn cẩn thận Y thu được
m gam muối khan Tính m
(Trích đề thi HSG 11 tỉnh Thanh Hóa năm học 2017 – 2018)
Giải:
Gọi y, z lần lượt là số mol của Mg và Mg(NO3)2 → 24y + 148z = 12,56 (1)
Trong dung dịch Y có thể có NH4+, = y + 2z (mol)
Sơ đồ phản ứng:
+ → + N2 + H2O
Bảo toàn nguyên tố với N: n NH 4 x 2z 0,08 (mol)
Bảo toàn điện tích trong Y: 2(y + z) + x + (x + 2z – 0,08) = 0,98
→ x + y + 2z = 0,53 (2)Bảo toàn electron: 2y = 8(x + 2z – 0,08) + 10.0,04 → 4x – y + 8z = 0,12 (3) Giải hệ phương trình (1), (2), (3), ta được: x = 0,09; y = 0,4; z = 0,02
→ m = 0,42.24 + 0,09.39 + 0,05.18 + 0,98.35,5 = 49,28 gam
Đáp số: m = 49,28 gam
2.2 Bài tập về axit nitric trong đề thi trung học phổ thông quốc gia
Câu 1: Cho 7,65 gam hỗn hợp X gồm Al và Al2O3 (trong đó Al chiếm 60%khối lượng) tan hoàn toàn trong dung dịch Y gồm H2SO4 và NaNO3, thu được dungdịch Z chỉ chứa 3 muối trung hòa và m gam hỗn hợp khí T (trong T có 0,015 mol
H2) Cho dung dịch BaCl2 dư vào Z đến khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn, thu