MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Hóa học giữ vai trò quan trọng Hóa học môn khoa học tự nhiên, nghiên cứu chất biến đổi chất thành chất khác Trong trình tìm tòi nhiều dạng toán hoá học khác loại chất khác vô cơ, nhận thấy tập hỗn hợp gồm sắt oxit sắt dạng tập mà học sinh hay gặp kỳ thi, sắt kim loại phổ biến tạo nhiều hợp chất ứng với nhiều mức oxi hoá khác Thông thường tập sắt oxit thường phức tạp xảy theo nhiều phương trình phản ứng khác Vậy phương pháp để giải toán khoa học nhất, hiệu nhanh Đó lý để viết đề tài “ Vận dụng định luật bảo toàn để giải toán hỗn hợp sắt” nhằm giúp học sinh giải tốt toán hỗn hợp sắt oxit sắt cách nhanh chóng phương pháp giải tập Mục đích nghiên cứu Vận dụng định luật bảo toàn khối lượng, định luật bảo toàn nguyên tố, định luật bảo toàn electron để tìm phương pháp giải nhanh dạng toán sắt oxit sắt thường gặp đề thi Đề xuất ý tưởng để giải nhanh toán sắt oxit sắt góp phần nâng cao chất lượng giảng dạy môn hành trang vững để em chuẩn bị bước vào kì thi Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng học sinh lớp 10,11,12 Trong đề tài nghiên cứu phương pháp vận dụng định luật bảo toàn để giải bài toán hỗn hợp sắt oxit sắt cách quy đổi hỗn hợp gồm sắt oxi Nhiệm vụ nghiên cứu Đưa định luật bảo toàn cần vận dụng, phân tích áp dụng vào dạng toán đề phương pháp giải Phương pháp nghiên cứu Đọc tài liệu làm sở xây dựng lí thuyết chuyên đề: tài liệu lí luận dạy học Phương pháp kĩ thuật giải nhanh tập trắc nghiệm môn Hóa học NỘI DUNG I: TỔNG QUAN Các định luật cần vận dụng 1.1 Định luật bảo toàn khối lượng Nội dung định luật: Khối lượng chất tham gia phản ứng khối lượng chất tạo thành sau phản ứng Trong cần vận dụng hệ Hệ 1: Gọi mT tổng khối lượng chất trước phản ứng, m S khối lượng chất sau phản ứng Dù phản ứng xảy với hiệu suất ta có: mT = mS Hệ 2: Khi cation kim loại kết hợp với anion phi kim để tạo hợp chất ta có: Khối lượng chất = khối lượng cation+khối lượng anion Khối lượng cation anion ta coi khối lượng nguyên tử cấu tạo thành 1.2 Định luật bảo toàn nguyên tố Nội dung định luật: Tổng khối lượng nguyên tố trước phản ứng tổng khối lượng nguyên tố sau phản ứng Nội dung định luật hiểu tổng số mol nguyên tố bảo toàn phản ứng 1.3 Định luật bảo toàn electron Nội dung định luật: Trong phản ứng oxi hóa khử: Số mol electron mà chất khử cho số mol electron mà chất oxi hóa nhận Khi vận dụng định luật bảo toàn electron vào dạng toán cần lưu ý: Trong phản ứng hệ phản ứng cần quan tâm đến trạng thái đầu trạng thái cuối mà không cần quan tâm đến trạng thái trung gian Nếu có nhiều chất oxi hóa chất khử số mol electron trao đổi tổng số mol tất chất nhường nhận electron Tổng quan tập hỗn hợp sắt oxit Bài tập Fe hỗn hợp oxit sắt thường có dạng cho khối lượng cho phản ứng với chất oxi hóa H2SO4 đặc nóng HNO3 Giải vấn đề: Với giả thiết cho m gam hỗn hợp gồm Fe oxit FeO, Fe3O4, Fe2O3 tác dụng với HNO3 thu khí NO2 Ta xem trình oxi hoá liên tiếp Fe chất oxi hoá O HNO3 Chất nhường electron: Fe , tạo sản phẩm Fe3+ Chất nhận electron: O HNO3 , tạo sản phẩm oxit 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 O + 2e → O 2− y 2y y +4 N +5 + 1e → N O2 Fe → Fe3+ + 3e x 3x V 22, Tổng electron nhường: 3x mol V 22, Tổng electron nhận: Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: 3x = 2y + V 2y + 22, V (2) 22, 56 x + 16 y = m V  3 x − y = 22,  Từ (1) (2) ta có hệ  Việc giải hệ biết số yếu tố giải yêu cầu toán Hoặc ta sử dụng phương trình ẩn số để lập theo nguyên tắc là: Số mol e ( Fe cho) = Số mol e ( O nhận) + Số mol e ( NO3- nhận) nFe = nO + nNO2 II THỰC TRẠNG CỦA ĐỀ TÀI Thuận lợi Học sinh trung học phổ thông sau học chương “phản ứng oxi hoá khử ” lớp 10, phần “ axit HNO 3” lớp 11, bắt đầu làm quen với nhiều dạng toán phức tạp, có toán hỗn hợp sắt oxit sắt phản ứng với chất có tính oxi hoá mạnh (như HNO3, H2SO4 đặc nóng ) với axit mạnh thông thường (như HCl, H2SO4 loãng ) Có nhiều học sinh khá, giỏi có kĩ giải tập theo phương pháp thông thường (đặt ẩn, lập hệ phương trình) Khó khăn Rất nhiều học sinh lớp 12 chưa hiểu chất phản ứng hỗn hợp sắt oxit sắt với chất có tính oxi hóa mạnh axit nit trình oxi nitrric (hoặc axit sunfuric đặc, nóng) trình oxi hoá liên tiếp Fe chất oxi hoá O HNO3 (hoặc axit sunfuric đặc, nóng) Chưa biết cách áp dụng định luật bảo toàn vào giải toán, đặc biệt bảo toàn electron phản ứng oxi hoá khử Mỗi dạng tập có nhiều phương pháp làm, có phương pháp hiệu để giải mà học sinh chưa tìm III: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ Phương pháp giải số dạng tập điển hình 1.1 Dạng khử không hoàn toàn Fe 2O3 sau cho sản phẩm phản ứng với chất oxi hóa mạnh HNO3 H2SO4 đặc nóng: Ví dụ 1: Cho luồng khí CO qua ống sứ đựng m gam Fe 2O3 nung nóng Sau thời gian thu 10,44 gam chất rắn X gồm Fe, FeO, Fe 2O3 Fe3O4 Hòa tan hết X dung dịch HNO3 đặc, nóng thu 4,368 lít NO (sản phẩm khử đktc) Tính m ? Phân tích đề: Sơ đồ phản ứng  NO2 ↑  FeO, Fe3O4 HNO3dn  CO Fe2O3    → o →  t   Fe2O3 , Fe  Fe( NO2 )3 Trong trường hợp xét trình đầu cuối ta thấy chất nhường e CO, chất nhận e HNO3 Nhưng biết tổng số mol Fe oxit ta biết số mol Fe 2O3 Bởi ta dùng kiện toán hòa tan X HNO3 đề tính tổng số mol Fe Giải vấn đề: Theo đề ta có: nNO = 0,195mol Gọi số mol Fe O tương ứng X x y ta có: 56x + 16y = 10,44 (1) Quá trình nhường nhận e: Chất khử 3+ Fe → Fe + 3e x 3x Chất oxi hóa O + 2e → O 2− y 2y y +4 N +5 + 1e → N O2 0,195 0,195 Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: 3x = 2y + 0,195 (2) Từ (1) (2) ta cú hệ 56 x + 16 y = 10, 44  3 x − y = 0,195 Giải hệ ta có x = 0,15 y = 0,1275 → m = 12 gam Như nFe = 0,15 mol nên nFe O = 0, 075mol  Nhận xét: Với toán trên, ta giải theo cách tính số mol O bị CO lấy theo +4 2− → CO2 N +5 + 1e → N O phương trình: CO + O  − 2e  Sau dựa vào định luật bảo toàn khối lượng ta có: m = 10,44 + mO Phát triển toán: Nếu dạng khử không hoàn toàn oxit sắt khác (như Fe 3O4 FeO) áp dụng phương pháp được, mà dùng phương pháp quy toán kinh điển: oxi hoá lượng đơn chất Fe ban đầu chất oxi hoá O HNO H2SO4 đặc nóng để giải toán 1.2 Dạng đốt cháy Sắt không khí cho sản phẩm phản ứng với chất oxi hóa: Ví dụ 2: Nung nóng 12,6 gam Fe không khí sau thời gian thu m gam hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe2O3 Fe3O4 Hỗn hợp phản ứng hết với dung dịch HNO3 loãng (dư), thu 2,8 lít khí NO (sản phẩm khử nhất, đktc) Tính giá trị m? Phân tích đề: Sơ đồ phản ứng [O] [HNO3] Fe hh X Fe3+ Fe bị oxi hoá thành Fe3+ chất oxi hoá O HNO3 Như vậy: + Khối lượng oxit tổng khối lượng sắt oxi + Trong trình: chất nhường e Fe, chất nhận O HNO3 Giải vấn đề: Ta có nNO = 0,125 mol, nFe = 0,225 mol Gọi số mol oxi oxit x ta có: Chất khử Fe 0,225 Chất oxi hóa e + Fe3+ 0,675 O x + 2e 2x O2- NO3- + 3e 0,375 Tổng e (electron) nhường: 0,675 mol NO 0,125 Tổng e (electron) nhận: 2x + 0,375 (mol) → x = 0,15 Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: 0,675 = 2x + 0,375  Mặt khác ta có: m = mFe + mO nên: 2− m = 12,6 + 0,15x16 = 15 (gam) Ví dụ 3: Nung nóng m gam bột sắt không khí, sau phản ứng thu 20 gam hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe2O3 Fe3O4 Hòa tan hết X dung dịch HNO3 loãng thu 5,6 lít hỗn hợp khí Y gồm NO NO có tỉ khối so với H2 19 Tính m thể tích HNO3 1M dùng? Phân tích đề: Sơ đồ phản ứng: NO2 ↑  FeO, Fe3O4 HNO3 Fe  →  →NO ↑ Fe2O3và Fe du Fe( NO ) 3  O2 ( kk ) + Hỗn hợp X gồm Fe O oxit + Xét trình ta thấy có Fe nhường e, Chất nhận e Oxi HNO3 + HNO3 nhận e NO NO2 + Số mol HNO3 ban đầu số mol HNO3 muối chuyển khí Giải vấn đề: Theo đề ta có: nNO = nNO = 0,125mol Gọi số mol Fe O tương ứng X x y ta có: 56x + 16y = 20 (1) Quá trình nhường nhận e: Chất khử Chất oxi hóa O + 2e → O 2− Fe → Fe3+ + 3e x y 2y y +5 N + 1e → N O2 0,125 0,125 3x +2 N +5 + 3e → N O 0,125 x3 Tổng electron nhường: 3x mol +4 0,125 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) (2) ta có hệ 56 x + 16 y = 20  3 x − y = 0,5 Giải hệ ta có x = 0,3 y = 0,2 Như nFe = 0,3 mol m = 16,8 gam Theo định luật bảo toàn nguyên tố ta có: muôi Khí nHNO3 = nNO + nNO = 3nFe + nNO + nNO2 3 nên nHNO = 0,3x3 + 0,125 + 0,125 = 1,15 mol Vậy VHNO = 1,15 = 1,15(lít) Ta dùng phương trình ion – electron để tìm số mol H + số mol HNO3 phản ứng: NO3- + e + 2H+ → NO2 + H2O NO3- + 3e + 4H+ → NO + 2H2O nH+ = 2nNO2 + 4nNO 1.3 Dạng hỗn hợp sắt oxit phản ứng với chất oxi hóa mạnh Ví dụ 4: Cho 11,36 gam hỗn hợp gồm Fe, FeO, Fe 2O3 Fe3O4 phản ứng hết với dung dịch HNO3 loãng (dư), thu 1,344 lít khí NO (sản phẩm khử nhất, đktc) dung dịch X Cô cạn dung dịch X thu m gam muối khan Tính m ? Phân tích đề: Ta coi hỗn hợp X ban đầu gồm Fe O Như xét trình chất nhường e Fe chất nhận e O NO3− Nếu biết số tổng số mol Fe X biết số mol muối Fe(NO 3)3 dung dịch sau phản ứng Do giải toán sau: Giải vấn đề: Số mol NO = 0,06 mol Gọi số mol Fe O tương ứng X x y ta có: 56x + 16y = 11,36 (1) Quá trình nhường nhận e: Chất khử Fe → Fe3+ + 3e x 3x Chất oxi hóa O + 2e → O 2− y 2y +2 N +5 + 3e → N O 0,18 Tổng electron nhường: 3x (mol) y 0, 06 Tổng electron nhận: 2y + 0,18 (mol) Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: 3x = 2y + 0,18 (2) Từ (1) (2) ta có hệ 56 x + 16 y = 11,36  3x − y = 0,18 Giải hệ ta có x = 0,16 y = 0,15 Như nFe = nFe ( NO ) = 0,16 mol m = 38,72 gam 3 Với toán ta quy toán kinh điển: Đốt m gam sắt sau phản ứng sinh 11,36 gam hỗn hợp gồm Fe, FeO, Fe 2O3 Fe3O4 Hỗn hợp phản ứng hết với dung dịch HNO loãng (dư), thu 1,344 lít khí NO (sản phẩm khử nhất, đktc) Chúng ta tính m từ suy số mol Fe từ tính số mol sắt Phát triển toán: Trường hợp 1: Cho nhiều sản phẩm khử NO 2, NO ta có đặt hệ bình thường nhiên chất nhận e HNO3 cho sản phẩm Trường hợp 2: Nếu đề yêu cầu tính thể tích khối lượng HNO ta tính số mol dựa vào bảo toàn nguyên tố N ta có: muôi Khí nHNO3 = nNO + n = 3nFe + nNO (nNO2 ) NO 3 Hoặc theo phương trình ion- electron sau: NO3- + 3e + 4H+ → NO + 2H2O Từ có: số mol HNO3 phản ứng = số mol H+ = x số mol NO Trường hợp 3: Có thể áp dụng cách giải cho hỗn hợp oxit kim loại khác sắt Ví dụ 5: Cho a g hỗn hợp gồm CuO; Fe2O3; FeO có số mol nung nóng với H2 thu 6,4 g hỗn hợp D gồm kim loại oxit Hoà tan hoàn toàn D dd HNO3 loãng dư thu 0,672 lit khí NO (đktc) sản phẩm khử Tính a? Giải vấn đề: Gọi số mol oxit CuO, Fe2O3, FeO a gam hỗn hợp đầu x, ta có: Cu = x mol, Fe = 3x mol Chất khử: Chất oxi hoá: Cu → 2e + Cu2+ O x y 2x Fe → 3e + Fe3+ 3x + 2e → O22y NO3- + 3e → NO 9x 0,09 Lập hệ phương trình: 11x = 2y + 0,09 64x + 56 3x + 16y = 6,4 0,03 Giải được: x = 0,2225 Vậy a = 6,942 1.4 Một số tập vận dụng Bài 1: Đốt cháy 16,8 gam bột sắt không khí, sau thời gian thu hỗn hợp X gồm sắt oxit Cho hòa tan hết X dung dịch H 2SO4 đặc nóng thu 5,6 lít khí SO2 (sản phẩm khử đktc) Tính m? Nếu thay H2SO4 HNO3 đặc nóng thể tích NO2 (đktc) bao nhiêu? (Đáp án: 20 gam; 11,2 lít) Bài 2: Hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe2O3 Cho luồng khí CO qua ống sứ đựng m gam hỗn hợp X đun nóng Sau kết thúc thí nghiệm thu 64g chất rắn 11,2 lít khí B (đktc) có tỉ khối so với H2 20,4 Tính m ? (Đáp án:70,4 gam) Bài 3: Để khử hoàn toàn 3,04 gam hỗn hợp Y (gồm FeO, Fe 3O4, Fe2O3) cần 0,05 mol H2 Nếu hoà tan hoàn toàn 3,04 gam hỗn hợp Y dung dịch H 2SO4 đặc thu khí SO2 (sản phẩm khử nhất) Tính thể tích khí SO2 (đktc)? (Đáp án: 0,224 lít) Bài 4: Đốt cháy m gam sắt không khí sau thời gian thu 5,04 gam hỗn hợp X gồm sắt oxit sắt Hòa tan hỗn hợp X HNO loãng dư thu 0,784 lít khí (đktc) gồm NO NO2 có tỉ khối so với H2 19 Tính m? (Đáp án: 3,92 gam) Bài 5: Để m gam sắt không khí thời gian hỗn hợp rắn gồm Fe, FeO, Fe2O3, Fe3O4 có tổng khối lượng 30g Cho hỗn hợp tan HNO dư 5,6 lít NO (đktc) Tính m? (Đáp án: 25,2 gam) Bài học kinh nghiệm Trong trình thực đề tài này, đúc kết số học kinh nghiệm quan trọng trình áp dụng phương pháp giúp học sinh định hướng dạng tập, tìm chất vấn đề để rút ngắn thời gian giải tập Đó động lực để hoàn thành đề tài KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trên kinh nghiệm mà tích luỹ trình giảng dạy, Vì thời gian có hạn kinh nghiệm thân chưa nhiều nên chắn đề tài có nhiều điều cần bổ sung Tôi mong nhận ý kiến đóng góp cấp lãnh đạo bạn bè đồng nghiệp để đề tài hoàn thiện Xin chân thành cảm ơn! Hà Tĩnh, ngày 25 tháng năm 2017 Người viết Nguyễn Thanh Dương 10 ... hỗn hợp gồm Fe, FeO, Fe 2O3 Fe3O4 phản ứng hết với dung dịch HNO3 loãng (dư), thu 1,344 lít khí NO (sản phẩm khử nhất, đktc) dung dịch X Cô cạn dung dịch X thu m gam muối khan Tính m ? Phân tích... tạo thành 1.2 Định luật bảo toàn nguyên tố Nội dung định luật: Tổng khối lượng nguyên tố trước phản ứng tổng khối lượng nguyên tố sau phản ứng Nội dung định luật hiểu tổng số mol nguyên tố bảo...NỘI DUNG I: TỔNG QUAN Các định luật cần vận dụng 1.1 Định luật bảo toàn khối lượng Nội dung định luật: Khối lượng chất tham gia phản ứng khối