Khóa luận Nghiên cứu áp dụng các định luật bảo toàn vào việc giải nhanh các bài toán về kim loại sắt

88 trang

tuanhung

1208

3 Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Khóa luận Nghiên cứu áp dụng các định luật bảo toàn vào việc giải nhanh các bài toán về kim loại sắt", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨAVIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
KHOA HÓA ¯¯¯&¯¯¯
NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Huỳnh Thị Thu Vỹ
Lớp : 05HH
1. Tên đề tài : “Nghiên cứu áp dụng các định luật bảo toàn vào việc giải nhanh các bài toán về kim loại sắt”
2. Nội dung nghiên cứu
a. Cơ sở lý luận:
- Cơ sở lý luận về bài tập hóa học
- Những định luật bảo toàn có thể áp dụng để giải nhanh bài toán hóa học
- Khái quát những nội dung về kim loại sắt được giảng dạy ở trường phổ thông
b. Áp dụng các định luật bảo toàn vào việc giải nhanh bài toán về kim loại sắt và những sai lầm có thể gặp của học sinh:
- Các dạng bài tập liên quan đến kim loại sắt
- Phân tích những sai lầm có thể gặp của học sinh
c. Hệ thống bài tập về kim loại sắt
3. Giáo viên hướng dẫn: Th.S Nguyễn Thị Lan Anh
4. Ngày giao đề tài: 30/10/2008
5. Ngày hoàn thành: 30/05/2009
Chủ nhiệm khoa Giáo viên hướng dẫn
( Ký và ghi rõ họ tên) ( Ký và ghi rõ họ tên)
PGS. TS Đào Hùng Cường Th.S Nguyễn Thị Lan Anh
Sinh viên đã hoàn thành và nộp báo cáo cho Khoa ngày tháng năm 2009
Kết quả điểm đánh giá:
Ngày tháng năm 2009
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
(Ký và ghi rõ họ tên)
LỜI CẢM ƠN
Khoá luận tốt nghiệp của em cuối cùng đã hoàn chỉnh. Để đạt được kết quả đó bên cạnh sự nỗ lực của bản thân em còn nhận được rất nhiều sự giúp đỡ từ giáo viên hướng dẫn, các thầy cô trong khoa Hoá - Trường Đại học Sư phạm - Đại học Đà Nẵng.
Với lòng biết ơn sâu sắc em xin chân thành cảm ơn Cô giáo Th.S Nguyễn Thị Lan Anh đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, động viên, giúp đỡ em trong suốt thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận văn này.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban chủ nhiệm khoa và các thầy cô trong khoa Hoá đã tạo mọi điều kiện để em hoàn thành được khoá luận tốt nghiệp của mình.
Đà Nẵng ngày 01 tháng 06 năm 2009
Sinh viên
Huỳnh Thị Thu Vỹ
MỤC LỤC
1.2.4. TRẠNG THÁI TỰ NHIÊN: 8
1.2.5. MỘT SỐ HỢP CHẤT CỦA SẮT 9
1.2.5.1. HỢP CHẤT SẮT(II) 9
1.2.5.2. HỢP CHẤT SẮT(III): 10
1.2.5.3. HỢP KIM CỦA SẮT: 11
Chương 2. ÁP DỤNG CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN VÀO VIỆC GIẢI NHANH BÀI TOÁN VỀ KIM LOẠI SẮT 13
2.1. NHỮNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN CÓ THỂ ÁP DỤNG ĐỂ GIẢI NHANH BÀI TOÁN HOÁ HỌC: 13
2.1.1. ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN KHỐI LƯỢNG: 13
2.1.1.1 Nội dung của định luật: 13
2.1.1.2. Kinh nghiệm áp dụng định luật: 13
2.1.1.3. Công thức của định luật: 13
2.1.2. ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NGUYÊN TỐ: 14
2.1.2.1. Nội dung của định luật: 14
2.1.2.2. Kinh nghiệm áp dụng định luật: 14
2.1.2.3. Công thức của định luật: 15
2.1.3. ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN ELECTRON: 15
2.1.3.1. Nội dung của định luật: 15
2.1.3.2. Kinh nghiệm áp dụng định luật: 15
2.1.3.3. Công thức của định luật: 16
2.1.4. ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN ĐIỆN TÍCH: 16
2.1.4.1. Nội dung của định luật: 16
2.1.4.2. Kinh nghiệm áp dụng định luật: 16
2.1.4.3. Công thức của định luật: 17
2.2. MỘT SỐ DẠNG TOÁN THƯỜNG GẶP VỀ KIM LOẠI SẮT CÓ THỂ ÁP DỤNG CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN ĐỂ GIẢI NHANH 17
2.2.1. DẠNG TOÁN SẮT TÁC DỤNG VỚI AXIT (HCl, H2SO4 , HNO3...) 17
2.2.1.1. Phương pháp giải: 17
2.2.1.2. Bài tập vận dụng 18
2.2.2. DẠNG TOÁN HOÀ TAN SẮT VÀ HỢP CHẤT CÓ TÍNH KHỬ CỦA SẮT BẰNG DUNG DỊCH AXIT (HCl, H2SO4, HNO3...) 20
2.2.2.1. Phương pháp giải: 20
2.2.2.2. Bài tập vận dụng : 21
2.2.3. DẠNG TOÁN SẮT TÁC DỤNG VỚI PHI KIM: 24
2.2.3.1. Phương pháp giải: 24
2.2.3.2. Bài tập áp dụng: 24
2.2.4. DẠNG TOÁN KHỬ OXIT SẮT BẰNG CÁC CHẤT KHỬ NHƯ 28
2.2.4.1. Phương pháp giải 28
2.2.4.2. Bài tập vận dụng: 29
2.2.5. DẠNG TOÁN TÌM CÔNG THỨC PHÂN TỬ CỦA OXIT SẮT 31
2.2.5.1. Phương pháp giải: 31
2.2.5.2. Bài tập vận dụng: 32
2.2.6. DẠNG TOÁN SẮT TÁC DỤNG VỚI DUNG DỊCH MUỐI 35
2.2.6.1. Phương pháp giải: 35
2.2.6.2. Bài tập vận dụng: 36
Chương 3. HỆ THỐNG BÀI TẬP VỀ KIM LOẠI SẮT 39
3.1. DẠNG TOÁN SẮT TÁC DỤNG VỚI AXIT (HCl, H2SO4 , HNO3...) 39
3.2. DẠNG TOÁN HOÀ TAN SẮT VÀ HỢP CHẤT CÓ TÍNH KHỬ CỦA SẮT BẰNG DUNG DỊCH AXIT (HCl, H2SO4, HNO3...) 45
3.3. DẠNG TOÁN SẮT TÁC DỤNG VỚI PHI KIM: 54
3.4. DẠNG TOÁN KHỬ OXIT SẮT BẰNG CÁC CHẤT KHỬ NHƯ 57
3.5. DẠNG TOÁN TÌM CÔNG THỨC PHÂN TỬ CỦA OXIT SẮT 65
3.6. DẠNG TOÁN SẮT TÁC DỤNG VỚI DUNG DỊCH MUỐI 72
3.7. MỘT SỐ BÀI TẬP TỔNG HỢP VỀ SẮT 74
KẾT LUẬN 81
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................82
MỞ ĐẦU
1. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI:
Bài tập về sắt là một trong những bài tập hay, phổ biến trong các đề kiểm tra. Đặc biệt trong các kì thi tốt nghiệp và đại học từ trước đến nay, hình thức thi tự luận cũng như trắc nghiệm, bài tập về sắt chiếm một tỉ lệ khá cao (khoảng 20 – 30% trong các đề thi tự luận và 10% trong các đề thi trắc nghiệm).
Hiện nay, với việc chuyển đổi hình thức thi từ tự luận sang trắc nghiệm khách quan, thời gian làm bài mỗi câu trắc nghiệm khách quan chưa tới hai phút. Việc giải các bài toán hoá học dạng trắc nghiệm theo phương pháp tự luận không còn thích hợp nữa vì nó tốn quá nhiều thời gian cho việc viết và cân bằng phương trình hoá học.
Để làm nhanh các bài toán hoá học dạng trắc nghiệm, đòi hỏi học sinh ngoài việc nắm vững kiến thức hoá học, có một năng lực tư duy tốt, kỹ năng phản ứng nhanh đối với các dạng bài tập trắc nghiệm khác nhau, học sinh còn phải biết vận dụng các phương pháp giải nhanh để giải.
Một trong các phương pháp giải nhanh các bài toán hoá học là áp dụng các định luật bảo toàn như: “ Định luật bảo toàn khối lượng, định luật bảo toàn nguyên tố, định luật bảo toàn electron, định luật bảo toàn điện tích....” Trong quá trình áp dụng, học sinh không khỏi mắc các sai lầm. Việc nghiên cứu, phân tích các sai lầm để giúp học sinh không mắc phải những sai lầm đó, nhằm giúp học sinh đạt điểm cao trong các kì thi là một việc làm rất cần thiết và bổ ích.
Xuất phát từ những lý do trên, chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu áp dụng các định luật bảo toàn vào việc giải nhanh các bài toán về kim loại sắt” để nghiên cứu trong luận văn tốt nghiệp.
2. KHÁCH THỂ NGHIÊN CỨU VÀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU:
2.1. Khách thể nghiên cứu:
Quá trình học tập môn hoá học ở trường THPT
2.2. Đối tượng nghiên cứu:
Nghiên cứu những sai lầm của học sinh khi áp dụng các định luật bảo toàn vào việc giải nhanh các bài toán về kim loại Fe.
3. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU:
- Nghiên cứu các dạng toán về kim loại sắt có thể áp dụng các định luật bảo toàn để giải nhanh.
- Nghiên cứu những sai lầm có thể gặp của học sinh khi giải các dạng toán đó và đề xuất biện pháp khắc phục nhằm nâng cao chất lượng dạy học môn hoá học ở trường THPT.
4. NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI:
- Nghiên cứu các tài liệu, văn bản về bài tập hoá học của học sinh phổ thông.
- Nghiên cứu những sai lầm có thể gặp của học sinh để tìm cách khắc phục trong quá trình dạy học.
- Lựa chọn, xây dựng, sắp xếp hệ thống các bài toán về kim loại sắt có thể dùng các định luật bảo toàn để giải nhanh.
5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC:
5.1. Nghiên cứu lí luận:
- Nghiên cứu các văn bản và chỉ thị của Đảng, nhà nước và Bộ giáo dục – Đào tạo có liên quan đến đề tài.
- Nghiên cứu các tài liệu liên quan về lý luận dạy học, tâm lý học, giáo dục học và các tài liệu khoa học cơ bản có liên quan đến đề tài. Đặc biệt nghiên cứu kĩ những sai lầm của học sinh thường mắc phải và các phương pháp giải nhanh một số bài toán hóa học.
5.2. Điều tra cơ bản và trao đổi kinh nghiệm:
- Điều tra tổng hợp ý kiến các nhà nghiên cứu giáo dục, các giáo viên dạy hóa ở trường THPT về nội dung, kiến thức và kĩ năng sử dụng các bài toán về kim loại sắt trong chương trình THPT.
- Thăm dò ý kiến của giáo viên và học sinh về những sai lầm có thể gặp của học sinh khi áp dụng các định luật bảo toàn để giải nhanh các bài toán về kim loại sắt.
6. ĐIỂM MỚI CỦA ĐỀ TÀI:
Nghiên cứu và dự đoán các sai lầm có thể gặp của học sinh khi áp dụng các định luật bảo toàn để giải nhanh một số bài toán về kim loại sắt. Đề xuất biện pháp để khắc phục những sai lầm đó.
Chương 1
CƠ SỞ LÝ LUẬN
1.1. CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ BÀI TẬP HOÁ HỌC: [11]
1.1.1. KHÁI NIỆM VỀ BÀI TẬP HÓA HỌC:
Bài tập hóa học là những bài tập mà khi hoàn thành chúng, học sinh sẽ nắm được một tri thức hay kỹ năng nhất định nào đó về hóa học. Bao gồm:
- Những bài tập chỉ đòi hỏi học sinh tái hiện lại kiến thức như những câu hỏi về những định luật, quy tắc, khái niệm....
- Những bài tập đòi hỏi hoạt động sáng tạo ở học sinh đó là những bài toán hóa học.
Chính những bài toán hóa học là phương tiện cực kỳ quan trọng để phát triển tư duy cho học sinh chứ không phải những câu hỏi. Việc hình thành và phát triễn kỹ năng giải các bài toán hóa học cho phép thực hiện những mối liên hệ qua lại mới giữa các tri thức thuộc cùng một trình độ của cùng một năm học và thuộc những trình độ khác nhau của những năm học khác nhau. Đặc biệt là mối liên hệ qua lại giữa tri thức và kỹ năng.
1.1.2. TẦM QUAN TRỌNG CỦA BÀI TẬP HÓA HỌC:
- Trong dạy học hóa học, bài tập hóa học vừa là nội dung vừa là phương pháp dạy học tích cực, hiệu nghiệm, được áp dụng phổ biến và thường xuyên ở các cấp học và các loại trường khác nhau. Được sử dụng ở tất cả các khâu của quá trình dạy học như nghiên cứu tài liệu mới, củng cố, vận dụng, khái quát hóa – hệ thống hóa và kiểm tra đánh giá kiến thức, kỹ năng, kỹ xảo của học sinh.
- Không những cung cấp cho học sinh cả kiến thức, cả con đường giành lấy kiến thức mà còn mang lại niềm vui sướng của sự phát hiện, tìm ra đáp số. Có hiệu quả sâu sắc trong việc hình thành phương pháp chung của việc tự học hợp lý, rèn luyện kĩ năng tự lực, sáng tạo.
- Là phương tiện cơ bản để rèn luyện các thao tác tư duy đồng thời giúp học sinh hiểu kiến thức một cách sâu sắc, biết vận dụng kiến thức một cách linh hoạt và có hiệu quả từ đó phát triển năng lực nhận thức cho học sinh. Đồng thời giúp học sinh tập vận dụng kiến thức hóa học vào thực tế cuộc sống, sản xuất và nghiên cứu khoa học.
- Phương pháp luyện tập thông qua việc sử dụng bài tập hóa học là một trong các phương pháp quan trọng nhất để nâng cao chất lượng dạy học hóa học.
1.1.3. TÁC DỤNG CỦA BÀI TẬP HÓA HỌC:
- Rèn luyện cho học sinh kỹ năng vận dụng được các kiến thức đã học, biến những kiến thức tiếp thu được qua các bài giảng của thầy thành kiến thức của chính mình.
- Đào sâu mở rộng kiến thức đã học một cách sinh động, phong phú, hấp dẫn, giúp học sinh nắm vững kiến thức một cách sâu sắc mà không làm nặng khối lượng kiến thức học sinh.
- Kiến thức cũ nếu chỉ đơn thuần nhắc lại sẽ làm cho học sinh chán vì không có gì mới và hấp dẫn. Bài tập hóa học sẽ ôn tập, củng cố và hệ thống hóa các kiến thức đã học một cách thuận lợi nhất. Một số đáng kể bài tập đòi hỏi học sinh phải vận dụng tổng hợp kiến thức của nhiều nội dung ở nhiều chương, nhiều bài khác nhau. Qua việc giải các bài tập hóa học học sinh sẽ tìm ra mối liên hệ giữa các nội dung từ đó sẽ hệ thống hóa được kiến thức đã học.
- Rèn luyện được những kỹ năng cần thiết về hóa học như kỹ năng cân bằng phản ứng, kĩ năng tính toán theo công thức hóa học và phương trình hóa học, kĩ năng thực hành... góp phần vào việc giáo dục kĩ năng tổng hợp, đồng thời phát triễn trí thông minh ở học sinh.
1.1.4. BẢN CHẤT CỦA VIỆC GIẢI MỘT BÀI TOÁN HÓA HỌC:
Ta có thể biểu diễn bản chất của việc giải một bài toán hóa học theo sơ đồ sau:
Kết quả thuộc dạng cơ bản
Kết quả thuộc dạng không cơ bản
Tính toán theo
các ptpứ hóa học
Giả thiết cơ bản
Giả thiết không cơ bản
1.1.5. CÁC BƯỚC GIẢI MỘT BÀI TOÁN HÓA HỌC TỔNG HỢP:
Để giải một bài toán hoá học một cách nhanh và chính xác, đầu tiên ta cần phân tích kĩ đề, tìm những phương pháp có thể giải được bài toán đó, rồi suy nghĩ xem đâu là cách giải nhanh nhất, tối ưu nhất. Cụ thể các bước thường sử dụng để giải một bài toán hoá học tổng hợp như sau:
- Bước 1: Liệt kê các dữ kiện, yêu cầu của đề bài.
- Bước 2: Đặt ẩn số: thường là số mol, công thức chung.
- Bước 3: Viết tất cả các phương trình phản ứng hoá học xảy ra (nhớ cân bằng phương trình phản ứng).
- Bước 4: Dựa vào các dữ kiện đề bài cho và các dữ kiện biện luận theo phương trình phản ứng để thiết lập mối liên hệ giữa dữ kiện đề bài với yêu cầu đề bài, lập các phương trình đại số.
- Bước 5: Sử dụng các thủ thuật tính toán như phương pháp trung bình, phương pháp ghép ẩn ..., áp dụng các định luật cơ bản của hoá học như định luật bảo toàn khối lượng, bảo toàn electron.... để giải quyết vấn đề.
- Bước 6: Kiểm tra lại và kết luận.
* Các công thức thường sử dụng khi giải bài toán hoá học:
; ( đktc) ; ; n = CM . V ;
1.2. KHÁI QUÁT NHỮNG NỘI DUNG VỀ KIM LOẠI SẮT ĐƯỢC GIẢNG DẠY Ở TRƯỜNG PHỔ THÔNG: [9], [5], [2]
1.2.1. VỊ TRÍ VÀ CẤU TẠO:
- Là nguyên tố kim loại chuyển tiếp họ d, thuộc nhóm VIIIB, chu kì 4 của Bảng tuần hoàn các NTHH, có số hiệu nguyên tử Z= 26.
- Cấu hình electron 26Fe: 1s22s22p63s23p63d64s2
E
#
#
#
#
E
- Phân bố các e lớp ngoài cùng vào các obitan:
3d6 4 s2
® nguyên tử Fe có thể nhường 2epl4s hoặc 3e (2epl4s + 1epl3d) để tạo ra các ion Fe2+ hoặc Fe3+.
- Tuỳ thuộc vào nhiệt độ, kim loại Fe có thể tồn tại ở các dạng tinh thể khác nhau: lập phương tâm khối (Feα) hoặc lập phương tâm diện (Fe).
1.2.2. TÍNH CHẤT VẬT LÍ:
- Fe có màu trắng hơi xám, dẻo, dễ rèn, dễ dát mỏng, dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, dưới 800oC sắt có tính nhiễm từ.
- dFe = 7,9g/cm3 , tonc = 1540oC, tos= 2870oC
1.2.3. TÍNH CHẤT HOÁ HỌC:
- Fe là kim loại có tính khử trung bình, có thể bị oxi hoá thành Fe2+ hoặc Fe3+
1.2.3.1. Tác dụng với phi kim: toC
Fe + S FeS
toC
2Fe + 3Cl2 2FeCl3
1.2.3.2. Tác dụng với axit:
- Với dd HCl và H2SO4 loãng: tạo muối Fe2+ + H2
Fe + 2HCl ® FeCl2 + H2
Fe + H2SO4 ® FeSO4 + H2
- Với dd HNO3 loãng, HNO3 đặc, H2SO4 đặc và đun nóng:
+
Fe
H2SO4 đặc, to
Fe2(SO4)3 + SO2
+ H2O
HNO3
loãng
Fe(NO3)3
+ NH4NO3 hoặc N2 hoặc N2O hoặc NO
đặc, to
+NO2
* Lưu ý: Fe + ( HNO3, H2SO4) đặc nguội
1.2.3.3. Tác dụng với dung dịch muối:
Fe khử được những ion kim loại đứng sau nó (trong dãy điện hoá), khi không có mặt chất oxi hoá chỉ tạo muối sắt (II).
* Ví dụ: Fe + CuSO4 ® FeSO4 + Cu¯
Fe + 2AgNO3 ® Fe(NO3)2 + 2Ag¯
1.2.3.4. Tác dụng với nước:
- Fe không khử được nước ở nhiệt độ thường.
- Fe khử được hơi nước ở nhiệt độ cao:
t0<5700C
Fe + H2O Fe3O4 + H2
t0>5700C
Fe + H2O FeO + H2
1.2.4. TRẠNG THÁI TỰ NHIÊN:
- Fe là kim loại phổ biến nhất trong vỏ quả đất sau Al
- Trong tự nhiên, Fe tồn tại chủ yếu ở dạng hợp chất. Ở trạng thái tự do chỉ có trong các thiên thạch.
- Một số quặng sắt quan trọng như: quặng hematit đỏ (chứa Fe2O3 khan), quặng hematit nâu (chứa Fe2O3. nH2O), quặng manhetit (chứa Fe3O4), quặng xiđerit (chứa FeCO3), quặng pirit sắt (chứa FeS2)Trong đó, quặng manhetit và hematit dùng để sản xuất gang.
1.2.5. MỘT SỐ HỢP CHẤT CỦA SẮT
1.2.5.1. HỢP CHẤT SẮT(II)
* Tính chất hoá học của hợp chất Fe(II):
Tính chất hoá học chung của các hợp chất sắt(II) là tính khử
- Một số hợp chất Fe(II) vừa có tính khử vừa có tính oxi hoá:
+ Thể hiện tính khử khi tác dụng với những chất oxi hoá như: dd HNO3,
H2SO4( đặc, to), Cl2, dd KMnO4/H2SO4 .... tạo hợp chất Fe(III).
Ví dụ: 3FeO + 10HNO3 ® 3Fe(NO3)3 + 5H2O + NO
+ Thể hiện tính oxi hoá khi tác dụng với chất khử như: H2, CO, Al.... Ví dụ: FeO + Al ® Fe + Al2O3
- Oxit và hidroxit sắt (II) có tính bazơ:
FeO + 2HCl ® FeCl2 + H2O
Fe(OH)2 + H2SO4 loãng ® FeSO4 + H2O
** Điều chế một số hợp chất Fe(II):
- FeO: Có thể đi từ Fe2O3 hoặc Fe(OH)2
500-600 oC
Fe2O3 + CO 2FeO + CO2
toC
Fe(OH)2 FeO + H2O
- Fe(OH)2: Fe2+ + 2OH- ® Fe(OH)2¯ (trắng xanh)
- Muối Fe2+: hợp chất Fe(II) (như FeO,...) + ddHCl hoặc H2SO4 loãng
- Ví dụ: điều chế muối FeCl2: FeO + 2HCl ® FeCl2 + H2O
*** Ứng dụng của hợp chất sắt(II):
- FeSO4 dùng trong sản xuất sơn vô cơ, mực viết, kĩ nghệ nhuộm vải, diệt côn trùng có hại cho thực vật.
- FeCl2 hợp chất đầu dùng để điều chế Fe nguyên chất.
1.2.5.2. HỢP CHẤT SẮT(III):
* Tính chất hoá học của hợp chất Fe(III):
Tính chất hoá học chung của các hợp chất Fe(III) là tính oxi hoá:
- Tính oxi hoá:
Hợp chất Fe(III) + chất khử: tuỳ thuộc vào chất khử sẽ bị khử thành hợp chất Fe(II) hoặc Fe
Ví dụ: 2FeCl3 + Cu ® 2FeCl2 + CuCl2
Fe2O3 + Al ® Fe + Al2O3
- Oxit và hidroxit sắt (III) có tính bazơ:
Tác dụng với axít tạo muối Fe(III)
Fe2O3 + 3H2SO4 ® Fe2(SO4)3 + 3H2O
Fe(OH)3 + 3HCl ® FeCl3 + 3H2O
** Điều chế một số hợp chất Fe(III):
toC
- Fe2O3:
Fe(OH)3 Fe2O3 + H2O
2FeO + O2 ® Fe2O3
- Fe(OH)3: Fe3+ + 3OH- ® Fe(OH)3¯ (nâu đỏ)
- Muối Fe3+: có thể cho Fe + ( Cl2 hoặc HNO3, H2SO4 đặc, to) hoặc hợp chất Fe(III) + axít.
Ví dụ: Fe + 4HNO3 ® Fe(NO3)3 + NO + 2H2O
2Fe(OH)3 + 3H2SO4 ® Fe2(SO4)3 + 6H2O
*** Ứng dụng của hợp chất sắt(III):
- Fe2(SO4)3: dùng làm chất keo tụ khi làm sạch nước, chất tẩy gỉ kim loại....
- FeCl3: dùng làm chất keo tụ khi làm sạch nước, chất xúc tác tron tổng hợp hữu cơ, được dùng trong công nghiệp sợi....
- Fe2O3: dùng để pha chế sơn chống gỉ....
1.2.5.3. HỢP KIM CỦA SẮT:
Trong thực tế phần lớn Fe được sử dụng không phải ở dạng nguyên chất mà dưới dạng hợp kim của sắt là gang và thép:
Thành phần
Phân loại
Gang
Fe>85%
C
2®5%,
1 lượng nhỏ Si, Mn, S, P....
Gang trắng
Gang xám
Thành phần
ít C,Si,
nhiều Fe3C
nhiều C,Si
Tính chất
rất cứng và giòn
ít cứng, ít giòn hơn gang trắng
Ứng dụng
dùng để luyện thép.
Đúc các bộ phận của máy, ống dẫn nước...
Thép
C
0.01®2%,1 lượng nhỏ Si, Mn, Cr, Ni....
Thép thường
Thép đặc biệt
Thành phần
ít C, Si, Mn và rất ít S, P
chứa thêm: Si, Mn, Cr,Ni,W...
Tính chất
Thép cứng
Thép
mềm
Thép
Cr-Ni
Thép
W-Mo-Cr
Thép
Mn
C
>0,9%
C
<0,1%
rất cứng
rất cứng dù ở to rất cao
rất bền, chịu được va đập mạnh
Ứng dụng
thường dùng trong xây nhà cửa, chế tạo các vật dụng trong đời sống.
dùng để chế tạo dụng cụ y tế...
dùng dể chế tạo lưỡi dao cắt gọt kim loại
chế tạo đường ray xe lửa....
* Tóm tắt quá trình sản xuất gang trong lò cao:
- Lò cao có chiều cao khoảng 27-31m, vỏ ngoài bằng thép, bên trong lát bằng gạch chịu lửa, có dạng 2 hình nón cụt úp mặt đáy vào nhau.
+ Cấu tạo lò từ trên xuống dưới:
Miệng lò® thân lò®bụng lò® phễu lò ® nồi lò® cửa tháo xỉ®cửa tháo gang
- Nạp nguyên liệu theo từng lớp xen kẻ: lớp quặng sắt (Fe3O4, Fe2O3, tạp chất: SiO2,MnO,P2O5...), lớp than cốc, lớp chất chảy (CaCO3và cát) vào lò cao qua miệng lò. Thổi liên tục không khí đã được nung nóng đến 600-800 0C từ dưới lên qua các phễu lò vào lò cao. Tương tác giữa không khí và C nóng đỏ tạo CO. CO khử các oxít sắt đến sắt kim loại theo sơ đồ: Fe2O3 ® Fe3O4 ® FeO ® Fe. Fe nóng chảy tạo ra di chuyển xuống bụng lò, một phần tác dụng với than cốc và CO tạo Fe3C (xementit). Cùng với quá trình khử oxit sắt là quá trình khử các tạp chất ( SiO2, MnO, P2O5...) nhờ C tạo Si, P, Mn. Hỗn hợp C, Fe3C, Si, P, Mn, ...tan vào Fe nóng chảy tạo thành gang. Và quá trình tạo xỉ CaSiO3 ( SiO2 + CaO do CaCO3 phân huỷ ). Xỉ tập trung ở nồi lò tạo thành một lớp, do xỉ nhẹ hơn gang nên nằm trên gang lỏng bảo vệ gang không bị oxi hoá bởi không khí thổi vào lò. Sau một thời gian nhất định người ta tháo xỉ ra theo cửa trên và tháo gang (gang trắng & gang xám) ra theo cửa dưới của lò.
* Tóm tắt quá trình luyện thép:
Gang loại bớt lượng dư các tạp chất C,S,P,Si, Mn...ta thu được thép. Loại bỏ lượng dư các tạp chất C,S,P,Si, Mn...bằng cách oxi hoá chúng thành các oxit ở trạng thái khí (CO, SO2) hoặc rắn (SiO2, P2O5) bởi O2. Oxit ở trạng thái khí thì bay ra ngoài không khí, còn Oxit ở trạng thái rắn cho hoá hợp với CaO tạo xỉ (CaSiO3, Ca3(PO4)2) nổi trên bề mặt thép lỏng.
Có 3 phương pháp dùng trong quá trình luyện thép:
- Phương pháp Bet-xơ-me: Thời gian luyện thép ngắn, chủ yếu dùng để luyện thép thường.
- Phương pháp Mac-tanh: Chủ yếu dùng để luyện thép có chất lượng cao.
- Phương pháp lò điện: Dùng để luyện thép đặc biệt mà thành phần có những kim loại khó nóng chảy như W, Mo, Cr, S, P.
Chương 2
ÁP DỤNG CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN VÀO VIỆC GIẢI NHANH BÀI TOÁN VỀ KIM LOẠI SẮT
2.1. NHỮNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN CÓ THỂ ÁP DỤNG ĐỂ GIẢI NHANH BÀI TOÁN HOÁ HỌC: [3], [6], [12]
2.1.1. ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN KHỐI LƯỢNG:
2.1.1.1 Nội dung của định luật:
Trong phản ứng hóa học thì tổng khối lượng các chất tham gia phản ứng bằng tổng khối lượng các chất tạo thành sau phản ứng ( không tính khối lượng của phần không tham gia phản ứng).
2.1.1.2. Kinh nghiệm áp dụng định luật:
- Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng khi một phản ứng hoá học có n chất mà ta biết được khối lượng của (n - 1) chất (kể cả chất phản ứng và sản phẩm).
- Khi áp dụng định luật bảo toàn khối lượng cho một phản ứng thì phản ứng đó không cần cân bằng mà chỉ cần quan tâm chất tham gia phản ứng và sản phẩm thu được.
2.1.1.3. Công thức của định luật:
Xét phản ứng: A + B → C + D (1)
Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng cho pứ (1) có:
mA + mB = mC + mD
Trong đó: mA, mB lần lượt là phần khối lượng tham gia phản ứng của chất A, B
mC, mD lần lượt là khối lượng được tạo thành của chất C, D
* Ví dụ: Cho m gam FexOy tác dụng với dd H2SO4 đặc nóng vừa đủ, có chứa 0,075 mol H2SO4 , thu được dung dịch X và 0,672 lít SO2 (đktc) duy nhất thoát ra. Cô cạn dung dịch X thu được 9 gam muối khan. Tính m
Giải
FexOy + H2SO4 → Fe2(SO4)3 + SO2 + H2O (1)
Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng cho phản ứng (1) ta được:
mFexOy + mHSO = mFe(SO) + mSO + mHO
→ m + 0,075.98 = 9 + 0,03. 64 + 0,075.18
→ m = 4,92g
2.1.2. ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NGUYÊN TỐ:
2.1.2.1. Nội dung của định luật:
Trong mọi quá trình biến đổi hóa học, các nguyên tố sẽ bảo toàn cho nhau trước và sau phản ứng. Nghĩa là một nguyên tố khi tham gia phản ứng hóa học chỉ chuyển từ chất này sang chất khác.
Tổng số mol nguyên tử của một nguyên tố trước phản ứng bằng tổng số
mol nguyên tử của nguyên tố đó sau phản ứng.
®
2.1.2.2. Kinh nghiệm áp dụng định luật:
- Áp dụng định luật bảo toàn nguyên tố khi gặp các bài toán không thể áp dụng được định luật bảo toàn khối lượng hoặc viết phương trình phản ứng nhưng lại không thấy hướng giải.
- Các bài toán dùng phương pháp bảo toàn nguyên tố thì thường giữa chất đề bài cho và hỏi có cùng một nguyên tố nào đó.
- Khi giải một bài toán dùng phương pháp bảo toàn nguyên tố thì không cần viết các phương trình phản ứng để tìm quan hệ giữa số mol mà chỉ cần xét trạng thái đầu và cuối đối với nguyên tố đó.
2.1.2.3. Công thức của định luật:
Trước phản ứng nguyên tố X có trong các chất A,B
Sau phản ứng nguyên tố X có trong các chất C, D
Áp dụng định luật bảo toàn nguyên tố cho nguyên tố X có:
nA.số ntử X trong A + nB.số ntử X trong B =nC.số ntử X trong C +nD.số ntử X trongD
* Ví dụ: Cho hỗn hợp Ahỗn hợp rắn B
Áp dụng định luật bảo toàn nguyên tố cho nguyên tố Fe có:
∑nFe/A = ∑nFe/B
® a.1+b.2 = x.2 + y.1 + z.3 +t.1
2.1.3. ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN ELECTRON:
2.1.3.1. Nội dung của định luật:
Khi có nhiều chất oxi hoá và chất khử trong một hỗn hợp phản ứng (nhiều phản ứng hoặc phản ứng qua nhiều giai đoạn) thì tổng số electron mà các chất khử cho phải bằng tổng số electron mà các chất oxi hoá nhận.
Tổng số mol electron mà các chất khử cho bằng tổng số mol electron mà các chất oxi hoá nhận
®
2.1.3.2. Kinh nghiệm áp dụng định luật:
- Áp dụng định luật bảo toàn electron khi gặp các bài toán mà những phản ứng xảy ra là phản ứng oxi hoá khử (phức tạp, nhiều giai đoạn, nhiều quá trình)
- Khi giải bài toán dùng phương pháp bảo toàn electron không cần viết phương trình phản ứng mà chỉ cần tìm xem trong quá trình phản ứng có bao nhiêu mol e do chất khử cho và bao nhiêu mol e do chất oxi hoá nhận. Muốn vậy ta cần xác định đúng trạng thái đầu và trạng thái cuối (bỏ qua các giai đoạn trung gian).
2.1.3.3. Công thức của định luật:
Giả sử bài toán hoá học có: chất khử là A có số mol : nA
chất oxi hoá là B có số mol : nB
∑số e nhường x nA = ∑số e nhận x nB
Áp dụng định luật bảo toàn electron cho 2 quá trình oxi hoá và khử của 2 chất A,B có:
* Ví dụ: Tính thể tích dd FeSO4 0,5M cần thiết để phản ứng vừa đủ với 100 ml dung dịch KMnO4 0,2M trong môi trường axít.
Giải
Gọi số mol FeSO4 tham gia phản ứng là x
Quá trình khử: Fe2+ → Fe3+ + 1e
x 1.x
Quá trình oxi hoá: Mn+7 + 5e → Mn+2
0,02 5.0,02
Áp dụng định luật bảo toàn e có: 1.x = 5.0,02 → x = 0,1 mol
→ V = 0.2 lít
2.1.4. ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN ĐIỆN TÍCH:
2.1.4.1. Nội dung của định luật:
Trong một dung dịch, nếu tồn tại đồng thời các ion dương và ion âm thì tổng số điện tích dương bằng tổng số điện tích âm. Vì vậy dung dịch luôn trung hoà về điện.
Tổng số mol các điện tích dương của ion dương bằng tổng số mol các điện tích âm của ion âm
→
2.1.4.2. Kinh nghiệm áp dụng định luật:
Áp dụng định luật bảo toàn điện tích khi gặp:
- Những bài toán cho biết số mol, nồng độ... của các ion trong dung dịch, yêu cầu xác định biểu thức liên hệ giữa các số mol
- Hoặc những bài toán yêu cầu tính khối lượng chất rắn sau khi cô cạn một dung dịch khi biết số mol các chất hoặc ion trong dung dịch.
- Các bài toán pha chế dung dịch, xử lý nước cứng.
2.1.4.3. Công thức của định luật:
∑ n ion dương x điện tích ion dương = ∑ n ion âm x điện tích ion âm
x. n + y. m = z. p + t. q
* Ví dụ: Giả sử trong một dung dịch tồn tại các ion: An+ có số mol là x, Bm+ có số mol là y, Cp- có số mol là z, Dq- có số mol là t
Áp dụng định luật bảo toàn điện tích có:
2.2. MỘT SỐ DẠNG TOÁN THƯỜNG GẶP VỀ KIM LOẠI SẮT CÓ THỂ ÁP DỤNG CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN ĐỂ GIẢI NHANH [ 1], [3], [4], [7],[8], [10], [11].
2.2.1. DẠNG TOÁN SẮT TÁC DỤNG VỚI AXIT (HCl, H2SO4, HNO3...)
2.2.1.1. Phương pháp giải:
- Fe + (HCl hoặc H2SO4 loãng) ® Fe2+ + H2
Nếu đề cho nHta tính được nFe theo tỉ lệ: nFe = nH
- Fe + HNO3/ H2SO4 đặc ® Fe3+ + sản phẩm khử chứ N hoặc S + H2O
Nếu axit (HNO3/ H2SO4 đặc) dư thì sau phản ứng chỉ thu được muối
sắt (III).
Nếu sau phản ứng vẫn còn kim loại chứng tỏ Fe dư (hoặc đề cho Fe dư sau phản ứng) thì sản phẩm cuối cùng sau phản ứng chỉ có muối sắt (II) vì:
Fe + 2Fe3+ "3Fe2+.
Nếu Fe và axit cùng hết có thể muối tạo thành sau phản ứng là hỗn hợp 2 muối sắt (II) và sắt (III).
- mmuối tạo thành = m Fe + mgốc axit tạo muối
Đối với phản ứng Fe + HNO3 ta có:
mmuối tạo thành = m Fe + tạo muối
nHNOphản ứng = nN trong HNO = tạo muối + nN trong sản phẩm khử
(tạo muối = số mol electron nhường hoặc số mol electron nhận).
2.2.1.2. Bài tập vận dụng
¶Ví dụ 1: Cho Fe phản ứng với 0,04 mol dung dịch HNO3 loãng, sau phản ứng thu được dung dịch A, khí NO và chất rắn B. Khối lượng muối thu được trong dung dịch X là:
A. 9,68g B. 2,42g C. 10,8g D. 2,7g
Giải:
Cách 1: Theo phương pháp bảo toàn e và bảo toàn nguyên tố
Fedư
HNO3
Tóm tắt quá trình pứ: Fe Fe3+ Fe2+
Áp dụng ĐLBT nguyên tố N: 1. nHNOpứ = 3. nFe(NO)+ 1.nNO = 0,04
® nHNOpứ = 3. x + 1. x = 0,04
+5
+2
® x = 0,01mol
Fe ® Fe2+ + 2e N + 3e ® N
x ð x 2x 0,03 ï0,01
Áp dụng ĐLBT e có: 2x = 0,03 ® x = 0,015 mol
Áp dụng ĐLBT nguyên tố Fe: nFe(NO)= nFe = 0,015 mol® Đáp án:D
Cách 2: Phương pháp biện luận
Fe + 4HNO3 ® Fe(NO3)3 + NO + 2H2O (1)
0,04ð 0,01
Fedư + 2Fe(NO3)3 ® 3Fe(NO3)2 (2)
0,01ð 0,015
® mFe(NO) = 0,015. 180 = 2,7g
* Phân tích một sai lầm của học sinh:
+ Sai lầm 1: Cho muối thu được trong dung dịch X là muối sắt(III) nên xác định số mol e do Fe cho sai: Fe ® Fe3+ + 3e
x ð 3x
+2
+5
không biết được sau phản ứng Fe vẫn còn dư thì trong dung dịch không còn muối sắt(III) chỉ tồn tại muối sắt (II) do: Fedư +2Fe3+ ® 3Fe2+ và xem số mol HNO3 oxi hoá chính là số mol HNO3 phản ứng nên xác định số mol e nhận sai:
N + 3e ® N
0,04ð 0,12
Áp dụng ĐLBT e: 3x = 0,12 ® x = 0,04 ml
® mFe(NO) = 0,04. 242 = 9,68g ® chọn A (sai)
+2
+5
+ Sai lầm 2: xác định đúng muối tạo thành là muối sắt (II) nhưng xác định số mol HNO3 oxi hoá sai nên xác định số mol e nhận sai như sai lầm 1:
Fe ® Fe2+ + 2e N + 3e ® N
x ð 2x 0,04ð 0,12
Áp dụng ĐLBT e: 2x = 0,12 ® x = 0,06 mol
® mFe(NO) = 0,06. 180 = 10,8g ® chọn C (sai)
¶ Ví dụ 2: Cho m gam Fe tác dụng với dung dịch H2SO4 loãng thu được 6,72 lít khí (ở đktc). Cũng m gam Fe trên cho tác dụng với dung dịch HNO3 loãng thì thể tích khí NO (ở đktc) duy nhất sinh ra là:
A. 224 ml B. 448 ml C. 672 ml D. 336 ml
Giải:
Cách 1: Theo phương pháp bảo toàn e
+2
+5
nFe = nH = 0,03 mol (Fe và H2 đều nhường 2e)
Fe ® Fe3+ + 3e N + 3e ® N ( NO)
0,03ð 0,09 3x ï x
Áp dụng ĐLBT e có: 3x = 0,09 ® x = 0,03 mol ® Đáp án: C
Cách 2: Theo phương pháp biện luận
Fe + H2SO4 ® FeSO4 + H2
0,03 ï0,03
Fe + 4 HNO3 ® Fe(NO3)3 + NO + 15H2O
0,03ð 0,03
® V = 672 ml
* Phân tích một số sai lầm của học sinh:
+ Sai lầm 1: Cho Fe tác dụng với HNO3 cũng tạo ra muối sắt (II) như Fe tác dụng với H2SO4 loãng nên xác định số mol e cho sai:
+5
+2
Fe ® Fe2+ + 2e N + 3e ® N ( NO)
0,03ð 0,06 3x ï x
Áp dụng ĐLBT e có: 3x =0,06® x = 0,02 mol
® VNO = 0,448 lít® chọn B(sai)
+ Sai lầm 2: Cho Fe tác dụng với H2SO4 loãng tạo muối sắt (III) như Fe tác dụng với HNO3 nên xác định số mol Fe sai ® xác định số mol e cho sai:
2Fe + 6H+ ® Fe3+ + 3H2
0,02 ï0,03
Fe ® F e3+ +3e
0,02ð 0,06 ® chọn B (sai)
2.2.2. DẠNG TOÁN HOÀ TAN SẮT VÀ HỢP CHẤT CÓ TÍNH KHỬ CỦA SẮT BẰNG DUNG DỊCH AXIT (HCl, H2SO4, HNO3...)
2.2.2.1. Phương pháp giải:
- Fe và các hợp chất có tính khử của sắt (như: các muối sắt (II), FeO, Fe3O4, Fe(OH)2) khi tác dụng với axit HNO3 và H2SO4 đặc, nóng đều tạo thành muối sắt (III) và kèm theo các sản phẩm khử chứa nitơ (hoặc chứa lưu huỳnh).
- Hỗn hợp (Fe + oxit sắt) khi tác dụng với axit (HCl và H2SO4 loãng), sau phản ứng thu được khí H2, khí H2 sinh ra là do Fe tác dụng với axit, khi đó:
nFe = nH
- Các oxit sắt (FeO, Fe2O3, Fe3O4) tác dụng với axit ( HCl hoặc H2SO4 loãng), sau phản ứng chỉ thu được muối sắt có hoá trị tương ứng và nước (không sinh ra khí).
Khi đó số mol H+ phản ứng = 2 số mol nguyên tử O trong oxit vì:
O2- + 2H+ ® H2O
- Tính khối lượng Fe hoặc oxit sắt hoặc khối lượng nguyên tử O trong oxit sắt theo công thức: mOxit sắt = mO/Oxit + mFe.
2.2.2.2. Bài tập vận dụng :
¶ Ví dụ

Tài liệu đính kèm:

cac_pp_bao_toan_ap_dung_nhanh.doc