Các phương pháp giải cho một bài toán hóa học

Tuyển chọn các phương pháp giải toán Hóa Học Các phương pháp giải cho một bài toán Hóa Học Copyright © 2005 – 2008 Lê Phạm Thành Cử nhân chất lượng cao Hóa Học – ðHSP Phone: 0976053496 - 1/5 - CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI CHO MỘT BÀI TOÁN HÓA HỌC ðề bài (Theo câu I.2, ðề tuyển sinh vào ðHQGHN năm 1998) : ðể m gam phoi bào sắt (A) ngoài không khí, sau một thời gian biến thành hỗn hợp (B) khối lượng 12 gam gồm sắt và các oxit FeO, Fe3O4, Fe2O3. Cho B tác dụng hoàn toàn với dung dịch axit nitric thấy giải phóng ra 2,24 lít khí duy nhất NO (ñktc). Tính khối lượng m của A. Hướng dẫn giải : Sơ ñồ các biến ñổi xảy ra theo bài toán : Các phương trình phản ứng xảy ra trong toàn bộ bài toán :
ðể m gam sắt (A) ngoài không khí thành hỗn hợp B : 2Fe + O2 ot → 2FeO (a) 3Fe + 2O2 ot → Fe3O4 (b) 4Fe + 3O2 ot → 2Fe2O3 (c)
Cho B tác dụng hoàn toàn với dung dịch HNO3, giải phóng khí NO duy nhất : Fe + 4HNO3 → Fe(NO3)3 + NO↑ + 2H2O (d) 3FeO + 10HNO3 → 3Fe(NO3)3 + NO↑ + 5H2O (e) 3Fe3O4 + 28HNO3 → 9Fe(NO3)3 + NO↑ + 14H2O (f) Fe2O3 + 6HNO3 → 2Fe(NO3)3 + 3H2O (g) Cách 1 (Phương pháp bảo toàn electron) : Theo ñịnh luật bảo toàn electron ta có : Σenhường = Σenhận (*) Ta có : Σenhường = m56 ×3 Σenhận = 12 m 2 16 − × + 2,24 322,4 × Theo (*) ⇒ m = 10,08 (gam).  Nhận xét : ðây là cách mà theo tôi là nhanh, gọn và dễ hiểu. Chắc những bạn học sinh ñã làm quen với phương pháp bảo toàn electron ñều có thể làm ñược ! Cách 2 (Phương pháp ñại số) : Gọi x, y, z, t lần lượt là số mol của Fe, FeO, Fe3O4, Fe2O3 trong 12 gam B. Theo các dữ kiện của bài toán ta có : Khối lượng của B : 56x + 72y + 232z + 160t = 12 (1) Tuyển chọn các phương pháp giải toán Hóa Học Các phương pháp giải cho một bài toán Hóa Học Copyright © 2005 – 2008 Lê Phạm Thành Cử nhân chất lượng cao Hóa Học – ðHSP Phone: 0976053496 - 2/5 - Số mol của Fe ban ñầu : x + y + 3z + 2t = m 56 (2) Số mol của oxi trong B : y + 4z + 3t = 12 m 16 − (3) Số mol của NO sinh ra : x + y 3 + z 3 = 0,1 (4) Từ (1), (2), (3) và (4) ⇒ m = 10,08 gam.  Nhận xét : ðây là cách làm phổ biến nhất, tuy nhiên rất dài (một cách không cần thiết) và quá nặng về mặt toán học, khó trong quá trình tìm giá trị của m bằng biến ñổi. Cách 3 (Phương pháp bảo toàn khối lượng) : Theo ñịnh luật bảo toàn khối lượng ta có : mB + maxit = mmuối + mNO + 2H Om Vậy : 12 + 63× ( )3m 3m 3m0,1 56 62.3 0,1 30 0,156 56 56             + = × + + × + + × 9 ⇒ m = 10,08 gam. (Chú ý : naxit = 3nmuối + nNO = m56 ×3 + 0,1).  Nhận xét : ðể làm ñược theo cách này thì khó khăn lớn nhất chính là việc học sinh phải tìm ra ñược số mol của axit và số mol của nước. Thường thì học sinh sẽ không biết tính số mol hai chất này như thế nào (?), ñặc biệt là số mol của nước ! Cách 4 (Phương pháp bảo toàn nguyên tố): Áp dụng ñịnh luật bảo toàn nguyên tố ñối với oxi ta có : m + m = m + m O(trong B) O(trong HNO t¹o NO) O(NO) O(H O) 3 2 ⇒ (12 − m) + 0,1 × 16 × 3 = 0,1 × 16 + 16 × 3m0,1 56       + × 1 2 ⇒ m = 10,08 gam.  Nhận xét : Tương tự như phương pháp bảo toàn khối lượng, ñiểm khó nhất trong phương pháp này là phải xác ñịnh ñược ñúng số mol các chất HNO3 và H2O. Cách 5 (Phương pháp tách công thức) : Do Fe3O4 = FeO.Fe2O3 nên ta có thể thay Fe3O4 bằng FeO và Fe2O3 Khi ñó hỗn hợp B gồm có : Fe, FeO và Fe2O3 Có số mol tương ứng : x y z Các phương trình : +) Khối lượng của B : 56x + 72y + 160z = 12 (5) +) Số mol của Fe ban ñầu : x + y + 2z = m56 (6) +) Số mol của oxi trong B : x + y 3 = 0,1 (7) +) Số mol của NO sinh ra : y + 3z = 12 m 16 − (8) Tuyển chọn các phương pháp giải toán Hóa Học Các phương pháp giải cho một bài toán Hóa Học Copyright © 2005 – 2008 Lê Phạm Thành Cử nhân chất lượng cao Hóa Học – ðHSP Phone: 0976053496 - 3/5 - Giải tương tự phương pháp ñại số với (5), (6), (7) và (8) ta cũng ñược m = 10,08 gam.  Về bản chất thì ñây vẫn là phương pháp ñại số, tuy nhiên bước tách trên giúp làm giảm số ẩn ⇒ có thể giải dễ dàng hơn ! Cách 6 (Phương pháp ghép công thức) : Cách 6.1. Ta có thể coi hỗn hợp B thu ñược chỉ có Fe và Fe2O3. Do ñó hỗn hợp B gồm có : Fe Fe2O3 Có số mol tương ứng : x y Vậy ta có các phương trình : +) Khối lượng của B : 56x + 160y = 12 (9) +) Số mol của NO sinh ra : x = 0,1 (10) Giải ra ta ñược y = 0,04 ⇒ nFe∑ = 0,18 mol ⇒ m = 10,08 gam. Cách 6.2. Cũng có thể coi hỗn hợp B thu ñược gồm có FeO và Fe2O3 x y +) Khối lượng của B : 72x + 160y = 12 (11) +) Số mol của NO sinh ra : x + 2y = m56 (12) +) x = 0,3 (13) Giải (9), (10) và (11) cũng thu ñược : m = 10,08 gam. Cách 6.3. Cũng có thể coi hỗn hợp B thu ñược gồm có Fe3O4 và Fe2O3 x y Suy ra: 232x + 160y = 12 (12) 3x + 2y = m56 (13) x = 0,3 (14) Giải (12), (13) và (14) ta cũng thu ñược : m = 10,08 gam. Tương tự như thế ta cũng có thể coi hỗn hợp B gồm có (Fe và FeO) hoặc (Fe và Fe3O4) hoặc (FeO và Fe3O4). Giải ra ta cũng thu ñược kết quả m = 10,08 gam.  Có thể thấy là những cách làm trên ñã giúp cho bài toán trở nên ñơn giản hơn nhiều, và việc giải bằng phương pháp này cũng rất dễ hiểu, các học sinh Trung học cơ sở cũng hoàn toàn có thể giải ñược. Chú ý, “do việc quy ñổi nên số mol một chất có thể có giá trị âm ñể kéo số mol chất kia xuống như ñáp số cần có” (PGS. TS. Nguyễn Xuân Trường), ñó là trường hợp hỗn hợp (FeO và Fe2O3). Cách 6.7. Do hỗn hợp B chỉ có hai nguyên tố là Fe và O nên ta có thể quy về một chất duy nhất là oxit dạng FexOy. Khi ñó phương trình phản ứng trở thành : 3FexOy + (12x – 2y)HNO3 → 3xFe(NO3)3 + (3x – 2y)NO↑ + (6x – y)H2O (h) Ta có tỉ số : 56x m16y 12 m= − (**) Tuyển chọn các phương pháp giải toán Hóa Học Các phương pháp giải cho một bài toán Hóa Học Copyright © 2005 – 2008 Lê Phạm Thành Cử nhân chất lượng cao Hóa Học – ðHSP Phone: 0976053496 - 4/5 - Mà : 12 0,1 356x 16y 3x 2y × = + − ⇒ x = 3 ; y = 2 Vậy công thức quy ñổi của hóa học B là : Fe3O2 (!) Thay vào (**) ta ñược : m = 10,08 gam. Với cách 6.7 ta có thể làm ngắn gọn hơn bằng cách viết phương trình dưới dạng ion : Cách 6.7’ (Cách này mình ñề nghị, không biết ñã có ai làm chưa ?). Phương trình : FexOy + (4 + 2y)H+ + NO3 − → xFe3+ + NO↑ + (2 + y)H2O (h’) +) Ta tính ngay ñược số mol của FexOy : 12 n = n = 0,1 mol 0,1 56x 16y = 120Fe O NO 56x 16yx y ⇒ = ⇒ + + (14) +) Theo bảo toàn ñiện tích : 4 + 2y – 1 = 3x ⇔ 3x – 2y = 3 (15) Từ (14) và (15) ⇒ x = 1,8 ; y = 1,2 Lại có tổng số mol Fe : m 0,1x m = 56.0,1.1,8 = 10,08 gam.56 = ⇒  Cách làm này giúp cho lời giải trở nên gọn hơn so với cách 6.7, tuy nhiên vẫn còn hạn chế là phải cân bằng phương trình (h’), ñòi hỏi học sinh phải có kĩ năng cân bằng tốt. Bên cạnh ñó phải chú ý ñến ñịnh luật bảo toàn ñiện tích ñể rút ra phương trình (15). Cách 7 (ðây là cách do bạn Vũ Khắc Ngọc ñề nghị). Ta có thể coi các phản ứng hóa học diễn ra trong bài toán là 2 quá trình oxi hóa hoàn toàn Fe thành Fe3+ nối tiếp nhau bởi 2 tác nhân oxi hóa là O2 và HNO3. Có thể quy ñổi 2 tác nhân ñó về một trong 2 tác nhân ñể ñơn giản hóa bài toán, ở ñây, ta thay thế quá trình oxi hóa của HNO3 bằng O2. Khi ñó hỗn hợp B sẽ chỉ có Fe2O3 với khối lượng là : 0,3 14,4 m = 12 + 16 14,4 gam n = 0,09 molFe O Fe O2 1602 3 2 3 × = ⇒ = ⇒ m = 0,09.2.56 = 10,08 gam.  Với cách suy luận như trên thì bài toán có thể giải ra rất nhanh (nhanh nhất ?) ⇒ có thể dùng ñể làm bài thi trắc nghiệm. Như vậy, với mỗi một bài toán (Hóa) chúng ta có thể giải bằng nhiều cách khác nhau, trên ñây chỉ là một ví dụ ñiển hình nhất. Tùy theo khả năng của mỗi người có thể giải theo cách này hay cách khác. Tuy nhiên khi học Hóa, các em học sinh nên có sự tìm tòi, khám phá ra những cách giải khác, nhanh hơn, gọn hơn, hay hơn, qua ñó rèn luyện kĩ năng làm bài tập cũng như tạo ra hứng thú học tập. ðó là một cách học rất hiệu quả. Chúc các em học tốt ! Một số bài tập tương tự (các bạn học sinh áp dụng giải như trên ñể rèn luyện thêm nhé !) Bài 1. ðể 10,08 gam phoi bào sắt (A) ngoài không khí, sau một thời gian biến thành hỗn hợp (B) khối lượng m gam gồm sắt và các oxit FeO, Fe3O4, Fe2O3 (hoặc biến thành hỗn hợp B gồm 4 chất rắn). Cho B tác dụng hoàn toàn với dung dịch axit nitric thấy giải phóng ra 2,24 lít khí duy nhất NO (ñktc). Tính khối lượng m của B. ð/s: m = 12 gam. Tuyển chọn các phương pháp giải toán Hóa Học Các phương pháp giải cho một bài toán Hóa Học Copyright © 2005 – 2008 Lê Phạm Thành Cử nhân chất lượng cao Hóa Học – ðHSP Phone: 0976053496 - 5/5 - Bài 2. ðể m gam phoi bào sắt (A) ngoài không khí, sau một thời gian biến thành hỗn hợp rắn (B) có khối lượng 13,6 gam. Cho B tác dụng hoàn toàn với dung dịch axit sunphuric ñặc nóng thấy giải phóng ra 3,36 lít khí duy nhất SO2 (ñktc). Tính khối lượng m của A. ð/s: m = 11,2 gam. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Dùng phương pháp quy ñổi ñể tìm nhanh ñáp số của bài toán hóa học, Nguyễn Xuân Trường, Tạp chí Hóa Học và Ứng dụng, số 4 (52) / 2006, trang 2 – 3. [2]. Bài viết “Các phương pháp giải cho một bài toán hóa học”, trên blog của Lê Phạm Thành, [3]. Bài viết “Bài toán kinh ñiển của Hóa học: bài toán 9 cách giải”, trên blog của Vũ Khắc Ngọc,