SKKN Vận dụng các định luật bảo toàn để giải bài toán về hỗn hợp sắt và oxit sắt

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM 
VẬN DỤNG CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN 
ĐỂ GIẢI BÀI TOÁN VỀ HỖN HỢP SẮT VÀ 
OXIT SẮT 
 PHẦN THỨ NHẤT: MỞ ĐẦU 
1. Lí do chọn đề tài 
Trong các môn học ở trường phổ thông, môn Hóa học giữ một vai trò 
khá quan trọng. Hóa học là một môn khoa học tự nhiên, nó nghiên cứu về chất 
và sự biến đổi chất này thành chất khác. 
Với 7 năm giảng dạy bộ môn Hoá học trong trường phổ thông, tôi đã 
được tham gia giảng dạy các khối lớp 10, 11, 12, được tham gia ôn luyện đội 
tuyển thi học sinh giỏi và luyện thi Đại học, Cao đẳng. Trong quá trình tìm tòi, 
nghiên cứu nhiều dạng bài toán hoá học khác nhau về các loại chất khác nhau 
vô cơ cũng như hữu cơ, tôi nhận thấy rằng bài tập hỗn hợp gồm sắt và oxit sắt 
là một trong những dạng bài tập mà học sinh hay gặp trong các kỳ thi mà đặc 
biệt là kì thi Đại học, Cao đẳng, do sắt là một kim loại phổ biến có thể tạo ra 
nhiều hợp chất ứng với nhiều mức oxi hoá khác nhau. Thông thường những bài 
tập về sắt và các oxit thường khá phức tạp và xảy ra theo nhiều phương trình 
phản ứng khác nhau. Vậy phương pháp nào để giải quyết bài toán khoa học 
nhất, hiệu quả nhất và nhanh nhất. Đó là lý do để tôi viết đề tài “ Vận dụng các 
định luật bảo toàn để giải bài toán về hỗn hợp sắt và oxit sắt” nhằm giúp học 
sinh giải quyết tốt các bài toán về hỗn hợp sắt và oxit sắt một cách nhanh chóng 
đồng thời chia sẻ kinh nghiệm về phương pháp giải bài tập với các đồng 
nghiệp. 
2. Mục đích nghiên cứu 
Vận dụng các định luật bảo toàn khối lượng, định luật bảo toàn nguyên 
tố, định luật bảo toàn electron để tìm ra phương pháp giải tối ưu nhất, nhanh 
nhất (không cần phải viết phương trình hóa học) dạng bài toán về sắt và oxit sắt 
thường gặp trong các đề thi tuyển sinh đại học, cao đẳng. 
Đề xuất những ý tưởng để giải nhanh bài toán về sắt và oxit sắt góp phần 
nâng cao chất lượng giảng dạy bộ môn ở trường phổ thông và là hành trang 
vững chắc để các em chuẩn bị bước vào kì thi tuyển sinh đại học, cao đẳng. 
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 
 Đối tượng là học sinh các lớp 12A1, 12A2 Trường THPT số 1 Bảo Yên 
– huyện Bảo Yên – tỉnh Lào Cai. 
 Với khuôn khổ thời gian nghiên cứu có hạn nên trong đề tài này tôi chỉ 
nghiên cứu phương pháp vận dụng các định luật bảo toàn để giải bài bài toán về 
hỗn hợp sắt và oxit sắt bằng cách quy đổi về hỗn hợp gồm sắt và oxi. 
4. Nhiệm vụ nghiên cứu 
 Đưa ra các định luật bảo toàn cần vận dụng, phân tích áp dụng vào các 
dạng toán và đề ra phương pháp giải. 
 Thử nghiệm trên các lớp: 12A1; 12A2 trường THPT số 1 Bảo Yên. 
 Giáo viên đưa ra các phiếu học tập bằng các dạng bài tập về sắt và oxit 
sắt. 
5. Phương pháp nghiên cứu 
5.1 Phương pháp nghiên cứu lí thuyết 
 Đọc các tài liệu làm cơ sở xây dựng lí thuyết của chuyên đề: tài liệu lí 
luận dạy học (Chủ yếu là phương pháp giải bài tập Hóa học THPT); sách giáo 
khoa, sách bài tập hóa học 12; phương pháp giải bài tập hóa vô cơ; 16 phương 
pháp và kĩ thuật giải nhanh bài tập trắc nghiệm môn Hóa học; một số đề thi học 
sinh giỏi, đề thi đại học, cao đẳng... 
5.2. Phương pháp sư phạm 
 a. Phương pháp chuyên gia 
 Vận dụng phương pháp bài tập để hướng dẫn học sinh giải quyết bài 
toán. 
 Xin ý kiến nhận xét, đánh giá của các giáo viên có kinh nghiệm, giáo 
viên giỏi về nội dung sáng kiến. 
 b. Tìm hiểu chất lượng học sinh ở những lớp mình điều tra 
 c. Chọn lớp thử nghiệm và đối chứng kết quả 
6. Thời gian nghiên cứu 
 Từ tháng 8 năm 2011 đến tháng 4 năm 2012. 
PHẨN THỨ HAI: NỘI DUNG 
Chương I: TỔNG QUAN 
1. Các định luật cần vận dụng 
1.1. Định luật bảo toàn khối lượng 
 Nội dung định luật: Khối lượng các chất tham gia phản ứng bằng khối 
lượng các chất được tạo thành sau phản ứng. 
Trong đó chúng ta cần vận dụng các hệ quả 
Hệ quả 1: Gọi mT là tổng khối lượng các chất trước phản ứng, mS là khối 
lượng các chất sau phản ứng. Dù phản ứng xảy ra với hiệu suất bất kỳ ta đều 
có: mT = mS. 
Hệ quả 2: Khi cation kim loại kết hợp với anion phi kim để tạo ra các 
hợp chất ta luôn có: Khối lượng chất = khối lượng của cation+khối lượng 
anion. Khối lượng của cation hoặc anion ta coi như bằng khối lượng của 
nguyên tử cấu tạo thành. 
1.2. Định luật bảo toàn nguyên tố 
Nội dung định luật: Tổng khối lượng một nguyên tố trước phản ứng 
bằng tổng khối lượng của nguyên tố đó sau phản ứng. Nội dung định luật có thể 
hiểu là tổng số mol của một nguyên tố được bảo toàn trong phản ứng. 
1.3. Định luật bảo toàn electron 
Nội dung định luật: Trong phản ứng oxi hóa khử: Số mol electron mà 
chất khử cho đi bằng số mol electron mà chất oxi hóa nhận về. 
Khi vận dụng định luật bảo toàn electron vào dạng toán này cần lưu ý: 
Trong phản ứng hoặc một hệ phản ứng chỉ cần quan tâm đến trạng thái 
đầu và trạng thái cuối mà không cần quan tâm đến trạng thái trung gian. 
Nếu có nhiều chất oxi hóa và chất khử thì số mol electron trao đổi là tổng 
số mol của tất cả chất nhường hoặc nhận electron. 
2. Tổng quan về bài tập hỗn hợp sắt và oxit 
Bài tập Fe và hỗn hợp oxit sắt thường có dạng cho khối lượng và cho 
phản ứng với một chất oxi hóa như H2SO4 đặc nóng hoặc HNO3 hoặc thậm chí 
là axit thường như HCl. 
Giải quyết vấn đề: Với giả thiết là cho m gam hỗn hợp gồm Fe và các oxit 
FeO, Fe3O4, Fe2O3 tác dụng với HNO3 thu được khí NO2. Ta xem như đây là 
quá trình oxi hoá liên tiếp Fe bằng 2 chất oxi hoá là O và HNO3.. 
 Chất nhường electron: Fe , tạo sản phẩm là Fe3+ . 
 Chất nhận electron: O và HNO3 , tạo sản phẩm là oxit và V lít NO2 (đktc). 
Theo định luật bảo toàn khối lượng: 56x + 16y = m (1) 
Theo định luật bảo toàn electron 
Chất khử Chất oxi hóa 
3 3Fe Fe e 
2
4
5
2
2
1
O e O
N e N O
Tổng electron nhường: 3x mol Tổng electron nhận: 2y + 
Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: 3x = 2y + (2) 
 Từ (1) và (2) ta có hệ 56 16
3 2
22, 4
x y m
Vx y
Việc giải hệ này khi một khi biết được 2 trong số 4 yếu tố sẽ giải quyết 
được yêu cầu của bài toán. Hoặc ta cũng có thể sử dụng phương trình 1 ẩn số 
để lập theo nguyên tắc trên là: Số mol e ( Fe cho) = Số mol e ( O nhận) + Số 
mol e ( NO3- nhận) 
3. nFe = 2. nO + nNO2 
Chương II. THỰC TRẠNG CỦA ĐỀ TÀI 
1. Thuận lợi 
2y y 
x 3x 
22,4
V22,4
V
22,4
V
22,4
V
y 
 Năm học 2011 – 2012 với sự đạo của ngành giáo dục nhằm thực hiện tốt 
chủ đề của năm học: “Tiếp tục đổi mới và nâng cao chất lượng giáo dục”. Tiếp 
tục thực hiện các cuộc vận động: “Học tập và làm theo tấm gương đạo đức Hồ 
Chí Minh”; cuộc vận động “Mỗi thầy cô giáo là tấm gương đạo đức, tự học và 
sáng tạo”; Phong trào thi đua “Xây dựng trường học thân thiện, học sinh tích 
cực” đã tạo tiền đề và khí thế mạnh mẽ ngay từ đầu năm học. 
 Đội ngũ cán bộ giáo viên nhà trường và tổ bộ môn đảm bảo về số lượng 
và chất lượng, đáp ứng yêu cầu của cấp học. Giáo viên trong nhà trường luôn 
có trách nhiệm cao, say mê với nghề nghiệp và hết lòng yêu thương học sinh. 
Ngay từ đầu năm học, ban giám hiệu và tổ bộ môn đã có triển khai các kế 
hoạch, chỉ thị năm học; kiểm tra khảo sát theo bộ môn để phân loại đối tượng 
học sinh, từ đó có biện pháp phụ đạo học sinh yếu kém, bồi dưỡng học sinh khá 
giỏi. 
Học sinh trung học phổ thông sau khi được học chương “phản ứng oxi 
hoá khử ” ở lớp 10, và phần “ axit HNO3” ở lớp 11, đã bắt đầu làm quen với 
nhiều dạng bài toán phức tạp, trong đó có bài toán về hỗn hợp sắt và các oxit 
sắt phản ứng với các chất có tính oxi hoá mạnh (như HNO3, H2SO4 đặc nóng...) 
hoặc cả với những axit mạnh thông thường (như HCl, H2SO4 loãng...). 
 Có nhiều học sinh khá, giỏi đã có kĩ năng giải bài tập này theo phương 
pháp thông thường (đặt ẩn, lập hệ phương trình). 
2. Khó khăn 
 Đối tượng học sinh của trường THPT số 1 Bảo Yên phần đông là học 
sinh ở vùng nông thôn, vùng sâu, vùng xa thuộc huyện Bảo Yên – tỉnh Lào Cai 
nên không có nhiều điều kiện cả về kinh tế và thời gian cho việc học tập. 
Rất nhiều học sinh lớp 12 vẫn chưa hiểu được bản chất của các phản ứng 
của hỗn hợp sắt và oxit sắt với các chất có tính oxi hóa mạnh như axit nit quá 
trình oxi nitrric (hoặc axit sunfuric đặc, nóng) là quá trình oxi hoá liên tiếp Fe 
bằng 2 chất oxi hoá là O và HNO3 (hoặc axit sunfuric đặc, nóng). 
Chưa biết cách áp dụng các định luật bảo toàn vào giải toán, đặc biệt là 
bảo toàn electron trong phản ứng oxi hoá khử. 
Mỗi dạng bài tập có nhiều phương pháp làm, nhưng có 1 phương pháp 
hiệu quả nhất để giải quyết mà học sinh chưa tìm ra được. 
Thói quen của học sinh về giải toán hoá bao giờ cũng là viết phương 
trình hoá học, đặt ẩn, lập hệ phương trình. Phương pháp này chỉ phù hợp với 
những bài toán đơn giản, khi số ẩn và số phương trình đại số lập được bằng 
nhau. Mặt khác, với một câu hỏi trắc nghiệm khách quan trong đề thi Đại học 
với thời gian trung bình 1,8 phút/1 câu hỏi thì việc giải nhanh bài toán này là 
vấn đề khá nan giải. 
Chương III: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 
1. Phương pháp giải một số dạng bài tập điển hình 
 1.1. Dạng đốt cháy Sắt trong không khí rồi cho sản phẩm phản ứng với 
chất oxi hóa: Đây là dạng bài toán kinh điển về bài tập sắt và hỗn hợp sắt và 
oxit sắt. 
Ví dụ 1: Nung nóng 12,6 gam Fe ngoài không khí sau một thời gian thu được 
m gam hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe2O3 và Fe3O4. Hỗn hợp này phản ứng hết 
với dung dịch HNO3 loãng (dư), thu được 2,8 lít khí NO (sản phẩm khử duy 
nhất, ở đktc). Tính giá trị của m? 
Phân tích đề: Sơ đồ phản ứng 
 [O] [HNO3] 
 Fe hh X Fe3+ 
Fe bị oxi hoá thành Fe3+ bằng 2 chất oxi hoá là O và HNO3. 
Như vậy: + Khối lượng oxit sẽ là tổng của khối lượng sắt và oxi. 
 + Trong cả quá trình: chất nhường e là Fe, chất nhận là O và 
HNO3. 
Giải quyết vấn đề: Ta có nNO = 0,125 mol, nFe = 0,225 mol 
Gọi số mol oxi trong oxit là x ta có: 
Chất khử Chất oxi hóa 
 Fe 3 e + Fe3+ O + 2e O2- 
0,225 0,675 x 2x 
 NO3- + 3e NO 
 0,375 0,125 
Tổng e (electron) nhường: 0,675 mol Tổng e (electron) nhận: 2x + 0,375 
(mol) 
Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: 0,675 = 2x + 0,375  x = 0,15 
Mặt khác ta có: 2Fe Om m m nên: m = 12