Một số phơng pháp giải toán hóa học A. Phơng pháp bảo toàn 1. Bảo toàn điện tích a) Cơ sở Tổng điện tích dơng luôn luôn bằng tổng điện tích âm về giá trị tuyệt đối. Vì thế dung dịch luôn luôn trung hoà về điện. b) Ví dụ Ví dụ 1: Kết quả xác định nồng độ mol của các ion trong một dung dịch ghi ở bảng dới đây: Ion Na + Ca 2+ NO 3 - Cl - HCO 3 - Số mol 0,05 0,01 0,01 0,04 0,025 Hỏi kết quả đó đúng hay sai? Tại sao? Giải: Do điện tích của một ion trong dd bằng tích của điện tích và số mol của nó, nên ta có: Tổng điện tích dơng là: (+1).0,05 + (+2).0,01 = + 0,07 Tổng điện tích âm là: (-1).0,01 + (-1).0,04 + (-1).0,025 = - 0,075. Giá trị tuyệt đối của điện tích dơng khác điện tích âm. Vậy kết quả trên là sai. Ví dụ 2: Dung dịch A chứa các ion Na + : a mol; HCO 3 - : b mol; CO 3 2- : c mol; SO 4 2- : d mol. Để tạo ra kết tủa lớn nhất ngời ta dùng 100 ml dd Ba(OH) 2 nồng độ x mol/l. Lập biểu thức tính x theo a và b. Giải: HCO 3 - + OH - CO 3 2- + H 2 O bmol b Ba 2+ + CO 3 2- BaCO 3 Ba 2+ + SO 4 2- BaSO 4 Dung dịch sau phản ứng chỉ có Na + : a mol. Vì bảo toàn điện tích nên cũng phải có: a mol OH - . Để tác dụng với HCO 3 - cần b mol OH - . Vậy số mol OH - do Ba(OH) 2 cung cấp là (a + b) mol Ta có: ( ) 2 2 ba n OHBa + = và nồng độ 2,01,0 2 ba ba x + = + = mol/l c) Bài tập 2. Bảo toàn khối lợng a) Cơ sở: + Trong một phản ứng hóa học tổng khối lợng của các sản phẩm bằng tổng khối lợng của các chất phản ứng. + Khi cô cạn dd thì khối lợng hỗn hợp muối thu đợc bằng tổng khối lợng của các cation kim loại và anion gốc axit. b) Ví dụ Ví dụ 1: Cho từ từ một luồng khí CO đi qua ống sứ đựng m gam hỗn hợp gồm Fe, FeO, Fe 3 O 4 , Fe 2 O 3 đun nóng thu đợc 64g sắt, khí đi ra sau phản ứng cho đi qua dd Ca(OH) 2 d đợc 40g kết tủa. Tính m. Giải: Khí đi ra sau phản ứng gồm CO 2 và CO d CO 2 + Ca(OH) 2 CaCO 3 + H 2 O 0,4 4,0 100 40 = ta có: 4,0 2 == COCO nn pu Theo định luật bảo toàn khối lợng: m + 28.0,4 = 64 + 44.0,4 m = 70,4g. Ví dụ 2: Một dd có chứa 2 cation là Fe 2+ : 0,1mol và Al 3+ : 0,2mol và 2anion là Cl - : x mol và SO 4 2- : y mol. Tính x và y, biết rằng khi cô cạn dd thu đợc 46,9 g chất rắn khan. Giải: Do bảo toàn khối lợng: 56.0,1 + 27.0,2 + 35,5x + 96y = 46,9 (1) Do bảo toàn điện tích: 2.0,1 + 3.0,2 = 1.x + 2.y (2) Từ (1) và (2) giải ra x = 0,2; y = 0,3. Ví dụ 3: Đun 132,8 g hỗn hợp 3 rợu no, đơn chức với H 2 SO 4 đặc ở 140 0 C thu đợc 111,2g hỗn hợp các ete trong đó các ete có số mol bằng nhau. Tính số mol mỗi ete. Giải: Đun hỗn hợp 3 rợu đợc ( ) 6 2 133 = + ete. Theo định luật bảo toàn khối lợng: m rợu = m ete = OH m 2 OH m 2 = m rợu - m ete = 132,8 111,2 = 21,6 g. Tổng số mol các ete = số mol H 2 O = 18 6,21 = 1,2 Số mol mỗi ete = 2,0 6 2,1 = mol. Ví dụ 4: Hoà tan hoàn toàn 23,8g hỗn hợp gồm một muối cacbonat của kim loại hoá trị I và một muối cacbonat của kim loại hoá trị II vào dd HCl thu đợc 0,2mol khí CO 2 . Tính khối lợng muối mới tạo ra trong dung dịch. Giải: Đặt công thức của các muối là M 2 CO 3 và RCO 3 M 2 CO 3 + RCO 3 + 4HCl 2MCl + RCl 2 + 2CO 2 + 2H 2 O 0,4 0,2 mol 0,2 Theo định luật BTKL: 23,8 + 0,4.36,5 = m muối + OHCO mm 22 + hay: 23,8 + 0,4.36,5 = m muối + 0,2.44 + 0,2.18 m muối = 26g c) Bảo toàn electron - Nguyên tắc: Trong quá trình phản ứng thì: Số e nhờng = số e thu hoặc: số mol e nhờng = số mol e thu Khi giải không cần viết phơng trình phản ứng mà chỉ cần tìm xem trong quá trình phản ứng có bao nhiêu mol e do chất khử nhờng ra và bao nhiêu mol e do chất oxi hoá thu vào. b) Ví dụ Ví dụ 1: Trộn 60g bột Fe với 30g bột lu huỳnh rồi đun nóng (không có không khí) thu đợc chất rắn A. Hoà tan A bằng dd axit HCl d đợc dd B và khí C. Đốt cháy C cần V lít O 2 (đktc). Tính V, biết các phản ứng xảy ra hoàn toàn. Giải: 32 30 => SFe nn nên Fe d và S hết. Khí C là hỗn hợp H 2 S và H 2 . Đốt C thu đợc SO 2 và H 2 O. Kết quả cuối cùng của quá trình phản ứng là Fe và S nhờng e, còn O 2 thu e. Nhờng e: Fe 2e Fe 2+ 2. 56 60 50 60 mol S - 4e S +4 (SO 2 ) 4. 32 30 32 20 mol Thu e: Gọi số mol O 2 là x mol. O 2 + 4e 2O -2 2 mol 4x Ta có: 4. 32 30 2. 56 60 4 +=x giải ra x = 1,47 mol. 928,3247,1.4,22 2 == O V lit Ví dụ 2: Hỗn hợp A gồm 2 kim loại R 1 , R 2 có hoá trị x, y không đổi (R 1 , R 2 không tác dụng với nớc và đứng trớc Cu trong dy hoạt động hóa học của kim loại). Cho hỗn hợp A phản ứng hoàn toàn với dd HNO 3 d thu đợc 1,12 l khí NO duy nhất ở đktc. Nếu cho lợng hỗn hợp A trên phản ứng hoàn toàn với dd HNO 3 thì thu đợc bao nhiêu lít N 2 . Các thể tích khí đo ở đktc. Giải: Trong bài toán này có 2 thí nghiệm: ở thí nghiệm 1: R 1 và R 2 nhờng e cho Cu 2+ để chuyển thành Cu sau đó Cu lại nhờng e cho 5+ N để thành 2+ N (NO). Số mol e do R 1 và R 2 nhờng ra là: 5+ N + 3e 2+ N 0,15 05,0 4,22 12,1 = ở thí nghiệm 1: R 1 và R 2 trực tiếp nhờng e cho 5+ N để tạo ra N 2 . Gọi x là số mol N 2 , thì số mol e thu vào là: 2 5+ N + 10e 0 2 N 10x x mol Ta có: 10x = 0,15 x = 0,015 2 N V = 22,4.0,015 = 0,336 lit Ví dụ 3: Cho 1,35 g hỗn hợp gồm Cu, Mg, Al tác dụng hết với dd HNO 3 thu đợc hỗn hợp khí gồm 0,01 mol NO vào 0,04 mol NO 2 . Tính khối lợng muối tạo ra trong dung dịch. Giải: Đặt x, y, z lần lợt là số mol Cu, Mg, Al. Nhờng e: Cu 2e = + 2 Cu x 2x x Mg 2e = +2 Mg y 2y y Al 3e = +3 Al z 3z z Thu e: 5+ N + 3e = 2+ N (NO) 0,03 0,01 5+ N + 1e = 4+ N (NO 2 ) 0,04 0,04 Ta có: 2x + 2y + 3z = 0,03 + 0,04 = 0,07 (1) Nhng 0,07 cũng chính là số mol NO 3 - Khối lợng muối nitrat là: 1,35 + 62.0,07 = 5,69g. 2. Phơng pháp đại số a) Cách giải: Viết các phơng trình phản ứng. Đặt ẩn số cho các đại lợng cần tìm. Tính theo các phơng trình phản ứng và các ẩn số đó để lập ra phơng trình đại số. Giải phơng trình đại số (hoặc hệ phơng trình) và biện luận kết quả (nếu cần). b) Ví dụ: Để m gam bột sắt (A) ngoài không khí, sau một thời gian biến thành hỗn hợp (B) có khối lợng 12 gam gồm Fe, FeO, Fe 3 O 4 , Fe 2 O 3 . Cho B tác dụng hoàn toàn với dd HNO 3 thấy sinh ra 2,24l khí NO duy nhất ở đktc. Tính m. Giải: Trong không khí sắt tác dụng với oxi tạo ra các oxit 2Fe + O 2 2FeO 4Fe + 3O 2 2Fe 3 O 4 3Fe + 2O 2 Fe 2 O 3 Hỗn hợp B tác dụng với dd HNO 3 : Fe + 4HNO 3 Fe(NO 3 ) 3 + NO + 2H 2 O 3FeO + 10HNO 3 3Fe(NO 3 ) 3 + NO + 5H 2 O 3Fe 3 O 4 + 28HNO 3 9Fe(NO 3 ) 3 + NO + 14H 2 O Fe 2 O 3 + 6HNO 3 2Fe(NO 3 ) 3 + 3H 2 O Đặt số mol của Fe, FeO, Fe 3 O 4 , Fe 2 O 3 lần lợt là x, y, z, t ta có: Theo khối lợng hỗn hợp B: 56x + 72y + 232z + 160t = 12 (1) Theo số mol nguyên tử Fe: x + y + 3z + 2t = 56 m (2) Theo số mol nguyên tử O trong oxit: y + 4z + 3t = 16 12 m (3) Theo số mol NO: x + 1,0 4,22 24,2 33 ==+ zy (4) Nhận xét trớc khi giải hệ phơng trình đại số trên: - Có 5 ẩn số nhng chỉ có 4 phơng trình. Nh vậy không đủ số phơng trình để tìm ra các ẩn số, do đó cần giải kết hợp với biện luận. - Đầu bài chỉ yêu cầu tính khối lợng sắt ban đầu, nh vậy không cần phải đi tìm đầy đủ các ẩn x, y, z, t. ở đây có 2 phơng trình, nếu biết giá trị của nó ta dễ dàng tính đợc khối lợng sắt ban đầu đó là phơng trình (2) và (3). + Tìm đợc giá trị của (2), đó là số mol Fe. Nhân giá trị đó với nguyên tử khối của Fe là 56 ta đợc m. + Tìm đợc giá trị của (3), đó là số mol nguyên tử O trong oxit. Nhân giá trị đó với nguyên tử khối của O là 16 ta đợc khối lợng của oxi trong các oxit sắt. Lấy khối lợng hỗn hợp B trừ đi khối lợng oxi ta đợc khối lợng sắt ban đầu, tức m. - Thực hiện các phép tính trên: + Tìm giá trị của phơng trình (2): Chia (1) cho 8 đợc: 7x + 9y + 29z + 20t = 1,5 (5) Nhân (4) với 3 đợc: 3x + y + z = 0,3 (6) Cộng (5) với (6) đợc: 10x + 10y + 30z + 20t = 1,8 (7) Chia (7) cho 10 đợc: x + y + 3z + 2t = 0,18 Vậy: m = 56.0,18 = 10,08g + Tìm giá trị của phơng trình (3): Nhân (5) với 3 đợc: 21x + 27y + 87z + 60t = 4,5 (8) Nhân (6) với 7 đợc: 21x + 7y + 7z = 2,1 (9) Lấy (8) trừ đi (9) đợc: 20y + 80z + 60t = 2,4 (10) Chia (10) cho 20 đợc: y + 4z + 3t = 0,12 m = 12 (0,12.16) = 10,08g Qua việc giải bài toán trên bằng phơng pháp đại số ta thấy việc giải hệ phơng trình đại số nhiều khi rất phức tạp, thông thờng HS chỉ lập đợc phơng trình đại số mà không giải đợc hệ phơng trình đó. Về mặt hóa học, chỉ dừng lại ở chỗ HS viết xong các phơng trình phản ứng hóa học và đặt ẩn để tính theo các phơng trình phản ứng đó (dựa vào mối tơng quan tỉ lệ thuận) còn lại đòi hỏi ở HS nhiều về kĩ năng toán học. Tính chất toán học của bài toán lấn át tính chất hóa học, làm lu mờ bản chất hóa học. Trên thực tế, HS chỉ quen giải bằng phơng pháp đại số, khi gặp một bài toán là chỉ tìm cách giải bằng phơng pháp đại số, mặc dù thờng bế tắc. Ta hy giải bài toán trên bằng những phơng pháp mang tính đặc trng của hóa học hơn, đó là phơng pháp bảo toàn khối lợng và phơng pháp bảo toàn electron. *) Phơng pháp bảo toàn khối lợng: Theo định luật bảo toàn khối lợng ta có: (kí hiệu khối lợng là m) ( ) OHNONOFeHNOB mmmmm pu 2 3 33 ++=+ (1) Tính các giá trị cha biết của (1): + ( ) 56 3 3 m nn FeNOFe == . Vậy ( ) 56 .242 3 3 m m NOFe = + Muốn tính 3 HNO m cần tính 3 HNO n . ở đây số mol HNO 3 đợc dùng vào 2 việc là tạo ra NO và tạo ra muối: 3 HNO n tạo NO = n NO = 1,0 4,22 24,2 = 3 HNO n tạo muối = 3.n Fe = 3. 56 m 3 HNO n p = 0,1 + 56 3m . Vậy 3 HNO m p = + 56 3 1,0.63 m + Tính OH n 2 : ta có OH n 2 = 2 1 3 HNO n p = 2 1 + 56 3 1,0 m Vậy += 56 3 1,0 2 1 .18 2 m m OH Thay các giá trị tìm đợc vào (1) đợc phơng trình bậc nhất, chỉ chứa ẩn m: 12 + + 56 3 1,0.63 m = 242. 56 m + 30.0,1 + + 56 3 1,0. 2 1 .18 m Giải ra m = 10,08g Nhận xét: Tuy hơi dài nhng cách này dễ hiểu, có tác dụng khắc sâu định luật bảo toàn khối lợng và có u điểm là áp dụng cho mọi quá trình oxi hoá - khử hoặc không oxi hoá - khử. c) Phơng pháp bảo toàn electron: Số mol e do Fe nhờng phải bằng số mol e do oxi thu và 5+ N của HNO 3 thu: Ta có: 3. 4,22 24,2 4. 32 12 3. 56 + = mm Giải ra m = 20,08g Nhận xét: Cho kết quả rất nhanh, tính toán rất nhẹ nhàng, khắc sâu bản chất nhờng e và thu e của các quá trình hóa học. Hạn chế là chỉ áp dụng đợc cho các quá trình oxi hoá - khử. 3. Phơng pháp trung bình (khối lợng mol trung bình, số nguyên tử trung bình) a) Cách giải: - Phơng pháp trung bình chỉ áp dụng cho bài toán hỗn hợp các chất. - Giá trị trung bình dùng để biện luận tìm ra nguyên tử khối hoặc phân tử khối hay số nguyên tử trong phân tử hợp chất. - Khối lợng mol trung bình là khối lợng của một mol hỗn hợp (kí hiệu là M hh hh n m M = b) Các ví dụ: Ví dụ 1: Hoà tan hoàn toàn 4,68g hỗn hợp muối cacbonat của hai kim loại A và B kế tiếp trong nhóm IIA vào dd HCl thu đợc 1,12 lit CO 2 ở đktc. Xác định tên kim loại A và B. Giải: Đặt M là NTK trung bình của 2 kim loại A và B M CO 3 + 2HCl M Cl 2 + CO 2 + H 2 O 0,05 mol 05,0 4,22 12,1 = M CO 3 = ;6,93 05,0 68,4 = M = 93,6 60 = 33,6 Biện luận: A < 33,6 A là Mg = 24 B > 33,6 B là Ca = 40. Ví dụ 2: Đốt cháy hoàn toàn a g hỗn hợp 2 rợu no, đơn chức liên tiếp trong dy đồng đẳng thu đợc 3,584 lít CO 2 ở đktc và 3,96g H 2 O. Tính a và xác định CTPT của các rợu. Giải: Gọi n là số nguyên tử C trung bình và x là tổng số mol của 2 rợu. ( ) OHnCOnO n OHHC nn 222 12 1 2 3 +++ + x mol ( ) xnxn 1+ [...]... chứng tỏ H2 còn d o CnH2n+2-2a + aH2 Ni,t CnH2n+2 Hỗn hợp Y: CnH2n+2; H2 d 4 Phơng pháp ghép ẩn số a) Cách giải: Một số b i toán cho thiếu dữ kiện nên giải bằng phơng pháp đại số ta có số ẩn nhiều hơn số phơng trình v có dạng vô định, không giải đợc Nếu dùng phơng pháp ghép ẩn số ta có thể giải loại b i toán n y một cách dễ d ng b) Các ví dụ: Ví dụ 1: Đốt cháy ho n to n ag hỗn hợp 2 rợu no, đơn chức... 23,8 + 2,2 = 26g 6 Phơng pháp đờng chéo a) Cách giải: - Phơng pháp đờng chéo thờng dùng để giải b i toán trộn lẫn các chất với nhau có thể đồng thể hoặc dị thể nhng hỗn hợp cuối cùng phải l đồng thể - Nếu trộn lẫn các dung dịch thì phải l các dung dịch của cùng một chất (hoặc chất khác, nhng do phản ứng với H2O lại cho cùng một chất Ví dụ trộn Na2O với dd NaOH ta đợc cùng một chất l NaOH) - Trộn 2... 18 (2) Từ (1) v (2) giải ra x = 0,06 v n = 2,67 Ta có: a = (14 n + 18).x = (14.2,67) + 18.0,06 = 3,32g C 2 H 5OH n = 2,67 C3 H 7 OH Ví dụ 3: Hỗn hợp 3 rợu đơn chức A, B, C có tổng số mol l 0,08 v khối lợng l 3,387 xác định CTPT của A, B, C, biết rằng B v C có cùng số nguyên tử cacbon v số mol rợu A bằng Giải: M = 5 tổng số mol của rợu B v C 3 3,38 = 42,2 0,08 Nh vậy phải có ít nhất một rợu có M < 42,2... tủa Tính a Giải: Đặt CTPT của các rợu l CnH2n+1-OH v CmH2m+1-OH Gọi x, y l số mol các rợu CnH2n+1OH + 3n O2 nCO2 + (n + 1)H2O 2 x CmH2m+1OH + nx 3m 2 (n + 1)x O2 mCO2 + (m + 1)H2O y my (m + 1)y CO2 + Ca(OH)2 CaCO3 + H2O 0,08 8 = 0,08 100 Ta lập đợc 2 phơng trình đại số theo số mol CO2 v số mol H2O: nCO2 = nx + my = 0,08 (1) n H 2O = (n + 1)x + (m + 1) y = 1,98 = 0,11 18 (2) ở đây, với 4 ẩn số (n, m,... liên tiếp nhau tác dụng với một lợng Na vừa đủ tạo ra 4,6g chất rắn v V lít khí H2 ở đktc Tính V v xác định CTPT của các rợu Giải: Đặt R l gốc hiđrocacbon trung bình v x l tổng số mol của 2 rợu R OH + Na R Ona + xmol Ta có: x 1 H2 2 x 2 ( R + 17).x = 2,84 hay R x + 17x = 2,84 (1) ( R + 39).x = 4,6 hay R x + 39x = 4,6 (2) Từ (1) v (2) giải ra x = 0,08 v R = 18,5 Phải có một gốc R < 18,5 Duy nhất chỉ... B ,C = mA = 32.0,05 = 1,67 nB + C = 0,08.3 = 0,03 5+3 1,78 = 59,3 0,03 Gọi y l số nguyên tử H trung bình trong phân tử 2 rợu B v C Ta có: CxH y OH = 59,3 hay 12x + y + 17 = 59,3 Rút ra: 12x + y = 42,3 Biện luận: x 1 2 3 4 y 30,3 18,3 6,3 6,3 Có 2 cặp nghiệm: C3H5OH (CH2 = CH CH2OH) v C3H7OH C3H3OH... xác định phần trăm khối lợng của mỗi chất trong hỗn hợp Giải: Chỉ có NaHCO3 bị phân hủy Đặt x l số gam NaHCO3 2NaHCO3 t Na2CO3 + CO2 + H2O 0 2.84g giảm: 44 + 18 = 62g xg giảm: 100 69 = 31g Ta có: 2,84 62 = x = 84 g x 31 Vậy NaHCO3 chiếm 84% v Na2CO3 chiếm 16% Ví dụ 5: Ho tan ho n to n 23,8g hỗn hợp một muối cacbonat của kim loại hoá trị I v một muối cacbonat của kim loại hoá trị II v o dd HCl thấy... gian lấy thanh kim loại ra thấy khối lợng giảm 0,05% Mặt khác nhúng thanh kim loại trên v o dd Pb(NO3)2, sau một thời gian thấy khối lợng tăng 7,1% Xác định M, biết rằng số mol CuSO4 v Pb(NO3)2 tham gia ở 2 trờng hợp nh nhau Giải: Gọi m l khối lợng thanh kim loại, A l NTK của kim loại, x l số mol muối phản ứng M + CuSO4 MSO4 + Cu Ag 1mol 64g giảm (A 64)g 0,05m g 100 xmol Rút ra: 0,05m x = 100 A... 0,05m 7,1m 100 = 100 A 64 207 A Từ (3) giải ra A = 65 Vậy kim loại M l kẽm (3) Ví dụ 3: Cho 3,78g bột Al phản ứng vừa đủ với dd muối XCl3 tạo th nh dd Y Khối lợng chất tan trong dd Y giảm 4,06g so với dd XCl3 xác định công thức của muối XCl3 Giải: Gọi A l NTK của kim loại X Al XCl3 AlCl3 + X + 3,78 = 0,14 0,14 27 Ta có: 0,14 (A + 35,5.3).0,14 (133,5.0,14) = 4,06 Giải ra A = 56 Kim loại X l Fe v muối... tăng 2,35% so với ban đầu Hỏi khối lợng thanh kẽm ban đầu Giải: Gọi khối lợng thanh kẽm ban đầu l a gam thì khối lợng tăng thêm l 2,35a gam 100 Zn + CdSO4 ZnSO4 + Cd 65g 1mol 112g tăng 112 65 = 47g 8,32 = 0,04 mol 208 Ta có tỉ lệ: 2,35a g 100 1 47 = 0,04 2,35a 100 Giải ra a = 80g Ví dụ 2: Nhúng thanh kim loại M hoá trị 2 v o dd CuSO4, sau một thời gian lấy thanh kim loại ra thấy khối lợng giảm 0,05% . năng toán học. Tính chất toán học của bài toán lấn át tính chất hóa học, làm lu mờ bản chất hóa học. Trên thực tế, HS chỉ quen giải bằng phơng pháp đại số, . H 2 d 4. Phơng pháp ghép ẩn số a) Cách giải: Một số bài toán cho thiếu dữ kiện nên giải bằng phơng pháp đại số ta có số ẩn nhiều hơn số phơng trình