Sáng kiến kinh nghiệm Sử dụng phương pháp quy đổi để giải nhanh các bài toán hóa học

Nội dung text: Sáng kiến kinh nghiệm Sử dụng phương pháp quy đổi để giải nhanh các bài toán hóa học

1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trở thành sinh viên các trường Cao đẳng, Đại học Y, Dược, Công nghệ thực phẩm, Công nghệ môi trường, Hóa dầu luôn là ước mơ của nhiều học sinh THPT. Tuy nhiên, ước muốn đó sẽ là quá “xa vời” đối với những học sinh học không tốt bộ môn Hóa học. Làm thế nào để các em không còn “sợ hãi” trước một bài toán trắc nghiệm với quá nhiều chất tác dụng với nhau, quá nhiều các phương trình phản ứng phức tạp trong khi thời gian dành cho một câu trắc nghiệm trung bình chỉ khoảng 1,5 phút? Câu hỏi đó luôn hiện hữu trong đầu tôi. Với vốn kiến thức hiện có của một học sinh THPT, các em không thể đọc sách rồi tự mình rút ra phương pháp để giải quyết khó khăn trên. Thêm vào đó trong sách giáo khoa cũng như các sách tham khảo rất ít những ví dụ minh họa một cách chi tiết, rõ ràng để giúp học sinh làm những bài toán như vậy. Chính vì thế, trong quá trình giảng dạy, tìm tòi, nghiên cứu tôi mạnh dạn viết sáng kiến kinh nghiệm: ‘‘Sử dụng phương pháp quy đổi để giải nhanh các bài toán hóa học’’. Sáng kiến này sẽ là tài liệu tham khảo dễ hiểu, giúp các em có cái nhìn đơn giản hơn đối với những bài toán dạng trên đồng thời giải quyết chúng một cách nhanh hơn và hiệu quả hơn. Với tài liệu này, các em hoàn toàn có thể bình tĩnh “đối diện” với dạng toán trên trong các đề thi đại học, cao đẳng môn Hóa mà không còn bị yếu tố tâm lí về thời gian và không còn lúng túng, bối rối vì mất phương hướng làm bài. Như vậy, việc trở thành bác sĩ, dược sĩ, kĩ sư, trong tương lai là điều mà các em có thể tự tin hướng tới. 1
2. GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ LUẬN 1.1. Cơ sở lý luận: Trong Hóa học, dạng bài tập về phản ứng oxi hóa khử rất phổ biến và đa dạng, có rất nhiều bài được ra trong các đề thi tuyển sinh đại học, cao đẳng. Với các phương pháp thông thường như phương pháp đại số, đặt ẩn, lập hệ gồm nhiều phương trình, sẽ rất mất thời gian và khó khăn để học sinh tìm ra kết quả cho dạng bài tập trên. Các em thường nghĩ đến dùng phương pháp bảo toàn electron để làm. Tuy nhiên, không phải bất cứ phản ứng có sự thay đổi số oxi hóa nào cũng giải được theo phương pháp bảo toàn electron. Với những bài tập có nhiều chất tham gia phản ứng và sự thay đổi số oxi hóa quá nhiều thì học sinh cần biết cách đưa bài tập phức tạp về dạng đơn giản. Như vậy, không những các em sẽ giải được mà còn làm rất nhanh. Để giúp cho giáo viên và học sinh giải quyết khó khăn trên, tôi xin trình bày trong sáng kiến này một phương pháp giải toán Hóa có thể rút ngắn được thời gian, nâng cao được tư duy và có đáp án bài toán nhanh nhất, chính xác cao. Đây là một trong những phương pháp mới và nguyên tắc của phương pháp này là: biến đổi toán học trong một bài tập Hóa nhằm đưa hỗn hợp phức tạp ban đầu về dạng đơn giản hơn, qua đó làm cho các phép tính trở nên dễ dàng, thuận tiện. Phương pháp này giúp học sinh thiết lập được mối liên hệ trong bài dễ dàng, giải quyết các dạng bài tập gồm nhiều chất phản ứng của cùng kim loại như hỗn hợp oxit sắt, đồng và muối đồng, một số bài tập về hữu cơ nhanh nhất. 1.2. Thực trạng vấn đề Qua thực tế giảng dạy, tôi nhận thấy học sinh đã làm được những bài tập chỉ có một hoặc hai chất phản ứng có sự thay đổi số oxi hóa. Các em thường bế tắc khi giải bài toán hóa học mà có nhiều chất thay đổi số oxi hóa. Đa phần học sinh chưa xác định được sự thay đổi số oxi hóa của các nguyên tố trong 2
3. hợp chất chứa nhiều nguyên tố, các em thường sợ khi giải bài toán hóa học thuộc loại này vì các em không biết xác định như thế nào. Có một số phương pháp được sử dụng như phương pháp trung bình hay bảo toàn electron, cho các bài này nhưng khi làm học sinh rất hay bị nhầm lẫn về cách xác định số oxi hóa. Còn trong phương pháp quy đổi nếu đưa hỗn hợp nhiều chất về số lượng ít chất phản ứng hơn thì học sinh dễ dàng xác định số oxi hóa và thiết lập được hệ phương trình đơn giản để giải. Trong phạm vi của đề tài này tôi xin trình bày:‘‘Sử dụng phương pháp quy đổi để giải nhanh các bài toán hóa học’’. Nội dung của đề tài tôi xin trình bày qua ba chương lần lượt trình bày từ cơ sở lý thuyết của phương pháp, các hướng quy đổi chính để giáo viên, học sinh nắm vững về phương pháp và hiệu quả của sáng kiến kinh nghiệm đem lại. 1.3. Các biện pháp đã tiến hành giải quyết vấn đề Trên cơ sở lí luận và thực trạng vấn đề đã phân tích ở trên, tôi thấy để giải quyết vấn đề cần phải rèn luyện cho học sinh phương pháp giải toán hóa học một cách đơn giản nhưng tư duy hơn. Vì thế tôi cần nghiên cứu về các mặt ưu, nhược của phương pháp thật kĩ lưỡng, các định luật bắt buộc học sinh phải nắm vững trong phương pháp quy đổi, cũng như cần soạn giải các bài toán Hóa theo phương pháp này nhưng theo nhiều hướng quy đổi khác nhau để giáo viên và học sinh có thể áp dụng hiệu quả. Cần chú ý tới năng lực của từng học sinh khi tiếp thu phương pháp mới này, tiến hành thực nghiệm và đánh giá kết quả của học sinh khi sử dụng phương pháp quy đổi để giải các bài toán hóa gồm nhiều chất phản ứng phức tạp. Cùng một dạng bài tập nhưng cho các em giải theo nhiều phương pháp để so sánh hiệu quả của các phương pháp. Khi sử dụng phương pháp quy đổi các em sẽ dễ xác định hướng đi của bài và giải nhanh hơn, hiểu bài hơn, có thể giải được một số bài toán hóa trong đề thi đại học. Từ đó xây dựng tinh thần học tập hứng thú hơn với bộ môn Hóa học cho học sinh trong toàn trường. 3
4. CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP QUY ĐỔI 2.1. Các định luật vận dụng. 2.1.1. Định luật bảo toàn khối lượng: Nội dung: 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 m T là tổng khối lượng các chất trước phản ứng, m s 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 lượng của cation hoặc anion ta coi như bằng khối lượng của nguyên tử cấu tạo thành. 2.1.2. 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. 2.1.3. Định luật bảo toàn electron: 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 và trạng 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 mol của tất cả chất nhường hoặc nhận electron. 2.1.4. Định luật bảo toàn điện tích: Dung dịch luôn trung hòa về điện nên: Hay: 4
5. 2.2. CÁC HƯỚNG QUY ĐỔI CHÍNH KHI GIẢI BÀI TOÁN HÓA HỌC 2.2.1. Quy đổi 1: Quy đổi hỗn hợp nhiều chất về các nguyên tử tương ứng. Khi gặp bài toán hỗn hợp nhiều chất nhưng về bản chất chỉ gồm 2 (hoặc 3) nguyên tố ta quy đổi thẳng hỗn hợp về 2 (hoặc 3) nguyên tử tương ứng. Ví dụ 1: Hỗn hợp đầu gồm Fe, FeO, Fe 3O4, Fe2O3 quy đổi về 2 nguyên tử Fe và O. Ví dụ 2: Hỗn hợp ban đầu gồm Cu, CuS, Cu 2S, S quy đổi về 2 nguyên tử Cu và S. Ví dụ 3: Hỗn hợp ban đầu gồm Fe, FeS, FeS2, Cu, CuS, Cu2S, S quy đổi về Fe, Cu, S. 2.2.2. Quy đổi 2: Quy đổi hỗn hợp nhiều chất về hỗn hợp hai hoặc một chất. Ví dụ 1: Hỗn hợp đầu gồm Fe, FeO, Fe 3O4, Fe2O3 quy đổi về hai chất bất kỳ trong hỗn hợp đầu: (Fe, FeO), (Fe, Fe 3O4), (Fe, Fe2O3), (FeO, Fe3O4), (FeO, Fe2O3), (Fe3O4, Fe2O3) hoặc FexOy. 3+ Kinh nghiệm: - Nếu hỗn hợp X dư kim loại quy X về: Fe, Fe 2O3 (Fe (trong Fe2O3) không bị khử - giảm phương trình) - Nếu hỗn hợp X dư axit quy X về Fe, FeO (Fe3+(trong FeO) không bị oxi hóa - giảm phương trình). Ví dụ 2: Hỗn hợp Y ban đầu gồm Cu, CuS, Cu 2S, S quy đổi về: (Cu,CuS), (Cu, Cu2S), 2.2.3. Quy đổi 3: Quy đổi tác nhân oxi hóa- khử Bài toán xảy ra nhiều giai đoạn oxi hóa khác nhau bởi những chất oxi hóa khác nhau, quy đổi vai trò chất oxi hóa này cho chất oxi hóa kia, nhưng phải đảm bảo : - Số electron nhường nhận là không đổi 5
6. - Do sự thay đổi tác nhân oxi hóa nên cần thay đổi sản phẩm cho phù hợp [O] HNO3 3+ Ví dụ: Fe  hỗn hợp X (Fe, FeO, Fe3O4, Fe2O3)  Fe , NO (sản phẩm [O] sau:Fe2O3) 2.2.4. Các bước giải - Sơ đồ hóa bài toán. - Quyết định hướng quy đổi. - Lập phương trình (hệ phương trình) dựa vào dự kiện bài toán tìm đáp số. 2.2.5. Lưu ý - Phương pháp đặc biệt phát huy tác dụng trong bài toán hỗn hợp sắt và các oxit, hỗn hợp các hợp chất của sắt, đồng, - Hướng quy đổi 1 cho lời giải nhanh và hay được áp dụng nhất. - Hướng quy đổi 2 tính chính xác cao và ít gặp sai lầm. - Hướng quy đổi 3 khó hơn và ít được sử dụng. - Trong quá trình làm bài thường kết hợp với các phương pháp khác: Bảo toàn khối lượng, bảo toàn electron, - Các giá trị giả định sau quy đổi, khi giải có thể nhận giá trị âm (bài tập 2). 2.2.6. BÀI TẬP ÁP DỤNG: Bài 1: Nung m gam bột sắt trong oxi, thu được 3,0 gam hỗn hợp chất rắn X. Hòa tan hết hỗn hợp X trong dung dịch HNO 3 dư, thoát ra 0,56 lít (ở đktc) NO (là sản phẩm khử duy nhất). Tìm giá trị của m? (Đại học khối B-năm 2007) Giải: Nhận xét: Bài toán trên có thể giải theo nhiều phương pháp khác nhau. Trong đề tài này tôi xin trình bày bài giải theo phương pháp quy đổi theo 3 hướng chính. Bài toán sẽ được đơn giản hóa và giải nhanh hơn. 6
7. Sơ đồ hóa bài toán: Khí NO (0,56l, đktc) n =0,025 mol. Fe NO O FeO +dd HNO3 Fe  X Fe 2 O 3 Fe O 3 4 Dung dịch Fe3+ mFe = ? gam 3,0gam Cách 1: Quy đổi 1. Nhận xét: Nhìn vào sơ đồ bài toán ta thấy hỗn hợp X gồm 4 chất rắn nhưng về bản chất hỗn hợp X chỉ gồm 2 nguyên tố là Fe và O cấu tạo thành 4 chất trên nên ta quy đổi hỗn hợp X về thẳng hai nguyên tố là Fe và O. Quy đổi hỗn hợp X thành Fe: x mol O: y mol 2 0 NO : 0,025mol Fe Dd HNO3 O 0 Fe  X O Fe3+: x mol O2- : y mol mFe = ? gam 3,0gam Ta có phương trình: mX = 56x + 16y = 3,0 (1) Đối với học sinh khá, giỏi Các quá trình nhường nhận electron: các em không cần xác định bước này mà có thể đưa ra 0 +3 0 -2 +5 2 Fe Fe + 3e O 2e O N + 3e N ngay phương trình (2) x 3x y 2y 0,075 0,025 Theo bảo toàn electron: 3x+2y=0,075 (2) Fe: 0,045 mol Từ (1) và (2) x = 0,045 mol ; vậy X gồm y =0,03 mol O: 0,03 mol mFe =56 x 0,045 = 2,52 gam. Phân tích: Khi quy đổi về các nguyên tử tương ứng thì học sinh dễ nhận thấy số oxi hóa thay đổi của hai nguyên tố Fe và O hơn. Học sinh sẽ đưa ra được ngay phương trình bảo toàn electron. Đa số các bài có các quá trình oxi hóa khử nếu áp dụng bảo toàn electron thì sẽ làm rất nhanh. Tuy nhiên, nhiều học 7