Áp dụng phương pháp bảo toàn để giải bài tập hóa học ở trường phổ thông - Nguyễn Thị Hoàn

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH, SỐ 02 ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP BẢO TOÀN ĐỂ GIẢI BÀI TẬP HÓA HỌC Ở TRƯỜNG PHỔ THÔNG Nguyễn Thị Hoàn Trường Đại học Quảng Bình Tóm tắt. Phương pháp giải toán hóa học dựa vào định luật bảo toàn khối lượng là một trong những phương pháp được đưa ra sớm nhất và cũng có thể nói là diện sử dụng rộng rãi nhất, được nhiều sách báo, tài liệu đề cập đến. Bài viết này nghiên cứu các nguyên tắc và phạm vi áp dụng phương pháp bảo toàn theo nghĩa rộng hơn (bao gồm bảo toàn khối lượng, bảo toàn nguyên tố, bảo toàn electron và bảo toàn điện tích) trong một số dạng bài toán của chương trình hóa học ở trường phổ thông. 1. MỞ ĐẦU Bài tập hóa học đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình dạy học hóa học. Bài tập hóa học là cơ sở để hình thành kiến thức và kỹ năng mới, là phương tiện để củng cố kiến thức và kỹ năng, rèn luyện và phát triển tư duy, trí thông minh và sáng tạo của học sinh. Bài tập hóa học còn là nguồn để mở mang vốn hiểu biết thực tiễn cho học sinh, góp phần giáo dục kỹ thuật tổng hợp, giáo dục đạo đức, tư tưởng và hình thành tác phong người lao động mới. Trong thực tế dạy học hóa học, học sinh thường gặp nhiều khó khăn khi giải các bài tập định lượng (bài toán hóa học). Để giúp học sinh nắm vững phương pháp giải nhanh các bài toán hóa học, đặc biệt là các bài toán trắc nghiệm, chúng tôi muốn đề cập đến nguyên tắc và phạm vi áp dụng phương pháp bảo toàn khối lượng theo nghĩa rộng trong một số dạng bài toán hay gặp. 2. NỘI DUNG Phương pháp áp dụng định luật bảo toàn khối lượng theo nghĩa rộng có thể nói là bảo toàn vật chất. Tùy theo mức độ, đối tượng học sinh, ta có thể tạm chia thành 4 loại: Bảo toàn khối lượng, bảo toàn nguyên tố (cho học sinh bắt đầu từ lớp 8), bảo toàn electron (cho học sinh lớp 10, có thể cho học sinh giỏi từ lớp 8) và bảo toàn điện tích (cho học sinh từ lớp 11, có thể cho học sinh giỏi từ lớp 10). 2.1. Phương pháp bảo toàn khối lượng Dựa vào nội dung định luật bảo toàn khối lượng: Tổng khối lượng các chất tham gia phản ứng bằng tổng khối lượng các chất tạo thành sau phản ứng. Một số ví dụ: a) Hóa học vô cơ: TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH, SỐ 02 Ví dụ 1. Cho 12g hỗn hợp Fe, Mg vào 200 ml dung dịch hỗn hợp H2SO4 1M và HCl 1M thì phản ứng vừa đủ. 1) Tính thể tích H2 thoát ra. 2) Cô cạn dung dịch được bao nhiêu gam muối khan? Hướng dẫn giải. mol2,0n;mol2,0n HClSOH 42 == Các phương trình hóa học xảy ra: Mg + 2 HCl → MgCl2 + H2↑ Mg + H2SO4 → MgSO4 + H2↑ Fe + 2 HCl → FeCl2 + H2 ↑ Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2 ↑ Nhận xét: 1) )mol(3,0n 2 1 nn HClSOHH 422 =+= )lit(72,64,223,0V 2H =×= 2) Áp dụng Định luật bảo toàn khối lượng: mkim loại + m axit = mmuối + 2H m
mmuối = 12,0 + 0,2.(98 + 36,5) – 0,3. 2 = 38,3 (gam) Ví dụ 2. Hỗn hợp A gồm FeO, Fe2O3, Fe3O4. Nung nóng m (g) hỗn hợp A trong ống sứ rồi cho luồng CO đi qua. Sau khi kết thúc thí nghiệm, người ta thu được 20,4 g chất rắn B và 8,96 lit khí D ở đktc, có tỉ khối so với H2 là 20. Tính giá trị của m. Hướng dẫn giải. Nhận xét: MCO = 28 < MD = 20. 2 = 40 < MCO2 = 44. Vậy D có CO2 và CO dư ;)(4,0 4,22 96,8 molnD == mD = 0,4 40 = 16 (g) Phản ứng xảy ra: 3 Fe2O3 + CO → 0t 2 Fe3O4 + CO2 Fe3O4 + CO → 0t 3 FeO + CO2 FeO + CO → 0t Fe + CO2 B có thể có cả 4 chất: Fe, FeO, Fe3O4, Fe2O3 hoặc ít hơn. Theo phương trình hóa học: nCO(pứ) = 2CO n ⇒ nCO (ban đầu) = nD Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng ta có: m + 0,4 x 28 = 20,4 + 16,0 Suy ra: m = 20,4 + 16 - 11,2 = 25,2 (g). Ví dụ 3. Cho hỗn hợp X gồm Al, Fe, Mg tác dụng với dung dịch HCl dư thu được TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH, SỐ 02 11,2 lít khí (đktc) và 53,0g muối. Tìm khối lượng hỗn hợp X. Hướng dẫn giải. Cũng áp dụng tương tự, ta có mX + mHCl = mH2 + mmuối. Mà nHCl = 2. nH2 = 2. 11.2 : 22.4 = 1,0 (mol) Suy ra: mX = 53,0 + 0,5. 2 - 1,0 . 36,5 = 17,5 (gam). b) Hóa học hữu cơ: Ví dụ 4. Đốt cháy hoàn toàn m gam hỗn hợp ba rượu no, đơn chức là đồng đẳng kế tiếp nhau thu được V lít CO2 (đktc) và a gam nước. Lập phương trình thể hiện mối quan hệ giữa m, V, a. Hướng dẫn giải. Phương trình hóa học của phản ứng: CnH2n + 1OH + 2 3n O2 → n CO2 + (n + ! ) H2O Nhận xét: 22 2 3 COO nn = = 4,22 . 2 3 V . Áp dụng Định luật bảo toàn khối lượng (ĐLBTKL) ta có: m + 32. 4,22 . 2 3 V = 44. 4,22 V + a ⇔ m = a – 6,5 V Ví dụ 5. Đốt cháy hoàn toàn m gam chất hữu cơ A cần 12,32 lít không khí (đo ở điều kiện tiêu chuẩn; không khí chứa 20% thể tích oxi và còn lại là nitơ). Sản phẩm cháy gồm CO2, nước và khí nitơ. Cho sản phẩm cháy sục vào nước vôi trong dư, khối lượng bình tăng thêm 6,04 gam và xuất hiện 8,0 gam kết tủa. Khí ra khỏi bình có thể tích 8,4 lít ở 1360C và 1,84 atm. Tìm m. Hướng dẫn giải. )(55,0 4,22 32,12 molnKK == ; )(11,055,0.100 20 2 molnO == ; )(44,055,0. 100 80 2 molnN == ; )(46,0)273136(.082,0 4,8.84,1 molnsau =+ = Đặt công thức của A là CxHyOzNt, phương trình hóa học: CxHyOzNt + (x + ¼ y - ½ z) O2 → x CO2 + ½ y H2O + ½.t N2 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH, SỐ 02 Bình nước vôi trong đã hấp thụ CO2 và nước. Khí ra khỏi bình chỉ có nitơ. Áp dụng ĐLBTKL cho phản ứng ta có: m + mKK = 6,04 + 0,46. 28 ↔ m = 18,92 - 0,11. 32 - 0,44. 28 = 3,08 (gam). 2.2. Phương pháp bảo toàn nguyên tố, nhóm nguyên tố (nhóm chức) Dựa vào tính chất: Trong một phản ứng hóa học chỉ có sự biến đổi chất này thành chất khác, khối lượng mỗi nguyên tố được bảo toàn. Từ khối lượng của chất chứa một hoặc một số nguyên tố đã biết có thể tìm các nguyên tố hoặc chất khác. Một số ví dụ: a) Hóa học vô cơ: Ví dụ 1. Hòa tan m gam hỗn hợp Al, Fe, Cu trong dung dịch H2SO4 đặc, nóng vừa đủ thu được 6,72 lít SO2 (đktc) và dung dịch X. Cô cạn dung dịch X được 40,8 gam muối khan. Tìm m. Hướng dẫn giải. )(3,0 4,22 72,6 2 molnSO == . Từ các phương trình hóa học rút ra nhận xét về quan hệ số mol các ion, các chất. Ở đây chỉ viết phương trình phản ứng tổng quát: 2 M + 2n H2SO4 → M2(SO4)n + n SO2↑ + 2n H2O Ta thấy: )(3,0 224 molnn SOSO ==− ; )(6,0.2 2242 molnnn SOOHSOH === . Như vậy mol của S, H được bảo toàn . Bài toán này có thể giải theo phương pháp bảo toàn khối lượng. Bảo toàn thành phần muối, ta thấy: mmuối = mkim loại + mgốc axit nên khối lượng kim loại m = 40,8 - 0,3. 96 = 12.0 (gam). Ví dụ 2. Hòa tan 42,5 gam hỗn hợp CaCO3, Na2CO3, K2CO3, BaCO3 vào dung dịch HCl dư, được 8,96 lít khí (đktc). Cô cạn dung dịch thu được bao nhiêu gam muối khan? Hướng dẫn giải. Sau khi viết phương trình hóa học, nhận xét rằng: )(4,0 2223 molnnn OHCOCO ==− ; )(8,0.2 2 molnnn COClHCl === − . Có thể áp dụng ĐLBTKL: Bảo toàn thành phần muối, ta thấy: TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH, SỐ 02 mmuối = mkim loại + mCl-. Hay: mmuối = (42,5 - 0,4. 60) + 0,8. 35,5 = 51,3 gam. Ví dụ 3. Hòa tan 42,4 gam hỗn hợp A (gồm Fe, FeO, Fe2O3) trong dung dịch HCl dư thu được dung dịch X và 4,48 lít khí (đktc). Thêm dung dịch NaOH dư vào dung dịch X, lọc lấy kết tủa, nung trong không khí đến khối lượng không đổi được 48,0 gam chất rắn Y. Tìm khối lượng của mỗi chất trong hỗn hợp trên. Hướng dẫn giải. )(2,0);(3,0 232 molnmoln HOFe == . Trong Y có 0,9 mol O. Fe + 2 HCl → FeCl2 + H2 Fe(OH)2 Fe2O3 42,4 gam FeO + 2 HCl → FeCl2 + H2O + NaOH Fe(OH)3 → 0t 48,0 gam Fe2O3 + 6 HCl → 2 FeCl3 + 3 H2O (0,3 mol) Gọi số mol của Fe, FeO, Fe2O3 trong A lần lượt là a, b, c. Ta có hệ: a = 0,2 a = 0,2 (mol) a + b + 2c = 0,3. 2 (bảo toàn Fe) ⇔ b = 0,1 (mol) 56a + 72b + 160c = 42,4 c = 0,15 (mol) Nên mFeO = 7,2 gam. Hoặc có thể tính theo phương pháp bảo toàn nguyên tố oxi: nFe = 2Hn = 0,2 mol. Mà: 0,2 mol Fe ⇔ 0,1 mol Fe2O3 (có 0,3 mol O). Còn lại trong A: FeO và Fe2O3 có khối lượng là 42,4 - 0,2. 56 = 31,2 (gam). Đặt số mol của chúng lần lượt là x và y. Ta thấy chỉ có FeO bị oxi hóa: 2 FeO + [O] → Fe2O3 x ½ x Nên ta có hệ phương trình: x + ½ x + 3y + 0,3 = 0,2. 3 (bảo toàn O) x = 0,1 (mol) 72x + 160y = 31,2 ⇔ y=0,15 (mol) b) Hóa học hữu cơ: Trường hợp tổng quát, khi đốt cháy hợp chất A chứa C, H, O: CxHyOz + (x + ¼ y - ½ z) O2 → x CO2 + ½ y H2O Ngoài bảo toàn C, H, còn bảo toàn O. Ta có nO(A) + nO(O2). = nO(CO2) + nO(H2O) Hay : nO(A) = 2 nCO2 + nH2O – 2nO2 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH, SỐ 02 Đốt cháy hỗn hợp các hidrocacbon thì khối lượng hỗn hợp bằng tổng khối lượng cacbon (trong CO2) và hidro (trong nước). Khối lượng rượu, axit cacboxylic,... bằng tổng khối lượng C, H (tính từ phản ứng đốt cháy) và khối lượng O (tính từ phản ứng với Na chẳng hạn). Ví dụ 4. Đốt cháy hoàn toàn a gam hỗn hợp CH4 và C2H4, C3H6 thu được b gam CO2 và c gam nước. 1) Tính a theo b, c. 2) Tính V lít không khí (đktc) cần để đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp trên. Hướng dẫn giải. CxHy + (x + ¼ y ) O2 → x CO2 + ½ y H2O 1) Tính khối lượng hỗn hợp: 18 .2 44 .12 cba += ⇔ 911 .3 cba += 2) Số mol oxi đã phản ứng: OHCOO nnn 222 2 1 += ⇔ 36442 cb nO += VKK = )3644(.4,22.5 cb + = ) 911 (.28 cb + Ví dụ 5. Đốt cháy hoàn toàn m gam hỗn hợp ba rượu no, đơn chức là đồng đẳng kế tiếp nhau thu được V lít CO2 (đktc) và a gam nước. Lập phương trình thể hiện mối quan hệ giữa m, V, a (Ví dụ 4. mục 2.1) Hướng dẫn giải. Phương trình hóa học: CnH2n + 1OH + 2 3n O2 → n CO2 + (n + 1 ) H2O Khác với cách giải ở ví dụ 4 (mục 2.1), ở đây ta có nhận xét: Công thức cấu tạo của hai chất là H2N-C2H4-COOH và H2N-C3H5 (COOH)2 Gọi số mol alanin và axit glutamic lần lượt là a, b. Số mol HCl phản ứng nHCl = n-NH2 = nX = a +b = (m + 36,5 - m): 36,5 = 1,0 (mol) (*) Số mol nNaOH = nNa = n-COOH = a + 2b = (m + 30,8 - m) : 22 = 1,4 (mol) (**) Giải hệ 2 phương trình (*) và (**) ta có: a = 0,6 (mol); b = 0,4 (mol). Suy ra: m = 0,6. 89 + 0,4. 147 =112,2 (gam). 2.3. Phương pháp bảo toàn điện tích TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH, SỐ 02 Dựa vào tính chất: Trong dung dịch chất điện ly hoặc trong hợp chất hoặc hỗn hợp các chất luôn trung hòa về điện, hay nói cách khác, tổng điện tích dương luôn bằng tổng điện tích âm. Thiết lập phương trình toán học liên hệ số mol các ion để tính kết quả cần thiết. Ví dụ 1. Một dung dịch chứa hai cation là Fe2+ (0,1 mol) và Al3+(0,2 mol) và hai anion là Cl- (x mol) và SO42-(y mol). Tính x, y biết rằng sau khi cô cạn dung dịch thu được 46,9 g chất rắn khan. Hướng dẫn giải. Ta có hệ phương trình: 56.0,1 +27.0,2 +35,5.x +96y = 46,9 (Định luật bảo toàn khối lượng) 0,1.2 + 0,2.3 = x + 2y (Định luật bảo toàn điện tích) ⇔ 35,5x + 96y = 35,9 (1) ⇔ x = 0,2 mol x + 2y = 0,8 (2) y = 0,3 mol Ví dụ 2. Dung dịch X chứa a mol Na+, b mol HCO3-, c mol CO32-, d mol SO42-. Để tạo kết tủa lớn nhất người ta dùng 200ml dung dịch Ba(OH)2 nồng độ x (M). Lập biểu thức tính x theo a, b. Hướng dẫn giải. Phương trình ion thu gọn: HCO3- + OH- = CO32- + H2O Ba2+ + CO32- = BaCO3 ↓ Ba2+ + SO42- = BaSO4 ↓ Dung dịch sau phản ứng chỉ có Na+: a mol, được trung hòa điện tích bởi a mol OH-. Để tác dụng với HCO3- cần b mol OH- nên tổng số mol của OH- là (a+b) mol. Suy ra: số mol Ba(OH)2 = 2 ba + và nồng độ x = 4,02,0 2 ba ba + = + (mol/l) 2.4. Phương pháp bảo toàn electron Áp dụng tính chất: Trong phản ứng oxi hóa - khử, tổng số electron mà chất khử nhường bằng tổng số electron mà chất oxi hóa nhận. Khi có nhiều chất oxi hóa, nhiều chất khử trong một hỗn hợp phản ứng (nhiều phản ứng hoặc phản ứng qua nhiều giai đoạn) ta chỉ cần xác định đúng trạng thái đầu và trạng thái cuối của các chất ôxi hóa, chất khử, thậm chí không cần quan tâm đến việc cân bằng các phương trình hóa học. Phương pháp này trở nên đơn giản đối với các bài toán phải biện luận nhiều trường hợp có thể xảy ra. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH, SỐ 02 Ví dụ 1. Hòa tan hoàn toàn 15,8 gam hỗn hợp 3 kim loại A, B, M thu được 11,2 lít (đktc) hỗn hợp khí X gồm NO, NO2 có tỉ khối so với hidro bằng 18,2. 1) Tính số gam muối tạo thành. 2) Tính thể tích HNO3 6M đủ dùng. Hướng dẫn giải. 1) Đặt ký hiệu của 3 kim loại là R, hóa trị chung là n. MX = 18,2. 2 = 36,4. Số mol của hỗn hợp X là: 4,22 2,11 = 0,5 (mol). Khối lượng X: mX = 0,5. 36,4 = 18,2 (gam). Đặt số mol của NO, NO2 là a, b. Ta có hệ phương trình : 30a + 46b = 18,2 a = 0,3 (mol) . a + b = 0,5 ⇔ b = 0,2 (mol) Quá trình oxi hóa: R → R+n + ne- Quá trình khử: N+5 + 3e- → N+2 N+5 + 1e- → N+4 0,3.3 0,3 mol 0,2.1 0,2 mol * Dấu hiệu bản chất: Số mol electron nhường = số mol điện tích dương của kim loại = số mol NO3- (bảo toàn điện tích), nên số mol NO3- = 0,3. 3 + 0,2. 1 = 0,8 (mol) Vậy: mmuối = 15,8 + 0,8. 62 = 65,4 (gam). Ví dụ 2. Đốt cháy 8,4 gam bột Fe trong bình chứa oxi thu được 11,36 gam hỗn hợp A gồm Fe2O3, Fe3O4, FeO, Fe. Cho A tác dụng hết với HNO3 thu được V lít khí B (đktc) gồm NO2 và NO có tỉ khối so với Hidro là 19. Thể tích V thu được là: A = 0,448 B = 1,344 C = 4,48 D = 0,896 Hướng dẫn giải. Số mol Fe là 0,15 mol. MB = 19. 2 = 38. Số mol O2 = 11,36 8,4 0,0925 (mol ) 32 − = Gọi số mol NO, NO2 lần lượt là x, y. Ta có hệ phương trình: 30 x + 46 y = 38. (x + y) x = y = 0,02 (mol) 3x + 1y + 4. 0,0925 = 3. 0,15 V = 0,448 (lít) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH, SỐ 02 Ví dụ 3. Trộn 0,3 mol Fe với 6,4 gam S rồi nung nóng trong điều kiện không có không khí thu được hỗn hợp X. Hòa tan X trong H2SO4 đặc nóng thu được m gam khí SO2. Giá trị đúng của m là: A = 56,0 B = 67,20 C = 80.0 D = 60,4 Hướng dẫn giải. nS = 0,2 (mol). Tổng số mol electron mà Fe và S nhường cho S+6 là: 0,3. 3 + 0,2. 4 = 1,7 (mol) Mà: S+6 + 2e → S+4 nên số mol S+6 nhận electron là: 1,7 : 2 = 0,85 (mol). Tổng số mol SO2 thu được = nS+6 + nS = 0,85 + 0,2 = 1,05 (mol). Vậy m = 67,20 Lưu ý: Trong trường hợp này, nếu không chú ý bản chất mà viết các phương trình phản ứng tạo FeS, tính lượng FeS, Fe dư,... sẽ mất thời gian và rắc rối cho việc tính toán. 3. KẾT LUẬN Trong mỗi ví dụ đã nêu ra dấu hiệu bản chất cần chú ý để có thể áp dụng phương pháp bảo toàn. Các dấu hiệu bản chất đó là quan hệ số mol các chất, các ion trong phương trình phản ứng, quan hệ chất đầu - chất cuối thấy sự thay đổi số nguyên tử, thay đổi khối lượng, thay đổi điện tích, hóa trị,... Từ đó thiết lập các mối quan hệ để tìm ra lượng các chất khác và lượng chất cần tìm. Một bài toán, có thể có các cách giải khác nhau: Bảo toàn khối lượng, bảo toàn nguyên tố, bảo toàn thành phần hợp chất và bảo toàn electron (nếu có phản ứng oxi hóa - khử). Ngoài phương pháp bảo toàn, có thể giải bài toán hóa học theo các phương pháp khác như phương pháp tăng - giảm khối lượng, ghép ẩn số,.... Khi giảng dạy, giáo viên cần yêu cầu học sinh tìm nhiều cách giải khác nhau để vừa phát huy trí lực của các em, giúp các em tìm được cách giải nhanh hơn, hiệu quả hơn và khắc sâu cách đã tìm được. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ngô Ngọc An (2004), Câu hỏi và bài tập trắc nghiệm hóa học 9 THCS, Nxb ĐHSP. [2] Vũ Văn Lục (1993), Phương pháp dạy bài tập hóa học, TLBDTX, Nxb Giáo dục. [3] Lê Đình Nguyên (2004), Bồi dưỡng hóa học THCS, Bài tập trắc nghiệm Hóa học 8, Nxb ĐHQG TPHCM. [4] Quan Hán Thành (2009), Phân loại và phương pháp giải toán Hóa vô cơ, Nxb ĐHQG TP Hồ Chí Minh. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH, SỐ 02 [5] Quan Hán Thành (2009), Phân loại và phương pháp giải toán Hóa hữu cơ, Nxb ĐHQG TP Hồ Chí Minh. [6] Nguyễn Xuân Trường (2006), Trắc nghiệm và sử dụng trắc nghiệm trong dạy học hóa học ở trường phổ thông, Nxb Đại học sư phạm. APPLICATION OF CONSERVATIVE METHODS TO SOLVE CHEMISTRY PROBLEMS IN HIGH SCHOOL CURRICULUM Nguyen Thi Hoan Quang Binh University Abstract. Among many methods solving math problems in chemistry, the method using the principle of mass conservation is first described and perhaps is also the most widely used. Thus, many books, documents have mentioned this method. The article is about the study on the range of the conservation law's application generally (including mass conservation, element conservation, charge conservation, election conservation) in solving some math problems of the chemistry curriculum in high school.