Tiểu luận giải bài toán hóa học bằng phương pháp quy đổi

Chuyên đề: Sử dụng bài tập Hóa học trong dạy học ở trung học phổ thông
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
o0o
LÊ THỊ TÚ ANH
Tiểu luận
BIÊN SOẠN BÀI TOÁN HÓA HỌC CÓ THỂ
GIẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUY
ĐỔI ĐỂ RÈN LUYỆN TƯ DUY
CHO HỌC SINH
Cán bộ hướng dẫn: PGS. TS. Nguyễn Xuân Trường
Chuyên đề: Sử dụng bài tập Hóa học trong dạy học
ở trung học phổ thông
Lớp: Cao học K17 - LL & PPGD Hóa học
Vinh, 3/2011
Học viên: Lê Thị Tú Anh – Chuyên ngành: Lí luận và phương pháp giảng dạy – K17
1
Chuyên đề: Sử dụng bài tập Hóa học trong dạy học ở trung học phổ thông
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 03
NỘI DUNG 04
Đề bài 04
Các phương pháp giải 04
1. Phương pháp đại số 04
2. Phương pháp bảo toàn khối lượng 05
3. Phương pháp bảo toàn electron 06
4. Phương pháp quy đổi 06
KẾT LUẬN 11
TÀI LIỆU THAM KHẢO 12
Học viên: Lê Thị Tú Anh – Chuyên ngành: Lí luận và phương pháp giảng dạy – K17
2

Chuyên đề: Sử dụng bài tập Hóa học trong dạy học ở trung học phổ thông
MỞ ĐẦU
Trong đời sống hằng ngày, chúng ta thường xuyên dùng phép quy đổi
để thuận tiện cho việc thanh toán như: quy giá trị của hàng hóa ra tiền để
trả tiền chứ không trao đổi hàng hóa như thời đại trước kia, đối với những
tài sản giá trị lớn như nhà, đất, … thì quy ra giá trị vàng hoặc đôla để thanh
toán, …
Trong hóa học, có những bài toán hỗn hợp nhiều chất, xảy ra nhiều
phản ứng, phản ứng diễn ra nhiều giai đoạn, phức tạp, đặc biệt là trong đó
có các phản ứng oxi hóa - khử. Ví dụ: hỗn hợp chứa Fe, FeO, Fe
3
O
4
, Fe
2
O
3
;
hỗn hợp chứa Fe, FeS và FeS
2
cùng tác dụng với một chất nào đó; … Đối
với những bài tập tính toán dạng này nếu giải theo cách thông thường sẽ
mất nhiều thời gian, thậm chí không giải được. Vì thế để đơn giản hơn ta sẽ
tiến hành quy đổi. Phương pháp quy đổi là phương pháp đưa bài toán ban
đầu từ một hỗn hợp phức tạp về dạng đơn giản, qua đó làm cho các phép
tính trở nên dễ dàng, thuận tiện để nhanh chóng tìm ra kết quả.
Bài toán dưới đây là một ví dụ điển hình để áp dụng phương pháp quy
đổi.
Học viên: Lê Thị Tú Anh – Chuyên ngành: Lí luận và phương pháp giảng dạy – K17
3

Chuyên đề: Sử dụng bài tập Hóa học trong dạy học ở trung học phổ thông
NỘI DUNG
ĐỀ BÀI
Hòa tan hoàn toàn 11,2 gam hỗn hợp X gồm: Fe; FeO; Fe
2
O
3
và Fe
3
O
4
trong dung dịch HCl dư, sau phản ứng thấy tạo ra 12,7 gam FeCl
2
. Tính
khối lượng FeCl
3
thu được.
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI
Phân tích chung:
Khi cho hỗn hợp X tác dụng với dung dịch HCl dư:
- Đầu tiên xảy ra phản ứng của các oxit: FeO; Fe
2
O
3
và Fe
3
O
4
với
dung dịch HCl tạo ra dung dịch muối FeCl

2
, FeCl
3
.
- Kim loại Fe phản ứng sau.
Do vị trí các cặp oxi hóa - khử trong dãy điện hóa:
Fe
Fe
H
H
Fe
Fe


2
32
+
+++
Phản ứng xảy ra tiếp theo là: Fe + 2Fe
3+
→ 3Fe
2+

Sau phản ứng còn có FeCl
3
→ Fe hết, không xảy ra phản ứng Fe tác
dụng với HCl.
Vậy các chất thu được sau phản ứng gồm FeCl
2
, FeCl

3
và H
2
O.
1. Phương pháp đại số
Phương trình phản ứng:
x x
(1) OHFeClHCl2FeO
22
+→+
2y y
(2) OH3FeCl2HCl6OFe
2332
+→+
2z z z
(3) OH3FeCl2FeClHCl8OFe
23243
++→+
Học viên: Lê Thị Tú Anh – Chuyên ngành: Lí luận và phương pháp giảng dạy – K17
4
Chuyên đề: Sử dụng bài tập Hóa học trong dạy học ở trung học phổ thông
3t 2t t
(4) FeCl3FeCl2Fe
23
→+
Gọi x, y, z, t lần lượt là số mol của FeO; Fe
2
O
3
; Fe

3
O
4
và Fe
m
X
= 11,2 → 72x + 160y + 232z + 56t = 11,2 (*)
Theo các phương trình phản ứng (1), (2), (3), (4):
t2z2y2n
3
FeCl
−+=
(**) mol 1,0
127
7,12
t3zxn
2
FeCl
==++=
Từ (*) và (**) ta có:



×=++
=+++
⇔



=++

=+++
(b) 721,0)t3zx(72
(a) 11,2 56t 232z 160y 72x

1,0t3zx
11,2 56t 232z 160y 72x
Lấy (a) – (b): 160y + 160z – 160t = 4 → 2y + 2z – 2t = 0,05
Theo trên:
gam 125,85,16205,0m 05,0t2z2y2n
33
FeClFeCl
=×=→=−+=
2. Phương pháp bảo toàn khối lượng
Sơ đồ phản ứng:
OH3FeClFeCl HCl
OFe
OFe
FeO
Fe
X
232
43
32
++→+








Theo định luật bảo toàn khối lượng ta có:
(1) mmmmm
OHFeClFeClHClX
232
++=+
mol 1,0
127
7,12
n
2
FeCl
==
Đặt
mol xn
3
FeCl
=
Bảo toàn nguyên tố Cl:
32
FeClFeClHCl
n3n2n +=
= 0,2 + 3x
Bảo toàn nguyên tố H:
)x32,0(
2
1
n
2
1

n
HClOH
2
+==
Thay vào biểu thức (1):
Học viên: Lê Thị Tú Anh – Chuyên ngành: Lí luận và phương pháp giảng dạy – K17
5
Chuyên đề: Sử dụng bài tập Hóa học trong dạy học ở trung học phổ thông
11,2 + 36,5(0,2 + 3x) = 12,7 + 162,5x + 18.
)x32,0(
2
1
+
→ x = 0,05
→
gam 125,85,16205,0m
3
FeCl
=×=
3. Phương pháp bảo toàn electron
Giả sử ban đầu có a gam Fe tác dụng với O
2
thu được hỗn hợp X, khi đó ta
có sơ đồ sau:
OH3FeClFeCl
OFe
OFe
FeO
Fe
X Fe

232
HCl
43
32
O
2
++ →







 →
++

Các quá trình:
0,1-
56
a
3 0,1-
56
a
0,1-
56
a
3e Fe Fe
0,2 0,1 1,0
2e Fe Fe

3
2






+→
+→
+
+


8
a-11,2

16
a-11,2
O 2e O
-2o
→+
Theo định luật bảo toàn electron: 0,2 +
0,1-
56
a
3







=
8
a-11,2
⇒ a = 8,4
→
mol 15,0
56
4,8
n
Fe
==
Bảo toàn nguyên tố Fe:
mol 05,01,015,0 nn n n n n
2332
Fe
Fe
FeFeFe
Fe
=−=−=→+=
++++
→
gam 125,85,16205,0m
3
FeCl
=×=
4. Phương pháp quy đổi

Cách 1: Quy đổi hỗn hợp X về FeO và Fe
2
O
3
Sơ đồ phản ứng:
Học viên: Lê Thị Tú Anh – Chuyên ngành: Lí luận và phương pháp giảng dạy – K17
6
Chuyên đề: Sử dụng bài tập Hóa học trong dạy học ở trung học phổ thông








 →
 →
+
+
2y y
FeCl2OFe
x x
FeCl FeO
3
HCl
32
2
HCl

Gọi x; y lần lượt là số mol của FeO và Fe
2
O
3
.
Theo bài ra:
2,11y160x72 2,11mm 2,11m
32
OFeFeOX
=+⇒=+⇒=
(1)
Mặt khác:
mol 1,0
127
7,12
n
2
FeCl
==
⇒ x = 0,1 (2)
Từ (1) và (2) ⇒ y = 0,025
Theo sơ đồ phản ứng:
gam 125,85,16205,0 m mol 05,0y2n
33
FeClFeCl
=×=⇒==
Cách 2: Quy đổi hỗn hợp X về FeO và Fe
3
O
4

Sơ đồ phản ứng:







+ →
 →
+
+
2y y y
FeCl2FeClOFe
x x
FeCl FeO
32
HCl
43
2
HCl

Gọi x; y lần lượt là số mol của FeO và Fe
3
O
4
.
Theo bài ra:
(1) 2,11y232x72 2,11mm 2,11m
43

OFeFeOX
=+⇒=+⇒=
Mặt khác:
1,0
127
7,12
n
2
FeCl
==
mol
1,0yx =+⇒
(2)
Từ (1) và (2) ⇒



=
=
025,0y
075,0x
Theo sơ đồ phản ứng:
gam 125,85,16205,0m mol 05,0y2n
33
FeClFeCl
=×=⇒==
Cách 3: Quy đổi hỗn hợp X về Fe
2
O
3

và Fe
3
O
4

Sơ đồ phản ứng:
Học viên: Lê Thị Tú Anh – Chuyên ngành: Lí luận và phương pháp giảng dạy – K17
7
Chuyên đề: Sử dụng bài tập Hóa học trong dạy học ở trung học phổ thông







+ →
 →
+
+
2y y y
FeCl2FeClOFe
2x x
FeCl2OFe
32
HCl
43
3
HCl
32

Gọi x; y lần lượt là số mol của Fe
2
O
3
và Fe
3
O
4
.
Theo bài ra:
(1) 2,11y232x160 2,11mm 2,11m
4332
OFeOFeX
=+⇒=+⇒=
Mặt khác:
1,0
127
7,12
n
2
FeCl
==
mol
1,0y =⇒
(2)
Từ (1) và (2) ⇒ x = - 0,075
Theo sơ đồ phản ứng:
gam 125,85,16205,0m mol 05,0y2x2n
33

FeClFeCl
=×=⇒=+=

Cách 4: Quy đổi hỗn hợp X về Fe và Fe
2
O
3

Sơ đồ phản ứng:







→+
 →
+
3x 2x x
FeCl3FeCl2Fe
2y y
FeCl2OFe
23
3
HCl
32

Gọi x; y lần lượt là số mol của Fe và Fe
2

O
3
.
Theo bài ra:
(1) 2,11y160x56 2,11mm 2,11m
32
OFeFeX
=+⇒=+⇒=
Mặt khác:
1,0
127
7,12
n
2
FeCl
==
mol ⇒ 3x = 0,1 (2)
Từ (1) và (2) ⇒







=
=
120
7
y

30
1
x
Theo sơ đồ phản ứng:
gam 125,85,16205,0m mol 05,0x2y2n
33
FeClFeCl
=×=⇒=−=
Cách 5: Quy đổi hỗn hợp X về Fe và Fe
3
O
4
Học viên: Lê Thị Tú Anh – Chuyên ngành: Lí luận và phương pháp giảng dạy – K17
8
Chuyên đề: Sử dụng bài tập Hóa học trong dạy học ở trung học phổ thông
Sơ đồ phản ứng:







→+
+ →
+
3x 2x x
FeCl3FeCl2Fe
2y y y
FeCl2FeClOFe

23
32
HCl
43

Gọi x; y lần lượt là số mol của Fe và Fe
3
O
4
.
Theo bài ra:
(1) 2,11y232x56 2,11mm 2,11m
43
OFeFeX
=+⇒=+⇒=
Mặt khác:
1,0
127
7,12
n
2
FeCl
==
mol ⇒ 3x + y = 0,1 (2)
Từ (1) và (2) ⇒



=
=

04375,0y
01875,0x
Theo sơ đồ phản ứng:
gam 125,85,16205,0m mol 05,0x2y2n
33
FeClFeCl
=×=⇒=−=
Cách 6: Quy đổi hỗn hợp X về Fe
x
O
y
Sơ đồ phản ứng:
y2x3
2x)-0,1(2y
0,1
2y-3x
0,1
FeCl)x2y2(FeCl)y2x3( OFe
32
HCl
yx
−
−+− →
+
Theo bài ra:
2,11
y2x3
1,0
)y16x56( 2,11m 2,11m
yx

OFeX
=
−
+⇒=⇒=
⇒



=
=
⇒=
7y
6x

7
6
y
x

Theo sơ đồ phản ứng:
gam 125,85,16205,0m mol 05,0
y2x3
2x)-0,1(2y
n
33
FeClFeCl
=×=⇒=
−
=
Cách 7: Quy đổi hỗn hợp X về Fe và O

Sơ đồ phản ứng:
Học viên: Lê Thị Tú Anh – Chuyên ngành: Lí luận và phương pháp giảng dạy – K17
9
Chuyên đề: Sử dụng bài tập Hóa học trong dạy học ở trung học phổ thông



 →



++
+
+
OH
Fe ;Fe

O
Fe
2
32
H
Gọi x; y lần lượt là số mol của Fe và O.
Theo bài ra:
(1) 2,11y16x56 2,11mm 2,11m
OFeX
=+⇒=+⇒=
Ta có các quá trình:
0,1)-3(x 0,1- x1,0x
3e Fe Fe

0,2 0,1 1,0
2e Fe Fe

3
2
−
+→
+→
+
+

2y y
O 2e O
-2o
→+
Theo định luật bảo toàn electron:
0,2 + 3(x – 0,1) = 2y ⇒ 3x – 2y = 0,1 (2)
Từ (1) và (2) ⇒



=
=
175,0y
15,0x
Theo sơ đồ phản ứng:
gam 125,85,16205,0m mol 05,01,0xn
33
FeClFeCl
=×=⇒=−=

Học viên: Lê Thị Tú Anh – Chuyên ngành: Lí luận và phương pháp giảng dạy – K17
10
Chuyên đề: Sử dụng bài tập Hóa học trong dạy học ở trung học phổ thông
KẾT LUẬN
Bài toán trên có rất nhiều cách giải, nhiệm vụ của chúng ta là xem xét
cách giải nào phù hợp, dễ hiểu và nhanh gọn nhất để áp dụng. Không có
một phương pháp nào là công cụ vạn năng cho mọi bài tập hóa học. Chúng
ta phải phân tích, lựa chọn, kết hợp một cách linh hoạt để tìm ra cách giải
tối ưu.
Đối với bài toán trên phương pháp quy đổi rất có hiệu quả trong việc
tìm nhanh ra đáp số. Nó phát huy tư duy sáng tạo, dựa vào những giả định
hóa học và toán học để việc tính toán các giá trị lượng chất của một hỗn
hợp phức tạp trở nên đơn giản hơn.
Hi vọng bài toán sẽ được nhận thêm sự đóng góp ý kiến của thầy, cô
và các bạn để trở nên hoàn thiện hơn.
Học viên: Lê Thị Tú Anh – Chuyên ngành: Lí luận và phương pháp giảng dạy – K17
11
Chuyên đề: Sử dụng bài tập Hóa học trong dạy học ở trung học phổ thông
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. PGS. TS. Nguyễn Xuân Trường - Ôn tập kiến thức và luyện giải
nhanh bài tập hoá học vô cơ ở trường trung học phổ thông - Tập 2 - NXB
Đại học Quốc gia Hà Nội.
2. TS. Cao Cự Giác - Cẩm nang giải toán trắc nghiệm hóa học - Dùng
cho các kì thi quốc gia – NXB Đại học Quốc gia Hà Nội.
3. Tạp chí hóa học và ứng dụng.
Học viên: Lê Thị Tú Anh – Chuyên ngành: Lí luận và phương pháp giảng dạy – K17
12