Bản in của bài viết

Phương pháp bảo toàn vật chất
I/ Cơ sở của phương pháp
Nội dung của pp này dựa trên định luật nổi tiếng : “Vật chất không tự sinh ra cũng không tự mất đi, mà chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác”.
Khi áp dụng trong hóa học, khoảng áp dụng bị thu hẹp đi, và ta sẽ nói tới các hệ quả nhỏ, từ đó vận dụng để giải nhanh các bài toán hóa học
1/ Hệ quả thứ nhất
Trong các phản ứng hóa học, tổng khối lượng của các chất tham gia phản ứng bằng tổng khối lượng các sản phẩm tạo thành ( không tính khối lượng của phần không tham gia phản ứng)
Xét phản ứng :
A + B => C + D + E
Thì luôn có
m A (pứ) + m B(pứ) = m C + m D + m E
Thí dụ 1
Đốt cháy hoàn toàn m g chất hữu cơ A cần a g O_2 thu được b g CO_2 và c g H_2O… thì luôn có m + a = b + c
2/ Hệ quả thứ hai
Nếu gọi m_T là tổng khối lượng các chất trước phản ứng, và m_S là tổng khối lượng các chất sau phản ứng thì luôn có : m_T = m _S
Như vậy hệ quả thứ hai mở rộng hơn hệ quả thứ nhất ở chỗ - dù các chất phản ứng có hết hay không, hiệu suất phản ứng là bao nhiêu, thậm chí chỉ cần xét riêng cho một trạng thái nào đó thì luôn có nhận xét trên.
Thí dụ 2
Xét phản ứng :
2Al + Fe_2O_3 => Al_2O_3 + 2 Fe
Thì luôn có: m Al + m Fe_2O_3 = m rắn sau phản ứng dù chất rắn phản ứng có thể chứa cả 4 chất
Hệ quả thứ 2 cũng cho phép ta xét khối lượng cho một trạng thái cụ thể nào đó mà không cần quan tâm đến các chất( hoặc lượng chất phản ứng còn dư) khác trạng thái với nó
Thí dụ 3
“ Cho m gam hh 2 KL Fe, Zn tác dụng với dd HCl … tính khối lượng chất rắn thu được sau khi cô cạn dd sau phản ứng”
Ta được quyền viết : m + m HCl = m chất rắn + m H_2
Trong đó m HCl là khối lượng HCl nguyên chất đã phản ứng, dù không biết hh Kl đã hết hay HCl hết, hiệu suất phản ứng là bao nhiêu!
3 / Hệ quả thứ ba
Khi cho các cation Kim Loại ( hoặc NH_4^+ ) kết hợp với anion (phi kim, gốc axit, hidroxit) ta luôn có:
Khối lượng sản phẩm thu được = khối lượng cation + khối lượng anion
Vì khối lượng electron không đáng kể, nên có thể viết :
khối lượng sản phẩm thu được = khối lượng kim loại + khối lượng anion
Thí dụ 4:
Hòa tan 6,2 g hh 2 kim loại kiềm vào dd HCl dư thu được 2,24 lít H_2(đktc). Cô cạn dd sau phản ứng sẽ thu được bao nhiêu gam chất rắn?
Ta nhận thấy ngay rằng: Nếu giải theo cách lập hệ thông thường sẽ khá dài dòng, nhưng vận dụng hệ quả thứ 2 và thứ 3 nhận xét thì :
N Cl^- = n H^+ = 0,5 n H_2
=> n Cl^- = 2 x 0,1 = 0,2 mol
Ta có : m muối = m KL + m Cl^- = 6,2 + 0,2 x 35,5 = 13,3 g
Bài toán trở nên quá đơn giản!!
4/ Hệ quả thứ tư :
Qua các quá trình biến đổi hóa học, nguyên tố hóa học luôn được bảo toàn. Nghĩa là tổng số mol nguyên tử nguyên tố A trước khi tham gia phản ứng hóa học, luôn bằng tổng số mol nguyên nguyên tử của nguyên tố A đó sau khi phản ứng (hoặc các phản ứng)
Như vậy có thể không cần viết các phương trình để dõi theo quan hệ mol, mà chỉ cần xét trạng thái đầu và trạng thái cuối để kết luận
Thí dụ 5
Hỗn hợp A gồm FeO a mol, Fe_2O_3 : b mol bị khử bởi CO cho hh rắn B gồm Fe_2O_3 dư x mol, Fe_3O_4 y mol , FeO dư z mol, Fe t mol
Khi đó tổng số mol Fe trong A cũng chính bằng tổng số mol Fe trong B nghĩa là :
a + 2b = 2x + 3y + z + t
5/ Hệ quả thứ năm :
Mọi sự biến đổi hóa học (được mô tả bằng phương trình pứ) đều co liên quan tới sự tăng giảm khối lượng của các chất. “Chất” được hiểu theo nghĩa rộng là đơn chất ,hợp chất, trạng thái của hỗn hợp”
Thí dụ 6:
Xét phản ứng của kim loại tác dụng với axit tạo muối và H_2, rõ ràng khối lượng kim loại giảm đi, vì khi tan vào dd dưới dạng ion; Nhưng nếu cô cạn dd sau phản ứng thì khối lượng chất rắn thu được lúc sau nhiều hơn khối lượng ban đầu của kim loại, do có anion gốc axit nhập vào.
Thí dụ 7:
Xét lại thí dụ 5 ở trên, dù không xác định B gồm những chất gì ta vẫn có thể nói: Khối lượng B bé hơn A, vì oxi bị tách ra khỏi oxit sắt nhập vào CO tạo CO_2 ở thể khí
=> m A – m B = m O
=> n O = (m A – m B)/ 16 = n O = n CO = n CO_2
Thí dụ 8 khi chuyển hóa từ muối này sang muối khác, khối lượng muối thu được có thể tăng hoặc giảm, do có sự thay thế anion gốc axit này bằng anion gốc axit khác
Từ CaCl_2 => CaCO_3 khối lượng tăng 71 -60 = 11g ( quy về 1 mol phản ứng)
Từ NaBr => NaCl khối lượng giảm 80 – 35,5 = 44,5 g
Chú ý : trước khi nhận xét sự tăng giảm khối lượng cần bảo toàn nguyên tố không thay đổi
6/ Hệ quả thứ sáu
Trong một dd khi tồn tại đồng thời các ion dương và ion âm thì theo tính chất trung hòa điện luôn có: Tổng số điện tích dương do cation tải bằng tổng điện tích dương do anion tải.
Đây là cơ sở để thiết lập phương trình biểu diễn quan hệ về số mol giữa các ion trong dd
Thí dụ 9 :Một dd chứa đồng thời các ion : k mol A^{a+} , l mol B^{b+} , m mol C^{c+}, n mol X^{x-}, p mol Y^{y-}, q mol Z^{z-} thì theo bảo toàn điện tích ta luôn có :
k a + l b + m c = n x + p y + q z
7/ Hệ quả thứ 7
Tổng số mol electron chất khử phóng ra, luôn bằng tổng số mol electron chất oxi hóa thu vào.
Khi có nhiều chất oxi hóa hoặc nhiều chất khử hoặc quá trình gồm nhiều phản ứng qua nhiều giai đoạn thì hệ quả trên luôn đúng
Thí dụ 10
Đốt cháy m_1 g Fe trong kk thu được m_2 g rắn A, cho A tác dụng với HNO_3 dư thu được hh 2 khí NO và N_2O có thể tích là V lít (đktc). Tỉ khối của hh so với H_2 là 17. Tính m_1 theo m_2 và V
Nếu như giải theo kiểu lập hệ thông thường thì có thể không giải được vì có quá nhiều ẩn số, chưa kể không thể xác định thành phần của chất rắn A( A có thể chứa 1,2,3,4 các chất sau : Fe, FeO, Fe_3O_4 , Fe_2O_3) . Nhưng nếu biết nhận xét:
- Sau các phản ứng, toàn bộ Fe đều chuyển thành Fe^{3+}
- O_2 nhận electron tạo thành O^{2-}
- NO_3^- nhận electron tạo NO và N_2O; dùng quy tắc đường chéo để xác định số mol mỗi khí
- Tính tổng số mol electron mà O_2 và NO_3^- nhận đúng bằng tổng số mol electron do Fe phóng ra.
- Khi chuyển từ Fe thành rắn A khối lượng sẽ tăng lên, đó chính là khối lượng O_2 tham gia phản ứng. Từ đó dễ dàng lập ra được phương trình có một ẩn số là m để giải ra đáp số
Chú ý :
Điều quan trọng nhất là nhận định đúng trạng thái đầu và trạng thái cuối của các chất khử và chất oxi hóa và sử dụng bán phản ứng mà nhiều khi không cần viết phản ứng đầy đủ( chưa kể không thể viết phương trình phản ứng, do chưa biết hh pứ gồm những chất gì.
II/ Dấu hiệu sử dụng và ứng dụng của các phương pháp bảo toàn
Từ các hệ quả trên, ta có thể nêu những nguyên tắc riêng biệt và đặt tên cho mỗi phương pháp dưới dạng một số tài liệu hay gọi như sau :
+ “Phương pháp bảo toàn khối lượng” vận dụng hệ quả thứ nhất và thứ hai
+ “Phương pháp tăng giảm khối lượng” vận dụng hệ quả thứ ba và thứ năm
+ “Phương pháp bảo toàn điện tích” vận dụng hệ quả thứ sáu
+ “Phương pháp bảo toàn electron” vận dụng hệ quả thứ bảy
Nhưng quan trọng nhất là sử dụng các phương pháp ấy khi nào?
Những dấu hiệu cơ bản là:
1. Bài toán liên quan tới 2 trong 3 yếu tố sau : m đầu, m sau, và số mol hh
2. Bài toán tự chọn lượng chất( các dữ kiện trong đề ở dạng chữ, hoặc % về khối lượng)
3. Bài toán có quá nhiều ẩn số khi lập hệ phương trình. Hoặc khi lập hệ rồi thì thiếu một phương trình- phương trình còn thiếu là phương trình được lập dựa trên cơ sở của bảo toàn vật chất.
4. Bài toán liên quan tới phản ứng oxi hóa - khử khi : hh chất khử tác dụng với 1 hay nhiều hh chất oxi hóa và ngược lại, thí dụ hh KL tác dụng với : hh axit, hoặc 1 axit tạo hh sản phẩm, hoặc hh muối…