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

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

1. S¸ng kiÕn kinh nghiÖm gi¸o dôc: VËn dông c¸c ®Þnh luËt b¶o toµn vµo gi¶i bµi to¸n vÒ hçn hîp s¾t vµ oxit s¾t. A. §Æt vÊn ®Ò: I. Lêi më ®Çu: Víi 12 n¨m gi¶ng d¹y bé m«n Ho¸ häc trong tr­êng phæ th«ng, t«i ®· ®­îc tham gia gi¶ng d¹y c¸c khèi líp 10, 11, 12, ®­îc tham gia «n luyÖn ®éi tuyÓn thi häc sinh giái vµ luyÖn thi §¹i häc, Cao ®¼ng. T«i cïng víi häc sinh cña m×nh ®· cïng nhau t×m tßi, nghiªn cøu nhiÒu d¹ng bµi to¸n ho¸ häc kh¸c nhau vÒ c¸c lo¹i chÊt kh¸c nhau v« c¬ còng nh­ h÷u c¬. Vµ t«i nhËn thÊy r»ng trong sè c¸c bµi to¸n th­êng gÆp trong ®Ò thi häc sinh giái vµ thi vµo c¸c tr­êng ®¹i häc th× c¸c bµi to¸n vÒ hçn hîp s¾t vµ oxit s¾t chiÕm tØ lÖ kh«ng nhá do s¾t lµ mét kim lo¹i phæ biÕn cã thÓ t¹o ra nhiÒu hîp chÊt øng víi nhiÒu møc oxi ho¸ kh¸c nhau. Khi thùc hiÖn ph¶n øng ho¸ häc cña hçn hîp s¾t vµ oxit s¾t víi c¸c chÊt kh¸c th× x¶y ra theo nhiÒu ph¶n øng kh¸c nhau vµ nhiÒu h­íng kh¸c nhau. VËy ph­¬ng ph¸p nµo ®Ó gi¶i quyÕt bµi to¸n khoa häc nhÊt vµ hiÖu qu¶ nhÊt. II. Thùc tr¹ng vÊn ®Ò nghiªn cøu: 1. Thùc tr¹ng: Häc sinh trung häc phæ th«ng sau khi ®­îc häc ch­¬ng “ ph¶n øng oxi ho¸ khö ” ë líp 10, vµ phÇn “ axit HNO3” ë líp 11, ®· b¾t ®Çu lµm quen víi nhiÒu d¹ng bµi to¸n phøc t¹p, trong ®ã cã bµi to¸n vÒ hçn hîp s¾t vµ c¸c oxit s¾t ph¶n øng víi c¸c chÊt cã tÝnh oxi ho¸ m¹nh ( nh­ HNO3, H2SO4 ®Æc nãng ) hoÆc c¶ víi nh÷ng axit m¹nh th«ng th­êng ( nh­ HCl, H 2SO4 lo·ng ). Khi ch­a biÕt ¸p dông ph­¬ng ph¸p nµy, gÆp lo¹i bµi to¸n trªn, häc sinh sÏ lao vµo viÕt ph­¬ng tr×nh ho¸ häc, ®Æt Èn, lËp hÖ ph­¬ng tr×nh ®Ó gi¶i vµ kÕt qu¶ lµ sè l­îng th«ng minh ®Ó ®Õn ®­îc ®Ých 1
2. cuèi cïng lµ rÊt Ýt vµ cßn gÆp rÊt nhiÒu khã kh¨n vÒ c¸ch gi¶i, thêi gian lµm bµi rÊt dµi mµ hiÖu qu¶ l¹i kh«ng kh¶ quan. Cô thÓ: T«i thùc nghiÖm víi c¸c líp 12B4, 12B7, 12B8 mét ®Ò bµi nh­ sau: §Ò bµi: Nung nóng 12,6 gam Fe ngoài không khí sau một thời gian thu được m gam hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe 2O3 và Fe3O4 . Hỗn hợp này phản ứng hết với dung dịch HNO 3 lo·ng (dư), thu được 2,8 lít khí NO (sản phẩm khử duy nhất, ở đktc). Tính m? C¸ch lµm cña häc sinh: - ViÕt c¸c ph­¬ng tr×nh ho¸ häc x¶y ra: (1) Fe + 4 HNO3 Fe(NO3)3 + NO + 2 H2O (2) 3FeO + 10 HNO3 3Fe(NO3)3 + NO + 5 H2O (3) 3Fe3O4 + 28 HNO3 9Fe(NO3)3 + NO +14 H2O (4) Fe2O3 + 6 HNO3 2Fe(NO3)3 + 3 H2O - Gäi sè mol cña Fe, FeO, Fe 2O3 và Fe3O4 lÇn l­ît lµ x, y, z, t. Ta lËp ®­îc hÖ ph­¬ng tr×nh: x + y + 2z + 3t = 0,225 (1) x + y/3 + t/3 = 0,125 3x + y + t = 0,375. (2) - HÖ 2 ph­¬ng tr×nh 4 Èn, kh«ng thÓ gi¶i cô thÓ ra tõng nghiÖm ®­îc, nhiÒu häc sinh dõng l¹i, kh«ng tiÕp tôc gi¶i to¸n ®­îc n÷a. - Mét sè häc sinh x¸c ®Þnh ®­îc c¸ch tÝnh khèi l­îng m theo biÓu thøc: m = 56x + 72y + 160z + 232t (3) råi häc sinh biÓu diÔn khèi l­îng m theo 2 ph­¬ng tr×nh trªn nh­ng kh«ng ®¹t ®­îc kÕt qu¶. - Mét vµi häc sinh ®· loay hoay lµm bµi tËp trong 10 - 15 phót míi t×m ra kÕt qu¶ b»ng c¸ch lµm sau: Tõ 2 pt (1) vµ (2) t×m ®­îc y + 3z + 4t = 0,15 m = 56x + 72y + 160z + 232t = 56 (x + y + 2z + 3t) + 16 (y + 3z + 4t) = 56. 0,225 + 16. 0,15 = 15 gam. - Ph­¬ng ph¸p gi¶i trªn kh«ng mang l¹i hiÖu qu¶ cao cho d¹ng bµi to¸n nµy. 2
3. 2. Nguyªn nh©n cña thùc tr¹ng trªn: - Häc sinh ch­a hiÓu ®­îc b¶n chÊt cña c¸c ph¶n øng trªn lµ qu¸ tr×nh oxi ho¸ liªn tiÕp Fe b»ng 2 chÊt oxi ho¸ lµ O vµ HNO3. - Ch­a biÕt c¸ch ¸p dông c¸c ®Þnh luËt b¶o toµn vµo gi¶i to¸n, ®Æc biÖt lµ b¶o toµn e trong ph¶n øng oxi ho¸ khö. - Mçi d¹ng bµi tËp cã nhiÒu ph­¬ng ph¸p lµm, nh­ng cã 1 ph­¬ng ph¸p hiÖu qu¶ nhÊt ®Ó gi¶i quyÕt mµ häc sinh ch­a t×m ra ®­îc. - Thãi quen cò cña häc sinh vÒ gi¶i to¸n ho¸ bao giê còng lµ viÕt ph­¬ng tr×nh ho¸ häc, ®Æt Èn, lËp hÖ ph­¬ng tr×nh. Ph­¬ng ph¸p nµy chØ phï hîp víi nh÷ng bµi to¸n ®¬n gi¶n, khi sè Èn vµ sè ph­¬ng tr×nh ®¹i sè lËp ®­îc b»ng nhau. 3. KÕt qu¶ cña thùc tr¹ng trªn: Víi ph­¬ng ph¸p cæ ®iÓn mµ häc sinh ¸p dông nh­ trªn th× hiÖu qu¶ gi¶i to¸n lµ rÊt thÊp. T«i ®· tæng hîp sè l­îng häc sinh hoµn thµnh bµi tËp d¹ng nµy theo thêi gian nh­ sau: Líp SÜ sè 5 phót 5- 10 phót 10- 15 phót 12 B4 49 0 1 3 12 B7 43 0 1 3 12 B8 45 0 0 2 Víi kÕt qu¶ lµm nh­ vËy thËt lµ ®¸ng buån. VËy víi 1 c©u hái tr¾c nghiÖm kh¸ch quan trong ®Ò thi §¹i häc víi thêi gian trung b×nh 1,8 phót/ 1 c©u hái th× häc sinh sÏ gi¶i quyÕt ra sao? §iÒu nµy ®ßi hái chóng ta ph¶i c¶i tiÕn ph­¬ng ph¸p ®¬n gi¶n h¬n, dÔ hiÓu h¬n vµ ®Æc biÖt lµ nhanh chãng h¬n ®Ó gióp häc sinh ph¸t hiÖn vµ gi¶i quyÕt vÊn ®Ò nhanh gän, chÝnh x¸c, rót ng¾n thêi gian lµm bµi tËp, ®Æc biÖt ®¸p øng gi¶i kiÓu bµi tr¾c nghiÖm kh¸ch quan trong c¸c kú thi §¹i häc vµ thi häc sinh giái. Trong ®Ò tµi nµy, t«i ®Ò nghÞ mét ph­¬ng ph¸p ®¬n gi¶n gióp häc sinh dÔ dµng n¾m b¾t d¹ng bµi tËp vµ gi¶i quyÕt bµi to¸n nhanh chãng h¬n, ®ã lµ ph­¬ng ph¸p vËn dông c¸c ®Þnh luËt b¶o toµn. 3
4. B. c¸c ph­¬ng ph¸p c¶i tiÕn: I. C¸c ®Þnh luËt cÇn vËn dông: 1. §Þnh luËt b¶o toµn khèi l­îng: Néi dung: Khèi l­îng c¸c chÊt tham gia ph¶n øng b»ng khèi l­îng c¸c chÊt t¹o thµnh sau ph¶n øng. Víi néi dung ®Þnh luËt trªn khi vËn dông vµo gi¶i to¸n chóng ta cÇn h­íng dÉn häc sinh vËn dông mét c¸ch s¸ng t¹o theo nhiÒu d¹ng kh¸c nhau b»ng c¸c hÖ qu¶ sau: HÖ qu¶ 1: Tæng khèi l­îng c¸c chÊt tr­íc ph¶n øng b»ng tæng khèi l­îng c¸c chÊt sau ph¶n øng. HÖ qu¶ nµy ®­îc vËn dông dï ph¶n øng x¶y ra víi hiÖu suÊt bÊt kú. HÖ qu¶ 2: Khèi l­îng cña hîp chÊt ion b»ng tæng khèi l­îng cña cation vµ anion t¹o nªn hîp chÊt ®ã. 2. §Þnh luËt b¶o toµn nguyªn tè: Néi dung: Trong ph¶n øng ho¸ häc, nguyªn tè ®­îc b¶o toµn. §Þnh luËt trªn cã thÓ hiÓu trong ph¶n øng hãa häc, nguyªn tè ®­îc b¶o toµn c¶ vÒ chÊt vµ l­îng ( khèi l­îng, sè mol). 3. §Þnh luËt b¶o toµn ®iÖn tÝch: Néi dung: Trong mét hÖ c« lËp vÒ ®iÖn, ®iÖn tÝch ®­îc b¶o toµn. Trong ®Þnh luËt nµy, phÇn chóng ta cÇn ¸p dông nhiÒu nhÊt lµ: 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. 4
5. 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. Giải quyết bài toán: Với giả thiết là cho m gam hỗn hợp gồm Fe và các oxit FeO, Fe3O4, Fe2O3 tác dụng với HNO 3 thu được khí NO2. Ta xem nh­ ®©y lµ qu¸ tr×nh oxi ho¸ liªn tiÕp Fe b»ng 2 chÊt oxi ho¸ lµ O vµ HNO3 3+ - Chất nhường electron: Fe , t¹o s¶n phÈm lµ Fe . - Chất nhận electron: O và HNO3 , t¹o sản phẩm là oxit vµ V lít NO2 (đktc). Theo định luật bảo toàn khối lượng: 56x + 16y = m (1) Theo định luật bảo toàn electron Chất khử Chất oxi hóa 2 3 O 2e O Fe Fe 3e y 2y y 4 5 x 3x N 1e N O2 V V 22,4 22,4 V Tổng electron nhường: 3x mol Tổng electron nhận: 2y + 22,4 V Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: 3x = 2y + 2 2 , 4 (2) 56x 16y m Từ (1) và (2) ta có hệ V 3x 2y 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. HoÆc ta còng cã thÓ sö dông ph­¬ng tr×nh 1 Èn sè ®Ó lËp theo nguyªn t¾c trªn lµ: - Sè mol e ( Fe cho) = Sè mol e ( O nhËn) + Sè mol e ( NO3 nhËn) 3. nFe = 2. nO + nNO2 5
6. Sau đây tôi xin gửi đến một số dạng bµi toán vÒ hçn hîp s¾t vµ oxit s¾t mà chúng ta hay gặp. III. Ph­¬ng ph¸p gi¶i mét sè d¹ng bµi tËp ®iÓn h×nh: 1. Dạng đốt cháy Sắt trong không khí rồi cho sản phẩm phản ứng với chất oxi hóa : §©y lµ d¹ng bµi to¸n kinh ®iÓn vÒ bµi tËp s¾t vµ hçn hîp s¾t vµ oxit s¾t. Đề bài 1: Nung nóng 12,6 gam Fe ngoài không khí sau một thời gian thu được m gam hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe 2O3 và Fe3O4 . Hỗn hợp này phản ứng hết với dung dịch HNO 3 lo·ng (dư), thu được 2,8 lít khí NO (sản phẩm khử duy nhất, ở đktc). Tính m? Phân tích đề: Sơ đồ phản ứng [O] [HNO3] Fe hh X Fe3+ 3+ Fe bÞ oxi ho¸ thµnh Fe b»ng 2 chÊt oxi ho¸ lµ O vµ HNO3. Như vậy: + Khối lượng oxit sẽ là tổng của khối lượng sắt và oxi. + Trong c¶ quá trình: chất nhường e là Fe, chất nhận là O và HNO3. Giải: Ta có nNO = 0,125 mol , nFe = 0,225 mol Gọi số mol oxi trong oxit là x ta có: Chất khử Chất oxi hóa Fe 3 e + Fe3+ O + 2 e O2- x 2x x - 0,225 0,675 NO3 + 3 e NO 0,375 0,125 Tổng electron nhường: 0,675 mol Tổng electron nhận: 2x + 0,375 (mol) Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: 0,675 = 2x + 0,375  x = 0,15 m m m Mặt khác ta có: Fe O2 nên: m = 12,6 + 0,15x16 = 15 (gam). 6
7. Đề Bài 2: Nung nóng m gam bột sắt ngoài không khí, sau phản ứng thu được 20 gam hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe 2O3 và Fe3O4 . Hòa tan hết X trong dung dịch HNO3 loãng thu được 5,6 lít hỗn hợp khí Y gồm NO và NO2 có tỉ khối so với H2 là 19. Tính m và thể tích HNO3 1M đã dùng? Phân tích đề: sơ đồ phản ứng NO2  O (kk ) FeO, Fe3O4 HNO Fe 2  3 NO  Fe O và Fe du 2 3 Fe(NO ) 3 3 + Hỗn hợp X gồm Fe và O trong oxit. + Xét cả quá trình ta thấy chỉ có Fe nhường e, Chất nhận e là Oxi và HNO3 . + HNO3 nhận e để cho NO và NO2. + Số mol HNO3 ban đầu bằng số mol HNO3 trong muối và chuyển về các khí. Giải: Theo đề ra ta có: n n 0,125mol NO NO2 Gọi số mol Fe và O tương ứng trong X là x và y ta có: 56x + 16y = 20 (1). Quá trình nhường và nhận e: Chất khử Chất oxi hóa O 2e O2 y 2y y 3 4 Fe Fe 3e N 5 1e N O 0,125 0,1252 x 3x 2 N 5 3e N O 0,125x3 0,125 Tổng electron nhường: 3x mol Tổng electron nhận: 2y + 0,125+ 0,125x3 (mol) Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: 3x = 2y + 0,5 (2) Từ (1) và (2) ta có hệ 56x 16y 20 3x 2y 0,5 Giải hệ trên ta có x = 0,3 và y = 0,2 . Như vậy nFe = 0,3 mol vậy m = 16,8 gam. 7
8. Theo định luật bảo toàn nguyên tố ta có: n nmuôi nKhí 3n n n HNO3 NO3 NO3 Fe NO NO2 nên n 0,3x3 0,125 0,125 1,15 mol. HNO3 1,15 Vậy V 1,15(lít) HNO3 1 - Ta còng cã thÓ dïng ph­¬ng tr×nh ion – electron ®Ó t×m sè mol H + chÝnh lµ sè mol HNO3 ph¶n øng: - + NO3 + e + 2H NO2 + H2O - + NO3 + 3e + 4H NO + 2H2O nH+ = 2nNO2 + 4nNO 2. Dạng hỗn hợp sắt và các oxit phản ứng với chất oxi hóa mạnh: Đề bài: Cho 11,36 gam hỗn hợp gồm Fe, FeO, Fe 2O3 và Fe3O4 phản ứng hết với dung dịch HNO3 loãng (dư), thu được 1,344 lít khí NO (sản phẩm khử duy nhất, ở đktc) và dung dịch X. Cô cạn dung dịch X thu được m gam muối khan. Tính m ? Phân tích đề: Ta coi như trong hỗn hợp X ban đầu gồm Fe và O. Như vậy xét cả quá trình chất nhường e là Fe chất nhận e là O và NO3 . Nếu chúng ta biết được số tổng số mol Fe trong X thì sẽ biết được số mol muối Fe(NO 3)3 trong dung dịch sau phản ứng. Do đó chúng ta sẽ giải bài toán này như sau: Giải: Số mol NO = 0,06 mol. Gọi số mol Fe và O tương ứng trong X là x và y ta có: 56x + 16y = 11,36 (1). Quá trình nhường và nhận e: Chất khử Chất oxi hóa 2 Fe Fe3 3e O 2e O y 2y y 2 x 3x N 5 3e N O 0,18 0,06 Tổng electron nhường: 3x (mol) Tổng electron nhận: 2y + 0 , 1 8 (mol) 8