Sáng kiến kinh nghiệm hóa học lớp 9 vận dụng các định luật bảo toàn để giải bài toán về KMnO4

Đó là lý do để tôi viết đề tài “ Vận dụng các định luật toán một cách nhanh chóng đồng thời chia sẻ kinh nghiệm về phương pháp giải bàitập với các đồng nghiệp.. Mục đích nghiên cứu Vận d

PHẦN THỨ NHẤT: MỞ ĐẦU

1. Lí do chọn đề tài

Trong các môn học ở trường phổ thông, môn Hóa học giữ một vai trò khá quantrọng Hóa học là một môn khoa học tự nhiên, nó nghiên cứu về chất và sự biến đổichất này thành chất khác

Với nhiều năm giảng dạy bộ môn Hoá học, tôi đã được tham gia giảng dạycác khối lớp 8,9 được tham gia ôn luyện đội tuyển thi học sinh giỏi Trong quátrình tìm tòi, nghiên cứu nhiều dạng bài toán hoá học khác nhau về các loại chấtkhác nhau vô cơ cũng như hữu cơ, tôi nhận thấy rằng bài tập về KMnO4 là mộttrong những dạng bài tập mà học sinh hay gặp trong các kỳ thi Thông thườngnhững bài tập về KMnO4 thường khá phức tạp và xảy ra theo nhiều phương trìnhphản ứng khác nhau Vậy phương pháp nào để giải quyết bài toán khoa học nhất,

hiệu quả nhất và nhanh nhất Đó là lý do để tôi viết đề tài “ Vận dụng các định luật

toán một cách nhanh chóng đồng thời chia sẻ kinh nghiệm về phương pháp giải bàitập với các đồng nghiệp

2. Mục đích nghiên cứu

Vận dụng các định luật bảo toàn khối lượng, định luật bảo toàn nguyên tố, địnhluật bảo toàn electron để tìm ra phương pháp giải tối ưu nhất, nhanh nhất (khôngcần phải viết phương trình hóa học) dạng bài toán về KMnO4

Đề xuất những ý tưởng để giải nhanh bài toán về KMnO4 góp phần nâng cao chấtlượng giảng dạy bộ môn ở trường THCS và là hành trang vững chắc để các emchuẩn bị bước vào THPT

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng là học sinh giỏi các lớp 8,9.

Với khuôn khổ thời gian nghiên cứu có hạn nên trong đề tài này tôi chỉ nghiên cứuphương pháp vận dụng các định luật bảo toàn để giải một số bài bài toán vềKMnO4

4. Nhiệm vụ nghiên cứu

Đưa ra các định luật bảo toàn cần vận dụng, phân tích áp dụng vào các dạng toán

và đề ra phương pháp giải

Thử nghiệm trên các lớp: 8,9 Trường THCS

Giáo viên đưa ra các phiếu học tập bằng các dạng bài tập về KMnO4

5 Phương pháp nghiên cứu

5.1 Phương pháp nghiên cứu lí thuyết

Đọc các tài liệu làm cơ sở xây dựng lí thuyết của chuyên đề: tài liệu lí luận dạy học(Chủ yếu là phương pháp giải bài tập Hóa học ); sách giáo khoa, sách bài tập hóahọc; phương pháp giải bài tập hóa vô cơ; 16 phương pháp và kĩ thuật giải nhanhbài tập trắc nghiệm môn Hóa học; một số đề thi học sinh giỏi

5.2 Phương pháp sư phạm

a Phương pháp chuyên gia

Vận dụng phương pháp bài tập để hướng dẫn học sinh giải quyết bài toán

Xin ý kiến nhận xét, đánh giá của các giáo viên có kinh nghiệm, giáo viên giỏi vềnội dung sáng kiến

b Tìm hiểu chất lượng học sinh ở những lớp mình điều tra

c Chọn lớp thử nghiệm và đối chứng kết quả

Thời gian nghiên cứu

Từ tháng 12 năm 2018 đến tháng 02 năm 2020

PHẨN THỨ HAI: NỘI DUNG Chương I: CƠ SỞ LÝ LUẬN

Các định luật cần vận dụng

1.1 Định luật bảo toàn khối lượng

Nội dung định luật: Khối lượng các chất tham gia phản ứng bằng khối lượng các

chất được tạo thành sau phản ứng Trong đó chúng ta cần vận dụng các hệ quả

Hệ quả 1: Gọi mT là tổng khối lượng các chất trước phản ứng, mS là khối lượng

các chất sau phản ứng Dù phản ứng xảy ra với hiệu suất bất kỳ ta đều có: mT = mS

Hệ quả 2: Khi cation kim loại kết hợp với anion phi kim để tạo ra các hợp chất ta

luôn có: Khối lượng chất = khối lượng của cation+khối lượng anion Khối lượngcủa cation hoặc anion ta coi như bằng khối lượng của nguyên tử cấu tạo thành

1.2 Định luật bảo toàn nguyên tố

Nội dung định luật: Tổng khối lượng một nguyên tố trước phản ứng bằng tổng

khối lượng của nguyên tố đó sau phản ứng Nội dung định luật có thể hiểu là tổng

số mol của một nguyên tố được bảo toàn trong phản ứng

1.3 Định luật bảo toàn electron

Nội dung định luật: Trong phản ứng oxi hóa khử: Số mol electron mà chất khử cho

đi bằng số mol electron mà chất oxi hóa nhận về

Khi vận dụng định luật bảo toàn electron vào dạng toán này cần lưu ý:

Trong phản ứng hoặc một hệ phản ứng chỉ cần quan tâm đến trạng thái đầu vàtrạng thái cuối mà không cần quan tâm đến trạng thái trung gian

Nếu có nhiều chất oxi hóa và chất khử thì số mol electron trao đổi là tổng số molcủa tất cả chất nhường hoặc nhận electron

Tổng quan về bài tập KMnO4

Dạng bài tập KMnO4 chúng ta nhắc đến ở đây liên quan đến 2 phản ứng:

2.1 Nhiệt phân muối: điểu chế khí O2 trong phòng thí nghiệm ( Hóa học 8)

2KMnO4 →

to

K2MnO4 + MnO2 + O22KClO3 →

Dùng phương pháp bảo toàn khối lượng:

Khi nhiệt phân hỗn hợp muối X thu được hỗn hợp muối Y và khí Oxi thì:

my = mx + mO2

Dùng phương pháp bảo toàn electron:

Theo định luật bảo toàn electron

Dùng phương pháp thuần bảo toàn nguyên tố: “Toàn bộ O trong KMnO4 chuyểnhết về H2O”.

BTNT H → nHCl = 2nH2O (1)

BTNT O → nO= nH2O (2)

Từ (1), (2) → nHCl = 2nO

BTNT Cl → nClban đầu + nCl(HCl) = nCl(trong muối) + nCl(Cl2 )

BTNT cho các nguyên tố khác xuất hiện trong từng bài

Khi nhiệt phân hỗn hợp các muối , CaOCl2 , Ca(ClO3 )2 , Ca(ClO2 )2 thì sẽ thuđược hỗn hợp các sản phẩm như , CaCl2 và O2

Phương trình nhiệt phân như sau:

Nếu đề bài cho nhiệt phân hỗn hợp sau một thời gian có nghĩa là không hoàntoàn thì hỗn hợp sau phản ứng ngoài các sản phẩm và khí Oxi thì còn có hỗn hợpcác chất ban đầu còn dư Chính vì vậy, nếu như đặt ẩn từng chất trong hỗn hợp vàmol tham gia phản ứng thì chúng ta sẽ gặp rắc rối vì khối lượng ẩn quá lớn (có thểlên đến 9 –10 ẩn) trong khi dữ kiện của bài toán chỉ có từ 3 – 4 Như vậy, đối vớidạng bài tập này, chúng ta cần sử dụng khéo léo và thuần thục các định luật bảotoàn như: Bảo toàn khối lượng, Bảo toàn nguyên tố và Bảo toàn e

Chương II THỰC TRẠNG CỦA ĐỀ TÀI

3

1.Thuận lợi

Năm học với sự đạo của ngành giáo dục nhằm thực hiện tốt chủ đề của năm

học: “Tiếp tục đổi mới và nâng cao chất lượng giáo dục” Tiếp tục thực hiện các cuộc vận động: “Học tập và làm theo tấm gương đạo đức Hồ Chí Minh”; cuộc vận động “Mỗi thầy cô giáo là tấm gương đạo đức, tự học và sáng tạo”; Phong trào thi đua “Xây dựng trường học thân thiện, học sinh tích cực” đã tạo tiền đề và khí thế

mạnh mẽ ngay từ đầu năm học

Đội ngũ cán bộ giáo viên nhà trường và tổ bộ môn đảm bảo về số lượng vàchất lượng, đáp ứng yêu cầu của cấp học Giáo viên trong nhà trường luôn có tráchnhiệm cao, say mê với nghề nghiệp và hết lòng yêu thương học sinh Ngay từ đầunăm học, ban giám hiệu và tổ bộ môn đã có triển khai các kế hoạch, chỉ thị nămhọc; kiểm tra khảo sát theo bộ môn để phân loại đối tượng học sinh, từ đó có biệnpháp phụ đạo học sinh yếu kém, bồi dưỡng học sinh khá giỏi

Có nhiều học sinh khá, giỏi đã có kĩ năng giải bài tập này theo phương phápthông thường (đặt ẩn, lập hệ phương trình)

2 Khó khăn

Đối tượng học sinh của trường phần đông là học sinh ở vùng nông thôn,vùng sâu, vùng xa nên không có nhiều điều kiện cả về kinh tế và thời gian cho việchọc tập

Rất nhiều học sinh vẫn chưa hiểu được bản chất của các phản ứng

Chưa biết cách áp dụng các định luật bảo toàn vào giải toán, đặc biệt là bảo toànelectron trong phản ứng oxi hoá khử

Mỗi dạng bài tập có nhiều phương pháp làm, nhưng có 1 phương pháp hiệu quảnhất để giải quyết mà học sinh chưa tìm ra được

Thói quen của học sinh về giải toán hoá bao giờ cũng là viết phương trình hoá học,đặt ẩn, lập hệ phương trình Phương pháp này chỉ phù hợp với những bài toán đơngiản, khi số ẩn và số phương trình đại số lập được bằng nhau Mặt khác, với mộtcâu hỏi trắc nghiệm khách quan trong đề thi thì việc giải nhanh bài toán này là vấn

đề khá nan giải

Chương III: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

1.Phương pháp giải một số dạng bài tập điển hình

Sau đây là một số các ví dụ theo mức độ từ cơ bản đến nâng cao kèm theo phântích và định hướng tư duy giải.

Lớp 8 sau bài điều chế Oxi ta co các bài sử dụng định luật bảo toàn khối lượng lênlớp 9 các dạng toán được nâng lên như sau:

Ví du 1: Nhiệt phân hoàn toàn 4,385 gam hỗn hợp A gồm KMnO4 và KClO3 thuđược m gam chất rắn B và 0,56 lít O2 (ở đktc) Tính m

→

to

K2MnO4 +MnO2 +O2

→ 122,5x+158y = 22,29

Phát triển bài toán: Đoạn đầu nhiệt phân thường định luật bảo toàn khối lượng Nhưng bài toán được phát triển để xác định được lượng Oxi cần giải quyết thêm bài toán chất khí phía sau Ta xét ví dụ 2 sau đây:

Ví du 3 : Nhiệt phân 4,385 gam hỗn hợp A gồm KClO3 và KMnO4 thu được V lítkhí B(đktc) và m gam chất rắn D gồm K2MnO4, MnO2 và KCl Toàn bộ lượng khí

B cho tác dụng hết với cacbon nóng đỏ thu được 0,896 lít hỗn hợp khí C có tỉ khối

so với hidro là 1 6 (Biết thể tích khí ở đktc)

2C+ O2

→

to

2COC

+ O2

→

to

CO2ΣnO2 = 0,032 + 0,01 = 0,025(mol)

+ = 28%

%KMnO4 = 72 %

Ví du 4: Nung m gam hỗn hợp A gồm KMnO4 và KClO3 thu được chất rắn A1 và

khí O2 ,lúc đó KClO3 bị phân hủy hoàn toàn, còn KMnO4 bị phân hủy không hoàntoàn.Trong hỗn hợp A1 có 0,894 gam KCl chiếm 8,132% về khối lượng.Trộnlượng O2 thu được ở trên với không khí theo tỷ lệ thể tích 1:3 trong một bình kínthu được hỗn hợp A2 Cho vào bình 0,528 gam Cacbon rồi đốt cháy hết cacbon thuđược hỗn hợp khí A3 gồm ba khí trong đó CO2 chiếm 22,92% về thể tích.Tính m

Hướng dẫn giải

Các phản ứng xảy ra khi nhiệt phân hỗn hợp A

= 0,192molO2 : (1,6a−0,044)mol

C + O2 →

to

CO2

nhiệt độ >10000C).Tuy nhiên khi giải toán ta có thể giả sử Cacbon cháy đồng thời

ở 2 phản ứng tạo ra hỗn hợp khí gồm CO và CO2 mà không ảnh hưởng đến kết quảbài toán Bởi vì thực chất ta dùng hai định luật bảo toàn nguyên tố và Oxi để giảiquyết nên việc xem như vẫn thỏa mãn các định luật bảo toàn

Nhận xét: Với các ví dụ trên ta chỉ mới sử dụng định luật bảo toàn khối lượng ở

phòng thí nghiệm ) Ở giai đoạn sau hỗ hợp chất rắn X được cho vào HCl đặc

(dùng điểu chế khí Cl 2 trong phòng thí nghiệm ), những ví dụ sau sẽ tính toán cho giai đoạn này.

Ví dụ 5: Nhiệt phân KMnO4 một thời gian thu được 3,36lít khí (đktc) O2(đktc) và

m gam hỗn hợp chất rắn X Để hòa tan hoàn toàn hỗn hợp X cần 3,4 mol HCl đặcđun nóng thu V lít khí Clo (đktc) Tính V

Tổng số mol Cl2 là : 0,15 + 0,3 +0,25 = 0,95mol

Thể tích khí Cl2 là: V = 0,95.22,4 = 21,28lit

Với cách giải này ta phải viết nhiều phương trình

Cách 2: Dùng các định luật bảo toàn

X phản ứng với HCl thì toàn bộ O trong X chuyển vào H

nCl(HCl) = nCl(trong muối) + nCl(Cl2)

→ 3,4 = 0,5 + 0,5.2 + 2x

→ x = 0,95mol

Thể tích khí Cl2 là: V = 0,95.22,4 = 21,28lit

Ví dụ 6: Hỗn hợp X gồm 31, 6 gam KMnO4 và 73, 5 gam KClO3 Nung nóng X

trong bình kín một thời gian thu được khí O2 và 93, 9 gam hỗn hợp rắn Y gồmKMnO4, K2MnO4 , MnO2 , KClO3 và KCl Cho Y tác dụng hoàn toàn với dung dịchaxit Clohiđric 36, 50% (khối lượng riêng là 1, 18 g/ml) khi đun nóng Tính thể tíchdung dịch HCl cần dùng vừa đủ

= 0, 35molBTNT:

= 322, 034 ml

Nhận xét: Nếu viết PTPU và giải theo phương pháp thông thường thì phải viết 6

phương trình phản ứng mà chỉ có 3 dữ kiện để giải, vừa mất thời gian vừa không thể tìm kết quả nếu không dùng thêm các định luật bảo toàn Khi học sinh chưa được hướng dẫn dùng các định luật bảo toàn các em không giải quyết được loại bài này.

Nhiệt phân X:

2KMnO4 →

to

K2MnO4 + MnO2 + O22KClO3 →

Ví dụ 7 : Nhiệt phân hoàn toàn 22, 26 gam hỗn hợp X gồm KClO3 ; KMnO4 và KCl

thu được 3, 36 lít khí O2 (đktc) và hỗn hợp Y gồm KCl; K2MnO4 ; MnO2 trong đóKCl chiếm 51,203% về khối lượng Hòa tan hết hỗn hợp Y cần dùng dung dịch HCl32,85% (đun nóng) thu được dung dịch Z Tính nồng độ phần trăm của KCl cótrong dung dịch Z

Hướng dẫn giải

Từ các dữ kiện của đầu bài, ta thu được hệ phương trình sau:

→ nK2MnO4 = nMnO2 = 197+87

94 8, - 46 17,

= 0, 09molKhối lượng dung dịch HCl là:

m = 32,85

100 0,36.36,5.

= 40 gamKhối lượng dung dịch sau phản ứng:

m = mY + mddHCl - mCl2

= 17, 46 + 40 – 0, 09 71 = 51, 02 gam

C%KCl = 51,02

.74,5.100 0,18

= 26, 28%

Ví dụ 8 : Trộn KMnO4, KClO3 với một lượng bột MnO2 trong bình kín thu được

hỗn hợp rắn X Lấy 52, 55gam X đem nung nóng, sau một thời gian thu được hỗnhợp rắn Y (trong đó KCl chiếm 36, 315% khối lượng)và V lít O2 Biết rằng KClO3nhiệt phân hoàn toàn Sau đó, cho toàn bộ Y tác dụng hoàn toàn với HCl đặc, dư, đunnóng, sau phản ứng cô cạn dung dịch thu được 51, 275 gam hỗn hợp muối khan.Hiệu suất quá trình nhiệt phân KMnO4 là ?

? 55 52,

ymol : MnO K

xmol : KMnO

2

4 2 4

MnO

2mol 0, KClO

2y)mol +

(x KMnO

.100 = 80%

Nhận xét: Với các ví dụ 5,6,7,8 nếu dùng phương pháp thông thường thì phải viết

nhiều phương trình và không đủ dữ kiện để giải giai đoạn cho vào HCl phức tạp nên dùng phương pháp bảo toàn electron, bảo toàn nguyên tố để tính toán.

Phát triển bài toán: Ngoài KMnO 4 thì bài toán còn nhiệt phân những muối giàu

tự Ngoài cách sử dụng định luật bảo toàn nguyên tố cho O, H,Cl thì còn dùng định luật bảo toàn nguyên tố cho các nguyên tố khác như K Ta xét ví dụ 9 và ví

dụ 10 sau:

Ví dụ 9 : Hỗn hợp X gồm KClO3 ,Ca(ClO3)2 ,CaCl2 và KCl có tổng khối lượng là

83, 68 gam Nhiệt phân hoàn toàn X thu được 17, 472 lít O2 (đktc) và chất rắn Ygồm CaCl2 và KCl Y tác dụng vừa đủ 0,36 lít dung dịch K2CO3 0,5M thu đượcdung dịch Z Lượng KCl trong Z nhiều gấp 22/3 lần lượng KCl trong X Phần trămkhối lượng KClO3 trong X là bao nhiêu

Hướng dẫn giải

Phân tích đề:

Sơ đồ phản ứng:

) Ca(ClO KClO

2

2 3 3

CaCl KCl

= 0, 88mol

→ nKCl(X) = 22

3 88 , 0

= 0, 12molBTNT (K)

→ nKClO3(Y) = nKCl(Y) – nKCl(X) = 0, 52 − 0, 12 = 0, 4mol

→ %KClO3( X) = 83,68

.122,5.100 0,4

= 58, 55%

Ví dụ 10 : Hỗn hợp rắn E gồm KClO3, Ca(ClO2)2 , Ca(ClO2)2 , KCl Nhiệt phân 27,

17 gam rắn E, sau một thời gian thu được chất rắn F và 2a mol khí X Cho rắn F tác

dụng với dung dịch chứa 0, 48 mol HCl, đun nóng thu được 3a mol khí Y và dungdịch G Dung dịch G tác dụng tối đa với 220 ml dung dịch K2CO3 0, 5M thu đượcdung dịch H và a mol khí Z Lượng KCl trong dung dịch H nhiều gấp 3 lần lượngKCl trong rắn E Phần trăm khối lượng của Ca(ClO3)2 có trong hỗn hợp rắn E là?.

Hướng dẫn giảiVận dụng các định luật bảo toàn: electron

100% = 19, 32%

2 Bài tập vận dụng

Bài 1 : Nhiệt phân hoàn toàn 43,85 gam hỗn hợp X gồm KClO3 và KMnO4, thu

được O2 và m gam chất rắn Y gồm K2MnO4, MnO2 và KCl Toàn bộ lượng O2 thuđược cho tác dụng hết với cacbon nóng đỏ, thu được 8,96 lít (ở đktc) hỗn hợp khí

Z (gồm CO và CO2) có tỉ khối so với H2 bằng 16

a) Tính m

b) Tính khối lượng của các chất trong X

c) Tính thể tích (ở đktc) khí Cl2 thu được khi cho 87,7 gam X (ở trên ) tác dụng hếtvới dung dịch axit HCl đặc, dư (có đun nóng)

Bài 2: Nhiệt phân hoàn toàn m gam hỗn hợp X gồm KClO3 và KMnO4 , thu được

khí Oxi và 8, 66 gam chất rắn Dẫn lượng O2 ở trên qua Cacbon nóng đỏ thu được 2,

24 lít (đktc) hỗn hợp khí Y có tỷ khối so với Hydro bằng 17, 6 Hấp thụ hết Y vàodung dịch nước vôi trong dư, sau phản ứng thu được 4 gam kết tủa Tính phần trămkhối lượng của các chất có trong hỗn hợp X

Bài 3: Nung m gam hỗn hợp X gồm KClO3 và KMnO4 thu được chất rắn Y Trong

Y có 1, 49 gam KCl chiếm 19, 893% theo khối lượng Trộn lượng O2 ở trên vớikhông khí theo tỉ lệ thể tích tương ứng là 1 : 4 thu được hỗn hợp khí Z Đốt cháyhết 0, 528 gam cacbon bằng hỗn hợp Z thu được hỗn hợp khí T gồm 3 khí O2, N2,CO2 trong đó CO2 chiếm 22% về thể tích Biết trong không khí có 80% N2 và 20%O2 Giá trị của m là bao nhiêu

Bài 4 : Nung nóng 30, 005 gam hỗn hợp X gồm KMnO4 KClO3 và MnO2, sau một

thời gian thu được khí O2 và 24, 405 gam chất rắn Y gồm K2MnO4 MnO2, KMnO4,KCl Để hòa tan hoàn toàn Y cần vừa đủ 2, 0 lít dung dịch chứa HCl 0, 4M thu được

4, 844 lít khí Cl2 (đktc) Tính phần trăm khối lượng của các chất trong hỗn hợp X