SKKN Kinh nghiệm dạy học sinh sử dụng các định luật bảo toàn để giải bài toán hoá học

Nội dung text: SKKN Kinh nghiệm dạy học sinh sử dụng các định luật bảo toàn để giải bài toán hoá học

1. Kinh nghiệm dạy học sinh sử dụng các định luật bảo toàn để giải bài toán Hoá học A. Đặt vấn đề I. Lời mở đầu: Hoá học là khoa học nghiên cứu thành phần, cấu trúc, tính chất của các chất và quá trình chuyển hoá chất này thành chất khác. Việc dạy học hoá học có vai trò quan trọng trong sự hình thành và phát triển tư duy khoa học cũng như kỹ năng thực hành của học sinh. Để nâng cao hiệu quả dạy học người giáo viên không thể không sử dụng bài tập hoá học, bài tập hoá học vừa là nội dung, phương pháp, vừa là phương tiện để dạy tốt, học tốt môn Hoá học. Trong hệ thống bài tập hoá học, bài toán hoá học có vai trò rất quan trọng trong việc rèn luyện kỹ năng, củng cố kiến thức và phát triển tư duy của học sinh. Có nhiều phương pháp để giải các bài toán hoá học, nhưng nếu có thể sử dụng được các định luật bảo toàn sẽ làm cho lời giải ngắn gọn hơn, rút ngắn được thời gian làm bài, phù hợp với kiểu bài tập trắc nghiệm khách quan. Trong sáng kiến kinh nghiệm này tôi muốn trao đổi về "Kinh nghiệm dạy học sinh sử dụng các định luật bảo toàn để giải bài toán hoá học". II. Thực trạng: ở lớp 8, lớp 9 học sinh đã được trang bị phương pháp giải toán hoá học cơ bản, đó là: Phương pháp tính theo công thức hoá học và phương pháp tính theo phương trình hoá học. Trong quá trình học tập một số học sinh đã sử dụng “Định luật bảo toàn khối lượng”, “Định luật bảo toàn nguyên tố”, “Định luật bảo toàn điện tích” và “Định luật bảo toàn electron” để giải các bài toán hoá học. Các định luật bảo toàn trên có ý nghĩa và vai trò rất quan trọng trong hoá học nói riêng và trong khoa học nói chung. Tuy nhiên nhìn chung các em thường tỏ ra lúng túng và áp dụng sai các định luật bảo toàn do chưa nắm vững nội dung và cơ sở của định luật cũng như các điểm lưu ý khi áp dụng. Từ thực trạng trên và qua quá trình học chuyên đề bồi dưỡng thường xuyên, qua học hỏi đồng nghiệp và qua quá trình tự học, tự bồi dưỡng tôi đã sử dụng các định luật bảo toàn để hướng dẫn học sinh giải các bài toán hoá học. Người thực hiện: Đỗ Bá Đại - Tổ: Hoá - Lý Trường THPT Trần Phú Nga Sơn Trang: 1
2. Kinh nghiệm dạy học sinh sử dụng các định luật bảo toàn để giải bài toán Hoá học B. Giải quyết vấn đề I. Nắm vững nội dung và cơ sở cũng như phạm vi áp dụng các định luật bảo toàn: * Trước hết tôi yêu cầu học sinh phải nắm vững kiến thức lý thuyết về các phản ứng hoá học, về tính chất của các chất ứng với từng nội dung trong các bài học. Nắm vững phương pháp tính theo công thức hoá học và phương trình hoá học - là phương pháp cơ bản nhất và quan trọng nhất trong việc hình thành kỹ năng giải toán hoá học của học sinh. Tiếp đó tôi trang bị cho học sinh một hệ thống nội dung các định luật bảo toàn, các thí dụ minh hoạ định luật và các thí dụ áp dụng. 1. Định luật bảo toàn nguyên tố: a. Nội dung định luật: - Nội dung: "Tổng số mol nguyên tử của một nguyên tố trước phản ứng hoá học bằng tổng số mol nguyên tử nguyên tố đó sau phản ứng hoá học". - Tổng quát: "Tổng số mol nguyên tử của một nguyên tố trước thí nghiệm bằng tổng số mol nguyên tử nguyên tố đó sau thí nghiệm", nghĩa là nguyên tố hoá học được bảo toàn. b. Cơ sở định luật: - Vì phản ứng hoá học chỉ làm thay đổi trật tự và cách thức liên kết giữa các nguyên tử mà không làm mất đi nguyên tố hoá học nên nguyên tố hoá học được bảo toàn. c. Các điểm lưu ý khi áp dụng: - Định luật bảo toàn nguyên tố có thể áp dụng khi giải toán hoá học vô cơ cũng như khi giải toán hoá học hữu cơ. - Cần xác định đúng thành phần nguyên tố trước và sau phản ứng hoá học. d. Thí dụ minh hoạ định luật: Cho khí CO đi qua 0,2 mol Fe2O3 nóng đỏ một thời gian thu được hỗn hợp chất rắn A (gồm a mol Fe2O3 , b mol Fe3O4 , c mol FeO và d mol Fe) và hỗn hợp khí B (gồm CO và CO2). Xác định mối liên hệ giữa a, b, c, d. Hướng dẫn: áp dụng định luật bảo toàn nguyên tố ta có: Tổng số mol Fe sau phản ứng bằng tổng số mol Fe trước phản ứng hay 2a + 3b + c + d = 0,2 . 2 = 0,4 . Người thực hiện: Đỗ Bá Đại - Tổ: Hoá - Lý Trường THPT Trần Phú Nga Sơn Trang: 2
3. Kinh nghiệm dạy học sinh sử dụng các định luật bảo toàn để giải bài toán Hoá học e. Các thí dụ áp dụng: Thí dụ 1: (Trích đề thi TSĐH khối A năm 2007) Hoà tan hoàn toàn hỗn hợp gồm 0,12mol FeS2 và a mol Cu2S vào dung dịch HNO3 (vừa đủ), thu được dung dịch X (chỉ chứa hai muối sunfat) và khí duy nhất NO. Giá trị của a là (cho Fe = 56 , Cu = 64 , S = 32) : A. 0,075 B. 0,12 C. 0,06 D. 0,04 Hướng dẫn: Yêu cầu học sinh phải viết được công thức của sản phẩm, hiểu được bản chất của phản ứng là phản ứng oxi hoá - khử: Các nguyên tố Fe, Cu, S sẽ bị HNO3 oxi hoá lên số oxi hoá cao nhất. Vậy công thức của hai muối sunfat là Fe2(SO4)3 và CuSO4 . Ta có sơ đồ hợp thức: 2FeS2 Fe2(SO4)3 0,12 (mol) 0,06 (mol) Cu2S 2CuS a (mol) 2a (mol) + Tổng số mol S trước phản ứng: 0,12 . 2 + a = (0,24 + a) mol + Tổng số mol S sau phản ứng: 0,06 . 3 + 2a = (0,18 + 2a) mol áp dụng định luật bảo toàn nguyên tố ta có: 0,24 + a = 0,18 + 2a a = 0,06 (mol) Đáp án C. Thí dụ 2: Cho khí CO đi qua ống sứ đựng 8(g) Fe2O3 nung nóng, một thời gian sau thu được hỗn hợp chất rắn X (gồm Fe , FeO và Fe3O4) và hỗn hợp khí B. Hoà tan X trong dung dịch H2SO4 đặc nóng, dư thu được dung dịch Y và khí SO2. Lượng muối khan thu được khi cô cạn dung dịch Y là (cho Fe = 56, S = 32, O = 16). A. 16 (g) B. 20 (g) C. 18 (g) D. 24 (g) Hướng dẫn: Muối khan thu được là Fe2(SO4)3 . áp dụng định luật bảo toàn nguyên tố ta có: Số mol Fe trong Fe2O3 bằng số mol Fe trong Fe2(SO4)3 . 8 Số mol Fe2(SO4)3 = số mol Fe2O3 = = 0,05 (mol). 160 Khối lượng Fe2(SO4)3 = 0,05 . 400 = 20 (g). Đáp án B . Người thực hiện: Đỗ Bá Đại - Tổ: Hoá - Lý Trường THPT Trần Phú Nga Sơn Trang: 3
4. Kinh nghiệm dạy học sinh sử dụng các định luật bảo toàn để giải bài toán Hoá học Thí dụ 3: Đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp A (gồm FeS2 và Ag2S với số mol bằng nhau) thu được 3,36 lít khí SO 2 (ở đktc) và chất rắn B. Cho B vào cốc đựng dung dịch axit HCl (dư). Khối lượng chất rắn không tan trong axit HCl là: (cho Fe = 56, Ag = 108 , S = 32). A. 14,35 (g) B. 7,175 (g) C. 10,8 (g) D. 5,4 (g) Hướng dẫn: Lưu ý rằng Ag2O không bền nên chất rắn B gồm Fe2O3 và Ag. Vì vậy khi cho B tác dụng với dung dịch HCl thì chỉ có Fe2O3 là tan, Ag không tan. Ta cần tính khối lượng của Ag. * Gọi số mol của FeS2 và Ag2S đều bằng x (mol). Suy ra tổng số mol S trước phản ứng cháy là: 2x + x = 3x (mol) 3,36 * Số mol SO2 bằng: = 0,15 (mol) 22,4 Suy ra tổng số mol S sau phản ứng cháy bằng 0,15 (mol). áp dụng định luật bảo toàn nguyên tố ta có: 3x = 0,15 x = 0,05 (mol) Do số mol Ag2S = 0,05 (mol) Số mol Ag = 0,05 . 2 = 0,1 (mol) Khối lượng chất rắn không tan là: 0,1 . 108 = 10,8 (g) Đáp án C . Thí dụ 4: (Trích đề thi TSĐH Cần Thơ năm 2000) Este E có 3 nguyên tố C, H, O. Lấy 1,22 (g) E phản ứng vừa đủ với 200 ml dung dịch KOH 0,1M . Cô cạn dung dịch sau phản ứng thu được phần bay hơi chỉ có nước và phần rắn là 2,16 (g) hỗn hợp muối. Đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp muối này thu được 2,64 (g) CO2 ; 0,54 (g) H2O và a (g) K2CO3 . Tính a (cho C = 12 , H = 1 , O = 16 , K = 39). Hướng dẫn: + Số mol KOH = 0,1 . 0,2 = 0,02 (mol). + Gọi số mol K2CO3 = x (mol). áp dụng định luật bảo toàn nguyên tố ta có: Số mol K sau phản ứng bằng số mol K trước phản ứng hay: 2x = 0,02 x = 0,01 Do đó: a = 0,01 . 138 = 1,38 (g) . Người thực hiện: Đỗ Bá Đại - Tổ: Hoá - Lý Trường THPT Trần Phú Nga Sơn Trang: 4
5. Kinh nghiệm dạy học sinh sử dụng các định luật bảo toàn để giải bài toán Hoá học Thí dụ 5: Trong bình kín có chứa 0,02 mol C2H2 và 0,03 mol H2 với một ít bột Ni. Nung nóng bình một thời gian thu được hỗn hợp X gồm C 2H2, C2H4, C2H6 và H2. Số mol O2 cần thiết để đốt cháy hoàn toàn X là: A. 0,075 mol B. 0,065 mol C. 0,055 mol D. 0,045 mol Hướng dẫn: Theo định luật bảo toàn nguyên tố, hàm lượng của C và H trong X và trong hỗn hợp đầu là như nhau. Mà sản phẩm cháy đều là CO2 và H2O. Vì vậy, số mol O2 cần thiết để đốt cháy hết hỗn hợp X bằng đốt cháy hỗn hợp ban đầu. Các phương trình hoá học đốt cháy hỗn hợp ban đầu: to 2C2H2 + 5O2  4CO2 + 2H2O (1) 0,02 (mol) 0,05 (mol) to 2H2 + O2  2H2O (2) 0,03 (mol) 0,015 (mol) Theo (1) và (2): Số mol O2 = 0,05 + 0,015 = 0,065 (mol). Đáp án B. 2. Định luật bảo toàn khối lượng: a. Nội dung định luật: - Nội dung: "Tổng khối lượng các chất tham gia phản ứng hoá học bằng tổng khối lượng của các chất sản phẩm". - Tổng quát: "Tổng khối lượng của các chất trước thí nghiệm bằng tổng khối lượng của các chất sau thí nghiệm". b. Cơ sở của định luật: - Vì có sự bảo toàn nguyên tố hoá học nên dẫn đến sự bảo toàn khối lượng các chất trong một phản ứng hoá học cũng như trong một thí nghiệm. c. Các điểm lưu ý khi áp dụng: - Định luật bảo toàn khối lượng có thể áp dụng khi giải toán hoá học vô cơ cũng như khi giải toán hoá học hữu cơ. - Cần tìm ra mối tương quan giữa các hệ số tỉ lượng trong phương trình hoá học. d. Thí dụ minh hoạ định luật: Cho m1 (g) hỗn hợp A gồm 2 muối cacbonat X2CO3 và YCO3 tác dụng với dung dịch HCl dư , sau phản ứng thu được dung dịch B và a mol CO2. Cô cạn dung dịch B thu được m2 (g) muối khan. Xác định mối liên hệ giữa m1 , m2 và a (cho H = 1 , Cl = 35,5 , O = 16 , C = 12 ). Người thực hiện: Đỗ Bá Đại - Tổ: Hoá - Lý Trường THPT Trần Phú Nga Sơn Trang: 5
6. Kinh nghiệm dạy học sinh sử dụng các định luật bảo toàn để giải bài toán Hoá học Hướng dẫn: Các phương trình hoá học: X2CO3 + 2HCl 2XCl + H2O + CO2 (1) YCO3 + 2HCl YCl2 + H2O + CO2 (2) Theo (1) và (2): + Số mol H2O sinh ra bằng a (mol) + Số mol HCl phản ứng bằng 2a (mol) áp dụng định luật bảo toàn khối lượng ta có: m1 + 36,5 . 2a = m2 + 44a + 18a Hay: m1 + 11a = m2 (2) e. Các thí dụ áp dụng: Thí dụ 1: Cho 2,81 (g) hỗn hợp A gồm 3 oxít tan vừa đủ trong 300 ml dung dịch H2SO4 0,1M thì khối lượng hỗn hợp các muối khan thu được là A. 3,81 (g) B. 4,81 (g) C. 5,21 (g) D. 4,80 (g) Hướng dẫn: Sơ đồ phản ứng: Oxit + Axit Muối + Nước (1) Theo định luật bảo toàn nguyên tố ta có: Số mol H trong H2SO4 bằng số mol H trong H2O sinh ra. Nên suy ra: Số mol H2O = số mol H2SO4 = 0,3 . 0,1 = 0,03 (mol). áp dụng định luật bảo toàn khối lượng cho sơ đồ (1) Ta có: 2,81 + 0,03 . 98 = a + 0,03 . 18 (1) (Với a là khối lượng muối khan). Từ (1) ta có: a = 5,21 (g) Đáp án C . Thí dụ 2: (Trích đề thi chọn học sinh giỏi lớp 12 THPT tỉnh Thanh Hoá năm học 2005-2006) Hoà tan hoàn toàn 23,2 (g) một oxit kim loại bằng dung dịch H2SO4 đặc, nóng (vừa đủ) thu được 1,12 lít khí SO2 (ở đktc) và 60 (g) muối. Xác định công thức phân tử của oxit. Hướng dẫn: + Gọi công thức của oxit là: MxOy 1,12 + Số mol SO2 = = 0,05 (mol) 22,4 + Gọi hoá trị cao nhất của M là n . Người thực hiện: Đỗ Bá Đại - Tổ: Hoá - Lý Trường THPT Trần Phú Nga Sơn Trang: 6