SKKN Phương pháp quy đổi nguyên tử giải nhanh các bài toán phản ứng oxi hoá - khử

Nội dung text: SKKN Phương pháp quy đổi nguyên tử giải nhanh các bài toán phản ứng oxi hoá - khử

1. SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM : “PHƯƠNG PHÁP QUY ĐỔI NGUYÊN TỬ GIẢI NHANH CÁC BÀI TOÁN PHẢN ỨNG O XI HOÁ - KHỬ” Giáo viên: PhanThọ Nhật - Trường trung học phổ thông Hương Khê. Tỉnh Hà Tĩnh . A.ĐẶT VẤN ĐỀ: I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Trong chương trình hoá học ở bậc Trung học phổ thông, bài toán về phản ứng o xi hoá- khử là bài toán quan trọng,phổ biến, thường gặp trong các kỳ thi học sinh giỏi, tuyển sinh vào đại học - cao đẳng. Những bài toán o xi hoá- khử được đề cập trong các tài liệu tham khảo với nhiều cách giải khác nhau. Tuy nhiên ta nhận thấy có một phương pháp rất hiệu quả giải quyết được phần lớn các bài tập dạng này đó là phương pháp Quy đổi nguyên tử .Với việc sử dụng phương pháp này, những bài toán về hỗn hợp chất khử, chất o xi hoá tham gia phản ứng o xi hoá- khử sẽ được giải quyết một cách rất tự nhiên,ngắn gọn và đơn giản. Trong quá trình giảng dạy tác giả nhận thấy tâm lý chung của học sinh là rất ngại và lúng túng khi gặp các bài toán hỗn hợp các chất o xi hoa,chất khử phản ứng . Với mong muốn giúp các em học sinh lớp 10,11, 12 thay đổi tâm lý khi gặp các bài toán o xi hoá- khử phức tạp và có cách tiếp cận, giải quyết các bài toán này một cách nhẹ nhàng, tôi tập trung khai thác các bài toán phản ứng o xi hoá- khử phức tạp bằng phương pháp Quy đổi nguyên tử . Từ những lý do trên tôi trình bày sáng kiến kinh nghiệm: “ Phương pháp quy đổi nguyên tử giải nhanh các bài toán phản ứng o xi hoá- khử”. II. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU: Để hoàn thành đề tài nói trên tôi đã nghiên cứu trên các dạng bài tập về hỗn hợp các o xit kim loại,hỗn hợp các sun fua kim loại trong chương trình hoá học vô cơ lớp10, lớp 11 thuộc chương trình chuẩn THPT. 1
2. Các vấn đề trong bài viết của mình sẽ hỗ trợ cho các em học sinh lớp 11 về cách tiếp cận bài toán phản ứng o xi hoá - khử giải bằng phương pháp Quy đổi nguyên tử III. MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU - Mục tiêu nghiên cứu : Mục đích nghiên cứu của đề tài này là giúp các em học sinh lớp 11 tiếp cận với bài toán o xi hoá - khử bằng công cụ hữu hiệu đó là phương pháp Quy đổi nguyên tử .Đồng thời rèn luyện cho học sinh kỹ năng giải và trình bày dạng toán này . -Nhiệm vụ nghiên cứu : Nghiên cứu các tài liệu ,xây dựng và trình bày một cách có hệ thống các bài tập phản ứng o xi hoá -khử phức tạp . IV. GIẢ THUYẾT KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI -Về nguyên tắc là đưa được hỗn hợp các chất về hỗn hợp các nguyên tử. Xem xét điểm đầu và điểm cuối về trạng thái số o xi hoá của các nguyên tố để giải quyết bài toán. -Lập các phương trình cho- nhận electron. -Lập phương trình bảo toàn mol electron cho- nhận. -Hướng dẫn học sinh giải đúng theo các nguyên tắc trên,lập đúng quy trình giải toán; kiểm tra kết quả để có kết luận xác đáng . V. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU +) Nghiên cứu lý luận: Nghiên cứu các tài liệu về bài tập phản ứng o xi hoá - khử trong chương trình hoá học Trung học phổ thông. +) Nghiên cứu thực tiễn: Khảo sát năng lực học sinh trong vấn đề tiếp cận và giải quyết bài toán phản ứng o xi hoá - khử phức tạp . +) Thực nghiệm sư phạm : Tiến hành dạy thực nghiệm một số tiết ở lớp 11 để xem xét tính khả thi và hiệu quả của đề tài . VI. DỰ BÁO NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA ĐỀ TÀI - Trong thực tiễn dạy học của bản thân,tôi đã áp dụng đề tài của mình vào giảng dạy và đã thu được kết quả rất khả quan, hầu hết sau đó các em đã rất chủ động và hứng thú khi tiếp cận với những bài toán o xi hóa- khử nói chung . Từ đó phát huy tính tích cực, tư duy sáng tạo của mình trong học tập. Đề tài có thể làm 2
3. tài liệu tham khảo cho giáo viên và học sinh trong việc bồi dưỡng học sinh giỏi, luyện thi THPT quốc gia để vào các trường Đại học - Cao đẳng. B.GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ I.CƠ SỞ KHOA HỌC 1. Cơ sở lý luận: Về nguyên tắc chuyển đổi được hỗn hợp chất khử, chất o xi hoá có trong hỗn hợp các hợp chất khử, chất o xi hoá ban đầu về hỗn hợp nguyên tử. Tức là đưa trạng thái số o xi hoá của các nguyên tố ban đầu về số 0. - Lập các phương trình cho - nhận electron. - Lập phương trình bảo toàn mol electron cho - nhận . 2. Cơ sở thực tiễn: Qua quá trình giảng dạy ta thấy nội dung chương trình THPT đề cập rất nhiều đến phản ứng o xi hoá - khử; các bài toán về o xi hoá - khử xuất hiện rất nhiều trong các đề thi vào Đại học - Cao đẳng . II.CÁC BÀI TẬP ÁP DỤNG 1. Dạng 1: Hỗn hợp các o xit kim loại và kim loại Phương pháp: Quy đổi hỗn hợp về hỗn hợp các nguyên tử kim loại và o xi. - Lập các phương trình cho- nhận electron - Lập phương trình bảo toàn mol electron. - Giải các phương trình . Bài 1: 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. Giá trị m là: A.38,72 B. 35,50 C.49,09 D.34,36. Phân tích bài toán: -Hỗn hợp trên gồm sắt và các o xit sắt , ta quy đổi hỗn hợp về hỗn hợp các nguyên tử sắt và các nguyên tử o xi. Fe,FeO,Fe2O3,Fe3O4 →Fe,O. -Nắm lấy số o xi hoá của các nguyên tố ở trạng thái đầu và cuối , lập các phương trình cho -nhận electron . Lời giải : 3
4. nNO = 0,06 (mol). Đặt số mol Fe lã x,số mol O là y.Theo bảo toàn khối lượng ta có: 56x + 16y =11,36 gam (1) . -Các phương trình cho- nhận electron: Fe→ Fe3+ + 3e x mol x 3x mol O + 2e → O2- ymol 2y ymol N+5 + 3e → N+2 0,18 0,06 mol -Bảo toàn mol electron cho - nhận ta có : 3x = 2y + 0,18 (2). Từ (1) ,(2) ta có hệ phương trình : 56x + 16y = 11,36 3x - 2y =0,18 Giải hệ được x = 0,16 và y = 0,30 Suy ra mFe(NO3)3 = 0,16.242 = 38,72 gam. Chọn đáp án A Nhận xét: Qua lời giải trên, cho thấy bài toán đã được giải quyết gọn gàng. Nếu không dùng phương pháp quy đổi nguyên tử như trên mà giải bằng phương pháp viết các phương trình phân tử thì ta phải viết đến 4 phương trình phân tử rất phức tạp . Fe + 4 HNO3 loãng → Fe(NO3)3 + NO + 2H2O 3FeO + 10HNO3 loãng→3Fe(NO3)3 + NO + 5H2O Fe2O3 +6 HNO3→ 2Fe(NO3)3 + 3H2O 3Fe3O4 + 28HNO3→ 9Fe(NO3)3 + NO +14H2O Ngoài ra còn phải lập rất nhiều phương trình đại số rất phức tạp , lời giải rất dài,mất nhiều thời gian. Rõ ràng phương pháp quy đổi nguyên tử ưu việt hơn rất nhiều về mọi mặt , đặc biệt rất phù hợp với kiểu thi trắc nghiệm . Bài 2: 4
5. Oxi hóa chậm m gam Fe ngoài không khí thu được 12g hỗn hợp A gồm FeO, Fe2O3, Fe3O4 và Fe dư. Hòa tan A vừa đủ bởi 200ml dd HNO 3 thu được 2,24l khí NO duy nhất (đktc). Giá trị của m và nồng độ mol/ l của dd HNO3 là A. 10,08g và 3,2M B. 10,08g và 2M C. 11,2g và 3,2M D. 11,2g và 2M Lời giải: -Quy đổi hỗn hợp A thành hỗn hợp Fe, O. -Gọi số mol Fe, O theo thứ tự là x , y ta có : 56x + 16y = 12(1) -Số mol NO = 0,1(mol) . -Các phương trình cho- nhận electron: Fe → Fe3+ + 3e xmol x 3x mol O + 2e → O2- y 2y mol N+5 + 3e→ N+2 0,3 0,1 mol -Bảo toàn mol electron cho- nhận ta có : 3x = 2y + 0,3. Hay 3x - 2y = 0,3 (2) . -Từ(1) và (2) ta có hệ phương trình : 56x + 16y = 12 3x - 2y = 0,3 -Giải hệ phương trình ta được x = 0,18 và y = 0,12 Suy ra khối lượng sắt : mFe = 0,18.56 = 10,08 gam . - Bảo toàn nguyên tố ni tơ ; nHNO3 = 3nFe(NO3)3 + nNO = 3.0,18 + 0,1 = 0,64 suy ra nồng độ mol/l của dung dịch HNO 3 ban đầu là : 0,64 : 0,2 = 3,2 M . Chọn đáp án A Bài toán 3: Hòa tan 6,96g Fe3O4 vào dd HNO3 dư thu được 0,224 lit N xOy (đktc). Khí NxOy có công thức là A. NO2 B. NO C. N2O D. N2O3 Lời giải: -Số mol Fe3O4 = 6,96 : 232 = 0,03 mol suy ra số mol Fe = 0,09 , số molO = 0,12 5
6. Fe → Fe3+ + 3e 0,09 0,27 (mol ) O + 2e → O2- 0,12 0,24 (mol) N+5 + (5 - 2y/x) e → N+2y/x 0,01x mol -Bảo toàn mol electron cho- nhận : Ta có 0,01x.( 5 -2y/x) + 0,24 = 0,27 Hay là 5x -2y =3 suy ra x =1 và y =1 . Vậy công thức o xit ni tơ là NO .Chon đáp án B Nhận xét : Lời giải bài toán rất đơn giản , dễ hiểu và nhanh chóng . Nếu viết phương trình phân tử thì có một phương trình với hệ số bằng chữ giải sẽ rất phức tạp . Bài 4: Nung m gam bột Cu trong oxi thu được 37,6 gam hỗn hợp rắn X gồm Cu, CuO và Cu2O. Hòa tan hoàn toàn X trong dung dịch HNO3 đặc, nóng (dư) thấy thoát ra 6,72 lít khí (ở đktc). Giá trị của m là: A. 25,6 gam B. 32 gam C. 19,2 gam D. 22,4 gam Lời giải : - Quy đổi hỗn hợp Cu, CuO, Cu2O về hỗn hợp các nguyên tử Cu và O. nNO2 = 0,3 (mol) . Cu → Cu2+ + 2e x mol 2x mol O + 2e → O2- y mol 2y N+5 + 1e → N+4 0,3 0,3 mol -Bảo toàn khối lượng Cu và O : 64x + 16y = 37,6 (gam) . -Bảo toàn electron : ta có 2x = 2y + 0,3 -Giải hệ phương trình : 64x + 16y = 37,6 2x - 2y = 0,3 Kết quả x = 0,5 và y = 0,35 .Vậy khối lượng đồng bằng : 0,5.64 = 32 gam Chọn đáp án B 6
7. Nhận xét : Bài toán áp dụng được cho mọi o xit kim loại miễn là có tham gia phản ứng o xi hoá -khử . Bài toán 5: Cho hỗn hợp FeO, CuO và Fe3O4 có số mol bằng nhau tác dụng hết với dung dịch HNO3 thu được hỗn hợp khí gồm 0,09 mol NO2 và 0,05 mol NO. Tổng số mol của hỗn hợp là: A. 0,12 mol B. 0,24 mol C. 0,21 mol D. 0,36 mol Lời giải: -Gọi số mol FeO,CuO,Fe3O4 là x suy ra số mol Fe là 4x ,số mol Cu là x , số mol O là 6x. -Quy đổi hỗn hợp o xit thành hỗn hợp các nguyên tử : Fe → Fe3+ + 3e 4x 12x mol Cu → Cu2+ + 2e x 2x mol O + 2e → O2- 6x 12x (mol) N+5 + 1e → N+4 0,09 0,09(mol) N+5 + 3e→ N+2 . 0,15 0,05(mol) -Bảo toàn mol electron cho-nhận ta có : 12x + 2x = 12x + 0,09 + 0,15. Suy ra x = 0,12 . Vậy tổng số mol các o xit kim loại là 0,36 .Chọn đáp án D Nhận xét : Lời giải bài toán trên rất ngắn gọn ,dễ hiểu . Nếu giải bằng phương pháp thông thường thì sẽ gồm 5 phương trình phản ứng : CuO + 2HNO3 → Cu(NO3)2 + H2O 3FeO + 10HNO3 → 3Fe(NO3)3 + NO + 5H2O FeO + 4HNO3 → Fe(NO3)3 + NO2 + 2H2O 3Fe3O4 + 28HNO3→ 9Fe(NO3)3 + NO + 14H2O Fe3O4 + 10HNO3 → 3Fe(NO3)3 +NO2 + 5H2O 7
8. Quá trình giải sẽ rất phức tạp . Bài toán 6: Cho 61,2 gam hỗn hợp X gồm Cu và Fe 3O4 tác dụng với dung dịch HNO 3 loãng, đun nóng và khuấy đều. Sau khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn, thu được 3,36 lít khí NO (sản phẩm khử duy nhất, ở đktc), dung dịch Y và còn lại 2,4 gam kim loại. Cô cạn dung dịch Y, thu được m gam muối khan. Giá trị của m là A. 138,5 B. 99,55 C. 151,5 D. 148,0 Lời giải : - Khối lượng kim loại Cu còn lại là 2,4 gam , do đó khối lượng Cu và Fe3O4 đã phản ứng là 5,88 gam . Trước khi Cu còn lại, Cu đã khử ion Fe3+ về Fe2+. - Quy đổi hỗn hợp Cu và Fe3O4 đã phản ứng thành hỗn hợp các nguyên tử Cu, Fe , O . Ta có : Fe → Fe2+ + 2e x mol x → 2x mol Cu → Cu2+ + 2e y y 2y mol O + 2e → O2- 4x/3 8x/3 (mol) N+5 + 3e → N+2 0,45 0,15 (mol) -Bảo toàn mol electron cho- nhận ta có : 2x + 2y = 8x/3 + 0,45 . Hay là : -2x + 6y = 1,35 (1) Mặt khác ta lại có tổng khối lượng hỗn hợp Cu và Fe 3O4 phản ứng là 58,8 gam Vì vậy ta có phương trình : x/3.232 + 64y = 58,8 Hay là : 232x + 192y = 176,4 (2) Từ (1) và (2) ta có hệ phương trình : -2x + 6y = 1,35 232x + 192y = 176.4 8