Sáng kiến kinh nghiệm Vận dụng các định luật bảo toàn để giải bài toán về hỗn hợp sắt và oxit sắt

Nội dung text: Sáng kiến kinh nghiệm Vận dụng các định luật bảo toàn để giải bài toán về hỗn hợp sắt và oxit sắt

1. S¸ng kiÕn kinh nghiÖm Gi¸o viªn: §Æng Quang Th¾ng PHẦN THỨ NHẤT: ĐẶT VẤN ĐỀ I. Lí do chọn đề tài: Trong các môn học ở trường phổ thông, môn Hóa học giữ một vai trò khá quan trọng. Hóa học là một môn khoa học tự nhiên, nghiên cứu về chất và sự biến đổi chất này thành chất khác. Việc đổi mới phương pháp dạy học nhằm nâng cao chất lượng là nhiệm vụ thường xuyên và lâu dài của ngành giáo dục. Hóa học là môn khoa học vừa lý thuyết, vừa thực nghiệm vì vậy bài tập có vai trò khắc sâu phần lý thuyết đã học, rèn luyện khả năng vận dụng kiến thức. Đồng thời thông qua bài tập giúp học sinh củng cố, hệ thống hóa kiến thức một cách thuận lợi nhất, rèn luyện kĩ năng giải bài tập, phát triển năng lực nhận thức, rèn trí thông minh, sáng tạo cho học sinh, nâng cao hứng thú học tập bộ môn. Bài tập còn là con đường đầu tiên để áp dụng chính xác kiến thức khoa học vào cuộc sống. Song thực tế cho thấy nhiều học sinh rất sợ giải bài tập hóa học hoặc còn rất lúng túng trong việc xác định các dạng toán và phương pháp giải do đó còn gặp nhiều khó khăn trong việc giải bài tập. Hơn nữa thời lượng dành cho việc giải bài tập trên lớp lại rất ít nên việc củng cố, đào sâu và vận dụng kiến thức còn nhiều hạn chế. Trong thời gian 9 năm giảng dạy bộ môn Hoá học trong trường phổ thông, tôi đã được tham gia giảng dạy các khối lớp 10, 11, 12, được tham gia ôn luyện đội tuyển thi học sinh giỏi và luyện thi Đại học, Cao đẳng. Trong quá trình tìm tòi, nghiên cứu nhiều dạng bài toán hoá học khác nhau về các loại chất khác nhau vô cơ cũng như hữu cơ, tôi nhận thấy rằng bài tập hỗn hợp gồm sắt và oxit sắt là một trong những dạng bài tập mà học sinh hay gặp trong các kỳ thi mà đặc biệt là kì thi Đại học, Cao đẳng, do sắt là một kim loại phổ biến có thể tạo ra nhiều hợp chất ứng với nhiều mức oxi hoá khác nhau. Thông thường những bài tập về sắt và các oxit thường khá phức tạp và xảy ra theo nhiều phương trình phản 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 bảo toàn để giải bài toán về hỗn hợp sắt và oxit sắt” nhằm giúp học sinh giải quyết tốt các bài toán về hỗn hợp sắt và oxit sắt trong chương trình Hóa học lớp 12 một cách nhanh chóng đồng thời chia sẻ kinh nghiệm về phương pháp giải bài tập với các đồng nghiệp. II. Mục đích nghiên cứu: Vận dụng các định luật bảo toàn khối lượng, định luật bảo toàn nguyên tố, định luật bảo toàn electron để tìm ra phương pháp giải tối ưu nhất, nhanh nhất (không cần phải viết phương trình hóa học) dạng bài toán về sắt và oxit sắt §Ò tµi: “VËn dông c¸c ®Þnh luËt b¶o toµn ®Ó gi¶i bµi to¸n vÒ hçn hîp s¾t vµ oxit s¾t” Trang 1
2. S¸ng kiÕn kinh nghiÖm Gi¸o viªn: §Æng Quang Th¾ng thường gặp trong chương trình Hóa học lớp 12 và các đề thi tuyển sinh đại học, cao đẳng. Đề xuất phương pháp để giải nhanh bài toán về sắt và oxit sắt góp phần nâng cao chất lượng giảng dạy bộ môn ở trường phổ thông và là hành trang vững chắc để học sinh chuẩn bị bước vào kì thi tuyển sinh đại học, cao đẳng. III. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Đối tượng là học sinh các lớp 12A1, 12A2 Trường THPT Vĩnh Định - huyện Triệu Phong – tỉnh Quảng Trị. Với khuôn khổ thời gian nghiên cứu có hạn nên trong đề tài này tôi chỉ nghiên cứu phương pháp vận dụng các định luật bảo toàn để giải bài bài toán về hỗn hợp sắt và oxit sắt bằng cách quy đổi về hỗn hợp gồm sắt và oxi áp dụng cho chương trình Hóa học lớp 12. IV. 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. Soạn phần bài tập và đưa ra phương pháp giải các dạng bài tập về sắt và oxit sắt. Thử nghiệm trên các lớp: 12A1; 12A2 trường THPT Vĩnh Định. V. Phương pháp nghiên cứu: V.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 THPT); sách giáo khoa, sách bài tập hóa học 12; phương pháp giải bài tập hóa vô cơ; 16 phương pháp và kĩ thuật giải nhanh bài tập trắc nghiệm môn Hóa học; một số đề thi học sinh giỏi, đề thi đại học, cao đẳng V.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 về nội 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 VI. Thời gian nghiên cứu: Từ tháng 12 năm 2013 đến tháng 5 năm 2014. §Ò tµi: “VËn dông c¸c ®Þnh luËt b¶o toµn ®Ó gi¶i bµi to¸n vÒ hçn hîp s¾t vµ oxit s¾t” Trang 2
3. S¸ng kiÕn kinh nghiÖm Gi¸o viªn: §Æng Quang Th¾ng PHẦN THỨ HAI: NỘI DUNG A. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI. I. Các định luật cần vận dụng: I.1. Định luật bảo toàn khối lượng: Nội dung định luật: Tổng khối lượng các chất tham gia phản ứng bằng tổng 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 (hoặc cation amoni) kết hợp với anion gốc axit (hoặc anion oxit) 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. I.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. I.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 mức oxi hóa của các nguyên tố ban đầu và mức oxi hóa của các nguyên tố sau phản ứng mà không cần quan tâm đến mức oxi hóa 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. II. Tổng quan về bài tập hỗn hợp sắt và oxit sắt: Bài tập Fe và hỗn hợp oxit sắt thường có dạng cho khối lượng và cho phản ứng với một chất oxi hóa như H 2SO4 đặc nóng hoặc HNO 3 hoặc thậm chí là axit thường như HCl, H2SO4 loãng. Giải quyết vấn đề: Với giả thiết là cho m gam hỗn hợp gồm Fe và các oxit FeO, Fe3O4, Fe2O3 tác dụng với HNO3 thu được khí NO2. Ta xem như đây là quá trình oxi hoá liên tiếp Fe bằng 2 chất oxi hoá là O và HNO3 Chất nhường electron: Fe , tạo sản phẩm là Fe3+. 2- Chất nhận electron: O và HNO3 , tạo sản phẩm là oxit (O ) và V lít NO2 (đktc). (hoặc các sản phẩm khử khác) §Ò tµi: “VËn dông c¸c ®Þnh luËt b¶o toµn ®Ó gi¶i bµi to¸n vÒ hçn hîp s¾t vµ oxit s¾t” Trang 3
4. S¸ng kiÕn kinh nghiÖm Gi¸o viªn: §Æng Quang Th¾ng Theo định luật bảo toàn khối lượng: 56x + 16y = m (1) Theo định luật bảo toàn electron: Chất khử Chất oxi hóa Fe  Fe3+ + 3e O + 2e  O2- x(mol) 3x(mol) y(mol) 2y(mol) 5 4 N + 1e  N (NO2) V (mol)V (mol) 22,4 22,4 V Tổng electron nhường: 3x (mol) Tổng electron nhận: 2y + 22,4 (mol) V Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: 3x = 2y + (2) 22,4 56x 16y m Từ (1) và (2) ta có hệ: 3x 2y V 22,4 Việc giải hệ này khi một khi biết được 2 trong số 4 yếu tố sẽ giải quyết được yêu cầu của bài toán. Hoặc ta cũng có thể sử dụng phương trình 1 ẩn số để lập theo nguyên tắc trên là: Số mol e (Fe cho) = Số mol e (O nhận) + Số mol e (NO 3 nhận). III. Ưu điểm của việc vận dụng các định luật bảo toàn để giải bài toán về hỗn hợp sắt và oxit sắt: Giải nhanh, chính xác các bài tập về hỗn hợp sắt và oxit sắt đồng thời có thể áp dụng cho tất cả các bài tập liên quan đến phản ứng oxi hóa - khử trong Hóa học vô cơ mà không cần viết các phương trình hóa học, đáp ứng được yêu cầu về mặt thời gian phù hợp với hình thức kiểm tra đánh giá trong giai đoạn hiện nay. Giải được nhiều bài tập hỗn hợp rất phức tạp mà các phương pháp giải thông thường có thể không giải quyết được hoặc nếu giải quyết được thì phần trình bày rất dài và phức tạp. Việc sử dụng các định luật bảo toàn để giải các bài toán về hỗn hợp sắt và oxit sắt giúp học sinh không phải viết các phương trình hóa học và tính theo phương trình hóa học, hạn chế được nhiều rủi ro về sai sót trong tính toán vì nếu cân bằng chỉ cần cân bằng phương trình hóa học sai thì hệ quả chắc chắn tính toán kết quả sai và với bài toàn phức tạp nhiều phương trình thì việc kiểm tra lại kết quả gặp nhiều khó khăn. IV. Nhược điểm của việc vận dụng các định luật bảo toàn để giải bài toán về hỗn hợp sắt và oxit sắt: Học sinh phải nắm chắc nội dung và cách vận dụng các định luật phù hợp vào từng dạng toán cụ thể. §Ò tµi: “VËn dông c¸c ®Þnh luËt b¶o toµn ®Ó gi¶i bµi to¸n vÒ hçn hîp s¾t vµ oxit s¾t” Trang 4
5. S¸ng kiÕn kinh nghiÖm Gi¸o viªn: §Æng Quang Th¾ng Học sinh phải nắm vững kiến thức đã học về phản ứng oxi hóa - khử, tính chất của sắt, hợp chất của sắt, axit nitric, axit sunfuric và phải biết phân tích tổng hợp, vận dụng nhiều kiến thức vào một bài toán. Vì vậy phương pháp này được áp dụng chủ yếu cho đối tượng là học sinh khá, giỏi. B. THỰC TRẠNG CỦA ĐỀ TÀI. I. Thuận lợi: Năm học 2014-2015 là năm học đầu tiên triển khai thực hiện Nghị quyết TW lần thứ tám của BCH TW Đảng khóa XI về “Đổi mới căn bản và toàn diện Giáo dục đào tạo” thực hiện đổi mới phương pháp dạy học và kiểm tra đánh giá kết quả học tập theo định hướng phát triển năng lực học sinh và triển khai quán triệt, thực hiện Nghị quyết Hội nghị lần thứ chín BCH TW khóa XI về “Xây dựng và phát triển văn hóa, con người Việt Nam đáp ứng nhu cầu phát triển bền vững đất nước”. 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”. Năm học 2014-2015 toàn ngành tổ chức thực hiện điểm Nhấn “Tăng cường xây dựng văn hóa học đường và giáo dục kỷ năng sống cho học sinh” đã tạo tiền đề và khí thế mạnh mẽ ngay từ đầu năm học. Ngay từ đầu năm học, ban giám hiệu và tổ bộ môn đã có triển khai các kế hoạch, chỉ thị năm học; kiểm tra khảo sát theo bộ môn để phân loại đối tượng học sinh, từ đó có biện pháp phụ đạo học sinh yếu kém, bồi dưỡng học sinh khá giỏi. Học sinh trung học phổ thông sau khi được học chương “phản ứng oxi hoá khử ”; “axi sunfuric” ở lớp 10, và phần “ axit nitric” ở lớp 11, đã bắt đầu làm quen với nhiều dạng bài toán phức tạp, trong đó có bài toán về hỗn hợp sắt và các oxit sắt phản ứng với các chất có tính oxi hoá mạnh (như HNO3, H2SO4 đặc nóng ) hoặc cả với những axit mạnh thông thường (như HCl, H2SO4 loãng ). Có nhiều học sinh khá, giỏi đã có kĩ năng giải bài tập này theo phương pháp thông thường (đặt ẩn, lập hệ phương trình). II. Khó khăn: Đối tượng học sinh của trường THPT Vĩnh Định phần đông là học sinh ở vùng nông thôn, vùng sâu, vùng xa thuộc huyện Triệu Phong – tỉnh Quảng Trị nên không có nhiều điều kiện cả về kinh tế và thời gian cho việc học tập. Rất nhiều học sinh lớp 12 vẫn chưa hiểu được bản chất của các phản ứng của hỗn hợp sắt và oxit sắt với các chất có tính oxi hóa mạnh như axit nitric (hoặc axit sunfuric đặc, nóng) là quá trình oxi hoá liên tiếp Fe bằng 2 chất oxi hoá là O và HNO3 (hoặc axit sunfuric đặc, nóng). §Ò tµi: “VËn dông c¸c ®Þnh luËt b¶o toµn ®Ó gi¶i bµi to¸n vÒ hçn hîp s¾t vµ oxit s¾t” Trang 5