Tài liệu Vận dụng các định luật bảo toàn để giải bài toán về hỗn hợp sắt và oxit sắt

PHẦN THỨ NHẤT: MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Trong các môn học ở trường phổ thông, môn Hóa học giữ một vai trò khá quan trọng. Hóa học là một môn khoa học tự nhiên, nó nghiên cứu về chất và sự biến đổi chất này thành chất khác. Với 7 năm giảng dạy bộ môn Hoá học trong trường phổ thông, tôi đã được tham gia giảng dạy các khối lớp 10, 11, 12, được tham gia ôn luyện đội tuyển thi học sinh giỏi và luyện thi Đại học, Cao đẳng. Trong quá trình tìm tòi, nghiên cứu nhiều dạng bài toán hoá học khác nhau về các loại chất khác nhau vô cơ cũng như hữu cơ, tôi nhận thấy rằng bài tập hỗn hợp gồm sắt và oxit sắt là một trong những dạng bài tập mà học sinh hay gặp trong các kỳ thi mà đặc biệt là kì thi Đại học, Cao đẳng, do sắt là một kim loại phổ biến có thể tạo ra nhiều hợp chất ứng với nhiều mức oxi hoá khác nhau. Thông thường những bài tập về sắt và các oxit thường khá phức tạp và xảy ra theo nhiều phương trình phản ứng khác nhau. Vậy phương pháp nào để giải quyết bài toán khoa học nhất, hiệu quả nhất và nhanh nhất. Đó là lý do để tôi viết đề tài “ Vận dụng các định luật bảo toàn để giải bài toán về hỗn hợp sắt và oxit sắt” nhằm giúp học sinh giải quyết tốt các bài toán về hỗn hợp sắt và oxit sắt một cách nhanh chóng đồng thời chia sẻ kinh nghiệm về phương pháp giải bài tập với các đồng nghiệp. 2. Mục đích nghiên cứu Vận dụng các định luật bảo toàn khối lượng, định luật bảo toàn nguyên tố, định luật bảo toàn electron để tìm ra phương pháp giải tối ưu nhất, nhanh nhất (không cần phải viết phương trình hóa học) dạng bài toán về sắt và oxit sắt thường gặp trong các đề thi tuyển sinh đại học, cao đẳng. Đề xuất những ý tưởng để giải nhanh bài toán về sắt và oxit sắt góp phần nâng cao chất lượng giảng dạy bộ môn ở trường phổ thông và là hành trang vững chắc để các em chuẩn bị bước vào kì thi tuyển sinh đại học, cao đẳng. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng là học sinh các lớp 12A1, 12A2 Trường THPT số 1 Bảo Yên – huyện Bảo Yên – tỉnh Lào Cai. 1 Với khuôn khổ thời gian nghiên cứu có hạn nên trong đề tài này tôi chỉ nghiên cứu phương pháp vận dụng các định luật bảo toàn để giải bài bài toán về hỗn hợp sắt và oxit sắt bằng cách quy đổi về hỗn hợp gồm sắt và oxi. 4. Nhiệm vụ nghiên cứu Đưa ra các định luật bảo toàn cần vận dụng, phân tích áp dụng vào các dạng toán và đề ra phương pháp giải. Thử nghiệm trên các lớp: 12A1; 12A2 trường THPT số 1 Bảo Yên. Giáo viên đưa ra các phiếu học tập bằng các dạng bài tập về sắt và oxit sắt. 5. Phương pháp nghiên cứu 5.1 Phương pháp nghiên cứu lí thuyết Đọc các tài liệu làm cơ sở xây dựng lí thuyết của chuyên đề: tài liệu lí luận dạy học (Chủ yếu là phương pháp giải bài tập Hóa học THPT); sách giáo khoa, sách bài tập hóa học 12; phương pháp giải bài tập hóa vô cơ; 16 phương pháp và kĩ thuật giải nhanh bài tập trắc nghiệm môn Hóa học; một số đề thi học sinh giỏi, đề thi đại học, cao đẳng... 5.2. Phương pháp sư phạm a. Phương pháp chuyên gia Vận dụng phương pháp bài tập để hướng dẫn học sinh giải quyết bài toán. Xin ý kiến nhận xét, đánh giá của các giáo viên có kinh nghiệm, giáo viên giỏi về nội dung sáng kiến. b. Tìm hiểu chất lượng học sinh ở những lớp mình điều tra c. Chọn lớp thử nghiệm và đối chứng kết quả 6. Thời gian nghiên cứu Từ tháng 8 năm 2011 đến tháng 4 năm 2012. 2 PHẨN THỨ HAI: NỘI DUNG Chương I: TỔNG QUAN 1. Các định luật cần vận dụng 1.1. Định luật bảo toàn khối lượng Nội dung định luật: Khối lượng các chất tham gia phản ứng bằng khối lượng các chất được tạo thành sau phản ứng. Trong đó chúng ta cần vận dụng các hệ quả Hệ quả 1: Gọi mT là tổng khối lượng các chất trước phản ứng, m S là khối lượng các chất sau phản ứng. Dù phản ứng xảy ra với hiệu suất bất kỳ ta đều có: m T = mS. Hệ quả 2: Khi cation kim loại kết hợp với anion phi kim để tạo ra các hợp chất ta luôn có: Khối lượng chất = khối lượng của cation+khối lượng anion. Khối lượng của cation hoặc anion ta coi như bằng khối lượng của nguyên tử cấu tạo thành. 1.2. Định luật bảo toàn nguyên tố Nội dung định luật: Tổng khối lượng một nguyên tố trước phản ứng bằng tổng khối lượng của nguyên tố đó sau phản ứng. Nội dung định luật có thể hiểu là tổng số mol của một nguyên tố được bảo toàn trong 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 đi bằng số mol electron mà chất oxi hóa nhận về. Khi vận dụng định luật bảo toàn electron vào dạng toán này cần lưu ý: Trong phản ứng hoặc một hệ phản ứng chỉ cần quan tâm đến trạng thái đầu và trạng thái cuối mà không cần quan tâm đến trạng thái trung gian. Nếu có nhiều chất oxi hóa và chất khử thì số mol electron trao đổi là tổng số mol của tất cả chất nhường hoặc nhận electron. 2. Tổng quan về bài tập hỗn hợp sắt và oxit Bài tập Fe và hỗn hợp oxit sắt thường có dạng cho khối lượng và cho phản ứng với một chất oxi hóa như H2SO4 đặc nóng hoặc HNO3 hoặc thậm chí là axit thường như HCl. 3 Giải quyết vấn đề: Với giả thiết là cho m gam hỗn hợp gồm Fe và các oxit FeO, Fe3O4, Fe2O3 tác dụng với HNO3 thu được khí NO2. Ta xem như đây là quá trình oxi hoá liên tiếp Fe bằng 2 chất oxi hoá là O và HNO3.. Chất nhường electron: Fe , tạo sản phẩm là Fe3+ . Chất nhận electron: O và HNO3 , tạo sản phẩm là oxit và 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 e � O 2 yO  22y y Fe � Fe3  3e x 3x 4 N 5  1e � N O2 V 22, 4 Tổng electron nhường: 3x mol V 22, 4 Tổng electron nhận: Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: 3x = 2y + V 2y + 22, 4 V (2) 22, 4 56 x  16 y  m � V � 3x  2 y  � 22, 4 � Từ (1) và (2) ta có hệ � Việc giải hệ này khi một khi biết được 2 trong số 4 yếu tố sẽ giải quyết được yêu cầu của bài toán. Hoặc ta cũng có thể sử dụng phương trình 1 ẩn số để lập theo nguyên tắc trên là: Số mol e ( Fe cho) = Số mol e ( O nhận) + Số mol e ( NO3- nhận) 3. nFe = 2. nO + nNO2 Chương II. THỰC TRẠNG CỦA ĐỀ TÀI 1. Thuận lợi Năm học 2011 – 2012 với sự đạo của ngành giáo dục nhằm thực hiện tốt chủ đề của năm học: “Tiếp tục đổi mới và nâng cao chất lượng giáo dục”. Tiếp tục thực hiện các cuộc vận động: “Học tập và làm theo tấm gương đạo đức Hồ Chí Minh”; cuộc vận động “Mỗi thầy cô giáo là tấm gương đạo đức, tự học và sáng tạo”; Phong trào thi đua “Xây dựng trường học thân thiện, học sinh tích cực” đã tạo tiền đề và khí thế mạnh mẽ ngay từ đầu năm học. 4 Đội ngũ cán bộ giáo viên nhà trường và tổ bộ môn đảm bảo về số lượng và chất lượng, đáp ứng yêu cầu của cấp học. Giáo viên trong nhà trường luôn có trách nhiệm cao, say mê với nghề nghiệp và hết lòng yêu thương học sinh. Ngay từ đầu năm học, ban giám hiệu và tổ bộ môn đã có triển khai các kế hoạch, chỉ thị năm học; kiểm tra khảo sát theo bộ môn để phân loại đối tượng học sinh, từ đó có biện pháp phụ đạo học sinh yếu kém, bồi dưỡng học sinh khá giỏi. Học sinh trung học phổ thông sau khi được học chương “phản ứng oxi hoá khử ” ở lớp 10, và phần “ axit HNO 3” ở lớp 11, đã bắt đầu làm quen với nhiều dạng bài toán phức tạp, trong đó có bài toán về hỗn hợp sắt và các oxit sắt phản ứng với các chất có tính oxi hoá mạnh (như HNO 3, H2SO4 đặc nóng...) hoặc cả với những axit mạnh thông thường (như HCl, H2SO4 loãng...). Có nhiều học sinh khá, giỏi đã có kĩ năng giải bài tập này theo phương pháp thông thường (đặt ẩn, lập hệ phương trình). 2. Khó khăn Đối tượng học sinh của trường THPT số 1 Bảo Yên phần đông là học sinh ở vùng nông thôn, vùng sâu, vùng xa thuộc huyện Bảo Yên – tỉnh Lào Cai nên không có nhiều điều kiện cả về kinh tế và thời gian cho việc học tập. Rất nhiều học sinh lớp 12 vẫn chưa hiểu được bản chất của các phản ứng của hỗn hợp sắt và oxit sắt với các chất có tính oxi hóa mạnh như axit nit quá trình oxi nitrric (hoặc axit sunfuric đặc, nóng) là quá trình oxi hoá liên tiếp Fe bằng 2 chất oxi hoá là O và HNO3 (hoặc axit sunfuric đặc, nóng). Chưa biết cách áp dụng các định luật bảo toàn vào giải toán, đặc biệt là bảo toàn electron trong phản ứng oxi hoá khử. Mỗi dạng bài tập có nhiều phương pháp làm, nhưng có 1 phương pháp hiệu quả nhất để giải quyết mà học sinh chưa tìm ra được. Thói quen của học sinh về giải toán hoá bao giờ cũng là viết phương trình hoá học, đặt ẩn, lập hệ phương trình. Phương pháp này chỉ phù hợp với những bài toán đơn giản, khi số ẩn và số phương trình đại số lập được bằng nhau. Mặt khác, với một câu hỏi trắc nghiệm khách quan trong đề thi Đại học với thời gian trung bình 1,8 phút/1 câu hỏi thì việc giải nhanh bài toán này là vấn đề khá nan giải. 5 Chương III: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 1. Phương pháp giải một số dạng bài tập điển hình 1.1. Dạng đốt cháy Sắt trong không khí rồi cho sản phẩm phản ứng với chất oxi hóa: Đây là dạng bài toán kinh điển về bài tập sắt và hỗn hợp sắt và oxit sắt. Ví dụ 1: Nung nóng 12,6 gam Fe ngoài không khí sau một thời gian thu được m gam hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe2O3 và Fe3O4. Hỗn hợp này phản ứng hết với dung dịch HNO3 loãng (dư), thu được 2,8 lít khí NO (sản phẩm khử duy nhất, ở đktc). Tính giá trị của m? Phân tích đề: Sơ đồ phản ứng [O] [HNO3] Fe hh X Fe3+ Fe bị oxi hoá thành Fe3+ bằng 2 chất oxi hoá là O và HNO3. Như vậy: + Khối lượng oxit sẽ là tổng của khối lượng sắt và oxi. + Trong cả quá trình: chất nhường e là Fe, chất nhận là O và HNO3. Giải quyết vấn đề: Ta có nNO = 0,125 mol, nFe = 0,225 mol Gọi số mol oxi trong oxit là x ta có: Chất khử Fe 0,225 Chất oxi hóa 3 e + Fe3+ O 0,675 x + 2e O2- 2x NO3- + 3e 0,375 Tổng e (electron) nhường: 0,675 mol NO 0,125 Tổng e (electron) nhận: 2x + 0,375 (mol) Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: 0,675 = 2x + 0,375 �� � x = 0,15 Mặt khác ta có: m  mFe  mO nên: 2 m = 12,6 + 0,15x16 = 15 (gam). Ví dụ 2: Nung nóng m gam bột sắt ngoài không khí, sau phản ứng thu được 20 gam hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe2O3 và Fe3O4. Hòa tan hết X trong dung dịch HNO3 loãng thu được 5,6 lít hỗn hợp khí Y gồm NO và NO 2 có tỉ khối so với H2 là 19. Tính m và thể tích HNO3 1M đã dùng? Phân tích đề: Sơ đồ phản ứng: � NO2 � FeO , Fe O � � 3 4 O2 ( kk ) HNO3 Fe ��� �� ��� �� NO � Fe O v à Fe du � 2 3 � Fe( NO3 )3 � 6 + Hỗn hợp X gồm Fe và O trong oxit. + Xét cả quá trình ta thấy chỉ có Fe nhường e, Chất nhận e là Oxi và HNO3 . + HNO3 nhận e để cho NO và NO2. + Số mol HNO3 ban đầu bằng số mol HNO3 trong muối và chuyển về các khí. Giải quyết vấn đề: Theo đề ra ta có: nNO  nNO  0,125mol 2 Gọi số mol Fe và O tương ứng trong X là x và y ta có: 56x + 16y = 20 (1). Quá trình nhường và nhận e: Chất khử Chất oxi hóa 2e � yO yO  2y Fe � Fe3  3e x 2 4 N 5  1e � N O2 3x 0,125 0,125 5 2 N  3e � N O 0,125 x3 Tổng electron nhường: 3x mol 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) 56 x  16 y  20 Từ (1) và (2) ta có hệ � � 3 x  2 y  0,5 � Giải hệ trên ta có x = 0,3 và y = 0,2 . Như vậy nFe = 0,3 mol vậy m = 16,8 gam. Theo định luật bảo toàn nguyên tố ta có: muôi Khí nHNO3  nNO  nNO  3nFe  nNO  nNO2 3 3 nên nHNO  0,3x3  0,125  0,125  1,15 mol. 3 Vậy VHNO  3 1,15  1,15(lít) 1 Ta cũng có thể dùng phương trình ion – electron để tìm số mol H + chính là số mol HNO3 phản ứng: NO3- + e + 2H+  NO2 + H2O NO3- + 3e + 4H+  NO + 2H2O nH+ = 2nNO2 + 4nNO 7 1.2. Dạng hỗn hợp sắt và các oxit phản ứng với chất oxi hóa mạnh Ví dụ 3: Cho 11,36 gam hỗn hợp gồm Fe, FeO, Fe 2O3 và Fe3O4 phản ứng hết với dung dịch HNO3 loãng (dư), thu được 1,344 lít khí NO (sản phẩm khử duy nhất, ở đktc) và dung dịch X. Cô cạn dung dịch X thu được m gam muối khan. Tính m ? Phân tích đề: Ta coi như trong hỗn hợp X ban đầu gồm Fe và O. Như vậy xét cả quá trình chất nhường e là Fe chất nhận e là O và NO3 . Nếu chúng ta biết được số tổng số mol Fe trong X thì sẽ biết được số mol muối Fe(NO 3)3 trong dung dịch sau phản ứng. Do đó chúng ta sẽ giải bài toán này như sau: Giải quyết vấn đề: Số mol NO = 0,06 mol. Gọi số mol Fe và O tương ứng trong X là x và y ta có: 56x + 16y = 11,36 (1). Quá trình nhường và nhận e: Chất khử Chất oxi hóa 2e �yO yO  2y Fe � Fe3  3e x 3x 2 2 N 5  3e � N O 0,18 Tổng electron nhường: 3x (mol) 0,06 Tổng electron nhận: 2y + 0,18 (mol) Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: 3x = 2y + 0,18 (2) 56 x  16 y  11,36 Từ (1) và (2) ta có hệ � � 3 x  2 y  0,18 � Giải hệ trên ta có x = 0,16 và y = 0,15 Như vậy nFe  nFe ( NO )  0,16 mol vậy m = 38,72 gam. 3 3 Với bài toán này ta cũng có thể quy về bài toán kinh điển: Đốt m gam sắt sau phản ứng sinh ra 11,36 gam hỗn hợp gồm Fe, FeO, Fe 2O3 và Fe3O4. Hỗn hợp này phản ứng hết với dung dịch HNO3 loãng (dư), thu được 1,344 lít khí NO (sản phẩm khử duy nhất, ở đktc). Chúng ta sẽ tính m rồi từ suy ra số mol Fe và từ đó tính số mol của sắt. Phát triển bài toán: Trường hợp 1: Cho nhiều sản phẩm khử như NO2, NO ta có vẫn đặt hệ bình thường tuy nhiên chất nhận e bây giờ là HNO3 thì cho 2 sản phẩm. 8 Trường hợp 2: Nếu đề ra yêu cầu tính thể tích hoặc khối lượng của HNO 3 thì ta tính số mol dựa vào bảo toàn nguyên tố N khi đó ta sẽ có: muôi Khí nHNO3  nNO  n  3nFe  nNO (nNO2 ) NO 3 3 Hoặc theo phương trình ion- electron như sau: NO3- + 3e + 4H+  NO + 2H2O Từ đó có: số mol HNO3 phản ứng = số mol H+ = 4 x số mol NO Trường hợp 3: Có thể áp dụng cách giải trên cho hỗn hợp oxit các kim loại khác ngoài sắt. Ví dụ 4: Cho a g hỗn hợp gồm CuO; Fe2O3; FeO có số mol bằng nhau nung nóng với H2 thu được 6,4 g hỗn hợp D gồm 2 kim loại và 4 oxit. Hoà tan hoàn toàn D trong dd HNO3 loãng dư thu được 0,672 lit khí NO (đktc) là sản phẩm khử duy nhất. Tính a? Giải quyết vấn đề: Gọi số mol mỗi oxit CuO, Fe2O3, FeO trong a gam hỗn hợp đầu là 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 0,03 Lập được hệ phương trình: 11x = 2y + 0,09 64x + 56. 3x + 16y = 6,4 Giải ra được: x = 0,2225. Vậy a = 6,942 1.3. Dạng khử không hoàn toàn Fe2O3 sau cho sản phẩm phản ứng với chất oxi hóa mạnh là HNO3 hoặc H2SO4 đặc nóng: Ví dụ 5: Cho một luồng khí CO đi qua ống sứ đựng m gam Fe 2O3 nung nóng. Sau một thời gian thu được 10,44 gam chất rắn X gồm Fe, FeO, Fe 2O3 và Fe3O4. Hòa tan hết X trong dung dịch HNO3 đặc, nóng thu được 4,368 lít NO 2 (sản phẩm khử duy nhất ở đktc). Tính m ? 9 Phân tích đề: Sơ đồ phản ứng �FeO, Fe3O4 HNO3dn �NO2 � CO Fe2O3 �� ���� �� o �� t Fe O , Fe � 2 3 �Fe( NO2 )3 Trong trường hợp này xét quá trình đầu và cuối ta thấy chất nhường e là CO, chất nhận e là HNO3. Nhưng nếu biết tổng số mol Fe trong oxit ta sẽ biết được số mol Fe2O3. Bởi vậy ta dùng chính dữ kiện bài toán hòa tan X trong HNO 3 đề tính tổng số mol Fe. Giải quyết vấn đề: Theo đề ra ta có: nNO  0,195mol 2 Gọi số mol Fe và O tương ứng trong X là x và y ta có: 56x + 16y = 10,44 (1). Quá trình nhường và nhận e: Chất khử Chất oxi hóa 2e �yO yO  2y Fe � Fe3  3e x 3x 2 4 N 5  1e � N O2 0,195 0,195 Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: 3x = 2y + 0,195 (2) 56 x  16 y  10, 44 Từ (1) và (2) ta cú hệ � � 3 x  2 y  0,195 � Giải hệ trên ta có x = 0,15 và y = 0,1275 Như vậy nFe = 0,15 mol nên nFe O  0, 075mol �� � m = 12 gam. 2 3 Nhận xét: Với bài toán trên, ta cũng có thể giải theo cách tính số mol O bị CO lấy theo 4 O 2 � � CO2 và N 5  1e � N O phương trình: CO  � � � 2e �� 2 Sau đó dựa vào định luật bảo toàn khối lượng ta có: m = 10,44 + mO. Phát triển bài toán: Nếu là dạng khử không hoàn toàn một oxit sắt khác (như Fe 3O4 hoặc FeO) thì không thể áp dụng phương pháp trên được, mà dùng phương pháp quy về bài toán kinh điển: oxi hoá 1 lượng đơn chất Fe ban đầu bằng 2 chất oxi hoá là O và HNO 3 hoặc H2SO4 đặc nóng để giải bài toán này. 10 1.4. Dạng hỗn hợp oxit sắt phản ứng với axit thường: H + (HCl, H2SO4 loãng...) Tổng quan: Đây không phải là phản ứng oxi hóa khử mà chỉ là phản ứng trao đổi.  O 2 � Trong phản ứng này ta coi đó là phản ứng của: 2H  � � �� H 2O và tạo ra các muối Fe2+ và Fe3+ trong dung dịch. Như vậy nếu biết số mol H + ta có thể biết được khối lượng của oxi trong hỗn hợp oxit và từ đó có thể tính được tổng số mol sắt trong hỗn hợp ban đầu. Ví dụ 6: Cho 7,68 gam hỗn hợp gồm FeO, Fe3O4, Fe2O3 tác dụng vừa hết với 260 ml HCl 1M thu được dung dịch X. Cho X phản ứng với dung dịch NaOH dư thu được kết tủa Y. Nung Y ngoài không khí đến khối lượng không đổi thu được đến khối lượng không đổi được m(g) chất rắn. Tính m �FeO �FeCl2 NaOH � � �Fe(OH ) 2 � nungtrongkk HCl �� ��� �� ����� Fe2O3 Phân tích đề: Sơ đồ �Fe2O3 ��� FeCl Fe ( OH ) � � 3 � �Fe O 3 � 3 4 + Ta coi H+ của axit chỉ phản ứng với O2- của oxit + Toàn bộ Fe trong oxit chuyển về Fe2O3 + Từ số mol H+ ta có thể tính được số mol O trong oxit từ đó có thể tính được lượng Fe có trong oxit. + Nung các kết tủa ngoài không khí đều thu được Fe2O3 Giải quyết vấn đề: Ta có nH  nHCl  0, 26mol   2O 2 � Theo phương trình: 2H  � � �� H 2O trong O là oxi trong hỗn hợp oxit 0,26 0,13 nO2  0,13mol mà theo định luật bảo toàn khối lượng ta có: mFe + mO =7,68 Nên mFe = 7.68 – 0,13x16 =5,6(gam) � nFe = 0,1 mol � Fe2O3 Ta lại có 2Fe �� 0,1 0,05 Vậy m = 0,05x160 = 8 gam. 11 Nhận xét: Ngoài cách giải trên ta cũng có thể quy hỗn hợp về chỉ còn FeO và Fe 2O3 vì Fe3O4 coi như là hỗn hợp của FeO.Fe2O3 với số mol như nhau. 1.5. Dạng sắt và hỗn hợp oxit sắt phản ứng với axit thường: H + (HCl, H2SO4 loãng...) Tổng quan: Dạng này cơ bản giống dạng thứ 4 tuy nhiên sản phẩm phản ứng ngoài H2O còn có H2 do Fe phản ứng. Như vậy liên quan đến H + sẽ có những phản ứng 2 H   2e �� � H2 � sau: 2H   � O 2 � � H 2O � ��� Như vậy chúng ta có thể dựa vào tổng số mol H+ và số mol H2 để tìm số mol của O2từ đó tính được tổng số mol của Fe. Ví dụ 7: Cho 20 gam hỗn hợp gồm Fe, FeO, Fe 3O4, Fe2O3 tác dụng vừa hết với 700 ml HCl 1M thu được dung dịch X và 3,36 lít khí H 2 (đktc). Cho X phản ứng với dung dịch NaOH dư thu được kết tủa Y. Nung Y ngoài không khí đến khối lượng không đổi thu được được m(g) chất rắn. Tính giá trị của m? �Fe �H 2 � �FeO � � � �Fe(OH ) 2 � nungtrongkk HCl NaOH � �FeCl2 ��� �� ����� Fe2O3 Phân tích đề: Sơ đồ �Fe O ��� � 2 3 �FeCl �Fe(OH )3 � 3 � � �Fe3O4 + Ta coi H+ của axit vừa nhận electron để thành H2 và phản ứng với O2- của oxit + Toàn bộ Fe trong oxit cuối cùng chuyển về Fe2O3 + Từ tổng số mol H + và số mol H2 ta có thể tính được số mol O trong oxit từ đó tính được lượng Fe có trong oxit. Giải quyết vấn đề: Ta có nH  nHCl  0, 7 mol , nH  0,15mol  2 Ta có phương trình phản ứng theo H+: 2 H   2e �� � H 2 �(1) 2H   � O 2 � � H 2O (2) � ��� Từ (1) ta có nH  0,3mol (với số mol H2=0,15mol) như vậy số mol H+ phản ứng theo  phản ứng (2) là 0,4 mol( tổng 0,7 mol). Vậy số mol O2- là: 0,2 mol Theo định luật bảo toàn khối lượng ta có: mFe + mO =7,68 Nên mFe = 20 – 0,2x16 =16,8 (gam) � nFe = 0,3 mol 12 Ta lại có � Fe2O3. Vậy m = 160 x 0,03/2 = 24 gam. 2Fe �� 1.6. Dạng chuyển đổi hỗn hợp tương đương Tổng quan: Trong số oxit sắt thì ta coi Fe 3O4 là hỗn hợp của FeO và Fe 2O3 có số mol bằng nhau. Như vậy có thể có hai dạng chuyển đổi. Khi đề ra cho số mol FeO và Fe2O3 có số mol bằng nhau thì ta coi như trong hỗn hợp chỉ là Fe 3O4. còn nếu không có dữ kiện đó thì ta coi hỗn hợp là FeO và Fe 2O3. Như vậy hỗn hợp từ 3 chất ta có thể chuyển thành hỗn hợp 2 chất hoặc 1 chất tương đương. Ví dụ 8: Hỗn hợp A gồm FeO, Fe 2O3, Fe3O4 (trong đó số mol FeO bằng số mol Fe2O3). Hòa tan 4,64 gam trong dung dịch H2SO4 loãng dư được 200 ml dung dịch X. Tính thể tích dung dịch KMnO4 0,1M cần thiết để phản ứng hết 100 ml dung dịch X? Phân tích đề: Theo để ra số mol FeO bằng số mol của Fe2O3 nên ta coi như hỗn hợp chỉ có Fe3O4. Sau khi phản ứng với H2SO4 sẽ thu được 2 muối là FeSO4 và Fe2(SO4)3. Dung dịch KMnO4 tác dụng với FeSO4 trong H2SO4 dư. Như vậy từ số số mol của Fe3O4 ta có thể tính được số mol của FeSO 4 từ đó tính số mol KMnO4 theo phương trình phản ứng hoặc phương pháp bảo toàn electron. Giải quyết vấn đề : Vì số mol của FeO bằng số mol của Fe2O3 nên ta coi hỗn hợp Ta có Ptpư: nFe3O4  4, 64  0, 02mol 232 � FeSO4 + Fe2(SO4)3 + 4H2O Fe3O4 + 4H2SO4 �� 0,02 0,02 Trong 100 ml X sẽ có 0,01 mol FeSO4 nên: � 5Fe2(SO4)3 + K2SO4+2MnSO4+8H2O 10FeSO4 + 2KMnO4 +8H2SO4 �� 0,01 0,002 Như vậy ta có VKMnO4  0, 002  0, 02(lit ) 0,1 hay 20 ml. Ví dụ 9: Cho m gam hỗn hợp oxit sắt gồm FeO, Fe3O4 và Fe2O3 tan vừa hết trong dung dịch H2SO4 tạo thành dung dịch X. Cô cạn dung dịch X thu được 70,4 gam 13 muối, mặt khác cho Clo dư đi qua X rồi cô cạn thì thu được 77,5 gam muối. Tính giá trị của m? Phân tích đề: Cho oxit tác dụng với H2SO4 ta sẽ thu được 2 muối FeSO 4 và Fe2(SO4)3. Do đó ta có thể coi hỗn hợp ban đầu chỉ gồm hai oxit FeO và Fe 2O3. Ta thấy khối lượng muối tăng lên đó là do phản ứng: 2Fe2+ + Cl2 �� � 2Fe3+ + 2Cl- Như vậy khối lượng tăng lên đó là khối lượng của Clo. Vậy từ khối lượng của Clo ta có thể tính ra số mol của Fe 2+ từ đó tính được số mol FeO, mặt khác ta có tổng khối lượng muối FeSO4 và Fe2(SO4)3 mà biết được FeSO4 vậy từ đây ta tính được Fe2(SO4)3 và như vậy biết được số mol của Fe2O3. Giải quyết vấn đề: Coi hỗn hợp gồm FeO và Fe2O3 ta có phương trình phản ứng: FeO + H2SO4 �� � FeSO4 + H2O � Fe2(SO4)3 + 3H2O Fe2O3 + 3H2SO4 �� Khối lượng tăng lên đó chính là khối lượng của Cl - có trong muối theo phương trình: 2Fe2+ + Vậy nCl   Cl2 �� � 2Fe3+ + 2Cl- 77,5  70, 4  0, 2mol . Như vậy số nFe2  nFeSO4  nFeO  0, 2mol 35,5 70, 4  0, 2 x152  0,1mol Mà mFeSO  mFe ( SO )  70, 4 vậy nFe ( SO )  4 2 4 3 2 400 4 3 Nên nFe ( SO )  nFe O  0,1mol 2 4 3 2 3 Do đó m  mFeO  mFe O  0, 2 x 72  0,1x160  30, 4( gam) Vậy m = 30,4 gam 2 3 1.7. Một số bài tập vận dụng Bài 1: Để m gam sắt ngoài không khí một thời gian được hỗn hợp rắn gồm Fe, FeO, Fe2O3, và Fe3O4 có tổng khối lượng là 30g. Cho hỗn hợp này tan trong HNO 3 dư được 5,6 lít NO duy nhất (đktc). Tính m? (Đáp án: 25,2 gam) Bài 2: Hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe2O3. Cho một luồng khí CO đi qua ống sứ đựng m gam hỗn hợp X đun nóng. Sau khi kết thúc thí nghiệm thu được 64g chất rắn và 11,2 lít khí B (đktc) có tỉ khối so với H2 là 20,4. Tính m ? 14 (Đáp án:70,4 gam) Bài 3: Để khử hoàn toàn 3,04 gam hỗn hợp Y (gồm FeO, Fe 3O4, Fe2O3) thì cần 0,05 mol H2. Nếu hoà tan hoàn toàn 3,04 gam hỗn hợp Y trong dung dịch H 2SO4 đặc thì thu được khí SO2 (sản phẩm khử duy nhất). Tính thể tích khí SO2 (đktc)? (Đáp án: 0,224 lít) Bài 4: Đốt cháy m gam sắt ngoài không khí sau một thời gian thu được 5,04 gam hỗn hợp X gồm sắt và các oxit sắt. Hòa tan hỗn hợp X trong HNO 3 loãng dư thu được 0,784 lít khí (đktc) gồm NO và NO2 có tỉ khối so với H2 là 19. Tính m? (Đáp án: 3,92 gam) Bài 5: Đốt cháy 16,8 gam bột sắt ngoài không khí, sau một thời gian thu được hỗn hợp X gồm sắt và các oxit. Cho hòa tan hết X trong dung dịch H 2SO4 đặc nóng thu được 5,6 lít khí SO2 (sản phẩm khử duy nhất ở đktc). 1. Tính m? 2. Nếu thay H2SO4 bằng HNO3 đặc nóng thì thể tích NO2 (đktc) là bao nhiêu? (Đáp án: 1. 20 gam; 2. 11,2 lít) Bài 6: Cho một luồng khí CO đi qua ống sứ đựng m gam Fe 2O3 nung nóng. Sau một thời gian thu được hỗn hợp X nặng 44,64 gam gồm Fe, FeO, Fe 3O4, Fe2O3. Hòa tan X bằng HNO3 loãng dư thu được 3,136 lít khí NO (đktc). Tính m? (Đáp án: 48 g) Bài 7: Cho một luồng khí CO đi qua ống sứ đựng 18,08 gam Fe 2O3 nung nóng. Sau một thời gian thu được hỗn hợp X nặng 13,92 gam gồm Fe, FeO, Fe 3O4, Fe2O3. Hòa tan X bằng HNO3 đặc nóng thu được V lít khí NO2 (đktc). Tính V? (Đáp án: 11,648 lít) Bài 8: Hỗn hợp M có khối lượng 12 gam gồm Fe, FeO, Fe 3O4, Fe2O3. Hoà tan hết M vào H2SO4 đặc, nóng dư thu được 3,36 lít SO2 (đtkc) duy nhất. Cô cạn dung dịch thu được bao nhiêu gam muối khan? (Đáp số: 36 gam) 2. Kết quả và bài học kinh nghiệm 2.1. Kết quả Trong khi giảng dạy bồi dưỡng học sinh giỏi và ôn thi đại học tôi đó có rất nhiều trăn trở khi dạy phần hỗn hợp sắt và hợp chất của sắt. Tôi nhận thấy kể cả đề thi học sinh giỏi và đề thi đại học số lượng câu hỏi về sắt và hợp chất sắt luôn chiếm một tỉ lệ nhất định và đặc biệt là những bài toán kinh điển. Trên thực tế như vậy, tôi đã mạnh dạn đưa các phương pháp giải dạng bài tập này vào và qua giảng dạy tôi 15 thấy học sinh nắm vấn đề tương đối nhẹ nhàng và có hiệu quả rõ rệt không những chỉ ở những học sinh khá giỏi mà một số học sinh trung bình đã tiếp cận và áp dụng được ở một số bài tập. Tôi đã hướng dẫn cách làm này cho nhiều lớp học sinh và thu được kết quả rất đáng mừng. Với kiểu bài này, học sinh khá giỏi chỉ làm trong khoảng từ 1 đến 2 phút/câu tuỳ theo tính chất đơn giản hay phức tạp của đề bài. Trong thời gian thử nghiệm năm học 2011 – 2012 tôi đã thu được những kết quả nhất định, được thể hiện thông qua các 12A1, 12A2 trường THPT số 1 Bảo Yên của trường THPT số 1 Bảo Yên như sau: a) Trước khi thử nghiệm Thời gian trung bình để học sinh làm 1 bài tập dạng hỗn hợp sắt và oxit sắt trên phiếu học tập thu được kết quả thu được như sau: Lớp Sĩ số  5 phút 5-10 phút >10 phút không giải được 12A1 34 0 3 12 19 12A2 36 0 2 11 23 Cộng 70 0 5 23 42 Tỉ lệ (%) 0,0 7,1 32,9 60 Tiến hành làm bài kiểm tra trắc nghiệm trên phiếu học tập bao gồm 10 bài tập trong thời gian 30 phút thu được kết quả như sau: Lớp Sĩ số 12A1 34 12A2 36 Cộng 70 Tỉ lệ (%) b) Sau khi thử nghiệm Giỏi 1 0 0 1,4 Khá 5 3 8 11,4 Trung bình 7 6 13 18,6 Yếu, kém 21 27 48 68,6 Thời gian trung bình để học sinh làm 1 bài tập dạng hỗn hợp sắt và oxit sắt trên phiếu học tập thu được kết quả thu được như sau: Lớp Sĩ số  1 phút 1-2 phút 2-3 phút >3 phút 12 A1 34 11 12 7 4 12 A2 36 10 11 9 6 Cộng 70 21 23 16 10 Tỉ lệ (%) 30,0 32,9 22,8 14,3 Tiến hành làm bài kiểm tra trắc nghiệm trên phiếu học tập bao gồm 10 bài tập trong thời gian 30 phút thu được kết quả như sau: Lớp Sĩ số Giỏi Khá 16 Trung bình Yếu, kém 12A1 12A2 Cộng Tỉ lệ (%) 34 36 70 11 8 19 27,2 12 14 26 37,1 8 9 17 24,3 3 5 8 11,4 Sau khi học sinh nắm được phương pháp trên thì các bài tập về hỗn hợp sắt và oxit sắt không còn là vấn đề trở ngại cho học sinh khi ôn thi đại học và thi học sinh giỏi. Đây là kết quả đáng mừng và chúng ta chắc chắn rằng số học sinh khá giỏi, kể cả học sinh diện trung bình sẽ không bỏ qua dạng bài này khi gặp trong các kỳ thi. 2.2. Bài học kinh nghiệm Trong quá trình thực hiện đề tài này, tôi đã đúc kết ra một số bài học kinh nghiệm như sau: Phát huy tinh thần tự học, tự bồi dưỡng nhằm nâng cao trình độ chuyên môn nghiệp vụ của người thầy. Ban lãnh đạo trường cần có phương án kiểm tra, đánh giá, khích lệ cụ thể. Có ý thức trách nhiệm cao đối với học sinh, đặt việc giảng dạy cho học sinh là tầm quan trọng hàng đầu trong sự nghiệp giáo dục. Người thầy phải biết tạo cho học sinh sự hứng thú, niềm đam mê vào việc học tập bộ môn hoá học. Hay nói cách khác, người thầy phải là người truyền lửa để thắp sáng tâm hồn và trái tim của các thế hệ học sinh Phần quan trọng nhất trong quá trình áp dụng phương pháp này là giúp học sinh định hướng được dạng bài tập, tìm ra bản chất của vấn đề để rút ngắn thời gian giải bài tập. Đó cũng là động lực để tôi hoàn thành đề tài này. PHẦN BA: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Qua nghiên cứu và áp dụng cho đối tượng học sinh lớp 12 trường THPT số 1 Bảo Yên tôi nhận thấy: Dạng bài tập về sắt và oxit sắt có vai trò rất quan trọng trong chương trình hóa học THPT. Thông qua việc giải bài tập hóa học về sắt và oxit sắt, 17 học sinh củng cố và nắm vững được các khái niệm cũng như các tính chất của chất của sắt và các hợp chất của sắt. Căn cứ vào thực trạng học tập của học sinh và công tác bồi dưỡng học sinh giỏi hiện nay, tôi nghĩ rằng người giáo viên cần phải nỗ lực nghiên cứu, tham khảo, trao đổi kinh nghiệm để tìm ra phương pháp tối ưu nhất để giảng dạy hướng dẫn học tập tích cực, rèn luyện óc tư duy sáng tạo và có lòng đam mê yêu thích đối với môn học. Trên đây là những kinh nghiệm mà tôi đã tích luỹ được trong quá trình giảng dạy, bồi dưỡng học sinh giỏi, ôn thi đại học và cao đẳng. Vì thời gian có hạn và kinh nghiệm bản thân chưa nhiều nên chắc chắn đề tài này sẽ có nhiều điều cần bổ sung. Tôi rất mong nhận được các ý kiến đóng góp của các cấp lãnh đạo và bạn bè đồng nghiệp để đề tài này được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn! Bảo Yên, ngày 20 tháng 4 năm 2012 Người viết Phùng Minh Thái TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Xuân Trường (Chủ biên), Phạm Văn Hoan, Từ Vọng Nghi, Đỗ Đình Rãng, Nguyễn Phú Tuấn, Hóa học 12 ban cơ bản – NXB Giáo dục, 2007. 18 2. Nguyễn Xuân Trường (Chủ biên), Từ Ngọc Ánh, Phạm Văn Hoan, Bài tập Hóa học 12 – NXB Giáo dục, 2007. 3. Nguyễn Thanh Khuyến, Phương pháp giải toán Hóa học vô cơ – NXB Giáo dục, 1998. 4. Nguyễn Cương (Chủ biên), Nguyễn Mạnh Dung, Nguyễn Thị Sửu, Phương pháp dạy học Hóa học, NXB Giáo dục, 2001. 5. Trần Thị Đà, Đặng Trần Phách, Cơ sở lí thuyết các phản ứng hóa học – NXB Giáo dục, 2008. 6. Phạm Ngọc Bằng (Chủ biên), Vũ Khắc Ngọc, Hoàng Thị Bắc, Tử Sĩ Chương, Lê Thị Mỹ Trang, Hoàng Thị Hương Giang, Võ Thị Thu Cúc, Lê Phạm Thành, Khiếu Thị Hương Chi, 16 phương pháp và kĩ thuật giải nhanh bài tập trắc nghiệm môn Hóa học – NXB Đại học Sư phạm, 2010. 7. Đề thi tuyển sinh đại học cao đẳng các khối A, B môn Hóa học từ năm 2007 – 2011. 19 MỤC LỤC Nội dung PHẦN THỨ NHẤT: MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài 2. Mục đích nghiên cứu 3. Đối tượng và phạm vi nghiên 4. Nhiệm vụ nghiên cứu 5. Phương pháp nghiên cứu 6. Thời gian nghiên cứu PHẦN THỨ HAI: NỘI DUNG Chương I: TỔNG QUAN 1. Các định luật cần vận dụng 2. Tổng quan về bài tập hỗn hợp sắt và oxit Chương II: THỰC TRẠNG CỦA ĐỀ TÀI 1. Thuận lợi 2. Khó khăn Chương III: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 1. Phương pháp giải một số dạng bài tập điển hình 2. Kết quả và bài học kinh nghiệm PHẦN BA: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO 20 Trang 1 1 1 1 2 2 2 3 3 3 3 4 4 5 6 6 15 18 19