Đang tải... (xem toàn văn)
PHƯƠNG PHÁP DẠY CÁCH CÂN BẰNG CÁC PHẢN ỨNG OXI HÓA KHỬ BẰNG CÁCH XÂY DỰNG CÁC PHÂN TỬ Chương trình tiêu chuẩn năm thứ nhất bao gồm một phần về cân bằng các phản ứng hóa học Học sinh cảm thấy khó hiểu.
PHƯƠNG PHÁP DẠY CÁCH CÂN BẰNG CÁC PHẢN ỨNG OXI HÓA KHỬ BẰNG CÁCH XÂY DỰNG CÁC PHÂN TỬ Chương trình tiêu chuẩn năm thứ bao gồm phần cân phản ứng hóa học Học sinh cảm thấy khó hiểu khái niệm ngày trình bày dạng thuật tốn thủ tục toán học Bài nộp phác thảo phương pháp dạy học sinh cách cân phản ứng oxi hóa khử cách sử dụng nguyên tắc hóa học biết: trạng thái oxi hóa (bao gồm gần ion phân tử), bảo toàn số lượng (bảo tồn khối lượng tính khơng chuyển hóa hạt hóa học) ion khán giả Phương pháp liên quan đến việc xác định cặp oxy hóa/khử cân phản ứng oxy hóa/khử xương (mất/tăng điện tử) để củng cố mối liên hệ thay đổi trạng thái oxy hóa chuyển điện tử Các loại phân tử phản ứng sau xây dựng cách thêm vào nguyên tố khác có trạng thái oxy hóa liên kết chúng, coi chúng ion khán giả Cân số lượng electron phản ứng oxy hóa khử dẫn đến phản ứng oxy hóa khử cân Phương pháp thử nghiệm nhiều loại phản ứng ví dụ ba loại phản ứng oxi hóa khử trình bày Dự kiến học sinh nắm vững khái niệm tiêu đề có liên kết với khái niệm hóa học bản, nâng cao hiểu biết họ khái niệm liên quan Giới thiệu Việc cân phản ứng oxi hóa khử phần chương trình hóa học năm thứ Mục tiêu đằng sau tập mở rộng khái niệm phép cân hóa học để xem xét electron (ngồi nguyên tử) Theo cách này, học sinh khuyến khích nghĩ electron vật thể chuyển giao lồi Điều có khả cho học sinh thấy electron phần khơng thể thiếu phản ứng Điều sau cung cấp liên kết (khái niệm) tự nhiên với cấu trúc electron cấu trúc Lewis Qua nhiều năm, khái niệm quan trọng phát triển từ khái niệm hóa học để hiểu thành quy trình thuật toán để nắm vững Kết phát triển phương pháp phát triển để cân phản ứng mang tính tốn học hơn2 ,3 đó, trừu tượng mặt hóa học Sự gia tăng tính trừu tượng dẫn đến việc học sinh khó nắm vững khái niệm Điều khơng có đáng ngạc nhiên xu hướng tốn học làm giảm mối liên hệ với nguyên tắc hóa học, thấy ngắt kết nối5 khả giải toán thuật tốn khả giải thích khái niệm học sinh Sự gia tăng tính trừu tượng điều khơng mong muốn gây bất lợi cách không tương xứng cho sinh viên thiếu tảng toán học vững Do đó, sở tốn học hoạt động hiệu người gác cổng cho thành công phép cân hóa học Việc mơ tả phương trình oxi hóa khử dạng hệ cần giải thuật tốn che giấu khái niệm hóa học liên quan học sinh tập giảm xuống thành việc ghi nhớ thuộc lòng thuật toán7 Cách tiếp cận “nửa phản ứng”8 để cân phản ứng oxi hóa khử xác định lồi trải qua q trình oxy hóa khử (và sản phẩm tương ứng chúng) cách tính tốn trạng thái oxy hóa tất nguyên tố loài Các bước sau áp dụng cho nửa phản ứng, Các nguyên tố khác oxy hydro cân bằng cách kiểm tra Các nguyên tử oxy cân bằng cách sử dụng phân tử nước Các nguyên tử hydro cân nhờ sử dụng ion H + Tổng điện tích cân bằng cách sử dụng electron Phương pháp rõ ràng giả định phản ứng xảy nước; giả định hợp lý cấp độ năm Quan trọng hơn, chuyển điện tử bước cuối quy trình, chuyển điện tử lý cho phản ứng oxi hóa khử Sự tách biệt (các bước) trình oxy hóa/khử chuyển điện tử dẫn đến tách biệt hai khái niệm tâm trí học sinh Sự cân electron khơng cịn liên quan đến thay đổi trạng thái oxy hóa Các nguyên tắc làm sở cho việc cân phản ứng (oxy hóa khử cách khác) tảng hóa học: bảo tồn khối lượng, tính khơng chuyển hóa hạt hóa học (ngun tử điện tử) chuyển điện tử loại bị oxy hóa khử Do đó, điều quan trọng học sinh khuyến khích tham gia vào khái niệm để giải vấn đề cân hóa học, cân hóa học trung tâm hóa học Dùng đến “thanh tra”1 thuật tốn tốn học trừu tượng giúp cải thiện hiểu biết học sinh nguyên tắc hóa học bản; trọng tâm cần tập trung vào hóa học Việc dạy học địi hỏi khái niệm tiềm ẩn phải làm rõ ràng Sự thông thạo đạt học sinh làm cho khái niệm rõ ràng trở nên tiềm ẩn Phương pháp đề xuất Phản ứng oxi hóa khử phản ứng hai nhiều nguyên tử trải qua thay đổi trạng thái oxi hóa chúng IUPAC định nghĩa trạng thái oxy hóa nguyên tử “điện tích nguyên tử sau xấp xỉ ion liên kết dị nhân nó”.9 Theo định nghĩa này, tất nguyên tử phân tử đa nguyên tố mô tả ion Do đó, thay đổi trạng thái oxy hóa thay đổi điện tích ion phân tử Học sinh thường biết khái niệm “ion khán giả” hóa học oxi hóa khử (đặc biệt phép cân hóa học oxi hóa khử) giới thiệu Trong phương pháp đề xuất, khái niệm 'ion khán giả' mở rộng cho ion phân tử (các nguyên tử gán điện tích trạng thái oxy hóa chúng) Do đó, phân tử tạo thành từ 'ion', phù hợp với định nghĩa IUPAC trạng thái oxy hóa Sau đó, biểu diễn rõ ràng nửa phản ứng tăng giảm electron nguyên tử nguyên tố Điều củng cố rõ ràng mối quan hệ q trình oxy hóa/khử chuyển điện tử Nửa phản ứng oxy hóa/khử hồn thành cách thêm đủ 'ion khán giả' (các số hai vế phương trình để đảm bảo cân bằng) để hoàn thành tất loài hai vế phương trình Quy trình tóm tắt bước sau (áp dụng cho nửa phản ứng oxi hóa khử): Ngun tố bị oxi hóa/khử (vế trái phương trình) dạng bị khử/bị oxi hóa tương ứng (vế phải) xác định từ trạng thái oxi hóa Điều tạo thành nửa phản ứng xương Các electron thêm vào để cân điện tích Đủ 'nguyên tử khán giả' (với số oxi hóa chúng điện tích) thêm đồng vào hai phía nửa phản ứng oxi hóa khung để tạo thành phân tử/ion Điều mang lại nửa phản ứng Thêm H + vừa đủ (bằng cho hai phía phản ứng) để chuyển hóa tất O 2- với nước (điều kiện axit) b O 2- đến [OH] - (điều kiện bản) c H + không cân trung hòa với nước cách thêm [OH] - (điều kiện bản) Như phương pháp truyền thống, nửa phản ứng oxy hóa khử nhân với hệ số phù hợp để cân số lượng electron chuyển Sau đó, hai phản ứng thêm vào kết đơn giản hóa cách loại bỏ lồi có mặt hai phía phương trình Phương pháp bắt nguồn từ khái niệm nguyên tố bị oxy hóa/khử phân tử khơng ảnh hưởng đến ngun tử khác có mặt Những nguyên tử khác coi ngun tử khán giả số oxi hóa chúng khơng thay đổi phản ứng Vì lý này, cộng chúng cách riêng biệt hai vế phương trình Sau đó, xây dựng phân tử ion đa nguyên tử tham gia vào phản ứng Bằng cách thêm loại với số lượng vào hai phía phản ứng, chúng tơi đảm bảo bước cân bằng, củng cố nguyên tắc bảo toàn số lượng giảm thiểu sai sót làm việc Ví dụ Mousavi10 mơ tả ba loại phản ứng oxi hóa khử trình bày phương pháp để cân chúng Phản ứng loại I phản ứng lồi phân tử trải qua q trình oxy hóa khử; tình trạng nhìn thấy phản ứng điện phân Phản ứng loại II định nghĩa phản ứng nguyên tố có nhiều trạng thái ơxi hóa vế phải phương trình; điển hình phản ứng không cân xứng Loại III bao gồm tất phản ứng oxi hóa khử khơng thuộc loại I II Ba tình xử lý phương pháp bên Để rõ ràng, phản ứng xem xét Mousavi10 khám phá 3.1 Phản ứng loại I Loại phản ứng liên quan đến chất phản ứng nhiều sản phẩm Một ví dụ điện phân nước (1) Các trạng thái oxy hóa nguyên tố tham gia vào phản ứng đưa • Bảng Các trạng thái oxi hóa xảy trình điện phân nước Nửa phản ứng oxy hóa xương (2) Phản ứng nhân đơi để tính số lượng nguyên tử oxy vế phải (phân tử oxy) phương trình (3) Tiếp theo, phân tử vế trái phản ứng hình thành cách thêm H + (4) Phương trình nửa phản ứng oxi hóa Nửa phản ứng giảm xương (5) Phản ứng nhân đôi để tạo nên phân tử hydro (6) Phương trình nửa phản ứng khử Phương trình phải nhân đơi để cân số lượng electron nửa phản ứng oxy hóa khử (7) Thêm phương trình (và giữ lại tất điều khoản) dẫn đến (số 8) Hủy bỏ điều khoản chung dẫn đến phản ứng ròng (9) 3.2 Phản ứng loại II Trong loại phản ứng này, ngun tố có mặt hai trạng thái oxy hóa phía bên tay phải phản ứng Một ví dụ loại phản ứng q trình oxy hóa natri kim loại nước, tạo thành natri hydroxit giải phóng hydro (10) Trạng thái oxi hóa ngun tố • Bảng Các trạng thái oxy hóa xảy phản ứng natri kim loại với nước Trong phản ứng này, natri bị oxy hóa hydro bị khử Nửa phản ứng oxy hóa xương (11) Lồi phía bên tay phải hoàn thành cách thêm nguyên tử oxy (trạng thái oxy hóa 2-) nguyên tử hydro (trạng thái oxy hóa 1+) Điều mang lại (12) Đây nửa phản ứng oxy hóa Nửa phản ứng giảm xương (13) Phản ứng phải nhân đơi để tạo khí hydro (14) Đây nửa phản ứng giảm Để kết hợp nửa phản ứng oxy hóa khử, số lượng electron chuyển phải Do đó, Phương trình 12 phải nhân đơi trước thêm vào Phương trình 14 Phương trình thu (giữ tất số hạng) (15) Loại bỏ thuật ngữ thông thường nhận H + [OH] - kết hợp với để tạo thành nước, phương trình cân cuối thu (16) 3.3 Các phương trình phù hợp với hai loại I II Đây thể loại chứa số lượng lớn phản ứng 10 Một ví dụ loại phản ứng tương tác chì(IV) oxit axit để tạo muối chì(II) giải phóng khí oxy (17) Sinh viên năm thứ điển hình xác định ion nitrat đóng vai trò khán giả phản ứng Phản ứng tích cực (18) Trạng thái oxi hóa nguyên tố phản ứng cho bảng • Bảng Các trạng thái oxi hóa xảy phản ứng chì(IV) oxit với axit Trong phản ứng này, oxy bị oxy hóa chì bị khử Nửa phản ứng oxy hóa xương (19) Phương trình phải nhân đơi để tạo thành khí oxy Thêm Pb 4+ vào để hồn thành phân tử (PbO vế trái), (20) Đây nửa phản ứng oxy hóa Nửa phản ứng khử xương khử chì(IV) thành chì(II) (21) Hồn thiện phân tử (PbO vế trái) dẫn đến (22) Đây nửa phản ứng giảm Nhân đơi phương trình 22 (để cân electron) thêm vào phương trình 20 mang lại (23) Bỏ qua thuật ngữ chung (và nhận Pb 4+ + 2O 2- → PbO ) dẫn đến (24) Các ion oxit phản ứng chuyển thành nước ion H + phương trình cân để tạo (25) Phản ứng cân mà không xác định ion nitrat khán giả Tuy nhiên, việc áp dụng kiến thức ion khán giả điều tự nhiên khái niệm sử dụng để xây dựng phân tử Quan trọng hơn, phương trình 24 cho thấy phản ứng xảy chất axit dung dịch (cần có axit) xảy sử dụng axit khác Cái nhìn sâu sắc hóa học có giá trị thu sản phẩm phụ trình cân phương trình 3.4 Phản ứng loại III Loại III đề cập đến phản ứng oxi hóa khử khơng phân loại theo Loại I II Đây loại phản ứng dễ cân đại diện cho cặp oxi hóa khử Sự hịa tan chu sa nước cường toan ví dụ (28) Các trạng thái oxy hóa nguyên tố trình bày • Bảng Các trạng thái oxy hóa xảy hịa tan chu sa nước cường toan Nửa phản ứng oxy hóa xương (29) Thêm vào Hg 2+ để hoàn thành chất phản ứng HgS dẫn đến (30) Sản phẩm hoàn thành cách bổ sung đủ H + Cl - , khán giả q trình oxy hóa khử (31) Đây nửa phản ứng oxy hóa Nửa phản ứng khử xương liên quan đến trình khử nitơ(V) thành nitơ(II) (32) Thêm O 2- H + vừa đủ để tạo thành HNO ; điều đáp ứng cần thiết cho KHÔNG (33) Các ion oxit phía bên tay phải chuyển thành nước cách thêm H + vừa đủ (34) Đây nửa phản ứng giảm Để cân electron, phương trình 31 phải nhân với phương trình 34 với Cộng phương trình kết mang lại (35) Loại bỏ thuật ngữ thông thường xác định H + Cl - tạo HCl, thu phương trình cân cuối (36) Kết luận Trạng thái oxy hóa sử dụng sinh viên đại học năm thứ để cân phản ứng oxy hóa khử chí phức tạp mà khơng cần ghi nhớ thuật toán phức tạp; yêu cầu họ xác định cặp oxi hóa khử Việc học nâng cao độ phức tạp (các) khái niệm giảm bớt kết nối với khái niệm biết (ngữ cảnh).11 Trình bày phương pháp dựa nguyên tắc hóa học mà khơng cần dùng đến quy trình tốn học phức tạp Trong phương pháp phác thảo minh họa đây, thay đổi số oxi hóa liên kết trực tiếp với số lượng electron cần thiết cho quy trình Cách tiếp cận tận dụng phép tính gần liên quan đến định nghĩa trạng thái oxy hóa (xấp xỉ ion) khái niệm ion khán giả phép học sinh tiếp thu định nghĩa q trình oxy hóa khử tương ứng nhận electron Điều quan trọng phải liên hệ rõ ràng trình oxy hóa/khử với ngun tử bị oxy hóa/khử tỷ lệ lớn học sinh xác định sai loại liên quan đến chuyển điện tử Người ta hy vọng nhà giáo dục thấy phương pháp hữu ích việc cải thiện hiểu biết khái niệm hóa học học sinh ... tương ứng chúng) cách tính tốn trạng thái oxy hóa tất nguyên tố loài Các bước sau áp dụng cho nửa phản ứng, Các nguyên tố khác oxy hydro cân bằng cách kiểm tra Các nguyên tử oxy cân bằng cách. .. nửa phản ứng oxi hóa Nửa phản ứng giảm xương (5) Phản ứng nhân đôi để tạo nên phân tử hydro (6) Phương trình nửa phản ứng khử Phương trình phải nhân đôi để cân số lượng electron nửa phản ứng. .. giả phản ứng Phản ứng tích cực (18) Trạng thái oxi hóa nguyên tố phản ứng cho bảng • Bảng Các trạng thái oxi hóa xảy phản ứng chì(IV) oxit với axit Trong phản ứng này, oxy bị oxy hóa chì bị khử