Sáng kiến kinh nghiệm Xây dựng hệ thống lý thuyết và bài tập phần chiết dành cho học sinh giỏi thi Quốc gia và Quốc tế

THÔNG TIN CHUNG VỀ SÁNG KIẾN
1. Tên sáng kiến: Xây dựng hệ thống lý thuyết và bài tập phần chiết dành cho học sinh giỏi thi Quốc gia và Quốc tế. 
2. Lĩnh vực áp dụng sáng kiến: Giảng dạy và bồi dưỡng học sinh giỏi thi Quốc gia, khu vực và quốc tế.
3. Thời gian áp dụng sáng kiến: Từ năm 2012 đến 2015.
4. Tác giả: 
Họ và tên: Vũ Văn Hợp.
Năm sinh: 1979.
Nơi thường trú: 53 Nguyễn Thi, Phường Thống Nhất, Thành phố Nam Định, tỉnh Nam Định.
Trình độ chuyên môn: Thạc sỹ.
Chức vụ công tác: Giáo viên.
Nơi làm việc: Trường THPT chuyên Lê Hồng Phong, tỉnh Nam Định.
Địa chỉ liên hệ: 370 Đường Vị Xuyên, thành phố Nam Định, tỉnh Nam Định.
Điện thoại: 03503640297.
5. Đồng tác giả:
a. Họ và tên: Phạm Trọng Thịnh.
Năm sinh: 1987.
Nơi thường trú: 69 Lương Văn Can, thành phố Nam Định.
Trình độ chuyên môn: Cử nhân.
Chức vụ công tác: Giáo viên.
Nơi làm việc: Trường THPT chuyên Lê Hồng Phong, tỉnh Nam Định.
Địa chỉ liên hệ: 370 Đường Vị Xuyên, thành phố Nam Định, tỉnh Nam Định.
Điện thoại: 03503640297.
b. Họ và tên: Trần Việt Hưng.
Năm sinh: 1992.
Nơi thường trú: 247 Trần Quang Khải, thành phố Nam Định.
Trình độ chuyên môn: Cử nhân.
Chức vụ công tác: Giáo viên.
Nơi làm việc: Trường THPT chuyên Lê Hồng Phong, tỉnh Nam Định.
Địa chỉ liên hệ: 370 Đường Vị Xuyên, thành phố Nam Định, tỉnh Nam Định.
Điện thoại: 03503640297.
6. Đơn vị áp dụng sáng kiến: 
Tên đơn vị: TRƯỜNG THPT CHUYÊN LÊ HỒNG PHONG.
Địa chỉ: 370 VỊ XUYÊN, TP NAM ĐỊNH.
Điện thoại: 03503 640 297.
MỤC LỤC


Trang
A.
Điều kiện, hoàn cảnh tạo ra sáng kiến kinh nghiệm
3
B.
Thực trạng trước khi có sáng kiến kinh nghiệm
3
C.
Nội dung của sáng kiến kinh nghiệm
4
I.
Lý thuyết
4
I.1.
Định nghĩa chiết
4
I.2.
Định luật phân bố
4
II.
Xây dựng hệ thống bài tập
7
II.1.
Các bài tập cơ bản
7
II.2.
Các bài tập nâng cao
12
III.
Kết luận
29
D.
Hiệu quả do sáng kiến kinh nghiệm đem lại
29
E.
Cam kết
29

A. ĐIỀU KIỆN, HOÀN CẢNH TẠO RA SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM:
Chiết để tách các chất là một phương pháp được sử dụng rất nhiều trong hoá học phân tích và trong đời sống. Từ rất lâu, người ta đã sử dụng các dung môi như nước để tách các chất màu ra khỏi các cành, lá, hoa, quả hoặc sử dụng rượu để chiết tách thuốc có trong các loại thảo dược. Phương pháp tách đó được gọi là phương pháp chiết lỏng-rắn. Bên cạnh đó, phương pháp chiết lỏng-lỏng cũng được sử dụng để tách các chất hữu cơ khi tan trong dung môi này bằng các dung môi khác mà các dung môi dùng để tách chỉ có khả năng hoà tan một chất trong hỗn hợp các chất đó. Điều đó chứng tỏ đến tầm quan trọng của phương pháp chiết trong hoá học và trong đời sống. 
Từ khoảng cuối thế kỉ 20 và đầu thế kỉ 21, tại các kì thi chọn đội tuyển thi HSG thi Olympic quốc tế và thi Olympic quốc tế môn Hoá học, các vấn đề về lý thuyết chiết và bài tập chiết và thực hành chiết đã xuất hiện, điều đó đặt ra một yêu cầu về nội dung và chương trình giảng dạy cho học sinh.
Bên cạnh đó, nội dung về phương pháp chiết chỉ được giới thiệu trong một số rất ít các tài liệu chuyên ngành hoá học nhưng đã xuất hiện trong các tài liệu chuẩn bị và đề thi Olympic Quốc tế, đồng thời cũng đã xuất hiện trong đề thi chọn đội tuyển thi HSG Olympic Quốc tế. 
Trong khi đó với yêu cầu của công tác giảng dạy và bồi dưỡng học sinh giỏi, chúng tôi đã bồi dưỡng và giảng dạy cho học sinh chuyên đề này. Dựa trên kết quả giảng dạy của học sinh và sự tự bồi dưỡng của bản thân, chúng tôi tiến hành viết sáng kiến kinh nghiệm với chuyên đề: “XÂY DỰNG HỆ THỐNG LÝ THUYẾT VÀ BÀI TẬP PHẦN CHIẾT DÀNH CHO HỌC SINH GIỎI THI QUỐC GIA VÀ QUỐC TẾ”
Chúng tôi hy vọng với chuyên đề này, các giáo viên và học sinh có thêm những tài liệu bổ ích nhằm phục vụ cho việc học tập và nghiên cứu của bản thân.
Mục đích của đề tài: Vận dụng lý thuyết phân tích về cân bằng ion trong dung dịch và cân bằng chuyển hoá giữa các chất trong các dung môi không hoà tan khác nhau. Chúng tôi xây dựng hệ thống lý thuyết và các mức độ bài tập cân bằng chiết phục vụ cho bồi dưỡng học sinh dự thi HSG Quốc gia và chọn đội tuyển thi Olympic quốc tế.
Nhiệm vụ của đề tài: Chúng tôi tiến hành chia đề tài thành các vấn đề cần hoàn thiện sau:
- Hệ thống lý thuyết về cân bằng hoà tan giữa các dung môi
- Hệ thống các công thức phục vụ tính toán trong các bài tập chiết
- Xây dựng các bài tập cơ bản và nâng cao
B. THỰC TRẠNG TRƯỚC KHI TẠO RA SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM:
Giáo viên chưa có tài liệu chính thống để giảng dạy cho học sinh chuyên hóa. Các giáo viên dạy chuyên đều phải tự mày mò tài liệu, chọn kiến thức phù hợp để giảng dạy. 
Để học sinh giải quyết được các vấn đề trong đề thi học sinh giỏi quốc gia và quốc tế thì giáo viên cần phải khai thác các kiến thức trong các giáo trình đại học để dạy cho học sinh chuyên. 
Liên quan trực tiếp đến chuyên đề, tài liệu viết về hệ thống lý thuyết của chuyên đề khá ít, bài tập khá nghèo nàn.
C. NỘI DUNG CỦA SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM:
I. LÝ THUYẾT
I.1. Định nghĩa chiết
Nếu chất A tan được cả trong hai dung môi S1 và S2 không tan vào nhau thì khi lắc một ít chất A trong dung môi S1 với một lượng dung môi S2 thì một phần chất A sẽ chuyển từ S1 sang S2 cho đến khi cân bằng sau được thiết lập:
	(A)S1 D (A)S2	(1.1)
Tại thời điểm cân bằng, tốc độ chuyển A từ S1 sang S2 và tốc độ chuyển ngược lại A từ S2 sang S1 bằng nhau. Quá trình xảy ra cũng được gọi là quá trình chiết chất A từ dung môi S1 sang dung môi S2.
Thông thường, để hai dung môi không hoà tan vào nhau thì chúng phải có tính chất trái ngược nhau và khối lượng riêng càng cách xa nhau càng tốt.
Để thoả mãn điều đó thì dung môi S1 thường là dung môi có tính phân cực cao, ví dụ H2O,.. còn dung môi S2 thường là dung môi không phân cực, ví dụ CCl4, hexen, benzen, CS2.
Các chất được chiết bởi các dung môi không phân cực phải là các hợp chất có tính phân cực kém hoặc không phân cực. Cụ thể các chất thường được chiết là:
a) Các chất vô cơ
- Một số đơn chất như: I2, Br2 chiết được bởi CHCl3, CCl4, benzen,...
- Một số phức chất ngay cả ít bền trong dung dịch nước: các phức clorua, bromua, iotđua, thioxianat,v.v,..., các hợp chất axit dị đa, photphatvanađat, molipđat,v,v....
Ví dụ: Fe(SCN)3 chiết được bởi ete (cho màu đỏ), bởi hexon (metylisobutyl xeton) (cho màu đỏ tím). Các axit phức như H[AuCl4], H[AuBr4], H[FeBr4],... chiết được bằng các dung môi hữu cơ chứa oxi.
b) Các hợp chất hữu cơ.
- Các phân tử không phân li hoặc phân li một phần trong nước (các axit, bazơ hữu cơ).
- Các phức chất giữa ion kim loại và thuốc thử, trong đó đáng chú ý là các càng và các liên hợp ion.
Ví dụ: Nhiều cation kim loại (Cu2+, Hg2+, Zn2+, Cd2+,...) chiết được bởi dung dịch đithizon (điphenyl thiocacbazon) trong CCl4 hoặc CHCl4 do sự tạo thành hợp chất nội phức tan trong dung môi hữu cơ.
Ion BiI4- tạo liên hợp ion với cayion rozamin B (C16H33)4N+ chiết được bởi benzen.
I.2. Định luật phân bố
a) Hằng số phân bố
Áp dụng định luật tác dụng khối lượng cho cân bằng (1.1.), ta có:
	(1.2)
Trong đó:	(A)S1 là hoạt độ của chất A trong dung môi S1.
	(A)S2 là hoạt độ của chất A trong dung môi S2.
	KD được gọi là hằng số phân bố.
Do KD là hằng số nên KD phụ thuộc vào nhiệt độ, bản chất của các chất tan và dung môi.
Trong đa số trường hợp, chất nhận một cách gần đúng hoạt độ bằng nồng độ, nên biểu thức (1.2) có thể được biểu diễn như sau:
 	(1.3)
b) Hệ số phân bố
Trên thực tế, bên cạnh quá trình chiết, còn có các quá trình phụ khác xảy ra trong dung môi nước và dung môi hữu cơ (phản ứng axit-bazơ, phản ứng tạo phức, phản ứng liên hợp,...), do đó người ta dùng đại lượng là hệ số phân bố D để đặc trưng định lượng của quá trình chiết. D là tỷ số giữa tổng nồng độ cân bằng các dạng tồn tại của chất tan trong dung môi hữu cơ với tổng nồng độ chất tan trong nước.
	(1.4)
Trong đó:	là tổng nồng độ cân bằng các dạng của A trong pha hữu cơ (organic).
	là tổng nồng độ cân bằng các dạng của A trong pha nước (water).
Thực chất DA chính là hằng số phân bố điều kiện KD' của A.
Do DA là hệ số nên nó phụ thuộc vào pH dung dịch, nồng độ chất tạo phức phụ ở trong pha nước, nồng độ thuốc thử trong pha hữu cơ.
c) Hiệu suất chiết (E%)
Hiệu suất chiết là tỷ số giữa tổng lượng chất chiết được trong dung môi hữu cơ với tổng lượng chất có trong nước trước khi bị chiết.
	(1.4)
	Chia cả hai số hạng của (1.4) cho Σ [A]oVo ta có:
	(1.5)
d) Thực nghiệm chiết
Để chiết chất tan A từ dung môi (giả sử là nước) bằng dung môi hữu cơ, người ta lắc dung môi hữu cơ với dung dịch nước chứa chất A đến khi cân bằng được thiết lập.
Khi cho Vo Lit dung môi hữu cơ vào Vw Lit dung dịch chứa x0 lượng chất A, sau khi cân bằng được thiết lập, một lượng chất A sẽ phân bố vào dung môi hữu cơ. Do đó sau lần chiết thứ nhất trong dung dịch nước còn lại x1 mol chất A. Lúc đó:
	 ; 
	(1.6)
Nếu chiết tiếp chất A còn lại trong dung dịch nước bằng cùng V0 Lit dung môi mới thì lượng chất A còn lại sau lần chiết thứ 2 là:
Sau n lần chiết thì lượng chất A còn lại trong dung dịch nước là xn và khi đó:
	(1.7)
% chất A còn lại trong nước sau n lần chiết là:
	(1.8)
Nếu so sánh được hiệu suất chiết với cùng một thể tích dung môi hữu cơ (Vo) với việc chia nhỏ thành n lần chiết, mỗi lần có thể tích là Vo/n thì sẽ xác định hiệu suất theo cách nào cao hơn? Cụ thể:
Nếu chiết với thể tích là Vo thì lượng chất A còn lại trong dung dịch là:
Nếu Vo = Vw 
Nếu chia n lần chiết với thể tích của mỗi lần là Vo/n thì lượng chất A còn lại sau n lần chiết sẽ là:
Khi đó với V0 = Vw => < x
Do đó, hiệu suất chiết của quá trình chiết với V0 Lit được chia thành n lần chiết sẽ cao hơn so với chiết 1 lần.
II. XÂY DỰNG HỆ THỐNG BÀI TẬP
II.1. Các bài tập cơ bản
Dựa vào đặc điểm lý thuyết về chiết, chúng tôi tiến hành xây dựng một số bài tập cơ bản nhằm củng cố kiến thức về quá trình chiết, đồng thời thiết lập mối quan hệ giữa các cân bằng trong các dung môi khác nhau.
a) Những bài tập củng cố lý thuyết
Ví dụ 1: Brom tan được trong nước và một số dung môi hữu cơ. Trong các dung môi sau:
a) CHCl3; 	b) CCl4	c) Axeton	d) Benzen	e) Ancol etylic
Hãy c