Sáng kiến kinh nghiệm Một số phương pháp giúp học sinh giải nhanh bài tập về phản ứng oxi hóa khử

SỞ GD – ĐT ĐỒNG THÁP TRƯỜNG THPT TRƯỜNG XUÂN ***™&˜*** NGHIÊN CỨU KHSP ỨNG DỤNG Tên đề tài: “Một số phương pháp giúp học sinh giải nhanh bài tập về phản ứng oxi hóa – khử” Giáo viên: Lý Bảo Việt Tổ: Hóa – Sinh Bộ môn: Hóa học Trường Xuân, tháng 11 năm 2010 PHỤ LỤC Trang 1. Tên đề tài 2 2. Tóm tắt 2 3. Giới thiệu 3.1. Hiện trạng 2 3.2. Giải pháp thay thế 3 3.2.1. Phương pháp bảo toàn electron 3 3.2.2. Phương pháp ion – electron 10 3.3.3. Phương pháp quy đổi 12 4. Phương pháp nghiên cứu 15 5. Phân tích dữ liệu và bàn luận 16 6. Kết luận và khuyến nghị 17 Tài liệu tham khảo 18 1-Tên đề tài “Một số phương pháp giúp học sinh giải nhanh bài tập về phản ứng oxi hóa – khử” 2-Tóm tắt đề tài: Với hình thức thi trắc nghiệm học sinh thường phải mất nhiều thời gian khi giải những bài tập tính toán, đặc biệt là những bài tập về phản ứng oxi hóa - khử. Nếu các em vẫn giải bài tập theo hướng trắc nghiệm tự luận như trước đây thì thường không có đủ thời gian để hoàn thành một bài thi của mình. Để giải quyết những vấn đề đó cần tìm ra những phương pháp giải nhanh nhằm tiết kiệm thời gian. Trong chương trình phổ thông, học sinh gặp không ít những bài tập về oxi hóa - khử liên quan đến axit sunfuric đậm đặc, axit nitric, muối nitrat và các phản ứng nhiệt luyện điều chế kim loại, Với những bài tập này, việc áp dụng các phương pháp giải đối với học sinh còn gặp nhiều khó khăn do các em chưa nắm rõ các phương pháp giải và phạm vi áp dụng của từng phương pháp. Giải pháp đặt ra là giới thiệu cụ thể nội dung các phương pháp giải nhanh bài tập về phản ứng oxi hóa – khử để học sinh có thể vận dụng các phương pháp đó một cách có hiệu quả. Đề tài này giới thiệu với học sinh ba phương pháp: phương pháp bảo toàn electron, phương pháp ion – electron và phương pháp quy đổi. Các phương pháp nêu trên sẽ giúp cho học sinh giải các bài tập về phản ứng oxi hóa khử một cách dễ dàng, mất ít thời gian. Nghiên cứu được tiến hành trên hai nhóm có số lượng học sinh, kết quả học tập môn hóa tương đương nhau. (Nhóm 1 và nhóm 2 của CLB hóa học, trường THPT Trường Xuân – mỗi nhóm có 20 học sinh). Nhóm 1 là nhóm thực nghiệm, nhóm 2 là nhóm đối chứng. Nhóm thực nghiệm được tác động bằng việc áp dụng các phương pháp đã nêu. Kết quả cho thấy tác động có ảnh hưởng tích cực, kết quả của nhóm thực nghiệm là cao hơn so với nhóm đối chứng. 3-Giới thiệu: 3.1. Hiện trạng: Xu thế chung hiện nay và trong tương lai là việc kiểm tra đánh giá học sinh bằng hình thức trắc nghiệm. Hình thức trắc nghiệm dần dần thay cho hình thức tự luận. Hiện tại, đối với môn hóa học, các kỳ thi TN THPT, tuyển sinh ĐH-CĐ 100% là trắc nghiệm. Điều này đồi hỏi học sinh phải tìm ra những cách giải nhanh nhất có thể. Qua những buổi sinh hoạt CLB hóa học cho thấy đa số học sinh chỉ biết giải bài tập về phản ứng oxi hóa – khử theo cách thông thường (viết các phương trình phản ứng, lập các phương trình đại số,) với cách giải này, học sinh mất nhiều thời gian, thậm chí có một số bài học sinh không thể tìm ra đáp số. Trong nhiều năm qua, đề thi tuyển sinh các khối A, B luôn có sự hiện diện của của các bài tập về phản ứng oxi hóa - khử. Đề tài này đặc biệt phục vụ cho học sinh ôn tập thi tuyển sinh, cũng có thể áp dụng để giải nhanh các bài tập đơn giản trong kiểm tra định kỳ trên lớp. 3.2. Giải pháp thay thế: Vận dụng các phương pháp: phương pháp bảo toàn electron, phương pháp ion – electron và phương pháp quy đổi vào việc giải các bài tập về phản ứng oxi hóa – khử. 3.2.1. Phương pháp bảo toàn electron: (Sử dụng tiện lợi cho các trường hợp xảy ra nhiều phản ứng oxi hóa – khử hoặc thong qua nhiều giai đoạn) 3.2.1.1. Nội dung: “Trong phản ứng oxi hóa - khử thì tổng số mol electron do các chất khử nhường bằng tổng số mol electron do các chất oxi hóa nhận” Quy trình áp dụng phương pháp bảo toàn electron. Bước 1: Xác định chất khử và chất oxi hóa (dựa vào số oxi hóa, nếu chất khử, chất oxi hóa có nhiều trạng thái oxi hóa (ví dụ như sắt) chỉ cần quan tâm trạng thái số oxi hóa đầu và trạng thái số oxi hóa cuối, thậm chí không cần quan tâm đến việc cân bằng các phương trình phản ứng. Bước 2: Viết các quá trình nhường và nhận electron. (kèm theo số mol tương ứng của các chất trong mỗi quá trình. Bước 3: Từ định luật bảo toàn electron suy ra phương trình liên hệ giữa số mol electron nhường và số mol electron nhận. *Lưu ý: - Khi cần tìm số mol (khối lượng) của một chất nào đó, có thể áp dụng định luật bảo toàn khối lượng, định luật bảo toàn nguyên tố để hỗ trợ. - Một hỗn hợp gồm nhiều kim loại có hóa trị không đổi và có khối lượng cho trước sẽ phải nhường một số mol electron không đổi cho bất kỳ tác nhân oxi hóa nào. Và các tác nhân oxi hóa hỗn hợp đó sẽ nhận lượng số mol electron bằng nhau. *Cách tính số mol NO3- ; SO42- (trong axit HNO3 và H2SO4 đặc) tạo muối và bị khử khi tham gia phản ứng với kim loại. - Xét kim loại M có số oxi hóa khi tham gia phản ứng oxi hóa – khử với HNO3 là +n (n>0) - Gọi số mol của kim loại M là là a. Từ quá trình oxi hóa M → M+n + ne suy ra số mol electron mà M nhường là n.a - Giả sử N+5 (trong HNO3) bị khử xuống N+x. Theo phương pháp bảo toàn electron thì số mol electron mà N+5 nhận bằng n.a Quá trình khử N+5 + (5-x) → N+x ← n.a→ (1) - Trong phản ứng thu được muối M(NO3)n nên số mol NO3- cần để tạo muối gấp n lần số mol của kim loại M. Vậy nNO3- tạo muối bằng n.a (2) - Từ (1) và (2) ta có mối liên hệ giữa số mol NO3- tạo muối và số mol N+x (sản phẩm khử thu được) được biểu thị bằng biểu thức sau: - Hay nói cách khác, số mol NO3- tạo muối bằng số mol electron kim loại nhường bằng số mol electron N+5 nhận. - Từ đây, suy ra số mol HNO3 phản ứng bằng số mol NO3- tạo muối + số mol N+5 nhận electron. - Tương tự đối với chất oxi hóa là H2SO4 đặc. - Giả sử S+6 (trong H2SO4) bị khử xuống S+x. Theo phương pháp bảo toàn electron thì số mol electron mà N+5 nhận bằng n.a Quá trình khử S+6 + (6-x) → S+x ← n.a→ (1’) - Trong phản ứng thu được muối M2(SO4)n nên số mol SO42- cần để tạo muối bằng (2’) Từ (1’) và (2’) ta có mối liên hệ giữa số mol SO42- tạo muối và số mol S+x (sản phẩm khử thu được) được biểu thị bằng biểu thức sau: - Hay nói cách khác, số mol SO42- tạo muối bằng số mol electron kim loại nhường bằng số mol electron S+6 nhận. - Từ đây, suy ra số mol H2SO4 phản ứng bằng số mol SO42- tạo muối + số mol S+6 nhận electron. - Khối lượng muối của kim loại thu được sau phản ứng bằng khối lượng kim loại phản ứng cộng với khối lượng NO3- (hoặc SO42-) tạo muối. 3.2.1.2. các ví dụ minh họa. Ví dụ 1: Cho 8,3 g hỗn hợp hai kim loại Al, Fe tác dụng với dung dịch H2SO4 đặc, nóng dư, thu được 6,72 lí khí SO2 (đktc). Khối lượng của Al và Fe trong hỗn hợp ban đầu là A. 2,7g ; 5,6g B. 5,4g ; 4,8g C. 9,8g ; 3,6g D. 1,35g ; 2,4g Hướng dẫn giải: *Cách 1: Số mol của SO2 = Gọi x là số mol của Al, Y là số mol của Fe. *Quá trình khử: S+6 + 2e → S+4 0,6mol ← 0,3mol *Quá trình oxi hóa: Al → Al3+ + 3e Fe → Fe3+ + 3e xmol → 3x ymol → 3y mol Theo phương pháp thăng bằng electron ta có: 3x + 3y = 0,6 (1) Theo đề bài ra ta có: 27x + 56y = 8,3 (2) Từ (1) và (2) ta tìm được x = 0,1 mol ; y = 0,1 mol Khối lượng của mỗi kim loại: mAl = 27x0,1 = 2,7g ; mFe = 56x0,1 = 5,6g *Cách 2: HS viết 2 phương trình phản ứng, dựa vào số liệu đề bài lập hệ hai phương trình giải tìm được số mol của 2 kim loại. Từ đó suy ra khối lượng của 2 kim loại. *Nhận xét: Với bài tập này HS có thể tìm theo hai cách tương đối dễ dàng, tuy nhiên với những bài tập phức tạp hơn như những bài bên đưới thì việc giải theo cách 2 sẽ gặp khó khăn. Ví dụ 2: Khi cho 9,6g Mg tác dụng hết với dung dịch H2SO4 đậm đặc, thấy có 49g H2SO4 tham gia phản ứng, tạo muối MgSO4, nước và sản phẩm khử X. X là: A. SO2 B. H2S C. S D. SO2 và S Hướng dẫn giải: Dung dịch H2SO4 đậm đặc vừa là chất oxi hóa vừa là môi trường. Gọi a là số oxi hóa của S trong X. *Quá trình oxi hóa Mg → Mg2+ + 2e mol → 0,4 mol 0,8 mol Tổng số mol H2SO4 đã dùng là: Số mol H2SO4 đã dùng để tạo muối bằng số mol Mg2+ = 0,4 mol. Vậy số mol H2SO4 đã dùng oxi hóa Mg là: 0,5 – 0,4 = 0,1 mol. *Quá trình khử: S+6 + (6-a)e → Sa 0,1mol → (6-a).0,1 mol Theo phương pháp bảo toàn electron ta có: (6-a).0,1 = 0,8 → a = -2 Vậy X là H2S. *Nhận xét: Nếu học sinh giải theo cách thông thường thì phải chia ra 3 trường hợp X là H2S, S, SO2. Ví dụ 3: Cho 1,35g hỗn hợp A gồm Cu, Mg, Al tác dụng với HNO3 dư được 1,12 lít NO và NO2 có khối lượng mol trung bình là 42,8. Biết các khí đo ở đktc. Tổng khối lượng muối nitrat sinh ra là: A. 9,65 B. 7,28 C. 4,24 D. 5,69 Hướng dẫn giải: Từ thể tích hỗn hợp NO ; NO2 (1,12 lit) và khối lượng mol trung bình (42,8) ta tìm được số mol của NO và NO2 lần lượt là 0,01 mol và 0,04 mol Gọi x, y, z lần lượt là số mol của Cu, Mg, Al trong 1,35g hỗn hợp. *Quá trình khử: N+5 + 3e → N+2 (NO) 0,03 mol ← 0,01 mol N+5 + 1e → N+4 (NO2 ) 0,04 mol ← 0,04 mol *Quá trình oxi hóa: Cu → Cu2+ + 2e xmol → x 2x Mg → Mg2+ + 2e ymol → y 2y Al → Al3+ + 3e zmol → z 3z Theo phương pháp bảo toàn electron ta có: 2x + 2y + 3z = 0,03 + 0,04 = 0,07 Từ đây, ta suy ra được khối lượng muối nitrat sinh ra là: m = mCu(NO3)2 + mMg(NO3)2 + mAl(NO3)3 = 1,35 + 62. (2x + 2y + 3z) = 1,35 + 62.0,07 = 5,69 g Ví dụ 4: (Theo câu 5/136 SGK lớp 10 nâng cao) Hỗn hợp khí A gồm clo và oxi. A phản ứng vừa hết với một hỗn hợp gồm 4,8g Mg và 8,1g Al tạo ra 37,05g hỗn hợp các muối clorua và oxit của 2 kim loại. Xác định thành phần % theo khối lượng và thể tích mỗi chất trong hỗn hợp A. Hướng dẫn giải: Từ đề bài tìm được số mol của Mg và Al lần lượt là 0,2 mol và 0,3 mol. Goij x, y lần lượt là số mol của Cl2 và O2 *Quá trình oxi hóa: Al → Al3+ + 3e 0,3mol → 0,9 mol Mg → Mg2+ + 2e 0,2mol → 0,4 mol *Quá trình khử: Cl2 + 2e → 2Cl- x → 2x mol O2 + 4e → 2O2- y → 4y mol Theo phương pháp bảo toàn electron: 2x + 4y = 0,9 + 0,4 = 1,3 (1) Theo định luật bảo toàn khối lượng: 71x + 32y + 4,8 + 8,1 = 37,05 (2) Giải hệ (1) và (2) ta tìm được x, y và từ đó tìm được thành phần của các chất trong A. Ví dụ 5: (TS ĐH A 2007) Hòa tan hoàn toàn 12g hỗn hợp Fe, Cu (tỉ lệ mol 1:1)Bằng axit HNO3, thu được V lít hỗn hợp khí X gồm NO và NO2 (đktc) và dung dịch Y chỉ chứa 2 muối và axit dư. Tỉ khối của X đối với H2 bằng 19. Giá trị của V là: A. 4,48 B. 5,6 C. 3,36 D. 2,24 Hướng dẫn giải: Từ tỉ khối của X đối với H2 ta tính được tỉ lệ mol 2 khí là 1:1. Đặt số mol mỗi khí là x. Gọi số mol mỗi kim loại là y, ta có: 56y + 64 y = 12 → y = 0,1 *Quá trình oxi hóa Cu → Cu2+ + 2e 0,1mol → 0,2 Fe → Fe3+ + 3e 0,1mol → 0,3 *Quá trình khử N+5 + 3e → N+2 (NO) 3x mol ← x mol N+5 + 1e → N+4 (NO2) x mol ← x mol Theo phương pháp bảo toàn electron: 3x + x = 0,2 + 0,3 → x = 0,125 Vậy, V = 0,125 x 22,.4 x 2 = 5,6 lit. *Nhận xét: Đối với ví dụ 3 và ví dụ 4 nếu học sinh giải theo cách thông thường thì học sinh phải viết rất nhiều phương trình phản ứng, đặt nhiều ẩn số. Từ giả thuyết kết hợp với kỹ thuật ghếp ẩn số toán học để suy ra đáp số. Ví dụ 6: (TSĐH B 2007) Nung m g bột sắt trong oxi, thu được 3 g hỗn hợp chất rắn X. Hòa tan hết hỗn hợp X trong dung dịch HNO3 (dư), thoát ra 0,56 lit NO là sản phẩm khử duy nhất (đktc). Giá trị của m là: A. 2,52 B. 2,22 C. 2,62 D. 2,32 Hướng dẫn giải: Trong bài toán này hỗn hợp X gồm Fe và các 3 oxit của sắt nên ta chỉ cần chú ý đến trạng thái đầu và trạng thái cuối của sắt. NNO = nFe= Dựa vào định luật bảo toàn khối lượng ta có mO = 3 - m → nO = *Quá trình oxi hóa: Fe → Fe3+ + 3e → *Quá trình khử: O + 2e → O2- → 2. N+5 + 3e → N+2 (NO) 0,075 mol ← 0,025 mol Theo phương pháp bảo toàn electron ta có: m = 2,52 g Ví dụ 7: Cho luồng khí CO đi qua ống sứ đựng m gam Fe2O3 ở nhiệt độ cao một thời gian người ta thu được 6,72g hỗn hợp gồm 4 chất rắn khác nhau. Đem hòa tan hoàn toàn hỗn hợp này vào dung dịch HNO3 dư thấy tạo thành 0,448 lít khí B duy nhất có tỉ khối so với H2 bằng 15. Giá trị m là: A. 5,56 B. 6,64 C. 7,2 D. 8,81 Hướng dẫn giải: MB = 15.2 = 30 → B là NO có số mol = Ở bài toán này, ta nhận thấy sắt không bị thay đổi trạng thái oxi hóa.(trạng thái đầu và cuối sắt đều có số oxi hóa là +3). CO là chất khử, HNO3 là chất oxi hóa. Vì vậy đặt số mol của Co là x. *Quá trình nhận electron: N+5 + 3e → N+2 (NO) 0,06 mol ← 0,02 mol *Quá trình nhường electron: C+2 → C+4 + 2e x mol → x 2x Theo phương pháp bảo toàn electron: 2x = 0,06 → x = 0,03 mol Ta có sơ đồ phản ứng: Fe2O3 + CO → A + CO2 Theo định luật bảo toàn khối lượng ta suy ra được: m = 6,72 + mCO2 –mCO → m = 6,72 + 44.0,03 – 28.0,03 = 72, g Ví dụ 8: Trộn 0,54g bột nhôm với bột Fe2O3 và CuO rồi tiến hành phản ứng nhiệt nhôm thu được hỗn hợp A. Hòa tan hoàn toàn hỗn hợp A trong dung dịch HNO3 được hỗn hợp khí gồm NO và NO2 có tỉ lệ số mol tương ứng là: 1:3. Thể tích (đktc) của khí NO, NO2 lần lượt là: A. 0,224 lit và 0,672 lit C. 2,24 lit và 6,72 lit B. 0,672 lit và 0,224 lit D. 6,72 lit và 2,24 lit Hướng dẫn giải: Xét trong cả quá trình, thực chất chỉ có Al thay đổi số oxi hóa nên ta có *Quá trình oxi hóa Al → Al3+ + 3e 0,02mol → 0,06 mol Gọi x là số mol của NO → số mol NO2 là 3x mol. *Quá trình khử: N+5 + 3e → N+2 (NO) 3x mol ← x mol N+5 + 1e → N+4 (NO2) 3x mol ← 3x mol Theo phương pháp bảo toàn electron ta có 6x = 0,06 → x = 0,01 Vậy thể tích của NO và NO2 lần lượt là: 0,224 lit và 0,672 lit. Ví dụ 9: Hòa tan hết 16,3g hỗn hợp kim loại gồm Mg, Al và Fe. Trong dung dịch H2SO4 đặc nóng, thu được 0,55 mol SO2 . Cô cạn dung dịch sau phản ứng, khối lượng chất rắn khan thu được là: A. 51,8g B. 55,2g C. 69,1g D. 82,9g Hướng dẫn giải: Cách thông thường: Chất khử Mg, Al, Fe Mg → Mg2+ + 2e xmol → x 2x Al → Al3+ + 3e ymol → y 3y Fe → Fe3+ + 3e zmol → z 3z Chất oxi hóa: S+6 + 2e → S+4 1,1 ← 0,55 mol Theo phương pháp bảo toàn electron: 2x + 3y + 3z = 1,1 (1) Theo đề bài: 24x + 27y + 56z = 16,3 (2) Khối lượng muối khan thu được bao gồm MgSO4, Al2(SO4)3 và Fe2(SO4)3 m = 120x + 171y + 200z. Để tính m ta lấy 48x (1) + ( 2) ta được m = 48.1,1 + 16,3 = 69,1 g Cách tính nhanh: Áp dụng công thức tính số mol SO42- trong muối. Số mol SO42- tạo muối = số mol e S+6 nhận = 0,55 mol Vậy khối lượng muối thu được là m = mKL + mSO42- tạo muối = 16,3 + 96.0,55 = 69,1g. Ví dụ 10: Cho 18,4g hỗn hợp kim loại A và B tan hết trong dung dịch hỗn hợp gồm HNO3 đặc và H2SO4 đặc, nóng thấy thoát ra 0,2 mol NO và 0,3 mol SO2. cô cạn dung dịch sau phản ứng, khối lượng muối khan thu được là: A. 42,2g B. 63,3g C. 79,6g D. 84,4g Hướng dẫn giải: Trong bài toán này, nguyên tử khối và hóa trị của A, B chưa biết, nếu sử dụng các phương pháp thông thường sẽ gặp khó khăn trong việc đặt ẩn, giải hệ phương trình để tìm đáp số. Áp dụng công thức tính số mol nNO3-, nSO42- tạo muối chúng ta sẽ tìm kết quả dễ dàng hơn. Quá trình nhận electron. S+6 + 2e → S+4 0,6 ← 0,3 mol N+5 + 3e → N+2 (NO) 0,6 mol ← 0,2 mol Vậy nNO3- tạo muối = số mol e N+5 nhận = 0,6 mol nSO42- tạo muối = số mol e S+6 nhận = 0,3 mol Từ đó ta tính được khối lượng muối khan thu được: m = mKL + mNO3- + mSO42- = 18,4 + 62.0,6 + 96.0,3 = 84,4 g Ví dụ 11: Cho 1,24g hỗn hợp 2 kim loại có hóa trị không đổi thành 2 phần bằng nhau. -Phần 1: bị oxi hóa hoàn toàn thu được 0,78g hỗn hợp oxit. -Phần 2: Tan hoàn toàn trong dung dịch H2SO4 loãng thu được V lit khí H2 ở đktc. Giá trị V là: A. 2,24 lit B. 0,112 lit C. 5,6 lit D. 0,224 lit Hướng dẫn giải: Khối lượng mỗi phần 1,24 : 2 = 0,62g Số mol O kết hợp với 0,62g kim loại: Quá trình tạo oxit: O + 2e → O2- 0,1 mol→ 0,2 mol Ở phần 2 do cùng oxi hóa hỗn hợp kim loại như trên nên H+ của axit cũng nhận 0,02 mol electron theo quá trình sau H+ + 2e → H2 0,02mol → 0,01 mol Vậy thể tích H2 thu được là: 0,01 . 22,4 = 0,224 lit 3.2.2. Phương pháp ion – electron Ngoài việc cân bằng oxi hóa – khử còn áp dụng giải các bài toán phản ứng oxi hóa khử có môi trường (axit, bazơ, nước), tính lượng môi trường H+ tham gia phản ứng. Chỉ áp dụng cho dạng toán kim loại hoặc hỗn hợp các kim loại tác dụng với axit có tính oxi hóa mạnh như H2SO4 đặc hoặc HNO3. Nếu học sinh không biết phương pháp này mà sử dụng phương pháp khác để giải thì sẽ mất thời gian và có thể không tìm ra kết quả của bài toán. Đối với bài toán oxit kim loại hoặc hỗn hợp các oxit kim loại tác dụng với axit theo phản ứng oxi hóa khử, khi sử dụng phương pháp ion – electron thì ngoài số mol H+ tính theo bán phản ứng ion – electron còn có số mol H+ lấy oxi của oxit để tạo nước. 3.2.2.1. Cách viết các bán phản ứng oxi hóa – khử (quá trình oxi hóa và hóa trình khử) * Nếu phản ứng có axit tham gia. Vế nào thiếu bao nhiêu oxi O thì them bấy nhiêu H2O để tạo ra H+ ở vế kia và ngược lại. Ví dụ: NO3- → NO Vế phải thiếu 2O, them vào vế phải 2H2O để tạo vế trái 4H+, sau đó cân bằng điện tích của bán phản ứng. NO3- + 4H+ + 3e → NO + 2H2O * Nếu phản ứng có bazơ tham gia. Vế nào thiếu bao nhiêu O thì them lượng OH- gấp đôi để tạo nước ở vế kia và ngược lại. Ví dụ: Cr2O3 → 2CrO42- Vế trái thiếu 5O, thêm vào vế trái 10OH- để tạo 5H2O bên vế phải, sau đó cân bằng điện tích bán phản ứng. Cr2O3 + 10 OH- → 2CrO42- + 5H2O + 6e Ngoài ra, học sinh cần linh hoạt trong các trường hợp ngoại lệ. * Phản ứng có nước tham gia. - Sản phẩm phản ứng tạo ra axit (viết như phản ứng có axit tham gia) - Sản phẩm phản ứng tạo ra bazơ (viết như phản ứng tạo ra bazơ) MnO4- + 2H2O + 3e → MnO2 + 4OH- * Học sinh chú ý sự thay đổi số oxi hóa của KMnO4 theo môi trường. - Trong môi trường kiềm: tạo K2MnO4 - Trong môi trường trung tính và kiềm yếu: tạoMnO2, KOH - Trong môi trường axit: tạo Mn2+ 3.2.2.2. Một số ví dụ minh họa: Ví dụ 1: Hỗn hợp A gồm 2 kim loại chưa biết hóa trị hòa tan vừa đủ vào 800ml dung dịch HNO3 sinh ra hỗn hợp gồm 0,2 mol N2 và 0,1 mol NO.Nồng độ của dung dịch HNO3 đã dung là: A. 1,5M B. 2,5M C. 3,5M D. 4,5M Hướng dẫn giải: Ta có: 2NO3- + 12H+ + 10e → N2 + 6H2O 2,4 mol ← 0,2 mol 2NO3- + 4H+ + 3e → NO + 2H2O 0,4 mol ← 0,1 mol Từ 2 bán phản ứng trên ta suy ra được nHNO3 = nH+ = 2,4 + 0,4 = 2,8 mol. *Nhận xét: Học sinh có thể dựa vào phương pháp bảo toàn electron để tìm số mol NO3- tạo muối và số mol NO3- nhận electron (theo cách này học sinh sẽ mất thời gian nhiều hơn) Ví dụ 2: Cho m gam hỗn hợp X gôm Fe, Al, Mg tác dụng với dung dịch HCl dư, thu được 6,72 lit khí hidro ở đktc. Tính thể tích dung dịch HNO3 2M cần dùng để hòa tan hết cũng m gam hỗn hợp trên? Biết lượng HNO3 đã dung dư 20% so với lượng cần thiết và NO là sản phẩm khử duy nhất. Hướng dẫn giải: Vì cùng lượng m g hỗn hợp X tác dụng với dung dịch HCl dư, HNO3 dư nên tổng số mol electron nhận trong hai trường hợp này phải bằng nhau. Ta có: 2H+ + 2e → H2 0,6mol ← 2NO3- + 4H+ + 3e → NO + 2H2O 0,8 ← 0,6 mol Vậy số mol HNO3 phản ứng = 0,8 mol. Vì lượng HNO3 dùng dư 20% so với lượng cần thiết nên: Số mol HNO3 đã dùng = 0,8 + 0,8x20% = 0,96 mol Vdd HNO3 = 0,96/2 = 0,48 lit Ví dụ 3: Hòa tan m gam hỗn hợp Y gồm FeO, Fe2O3, Fe3O4 (với nFeO:nFe2O3 = 1: 1) cần dung 200ml dung dịch HNO3 1,5M thu được x lit khí NO (đktc) là sản phẩm khử duy nhất. Giá trị của m, x lần lượt là: A. 7,46g ; 0,24 lit C. 52g ; 0,07lit B. 52,2g ; 1,68 lit D. 51,2g ; 1,68 lit Hướng dẫn giải: Vì hỗn hợp Y gồm FeO, Fe2O3, Fe3O4 (với nFeO:nFe2O3 = 1: 1) nên ta xem hỗn hợp Y chỉ có Fe3O4. Số mol H+ = nHNO3 = 0,15.2 = 0,3 mol 3fe3O4 + 28HNO3 → 9Fe(NO3)3 + NO + 14H2O 0,3 mol Từ phương trình trên ta tính được nFe3O4 = và số mol của NO = → mFe3O4 = 7,46g ; VNO = 0,24 lit. 3.2.3 Phương pháp quy đổi: Một số bài toàn hóa học có thể giải nhanh bằng các phương pháp bảo toàn electron, bảo toàn nguyên tử, bảo toàn khối lượng song phương pháp quy đổi cũng tìm ra đáp số rất nhanh và đó là phương pháp tương đối ưu việt, có thể vận dụng vào các bài tập trắc nghiệm để phân loại học sinh. 3.2.3.1. Dấu hiệu nhận biết dạng toán vận dụng phương pháp quy đổi nguyên tử. - Bài toán hỗn hợp, trong đó tổng số chất và hợp chất nhiều hơn tổng số nguyên tố tạo thành hỗn hợp đó. - Bài toán hỗn hợp các oxit, sunfua của kim loại ; Xác định thành phần các nguyên tố trong hỗn hợp phức tạp ; Các hợp chất khó xác định số oxi hóa Cu2FeS2, Cu2FeS4, 3.2.3.2. Các bước giải theo phương pháp quy dổi nguyên tử. - Bước 1: Quy hỗn hợp chất về các nguyên tố tạo thành hỗn hợp. Đặt ẩn số thích hợp cho số mol nguyên tử các nguyên tố trong hỗn hợp. - Bước 2: Lập các phương trình dựa vào các định luật bảo toàn khối lương, bảo toàn nguyên tố, bảo toàn electron và dựa vào các dữ kiện khác của đề bài nếu có. - Bước 3: Giải các phương trình và tính toán các kết quả bài toán yêu cầu. 3.2.3.3. Yêu cầu đối với học sinh khi giải bài tập bằng phương pháp quy dổi nguyên tử. Phương pháp quy đổi nguyên tử là phương pháp kết hợp những ưu điểm của việc vận dụng các định luật bảo toàn khối lượng, bảo toàn nguyên tố và bảo toàn electron. Vì vậy để áp dụng có hiệu quả phương pháp này học sinh phải thành thạo kỹ năng vận dụng các định luật bảo toàn trên. 3.2.3.4. Các chú ý khi sử dụng phương pháp quy đổi. - Khi quy đổi hỗn hợp nhiều chất (hỗn hợp X) – (từ 3 chất trở lên) thành hỗn hợp 2 chất hay chỉ còn 1 chất ta phải bảo toàn số mol nguyên tố và bảo toàn khối lượng của hỗn hợp. - Có thể quy đổi hỗn hợp X về bất kỳ cặp chất nào, thậm chí quy dổi về 1 chất. Tuy nhiên ta nên chọn cặp chất nào đơn giản có ít phản ứng oxi hóa – khử nhất để đơn giản việc tính toán. - Trong quá trình tính toán theo phương pháp quy đổi đôi khi ta gặp số âm đó là do sự bù trừ khối lượng của các chất trong hỗn hợp. Trong trường hợp này ta vẫn tính toán bình thường và kết quả cuối cùng vẫn thỏa mãn. - Đối với hỗn hợp các oxit của sắt, khi quy đổi hỗn hợp về 1 chất là FexOy thì oxit FexOy tìm được chỉ là oxit giả định không có thực. 3.2.3.5. Các ví dụ minh họa: Ví dụ 1: (TSĐH A 2008) Cho 11,36g hỗn hợp gồm Fe, FeO, Fe2O3 và Fe3O4 phản ứng hết với dung dịch HNO3 loãng (dư), thu được 1,344 lit (đktc) NO (là sản phẩm khử duy nhất) và dung dịch X. Cô cạn dung dịch X được m gam muối khan. Giá trị m là: A. 49,09 B. 34,36 C. 35,5 D. 38,72 Hướng dẫn giải: *Bước 1: Coi 11,36g hỗn hợp gồm Fe, FeO, Fe2O3 và Fe3O4 là hỗn hợp của xmol Fe và ymol O. *Bước 2: →mhh = 56x + 16y = 11,36 (1) Các quá trình oxi hóa khử. Fe → Fe3+ + 3e xmol → 3x O + 2e → O2- ymol → 2y N+5 + 3e → N+2 (NO) 0,18 mol ← 0,06 mol Áp dụng phương pháp bảo toàn electron: 3x = 2y + 0,18 (2) Giải hệ (1) và (2) ta được x = 0,16 mol và y = 0,15 mol. Ta có: nFe(NO3)3 = nFe = 0,16 mol Vậy: m Fe(NO3)3 = 0,16.242 = 38,72 g. Ví dụ 2: (TSĐH B 2007) Nung m g bột sắt trong oxi, thu được 3 g hỗn hợp chất rắn X. Hòa tan hết hỗn hợp X trong dung dịch HNO3 (dư), thoát ra 0,56 lit NO là sản phẩm khử duy nhất (đktc). Giá trị của m là: A. 2,52 B. 2,22 C. 2,62 D. 2,32 Hướng dẫn giải: Quy hỗn hợp chất rắn X về 2 chất Fe, Fe2O3 (chọn Fe2O3 vì khi tác dụng với HNO3 số oxi hóa của Fe không thay đổi) -Quá trình nhường electron: Fe → Fe3+ + 3e xmol → 3x -Quá trình nhận electron: N+5 + 3e → N+2 (NO) 0,075 mol ← 0,025 mol Theo phương pháp bảo toàn electron: 3x = 0,075 → x = 0,025 mol → mFe2O3 = 3 – 56.0,025 = 1,6 gam → nFe (Trong Fe2O3) = Vậy, m = (0,02 + 0,025).56 = 2,52 gam Ví dụ 3: Hỗn hợp X gồm (Fe, FeO, Fe2O3, Fe3O4) với số mol mỗi chất là 0,1 mol, hòa tan hết vào dung dịch Y dư (gồm HCl và H2SO4 loãng) thu được dung dịch Z. Nhỏ từ từ dung dịch Cu(NO3)2 1M vào dung dịch Z cho tới khi ngưng thoát khí. Thể tích dung dịch Cu(NO3)2 cần dung và thể tích khí thoát ra ở đktc là: A. 25ml ; 1,12 lit B. 0,5 lit ; 22,4 lit C. 50ml ; 2,24 lit D. 50ml ; 1,12 lit Hướng dẫn giải: Quy hỗn hợp 0,1 mol Fe2O3 và 0,1 mol FeO thành 0,1 mol Fe3O4. Hỗn hợp X gồm: 0,2 mol Fe3O4 và 0,1 mol Fe tác dụng với dung dịch Y. Fe3O4 + 8H+ → Fe2+ + 2Fe3+ + 4H2O 0,2 mol → 0,2 0,4 Fe + 2H+ → Fe2+ + H2 0,1 mol → 0,1 Dung dịch Z gồm 0,3 mol Fe2+ và 0,4 mol Fe3+ tác dụng với Cu(NO3)2 3Fe2+ + NO3- + 4H+ → 3Fe3+ + NO + 2H2O 0,3 mol → 0,1 0,1 → VNO = 0,1.22,4 = 2,24 lit nCu(NO3)2 = ½ nNO3- = 0,05 mol. → Thể tích Cu(NO3)2 cần dùng: 0,05/1 = 0,05 lit = 50 ml. 3.3. Vấn đề nghiên cứu: Việc áp dụng các phương pháp: phương pháp bảo toàn electron, phương pháp ion – electron và phương pháp quy đổi có làm tăng hiệu quả giải các bài tập về phản ứng oxi hóa – khử của học sinh hay không? 3.4. Giả thuyết nghiên cứu: Việc áp dụng các phương pháp: phương pháp bảo toàn electron, phương pháp ion – electron và phương pháp quy đổi sẽ làm tăng hiệu quả giải các bài tập về phản ứng oxi hóa – khử của học sinh. 4- Phương pháp. 4.1. Khách thể nghiên cứu. Nghiên cứu được tiến hành trên hai nhóm có số lượng học sinh, kết quả học tập môn hóa tương đương nhau. (Nhóm 1 và nhóm 2 của CLB hóa học, trường THPT Trường Xuân – mỗi nhóm có 20 học sinh). Nhóm 1 là nhóm thực nghiệm, nhóm 2 là nhóm đối chứng. Nhóm thực nghiệm được tác động bằng việc áp dụng các phương pháp đã nêu. Kết quả cho thấy tác động có ảnh hưởng tích cực, kết quả của nhóm thực nghiệm là cao hơn so với nhóm đối chứng. 4.2. Thiết kế nghiên cứu: Nhóm Kiểm tra trước tác động Tác