Phương pháp quy đổi trong giải bài tập hóa học

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HÓATRƯỜNG THPT YÊN ĐỊNH 1 SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM PHƯƠNG PHÁP QUY ĐỔI TRONG GIẢI BÀI TẬP HÓA HỌC Người thực hiện: Đỗ Tiến Dũng Chức vụ: Giáo viên SKKN thuộc m

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HÓA

TRƯỜNG THPT YÊN ĐỊNH 1

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

PHƯƠNG PHÁP QUY ĐỔI

TRONG GIẢI BÀI TẬP HÓA HỌC

Người thực hiện: Đỗ Tiến Dũng Chức vụ: Giáo viên

SKKN thuộc môn: Hóa học

THANH HÓA, NĂM 2021

1 MỞ ĐẦU

1.1 LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Trong bối cảnh mới và xu thế mới của giáo dục hiện đại, tình hình kinh tế –xã hội mới của đất nước trong thời kì công nghiệp hóa, hiện đại hóa, thực tiểncủa đời sống đã đặt ra những yêu cầu cho giáo dục THPT là đổi mới phươngpháp dạy học trong nhà trường theo định hướng “ Phương pháp giáo dục phổthông phải phát huy tính tích cực, tự giác, chủ động, sáng tạo của học sinh; phuhợp với đặc điểm của từng lớp học, môn học; bồi dưỡng phương pháp tự học,khả năng làm việc theo nhóm; rèn luyện kĩ năng vận dụng kiến thức vào thựctiển; tác động đến tình cảm, đem lại niềm vui, hứng thú trong học tập cho họcsinh” Từ đó giáo viên phải biết lồng ghép các dạng bài tập phu hợp vào bàigiảng để học sinh dễ dàng tiếp nhận kiến thức bài học

Qua những buổi làm bài tập và kiểm tra cho thấy đa số học sinh chỉ biết giảibài tập oxi hóa – khử, bài tập hổn hợp hữu cơ theo cách thông thường (viết cácphương trình phản ứng, lập các phương trình đại số,…) với cách giải này, họcsinh mất rất nhiều thời gian, thậm chí có một số bài học sinh còn không tìm rađáp số Chính vì vậy, việc tìm ra những phương pháp giải mới là rất có giá trị,đặc biệt là các phương pháp giải nhanh

Xuất phát từ suy nghĩ đó,Tôi đã lựa chọn đề tài : “PHƯƠNG PHÁP QUY ĐỔI TRONG BÀI TẬP HÓA HỌC ” nhằm phục vụ cho công việc giảng dạy,

giúp học sinh có hướng tư duy logic và làm tư liệu cho đồng nghiệp tham khảo

1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU :

- Nhằm giúp giáo viên đứng lớp cải thiện phương pháp giảng dạy và nâng caochất lượng bài giảng

- Giúp học sinh giải nhanh các bài tập hóa học phức tạp

1.3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU :

Áp dụng cho các bài tập hóa học phức tạp, bài tập hóa học gồm hổn hợp nhiềuchất, nhiều giai đoạn oxi hóa – khử, nhiều hợp chất hữu cơ khác nhau

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu lý luận: Nghiên cứu các tài liệu về bài tập trong SGK và các bàitập vận dụng , vận dụng cao trong các đề thi THPT Quốc Gia

Nghiên cứu thực tiễn: Khảo sát năng lực học sinh trong vấn đề tiếp cận vàgiải quyết bài toán có các số liệu ở dạng tương đối

Thực nghiệm sư phạm : Tiến hành dạy thực nghiệm một số tiết ở các lớpđể xem xét tính khả thi và hiệu quả của đề tài

2 NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

2.1 CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA VẤN ĐỀ:

Quy đổi là một phương pháp biến đổi toán học nhằm đưa bài toán ban đầu làmột hỗn hợp phức tạp về dạng đơn giản hơn, qua đó làm cho các phép tính trởnên dễ dàng, thuận tiện Tuy nhiên để tiến hành quy đổi theo hướng nào thì cũngphải tuân thủ 2 nguyên tắc sau:

- Bảo toàn nguyên tố : tổng số mol nguyên tử mỗi nguyên tố ở hỗn hợp đầuvà hỗn hợp mới phải như nhau

- Bảo toàn khối lượng : tổng khối lượng các chất trước phản ứng bằng tổngkhối lượng các chất sau phản ứng

- Bảo toàn số oxi hóa : tổng số oxi hóa của các nguyên tố trong hai hỗn hợplà như nhau

2.2.THỰC TRẠNG CỦA NỘI DUNG NGHIÊN CỨU.

Trong các năm học 2018-2019, 2019-2020, trước khi dạy bài tập về dạng này, tôi thường cho HS làm một số bài tập nhỏ (kiểm tra 15 phút) để đánh giá mức độ nắm vững kiến thức và kỹ năng làm bài tập dạng này

Tôi thường cho HS làm một số bài tập sau:

Ví dụ 1:Nung 8,4 gam Fe trong không khí, sau phản ứng thu được m gam chất

rắn X gồm Fe, Fe2O3, Fe3O4, FeO Hòa tan m gam hỗn hợp X vào dung dịchHNO3 dư thu được 2,24 lít khí NO2 (đktc) là sản phẩm khử duy nhất Giá trị của

m là

A 11,2 gam.B 10,2 gam C 7,2 gam D 6,9 gam

Ví dụ 2:Đốt cháy m gam hỗn hợp X gồm glixerol, metan, ancol etylic và axit

no, đơn chức mạch hở Y (trong đó số mol glixerol bằng ½ số mol metan) cầnvừa đủ 0,41 mol O2 thu được 0,54 mol CO2 Nếu cho m gam hỗn hợp X tác dụngvới 200ml dung dịch KOH 1,5M, rồi cô cạn thì thu được m’ gam chất rắn khan.Giá trị m’ gần nhất với giá trị nào dưới đây?

Phần lớn các em chưa làm xong, không ra được kết quả

Điểm khá giỏi ít, phần lớn chỉ đạt điểm trung bình hoặc yếu

Nguyên nhân chính là do

+ Học sinh chưa nắm chắc kiến thức cơ bản, còn sai, còn nhầm nhiều

+ Kiến thức bộ môn còn quá hẹp

2.3.GIẢI PHÁP THỰC HIỆN

2.3.1 : Các hướng qui đổi trong hoá học vô cơ :

Một bài toán có thể có nhiều hướng quy đổi khác nhau Trong đó có 3 hướngchính:

a Quy đổi hỗn hợp nhiều chất về hỗn hợp ít chất hơn

+ Trong trường hợp này ta thay vì giữ nguyên hỗn hợp các chất như ban đầu, tachuyển thành hỗn hợp với số chất ít hơn ( cũng của các nguyên tố đó) thường làhỗn hợp chất, thậm chí là một chất duy nhất

+ Thí dụ: Với hỗn hợp các chất gồm Fe, FeO, Fe3O4, Fe2O3 ta có thể chuyểnthành các tổ hợp (Fe và FeO), hoặc (Fe và Fe3O4), hoặc (Fe và Fe2O3), hoặc

(FeO và Fe3O4), hoặc (FeO và Fe2O3), hoặc (Fe3O4 và Fe2O3) thậm chí chỉ là một

“ chất” duy nhất dạng FexOy

Ví dụ 1 Nung m gam bột sắt trong oxi, thu được 6,0 gam hỗn hợp chất rắn X.

Hòa tan hết hỗn hợp X trong dung dịch HNO3 (dư) thoát ra 1,12 lít (ở đktc) NO(là sản phẩm khử duy nhất) Giá trị của m là

Hướng dẫn giải

Sơ đồ hóa bài toán: Khí NO

Fe (1,12 lít đktc)FeO

Fe X Fe3O4

m gam 6,0 gam

Có : nNO = 0,05 mol

Cách 1 Quy đổi hỗn hợp X thành Fe: x mol

Fe2O3 : y mol Theo bảo toàn khối lượng: 56x + 160y = 6,0 (1)

Các quá trình nhường, nhận electron:

Fe → Fe+3 + 3e ; N+5 + 3e → N+2

x 3x 0,15 0,05Theo bảo toàn electron: 3x = 0,15 => x= 0,05 (2)

x = 0,05 Fe: 0,05 molTừ (1) và (2) => Vậy X gồm

y = 0,02 Fe2O3 : 0,02 molTheo bảo toàn nguyên tố đối với Fe:

∑nFe= nFe + 2nFe2O3 = 0,09 mol => m = 56.0,09 = 5,04 → Đáp án A

Fe: x mol

Cách 2 Quy đổi hỗn hợp X thành

Theo bảo toàn khối lượng: 56x + 72y = 6,0 (3)

Các quá trình nhường, nhận electron:

Feo → Fe+3 + 3e ; Fe+2 → Fe+3 + 1e ; N+5 + 3e → N+2

x 3x y y 0,15 0,05Theo bảo toàn electron: 3x + y = 0,15 (4)

x = 0,03 Fe: 0,03 molTừ (3) và (4) => Vậy X gồm

y = 0,06 FeO : 0,06 molTheo bảo toàn nguyên tố đối với Fe:

∑nFe= nFe + nFeO = 0,09 mol => m = 56.0,09 = 5,04 → Đáp án A.

FeO: x mol

Cách 3 Quy đổi hỗn hợp X thành

Fe2O3 : y mol Theo bảo toàn khối lượng: 72x + 160y = 6,0 (5)

Các quá trình nhường, nhận electron:

Fe+2 → Fe+3 + 1e ; N+5 + 3e → N+2

x x 0,15 0,05Theo bảo toàn electron: x = 0,15 (6)

x = 0,15 FeO : 0,15 molTừ (5) và (6) => Vậy X gồm

y = - 0,03 Fe2O3 : - 0,03 molTheo bảo toàn nguyên tố đối với Fe:

∑nFe= nFeO + 2nFe2O3 = 0,09 mol => m = 56.0,09 = 5,04 → Đáp án A

* Lưu ý : Do việc quy đổi nên trong một số trường hợp số mol một chất có thể

có giá trị âm nhưng số mol mỗi nguyên tố là không đổi (bảo toàn) => kết quảkhông thay đổi

Ví dụ 2 Nung m gam bột sắt trong oxi, thu được 39,2 gam hỗn hợp chất rắn X.

Hòa tan hết hỗn hợp X trong dung dịch HNO3 (dư) thoát ra 2,24 lít (ở đktc) NO2(là sản phẩm khử duy nhất) Khối lượng muối thu được sau phản ứng là

A 222 gam B 121 gam C 72,62 gam D 69,32 gam

Hướng dẫn giải :

Sơ đồ hóa bài toán:

Khí NO2

Fe (2,24 lít đktc)FeO

Fe2O3 : y mol Theo bảo toàn khối lượng: 72x + 160y = 39,2 (1)

Các quá trình nhường, nhận electron:

Fe+2 → Fe+3 + 1e ; N+5 + 1e → N+4

x x 0,1 0,1Theo bảo toàn electron: x = 0,1 (2)

x = 0,1 FeO : 0,1 molTừ (1) và (2) => Vậy X gồm

y = 0,2 Fe2O3 : 0,2 molTheo bảo toàn nguyên tố đối với Fe:

∑nFe(NO3)3= nFeO+ 2nFe2O3 = 0,5 mol => mmuối = 242.0,5 = 121 (gam) →Đáp án B

* Bài tập áp dụng :

Bài 1: Cho 11,36 gam hỗn hợp gồm Fe, FeO, Fe2O3 và Fe3O4 phản ứng hết vớidung dịch HNO3 loãng (dư), thu được 1,344 lít khí NO (spk duy nhất ở đktc) vàdung dịch X Cô cạn dung dịch X thu được m gam muối khan Giá tị của m là

Bài 2: Nung m gam bột Cu trong oxi thu được 24,8 gam hỗn hợp chất rắn X

gồm Cu, CuO và Cu2O Hòa tan hoàn toàn X trong H2SO4 đặc nóng thoát ra 4,48lít khí SO2 duy nhất (đktc) Giá trị của m là

Bài 3: Đốt cháy 6,72 gam bột Fe trong không khí thu được m gam hỗn hợp X

gồm FeO2, Fe3O4, Fe2O3 và Fe dư Để hòa tan X cần dung vừa hết 255ml dungdịch chứa HNO3 2M, thu được V lít khí NO2 (sản phẩm khử duy nhất, do ởđktc) Giá trị của m, V lần lượt là

A 8,4 và 3,360 B 8,4 và 5,712 C 10,08 và 3,36 D 10,08 và 5,712

Bài 4: Hỗn hợp A gồm sắt và 2 oxit của nó Cho m gam A tácdụng với dung dịch H2SO4 đặc nóng dư đến phản ứng hoàn toànthu được dung dịch Y và thoát ra 2,24 lít SO2 ( đktc ) Cho dungdịch NaOH dư vào Y thu được kết tủa Z Nung Z tới khối lượngkhông đổi thì thấy khối lượng giảm 7,02 gam Giá trị của m là

b Quy đổi hỗn hợp nhiều chất về các nguyên tử tương ứng:

+ Thông thường ta gặp bài toán hỗn hợp nhiều chất nhưng về bản chất chỉgồm một số nguyên tố Do đó có thể quy đổi thẳng hỗn hợp đầu về hỗn hợpchỉ gồm các nguyên tử tương ứng

+ Thí dụ: hổn hợp (Fe, FeS, FeS2, Cu, CuS, Cu2S, S) (Cu, Fe, S)

Ví dụ 1: Hoà tan 20,8 gam hỗn hợp bột X gồm FeS, FeS2, S bằng dung dịch HNO3 đặc nóng dư thu được 53,76 lít NO2 (sản phẩm khử duy nhất, ở đkc ) và dung dịch A Cho dung dịch A tác dụng với dung dịch NaOH dư, lọc lấy toàn bộkết tủa nung trong không khí đến khối lượng không đổi thì khối lượng chất rắn thu được là

A 16 gam B 9 gam C 8,2 gam D 10,7 gam

Hướng dẫn giải :

Sơ đồ hóa bài toán:

Fe3+ dung dịch

S dd A SO42- dd NaOHdư

Hổn hợp X FeS ddHNO3 NO3

FeS2 H+ Fe(OH)3 20,8 gam NO2(53,76 lít ) t0

Fe2O3(rắn)

Có : nNO2 = 2,4 mol

Fe: x mol Quy đổi hỗn hợp X thành

S: y mol Theo bảo toàn khối lượng: 56x + 32y = 20,8 (1)

Các quá trình nhường, nhận electron:

y = 0,3 S : 0,3 mol

Theo bảo toàn nguyên tố đối với Fe:

nFe2O3 = 1/2nFe = 0,1 mol => mrắn = 160.0,1 = 16 (gam) → Đáp án A

Ví dụ 2: Hòa tan hoàn toàn 10,44 gam một oxit sắt bằng dung dịch H2SO4 đặc, nóng (vừa đủ) thu được dung dịch X và 1,624 lít khí SO2 (sản phẩm khử duy nhất, ở đktc) Cô cạn dung dịch X, thu được m gam muối sunfat khan Công thức oxit sắt và giá trị của m là

A Fe2O3 và 29,2 B Fe3O4 và 29

C FeO và 29 D Không xác định

Hướng dẫn giải :

Sơ đồ hóa bài toán :

H2SO4 đặc,nóng SO2( 1,624 lít )

O: b mol Theo bảo toàn khối lượng: 56a + 16b = 10,44 (1)

Các quá trình nhường, nhận electron:

Fe0 → Fe+3 + 3e

a 3a

O0 + 2e → O-2

b 2b

S+6 + 2e → S+4 ; 0,145 0,0725

Theo bảo toàn electron: 3a - 2b = 0,145 (2)

a = 0,145 Fe : 0,145 molTừ (1) và (2) => Vậy X gồm

b = 0,145 O : 0,145 mol

+ Tìm công thức Oxit sắt :

x : y = nFe : nO = 0,145 : 0,145 = 1 : 1

=> CT oxit sắt là : FeO

+ Theo bảo toàn nguyên tố đối với Fe:

n Fe2(SO4)3 = 1/2nFe = 0,0725 mol => mmuối = 400.0,0725 = 29 (gam) → Đáp án C

Ví dụ 3 : Cho m gam hỗn hợp gồm Na, Na2O, K2O vào H2O dư, thu được 50

ml dung dịch X và 0,02 mol H2 Cho 50 ml dung dịch HCl 3M vào X, thu được

100 ml dung dịch Y có pH = 1 Cô cạn Y thu được 9,15 gam chất rắn khan Giátrị của m gần nhất với giá trị nào sau đây?

Hướng dẫn giải :

Qui đổi hổn hợp thành

+ H2O -> + H2

+ HCl -> Y

nH+ ( sau pư ) = 0,1.0,1 = 0,01 mol => nOH- = 0,15 – 0,01 = 0,14 mol

Bảo toàn điện tích => a + b = 0,14 (1)

Mặt khác, rắn trong Y gồm Na+ a mol, K+ b mol, Cl- a +b mol

xM vào Y, được biểu diễn theo hình vẽ:

Giá trị của x gần nhất với

Hướng dẫn giải :

► Quy X về Al, Ca và C Dễ thấy C kiểu gì cũng đi hết vô khí và khi đốt khí thì

đi vào CO₂

||⇒ nC = nCO₂ = 0,9 mol

Đặt nAl = m; nCa = n ⇒ mX = 27m + 40n + 0,9 × 12 = 40,3(g)

BTNT(O) ⇒ nO₂ = 1,475 mol BT electron: 3m + 2n + 0,9 × 4 = 1,475 × 4

||⇒ giải hệ cho: m = 0,5 mol; n = 0,4 mol

► Dễ thấy Y gồm Ca²⁺, AlO₂⁻, OH⁻⇒ nCa²⁺ = 0,4 mol; nAlO₂⁻ = 0,5 mol BTĐT:

nOH⁻ = 0,3 mol

Nhìn đồ thị ⇒ cả 2TH trên thì HCl đều dư và hòa tan 1 phần ↓

⇒ ta có CT: nH⁺ = 4nAlO₂⁻ – 3n↓ (với H⁺ chỉ tính phần pứ với AlO₂⁻và

Al(OH)₃)

||► Áp dụng: (0,56x – 0,3) = 4 × 0,5 – 3 × 3a và (0,68x – 0,3) = 4 × 0,5 – 3 × 2a

||⇒ giải hệ có: x = 2,5; a = 1 ||⇒ chọn C

* Bài tập áp dụng :

Bài 1: Hòa tan hoàn toàn a gam hỗn hợp X gồm Fe , FeS , FeS2 và

S vào dung dịch HNO3 loãng dư , giải phóng 8,064 lít NO ( là sảnphẩm khử duy nhất ở đtkc ) và dung dịch Y Cho dung dịchBa(OH)2 dư vào dung dịch Y thu được kết tủa Z Hòa tan hếtlượng kết tủa Z bằng dung dịch HCl dư , sau phản ứng còn lại30,29 gam chất rắn không tan Giá trị của a là

C FeO hoặc Fe3O4 D Không đủ dữ kiện để xác định

Bài 3: Hòa tan hoàn toàn a gam một oxit sắt bằng H2SO4 đặc nóng thấy thoát rakhí SO2 duy nhất Trong thí nghiệm khác, sau khi khử hoàn toàn cũng a gam oxitđó bằng CO ở nhiệt độ cao rồi hòa tan lượng sắt tạo thành bằng H2SO4 đặc nóngthì thu được lượng khí SO2 nhiều gấp 9 lần lượng khí SO2 ở thí nghiệm trên.Công thức của oxit sắt là

A FeO B Fe2O3 C Fe3O4 D FeCO3

Bài 4: Hỗn hợp X: FeS, FeS2, CuS tan vừa hết trong dung dịch chứa 0,33 mol H2SO4 đặc sinh ra 0,325 mol khí SO2 và dung dịch Y Nhúng thanh Fe nặng 50g vào Y, phản ứng xong thấy thanh Fe nặng 49,48g và thu đc dung dịch Z Cho Z phản ứng với HNO3 đặc, dư sinh ra khí NO2 duy nhất và còn lại dung dịch E (không chứa NH4+) Cho dung dịch E bay hơi hết được m(g) muối khan Giá trị lớn nhất của m là

A 18,19 B.20,57 C 21,33 D 27,41

Bài 5 : Hòa tan hết m gam hỗn hợp bột gồm Mg, Al, Al2O3 và MgO bằng 800

ml dung dịch hỗn hợp gồm HCl 0,5M và H2SO4 0,75M (vừa đủ) Sau phản ứngthu được dung dịch X và 4,48 lít khí H2 (ở đktc) Cô cạn dung dịch X thu được88,7 gam muối khan Giá trị của m là:

A 26,5gam B.35,6gam. 27,7C. gam D 32,6gam.

Bài 6 : Cho 30,7 gam hỗn hợp Na, K, Na2O, K2O tác dụng với dd HCl vừa đủ

thu được 2,464 lít H2 (đktc) và dung dịch chứa 22,23 gam NaCl và x gam KCl.Giá trị của x là:

A.32,78 B. 35,76 C.34,27 D.31,29

Câu 7 : Hỗn hợp X gồm Na, Ba, Na2O và BaO Hòa tan hoàn toàn 21,9 gam X

vào nước, thu được 1,12 lít khí H2(đktc) và dung dịch Y, trong đó có 20,52gam Ba(OH)2 Hấp thụ hoàn toàn 6,72 lít khí CO2 (đktc) vào Y, thu được mgam kết tủa Giá trị của mlà:

A.23,64 B.21,92 C.39,40 D. 15,76

c Quy đổi tác nhân oxi hóa trong phản ứng oxi hóa khử:

+ Với những bài toán trải qua nhiều giai đoạn oxi hóa khác nhau bởi nhữngchất khác nhau, ta có thể quy đổi vai trò oxi hóa của chất oxi hóa này chochất 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 (ĐLBT electron)

• Do sự thay đổi tác nhân oxi hóa → có sự thay đổi sản phẩm cho phu hợp+ Thông thường ta hay gặp dạng bài sau:

Kim loại Hổn hợp sản phẩm trung gian Sản phẩm cuốiThí dụ: Quá trình oxi hóa hoàn toàn Fe thành Fe3+

Ví dụ 1 Oxi hóa chậm m gam Fe ngoài không khí thu được 12 gam hỗn hợp X

gồm FeO, Fe3O4, Fe2O3 và Fe dư Hòa tan hoàn toàn X trong HNO3 thu được2,24 lít NO (chất khử duy nhất ở đktc) Giá trị m là

Hướng dẫn giải :

Sơ đồ hóa bài toán: Khí NO

Fe (2,24 lít đktc)+ O2 FeO + HNO3

Fe X Fe3O4

Fe2O3 Dung dịch Fe3+

12 gam

Ta có : nNO = 0,1 mol

Thay vai trò oxi hóa của HNO3 bằng [ O] lúc này sản phẩm cuối cung thu đượclà Fe2O3 có:

Fe + O2 FeO + O(*)

=> no(*) = 0,3/2 => no(*) = 0,15 mol

Theo bảo toàn khối lượng: mFe2O3(*) = mx + mo(*) = 12 + 16.0,15 = 14,4 gamTheo bảo toàn nguyên tố đối với Fe:

nFe = 2nFe2o3(*) = 2.14,4/160 = 0,18 mol

=> m = 56.0,18 = 10,08 gam → Đáp án C

* Lưu ý : Phương án quy đổi tốt nhất, có tính khái quát cao nhất là quy đổi

thẳng về các nguyên tố tương ứng Đây là phương án cho lời giải nhanh, gọn vàdễ hiểu, đồng thời biểu thức bản chất hóa học của bài toán

2.3.2 Qui đổi trong hoá hữu cơ :

Kĩ thuật quy đổi :Đồng đẳng hóa (tách – ghépCH2)

Một số kỹ thuật liên quan : + Hiđro hóa (tách – ghép liên kết π)

+ Ankan hóa (tách – ghép nhómchức) + Thủy phân hóa (tách – ghépeste)

ĐỒNG ĐẲNGHOÁ

* Giới thiệu kĩ thuật – Cơ sở quyđổi

Ta biết rằng các chất thuộc cung một dãy đồng đẳng hơn kém nhau một hoặc