Biên soạn : Thầy giáo Nguyễn Minh Tuấn – Trường THPT chuyên Hùng Vương – Phú Thọ; ĐT : 01223 367 990 hoặc 0936 079 282 Trên bước đường thành công không có dấu chân của kẻ lười biếng ! 1 GIÚP EM GIẢI NHANH BÀI TẬP HÓA HỌC HỮU CƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP BẢO TOÀN NGUYÊN TỐ (Được đăng trên Đặc san Toán học và Tuổi trẻ, số 15 THPT, 10/2014) 1. Nội dung phương pháp bảo toàn nguyên tố - Cơ sở của phương pháp bảo toàn nguyên tố là định luật bảo toàn nguyên tố : Trong phản ứng hóa học, các nguyên tố được bảo toàn. - Hệ quả của của định luật bảo toàn nguyên tố: Trong phản ứng hóa học, tổng số mol của một nguyên tố tham gia phản ứng bằng tổng số mol nguyên tố đó tạo thành sau phản ứng. - Phương pháp bảo toàn nguyên tố là phương pháp sử dụng hệ quả của định luật bảo toàn nguyên tố để giải bài tập hóa học. - Tính nhanh số mol nguyên tố, nhóm nguyên tố: Số mol nguyên tố X hoặc nhóm nguyên tố X = số nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử X trong đơn chất, hợp chất × số mol chất đó. Ví dụ : Đốt cháy hỗn hợp gồm C 2 H 4 , C 2 H 6 , C 2 H 2 , H 2 thu được CO 2 và H 2 O thì theo bảo toàn nguyên tố H, ta có : 2 2 2 2 4 2 6 2 H O C H C H C H H 2n 2n 4n 6n 2n = + + + - Sử dụng phương pháp bảo toàn nguyên tố khi giữa lượng chất cần tính và lượng chất đã biết đều có chứa cùng 1 nguyên tố hoặc một nhóm nguyên tố. 2. Ví dụ minh họa Ví dụ 1: Dẫn V lít (đktc) hỗn hợp X gồm axetilen và hiđro có khối lượng là m gam đi qua ống sứ đựng bột niken nung nóng, thu được khí Y. Dẫn Y vào lượng dư AgNO 3 trong dung dịch NH 3 , thu được 12 gam kết tủa. Khí đi ra khỏi dung dịch phản ứng vừa đủ với 16 gam brom và còn lại khí Z. Đốt cháy hoàn toàn khí Z được 2,24 lít khí CO 2 (đktc) và 4,5 gam H 2 O. Giá trị của V là : A. 11,2. B. 13,44. C. 5,60. D. 8,96. (Đề thi thử Đại học lần 2 – THPT chuyên Hùng Vương – Phú Thọ, năm học 2013 – 2014) Hướng dẫn giải ● Cách 1: Tính toán theo phương trình phản ứng Theo giả thiết, suy ra : Y gồm C 2 H 2 , C 2 H 4 , C 2 H 6 và có thể có H 2 . Z có C 2 H 6 và có thể có H 2 . Dựa vào số mol của các chất Br 2 , C 2 Ag 2 , CO 2 , H 2 O và bản chất phản ứng, ta có : o 3 3 o o o o 2 4 2 2 4 2 AgNO / NH , t 2 2 2 2 t 2 6 2 2 2 t 2 2 2 t , Ni 2 2 2 2 4 t , Ni 2 2 2 C H Br C H Br mol : 0,1 0,1 C H C Ag mol : 0,05 0,05 C H 3,5O 2CO 3H O mol : 0,05 0,1 0,15 2H O 2H O mol : 0,1 (0,25 0,15) 0,1 C H H C H mol : 0,1 0,1 0,1 C H 2H + → ← → ↓ ← + → + ← → + → ← − = + → ← ← + → 2 6 C H mol : 0,05 0,1 0,05← ← Suy ra : 2 2 2 2 2 2 H trong X C H trong X X (ñktc) C H H n 0,3; n 0,2 V V V 11,2 lít  = =   = + =   ● Cách 2: Sử dụng phương pháp bảo toàn nguyên tố Theo giả thiết, suy ra : 2 2 2 2 C H dö C Ag n n 0,05; = = 2 4 2 2 C H Br H O n n 0,1;n 0,25. = = = Nhận xét : Các chất trong X đều chứa 2 nguyên tử H. Mặt khác, số mol của C 2 H 2 dư, C 2 H 4 và H 2 O đều đã biết. Vậy áp dụng bảo toàn nguyên tố H là tính được số mol của hỗn hợp X. Vì thế không mất nhiều thời gian viết phương trình phản ứng và tính toán như cách 1. Áp dụng bảo toàn nguyên tố đối với H, ta có : Biên soạn : Thầy giáo Nguyễn Minh Tuấn – Trường THPT chuyên Hùng Vương – Phú Thọ; ĐT : 01223 367 990 hoặc 0936 079 282 Trên bước đường thành công không có dấu chân của kẻ lười biếng ! 2   2 2 2 2 2 2 4 2 X H C H C H dö C H H O 0,1 0,25 n 0,05 X X (ñktc) 2(n n ) 2n 4n 2n n 0,5 mol V 11,2 lít. + = + + ⇒ = ⇒ =   Đáp án A. Ví dụ 2: Oxi hoá 2,3 gam ancol etylic bằng CuO đun nóng, thu được 3,3 gam hỗn hợp X gồm anđehit, axit, ancol dư và nước. Hỗn hợp này tác dụng hết với Na sinh ra 0,84 lít H 2 (đktc). Hiệu suất phản ứng oxi hoá ancol là : A. 25%. B. 50%. C. 75%. D. 90%. (Đề thi thử lần 2 – Trường THPT Cẩm Khê – Phú Thọ, năm học 2013 – 2014) Hướng dẫn giải ● Cách 1: Tính toán theo phương trình phản ứng Khối lượng hỗn hợp X tăng lên so với khối lượng ancol ban đầu là do lượng O trong CuO phản ứng đã chuyển vào H 2 O và CH 3 COOH. Theo giả thiết, suy ra : 2 H n 0,0375; = CuO phaûn öùng O phaûn öùng n n (3,3 2,3) :16 0,0625. = = − = Gọi số mol của ancol tham gia phản ứng là x, y và số mol ancol dư là z. Phương trình phản ứng : 2 5 3 2 2 5 3 2 2 5 2 5 2 3 3 2 2 C H OH CuO CH CHO Cu H O x x x C H OH 2CuO CH COOH 2Cu H O y 2y y y 2C H OH 2Na 2C H ONa H z 0,5z 2CH COOH 2Na 2CH COONa H y 0,5y 2HOH 2Na 2NaOH H (x y) 0,5(x y) + → + + → → + → + + → → → + → + → + → + → + → + + → + 2 5 2 C H OH bñ H CuO pö n x y z 0,05 n 0,5y 0,5z (0,5x 0,5y) 0,0375 n x 2y 0,0625  = + + =   ⇒ = + + + =   = + =   x 0,0125; y 0,025; z 0,0125 0,05 0,0125 H 75% 0,05  = = =  ⇒ −  = =   ● Cách 2: Sử dụng phương pháp bảo toàn nguyên tố Sơ đồ phản ứng : 3 3 2 5 2 5 2 5 2 3 CH COOH CH COONa C H OH dö C H OH C H ONa H HOH NaOH CH CHO           → → +               Bản chất phản ứng (1) là C 2 H 5 OH bị oxi hóa bởi CuO, khối lượng hỗn hợp sau phản ứng tăng lên là do O trong CuO chuyển vào H 2 O và CH 3 COOH. Ở phản ứng (2), CH 3 COOH, C 2 H 5 OH dư, HOH có nguyên tử H linh động trong nhóm –OH nên tham gia phản ứng thế Na giải phóng H 2 , CH 3 CHO không tham gia phản ứng này. Sử dụng bảo toàn nguyên tố O trong phản ứng oxi hóa ancol và bảo toàn nguyên tố H của nhóm –OH trong phản ứng của X với Na, ta có : 3 3 2 5 2 2 5 HOH CH COOH O phaûn öùng HOH CH COOH C H OH dö H C H OH dö n n n 0,0625 n n n 2n 0,075 n 0,0125 0,05 0,0125 H 75% 0,05  + = =   + + = =    =  ⇒  − = =   Đáp án C. Ví dụ 3: Đốt cháy hoàn toàn 0,1 mol một ancol đơn chức trong 0,7 mol O 2 (dư), thu được tổng số mol các khí và hơi bằng 1 mol. Khối lượng (gam) ancol ban đầu đem đốt cháy là : A. 8,6. B. 6,0. C. 9,0. D. 7,4. (Đề thi tuyển sinh Đại học khối B năm 2014) Hướng dẫn giải Theo bảo toàn nguyên tố C, H, O, ta có : 2 x y 2 x y x y 2 2 2 2 2 2 CO C H O H O C H O C H O O pö CO H O O dö O bñ O pö n x.n ; 2n yn n 2n 2n n n n n  = =   + = +   = −   o CuO, t (1) Na (2) Biên soạn : Thầy giáo Nguyễn Minh Tuấn – Trường THPT chuyên Hùng Vương – Phú Thọ; ĐT : 01223 367 990 hoặc 0936 079 282 Trên bước đường thành công không có dấu chân của kẻ lười biếng ! 3 2 2 2 2 2 2 2 2 2 4 10 CO H O O pö O dö (CO , H O, O dö ) O pö O bñ C H O n 0,1x; n 0,05y n 0,1x 0,025y 0,05 n 0,75 0,1x 0,025y n 0,025y 0,75 1 n 0,1x 0,025y 0,05 n 0,7 y 10; x 4 y 10 m 7,4 gam x 5  = =   ⇒ = + −   = − −    = + =  ⇒  = + − < =    = =  =  ⇒ ⇒   = <   Đáp án D. Ví dụ 4: Cho 0,1 mol CH 3 COOH vào cốc chứa 30 ml dung dịch ROH 20% (d =1,2 g/ml, R là một kim loại kiềm). Cô cạn dung dịch sau phản ứng rồi đốt cháy hoàn toàn chất rắn khan thì thu được 9,54 gam chất rắn và có m gam hỗn hợp gồm CO 2 , hơi nước bay ra. Giá trị của m là : A. 10,02. B. 9,3. C. 7,54. D. 8,26. (Đề thi thử Đại học lần 1 – THPT chuyên KHTN – ĐHQG Hà Nội, năm học 2011 – 2012) Hướng dẫn giải Sau tất cả các phản ứng, R trong ROH đã chuyển hết vào R 2 CO 3 . Áp dụng bảo toàn nguyên tố đối với R, ta có : 2 3 2 3 ROH R CO ROH R CO 30.1,2.20% 9,54 n 2n 2. R 17 2R 60 R 23 (Na); n 0,18; n 0,09. = ⇒ = + + ⇒ = = = Sơ đồ phản ứng :  2 0,1 mol 3 0,1 mol 2 3 2 3 2 0,09 mol m gam H O CH COOH CO CH COOR R CO H O ROH dö     ↑     → +     ↑            Áp dụng bảo toàn nguyên tố đối với C và H cho toàn bộ quá trình phản ứng, ta có :    3 2 3 2 3 2 2 2 2 2 2 CH COOH R CO CO ? 0,09 0,1 CH COOH ROH H O (1) H O (2) 0,18 0,1 ?0,1 CO H O (2) CO H O (2) 2n n n 4n n 2n 2n n 0,11; n 0,19 m m m 8,26 gam  = +    + = +     = =  ⇒  = + =       Đáp án D. Ví dụ 5: Cho 6,08 gam chất hữu cơ X chứa C, H, O tác dụng với dung dịch NaOH vừa đủ, sau đó chưng khô thì phần bay hơi chỉ có nước, phần chất rắn khan còn lại chứa hai muối của natri chiếm khối lượng 9,44 gam. Nung hai muối này trong oxi dư, sau khi phản ứng hoàn toàn thu được 6,36 gam Na 2 CO 3 , 5,824 lít khí CO 2 (đktc) và 2,52 gam nước. Số mol oxi có trong X là : A. 0,24. B. 0,06. C. 0,12. D. 0,20. (Đề thi thử Đại học lần 1 – THPT Yên Lạc – Vĩnh Phúc, năm học 2013 – 2014) Hướng dẫn giải Gọi số mol H 2 O sinh ra trong phản ứng thủy phân và phản ứng đốt cháy lần lượt là 2 H O (1) n và 2 H O (2) n . Áp dụng bảo toàn nguyên tố Na cho toàn bộ quá trình phản ứng và bảo toàn khối lượng trong phản ứng của X với NaOH, ta có :   2 3 2 2 NaOH Na CO X NaOH muoái H O (1) 6,08 9,44 0,12.40 ? H O (1) n 2n 2.6,36 :106 0,12 m m m 18n n 0,08.  = = =   + = +   ⇒ =   Theo bảo toàn nguyên tố C, H và giả thiết, ta có:   2 2 3 2 2 C/ X CO Na CO 0,26 0,06 H/X H O (1) H O (2) NaOH 0,12 0,08 0,14 O/ X n n n 0,32 n 2 n 2n n 0,32 6,08 0,32.12 0,32 n 0,12 mol. 16  = + =    = + − =    − − ⇒ = =    Đáp án C.  0,18 mol ROH (1) o 2 O , t (2) Biên soạn : Thầy giáo Nguyễn Minh Tuấn – Trường THPT chuyên Hùng Vương – Phú Thọ; ĐT : 01223 367 990 hoặc 0936 079 282 Trên bước đường thành công không có dấu chân của kẻ lười biếng ! 4 Ví dụ 6: Xà phòng hoá hoàn toàn 0,1 mol một este no, đơn chức bằng 26 gam dung dịch MOH 28% (M là kim loại kiềm), rồi tiến hành chưng cất sản phẩm, thu được 26,12 gam chất lỏng X và 12,88 gam chất rắn khan Y. Đốt cháy hoàn toàn chất rắn Y, thu được H 2 O, V lít CO 2 (đktc) và 8,97 gam một muối duy nhất. Giá trị của V là: A. 5,264 lít. B. 14,224 lít. C. 6,160 lít. D. 5,600 lít. (Đề thi chọn học sinh giỏi tỉnh Nam Định, năm học 2011 – 2012) Hướng dẫn giải Theo giả thiết và bảo toàn nguyên tố M, ta có : 2 3 2 3 2 3 MOH M CO MOH M CO 0,1 mol KOH K CO 0,03 mol 7,28 n 2n n M 17 ; 7,28 2.8,97 8,97 n M 17 2M 60 2M 60 RCOOK M 39 (K) n 0,13 Y goàm KOH dö n 0,065   = =    +   ⇔ =   = + +   +    =     ⇒ = ⇒     =       2 5 Y C H m 0,1.(R 83) 0,03.56 12,88 R 29. − ⇒ = + + = ⇒ =  Khi đốt cháy Y, C trong C 2 H 5 COOK chuyển hết vào K 2 CO 3 và CO 2 . Theo bảo toàn nguyên tố C, ta có :  2 5 2 2 3 2 2 C H COOK CO K CO ? 0,1 0,065 CO CO (ñktc) 3n n n n 0,235 mol, V 5,264 lít. = + ⇒ = =   Đáp án A. Ví dụ 7: Thủy phân không hoàn toàn a gam tetrapeptit Gly-Ala-Gly-Val trong môi trường axit, thu được 0,2 mol Gly-Ala, 0,3 mol Gly-Val, 0,3 mol Ala và m gam hỗn hợp 2 amino axit Gly và Val. Giá trị của m là : A. 57,2. B. 82,1. C. 60,9. D. 65,2. (Đề thi thử Đại học lần 1 – THPT Hùng Vương – Phú Thọ, năm học 2013 – 2014) Hướng dẫn giải Theo giả thiết và sử dụng bảo toàn nhóm Ala, Gly và Val, ta có :    Gly Ala Gly Val Gly Ala Ala 0,3 0,2 Gly Gly Ala Gly Val Gly Ala Gly Val ? 0,2 0,3 0,5 Val Gly Val Gly Ala Gly Val ? 0,3 0,5 Gly Val (Gly, Val) n n n 0,5 n n n 2n n n n n 0,5, n 0,2 m − − − − − − − − − − − − −   = + =    + + =    + =    = = ⇒       Gly m Val 0,5.75 0,2.117 60,9 gam    = + =     Đáp án C. Ví dụ 8: Đốt cháy hoàn toàn 0,02 mol tripeptit X tạo thành từ amino axit mạch hở A có chứa một nhóm −COOH và một nhóm −NH 2 , thu được 4,032 lít CO 2 (đktc) và 3,06 gam H 2 O. Thủy phân hoàn toàn m gam X trong 100 ml dung dịch NaOH 2M, rồi cô cạn thu được 16,52 gam chất rắn. Giá trị của m là : A. 7,56. B. 6,93. C. 5,67. D. 9,24. (Đề thi thử Đại học lần 1 – THPT chuyên Nguyễn Huệ – Hà Nội, năm học 2013 – 2014) Hướng dẫn giải Đặt công thức của tripeptit x y 4 3 X laø C H O N . Theo bảo toàn nguyên tố C và H, ta có :   x y 4 3 2 x y 4 3 2 C H O N CO 0,18 0,02 9 17 4 3 C H O N H O 0,17 0,02 x.n n x 9; y 17 X laø C H O N y.n 2n  =   = =   ⇒   =        Suy ra amino axit là H 2 NCH(CH 3 )COOH. Trong phản ứng thủy phân hoàn toàn X bằng dung dịch NaOH, sau đó cô cạn dung dịch thì chất rắn thu được là muối H 2 NCH(CH 3 )COONa (hay có công thức phân tử là C 3 H 6 O 2 NNa) và có thể còn NaOH dư. Theo bảo toàn nguyên tố Na và giả thiết, ta có : 3 6 2 3 6 2 C H O NNa NaOH dö NaOH bñ C H O NNa NaOH dö n n n 0,2 111n 40n 16,52  + = =   + =   Biên soạn : Thầy giáo Nguyễn Minh Tuấn – Trường THPT chuyên Hùng Vương – Phú Thọ; ĐT : 01223 367 990 hoặc 0936 079 282 Trên bước đường thành công không có dấu chân của kẻ lười biếng ! 5 3 6 2 C H O NNa NaOH dö n 0,12; n 0,08 ⇒ = = Theo bảo toàn nguyên tố C, ta có : = = = ⇒ = ⇒ = 9 17 4 3 3 6 2 9 17 4 3 C H O N C H O NNa C H O N X 9n 3n 3.0,12 0,36 n 0,04 mol m 9,24 gam. Đáp án D. 3. Bài tập vận dụng Câu 1: Cho 224,00 lít metan (đktc) qua hồ quang điện, thu được V lít hỗn hợp X (đktc) chứa 12% C 2 H 2 ; 10% CH 4 ; 78% H 2 (về thể tích). Giả sử chỉ xảy ra 2 phản ứng : 2CH 4 → C 2 H 2 + 3H 2 (1) CH 4 → C + 2H 2 (2) Giá trị của V là : A. 407,27. B. 448,00. C. 520,18. D. 472,64. Đáp án A. Câu 2: Nung 8,13 gam hỗn hợp X gồm hai muối natri của 2 axit cacboxylic (một axit đơn chức và một axit hai chức) với vôi tôi xút dư, thu được 1,68 lít khí metan (đktc). Hãy cho biết nếu đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp X bằng oxi thì thu được bao nhiêu gam Na 2 CO 3 ? A. 5,565 gam. B. 6,36 gam. C. 4,77 gam. D. 3,975 gam. (Đề thi thử Đại học lần 1 – THPT chuyên Nguyễn Huệ – Hà Nội, năm học 2013 – 2014) Đáp án A. Câu 3: Đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp hai ancol đa chức cùng dãy đồng đẳng cần vừa đủ V lít O 2 (ở đktc). Sục sản phẩm cháy vào dung dịch nước vôi trong dư. Sau phản ứng thu được 8 gam kết tủa và khối lượng dung dịch giảm 2,5 gam so với dung dịch ban đầu. Giá trị của V là : A. 2,688 lít. B. 2,240 lít. C. 3,024 lít. D. 2,352 lít. (Đề thi thử Đại học lần 2 – THPT Yên Lạc – Vĩnh Phúc, năm học 2013 – 2014) Đáp án D. Câu 4: Hỗn hợp M gồm axit axetic và anđehit X. Đốt cháy hoàn toàn m gam M cần dùng vừa đủ 0,13 mol O 2 , sinh ra 0,1 mol CO 2 và 0,1 mol H 2 O. Cho toàn bộ lượng M trên vào lượng dư dung dịch AgNO 3 trong NH 3 đun nóng, sau khi kết thúc các phản ứng thu được 0,04 mol Ag. Công thức của X là : A. C 3 H 7 CHO. B. HCHO. C. CH 3 CHO. D. C 2 H 5 CHO. (Đề thi thử Đại học lần 1 – Trường THPT Chuyên – Đại học Vinh, năm học 2013 – 2014) Đáp án A. Câu 5: Đun nóng 0,1 mol este no, đơn chức E với 30 ml dung dịch 28% (d = 1,2 g/ml) của một hiđroxit kim loại kiềm M. Sau khi kết thúc phản ứng xà phòng hoá, cô cạn dung dịch thì thu được chất rắn A và 4,6 gam ancol B. Đốt cháy chất rắn A thì thu được 12,42 gam muối cacbonat, 8,26 gam hỗn hợp CO 2 và hơi nước. Tên gọi của E là : A. Metyl fomat. B. Etyl fomat. C. Etyl axetat. D. Metyl propionat. (Đề thi thử Đại học lần 1 – THPT Yên Lạc – Vĩnh Phúc, năm học 2013 – 2014) Đáp án C. Câu 6: X là một tetrapeptit cấu tạo từ một amino axit (A) no, mạch hở có 1 nhóm –COOH; 1 nhóm –NH 2 . Trong A %N = 15,73% (về khối lượng). Thủy phân m gam X trong môi trường axit thu được 41,58 gam tripeptit; 25,6 gam đipeptit và 92,56 gam A. Giá trị của m là : A. 159 gam. B. 143,45 gam. C. 161 gam. D. 141,74 gam. (Đề thi thử Đại học lần 1 – THPT Yên Lạc – Vĩnh Phúc, năm học 2013 – 2014) Đáp án B. Câu 7: Một tripeptit no, mạch hở X có công thức phân tử C x H y O 6 N 4 . Đốt cháy hoàn toàn 0,1 mol X, thu được 26,88 lít CO 2 (đktc) và m gam H 2 O. Giá trị của m là : A. 19,80. B. 18,90. C. 18,00. D. 21,60. (Đề thi thử Đại học lần 1 – THPT chuyên KHTN Huế, năm học 2013 – 2014) Đáp án A. Biên soạn : Thầy giáo Nguyễn Minh Tuấn – Trường THPT chuyên Hùng Vương – Phú Thọ; ĐT : 01223 367 990 hoặc 0936 079 282 Trên bước đường thành công không có dấu chân của kẻ lười biếng ! 6 . 079 282 Trên bước đường thành công không có dấu chân của kẻ lười biếng ! 1 GIÚP EM GIẢI NHANH BÀI TẬP HÓA HỌC HỮU CƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP BẢO TOÀN NGUYÊN TỐ (Được đăng trên Đặc san Toán. toàn nguyên tố là phương pháp sử dụng hệ quả của định luật bảo toàn nguyên tố để giải bài tập hóa học. - Tính nhanh số mol nguyên tố, nhóm nguyên tố: Số mol nguyên tố X hoặc nhóm nguyên tố. định luật bảo toàn nguyên tố : Trong phản ứng hóa học, các nguyên tố được bảo toàn. - Hệ quả của của định luật bảo toàn nguyên tố: Trong phản ứng hóa học, tổng số mol của một nguyên tố tham