Phương Pháp Bảo Toàn Khối Lượng - O₂ Education

Phương pháp bảo toàn khối lượng

CHUYÊN ĐỀ 2: PHƯƠNG PHÁP BẢO TOÀN KHỐI LƯỢNG

I. Phương pháp bảo toàn khối lượng

1. Nội dung phương pháp bảo toàn khối lượng

– Cơ sở của phương pháp bảo toàn khối lượng là định luật bảo toàn khối lượng : Trong phản ứng hóa học, tổng khối lượng các chất tham gia phản ứng bằng tổng khối lượng các sản phẩm tạo thành.

– Hệ quả của của định luật bảo toàn khối lượng :

● Hệ quả 1 : Trong phản ứng hóa học, tổng khối lượng các chất đem phản ứng bằng tổng khối lượng các chất thu được sau phản ứng. Các chất thu được gồm các chất sản phẩm và có thể có cả chất phản ứng còn dư.

Ví dụ : Cho 15,6 gam hỗn hợp hai ancol (rượu) đơn chức, kế tiếp nhau trong dãy đồng đẳng tác dụng hết với 9,2 gam Na, thu được 24,5 gam chất rắn và V lít H2 (đktc). Tính V.

Ở ví dụ này, chất rắn là muối natri ancolat và có thể có Na còn dư.

Các hướng tư duy để tính thể tích H2 :

* Hướng 1 : Tính số mol H2 theo số mol ancol hoặc theo số mol Na phản ứng

Do chưa biết khối lượng mol trung bình của hai ancol nên không thể tính được số mol ancol; có thể tính được mol Na đem phản ứng nhưng không tính được mol Na phản ứng (do Na có thể còn dư). Như vậy, theo hướng này ta không thể tính được số mol và thể tích của H2.

* Hướng 2 : Áp dụng hệ quả 1 của định luật bảo toàn khối lượng

Với hướng này, việc tính số mol và thể tích H2 trở nên dễ dàng hơn nhiều :

● Hệ quả 2 : Tổng khối lượng của các chất trong hỗn hợp bằng tổng khối lượng các thành phần (nguyên tố hoặc nhóm nguyên tố) tạo nên các chất đó.

Ví dụ 1 : Đốt cháy hoàn toàn m gam hỗn hợp CH4, C3H6, C7H8, thu được 2,464 lít CO2 (đktc) và 1,62 gam nước. Tính m ?

Theo hướng tư duy thông thường : Muốn tính khối lượng của các chất trong hỗn hợp, ta tính số mol của từng chất rồi suy ra khối lượng của chúng.

Có ba chất ứng với số mol x, y, z mà chỉ có hai thông tin là số mol CO2 và H2O nên chỉ lập được hệ hai phương trình 3 ẩn : không tính được x, y, z.

Nếu áp dụng hệ quả 2 của định luật bảo toàn khối lượng, ta thấy : Ba chất trên đều có thành phần nguyên tố là C và H, vậy chỉ cần tính được khối lượng của C và H là tính được khối lượng của hỗn hợp. Ta có :

Ví dụ 2 : Dung dịch X chứa 0,2 mol Cu2+, 0,1 mol Na+, 0,15 mol , 0,1 mol , 0,1 mol . Tính khối lượng muối trong X.

Nếu tư duy theo hướng tính khối lượng của từng muối, sau đó suy ra tổng khối lượng của chúng thì rất phức tạp, vì rất khó để xác định xem dung dịch X được tạo thành từ các muối nào. Còn nếu sử dụng hệ quả 2 của định luật bảo toàn khối lượng thì vấn đề sẽ được giải quyết đơn giản hơn nhiều. Ta có :

Phương pháp bảo toàn khối lượng là phương pháp giải bài tập hóa học sử dụng các hệ quả của định luật bảo toàn khối lượng.

2. Ưu điểm của phương pháp bảo toàn khối lượng

a. Xét các hướng giải bài tập sau :

Câu 38 – Mã đề 132: Cho hỗn hợp X gồm hai chất hữu cơ có cùng công thức phân tử C2H7NO2 tác dụng vừa đủ với dung dịch NaOH và đun nóng, thu được dung dịch Y và 4,48 lít hỗn hợp Z (ở đktc) gồm hai khí (đều làm xanh giấy quỳ ẩm). Tỉ khối hơi của Z đối với H2 bằng 13,75. Cô cạn dung dịch Y thu được khối lượng muối khan là :

A. 16,5 gam. B. 14,3 gam. C. 8,9 gam. D. 15,7 gam.

(Đề thi tuyển sinh Đại học khối A năm 2007)

Hướng dẫn giải

● Cách 1 : Sử dụng phương pháp thông thường – Tính toán theo phương trình phản ứng

Theo giả thiết : Z gồm hai chất khí đều làm xanh giấy quỳ ẩm, nên suy ra Z gồm hai chất có tính bazơ. Vì nên Z chứa một chất là NH3, chất còn lại là amin. Hai chất trong X là CH3COONH4 và HCOOH3NCH3.

Phương trình phản ứng :

CH3COONH4 + NaOH CH3COONa + NH3 + H2O (1)

mol: x x x x

HCOOH3NCH3 + NaOH HCOONa + CH3NH2 + H2O (2)

mol: y y y y

Theo giả thiết và các phản ứng (1), (2), ta có :

Trong Y chứa CH3COONa và HCOONa. Khi cô cạn dung dịch Y thu được khối lượng muối khan là :

● Cách 2 : Sử dụng phương pháp bảo toàn khối lượng

Những hợp chất phản ứng với dung dịch kiềm tạo ra khí làm xanh giấy quỳ tím thì phải là muối amoni của amin hoặc NH3 với các axit vô cơ hoặc axit hữu cơ.

Những muối amoni của amin hoặc NH3 có công thức chung CnH2n+3O2N là muối amoni của NH3 hoặc amin với axit hữu cơ no, đơn chức.

Đặt công thức chung của hai hợp chất trong X là RCOOH3NR’

Phương trình phản ứng :

RCOOH3NR’ + NaOH RCOONa + R’NH2 + H2O (2)

Theo (2), ta có :

Áp dụng bảo toàn khối lượng đối với (2), ta có :

b. Nhận xét :

Với cách 1 : Hướng tư duy là tính gián tiếp khối lượng hỗn hợp muối thông qua việc tính khối lượng của từng muối. Theo hướng tư duy này, ta phải xác định được công thức cấu tạo của từng chất và tính được số mol của chúng. Đối với hỗn hợp X, chứa 2 hợp chất chỉ có 2 nguyên tử C nên dựa vào các thông tin mà đề cho có thể dễ dàng xác định cấu tạo của chúng. Tuy nhiên nếu các hợp chất có nhiều C hơn (C3H9O2N, C4H11O2N,…) thì việc xác định công thức cấu tạo sẽ khó hơn, có khi phải xét nhiều trường hợp mới tìm được cấu tạo đúng của các chất. Và việc phải tính toán để tìm số mol, khối lượng của từng chất cũng sẽ mất nhiều thời gian hơn.

Với cách 2 : Hướng tư duy là tính trực tiếp tổng khối lượng của hỗn hợp muối. Theo hướng tư duy này, ta chỉ cần tìm công thức cấu tạo tổng quát cho các chất trong hỗn hợp, không cần xác định cấu tạo của từng chất. Hướng tư duy này có ưu điểm là tính toán đơn giản, cho kết quả nhanh, do đó rút ngắn được thời gian làm bài. Kể cả khi đề cho hỗn hợp các chất có số C nhiều hơn và số lượng các chất trong hỗn hợp tăng lên thì ta vẫn có thể tính toán dễ dàng.

c. Kết luận :

So sánh 2 cách giải ở trên, ta thấy : Phương pháp bảo toàn khối lượng có ưu điểm hơn hẳn so với phương pháp thông thường khi áp dụng cho các bài tập tính khối lượng hỗn hợp các chất. Mở rộng ra, ta thấy : Phương pháp bảo toàn khối lượng sẽ phát huy hiệu quả cao đối với các bài tập tính tổng lượng chất (khối lượng, số mol, thể tích,…) trong hỗn hợp.

3. Phạm vi áp dụng :

Phương pháp bảo toàn khối lượng có thể giải quyết được nhiều dạng bài tập hóa vô cơ hoặc hóa hữu cơ, có thể là phản ứng oxi hóa – khử hoặc phản ứng không oxi hóa – khử.

Một số dạng bài tập thường dùng bảo toàn khối lượng là :

+ Tính khối lượng hỗn hợp các chất trong phản ứng.

+ Tính nồng độ phần trăm các chất trong dung dịch.

+ Bài tập đốt cháy hợp chất hữu cơ.

+ Bài tập liên quan đến phản ứng crackinh, đề hiđro (tách hiđro), hiđro hóa (cộng hiđro).

+ Bài tập thủy phân este của phenol, thủy phân hoàn toàn peptit.

II. Phân dạng bài tập và các ví dụ minh họa

● Dạng 1 : Tính lượng chất trong phản ứng

Phương pháp giải

– Bước 1: Lập sơ đồ phản ứng biểu diễn quá trình chuyển hóa giữa các chất, để thấy rõ bản chất hóa học của bài toán.

– Bước 2 : Nhận dạng nhanh phương pháp giải bài tập : Khi gặp 1 trong các dạng bài tập sau đây thì ta nên sử dụng phương pháp bảo toàn khối lượng : (1) tính khối lượng của hỗn hợp các chất đem phản ứng hoặc khối lượng hỗn hợp chất thu được sau phản ứng; (2) tính khối lượng chất phản ứng hoặc tạo thành ở dạng tổng quát;(3) tính nồng độ mol của chất lỏng, thể tích của chất khí nhưng việc tính trực tiếp số mol của các chất này gặp khó khăn, (4) đốt cháy hợp chất hữu cơ, trong đó đề bài cho biết thông tin về số mol của oxi hoặc không khí tham gia phản ứng.

– Bước 3 : Căn cứ vào các giả thiết, phân tích, đánh giá để lựa chọn hướng giải theo hệ quả 1 hay hệ quả 2 của định luật bảo toàn khối lượng thì tối ưu hơn.

– Bước 4 : Thiết lập phương trình bảo toàn khối lượng. Ngoài ra, kết hợp với các giả thiết khác để lập các phương trình toán học có liên quan. Từ đó suy ra lượng chất cần tính.

► Các ví dụ minh họa ◄

Ví dụ 1: Cho m gam một oxit sắt phản ứng vừa đủ với 0,75 mol H2SO4, thu được dung dịch chỉ chứa một muối duy nhất và 1,68 lít khí SO2 (đktc, sản phẩm khử duy nhất của S+6). Giá trị của m là

A. 24,0. B. 34,8. C. 10,8. D. 46,4.

(Đề thi tuyển sinh Đại học khối B năm 2013)

Hướng dẫn giải

● Bước 1: Lập sơ đồ phản ứng biểu diễn quá trình chuyển hóa giữa các chất, để thấy rõ bản chất hóa học của bài toán

Sơ đồ phản ứng :

FexOy + H2SO4 Fe2(SO4)3 + SO2 + H2O

● Bước 2 : Nhận dạng nhanh phương pháp giải bài tập

Bài tập yêu cầu tính khối lượng của oxit sắt ở dạng tổng quát FexOy. Đây là dấu hiệu (2), chứng tỏ bài tập này sẽ sử dụng phương pháp bảo toàn khối lượng.

● Bước 3 : Căn cứ vào các giả thiết, phân tích, đánh giá để lựa chọn hướng giải theo hệ quả 1 hay hệ quả 2 của định luật bảo toàn khối lượng thì tối ưu hơn

Nhận thấy : Đề bài đã cho thông tin về số mol của H2SO4 và số mol của SO2, nên có thể tính được số mol của Fe2(SO4)3 dựa vào bảo toàn nguyên tố S, tính được số mol H2O dựa vào bảo toàn nguyên tố H. Như vậy, ta sẽ tính được khối lượng của H2SO4, Fe2(SO4)3, SO2 và H2O. Vậy ta lựa chọn hướng giải theo hệ quả 1 của định luật bảo toàn khối lượng.

● Bước 4 : Thiết lập phương trình bảo toàn khối lượng. Ngoài ra, kết hợp với các giả thiết khác để lập các phương trình toán học có liên quan. Từ đó suy ra lượng chất cần tính

Áp dụng bảo toàn nguyên tố S và H, ta có :

Áp dụng bảo toàn khối lượng, ta có :

Ngoài ra có thể lựa chọn các hướng giải sau : Viết phương trình phản ứng, tìm công thức và số mol của FexOy, rồi suy ra khối lượng của nó (1); Dựa vào hệ quả 2 của định luật bảo toàn khối lượng (2).

Nếu lựa chọn hướng (1) thì việc tính toán sẽ phức tạp và mất nhiều thời gian (bạn đọc có thể kiểm chứng).

O2 Education gửi các thầy cô link download file pdf

PP2 – BẢO TOÀN KHỐI LƯỢNG

Xem thêm

Tổng hợp các phương pháp giải bài tập môn hoá học

Tổng hợp đề thi THPT QG 2021 file word có lời giải chi tiết