Kết hợp phương pháp quy đổi – trung bình – đường chéo để giải nhanh bài toán hóa học

Sao băng lạnh giá – Vũ Khắc Ngọc 0985052510 vukhacngoc@gmail.com Dịch vụ ôn thi chất lượng cao – GSA Education: Liên hệ: 04.39152590 - 0989768553 (Linh) KẾT HỢP PHƯƠNG PHÁP QUY ĐỔI – TRUNG BÌNH – ĐƯỜNG CHÉO ĐỂ GIẢI NHANH BÀI TOÁN HÓA HỌC (Trích từ cuốn “Các phương pháp giải bài toán Hóa học – NXB GD 2010) Vũ Khắc Ngọc Phòng Công nghệ Hóa sinh Protein – Viện Công nghệ Sinh học Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam Giải nhanh bài toán Hóa học là một mục tiêu quan trọng của mỗi thí sinh trong các kỳ thi Đại học – Cao đẳng, đặc biệt là khi hình thức thi đã thay đổi từ tự luận sang trắc nghiệm. Sự thay đổi này cũng tạo ra một động lực quan trọng đòi hỏi phải có sự thay đổi tương ứng về nhận thức và phương pháp trong cả việc dạy và học của giáo viên và học sinh. Trong số các phương pháp giải toán Hóa học thì Trung bình, Đường chéo và Quy đổi là những phương pháp nhanh, hiệu quả và có nhiều phát triển thú vị trong thời gian gần đây, mỗi phương pháp lại có những thế mạnh và ứng dụng riêng: - Các giá trị Trung bình vừa được dùng để biện luận, xác định CTPT của các chất trong hỗn hợp, vừa được dùng để tính nhanh các giá trị chung cho cả hỗn hợp. - Phương pháp Đường chéo thường được kết hợp với phương pháp Trung bình để tính nhanh tỷ lệ các thành phần trong một hỗn hợp 2 thành phần, thay cho việc giải hệ phương trình. - Phương pháp Quy đổi tập hợp các phương pháp tư duy sáng tạo, dựa vào những giả định Hóa học và Toán học phi thực tế giúp tính nhanh các giá trị lượng chất của một hỗn hợp phức tạp. Sự kết hợp khéo léo 3 phương pháp này cho phép khai thác tối đa thế mạnh của từng phương pháp và mang lại những hiệu quả đặc biệt trong giải toán. Bài viết dưới đây giới thiệu một số ví dụ điển hình cho hướng kết hợp này: Ví dụ 1: Hòa tan hoàn toàn 22,4g một kim loại M chưa biết vào dung dịch H2SO4 đặc, nóng dư thu được dung dịch A và một khí B có khả năng làm phai màu cánh hoa hồng. Hấp thụ hoàn toàn B vào 800 ml dung dịch NaOH 1M, chờ cho các phản ứng xảy ra hoàn toàn rồi cô cạn dung dịch, thu được 48,1 g chất rắn. Kim loại M đã cho ban đầu là: A. Fe B. Ca C. Mg D. Cu Hướng dẫn giải: Ta có: NaOHn = 0,8 mol . Điểm mấu chốt nhất của bài toán là phải biện luận để tìm ra được thành phần của 48,1g chất rắn, từ đó xác định được số mol SO2. NaOH có thể phản ứng với SO2 theo 2 phản ứng: Sao băng lạnh giá – Vũ Khắc Ngọc 0985052510 vukhacngoc@gmail.com Dịch vụ ôn thi chất lượng cao – GSA Education: Liên hệ: 04.39152590 - 0989768553 (Linh) → → 2 3 2 2 3 2 NaOH + SO NaHSO 2NaOH + SO Na SO + H O Khi cho SO2 tác dụng với NaOH thì sản phẩm thu được có thể bao gồm 1 hoặc 2 trong 3 chất: NaOH dư (M = 40), NaHSO3 (M = 104) và Na2SO3 (M=126). Để khai thác dữ kiện NaOHn = 0,8 mol ta tiến hành quy đổi: Coi 1 mol muối Na2SO3 là 2 mol NaX với NaX 126 M = = 63g/mol 2 Khi đó 48,1g chất rắn sẽ tương ứng với 0,8 mol, với hh hh m 48,1 M = = = 60,125g/mol n 0,8 → trong hỗn hợp phải có ít nhất 1 chất có M < 60,125 → phải có NaOH dư. Áp dụng phương pháp đường chéo cho hỗn hợp này, ta có: (NaOH) 40 2,875 20,125 7 1 (NaX) 63 60,125 0,7 mol 0,1 mol 0,35 mol Na2SO3 → → × 2 2 3SO Na SO e nhËn n = n = 0,35 mol n = 0,35 2 = 0,7 mol Giả sử kim loại có hóa trị n, ta dễ dàng có: →m 22,4M = = = 32n M lµ Cu 0,7n n Đáp án đúng là D. Cu. Ví dụ 2: Crackinh C4H10 thu được hỗn hợp chỉ gồm 5 hiđrocacbon có tỷ khối hơi so với H2 là 16,325. Hiệu suất của phản ứng crackinh là: A. 77,64% B. 38,82% C. 17,76% D. 16,325% Hướng dẫn giải: Phản ứng: CrackingAnkan Ankan' + Anken⎯⎯⎯⎯→ tạo ra Anken và Ankan mới có số mol bằng nhau. Do đó, KLPT trung bình của hỗn hợp các Anken và Ankan mới này bằng 1 2 KLPT của ankan ban đầu. → Quy đổi: Coi hỗn hợp khí sản phẩm của phản ứng cracking C4H10 là một khí duy nhất có KLPT 58M = = 29 2 → Hỗn hợp sau phản ứng trở thành hỗn hợp gồm 2 thành phần là: (hỗn hợp các ankan và anken mới sinh ra) và C4H10 dư. Do đó, ta có thể sử dụng phương pháp đường chéo như sau: Sao băng lạnh giá – Vũ Khắc Ngọc 0985052510 vukhacngoc@gmail.com Dịch vụ ôn thi chất lượng cao – GSA Education: Liên hệ: 04.39152590 - 0989768553 (Linh) M = 32,65 Hçn hîp (M = 29) C4H10 (M = 58) 25,35 3,65 Giả sử hỗn hợp sau chứa 29 mol khí (3,65 mol C4H10 dư và 25,35 mol hỗn hợp các ankan và anken mới sinh ra) thì số mol C4H10 ban đầu là: ® 25,35 n = 3,65 + = 16,325 mol 2 Do đó, hiệu suất của phản ứng là: 16,325 - 3,65 H% = 100% = 77,64% 16,325 × Đáp án đúng là A. 77,64% Ví dụ 3: Cho 37,6g hỗn hợp gồm 3 chất rắn Fe3O4, FeO và Cu2O tác dụng với dung dịch HNO3 loãng dư thu được 2,24 lít khí NO ở đktc. Khối lượng của Fe3O4 trong hỗn hợp là: A. 34,8g B. 23,2g C. 11,6g D. 17,4g Hướng dẫn giải: Sơ đồ các quá trình oxh – kh trong bài: 2+ 3+ + 2+ +5 +2 Fe - e Fe Cu - e Cu N + 3e N → → → Căn cứ vào các sơ đồ trên và lấy 1 mol electron cho làm mốc, ta có: - Cứ 1 mol Fe3O4 (232g) cho 1 mol electron - Cứ 1 mol FeO (72g) cho 1 mol electron - Cứ 0,5 mol Cu2O (72g) cho 1 mol electron - Cứ 37,6 376 = g 0,1 3 3× hỗn hợp cho 1 mol electron → Quy đổi: Coi FeO và Cu2O là một chất trung bình X mà cứ 72g chất này lại cho 1 mol electron. → Hỗn hợp ban đầu trở thành hỗn hợp gồm 2 thành phần là: Fe3O4 và X. Do đó, ta có thể sử dụng phương pháp đường chéo như sau: M = X (M = 72) Fe3O4 (M = 232) 376 3 320 3 160 3 2 1 0,2 mol 0,1 mol Do đó, 3 4Fe O m = 23,2g Sao băng lạnh giá – Vũ Khắc Ngọc 0985052510 vukhacngoc@gmail.com Dịch vụ ôn thi chất lượng cao – GSA Education: Liên hệ: 04.39152590 - 0989768553 (Linh) Đáp án đúng là B. 23,2g. Ví dụ 4: Cho 8,96 lít hỗn hợp CO2 và NO2 (đktc) hấp thụ vào một lượng dung dịch NaOH vừa đủ tạo thành các muối trung hòa, sau đó đem cô cạn dung dịch thu được 36,6 gam muối khan. Thành phần % thể tích mỗi khí trong hỗn hợp ban đầu là: A. 25% CO2 và 75% NO2 B. 50% CO2 và 50% NO2 C. 75% CO2 và 25% NO2 D. 30% CO2 và 70% NO2 Hướng dẫn giải: Sơ đồ các phản ứng hóa học: 2 3 2 2 2 3 2NaOH + 2NO NaNO + NaNO 2NaOH + CO Na CO → → Từ phản ứng, ta thấy: - Cứ 1 mol NO2 tạo ra 1 mol hỗn hợp 2 muối NaNO3 và NaNO2 có tỷ lệ 1:1 về số mol, → có thể quy đổi hỗn hợp 2 muối này thành 1 muối duy nhất có 69 + 85M = = 77 2 - Cứ 1 mol CO2 tạo ra 1 mol muối Na2CO3 có M = 106. - hçn hîp 36,6 M = = 91,5 0,4 Áp dụng phương pháp đường chéo, ta có: Mhçn hîp = 91,5 Na2CO3 (M = 106) M = 77 14,5 14,5 50% 50% Vậy đáp án đúng là B. 50% CO2 và 50% NO2 Ví dụ 5: Hòa tan hoàn toàn 14,52 gam hỗn hợp X gồm NaHCO3, KHCO3 và MgCO3 trong dung dịch HCl dư, thu được 3,36 lít khí CO2 (đktc). Khối lượng muối KCl tạo thành trong dung dịch sau phản ứng là: A. 8,94 gam B. 16,17 gam C. 7,92 gam D. 12,0 gam Hướng dẫn giải: Sơ đồ chung của các phản ứng hóa học: + HCl3 2CO CO⎯⎯⎯→ Nói cách khác, tỷ lệ phản ứng: → 2 2muèi CO muèi CO 3,36 n : n ®Òu b»ng 1: 1 n = n = = 0,15 mol 22,4 Vì 3 3NaHCO MgCO M = M = 84 và cả 2 đều giải phóng CO2 theo tỷ lệ 1:1 về số mol. Sao băng lạnh giá – Vũ Khắc Ngọc 0985052510 vukhacngoc@gmail.com Dịch vụ ôn thi chất lượng cao – GSA Education: Liên hệ: 04.39152590 - 0989768553 (Linh) → Quy đổi: Coi hỗn hợp NaHCO3 và MgCO3 là một muối duy nhất có CTPT 3MCO có KLPT M = 84. → Hỗn hợp X trở thành hỗn hợp gồm 2 thành phần là 3MCO và K2CO3. Do đó, ta có thể sử dụng phương pháp đường chéo như sau: M = = 96,8 MCO3 (M = 84) KHCO3 (M = 100) 3,2 12,8 14,52 0,15 1 4 0,03 mol 0,12 mol KCl m = 74,5 0,12 = 8,94g→ × Vậy đáp án đúng là A. 8,94 gam Ví dụ 6: Đốt cháy hoàn toàn 0,1 mol hỗn hợp X gồm CH4, C2H4 và C2H6, sản phẩm thu được dẫn qua bình I đựng dung dịch H2SO4 đặc và bình II đựng dung dịch Ca(OH)2 dư. Sau thí nghiệm, thấy trong bình II có 15 gam kết tủa và khối lượng bình II tăng nhiều hơn bình I là 2,55 gam. Thành phần % về thể tích của mỗi khí trong hỗn hợp đầu là: A. 50%, 30%, 20% B. 30%, 40%, 30% C. 50%, 25%, 25% D. 50%, 15%, 35% Hướng dẫn giải: Từ giả thiết, ta có: 2 2CO H O 15 0,15 44 - 2,55 n = = 0,15 mol vµ n = = 0,225 mol 100 18 × Gọi x y C H là CTPT trung bình của hỗn hợp ban đầu, ta có: 2 2x y y C H xCO + H O 2 → Bảo toàn nguyên tố 2 vế, ta dễ dàng có: x = 1,5 vµ y = 4,5 Quy đổi: Coi hỗn hợp C2H4 và C2H6 là một hiđrocacbon duy nhất có 2C Áp dụng phương pháp đường chéo, ta có: C = 1,5 CH4 (C = 1) (C = 2) 0,5 0,5 50% 50% Quy đổi: Coi hỗn hợp CH4 và C2H4 là một hiđrocacbon duy nhất có 4H Áp dụng phương pháp đường chéo, ta có: Sao băng lạnh giá – Vũ Khắc Ngọc 0985052510 vukhacngoc@gmail.com Dịch vụ ôn thi chất lượng cao – GSA Education: Liên hệ: 04.39152590 - 0989768553 (Linh) H = 4,5 C2H6 (H = 6) (H = 4) 0,5 1,5 75% 25% Vậy đáp án đúng là C. 50%, 25%, 25%