Tài liệu Phương pháp giải các bài toán hóa học vô cơ lớp 12 trung học phổ thông

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC LƢƠNG THỊ BÌNH PHƢƠNG PHÁP GIẢI CÁC BÀI TOÁN HOÁ HỌC VÔ CƠ LỚP 12 TRUNG HỌC PHỔ THÔNG Chuyên ngành: Lý luận và phƣơng pháp dạy học (Bộ môn Hoá học) Mã số : 60 14 10 LUẬN VĂN THẠC SĨ SƢ PHẠM HOÁ HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS. TS. VŨ NGỌC BAN HÀ NỘI - 2011 1 DANH MỤC KÍ HIỆU VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN BT : Bài tập BTHH : Bài toán hóa học dd : Dung dịch đktc : Điều kiện tiêu chuẩn ĐC : Đối chứng ĐLBT : Định luật bảo toàn HS : Học sinh GV : Giáo viên THPT : Trung học phổ thông TN : Thực nghiệm TNSP : Thực nghiệm sư phạm PTPƯ : Phương trình phản ứng. 3 MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài .................................................................................. 1 2. Lịch sử nghiên cứu....................................................................................... 2 3. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu ........................................................ 2 4. Phạm vi nghiên cứu. .................................................................................... 3 5. Mẫu khảo sát. ............................................................................................... 3 6. Vấn đề nghiên cứu. ...................................................................................... 3 7. Giả thuyết nghiên cứu .................................................................................. 3 8. Phương pháp chứng minh luận điểm. .......................................................... 3 9.Đóng góp mới của đề tài ........................................................................ 4 10. Cấu trúc luận văn ................................................................................ 4 Chƣơng 1: BÀI TẬP HÓA HỌC VÀ BÀI TOÁN HÓA HỌC 5 VÔ CƠ............................................................................................................. 1.1. Bài tập hóa học ......................................................................................... 5 1.1.1. Ý nghĩa, tác dụng của bài tập hóa học ................................................... 5 1.1.2. Phân loại bài tập hóa học ....................................................................... 6 1.1.3. Xu hướng phát triển của bài tập hóa học trong giai đoạn hiện nay .............. 7 1.1.4. Bài toán hóa học và tình hình giải bài toán hóa học của học sinh THPT hiện nay ............................................................................................................. 8 1.2. Phương pháp chung giải các bài toán hoá học THPT .............................. 9 1.2.1. Những công thức cần thiết khi giải bài toán hóa học ............................ 10 1.2.2. Quan hệ giữa số mol của các chất phản ứng ......................................... 11 1.2.3. Phương pháp chung giải bài toán hóa học ............................................. 13 1.3. Áp dụng các định luật bảo toàn trong hóa học và sử dụng phương trình ion rút gọn để giải nhanh các bài toán hóa học ......................... 20 1.3.1. Định luật bảo toàn khối lượng ............................................................... 20 1.3.2. Định luật bảo toàn nguyên tố ................................................................. 21 1.3.3. Định luật bảo toàn điện tích ................................................................... 22 1.3.4. Định luật bảo toàn số mol electron ........................................................ 23 4 1.3.5. Sử dụng phương trình ion thu gọn ......................................................... 24 Tiểu kết chương 1 ............................................................................................ 26 Chƣơng 2: PHƢƠNG PHÁP GIẢI CÁC BÀI TOÁN HÓA HỌC 27 VÔ CƠ LỚP 12 TRUNG HỌC PHỔ THÔNG ........................................... 2.1. Các chú ý khi giải bài toán hóa học vô cơ ................................................ 27 2.2. Giới thiệu chương trình hóa học vô cơ lớp 12 (chương trình nâng cao) ................. 29 2.3. Phân loại các bài toán hóa học vô cơ lớp 12 ............................................ 31 2.4. Bài toán về phản ứng của kim loại ........................................................... 33 2.4.1. Bài toán về kim loại tác dụng với phi kim............................................. 33 2.4.2. Bài toán về kim loại tác dụng với axit ................................................... 39 2.4.3. Bài toán kim loại tác dụng với dung dịch muối .................................... 52 2.4.5. Bài toán kim loại tác dụng với nước và dung dịch kiềm. ...................... 60 2.5. Bài toán về phản ứng của hợp chất kim loại ........................................... 66 2.5.1. Bài toán về phản ứng của hiđroxit kim loại kiềm và kim loại kiềm thổ với CO2 (hoặc SO2) ........................................................................... 66 2.5.2. Bài toán về phản ứng của muối cacbonat(CO 32 ; HCO 3 )với 73 dung dịch axit và của HCO 3 với dung dịch kiềm ........................................... 2.5.3. Bài toán về phản ứng thể hiện tính lưỡng tính của Al 2O3, Al(OH)3, Zn(OH)2…........................................................................................ 81 2.5.4. Bài toán về phản ứng nhiệt luyện ......................................................... 89 2.5.5. Bài toán về sự điện phân các hợp chất kim loại .................................... 97 2.6. Các bài toán hóa học tổng hợp.................................................................. 106 2.7. Lựa chọn và sử dụng bài toán hóa học trong dạy học hóa học. .............. 108 2.7.1. Sử dụng BTHH trong việc hình thành kiến thức mới. ......................... 109 2.7.2. Sử dụng BTHH để vận dụng, củng cố kiến thức kĩ năng, mở rộng đào sâu kiến thức ( trong giờ luyện tập, ôn tập) ...................................... 110 2.7.3. Sử dụng BTHH nhằm kiểm tra, đánh giá mức độ vận dụng kiến thức của học sinh (trong giờ kiểm tra ) .................................................... 111 Tiểu kết chương 2 118 119 Chƣơng 3: THỰC NGHIỆM SƢ PHẠM .................................................... 3.1. Mục đích và nhiệm vụ của thực nghiệm sư phạm ................................... 119 3.1.1. Mục đích của thực nghiệm sư phạm ..................................................... 119 3.1.2. Nhiệm vụ của thực nghiệm sư phạm .................................................... 119 3.2. Quá trình tiến hành thực nghiệm sư phạm................................................ 119 5 3.2.1. Chuẩn bị cho quá trình thực nghiệm...................................................... 119 3.2.2. Tiến hành thực nghiệm .......................................................................... 120 3.2.3. Kết quả các bài kiểm tra ....................................................................... 120 3.2.4. Xử lý kết quả thực nghiệm sư phạm ..................................................... 121 3.2.5. Tính các tham số đặc trưng thống kê .................................................... 125 3.2.6. Phân tích kết quả thực nghiệm .............................................................. 125 Tiểu kết chương 3 ............................................................................................ 126 127 KẾT LUẬN CHUNG ..................................................................................... 128 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. PHỤ LỤC 6 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trong dạy học hóa học, có thể nâng cao chất lượng dạy học và phát triển năng lực nhận thức của học sinh bằng nhiều biện pháp và phương pháp khác nhau.Trong đó, giải bài tập hóa học với tư cách là một phương pháp dạy học, có tác dụng rất tích cực đến việc giáo dục, rèn luyện và phát triển tư duy của học sinh. Trong thực tiễn dạy học hóa học ở trường phổ thông, bài toán hóa học giữ vai trò rất quan trọng, nó vừa là nội dung vừa là phương pháp dạy học hiệu quả, nó không chỉ cung cấp cho học sinh kiến thức mà còn mang lại niềm vui cho học sinh trong quá trình giải các bài toán hóa. Hiện nay hình thức kiểm tra bằng trắc nghiệm khách quan đang được triển khai thực hiện thì số sách viết về giải toán hóa học được tăng lên đáng kể. Các sách đều có một kết cấu giống nhau là chia thành nhiều cách giải như cách giải dựa vào các định luật bảo toàn trong hóa học (định luật bảo toàn khối lượng, định luật bảo toàn điện tích, định luật bảo toàn nguyên tố, định luật bảo toàn electron...), phương pháp tăng giảm khối lượng, phương pháp trung bình,phương pháp đường chéo, phương pháp qui đổi..v.v.Nhiều phương pháp được đưa ra gây khó khăn cho người đọc nhất là các em học sinh. Qua quá trình nghiên cứu chúng tôi nhận thấy rằng việc giải bài toán có thể thực hiện theo một phương pháp chung là dựa vào quan hệ giữa số mol của các chất phản ứng và dựa vào các công thức biểu thị quan hệ giữa số mol chất với các đại lượng như thể tích, khối lượng, nồng độ, ...của chất. Quan hệ giữa số mol các chất phản ứng có thể dễ dàng được thiết lập khi đã viết được phương trình phản ứng, còn số công thức cần sử dụng không nhiều (4- 5 công thức) do đó việc giải BTHH theo phương pháp trên rất đơn giản, dễ sử dụng đối với học sinh. Trong hóa học phổ thông các bài toán hóa vô cơ rất phong phú và đa dạng, đặc biệt là các BTHH phần hóa vô cơ lớp 12. 1 Vì những lí do trên chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu: "Phương pháp giải các bài toán hóa học vô cơ lớp 12 trung học phổ thông „. Ý nghĩa lí luận của đề tài. Đề tài được nghiên cứu sẽ góp phần làm sáng tỏ về phương diện lý luận trong tâm lý học dạy học và đổi mới phương pháp dạy học hóa học ở trường trung học phổ thông. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài. Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ làm tài liệu học tập quí cho các em học sinh THPT và là một tài liệu tham khảo tốt cho giáo viên trong giảng dạy môn hóa học ở trường trung học phổ thông. 2. Lịch sử nghiên cứu Đã có nhiều tác giả nghiên cứu về các phương pháp giải các BTHH nhưng chưa đưa ra một phương pháp chung, có tính hệ thống và dễ sử dụng đối với học sinh. Vì vậy, chúng tôi nghiên cứu phương pháp chung giải các bài toán hóa học, kết hợp với các định luật bảo toàn, phương trình ion để giải các BTHH góp phần nâng cao chất lượng dạy và học môn hóa học.. 3. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu 3.1. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu đề xuất phương pháp chung giải các bài toán hóa học, giúp học sinh thống nhất một cách giải áp dụng cho hầu hết các bài toán hóa vô cơ. 3.2. Nhiệm vụ nghiên cứu Để thực hiện mục tiêu trên, nhiệm vụ nghiên cứu được đề ra như sau: - Nghiên cứu, tổng hợp tài liệu: Đọc , tìm hiểu, phân tích, tổng hợp. - Quan sát : + Tình hình giải toán hóa học của học sinh phổ thông. + Hứng thú của học sinh khi học phương pháp giải các bài toán hóa học vô cơ lớp 12. - Xây dựng phương pháp chung giải toán hóa học vô cơ. - Xây dựng hệ thống các bài toán hóa học vô cơ lớp 12 . 2 - Điều tra: Phát phiếu điều tra về hứng thú của học sinh với phương pháp giải toán hóa vô cơ. - Thực nghiệm sư phạm nhằm đánh giá chất lượng, tính hiệu quả của đề tài 4. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu đề xuất phương pháp chung giải bài tập hóa học THPTphần hóa vô cơ lớp 12. 5. Mẫu khảo sát - Học sinh lớp 12 trường THPT 6. Vấn đề nghiên cứu Lựa chọn và sử dụng phương pháp chung giải bài tập hóa học THPT như thế nào để học sinh có thể áp dụng giải được dễ dàng hầu hết các bài toán hóa vô cơ ? 7. Giả thuyết nghiên cứu Khả năng ứng dụng phương pháp chung giải các bài toán hóa học vô cơ ở trường THPT là rất khả quan. Áp dụng phương pháp này học sinh có thể giải được dễ dàng hầu hết các bài toán hóa vô cơ. Mặt khác khi học sinh và giáo viên thống nhất phương pháp giải thì công việc giảng dạy sẽ thuận lợi hơn góp phần nâng cao chất lượng dạy và học môn hóa học phổ thông. 8. Phƣơng pháp chứng minh luận điểm Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận văn. Phương pháp nghiên cứu lí thuyết: - Phương pháp thu thập và xây dựng các nguồn tài liệu. - Phương pháp phân tích và tổng hợp lí thuyết các nguồn tài liệu thu được. Phương pháp nghiên cứu thực tiễn: - Quan sát, điều tra thực trạng việc giải bài tập hóa học nói chung và hóa học vô cơ nói riêng - Phương pháp thực nghiệm sư phạm và phương pháp thống kê toán học trong khoa học giáo dục để đánh giá chất lượng, tính khả thi của đề tài. 3 9. Đóng góp mới của đề tài. Đưa ra một phương pháp chung giải bài toán hóa học đơn giản, dễ sử dụng đối với học sinh THPT. Phân loại bài toán hóa vô cơ lớp 12, phân tích cách sử lí, đưa ra các nhận xét giúp giải nhanh các dạng bài đã nêu. 10. Cấu trúc của luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận và khuyến nghị, danh mục các tài liệu tham khảo, phụ lục, luận văn trình bày trong 3 chương: Chương 1: Bài tập hóa học và bài toán hóa học vô cơ. Chương 2: Phương pháp giải các bài toán hóa học vô cơ lớp 12 trung học phổ thông. Chương 3: Thực nghiệm sư phạm. 4 Chƣơng 1: BÀI TẬP HÓA HỌC VÀ BÀI TOÁN HÓA HỌC VÔ CƠ 1.1. Bài tập hóa học 1.1.1. Ý nghĩa, tác dụng của bài tập hóa học Bài tập hóa học là một dạng bài làm gồm những bài toán, những câu hỏi, hoặc đồng thời cả bài toán và cả câu hỏi, mà trong khi hoàn thành chúng, học sinh nắm được một tri thức hay kỹ năng nhất định và hoàn thiện chúng. Trong quá trình dạy học ở trường THCS hay THPT không thể thiếu bài tập hóa học. Bài tập hóa học là một biện pháp hết sức quan trọng để nâng cao chất lượng dạy học, nó giữ vững một vai trò lớn lao trong việc thực hiện mục tiêu đào tạo: Nó vừa là mục đích, vừa là nội dung, lại là phương pháp dạy học hiệu nghiệm. Bài tập hóa học không những cung cấp cho học sinh kiến thức mà còn là con đường giành lấy kiến thức và cả hứng thú say mê học tập. Bài tập hóa học có những ý nghĩa và vai trò quan trọng trong việc thực hiện các nhiệm vụ trí dục, đức dục và giáo dục kỹ thuật tổng hợp. a. Tác dụng trí dục - Bài tập hóa học có tác dụng giúp cho học sinh hiểu sâu hơn các kiến thức ,khái niệm, tính chất đã học, củng cố kiến thức đã học một cách thường xuyên và hệ thống kiến thức một cách có hiệu quả - Ôn tập hệ thống hóa kiến thức một cách tích cực nhất, đào sâu, mở rộng sự hiểu biết một cách sinh động, phong phú và không làm cho học sinh buồn chán khi học môn hóa học. - Bài tập hóa học thúc đẩy thường xuyên sự rèn luyện các kỹ năng, kỹ xảo cần thiết về hóa học cho học sinh. - Bài tập hóa học tạo điều kiện cho học sinh phát triển năng lực tư duy. như: Phân tích, tổng hợp, so sánh, khái quát hóa, hệ thống hóa, suy luận.... b. Tác dụng đức dục. - Qua việc giải bài tập hóa học học sinh được rèn luyện các phẩm chất nhân cách như: tính kiên nhẫn, trung thực, tính khoa học và tính độc lập, sáng tạo khi sử lí các tình huống bài tập. 5 - Việc tự giải các bài tập, còn rèn luyện cho học sinh tinh thần kỷ luật, tính kiên trì khắc phục khó khăn, kích thích hứng thú học tập bộ môn hóa học nói riêng và các môn học nói chung. c. Tác dụng giáo dục kỹ thuật tổng hợp. - Các bài tập hóa học có nội dung về những vấn đề , công nghệ hóa học, sản xuất hóa học, thưc tiễn hóa học,....sẽ lôi cuốn học sinh ngày càng say mê và yêu thích hóa học. 1.1.2. Phân loại bài tập hóa học Bài tập hóa học được phân chia theo nhiều cách khác nhau chủ yếu dựa vào các cơ sở sau: - Dựa vào chủ đề (chương, mục, bài,....). - Dựa vào khối lượng kiến thức (bài tập đơn giản, bài tập phức tạp,...). - Dựa vào nội dung bài tập (bài tập dạng chuỗi phản ứng, tinh chế, tách,...). - Dựa vào mục đích dạy học (bài tập nghiên cứa tài liệu mới, bài tập củng cố hoàn thiện kiến thức,...) - Dựa vào hình thức hoạt động của học sinh khi làm bài tập (bài tập lí thuyết, bài tập thực nghiệm ,...) Các cơ sở trên chưa có ranh giới rõ rệt, có những bài tập chứa nhiều nội dung, phức hợp nhiều yêu cầu, nên rất khó tách riêng ra. Hiện nay ở phổ thông bài tập hóa học phân ra các dạng như: tự luận, trắc nghiệm và thực nghiệm. - Bài tập tự luận : là bài tập khi làm HS phải viết câu trả lời, phải lí giải, lập luận chứng minh bằng ngôn ngữ của chính mình. - Bài tập trắc nghiệm: là bài tập khi làm HS chỉ phải đọc, suy nghĩ để lựa chọn đáp án đúng trong số các phương án đã cho sẵn. Thời gian làm một bài trắc nghiệm rất ngắn, chỉ khoảng 1-2 phút. Bài tập trắc nghiệm có các dạng sau: bài tập điền khuyết, bài tập đúng sai, bài tập ghép đôi và bài tập nhiều lựa chọn. 6 - Bài tập thực nghiệm: là những bài tập cần vận dụng kiến thức lí thuyết để giải quyết các vấn đề về thực nghiệm. Bài tập thực nghiệm là những bài tập vừa mang tính chất lí thuyết vừa mang tính chất thưc nghiệm. Tùy theo tính chất của các dạng bài tập mà người ta còn chia thành bài tập định tính (không có tính chất tính toán), bài tập định lượng (có tính toán) và bài tập hỗn hợp (có sự kết hợp giữa định tính và định lượng). Trong luận văn này, chúng tôi chỉ đề cập đến các bài tập tính toán định lượng hay các bài toán hóa học. 1.1.3. Xu hướng phát triển của bài tập hóa học trong giai đoạn hiện nay Thực tế cho thấy có nhiều bài tập hóa học còn quá nặng nề về thuật toán, nghèo nàn về kiến thức hóa học và không có liên hệ với thực tế hoặc mô tả không đúng với các quá trình hóa học. Khi giải bài tập này thường mất thời gian tính toán toán học, kiến thức hóa học lĩnh hội được không nhiều và hạn chế khả năng sáng tạo, nghiên cứu khoa học hóa học của học sinh. Các dạng bài tập này dễ tạo lối mòn trong suy nghĩ hoặc nhiều khi lại quá phức tạp, rối rắm với học sinh làm cho các em thiếu tự tin vào khả năng của bản thân dẫn đến chán học, học kém. Định hướng xây dựng chương trình SGK THPT của Bộ Giáo dục và Đào tạo (2002 ) có chú trọng đến tính thực tiễn và đặc thù của môn học trong lựa chọn kiến thức nội dung SGK. Xu hướng phát triển chung của bài tập hóa học trong giai đoạn hiện nay cần đảm bảo các yêu cầu: - Loại bỏ những bài tập có nội dung trong hóa học nghèo nàn nhưng lại cần đến những thuật toán phức tạp để giải (hệ nhiều ẩn, nhiều phương trình, bất phương trình, phương trình bậc hai, cấp số cộng, cấp số nhân…). - Loại bỏ những bài tập có nội dung lắt léo, giả định rắc rối, phức tạp, xa rời hoặc phi thực tiễn hóa học. - Tăng cường sử dụng bài tập thực nghiệm. - Tăng cường sử dụng bài tập trắc nghiệm khách quan. 7 - Xây dựng bài tập mới để rèn luyện cho học sinh năng lực phát hiện vấn đề và giải quyết vấn đề. - Đa dạng hóa các loại hình bài tập như bài tập bằng hình vẽ, bài tập vẽ đồ thị, sơ đồ, bài tập lắp dụng cụ thí nghiệm… - Xây dựng bài tập có nội dung phong phú, sâu sắc, phần tính toán đơn giản nhẹ nhàng. - Xây dựng và tăng cường sử dụng bài tập thực nghiệm định lượng. Như vậy xu hướng phát triển của bài tập hóa học hiện nay hướng đến rèn luyện khả năng vận dụng kiến thức, phát triển khả năng tư duy hóa học cho học sinh ở các mặt: lí thuyết, thực hành và ứng dụng. Những bài tập có tính chất học thuộc trong các câu hỏi lí thuyết sẽ giảm dần mà được thay bằng các câu hỏi đòi hỏi sự tư duy, tìm tòi, sáng tạo. 1.1.4. Bài toán hóa học và tình hình giải bài toán hóa học của học sinh THPT hiện nay. Bài toán hóa học (BTHH) là dạng bài tập rất phổ biến và quan trọng trong quá trình dạy cũng như học hóa học. Việc giải các BTHH làm cho học sinh nắm vững không chỉ mặt định tính mà cả mặt định lượng của bài tập hóa học. Ngay từ khi làm quen với hóa học ở THCS học sinh đã được làm quen với các đại lượng như nguyên tử khối, phân tử khối, mol,...rồi các phương trình phản ứng, mối quan hệ giữa các chất phản ứng đặc biệt là mối quan hệ về số mol các chất phản ứng hay trong quá trình học tập học sinh được học các định luật bảo toàn như định luật bảo toàn khối lượng, định luật bảo toàn nguyên tố…. Vậy tác dụng của những kiến thức này là gì, phạm vi ứng dụng của nó ra sao học sinh không thể biết được nêú không có các BTHH. BTHH giúp học sinh hiểu sâu sắc hơn về các khái niệm cũng như các định luật trên. Tình hình giả ibài toán hóa học của học sinh THPT hiện nay. Với số lượng các tiết dạy lí thuyết trên lớp rất nhiều thường cả chương mới có từ 1-2 tiết luyện tập mà trong tiết luyện tập giáo viên còn phải hệ thống lại nội dung kiến thức của cả chương chính vì thế thời gian để luyện các 8 BTHH là không nhiều. Giáo viên không có thời gian dạy các em về lí thuyết phương pháp chung giải BTHH mà chỉ có thể chữa được một số ít các BTHH. Nên đòi hỏi học sinh phải tự nghiên cứu là chính. Học sinh buộc phải đi học thêm hoặc mua sách tự nghiên cứu. Nhưng đi học thêm thì mỗi giáo viên lại có một cách giảng khác nhau, cách giải bài tập khác nhau làm cho học sinh không biết theo ai. Rồi tự mua sách về nghiên cứu thì có quá nhiều sách tham khảo học sinh không thể biết được nên chọn lựa và học như thế nào. Cụ thể phần phương pháp giải BTHH có rất nhiều sách viết về vấn đề này. Nhưng hầu hết các sách đều đưa ra quá nhiều phương pháp như phương pháp đường chéo, phương pháp tăng giảm khối lượng, phương pháp bảo toàn khối lượng, bảo toàn nguyên tố, bảo toàn điện tích, bảo toàn số mol electron, phương pháp đại số, phương pháp ghép ẩn số… làm cho học sinh cảm thấy rất rối vì phải hiểu được nội dung, bản chất từng phương pháp và khi nào sử dụng các phương pháp đó. Đây quả là một khó khăn cho các em. Với bài toán hóa học vô cơ học sinh còn gặp khó khăn là nhiều trường hợp: không viết được phương trình phản ứng. không tìm được phương pháp giải phù hợp, không biết cách trình bày hợp lí và logic việc giải các bài tập.v.v… Trong đó lúng túng nhất là không tìm được phương pháp giải bài tập. Như vậy nghiên cứu đưa ra một phương pháp chung giải BTHH đơn giản và dễ sử dụng đối với học sinh THPT là một nhiệm vụ rất cần thiết. Mục đích của luận văn này là nhằm đóng góp một phần vào giải quyết nhiệm vụ nêu trên. 1.2. Phƣơng pháp chung giải các bài toán hoá học THPT Để giải các BTHH, trước hết cần phân tích nội dung của bài toán và biểu thị nội dung đó bằng các phương trình hóa học. Khi đã viết và cân bằng được các phương trình hóa học, dễ dàng thiết lập được quan hệ giữa số mol của các chất tham gia hay hình thành sau phản ứng, nhờ đó tính được số mol của “các chất cần tính toán” khi biết số mol của “các chất đã cho trước số liệu”. Tuy nhiên, trong BTHH các số liệu cho trước cũng như các đại lượng 9 cần tính toán thường không phải là số mol mà là các đại lượng khác như khối lượng, thể tích, nồng độ… của chất và mục đích của bài toán hóa học cũng không phải là xác định số mol của “các chất cần tính toán” mà là xác định khối lượng, thể tích, nồng độ, …của các chất đó.Như vậy để giải các bài toán hóa học, ngoài quan hệ giữa số mol của các chất phản ứng, còn cần phải dựa vào một số công thức chuyển đổi khối lượng, thể tích, nồng độ, v.v… của chất ra số mol chất và ngược lại. 1.2.1. Những công thức cần thiết khi giải bài toán hóa họ.c Muốn chuyển đổi các đại lượng như nồng độ, thể tích, khối lượng của chất ra số mol chất ta sử dụng 4 công thức chính: STT Công thức Số mol chất 1 n m = M.n 2 n V0 = n.22,4 3 4 CM  C%  nct V (l ) m M V0 22,4 nct = V.CM mct mct .100%  .100% mdd Vdd .d n C %.mdd C %.V .d  100%.M 100%.M Ở đây công thức (1) biểu thị quan hệ giữa khối lượng (m), khối lượng mol (M) và số mol (n) của chất. Công thức (2) biểu thị quan hệ giữa thể tích khí ở điều kiện tiêu chuẩn (V0) với số mol khí (n). Công thức (3) biểu thị quan hệ giữa nồng độ mol (C M), số mol chất tan (nct) và thể tích dung dịch (V). 10 Công thức (4) biểu thị quan hệ giữa nồng độ phần trăm (C%), khối lượng chất tan (mct) và khối lượng hay thể tích dung dịch (mdd, Vdd). Chú ý: Trong công thức (3), V tính bằng lít còn trong công thức (4), V tính bằng ml, d tính bằng g/ml. Áp dụng công thức trên cho trường hợp hỗn hợp các chất, ví dụ hỗn hợp gồm 2 chất có khối lượng là m1, m2 có khối lượng mol là M1, M2 và số mol là n1, n2 ta có: mhh  n1.M 1  n 2.M 2 Mhh  mhh n1.M 1  n 2.M 2  nhh n1  n 2 1.2.2. Quan hệ giữa số mol của các chất phản ứng Xét phản ứng: aA + bB → cC + dD Gọi số mol các chất A, B, C, D tham gia và hình thành sau phản ứng là n A , n B , nC , n D . Ta có nA nB nC nD    a b c d Từ hệ thức này, ta có thể tính số mol của một chất bất kì theo số mol của chất còn lại trong phản ứng: a a a nA  nB  nC  nD b c d nD  d d d nA  nB  nC a b c Ví dụ 1: Xét phương trình: 2Al + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2 nAl = 1 2 nHCl = nAlCl3 = nH 2 . v. v… 3 3 Ví dụ 2: Xét dãy phản ứng: Fe + 2HCl → FeCl2 + H2 (1) FeCl2 + 2NaOH → Fe(OH)2 + 2NaCl (2) 4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3 (3) 11 2Fe(OH)3 → Fe2O3 + 3H2O (4) Giả sử cần thiết lập quan hệ giữa nFe và nFe2O3 Ta thấy: nFe = nFeCl2 , nFeCl2 = nFe (OH )2 , nFe (OH )2 = nFe (OH )3 , nFe (OH )3 = 1 nFe O . 2 23 Suy ra : nFe = 1 nFe O 2 23 Ví dụ 3: Cho hỗn hợp 3 kim loại Na, Fe, Al hoà tan hoàn toàn trong dung dịch H2SO4 loãng thu được 1 chất khí và dung dịch D. Thêm dung dịch NaOH vào dung dịch D cho tới dư, lọc lấy kết tủa, đem nung trong không khí đến khối lượng không đổi, thu được một chất rắn. Thiết lập quan hệ giữa khối lượng hỗn hợp, số mol chất khí và số mol chất rắn với số mol các kim loại trong hỗn hợp ban đầu Lời giải: 2Na + H2SO4   Na2SO4 + H2. (1)  Al2(SO4)3 +3 H2. 2Al +3 H2SO4  (2) Fe + H2SO4   FeSO4 + H2 (3) Al2(SO4)3+ 6NaOH`   3Na2SO4 + 2Al(OH)3 (4) Al(OH)3 + NaOH   NaAlO2 + 2H2O (5)  Na2SO4 + Fe(OH)2 FeSO4 + 2 NaOH  (6)  4Fe(OH)3 4 Fe(OH)2 + O2 + 2H2O  (7) 0 t  Fe2O3 + 3 H2O 2Fe(OH)3  (8) Khí sinh ra là H2, chất rắn thu được là Fe2O3. Đặt số mol của Na. Al, Fe trong hỗn hợp đầu lần lượt là x, y, z mol. Ta có: mhỗn hợp = 23x + 27y + 56z (a) 1 3 Theo (1), (2), (3): n H  x  y  z (b) 2 2 2 1 Theo (8), (7), (6) và (3) : n Fe O  z (c) 2 2 3 12 Các phương trình (a), (b), (c) biểu thị các quan hệ cần tìm. Qua các ví dụ trên, nhận thấy khi đã viết và cân bằng được các phương trình phản ứng thì dễ dàng thiết lập được quan hệ giữa số mol của các chất phản ứng. Dựa vào các quan hệ này và các công thức đã nêu ở trên có thể giải quyết được các BTHH . 1.2.3. Phương pháp chung giải toán hóa học Các BTHH có thể chia thành 2 loại là bài toán hỗn hợp và “không hỗn hợp” . - Bài toán “không hỗn hợp” là loại bài toán liên quan đến phản ứng của 1 chất qua một giai đoạn hay 1 dãy biến hóa. (như ví dụ 1, ví dụ 3 ở trên). - Bài toán hỗn hợp là loại bài toán liên quan đến phản ứng của hỗn hợp chất.( như ví dụ 3 ở trên ). 1.2.3.1. Loại bài toán “không hỗn hợp” Phương pháp giải các bài toán loại này là: Lập biểu thức tính đại lượng mà bài toán yêu cầu rồi dựa vào quan hệ giữa số mol của “chất cần tính toán” với số mol của “chất có số liệu cho trước” và dựa vào các công thức để giải. Ví dụ 1: Hòa tan vừa đủ 2,4 gam Mg vào 100 ml dung dịch HCl nồng độ aM. 1. Tính thể tích khí H2 thoát ra ở đktc. 2. Tính nồng độ dung dịch HCl Lời giải: Ptpư: nMg = Mg + 2HCl → MgCl2 + H2↑ 2,4 =0,1 (mol) 24 suy ra: nHCl = 0,2 (mol) ; n H2 = 0,1 (mol). 1. VH 2 = 22,4. nH 2 = 22,4 . 0,1 = 22,4 ( lit). 2.a= nH HCl 0,1 = 0,2 = 2M 0,1 13 Ví dụ 2: Oxi hóa hoàn toàn 11,2l khí NH3 (ở đktc) có xúc tác thu được khí A, oxi hóa khí A thu được khí B màu nâu. Hòa tan toàn bộ khí B vào 146ml H 2O với sự có mặt của oxi tạo thành dung dịch HNO3. 1. Tính nồng độ % của dung dịch axit 2. Tính nồng độ mol của dung dịch HNO3 biết tỉ khối của dung dịch là 1,2 g/ml Lời giải: Ptpư: 4NH3 + 5 O2 → 4NO + 6H2O (1) 2NO + O2 (2) → 2NO2 4NO2 + O2 + 1. C% ddHNO3 = nHNO3 .63 mdd 2H2O → 4HNO3 (3) .100% Theo ptpư (1), (2), (3): nHNO3  nNH3  11, 2  0,5 mol 22, 4 mddHNO3  mNO2  mO2 (3)  mH2O  46.0,5  32. 0,5  146  173g 4 Suy ra :C% ddHNO3 = 2. CM,ddHNO3 = 0,5.63 .100%  18, 2% 173 nHNO3 V Ở đây V= 173 = 0,144 lít. 1,2.100 Suy ra CM,ddHNO3  0,5  3,47M . 0,144 1.2.3.2. Loại bài toán hỗn hợp Phương pháp giải loại bài toán này là: Đặt ẩn số, lập hệ phương trình và giải hệ phương trình để tìm ra các yêu cầu bài toán. 14 - Ẩn số thường là đặt số mol các chất trong hỗn hợp. - Các phương trình được thiết lập bằng cách biểu thị mối quan hệ giữa các số liệu cho trong bài ( sau khi đã đổi ra số mol chất, nếu có thể được ) với các ẩn số. - Giải hệ phương trình để tìm ẩn rồi dựa vào đó suy ra các đòi hỏi khác nhau của bài toán. Ví dụ 3: Cho m gam hỗn hợp gồm Mg và MgO tác dụng vừa đủ với 1 lít dung dịch HCl 1M thu được 3,36 lít khí H2 (đktc) và dung dịch Y. 1. Tính m? 2. Tính CM chất có trong dung dịch Y? Coi thể tích dung dịch không đổi. Lời giải: Ptpư: Mg + 2HCl → MgCl2 + H2↑ (1) MgO + 2HCl → MgCl2 + H2O (2) 1. Đặt số mol Mg và MgO là x , y ta có: nHCl = 2x + 2y = 1. (a) n H2 = x = 0,15 (b) Giải (a) và (b) ta được y = 0,35 Suy ra : m= 24 .0,15 + 40. 0,35 = 17,6 g. 2. Dung dịch Y là dung dịch MgCl2 có nMgCl2 = (x + y) = 0,5 mol. Vậy CMddMgCl2 = 0,5 = 0,5M 1 Ví dụ 4: Nhiệt phân hoàn toàn 18,43 gam hỗn hợp gồm Na 2CO3, K2CO3, BaCO3 và MgCO3 thu được 2,464 lít khí ( đktc) và hỗn hợp rắn A. Hòa tan A bằng một thể tích vừa đủ dung dịch H2SO4 0,1M thu được 1,568 lít khí (đktc) và 2,33 gam một chất kết tủa. 15