Hướng dẫn học sinh lớp 11 sử dụng công thức đốt cháy và phương pháp quy đổi trong giải toán hỗ hợp HIĐROCACBON

Với việc sử dụng phương pháp này,những bài toán về hỗn hợp hiđrocacbon sẽ được giải quyết một cách rất ngắn gọn và đơn giản.. Trong quá trình giảng dạy môn Hóa học, tôi nhận thấ

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HÓA

TRƯỜNG THPT LÊ LỢI

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

TÊN ĐỀ TÀI

HƯỚNG DẪN HỌC SINH LỚP 11 SỬ DỤNG CÔNG THỨC ĐỐT CHÁY VÀ PHƯƠNG PHÁP QUY ĐỔI TRONG GIẢI TOÁN HỖN HỢP HIĐROCACBON

1 PHẦN MỞ ĐẦU

1.1 Lý do chọn đề tài

Trong chương trình hoá học hữu cơ ở cấp trung học phổ thông, bài toán vềhỗn hợp hiđrocacbon là bài toán quan trọng, phổ biến Cách giải những bài toánnày được đề cập trong các tài liệu tham khảo với nhiều cách giải khác nhau Tuynhiên, ta nhận thấy có một phương pháp rất hiệu quả giải quyết được phần lớn cácbài tập dạng này đó là phương pháp quy đổi Với việc sử dụng phương pháp này,những bài toán về hỗn hợp hiđrocacbon sẽ được giải quyết một cách rất ngắn gọn

và đơn giản

Trong quá trình giảng dạy môn Hóa học, tôi nhận thấy khi gặp những bàitập về hỗn hợp hiđrocacbon tâm lý chung của học sinh là rất ngại và lúng túng Với mong muốn giúp các em học sinh lớp 11, 12 thay đổi tâm lý khi gặp các bàitoán về hỗn hợp hiđrocacbon và có cách tiếp cận, giải quyết các bài toán nàymột cách nhẹ nhàng tôi mạnh dạn chọn đề tài sáng kiến kinh nghiệm:

“ Hướng dẫn học sinh lớp 11 sử dụng công thức đốt cháy và phương pháp quy đổi trong giải toán hỗn hợp hiđrocacbon”

Phương pháp này cũng đúng cho hỗn hợp gồm hiđrocacbon và H2

Tôi hy vọng đề tài này sẽ là một tài liệu tham khảo phục vụ tốt cho việc học tập của học sinh lớp 11 và cho công tác giảng dạy của các bạn đồng nghiệp

1.2 Mục đích nghiên cứu

Phải hình thành cho học sinh được các bước để giải một bài toán, kèmtheo đó là tập cho học sinh thói quen phân tích đề bài và định hướng được cáchlàm, đây là một kỹ năng rất quan trọng đối với việc giải bài tập hỗn hợphiđrocacbon

Do đó, để hình thành được kỹ năng làm bài tập hỗn hợp hiđrocacbon giáo viênphải rèn luyện cho học sinh tư duy định hướng khi đứng trước một bài toán vàkhả năng phân tích đề bài Khi sử dụng “phương pháp quy đổi” để giải quyết cácbài tập hỗn hợp hiđrocacbon đã tiết kiệm được rất nhiều thời gian, học sinh sẽnhanh chóng và chính xác hơn trong việc lựa chọn đáp án đúng do không phảiviết nhiều phương trình hóa học và không phải thực hiện các phép toán phứctạp, dễ nhầm lẫn Thay vào đó học sinh chỉ phải sử dụng các phép toán đơn giản

và ít viết phương trình hóa học

Trên cơ sở tìm hiểu lý luận và thực tiễn, đề tài xây dựng và sử dụng hệthống bài tập hỗn hợp hiđrocacbon, giúp học sinh định hướng, nắm vững cáchgiải các bài tập liên quan

1.3 Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu cấu tạo và tính chất của hiđrocacbon Từ đó tìm phương pháp giải cho phù hợp

Đề tài được trực tiếp áp dụng ở lớp 11A1 và 11A2 của trường trung họcphổ thông tôi đang trực tiếp giảng dạy

1.4 Phương pháp nghiên cứu

1.4.1 Phương pháp nghiên cứu xây dựng cơ sở lý thuyết

Khi nghiên cứu đề tài này, tôi đã sử dụng một số phương pháp nghiên cứusau:

- Nghiên cứu phương pháp giải bài toán hóa học.

- Nghiên cứu sách giáo khoa, các loại sách tham khảo để tìm khái niệm,tính chất của hiđrocacbon

Nghiên cứu đề thi đại học, đề thi trung học phổ thông Quốc gia, thi tốt nghiệp các năm có liên quan đến hiđrocacbon

Để rút ra một số nhận xét và phương pháp giúp học sinh giải được các bài toánliên quan tới hiđrocacbon

1.4.2 Phương pháp điều tra thực tế, thu thập thông tin

Thông qua việc dạy và học môn Hóa học ở lớp 11 trung học phổ thông,tôi tổ chức thực nghiệm sư phạm để xem xét tính khả thi của đề tài Đó là giúphọc sinh rút ra một số nhận xét và phương pháp giải các bài toán liên quan tớihỗn hợphiđrocacbon

1.4.3 Phương pháp thống kê, xử lý số liệu

Tiến hành dạy học và kiểm tra khả năng ứng dụng của học sinh nhằmbước đầu minh chứng cho khả năng giải quyết các bài toán thực tế liên quan tớihiđrocacbon

Nghiên cứu định tính: Mô tả, giải thích hành vi học tập của học sinh khi được giảng dạy theo kế hoạch bài học được thiết kế trong đề tài

Nghiên cứu định lượng: Thu thập, tổng hợp kết quả bài kiểm tra để xem xét hiệu quả việc sử dụng các phương án giải quyết vấn đề vào dạy học

2 NỘI DUNG 2.1 Cơ sở lý luận[4]

2.1.1 Phương pháp quy đổi là gì?

Bản chất của quy đổi là biến một hỗn hợp các chất phức tạp khó xử lý về hỗnhợp đơn giản dễ xử lý

Tùy thuộc vào mối liên hệ mà chúng ta có những hướng quy đổi hỗn hợp sao cho có lợi nhất

2.1.2 Hiđrocacbon

Thành phần phân tử: Chứa 2 nguyên tố: cacbon và hiđro

Các loại hiđrocacbon học trong chương trình lớp 11:

Hiđrocacbon no: ankan: CnH2n +2(n≥ 1)

Hiđrocacbon không no, gồm:

- Anken CnH2n (n≥ 2), là hiđrocacbon mạch hở, trong phân tử có 1 liên kết đôi C = C

- Ankin CnH2n-2 (n≥ 2), là hiđrocacbon mạch hở, trong phân tử có 1 liên kết

ba C ≡ C

- Ankađien CnH2n-2 (n≥ 3), là hiđrocacbon mạch hở, trong phân tử có 2 liên kết đôi C = C

Hiđrocacbon thơm, gồm:

- Benzen và các đồng đẳng , là hiđrocacbon mạch vòng 6 cạnh có công thức chung là CnH2n -6 (n≥ 6)

- Stiren C8H8

Tính chất hóa học cơ bản

- Các hiđrocacbon đều cháy

- Anken, ankin, ankađien, stiren đều dễ dàng tham gia phản ứng cộng với H2,

Đối với hỗn hợp hiđrocacbon ta có: nH2O - nCO2= nX - nX .k

Và chúng ta cần hiểu rằng nX.k và nX.k là tổng số liên kết kết π và vòng trong hiđrocabon hay hỗn hợp hiđrocabon Chính vì vậy mà đối với hiđrocacbon mạch hở thì nX .k = nH2phản ứng + nBr2phản ứng và nX .k = nH2phản ứng + nBr2phản ứng

2.1.4 Các định luật bảo toàn thường sử dụng

- Bảo toàn khối lượng

- Bảo toàn nguyên tố

2.2 Thực trạng của vấn đề trước khi nghiên cứu sáng kiến kinh nghiệm

2.2.1 Thực trạng đối với học sinh

Nhiều học sinh có kiến thức vững vàng nhưng trong các kì thi khi gặp một

số bài tập về hiđrocacbon, đặc biệt là hỗn hợp nhiều hiđrocacbon vẫn không giảiđược nên không đạt điểm cao như mong muốn Lí do chủ yếu là các em vẫngiải bài tập hóa học theo cách truyền thống, làm mất rất nhiều thời gian, đôi khi

bế tắc trong khi giải toán nên từ đấy không tạo được hiệu quả cao trong việc làmbài thi trắc nghiệm

2.2.2 Thực trạng đối với giáo viên

Với cách thi trắc nghiệm như hiện nay, đổi mới tư duy phương pháp giảỉtoán theo xu hướng mới là tất yếu, người giáo viên nhất thiết phải chú trọng

Với bài toán về hỗn hợp nhiều hiđrocacbon, phải chú ý tới bản chất củachất( cấu tạo, tính chất) để từ đó đưa ra phương pháp giải có căn cứ, có cơ sở

Tiếp cận với loại toán này, cũng còn đang là vấn đề khó khăn đối với giáoviên phổ thông hiện nay Đây là hướng tiếp cận đòi hỏi chúng ta phải có kiếnthức sâu rộng, linh hoạt

2.3 Các giải pháp thực hiện

2.3.1 Hướng dẫn học sinh cách quy đổi hỗn hợp hiđrocacbon

Khi gặp toán hỗn hợp hiđrocacbon ta có thể nghĩ ngay tới phương phápquy đổi

Bất kì hỗn hợp hiđrocacbon nào cũng có thể quy đổi về hỗn hợp C và H2

Tuy nhiên, tùy đặc điểm của hỗn hợp hiđrocacbon đã cho mà người ta có thểquy đổi theo các cách khác nhau, ví dụ :

- Nếu là hỗn hợp các ankan CnH2n+2 người ta quy đổi về H2 và CH2( ở đây cầnhiểu rõ rằng ankan CnH2n+2 sau khi tách H2 ra , phần còn lại là CnH2n và được

“bóp”lại thành CH2

- Trên cơ sở đó nếu hỗn hợp gồm nhiều anken được “bóp”lại thành CH2

- Gặp hỗn hợp C4H6, C6H8 , C2H4 người ta quy đổi về CnHn+2

- Thậm chí, gặp bài toán có hỗn hợp metan, propen và isopren Nhận thấy các chất này có công thức CH4, C3H6, C5H8 và nếu ta “xén” H3 ở mỗi chất đi thì các chất đều còn lại (CH)n và được “bóp” lại thành CH Theo đó , người ta quy đổi hỗn hợp này về CH và H3, trong đó số mol H3 bằng số mol hỗn hợp đầu

- Đôi khi, người ta có thể ghép chất để tạo dãy đồng đẳng, làm cho phép quy đổi

dễ dàng hơn, thuận tiện trong tính toán Thí dụ gặp bài toán cho hỗn hợp X gồm

CH4, C2H4, C3H6 và C4H6 trong đó số mol CH4 bằng số mol C4H6 Vì số mol CH4

bằng số mol C4H6 nên ghép 2 chất này thành 1 chất là C5H10 và lúc đó hỗn hợp Xgồm C2H4, C3H6 và C5H10, đây là những hiđrocacbon có dạng(CH2)n nên có thể

“bóp” lại thành CH2, như vậy hỗn hợp X được quy đổi về CH2

Dù quy đổi bằng cách nào cũng phải dựa trên nguyên tắc : Bảo toànnguyên tố và bảo toàn tổng số số oxi hóa

Khi quy đổi ta cần chú ý đến mối quan hệ giữa số mol chất ban đầu với sốmol từng thành phần trong hỗn hợp mới quy đổi Số mol hỗn hợp sau khi quy

đổi có thể bằng hoặc không bằng số mol hỗn hợp đầu, thí dụ :

+ Quy đổi x mol hỗn hợp C4H6, H2, C2H2 về C a mol

H2 b mol

Trong thường hợp này x ≠ a + b

+ Hỗn hợp gồm x mol: C4H6, H2, C2H4

Nhận thấy: C4H6  −H2→ C4H4 ( C4H4 “bóp”lại thành CH)

C2H4  −H2→ C2H2 (C2H2 “bóp”lại thành CH)

⇒ Quy đổi hỗn hợp x mol C4H6, H2, C2H4 về H2 a mol

CH b mol

Trong thường hợp này x = a

+ Qui đổi x mol hỗn hợp C4H6, C6H8 , C2H4 về CnHn+2 a mol

Trong thường hợp này x = a

+ Qui đổi x mol hỗn hợp CH4, C3H6, C5H8 về H3 a mol

CH b mol

Trong thường hợp này x = a

Vấn đề về mối quan hệ số mol này không khó, nhưng đòi hỏi người giải toánphải nhanh nhạy Có được mối quan hệ số mol đúng, việc giải toán trở nên dễdàng hơn

Phương pháp này chủ yếu áp dụng với những bài toán hỗn hợp hiđrocacbonhoặc hỗn hợp hiđrocacbon và H2 có liên quan đến phản ứng đốt cháy hoặc có kếthợp cả phản ứng với dung dịch brom Ngược lại, khi gặp những bài toán liênquan đến phản ứng với dung dịch AgNO3/NH3 thì phương pháp này không cóhiệu quả vì liên quan đến cấu tạo cụ thể của hiđrocacbon

2.3.2 Hướng dẫn học sinh sử dụng công thức đốt cháy

Khi gặp bài toán hỗn hợp hiđrocacbon A mạch hở mà người ta tiến hànhđồng thời 2 thí nghiệm:

- Đốt cháy A

- Cho A phản ứng với dung dịch Br2

Thì chìa khóa mở cho bài toán chính là công thức đốt cháy

nH2O - nCO2= nX - nX .k trong đó nX .k = nH2phản ứng + nBr2phản ứng

và ở đây chỉ nói đến phản ứng với dung dịch Br2 nên ta có

nH2O - nCO2= nX - nX .k = nX - nBr2phản ứng

2.3.3 Hướng dẫn học sinh giải toán

Giáo viên hướng dẫn học sinh khi gặp bài toán hỗn hợp hiđrocacbon thì :

Bước 1: Đọc kĩ đề để sơ đồ hóa bài toán, bước này khá quan trọng, phải nhìntổng quan xem hỗn hợp hiđrocacbon đã cho có đặc điểm gì chung không , có gìđặc biệt không,…

Bước 2: Quyết định hướng quy đổi, từ đó tìm mối quan hệ số mol hỗn hợp trướcquy đổi với các thành phần trong hỗn hợp sau khi quy đổi

Bước 3: Lập phương trình (hệ phương trình) dựa vào dữ kiện bài toán, trên cơ sở

đó để tìm đáp án cho bài toán

 Một số thí dụ [1]; [2]; [3]

Sau đây là các thí dụ thuộc các dạng qui đổi khác nhau thường gặp khi giải toánhỗn hợp hiđrocacbon

Thí dụ 1: Hỗn hợp X gồm các hiđrocacbon mạch hở C4H4, C4H2, C4H6, C4H8 và

C4H10 Tỉ khối của X so với H2 là 27 Đốt cháy hoàn toàn X, cần dùng vừa đủ V lít O2 (đktc), thu được CO2 và 0,03 mol H2O Giá trị của V là

A 3,696 B 1,232 C 7,392 D 2,464.

Hướng dẫn giải

Nhận xét: Các chất trong X, phân tử đều có 4 nguyên tử C

Thí dụ 2: Đốt cháy hoàn toàn 14,48 gam hỗn hợp X chứa C3H6, C3H4, C4H8,

C4H6 và H2 thu được 20,16 gam H2O Mặt khác, nếu cho một ít bột Ni vào bìnhkín chứa hỗn hợp X trên rồi nung nóng một thời gian thu được hỗn hợp khí Y có

tỷ khối so với H2 là 18,1 Biết các chất trong X đều có mạch hở Nếu sục toàn bộ

Y vào dung dịch nước Br2 dư thì số mol Br2 phản ứng tối đa là

mX = 14,48 g nên ta có 12a + 1,12.2 = 14,48 ⇒ a = 1,02(mol)

- Do bảo toàn nguyên tố C,H nên đốt X thu được bao nhiêu mol CO2 và H2O thìđốt Y thu được bấy nhiêu mol CO2 và H2O nên đốt Y(0,4 mol ) cũng thu được1,12 mol H2O và 1,02 mol CO2 Áp dụng công thức đốt cháy ta có :

A 41,24 B 42,12 C 43,18 D 44,74

Hướng dẫn giải

Nhận xét: - Các chất trong hỗn hợp X lần lượt là H2, C4H6, C4H6 và C2H4 Saukhi bớt H2 ở mỗi hiđrocacbon thì đều còn lại (CH)n Mặt khác do các chất đềucắt đi 1 phân tử H2 nên nH2= nX

- Tuy tiến hành 2 thí nghiệm với lượng chất không bằng nhau nhưng tỉ lệ

Thí dụ 4: Hỗn hợp X gồm các hiđrocacbon mạch hở C2H4, C2H2, C3H8, C4H10

và H2 Lấy 6,32g X cho qua bình đựng dung dịch nước Br2 (dư) thấy có 0,12mol Br2 tham gia phản ứng Mặt khác, đốt cháy hết 2,24 lít khí X (đktc) cầndùng V lít khí O2 (đktc), sau phản ứng thu được 9,68g CO2 Biết các phản ứnghoàn toàn Giá trị của V là

A 7,84 B 8,96 C 5,60 D 6,72

Hướng dẫn giải

Nhận xét: - Khi lấy 6,32 gam X hoặc khi lấy 2,24 lít khí X( đktc) cho tác dụngvới dung dịch Br2 thì tỷ lệ X

Brom

m

n như nhau

Lấy 6,32g X cho qua bình đựng dung dịch nước Br2 (dư) thấy có 0,12 mol

Br2 tham gia phản ứng nên X

− =

158 3

⇒ b = 0,26

Vậy, đốt 0,1 mol X thu được 0,26 mol H2O và 0,22 mol CO2

Bảo toàn nguyên tố O ta có :

A 3,2 B 2,8 C 3,6 D 4,2.

Hướng dẫn giải

Nhận xét: Như đã nói ở mục 3.3.1

Vì số mol CH4 bằng số mol C4H6 nên ghép 2 chất này thành 1 chất là C5H10 vàlúc đó hỗn hợp X gồm C2H4, C3H6 và C5H10, đây là những hiđrocacbon códạng(CH2)n nên có thể “bóp” lại thành CH2, như vậy hỗn hợp X được qui đổi về

CH2

CH2(amol)  +O2 → CO2 (amol) + H2O (amol)

Vì khối lượng dung dịch giảm 7,6 gam nên ta có:

mCaCO3 - mH2O - mCO2 = 7,6

⇒ 100a - 18a - 44a = 7,6 ⇒ a = 0,2(mol)

mX = m = mCH2= 0,2 14 = 2,8(gam)

Chọn B

2.3.4.Hệ thống bài tập áp dụng [1]; [2]; [3]

2.3.4.1.Bài tập có hướng dẫn giải

Câu 1: Hỗn hợp X gồm vinyl axetilen, eten và propin có tỉ khối đối với H2 là 17.Đốt cháy hoàn toàn X thu được CO2 và 3,6 gam nước Dẫn toàn bộ sản phẩmcháy qua dung dịch Ca(OH)2 dư thu được m gam kết tủa Giá trị của m là

Và số mol H2 gấp 2 lần số mol chất trong X

Hỗn hợp X (a mol) qui đổi C b mol + O2 CO2 b mol

Câu 2: Đốt cháy hoàn toàn 30,4 gam hỗn hợp X chứa CH4; C2H4; C3H4; C4H6 và

H2 thu được tổng số mol của H2O và CO2 là 5,4 mol Mặt khác, nếu cho một ít

bột Ni vào bình kín chứa hỗn hợp X trên rồi nung nóng một thời gian thu đượchỗn hợp khí Y có tỷ khối so với H2 là 7,6 Biết các chất trong X đều có mạch hở.Nếu sục toàn bộ Y vào dung dịch nước Br2 dư thì số mol Br2 phản ứng tối đa là

A 0,48 B 0,58 C 0,52 D 0,62.

Hướng dẫn giải

X qui đổi C a mol + O2 CO2 a mol

mX =30,4gam H2 b mol H2O b mol

Theo bài ra ta có hệ phương trình:

A 21,24 B 21,06 C 20,07 D 20,88.

Hướng dẫn giải

Nhận thấy: Lượng X cho trong 2 thí nghiệm không bằng nhau

Hướng dẫn giải

C2H2 và H2 có cùng số mol nên qui đổi X về C2H4

⇒ VO2 = 1,5 22,4 = 33,6(lít)

Chọn B

Câu 5: Đốt cháy hoàn toàn 6,72 lít hỗn hợp X gồm 4 hiđrocacbon mạch hở

(đktc) thu được hỗn hợp sản phẩm Y Hấp thụ hoàn toàn Y vào dung dịchCa(OH)2 dư được 75 gam kết tủa, dung dịch sau phản ứng có khối lượng giảm

so với ban đầu 31,2 gam Mặt khác, nếu sục hoàn toàn 8,96 lít hỗn hợp X vào

dung dịch nước brom dư thấy có a mol brom phản ứng Giá trị của a gần nhất

với

A 0,57 B 0,70 C 0,62 D 0,76.

Hướng dẫn giải

nX = 0,3(mol); nkết tủa = 0,75(mol) = nCO2

X qui đổi C a mol + O2 CO2 0,75 mol