Phương pháp quy đổi hỗn hợp về các cụm nguyên tố | Hóa học 11

QUY ĐỔI HỖN HỢP VỀ CÁC CỤM NGUYÊN TỐ

Trong quá trình phát triển của đề thi những năm gần đây, ngày càng đòi hỏi mức độ tư duy, kĩ năng giải toán hoàn thiện từ học sinh. Phép quy đổi về các cụm nguyên tố cũng từ đó mà sinh ra. Ta sẽ tách hỗn hợp về các phần riêng rẽ để giải, mỗi phần nguyên tố có đặc điểm riêng hay phản ứng riêng,… có thể “lợi dụng” được.

1. Dấu hiệu

– Thứ nhất, quy đổi về các cụm nguyên tố được sử dụng ưu thế hơn trong các bài tập hữu cơ. Nguyên nhân chính là do phản ứng hữu cơ thường “ăn theo” một nhóm chức, một mắt xích hay một phân tử, để tách những nguyên tố của chất hữu cơ thành riêng lẻ phục vụ cho mục đích giải toán xuyên suốt thì thật là hãn hữu.

– Thứ hai, khả năng giữ lại phản ứng cao hơn hẳn so với quy đổi về các nguyên tố. Đa phần các nhóm chức vẫn được bảo toàn. Trong phần A, ta đã thống nhất với nhau rằng không sử dụng sản phẩm phản ứng của hỗn hợp sau khi quy đổi. Nhưng đối với kiểu hỗn hợp giả định này, có thể sử dụng các sản phẩm đó nhưng không ở mức độ tuyệt đối, dĩ nhiên sản phẩm tạo thành từ hỗn hợp gốc vẫn luôn chính xác nhất và không làm sai lệch cái căn nguyên của vấn đề.

2. Những kĩ năng về tách nhóm chức, tách cụm nguyên tố

Bài tập hữu cơ thường xoay quanh các nhóm chức:-CH_xOH(ancol), - CHO(andehit), -COOH (axit)

Ta sẽ nói về các đặc điểm riêng của chúng

Phương pháp quy đổi hỗn hợp về các cụm nguyên tố

– CHO: Nói về chức anđehit thì không có nhiều điểm đặc biệt hoặc có thể là ta chưa khai thác được hết. Tuy nhiên, nếu đặt cạnh chức ancol thì lại nó lại có khá nhiều nét riêng. Một chất hữu cơ mạch hở, không phân nhánh chỉ có từ 2 chức –CHO trở xuống, trong khi ancol thì có thể có vô số. Chính vì vậy, đề thi rất hiếm khi đề cập tới anđehit hay axit ba chức.

– COOH: Chức axit có thể tách thành , một điểm rất đáng lưu ý để xử lý phản ứng cháy. Đồng thời cụm COO cũng là chênh lệch phân tử của nhiều dãy đồng đẳng

Lấy ví dụ: Chỉ xét thành phần phân tử thì

Hiđrocacbon + COO = Axit/Este “tương ứng”

Amin + COO = Amino axit/ Este “tương ứng”

Bên cạnh đó, 3 nhóm chức điển hình này còn có thể chuyển hóa lẫn nhau qua các phản ứng oxi hóa, thủy phân,… Từ số phản ứng hạn hẹp, anđehit có thể “biến” thành ancol chỉ với H2 kèm xúc tác thích hợp, khi đó đề bài sẽ rất mở vì phản ứng của ancol khá đa dạng. Hay phản ứng biến anđehit thành muối của axit tương ứng cũng được khai thác nhiều.

3. Các bài toán điển hình

Chúng ta sẽ đi từ đơn giản đến phức tạp, phần nào “trũng” thì đào sâu nó.


Bài Giải:

Theo bài ra, số mol nhóm –CHO trong hỗn hợp là 0,12 mol, đó cũng chính là mol H2 phản ứng tối đa với X→ Các anđehit no, hai chức.

Một anđehit no, hai chức sẽ có dạng: 

Không tính phần nhóm chức thì phần cấu tạo còn lại chỉ gồm các mắt CH2. Vậy

Khối lượng 0,12 mol X là: =5,58.2 11,16 (gam)

Chọn đáp án C.


Bài Giải:

Rõ ràng n không nhỏ hơn 2. Ta có một vài lựa chọn để quy đổi X, hãy thử điểm qua

 Chọn đáp án A.

Lựa chọn số 1 có lẽ sẽ chẳng bao giờ được dùng tới, với trường hợp số 2 và 3 thì tùy thuộc vào dữ liệu đề bài đưa ra, chẳng hạn nếu có số mol hỗn hợp X thì lựa chọn 2 rõ ràng khả quan hơn.

Ví dụ 9: 


Bài giải

Chọn đáp án A.

Nói về các nhóm chức ancol, anđehit, axit không thể bỏ qua bài toán “không chứa Cacbon tự do” xuất hiện những năm gần đây. Ấn phẩm quy đổi có bàn tới vấn đề “lịch sử”, nên các ví dụ sau đây cũng sẽ dựa trên tiến trình thời gian ra mắt (theo trí nhớ của tác giả). Trước hết là lần xuất hiện chính thức đầu tiên.

Ví dụ 10:


Bài giải

Đây là bài toán khá hay ở thời điểm đề minh họa được công bố, dĩ nhiên, hầu hết các câu hỏi mới của đề thi thật đều xuất phát từ các đề thi thử (đề thi năm 2017 gần như chỉ là “sự tổng hợp hỗn độn” từ các đề thi thử những năm gần đây), tức là chắc chắn bài toán khai thác theo góc độ này đã xuất hiện từ trước. Đầu tiên ta có: 50 < MX < MY < MZ do đó hỗn hợp đầu không chứa HCHO

 Điều đó có nghĩa là hỗn hợp sẽ không chứa Cacbon tự do, tất cả các nguyên tử Cacbon đều bị “bắt” đi kèm với một nhóm chức nhất định.

Chọn đáp án A.

Vậy khái niệm Cacbon tự do ở đây được hiểu như thế nào? Ta định nghĩa với nhau: “Một nguyên tử Cacbon trong cấu tạo phân tử của chất hữu cơ khi không nằm trong nhóm chức tương ứng mà chỉ liên kết với các nguyên tử Cacbon lân cận và Hiđro gọi là Cacbon tự do”. Nếu một chất không chứa Cacbon tự do thì khối lượng cũng như các phản ứng của nó chỉ do nhóm chức quyết định (*).

Quay trở lại ví dụ 10, đã có rất nhiều bài toán tương tự như vậy nhưng hầu như chỉ là “thay số”. Để có thể thấy được hết các vấn đề phát sinh của câu hỏi thiết kế như trên chúng ta phải đứng ở đầy đủ 2 góc độ quan trọng: Cacbon, Hiđro.

Lấy ví dụ:


Ví dụ 11:

Bài giải

Gấp đôi dữ kiện các phần, ta có

Chọn đáp án D.

Ví dụ 12:

Bài giải:

Gấp 3 lần dữ kiện các phần ta có ngay:


→ Hai chất trong X là: OHC – CHO; HOOC – COOH, chất còn lại là ancol đa chức không chứa Cacbon tự do nhưng chúng ta chưa biết nó có bao nhiêu chức.

 Chọn đáp án A

Những câu hỏi tương tự như ví dụ 12 sẽ hướng tới đặc biệt trong cấu tạo của ancol, trong cuốn “Tổng ôn 2017” tác giả có đề cập một câu hỏi như vậy nhưng ancol được nhắc tới là Sobitol. Để tạo sự nhất quán với chương trình học và thi, âu cũng chỉ có hai chất Glixerol và Sobitol là thích hợp. Dĩ nhiên, có thể thiết kế nhiều câu hỏi khác dựa trên ý tưởng này, sẽ không còn 2 cụm nữa, có thể chỉ là 1 cụm như cấu tạo mạch hở của Glucozơ. Các bài tập về chủ đề này luôn có sự phong phú nhất định.

Tiếp theo, ta chuyển sang một ví dụ có liên quan đến việc tách nhóm –COOH.

Ví dụ 13:

Bài giải

Trước hết chúng ta nhận thấy rằng – Hai chất đầu trong X không có cấu trúc dạng HCOO– – Phản ứng được đề cập trong bài không riêng biệt với các nhóm chức axit hay este, có nghĩa là chúng chỉ đóng góp vào thành phần phân tử, còn lại thì “vô dụng”

Chọn đáp án D.

Cách giải này có một điểm rất đặc biệt ngoại lệ so với vấn đề lớn thứ nhất của quy đổi. Ta đã sử dụng một hỗn hợp không toàn vẹn về thành phần phân tử so với hỗn hợp nguyên thủy bằng việc rút nhóm COO ra khỏi cấu tạo axit hay este. Nếu không hiểu kĩ, rất khó để suy biến X về X’ chỉ với một thao tác đơn giản như vậy. Câu hỏi này còn có khoảng 3 cách giải nữa, nhưng trong phạm vi của bài, chúng ta dừng lại ở đây. Phần bài tập tự luyện sẽ có một câu hỏi tương tự.

Ví dụ 14:

Bài giải

Chọn đáp án A.

Ta sẽ còn giải lại câu hỏi này trong phần bài tập tự luyện của bài 4.

Ví dụ 15: 

Bài giải

Y gồm các anđehit và ancol no, đơn chức, mạch hở.
—>Chọn đáp án B.

Bài toán  vô cơ có sử dụng phép quy đổi về các cụm nguyên tố.

Bây giờ, chúng ta sẽ chuyển sang các bài toán vô cơ có sử dụng phép quy đổi về các cụm nguyên tố. Đối nghịch với quy đổi về các nguyên tố, việc sử dụng phép toán này trong vô cơ thực sự không nhiều và tác dụng của nó cũng ở mức thấp, chỉ thực sự hữu dụng trong một số trường hợp nhất định.

Ví dụ 16:


Bài giải:


Chọn đáp án D.

Ví dụ 17

Chọn đáp án A.

Hóa học: Phương pháp quy đổi hỗn hợp về các nguyên tố

PHƯƠNG PHÁP QUY ĐỔI HỖN HỢP VỀ CÁC NGUYÊN TỐ

Xét về mặt tổng thể, đây là một trong những phép toán yếu nhất. Gần như không có bất kì phản ứng nào của hỗn hợp nguyên thủy được giữ lại trong hỗn hợp mới, điều đó có nghĩa là nếu xét đến sản phẩm phản ứng, luôn phải xác định qua hỗn hợp đầu. Việc quy đổi trong trường hợp này chỉ với mục đích chính là làm gọn các chất gốc, thuận tiện hơn trong tính toán.

  1. Dấu hiệu

– Thứ nhất, kiểu quy đổi này được sử dụng ưu thế hơn trong các bài toán vô cơ. Tại sao vậy? Nguyên nhân chính là do các nguyên tố trong vô cơ thường đa hóa trị, một hỗn hợp phức tạp các hóa trị của một nguyên tố có thể gây ra rất nhiều khó khăn khi chúng ta giữ nguyên nó.

Lấy ví dụ: Fe, FeO, Fe3O4, Fe2O3

Bên cạnh đó, nhiều phản ứng trong vô cơ không thể xác định chính xác sản phẩm tạo thành, đôi lúc chúng ta chỉ biết nó là một “mớ hỗn độn”.

Lấy ví dụ: Nung nóng hỗn hợp X gồm Al, FeO, Cr2O3 một thời gian thu được hỗn hợp Y. Hòa tan Y trong dung dịch HNO3

Chính những tình huống như vậy làm cho phép quy đổi này bỗng trở nên cần thiết hơn bao giờ hết.

– Thứ hai, sử dụng khi số lượng nguyên tố hạn chế. Khi số lượng nguyên tố lớn, người giải nên cân nhắc đến các phép quy đổi khác hoặc chia cụm nguyên tố mà chúng ta sẽ trở lại sau ở mục B.

– Thứ ba, tính giữ lại phản ứng cực thấp. Phải thừa nhận rằng đây là một trong những phép quy đổi kinh điển, hầu như ai cũng biết, nhưng để nói sâu nói rõ thì có rất nhiều vấn đề phát sinh. Cứ lấy bài toán của hỗn hợp oxit sắt với HNO3 làm ví dụ, khi chúng ta quy đổi hỗn hợp đó về Fe, O để giải, chúng ta có sử dụng phản ứng của Fe và O với HNO3 để xác định sản phẩm hay không? Câu trả lời là không (nếu làm vậy O2 sẽ dư sau phản ứng do không tác dụng với HNO3). Người ta lấy sản phẩm phản ứng của hỗn hợp cũ nhưng tính toán qua hỗn hợp mới.

  1. Các trường hợp điển hình

Mở đầu vẫn sẽ là bài toán vô cơ kinh điển.

Ví dụ 1: Hòa tan hoàn toàn 14,56 gam hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe2O3, Fe3O4 trong dung dịch H2SO4 đặc nóng, dư thu được dung dịch Y chứa m gam muối và 2,016 lít khí SO2 (đktc) là sản phẩm khử duy nhất. Giá trị của m là:

A. 20.                        B. 40.                          C. 24.                          D. 12.

Bài giải

Cách 1: Giải bài toàn theo cách truyền thống

Số mol khí tạo thành là 0,09. Do axit dư nên chỉ có sắt (III) trong Y.

Quy đổi X về các nguyên tố tương ứng gồm:

Bảo toàn electron, ta có:

Như vậy:

Rất đơn giản và quen thuộc, nhưng có một điều cần lưu tâm, không chỉ trong giải hóa mà là trong rất nhiều việc khác nữa. Người ta vẫn thường tin rằng, chỉ việc khó mới cần đến người tài giỏi nhưng lại không biết rằng, ngay cả việc dễ thì họ cũng sẽ tạo ra sự khác biệt. Người có năng lực cao luôn làm những công việc (cho dù là đơn giản) với một đẳng cấp cao hơn hẳn những người khác. Nếu các bạn muốn rèn luyện mình trở nên tốt hơn, xuất sắc hơn các bạn không nên tạo sự thỏa mãn vội vàng cho mình, hãy suy nghĩ không ngừng để tìm ra giải pháp tối ưu.

Như đã phân tích, việc đưa hỗn hợp đầu về các nguyên tố là một trong những phép quy đổi yếu nhất. Khi ta đưa một hỗn hợp oxit phức tạp của sắt về Fe, O, gần như không còn phản ứng nào được giữ lại một cách nguyên vẹn. Chuẩn theo 3 vấn đề lớn của quy đổi trong phần “Bản nguyên”, phép toán này sẽ càng trở nên mạnh hơn khi hỗn hợp mới bảo toàn được càng nhiều phản ứng của hỗn hợp nguyên thủy. Do đó có thể giải câu hỏi này theo một suy luận khác.

Cách 2: Quy đổi theo sản phẩm phản ứng

Đứng trên lập trường của cách làm đầu tiên. Chúng ta sẽ thử để riêng hỗn hợp thành hai nguyên tố Fe, O. Sau đó, ta sẽ sử dụng một lượng sắt vừa đủ để “bắt” hết lượng oxy tạo thành Fe2O3. Như vậy, hỗn hợp đầu sẽ trở thành: Fe và Fe2O3.

Trong trường hợp này, Fe2O3 không tham gia phản ứng OXH – K, thế thì:

Chọn đáp án B.

Ghi nhớ: Có một vài câu hỏi nên đặt ra là liệu quy đổi như trên thì có đủ sắt hay không? Đương nhiên là có, vì oxit mà ta hướng tới là Fe2O3 (sắt có thể “bắt” nhiều oxi nhất có thể). Trong trường hợp không đủ sắt khi đưa về FeO hay Fe3O4 chẳng hạn, thì số mol sắt còn lại sẽ âm. Tuy nhiên, âm hay dương trong trường hợp này không phải là vấn đề.

Khá nhiều lý lẽ cho một bài toán đơn giản, giờ chúng ta sẽ xét trường hợp khác để bao quát vấn đề tốt hơn.

Ví dụ 2: Cho hỗn hợp A gồm sắt và các oxit tương ứng. Hòa tan 47,4 gam A trong dung dịch H2SO4 đặc, nóng thu được dung dịch B chỉ chứa các muối có số mol bằng nhau và 0,3 mol khí SO2. Thêm Ba(OH)2 dư vào B thu được m gam kết tủa. Giá của m gần nhất với giá trị nào sau đây?

A. 70.                    B. 120.                        C. 240.                        D. 280.

Bài giải

Theo bài ra, dung dịch B chứa hai muối có số mol bằng nhau đó là: FeSO4, Fe2(SO4)3.

Số oxi hóa trung bình của sắt trong B là:  đó cũng chính là số oxi hóa của sắt trong Fe3O4.

(Tư tưởng về trung bình là một trong những vấn đề thường xuyên đi kèm với quy đổi)

Chọn đáp án D.

Ví dụ 3: Cho m gam hỗn hợp bột X gồm FexOy, CuO và Cu (x, y nguyên dương) vào 300 ml dung dịch HCl 1M chỉ thu được dung dịch Y (không chứa HCl) và còn lại 3,2 gam kim loại không tan. Cho Y tác dụng với lượng dư dung dịch AgNO3, thu được 51,15 gam kết tủa. Biết các phản ứng đều xảy ra hoàn toàn. Giá trị của m gần nhất với giá trị nào sau đây?

A. 11,2.                       B. 13,8.                       C. 14,5.                       D. 17,0.

Bài giải

Vì đồng còn dư lại nên sắt trong dung dịch muối tồn tại ở dạng hóa trị II.

Giá trị 3,2 gam kim loại còn dư chắc chắn không tham gia vào việc tính toán chính mà giữ vai trò “bẫy” người làm khi vô tình quên đi sự hiện diện của nó. Bằng chứng là việc 4 đáp án đã được chia đều theo 2 bộ (11,2; 14,5) và (13,8; 17).

Ta có:  

Quy đổi theo sản phẩm phản ứng (chú ý không có H2 sinh ra).

Chọn đáp án C.

Ví dụ 4: Cho 8,16 gam hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe3O4 và Fe2O3 phản ứng hết với dung dịch HNO3 loãng (dung dịch Y), thu được 1,344 lít NO (đktc) và dung dịch Z. Dung dịch Z hòa tan tối đa 5,04 gam Fe, sinh ra khí NO. Biết trong các phản ứng, NO là sản phẩm khử duy nhất của . Số mol HNO3 có trong Y là

A. 0,78.                           B. 0,54.                       C. 0,44.                       D. 0,50.

(Trích đề thi THPTQG năm 2015)

Bài giải

Cách 1

Cho sắt tiếp tục phản ứng với Z, vẫn tạo khí NO, chứng tỏ axit dư sau phản ứng đầu tiên

Có tối đa 0,09 mol Fe có thể hòa tan trong Z, dĩ nhiên 0,06 mol trong số đó sẽ hòa tan Fe3+, tức là còn 0,03 mol tạo NO, như vậy tổng cộng sẽ có: 0,06 + 0,02 = 0,08 mol NO sinh ra trong suốt quá trình (Chú ý rằng cuối cùng sắt ở hóa trị II).

Cách 2

Phản ứng đầu tiên sẽ đưa sắt lên hóa trị III, vậy quy X về: Fe, Fe2O3

Khi thêm 0,09 mol Fe lúc sau, gộp hai phản ứng lại chỉ xét đầu và cuối quá trình, ta có

Vì cuối quá trình sắt tồn tại ở hóa trị II nên cần sắp xếp chúng lại một chút (chỉ là di chuyển nguyên tố từ “nhà nọ sang nhà kia”).

Chọn đáp án D.

Tiếp theo chúng ta sẽ xét phép quy đổi về các nguyên tố với bài toán nhiệt nhôm. Trong trường hợp đề bài cho công thức oxit cụ thể, khi đó điểm mạnh của phép quy đổi này sẽ phần nào bị che mờ đi do có hai nguyên tố đã biết tỉ lệ mol khi ta làm như vậy. Điều quan trọng ở đây là, hỗn hợp càng phức tạp, rắm rối bao nhiêu thì phép quy đổi mà ta đang tìm hiểu sẽ càng phát huy được tiềm năng của nó. Hãy so sánh:

Tuy vậy, thực sự thì việc quy đổi về các nguyên tố với bài toán nhiệt nhôm không có nhiều điểm đặc biệt.

Ví dụ 5: Trộn bột nhôm với một oxit sắt thu được hỗn hợp X. Nung nóng X trong điều kiện không có không khí thu được hỗn hợp Y. Chia Y thành 2 phần bằng nhau:

– Phần một phản ứng vừa đủ với 680 ml dung dịch NaOH 0,5M thu được dung dịch Z và còn lại 13,44 gam chất rắn không tan.

– Phần hai tác dụng với dung dịch HNO3 loãng vừa đủ thu được 7,168 lít khí NO (đktc) là sản phẩm khử duy nhất.

Biết các phản ứng xảy ra hoàn toàn, công thức của oxit sắt là:

A. Fe3O4.            B. FeO hoặc Fe2O3.         C. Fe2O3.             D. Fe3O4 hoặc Fe2O3.

(Khang Đỗ Văn)

Bài giải

Đây là một kiểu thiết kế rất quen thuộc với bài toán nhiệt nhôm. Các phần dữ kiện như: cho một phần phản ứng với NaOH, phần còn lại phản ứng OXH – K cũng là một lựa chọn tuyệt vời để thể hiện các phản ứng đặc trưng của nguyên tố. Đề thi THPTQG năm 2017 cũng ra một bài tập tương tự như trên, chỉ có điều là nó hơi “truyền thống”. Câu hỏi này thì khác một chút.

Dĩ nhiên 13,44 gam rắn không tan là Fe (0,24 mol), ta chỉ xét với một phần

Dung dịch Z chỉ gồm NaAl(OH)4 mol

(Thực ra là một nửa X)

Như vậy: 

Bây giờ, phải so sánh một chút:

Chọn đáp án D.

Và mục cuối cùng của phần này đó là quy đổi về các nguyên tố trong hóa hữu cơ. Nó cũng không phải là mục điển hình cho lắm khi mà các phản ứng hữu cơ đòi hỏi sự đi kèm của nguyên tố thành cụm (nhóm chức) nhiều hơn là đơn lẻ. Chúng tôi sẽ minh họa bằng bài tập về phản ứng cháy.

Ví dụ 6: Cho hỗn hợp X gồm hai anđehit mạch hở, không phân nhánh Y, Z (MY < MZ). Hidro hóa hoàn toàn m gam X cần 0,29 mol H2 thu được hỗn hợp ancol no T. Đốt cháy hoàn toàn lượng T này cần 14,784 lít O2 (đktc), sau phản ứng thu được 20,24 gam CO2. Mặt khác cho m gam X phản ứng với dung dịch AgNO3/NH3 dư thì thu được dung dịch 17,47 gam hỗn hợp muối hữu cơ. Chọn phát biểu đúng

  1. Z có 3 đồng phân thỏa mãn đề bài.
  2. Phần trăm khối lượng của Y trong X là 48,99%.
  3. Giá trị của m là 10,24 gam.
  4. Nếu cho m gam X tác dụng với AgNO3/NH3 dư thì thu được 24,84 gam kết tủa.

(Khang Đỗ Văn)

Bài giải

Ta đã có:

Gọi số mol O trong X là a, đó cũng chính là số mol nhóm –CHO

 

Số mol H2O tạo thành từ phản ứng cháy của ancol là: a + 1,32 − 0,46.2 = a + 0,4

Chọn đáp án B.

Tác dụng của phép quy đổi có lẽ chỉ dừng lại sau khi tìm được a, và nếu như vậy thì đề bài nên ngắn lại một chút. Nhưng một đề bài đầy đủ như vậy cũng là điều tốt, để ta thấy được tác dụng của phương pháp trong tổng thể bài toán, mà thực sự ở đây là không nhiều.