(Sáng kiến kinh nghiệm) khai thác các bài tập liên quan đến tính khử của cacbon oxit với oxit kim loại

Đặc biệt đối với dạng bài tập liên quan đến những phản ứng tạo ra nhiều chất sản phẩm như khí cacbon oxit CO phản ứng với oxit của kim loại nhiều hóa trị.. Khí cabon oxit có nhiều ứng dụ

I ĐẶT VẤN ĐỀ

1 Lý do chọn đề tài:

Trong Hoá học, việc giải bài tập có một ý nghĩa rất quan trọng Ngoài việc cũng cố, rèn luyện kỹ năng vận dụng, đào sâu và mở rộng kiến thức đã học một cách sinh động, thông qua giải bài tập còn giúp học sinh rèn luyện tính tích cực, trí thông minh, tư duy sáng tạo và bồi dưỡng hứng thú học tập

Muốn phát huy được điều đó thì việc lựa chọn phương pháp thích hợp để giải bài tập là vấn đề then chốt Mỗi bài tập có thể có nhiều phương pháp giải khác nhau, nhưng nếu biết lựa chọn phương pháp thích hợp, sẽ giúp học sinh tiết kiệm được rất nhiều thời gian và tránh được những sai sót đáng tiếc Đặc biệt đối với dạng bài tập liên quan đến những phản ứng tạo ra nhiều chất sản phẩm như khí cacbon oxit (CO) phản ứng với oxit của kim loại nhiều hóa trị

Khí cabon oxit có nhiều ứng dụng quan trọng trong công nghiệp: làm nhiên liệu, nguyên liệu, chất khử, ….Trong đó phải kể đến tính khử của khí CO với các oxit sắt trong quá trình sản xuất gang, thép Tuy nhiên khí cacbon oxit lại là khí độc nếu không biết nguồn gốc và tác hại của nó thì sẽ gây ra hậu quả nghiêm trọng Chính vì vậy mà sách giáo khoa, sách nâng cao cũng như các đề thi đã khai thác khá nhiều bài tập về tính khử của khí cacbon oxit Dạng bài tập này thường gây cho học sinh gặp nhiều khó khăn cả về mặt nhận thức và tính toán như: học sinh thường rất lúng túng trong việc định hướng cách giải, lời giải rườm rà, mất nhiều thời gian …Từ những khó khăn vướng mắc mà học sinh gặp phải, tôi đã nghiên cứu tìm ra nguyên nhân (chưa hiểu bản chất phản ứng, kỹ năng giải bài tập chưa tốt …) và tìm ra được các phương pháp để giúp học sinh giải quyết tốt các bài toán liên quan đến tính khử của khí cacbon oxit Với những lý do trên tôi đã lựa chọn và triển khai đề tài:

Khai thác các bài tập liên quan đến tính khử của cacbon oxit với

oxit kim loại.

2 Mục đích thực hiện đề tài:

- Qua hệ thống bài tập hóa học giúp học sinh hiểu sâu sắc bản chất lý thuyết hóa học

- Nghiên cứu tìm tòi cách sử dụng bài tập theo hướng tích cực, khai thác triệt để công dụng của bài tập nhằm rèn luyện, phát triển tư duy tăng hứng thú học tập và nâng cao hiệu quả dạy học

3 Nhiệm vụ nghiên cứu:

- Tìm hiểu thực trạng giải bài tập hóa học của học sinh tôi trực tiếp bối dưỡng, ôn thi nơi trường tôi công tác

- Tìm hiểu nguyên nhân dẫn đến chất lượng các lớp trực tiếp giảng dạy

- Đưa ra phương pháp giải bài tập phù hợp nhằm nâng cao chất lượng các lớp trực tiếp giảng dạy, đặc biệt phục vụ cho công tác bồi dưỡng học sinh giỏi

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

a Đối tượng nghiên cứu:

- Hoạt động nhận thức của học sinh trong quá trình dạy học hoá học

- Học sinh khối THCS, nội dung chương trình THCS hiện hành

- Bồi dưỡng học sinh khá, giỏi

- Học sinh ôn thi vào trường chuyên, lớp chọn

b Phạm vi nghiên cứu:

Các bài tập hóa học liên quan đến tính khử của cacbon oxit

5 Phương pháp nghiên cứu:

- Phương pháp điều tra quan sát: Thông qua bài tập, bài kiểm tra

- Phương pháp thực nghiệm: Sử dụng hệ thống bài tập để kiểm tra kết quả học sinh sau khi học chuyên đề

- Trao đổi với các giáo viên giảng dạy môn hóa học tâm huyết, kinh nghiệm

- Kinh nghiệm giảng dạy qua các năm, các lớp khác nhau

6 Dự báo đóng góp của đề tài:

- Cũng cố kiến thức lí thuyết về phản ứng oxi hóa- khử

- Có cách giải sáng tạo, bản chất về các dạng toán liên quan đến tính khử của CO, H2 với oxit kim loại

- Rút ngắn được rất nhiều thời gan khi giải bài tập tính toán

- Hình thành kỹ năng giải bài tập nhanh, là tố chất quan trọng để sau này các em làm tốt các bài thi trắc nghiệm

7 Thời gian thực hiện:

Từ năm 2014 đến 2017

I GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

1 Cơ sở lý thuyết.

CO là oxit trung tính: không phản ứng với nước, kiềm và axit (ở điều kiện thường) Tính chất hoá học quan trọng của CO là tính khử, CO khử được nhiều oxit kim loại ở nhiệt độ cao

K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Ph, H, Cu, Hg, Ag, Pt, Au.

Oxit của những kim loại phản ứng với CO

2 Nội dung đề tài:

Xét các phương trình hóa học:

Do oxit nhường

Số phân tử CO phản ứng

3FexOy + (3y- 4x) CO  t xFe3O4

+(3y- 4x) CO2

………

Nhận xét:

- Từ CO  CO2 do CO đã nhận O( của oxt) ; Như vậy số nguyên tử O do oxit nhường bằng số phân tử CO tham gia phản ứng, do đó:

- Có bao nhiêu phân tử CO tham gia phản ứng thì có bấy nhiêu phân tử

CO2 tạo thành, do đó:

hay

nCO(pư) = nO (của oxit nhường)

nCO(pư) = nCO2 nhỗn hợp khí đầu= nhỗn hợp khí sau phản ứng

- Trong phản ứng thì CO và CO2 luôn ở thể khí còn oxit và kim loại ở trạng thái rắn vì vậy khối lượng chất rắn luôn giảm:

Từ nhận định trên ta thấy mối liên hệ các giữa các chất rắn và chất khí theo sơ đồ sau:

Khai thác các dạng bài tập như sau:

Dạng 1 Lập PTHH cho những PƯHH giữa CO với oxit kim loại.

Số phân tử CO tham gia phản ứng = Số phân tử CO2 tạo thành

= Số nguyên tử O ( oxit nhường)

? Làm thế nào để xác định được số nguyên tử mà oxit nhường ?

Ta phải xác định số nguyên tử oxi đang nằm trong chất rắn tạo thành, khi đó: Số nguyên tử oxi (do oxit nhường) = Số nguyên tử oxi (ban đầu trong oxit)

- số nguyên tử oxi đang nằm trong chất rắn tạo thành

Ví dụ 1 Cho sơ đồ phản ứng:

CO + PbO t > CO2 + Pb

Lập phương trình hóa học của phản ứng

HD:

Học sinh dễ nhận ra PbO nhường 1 nguyên tử Oxi nên hệ số của CO và

CO2 đều là 1

Phương trình hóa học đúng là:

CO + PbO  t CO2 + Pb

Ví dụ 2 Cho sơ đồ phản ứng:

CO + Fe2O3 t > CO2 + FeO

Lập phương trình hóa học của phản ứng

HD:

- Học sinh rất dễ nhầm Fe2O3 đã nhường 2 nguyên tử oxi cho CO để tạo thành FeO

- Giáo viên hướng dẫn: Để biết Fe2O3 đã nhường mấy nguyên tử oxi thì phải xét xem sau phản ứng còn mấy nguyên tử oxi đang ở trong trạng thái rắn vì vậy

mchẩt rắn giảm = mO ( oxit tách)

mchẩt rắn giảm = mO( oxit tách)  nO (Tách ra) = nCO(Phản ứng) = nCO 2

(và ngược lại)

nên cân bằng sắt trước ( Đặt 2 trước FeO), khi đó dễ dàng nhận ra rằng Fe2O3

đã nhường một nguyên tử oxi  Hệ số của CO và CO2 là 1

Phương trình hóa học đúng là:

CO + Fe2O3  t CO2 + 2FeO

tham gia phản ứng khử oxit kim loại:

+ Cân bằng số nguyên tử của kim loại trước

+ Xác định số nguyên tử Oxi mà phân tử oxit nhường

Bài tập vận dụng

Bài tập 1 Cho sơ đồ phản ứng:

CO + FexOy -t -> CO2 + Fe

Lập phương trình hóa học của phản ứng

HD

- Phân tử FexOy có x nguyên tử Fe nên hệ số của Fe là x

- Ta thấy phân tử FexOy đã nhường hết y nguyên tử O  hệ số của CO và CO2

là y

- Phương trình hóa học đúng là: yCO + FexOy t

   y CO2 + xFe Bài tập 2 Cho sơ đồ phản ứng:

CO + FexOy -t -> CO2 + FeO

Lập phương trình hóa học của phản ứng

HD

- Phân tử FexOy có x nguyên tử Fe nên hệ số của FeO là x

- Ta thấy phân tử FexOy đã nhường hết (y- x) nguyên tử O  Hệ số của CO và

CO2 là (y- x)

- Phương trình hóa học đúng là:

(y- x) H2 + FexOy t

   (y- x) H2O + x FeO

Dạng 2 Bài tập tính toán

Bài tập 1 Khử hoàn toàn 10,23 gam hỗn hợp hai oxit: CuO và PbO bằng khí

(đktc) tham gia phản ứng

Giải:

- Học sinh thường giải bài tập này như sau:

Giọi x, y lần lượt là số mol của CuO và PbO trong 10,23 gam hỗn hợp

( x, y > 0)

PTHH xãy ra:

CuO + CO  t Cu + CO2 (1)

( mol) x x x

PbO + CO  t Pb + CO2 (2)

( mol) y y y

CO2 + Ca(OH)2  CaCO3  + H2O (3)

Vậy kết tủa là CaCO3 , nCaCO3 = 10011 = 0,11 ( mol) = nCO2

Theo bài ra có: 80x + 223y = 10,23 (*) và x + y = 0,11(**)

Từ (*) và (**)  x = 0,1

y = 0,01

nCO = x + y = 0,1 + 0,01 = 0,11 (mol)  VCO(đktc) = 2,464 (lít)

- Nếu học sinh nhận ra ở (1) và (2) có: nCO2= nCO(phản ứng) Khi đó các em tính ngay được VCO(đktc) = 2,464 (lít) mà không cần lập và giải hệ phương trình

Do đó các em vừa tiết kiệm được thời gian vừa hạn chế được những sai sót đáng tiếc trong việc tính toán

Bài tập 2 Khử hoàn toàn 17,6 gam hỗn hợp X gồm: Fe, FeO, Fe3O4 và Fe2O3

cần dùng vừa hết 2,24 lít khí CO (ĐKTC)

Tính khối lượng Fe thu được sau phản ứng

HD

nCO = 222,24,4 = 0,1 (mol)

Hỗn hợp X phản ứng với CO:

CO + FeO  t CO2 + Fe (1)

4 CO + Fe3O4  t 4 CO2 + 3Fe (2)

3 CO + Fe2O3  t 3 CO2 + 2Fe (3)

Hướng đẫn học sinh tính khối lượng Fe như sau:

Cách 1 Theo (1), (2), (3) thì nCO = nCO2 = 0,1 (mol) Khi nhận ra được như vậy việc tính toán khối lượng Fe rất dễ dàng như sau:

Theo định luật BTKL thì: mX + mCO (pư) = mFe + mCO2

= 17,6 + 0,1 28 = mFe + 0,1 44  mFe = 16 (gam) Cách 2 nCO = nCO2 = nO (các oxit nhường) = 0,1 (mol)

Khi đó: mFe = mX – mO (các oxit nhường) = 17,6 – 0,1.16 = 16 (gam)

Như vậy từ một bài tập rất khó với học sinh bậc THCS nhưng khi học sinh nhận ra được bản chất phản ứng thì bài toán trên được giải quyết một cách

dễ dàng

Bài tập 3 Cho từ từ một dòng khí CO đi qua ống sứ đựng a gam Fe2O3 đun nóng sau một thời gian thu được b gam hỗn hợp chất rắn A

a Trong A có thể có những chất nào ?

b Tính thể tích khí CO (đktc) tham gia phản ứng ? Biết a – b = 3,2 gam

HD

a Khí CO phản ứng với Fe2O3 :

CO + 3 Fe2O3  t CO2 + 2 Fe3O4 (1)

(mol) x 3x 2x

CO + Fe3O4  t CO2 + 3FeO (2)

(mol) y y 3y

CO + FeO  t CO2 + Fe (3)

(mol) z z z

Vậy A gồm: Fe3O4 , FeO, Fe và Fe2O3 dư

b Học sinh thường rất lúng túng khi tính thể tích khí CO (đktc) tham gia phản ứng vì số ẩn là rất nhiều nhưng chỉ lập được một phương trình và các em cũng gặp khó khăn khi lập phương trình

Tôi hướng dẫn học sinh giải tóm tắt như sau:

rắn) trước phản ứng

Số mol O (trạng thái rắn) sau phản ứng

Số mol O (trạng thái rắn) giảm

Vậy mchât rắn giảm = mO (các oxit nhường) = 3,2 gam và nO (các oxit nhường) = nCO

= x + y + z = 0,2 (mol)  VCO(đktc) = 4,48 lít

Dạng 3 Tìm công thức hoá học

Do CO chỉ khử được oxit kim loại nên hầu hết các bài tập thuờng yêu cầu tìm công thức hoá học dạng FexOy hoặc MxOy

Dạng 3.1 Tìm công thức hoá học có dạng: Fe x O y

Thực chất tìm x, y chính là tìm nFe và nO (của FexOy )

Bài tập 1 Tìm công thức của một oxit sắt biết nung nóng 11,6 gam oxit này và cho một dòng khí CO đi qua đến phản ứng hoàn toàn nhận được sắt nguyên

kết tủa

HD

- CTHH của oxit: FexOy ( x, y  N* )

- PTHH: y CO + FexOy  t y CO2 + x Fe (1)

CO2 + Ca(OH)2   CaCO3 + H2O (2)

Ta có: nCaCO3 = 10020 = 0,2 (mol) = nCO2 = nO (của FexOy)

mFe = mFex Oy - mO (của FexOy) = 11,6 – 0,2 16 = 8,4 (gam)  nFe = 0,15 (mol)

x : y = nFe : nO (của Fe x O y ) = 0,15 : 0,2 = 3 : 4

 x = 3 và y = 4 Vậy công thức oxit: Fe3O4

Bài tập 2 Một oxit sắt chưa rõ công thức, chia lượng oxit này thành hai phần bằng nhau

a Hoà tan phần một phải dùng hết 150 ml dung dịch HCl 3M

b Cho một dòng khí CO dư đi qua phần hai nung nóng, phản ứng xong thu được 8,4 gam Fe

HD:

CTHH của oxit sắt : FexOy ( x, y  N* )

- Phần 1 phản ứng với dd HCl :

nHCl = 3 0,15 = 0,45 (mol)

FexOy + 2y HCl   x FeCl2y/x + y H2O

(mol) 02,45y 0,45

 nO(FexOy) = 02,45y y = 0,225 (mol)

- Phần 2 phản ứng với khí CO dư

y CO + FexOy t

   y CO2 + x Fe Khí CO dư nên toàn bộ FexOy đã bị khử thành Fe và nFe = 0,15 (mol)

 x : y = 0,15 : 0,225 = 2 : 3 Vậy oxit cần tìm là Fe2O3

Bài tập 3 Nung nóng 32 gam oxit FexOy rồi dẫn khí CO đi qua, sau một thời gian thu được m gam chất rắn A và V lít hỗn hợp khí B Dẫn V1 lít hỗn hợp khí

B ( V1 < V ) qua dung dịch Ca(OH)2 dư thu được 56 gam kết tủa Tìm công thức FexOy Biết các phản ứng xảy ra hoàn toàn

( Trích đề thi giáo viên giỏi tĩnh Hà Tĩnh- Năm học 2009- 2010)

HD:

PTHH: yCO + FexOy t

   y CO2 + xFe (1)

CO2 + Ca(OH)2   CaCO3 + H2O (2)

n = 0,56 (mol) = nCO2 (trong V1lít khí B) < nCO2 (tạo thành khi khử oxit) = nO (FexOy)

 mFe < 32 – 0,56 16 = 23,9 gam  nFe <

56

9 , 23

= 0,43 mol

Do đó: x y < 00,,5643 = 0,734 ; Trong c¸c oxit cña s¾t, oxit phï hîp lµ : Fe2O3

Khí H2 tác dụng với oxit kim loại có bản chất giống với khí CO tác dụng với oxit kim loại nên có thể khai thác thêm các bài tập liên quan đến tính khử

H2 như bài tập sau:

Bài tập 4 Khử hoàn toàn một lượng oxit sắt FexOy bằng H2 nóng, dư Hơi nước tạo ra được hấp thụ hết vào 100 gam dung dịch H2SO4 98% thì thấy nồng độ axit giảm bớt 3,405% Chất rắn thu được sau phản ứng khử trên được hòa tan hoàn toàn bằng dung dịch HCl thì thoát ra 3,36 lít H2 (đktc)

Tìm công thức oxit sắt

HD

y H2 + FexOy t

   y H2O + x Fe (1)

Fe + 2HCl    FeCl2 + H2 (2)

Theo (2) ta có nFe = 0,15 mol

Gọi a là khối lượng H2O tạo thành ở (1), ta có: 98

100

 a= 3,6 gam Khi đó nH2O = nO(oxit) = 0,2 mol

Ta có: x y = 0,150, 2 = 3

4 Công thức oxit: Fe3O4

Dạng 3.2 Tìm công thức hoá học có dạng: M x O y

Tìm CTHH dạng MxOy hay tìm ba ẩn : M, x, y phù hợp

Bài tập 1 Khử hoàn toàn 46,4 gam oxit MxOy cần dùng vừa đủ 17,92 lít khí CO (đktc) thu được a gam kim loại M Hoà tan a gam kim loại M bằng dung dịch HCl dư thu được 13,44 lít khí H2 (đktc)

Xác định CTHH của oxit

HD:

nCO = 1722,92,4 = 0,8 (mol) = nCO 2 = nO (oxit) ; nH 2 = 1322,44,4 = 0,6 (mol)

MxOy + y CO  t x M + y CO2

Áp dụng dịnh luật bảo toàn khối lượng ta tính được: a = 46,4 + 0,8 28 – 0,8 44 = 33,6 (gam) hoặc a = 46,4 – mO (MxOy) = 46,4 – 0,8.16 = 33,6 (gam)

- Xác định kim loại M

2M + 2b HCl  2 MClb + b H2 ( b là hoá trị của kim loại M) (mol)

b

2 , 1

0,6

 M = 33,6 :

b

2 , 1

= 28 b

Vậy CTHH của oxit: FexOy ( x, y  N* )

x : y = nFe : nO (FexOy) = 0,6 : 0,8 = 3 : 4

Vậy CTHH oxit cần tìm: Fe3O4

Bài tập 2 A là oxit kim loại M có %M = 72,41%, khử vừa hết 5,8 gam A cần

V lít hỗn hợp khí : CO, H2 Tính V(đktc)

HD:

Cách 1

- Tìm A : MxOy

O

M

%

%

= y x..M16= 10072,7241,41  M = 42 x y = 212x y ( 2y/x chính là hoá trị của

M)

Vậy A là : Fe3O4.

- Tính Vhh(đktc) :

Học sinh viết PTHH và thấy được: nCO + nH2 = 4 nFe3O4 = 4 0,025 = 0,1 (mol)

 Vhh(đktc) = 0,1 22,4 = 2,24 (l)

Cách 2

% O(oxit) = 100% - 72,41% = 27,59%  mO(oxit) = 27,59% 5,8 = 1,60022 gam

nCO + nH 2 = nO(oxit) = 0,1 mol

 Vhh(đktc) = 0,1 22,4 = 2,24 (l)

Bài tập 3 Thổi dòng khí CO đi qua ống sứ chứa 6,1 gam hỗn hợp A gồm CuO,

Al2O3 và một oxit của kim loại R đốt nóng, tới khi phản ứng hoàn toàn thì chất rắn còn lại trong ống có khối lượng 4,82 gam Toàn bộ lượng chất rắn này phản ứng vừa đủ với 150 ml dung dịch HCl 1M Sau phản ứng thấy thoát ra 1,008 lít khí H2 (ở đktc) và còn lại 1,28 gam chất rắn không tan

Xác định kim loại R và công thức oxit của R trong hỗn hợp A

HD

Vì khi cho chất rắn thu được sau phản ứng với CO tác dụng với dung dịch HCl tạo ra khí H2 nên R phải là kim loại đứng sau Al và đứng trước hidro trong dãy hoạt động hóa học Đặt công thức oxit của R là RxOy

   Cu + CO2

mol a a

RxOy + y CO t

   x R + y CO2

mol c xc

Al2O3 + 6 HCl t

   2 AlCl3 + 3 H2O mol b 6b

R + n HCl    RCln + n/2 H2

mol xc nxc xc nxc/2

Đặt số mol của CuO, Al2O3, RxOy trong 6,1 gam hỗn hợp A lần lượt là a,

b và c (a, b, c > 0) Ta Có:

80a + 102b + (xMR + 16y)c = 6,1 (1)

1,28 + 102b + MRxc = 4,82 (2)

64a = 1,28  a = 0,02 (3)

6b + nxc = 0,15  b = 0,01 (4)

nxc/2 = 0,045  ncx = 0,09 (5)

Thay b = 0,01, cx= 0.09/n vào (2) ta được : MR = 28n  n = 2; MR = 56

Vậy kim loại R là Fe

Lại có : xc = 0,045 và yc = 0,06 

4

3 06 , 0

045 , 0





y

x

 x = 3; y = 4 Công thức oxit là Fe3O4

Bài tập 4 Dùng V lít khí CO khử hoàn toàn 4 gam oxit một kim loại, phản ứng kết thúc thu được kim loại và hỗn hợp khí X Tỉ khối của khí X so với H2 là 19 Cho X hấp thụ hoàn toàn vào 2,5 lít dung dịch Ca(OH)2 0,025M người ta thu được 5 gam kết tủa

a Xác định CTHH của oxit

b Tính giá trị V (đktc)