Van dung cac dinh luat bao toan de giai bai toan hon hop sat

MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
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.
Trong quá trình tìm tòi nhiều dạng bài toán hoá học khác nhau về các loại chất
khác nhau vô 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, 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 hỗn hợp sắt” nhằm giúp học sinh giải quyết tốt các bài toán hỗn
hợp sắt và oxit sắt một cách nhanh chóng về phương pháp giải bài tập.
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 nhanh nhất dạng bài toán về sắt và
oxit sắt thường gặp trong các đề thi.
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 và là hành trang vững chắc để các em chuẩn bị bước
vào kì thi.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng là học sinh các lớp 10,11,12. 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.
5. Phương pháp nghiên cứu
Đọc các tài liệu làm cơ sở xây dựng lí thuyết của chuyên đề: tài liệu lí luận dạy
học. Phương pháp và kĩ thuật giải nhanh bài tập trắc nghiệm môn Hóa học.

1


NỘI DUNG
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: mT = 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
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+ .
2


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
O + 2e → O 2−
y 2y y +4
N +5 + 1e → N O2

Fe → Fe3+ + 3e
x

3x

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

3 x − 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
II. THỰC TRẠNG CỦA ĐỀ TÀI
1. Thuận lợi
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 HNO3, 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
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

3


(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.

III: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ
1. Phương pháp giải một số dạng bài tập điển hình
1.1. Dạng khử không hoàn toàn Fe 2O3 sau cho sản phẩm phản ứng với chất oxi
hóa mạnh là HNO3 hoặc H2SO4 đặc nóng:
Ví dụ 1: 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 ?
Phân tích đề: Sơ đồ phản ứng
 NO2 ↑

 FeO, Fe3O4 HNO3dn 
CO
Fe2O3 


→
o →

t

 Fe2O3 , Fe
 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 Fe 2O3.
Bởi vậy ta dùng chính dữ kiện bài toán hòa tan X trong HNO3 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
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

4

(2)


Từ (1) và (2) ta cú hệ 56 x + 16 y = 10, 44

3 x − 2 y = 0,195
Giải hệ trên ta có x = 0,15 và y = 0,1275
→ m = 12 gam.
Như vậy nFe = 0,15 mol nên nFe O = 0, 075mol 
2 3

Nhận xét:
Với bài toán trên, ta cũng có thể giải theo cách tính số mol O bị CO lấy theo

+4

2−
→ CO2 và N +5 + 1e → N O
phương trình: CO + O  − 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.
1.2. Dạng đốt cháy Sắt trong không khí rồi cho sản phẩm phản ứng với chất oxi
hóa:
Ví dụ 2: 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+

0,675

O
x

+

2e
2x

5

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 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, Fe3O4
HNO3
Fe 
→

→NO ↑
Fe2O3và Fe du
Fe( NO )

3 3

O2 ( kk )

+ 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

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) và (2) ta có hệ 56 x + 16 y = 20

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.
6


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
1.3. Dạng hỗn hợp sắt và các oxit phản ứng với chất oxi hóa mạnh
Ví dụ 4: 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

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) và (2) ta có hệ 56 x + 16 y = 11,36

3x − 2 y = 0,18
7


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 HNO 3 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 NO 2, NO ta có vẫn đặt hệ bình thường tuy
nhiên chất nhận e bây giờ là HNO3 thì cho 2 sản phẩm.
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 5: 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

Lập được hệ phương trình:
11x = 2y + 0,09
64x + 56. 3x + 16y = 6,4
8

0,03


Giải ra được: x = 0,2225. Vậy a = 6,942
1.4. Một số bài tập vận dụng
Bài 1: 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 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 ?

(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: 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)

2. Bài học kinh nghiệm
Trong quá trình thực hiện đề tài này, tôi đã đúc kết ra một số bài học kinh nghiệm
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.

9


KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Trên đây là những kinh nghiệm mà tôi đã tích luỹ được trong quá trình giảng dạy,
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!
Hà Tĩnh, ngày 25 tháng 4 năm 2017
Người viết

Nguyễn Thanh Dương

10