xây dựng hệ thống những bài thực nghiệm phần hóa hữu cơ...
TRANSCRIPT
Xây dựng hệ thống những bài thực nghiệm
phần hóa hữu cơ huấn luyện học sinh giỏi cấp
quốc gia, quốc tế
Lê Thị Thịnh
Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên
Luận văn Thạc sĩ ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý; Mã số: 60 44 31
Ngƣời hƣớng dẫn: PGS. TS. Lê Kim Long
Năm bảo vệ: 2012
Abstract: Tổng quan các vấn đề lí luận và thực tiễn về bồi dƣỡng học sinh giỏi (HSG)
ở nƣớc ta hiện nay. Nghiên cứu nội dung chƣơng trình, kiến thức hóa học chuyên; các
đề thi HSG cấp tỉnh, cấp khu vực, cấp quốc gia và quốc tế phần hóa hữu cơ. Đi sâu
nghiên cứu các bài thực hành hóa hữu cơ trong các bài chuẩn bị và các đề thi học sinh
giỏi quốc tế qua các năm. Xây dựng một số bài thực nghiệm hóa hữu cơ và hệ thống
câu hỏi phù hợp với từng mức độ của các kì thi HSG quốc gia và quốc tế. Làm thực
nghiệm, kiểm tra tính khả thi và hiệu quả của đề tài; xử lý kết quả thu đƣợc.
Keywords: Hóa lý thuyết; Hóa hữu cơ; Bài thực nghiệm; Học sinh giỏi
Content
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
“...Hiền tài là nguyên khí của quốc gia, nguyên khí thịnh thì thế nƣớc mạnh mà hƣng
thịnh, nguyên khí suy thì thế nƣớc yếu mà thấp hèn. Vì thế các bậc đế vƣơng thánh minh
không đời nào không coi việc giáo dục nhân tài, kén chọn kẻ sĩ, vun trồng nguyên khí quốc
gia làm công việc cần thiết... ”. Câu nói ấy vẫn còn nguyên giá trị đối với sự phát triển đất
nƣớc.
Điều này cũng đƣợc thể hiện trong nghị quyết của Đảng ta: “Hoàn thiện hệ thống cơ
chế, chính sách phát hiện, đào tạo, bồi dƣỡng, sử dụng nhân tài đáp ứng yêu cầu công nghiệp
hóa, hiện đại hóa” và “...tạo bƣớc chuyển căn bản trong việc phát hiện, đào tạo, bồi dƣỡng, sử
dụng nhân tài và đội ngũ cán bộ khoa học, chuyên gia giỏi; xây dựng Chiến lƣợc quốc gia về
nhân tài, coi đó là giải pháp rất quan trọng trong việc thực hiện chiến lƣợc cán bộ” [35,36].
Yêu cầu đó đã đặt ra cho ngành giáo dục ngoài nhiệm vụ đào tạo toàn diện còn có chức năng
phát hiện và bồi dƣỡng học sinh giỏi, học sinh năng khiếu, đào tạo đội ngũ học sinh có kiến
thức, có năng lực tự học, tự nghiên cứu, đạt nhiều thành tích cao góp phần quan trọng nâng
cao chất lƣợng và hiệu quả giáo dục phổ thông; đào tạo họ thành những nhà khoa học, những
chuyên gia giỏi cho từng lĩnh vực, tạo nguồn nhân lực chất lƣợng cao cho đất nƣớc.
2
Hóa học là ngành khoa học cơ bản, có vai trò trung tâm và gắn liền với sự phát triển
của các ngành khoa học và các lĩnh vực khác của xã hội nhƣ năng lƣợng, lƣơng thực thực
phẩm, y tế, may mặc,... Nhu cầu về đội ngũ cán bộ khoa học, công nghệ hóa học có trình độ
cao là không thể thiếu. Để có đƣợc đội ngũ này cần có sự phát hiện, bồi dƣỡng, đào tạo và sử
dụng các nhân tài và năng khiếu hóa học từ sớm.
Mặt khác, hóa học là khoa học thực nghiệm. Thí nghiệm hóa học giữ vai trò đặc biệt
quan trọng trong quá trình dạy học hóa học ở phổ thông. Thí nghiệm hóa học là cơ sở để học
tập hóa học và rèn luyện kĩ năng thực hành; thông qua thí nghiệm hóa học giúp học sinh củng
cố kiến thức, góp phần phát triển tƣ duy, khả năng sáng tạo, vận dụng kiến thức, liên hệ kiến
thức với thực tiễn, kĩ năng lập kế hoạch và tác phong làm việc khoa học,...làm tăng niềm
hứng thú say mê học tập bộ môn.
Tuy nhiên, ở nƣớc ta hiện nay việc sử dụng thí nghiệm hóa học trong dạy học hóa học
phổ thông còn chƣa phổ biến hoặc chƣa phát huy đƣợc hết vai trò của nó, vì vậy cần có sự đổi
mới để khắc phục hiện tƣợng dùng thí nghiệm hóa học chủ yếu để minh họa kiến thức chứ
chƣa khai thác theo hƣớng tích cực. Đặc biệt, trong các kì thi HSG ở nƣớc ta, kể cả kì thi
HSG quốc gia, cho tới nay phần thực nghiệm vẫn chƣa nhiều. Trong khi đó, kì thi HSG hóa
học quốc tế (IChO – International Chemistry Olympiads) luôn gồm hai phần, phần lí thuyết
(chiếm 60%) và phần thực hành (chiếm 40% tổng số điểm). Nhận thức đƣợc tính cấp thiết đó,
từ năm học 2011- 2012 lãnh đạo Bộ GD & ĐT Việt Nam đã triển khai thí điểm đƣa thêm
phần thực nghiệm hóa học vào kì thi HSG quốc gia nhằm phát triển và đánh giá toàn diện hơn
khả năng học tập hóa học của học sinh, đồng thời bắt kịp với xu hƣớng của các đề thi quốc tế,
chuẩn bị tốt cho kì thi HSG hóa học quốc tế năm 2014 (IChO 46) sẽ đƣợc tổ chức tại Việt
Nam.
Là một giáo viên THPT, qua thực tiễn công tác và từ những lý do trên, tôi chọn đề tài
“Xây dựng hệ thống những bài thực nghiệm phần hóa hữu cơ huấn luyện học sinh giỏi
cấp quốc gia, quốc tế” với mong muốn góp phần xây dựng một tƣ liệu dạy học, bồi dƣỡng
HSG phần hóa học hữu cơ; đồng thời tạo một tài liệu học tập cho các em học sinh khi tham
gia các kì thi HSG, góp phần nâng cao chất lƣợng dạy học.
2. Đối tượng nghiên cứu
Nội dung bài tập thực hành hóa hữu cơ trong chƣơng trình hóa phổ thông và trong kì
thi Olympiad hóa học quốc tế (IChO)
3. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu xây dựng một số bài thí nghiệm thực hành hóa học hữu cơ phù hợp nhằm
bồi dƣỡng và rèn luyện kĩ năng thực hành hóa học cho học sinh giỏi cấp quốc gia, quốc tế.
4. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan các vấn đề lí luận và thực tiễn về bồi dƣỡng HSG ở nƣớc ta
hiện nay.
3
- Nghiên cứu nội dung chƣơng trình, kiến thức hóa học chuyên; các đề thi HSG cấp
tỉnh, cấp khu vực, cấp quốc gia và quốc tế phần hóa hữu cơ. Đi sâu nghiên cứu các bài thực
hành hóa hữu cơ trong các bài chuẩn bị và các đề thi học sinh giỏi quốc tế qua các năm.
- Xây dựng một số bài thực nghiệm hóa hữu cơ và hệ thống câu hỏi phù hợp với từng
mức độ của các kì thi HSG quốc gia và quốc tế.
- Làm thực nghiệm, kiểm tra tính khả thi và hiệu quả của đề tài; xử lý kết quả thu
đƣợc.
5. Phương pháp nghiên cứu
- Tổng hợp các vấn đề lí luận có liên quan đến đề tài.
- Tổng hợp và nghiên cứu các kiến thức hóa học hữu cơ, hóa học phân tích, hóa
lý,...cần thiết để xây dựng một số bài thực hành.
- Nghiên cứu các đề thi HSG hóa học quốc gia, đề thi Olympiad hóa học quốc tế.
- Làm thí nghiệm, thực nghiệm sƣ phạm; trao đổi kinh nghiệm với các giáo viên giảng
dạy hóa học ở trƣờng chuyên.
- Xử lý kết quả thí nghiệm và thực nghiệm sƣ phạm dựa vào phƣơng pháp thống kê
toán học.
6. Đóng góp của đề tài
- Xây dựng đƣợc một số bài tập thực nghiệm phần hóa hữu cơ góp phần bồi dƣỡng học
sinh giỏi trong các kì thi học sinh giỏi cấp quốc gia, quốc tế.
- Cung cấp cho giáo viên ôn học sinh giỏi và các em học sinh yêu thích môn hóa học
một tài liệu tham khảo về bồi dƣỡng HSG về thực nghiệm.
7. Cấu trúc luận văn
Luận văn gồm ba chƣơng với nội dung chính sau:
Mở đầu
Chƣơng 1: Tổng quan về công tác bồi dƣỡng HSG (vai trò, vị trí và hiện trạng), thí
nghiệm thực hành hóa học trong chƣơg trình THPT ở nƣớc ta và trong các kì thi IChO gần
đây.
Chƣơng 2: Xây dựng và đề xuất 6 bài thực nghiệm phần hóa hữu cơ nhằm huấn luyện
HSG cấp quốc gia và chuẩn bị cho kì thi IChO. Mỗi bài gồm các phần: Cơ sở lý thuyết; Mục
đích, yêu cầu; Hóa chất; Dụng cụ; Qui trình; Một số lƣu ý để thí nghiệm thành công; Xử lý
kết quả thực nghiệm; Câu hỏi kiểm tra và mở rộng.
Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận. Làm thí nghiệm thực hành ở Khoa Hóa học, trƣờng
ĐH KHTN, ĐHQG Hà Nội đƣa ra kết quả và đề xuất thang điểm đánh giá. Sau đó làm TNSP
tại trƣờng THPT chuyên Thái Bình, xử lý số liệu, khảo sát đánh giá tính hiệu quả và khả thi
của đề tài, điều chỉnh thang điểm.
Kết luận.
4
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Vấn đề bồi dưỡng HSG ở trường THPT
1.1.1. Vị trí, vai trò của công tác bồi dưỡng HSG ở trường THPT
Có thể nói, hầu nhƣ các quốc gia trên thế giới đều coi trọng vấn đề đào tạo và bồi
dƣỡng HSG trong chiến lƣợc phát triển giáo dục phổ thông. Nhiều nƣớc ghi riêng thành một
mục dành cho HSG hoặc coi đó là một dạng của giáo dục đặc biệt. Mỗi nƣớc đều có một cách
tiếp cận khác nhau trong việc bồi dƣỡng HSG.
Ở Việt Nam, tỉ lệ HSG chủ yếu tập trung ở hệ thống các trƣờng chuyên. Tính đến
năm 2012, cả nƣớc có 76 trƣờng và khối THPT chuyên, trong đó có 68 trƣờng THPT chuyên
và 9 khối THPT chuyên trong các Đại học và trong trƣờng THPT không chuyên. Tổng số học
sinh THPT chuyên toàn quốc là gần 50 nghìn, chiếm 1,74% số học sinh THPT tỉ lệ bình quân
toàn quốc, học sinh đoạt giải trong các kì thi HSG quốc gia là 53% [31].
Hơn lúc nào hết, sự nghiệp bồi dƣỡng, phát triển nhân tài cho đất nƣớc phải đƣợc đặt
lên một tầm cao mới với “yêu cầu mới, nguồn lực mới và cách làm mới” nhằm đáp ứng sự
nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hóa của đất nƣớc. Điều này đƣợc khẳng định trong đề án
Phát triển hệ thống trƣờng THPT chuyên, giai đoạn 2010-2020 với tổng kinh phí đầu tƣ 2.300
tỷ đồng của Chính phủ [23].
1.1.2. Những phẩm chất và năng lực cần có của HSG hóa học [4, 29]
Những phẩm chất và năng lực cần có của HSG hóa học là
- Có lòng say mê học tập hóa học cao độ.
- Có năng lực tƣ duy tốt và sáng tạo. Biết phân tích, tổng hợp, so sánh, khái quát cao,
có khả năng sử dụng các phƣơng pháp mới nhƣ qui nạp, diễn dịch, loại suy,…
- Có kiến thức hóa học sâu sắc, vững vàng, hệ thống. Nắm vững bản chất hóa học của
các hiện tƣợng hóa học. Biết vận dụng các kiến thức hóa học đó một cách linh hoạt, sáng tạo
vào những tình huống mới.
- Có kĩ năng thực nghiệm tốt, có năng lực về phƣơng pháp nghiên cứu khoa học hóa
học. Biết nêu ra những lí luận cho những hiện tƣợng hóa học xảy ra trong thực tế, biết cách
dùng thực nghiệm để kiểm chứng lại những lí luận trên và biết cách dùng lí thuyết để giải
thích các hiện tƣợng thí nghiệm đƣợc kiểm chứng.
1.1.3. Kĩ năng cần có của giáo viên bồi dưỡng HSG [25, 31]
Trong việc đào tạo, bồi dƣỡng HSG ở trƣờng THPT đội ngũ giáo viên đóng vai trò hết
sức quan trọng. Kiến thức để bồi dƣỡng HSG có tính chuyên sâu, độ khó cao, tính bao quát
rộng, nên giáo viên dạy HSG phải có là ngƣời năng lực, sự đam mê, tâm huyết, có niềm tin và
là chỗ dựa tinh thần vững chắc cho học sinh. Giáo viên bồi dƣỡng HSG cần thƣờng xuyên
5
tham khảo nhiều tài liệu, tự nâng cao trình độ để cập nhật, bổ sung và phát triển chuyên đề mà
mình phụ trách; phải chủ động đi trƣớc học sinh một bƣớc, hƣớng dẫn và cùng tham gia giải
bài tập với học sinh. Mặt khác hiểu biết của học sinh ngày càng rộng, ngƣời giáo viên cần có
trình độ hiểu biết sâu và rộng mới có sức thuyết phục với đối tƣợng HSG.
Để làm tốt đƣợc công việc trên giáo viên cần có những kĩ năng cơ bản sau:
Kĩ năng nhận thức:
- Đọc và nghiên cứu tài liệu, tổng hợp và tóm tắt tài liệu.
- Xây dựng đề cƣơng, soạn giáo án, lập kế hoạch bồi dƣỡng.
Kĩ năng truyền đạt:
- Kĩ năng giao tiếp, ngôn ngữ.
- Kĩ năng nêu vấn đề và đặt câu hỏi: câu hỏi đƣợc diễn đạt rõ ràng, ngắn gọn, xúc tích,
dễ hiểu, sử dụng ngôn ngữ phù hợp, không quá phức tạp. Câu hỏi có thứ tự logic, hình
thức thay đổi và không mang tính ép buộc.
- Kĩ năng trình bày và chuyển tải kiến thức: các vấn đề và nội dung kiến thức đƣa ra
cần chính xác khoa học, đơn giản, dễ hiểu, không phức tạp hóa và cần đƣợc chuẩn bị
chu đáo. Nói rõ ràng và đủ âm lƣợng, cần bao quát tốt và chú ý thái độ phản hồi từ học
sinh.
Kĩ năng tổ chức, quản lý
- Giám sát, theo dõi, động viên, khuyến khích.
- Tiếp nhận, điều chỉnh thông tin phản hồi.
Kĩ năng sử dụng các phƣơng tiện dạy học
- Sử dụng thí nghiệm, kĩ năng thực hành (thao tác, quan sát, giải thích, kết luận)
- Sử dụng các thiết bị hỗ trợ (tranh, ảnh, phƣơng tiện nghe nhìn,...)
Nhóm kĩ năng kiểm tra, đánh giá
- Xây dựng ngân hàng câu hỏi, đề kiểm tra.
- Phân loại đề kiểm tra theo đối tƣợng, mục tiêu, thời lƣợng, chƣơng trình.
1.1.4. Công tác bồi dưỡng HSG ở các trường THPT [17, 29]
Đào tạo học sinh HSG ở bậc THPT là một quá trình mang tính khoa học nghiêm túc,
không thể chỉ một một thời gian ngắn mà phải có tính chiến lƣợc dài hơi trong suốt cả ba năm
học. Công việc này phụ thuộc rất nhiều vào đội ngũ giáo viên hóa học ở cơ sở (các trƣờng
THCS, THPT).
Hiện nay công tác bồi dƣỡng học sinh giỏi ở các trƣờng THPT còn gặp không ít khó
khăn về nội dung chƣơng trình, tài liệu tham khảo chính thống, giới hạn kiến thức cần đạt
đƣợc ứng với mỗi cấp độ (HSG tỉnh, HSG khu vực, HSG quốc gia,…), thời gian, kinh phí, chế
độ chính sách,…
1.2. Vai trò, tác dụng của thực nghiệm trong dạy học và nghiên cứu hóa học
Quan sát và thí nghiệm là các phƣơng pháp nghiên cứu cơ bản của khoa học tự nhiên,
của các môn khoa học thực nghiệm, trong đó có môn hóa học. Hóa học là một khoa học đã và
sẽ không thể phát triển đƣợc nếu không có quan sát, thí nghiệm.
6
Thí nghiệm hóa học là phƣơng tiện trực quan, đƣợc dùng phổ biến và giữ vai trò đặc
biệt quan trọng; là cầu nối giữa lý thuyết và thực tiễn thí nghiệm giúp học sinh vận dụng các
điều đã học vào thực tế cuộc sống. Làm thí nghiệm hóa học giúp học sinh rèn luyện kĩ năng
thực hành. Qua thực hành thí nghiệm học sinh rèn luyện kĩ năng thao tác, sự khéo léo, kĩ năng
lập kế hoạch thí nghiệm, phát triển kĩ năng giải quyết vấn đề. Từ đó học sinh sẽ hình thành
những đức tính cần thiết của ngƣời lao động mới: tác phong làm việc nghiêm túc, cẩn thận,
ngăn nắp, kiên trì, trung thực, chính xác, khoa học,…
Thí nghiệm hóa học giúp học sinh phát triển tƣ duy, hình thành thế giới quan duy vật
biện chứng. Thông qua thí nghiệm hóa học học sinh nắm kiến thức một cách hứng thú, vững
chắc và sâu sắc hơn. Thí nghiệm hóa học giúp giờ học thêm sinh động, góp phần nâng cao
chất lƣợng dạy học.
1.3. Phần thực nghiệm hóa học hữu cơ trong chương trình phổ thông [7-10, 26]
Trong phân phối chƣơng trình, phần hóa học hữu cơ bắt đầu từ học kì II lớp 11 và kéo
dài đến hết học kì I lớp 12. Ngoài các thí nghiệm do giáo viên hoặc học sinh tự thực hiện
trong quá trình học bài mới thì trong chƣơng trình có 6 hoặc 7 bài thí nghiệm thực hành phần
hữu cơ.
Các thí nghiệm trong các chƣơng trình THPT cần đảm bảo các yêu cầu:
- Đơn giản, dễ thực hiện, dễ thành công và đặc biệt là đảm bảo an toàn cho học sinh.
- Các thí nghiệm có hiện tƣợng rõ ràng, xảy ra nhanh, đảm bảo về thời gian.
- Hóa chất phổ biến, dụng cụ đơn giản.
- Đảm bảo tính mỹ thuật, sƣ phạm và khoa học.
Các bài thực hành nói chung và các bài thực hành phần hữu cơ nói riêng trong chƣơng
trình hóa học THPT là công cụ trực quan sinh động minh họa và làm sáng tỏ lí thuyết, góp
phần rèn luyện những kĩ năng thực hành cơ bản, làm quen với các dụng cụ thí nghiệm và hình
thành phƣơng pháp nghiên cứu khoa học cho học sinh. Tuy nhiên, hiện nay số lƣợng và chất
lƣợng thí nghiệm thực hành hóa học trong chƣơng trình THPT chƣa đáp ứng đƣợc yêu cầu
của việc dạy học nói chung và đặc biệt là yêu cầu việc đổi mới dạy học nói riêng. Hơn nữa
các thí nghiệm hóa học trong chƣơng trình THPT chủ yếu chỉ mang tính chất định tính.
Đối với trƣờng chuyên, lớp chuyên hóa mặc dù số tiết học môn chuyên tăng 1,5 lần so
với chƣơng trình hóa học nâng cao để học thêm phần kiến thức chuyên sâu, nhƣng chủ yếu
vẫn mang nặng tính lý thuyết, phần thí nghiệm thực hành vẫn chƣa đƣợc quan tâm đúng mức.
Cho đến nay dụng cụ, hóa chất đa số trƣờng chuyên cơ bản còn thiếu và yếu, đội ngũ giáo
viên có đủ trình độ năng lực để hƣớng dẫn đội tuyển HSG làm các bài thực hành nâng cao còn
ít. Đây cũng chính là nguyên nhân dẫn đến kết quả chƣa cao trong phần thực hành của học
sinh Việt Nam trong các kì thi Olympiad quốc tế.
Trong các trƣờng THPT nói chung và trƣờng THPT chuyên tình trạng khả năng hƣớng
dẫn thực hành yếu có thể có nhiều nguyên nhân, phần vì kinh phí cho lĩnh vực này còn hạn
hẹp tuy đã có nhiều cố gắng, phần vì trách nhiệm của nhà sản xuất (dụng cụ, thiết bị còn mà
không dùng đƣợc, dùng đƣợc thì cũng chóng hỏng), phần vì thiếu một sự quản lí chỉ đạo,
động viên những ngƣời tốt, việc tốt trong sử dụng và cải tiến sáng tạo thí nghiệm thực hành
7
hóa học hiện có. Và một trong những nguyên nhân sâu xa nhất của vấn đề này là do các kì thi
ở nƣớc, ta từ kì thi tuyển sinh Đại học đến các kì thi HSG các cấp, đều nặng tính lý thuyết, ít
có nội dung thực hành vì vậy tâm lý “Thi gì, học nấy” đã làm cho việc sử dụng thí nghiệm
thực hành trong công tác giảng dạy và học tập hóa học ở THPT chƣa đƣợc chú trọng và quan
tâm đúng mức.
1.4. Một số nội dung thực nghiệm hữu cơ được đề cập trong kì thi Olympiad Hóa học
Quốc tế [6]
Các bài thực hành phần hữu cơ ở năm kì thi IChO gần đây: …
Kì thi IChO 43, năm 2011 ở Ankara, Thổ Nhĩ Kỳ bài thực hành phần hữu cơ là “Tổng
hợp, tinh chế và tách hỗn hợp đồng phân lập thể đia ”
yêu cầu:
a. Tổng hợp, chạy sắc kí để xác định sự chuyển hóa của phản ứng.
b. Dùng sắc kí cột nhanh tách hai đồng phân lập thể (phân đoạn A và phân đoạn B).
c. Phân tích sản phẩm (dựa vào sắc kí lớp mỏng, phổ UV-VIS, và độ hấp phụ quang),
tính hiệu suất phản ứng.
Kì thi IChO 44, năm 2012 ở Mỹ bài thực hành phần hữu cơ là “Động học, hiệu ứng
đồng vị và cơ chế phản ứng iot hóa axeton ”. Nghiên cứu cơ chế phản ứng iot hóa axeton dựa
cả vào nghiên cứu động học phản ứng và hiệu ứng đồng vị.
Yêu cầu
a. Khảo sát tốc độ phản ứng của axeton (CH3COCH3) và axeton-d6 (CD3COCD3)
bằng cách thay đổi nồng độ đầu của các chất phản ứng.
b. Tính bậc riêng phần và hằng số tốc độ phản ứng của mỗi phản ứng trên.
c. Xác định cơ chế phản ứng (theo gợi ý) dựa vào kết quả thực nghiệm.
1.5. Yêu cầu về phần thực nghiệm trong kì thi Olympiad Hóa học Quốc tế [3]
Điểm tối đa của phần thi lý thuyết là 60, của phần thi thực hành là 40, thành tổng số
điểm là 100. Phần thi thực hành cần đáp ứng điều kiện sau:
- Phần thực hành cần phải chứa ít nhất hai bài thi độc lập.
- Các thành viên không đƣợc đánh giá một cách chủ quan phần điểm nào.
- Khi làm các bài phân tích định tính, các thí sinh phải đƣợc nhận cùng một chất
- Khi làm các bài phân tích định lƣợng, các thí sinh phải đƣợc nhận cùng một chất
nhƣng có nồng độ khác nhau.
- Khi đánh giá các bài thi định lƣợng các giá trị xuất sắc không dựa trên các kết quả
trung bình của các thí sinh.
8
- Trong các bài thi định lƣợng, phải cho phần lớn điểm khi thi sinh báo cáo giá trị
trung bình, trong khi đó cũng có thể cho một số điểm đối với các phƣơng trình tƣơng ứng, các
tính toán, hoặc giải thích liên quan trực tiếp đến bài thi. Không đƣợc thƣởng điểm cho các
phần lặp lại.
Về phạm vi kiến thức trong các kì thi IChO đƣợc chia làm ba phần
- Kiến thức cơ bản có trong chƣơng trình THPT của hầu hết các nƣớc.
- Kiến thức có trong chƣơng trình THPT của một số nƣớc.
- Kiến thức nâng cao không có trong chƣơng trình THPT, thƣờng tƣơng đƣơng với
kiến thức ở trình độ Cao đẳng hoặc Đại học chuyên ngành.
Nƣớc tổ chức có thể đƣa thoải mái các câu hỏi và bài tập vào lí thuyết và thực hành
dựa trên kiến thức trong phần một. Còn nếu trong bài thi có các kiến thức thuộc các phần hai
và phần ba, sẽ đƣợc nêu rõ ràng vào trang đầu của bài tập chuẩn bị và giới thiệu trƣớc ở tập
bài chuẩn bị.
Nội dung các bài thực hành trong các kì thi IChO đều mang tính thực tiễn và có nhiều
ứng dụng, các chất tổng hợp thƣờng là các chất thuộc lĩnh vực sinh hóa nhƣ thuốc, chất dẫn
thuốc,… hoặc lĩnh vực vật liệu mới mà là thế mạnh hoặc là những công trình khoa học, công
nghệ mới của nƣớc đăng cai tổ chức.
Các bài thi thực nghiệm hóa hữu cơ thƣờng gồm hai phần. Phần một, tổng hợp chất;
Phần hai, tinh chế và tách chất. Ở phần một, trong quá trình tổng hợp thƣờng dùng thêm kĩ
thuật sắc kí lớp mỏng để theo dõi quá trình phản ứng; hoặc nghiên cứu cơ chế và động học
phản ứng bằng phƣơng pháp chuẩn độ, sắc kí lớp mỏng, hiệu ứng đồng vị;... Ở phần hai,
thƣờng yêu cầu tinh chế rồi tính hiệu suất phản ứng; kiểm tra độ tinh khiết của sản phẩm (đo
chiết suất, xác định điểm nóng chảy, dựa vào sắc kí lớp mỏng,…); xác định cấu trúc của sản
phẩm dựa vào phƣơng pháp phổ (thƣờng là phổ 1H và
13C NMR) hoặc yêu cầu tách sản phẩm
ra khỏi hỗn hợp (tách hỗn hợp đồng phân lập thể,…).
Với học sinh tham gia kì thi IChO ngoài các kĩ năng cơ bản nhƣ
- Biết tiến hành phản ứng trong ống nghiệm.
- Biết cách đun nóng trong phòng thí nghiệm, cách đun hồi lƣu, chƣng cất.
- Biết cách chuẩn bị và pha loãng dung dịch, pha dung dịch chuẩn.
- Biết xác định thể tích, chuẩn độ, dùng quả bóp hút pipet.
- Biết cân khối lƣợng và đo thể tích (dùng cân điện tử, ống đong chia độ, dùng pipet,
bình định mức).
- Biết dùng máy khuấy từ.
- Biết đo pH (bằng giấy pH hoặc máy đo pH)
- Biết thử định tính các nhóm chức hợp chất hữu cơ (theo qui trình đã cho)
Và cần phải đƣợc trang bị thêm các kiến thức nâng cao cả về lý thuyết và thực hành
nhƣ
- Giải trình phổ NMR đơn giản (độ chuyển dịch hóa học, độ bội của pic, …)
- Các kĩ thuật tổng hợp hữu cơ: phƣơng pháp lọc, làm khô chất kết tủa, sắc kí lớp
mỏng.
9
- Tổng hợp ở thiết bị lƣợng nhỏ.
- Phƣơng pháp phân tích định lƣợng, chuẩn độ.
- Lí thuyết và thực hành phƣơng pháp chiết với các dung môi không trộn lẫn nhau.
- Lí thuyết và thực hành về động học phản ứng,…
Qua tìm hiểu và phân tích trên chúng tôi nhận thấy rằng, chƣơng trình thi của IChO
khá rộng và có một số vấn đề khác biệt so với chƣơng trình dạy học môn Hóa trong chƣơng
trình THPT Cơ bản, Nâng cao. Việc huấn luyện HSG cho các kì thi HSG hóa học trong nƣớc
thƣờng nặng về lí thuyết và ít có các nội dung thực nghiệm. Do đó, để HS Việt Nam có kết
quả thực hành cao trong các kỳ thi quốc tế, cần thúc đẩy tăng cƣờng các nội dung Hóa học có
ứng dụng và rèn luyện kỹ năng thực hành cho học sinh. Đặc biệt cần có sự định hƣớng theo
từng cấp độ để dần tiệm cận với đƣợc với chƣơng trình chuẩn quốc tế. Đi tắt đón đầu, tránh sự
lãng phí và không hiệu quả trong quá trình giảng dạy, đào tạo và bồi dƣỡng HSG, bồi dƣỡng
nhân tài cho đất nƣớc.
CHƢƠNG 2. XÂY DỰNG MỘT SỐ BÀI TẬP THỰC NGHIỆM
2.1. Qui trình xây dựng bài tập thực nghiệm
- Xác định nội dung và phạm vi kiến thức cần kiểm tra.
- Xác định mục tiêu và mức độ yêu cầu về kiến thức và kĩ năng cần đạt đƣợc trong bài
thực hành.
- Nghiên cứu tài liệu, xây dựng qui trình thực hành.
- Xây dựng hệ thống các câu hỏi, các yêu cầu về báo cáo kết quả thực nghiệm.
- Làm thực nghiệm.
- Xây dựng thang điểm đánh giá.
- Làm thực nghiệm sƣ phạm, đánh giá và điều chỉnh thang điểm.
2.2. Cơ sở lí thuyết
2.2.1. Động hóa học phản ứng đơn giản [12, 21]
Động hóa học nghiên cứu tốc độ của phản ứng trong những điều kiện nhất định và xác
định các yếu tố ảnh hƣởng lên tốc độ phản ứng, nhƣ nồng độ các chất tham gia phản ứng,
nhiệt độ, xúc tác. Từ những dữ kiện nghiên cứu động hóa học ta có thể thêm thông tin về cơ
chế phản ứng cũng nhƣ về hoạt độ hóa học của chất tham gia phản ứng.
1
W .dC
dt (2.1)
Trong đó: ν - hệ số tỉ lƣợng trong phản ứng
dC - biến thiên nồng độ của chất
dt - biến thiên thời gian
dấu ứng với xu hƣớng biến đổi nồng độ chất để đảm bảo tốc độ phản
ứng luôn dƣơng
Theo định luật tác dụng khối lƣợng của Gunbec - Vagơ (thực nghiệm), phản ứng chỉ
có thể xảy ra nếu có sự va chạm giữa các phân tử có đủ năng lƣợng, hay tốc độ phản ứng tỉ lệ
thuận với nồng độ các chất tác dụng:
W = . . A Bn n
A Bk C C (2.4)
10
Trong đó: k – hằng số tốc độ phản ứng (chỉ phụ thuộc nhiệt độ)
An - bậc phản ứng riêng phần của A
Bn - bậc phản ứng riêng phần của B
(An ,
Bn không nhất thiết phải bằng các hệ số a, b của phản ứng)
A Bn n n : bậc phản ứng
Để xác định bậc phản ứng và hằng số tốc độ phản ứng hóa học có thể dùng một số
phƣơng pháp sau:
2.2.1.1. Phương pháp thế
2.2.1.2. Phương pháp đồ thị
2.2.1.3. Phương pháp chu kì bán hủy
2.2.1.4. Phương pháp tốc độ đầu (phương pháp Van’Hoff)
2.2.1.5. Qua các đại lượng vật lý
2.2.2. Sơ lược phương pháp chuẩn độ [13, 24, 41]
2.2.2.1. Một số kỹ năng và thao tác chuẩn độ cơ bản
Cách sử dụng Pipet: dùng để lấy chính xác thể tích dung dịch. Khi đọc thể tích trên
pipet chú ý lấy 02 chữ số có nghĩa sau dấu phảy.
Hình 2.4. Cách lấy dung dịch bằng pipet
Cách sử dụng Buret:
(a) nạp dung dịch
vào buret
(b) Kiểm tra xem có
còn bọt khí ở khóa van
không
(c) rửa đầu buret
bằng nước cất
(d) làm sạch và khô
buret trước khi
chuẩn độ
Hình 2.5. Các thao tác với buret trước khi chuẩn độ
Cách lấy dung dịch để chuẩn độ: Chúng ta sử dụng pipet để lấy dung dịch chuẩn hoặc
dung dịch phân tích vào bình nón (hình 12).
11
(a) tráng pipet bằng
chính dung dịch cần
lấy
(b) lau phía ngoài
pipet bằng giấy
thấm
(c) Để pipet thẳng
đứng và nghiêng
bình nón để dung
dịch chảy vào
(d) Tia nước cất xung
quanh bình nón để đảm
bảo tất cả thể tích dung
dịch đã lấy phản ứng
với chất chuẩn
Hình 2.6.Các thao tác lấy dung dịch vào bình nón bằng pipet
Lưu ý: chỉ dùng nƣớc cất để tráng bình nón, không dùng dung dịch cần lấy để tráng.
Pha dung dịch chuẩn
Cách tiến hành chuẩn độ:
(a) (b) (c) (d)
Hình 2.7. Các thao tác trong quá trình chuẩn độ
2.2.2.2. Chuẩn độ axit – bazơ
Pha chế dung dịch chuẩn axit oxalic (H2C2O4, M = 126,066)
Thiết lập nồng độ dung dịch NaOH theo dung dịch gốc H2C2O4
Xác định nồng độ axit clohiđric HCl
Xác định nồng độ axit axetic CH3COOH
2.2.3. Sơ lược về phương pháp sắc kí [37, 40 ]
2.2.3.1. Kiến thức cơ sở
Nguyên tắc của phƣơng pháp sắc kí là dựa vào tính chất bị hấp phụ của các chất hữu
cơ trên chất hấp phụ (pha tĩnh) và tính tan của chúng trong dung môi hữu cơ (pha động) đi
qua chất hấp phụ.
Dựa vào sắc kí có thể theo dõi quá trình phản ứng, phân tích định tính, phân tích định
lƣợng, phân lập và tinh chế các hợp chất hữu cơ.
Trong sắc kí giấy và sắc kí lớp mỏng độ chuyển dịch sắc kí đƣợc đặc trƣng bởi giá trị
Rf:
12
f
o
lR
l
Trong đó:
l – khoảng cách từ điểm xuất phát đến trung tâm vệt.
lo – khoảng cách từ điểm xuất phát đến tuyến dung môi
đo trên cùng đƣờng đi của vết.
0 Rf 1
l
lo
Hình 2.8. Bản TLC
Sự hấp phụ phụ thuộc vào cấu tạo phân tử của chất hấp phụ, chất bị hấp phụ và theo
nguyên lí: chất phân cực hấp phụ chất phân cực và ngƣợc lại.
2.2.3.2. Phương pháp sắc kí lớp mỏng
Sắc kí lớp mỏng (thin layer chromatography – TLC) là phƣơng pháp dùng chất hấp
phụ tráng thành lớp trên kính hoặc kim loại để phân tích định tính, phân tích định lƣợng hoặc
tinh chế các chất. Cũng có thể dùng TLC để theo dõi quá trình phản ứng hay quá trình chạy
sắc kí cột.
2.2.4. Lí thuyết về phản ứng este hóa [27, 28, 32, 33, 37]
Phản ứng este hóa thực chất là sự axyl (hoặc aryl) hóa nhóm hiđroxi (thế hiđro của
nhóm hiđroxi bằng nhóm axyl
O
R C
hoặc nhóm aryl
Ar
O
C
). Tác nhân axyl hóa thƣờng là
axit cacboxylic RCOOH, anhiđrit axit (RCO)2O, halogenua axit RCOX.
Quan trọng hơn cả là phản ứng tổng hợp este từ ancol và axit cacboxylic - phản ứng
este hóa theo Fischer:
O
R OH H - O - R'+
O
R OR' + H2O
Axit cacboxylic Ancol Este
H+
Cơ chế phản ứng: Phản ứng este hóa theo Fischer là một quá trình thế axyl nucleophin
(Nucleophilic Acyl Substitution, SN(CO)).
Dựa vào cơ chế ta thấy phản ứng este hóa xảy ra rất chậm ở điều kiện thƣờng và là
phản ứng thuận nghịch. Vì vậy bình thƣờng khi đạt tới trạng thái cân bằng, hiệu suất phản ứng
este hóa không vƣợt quá 66,7%. Hằng số cân bằng của phản ứng:
2[es ].[H ]
[ax ].[ ]c
te OK
it ancol
2.2.5. Lí thuyết về phản ứng thủy phân este [27, 28, 32, 33, 37]
Phản ứng este hóa có thể xảy ra trong môi trƣờng axit hoặc môi trƣờng bazơ.
Phản ứng thủy phân este trong môi trƣờng axit là phản ứng thuận nghịch (là chiều
nghịch của phản ứng este hóa):
O
R OHH - O - H+
O
R OR' +
Axit cacboxylic AncolEste
H+
R'-OH
* Cơ chế thủy phân este trong môi trường axit
13
Phản ứng thủy phân este trong môi trƣờng axit thuộc loại phản ứng thế axyl
nucleophin SN2(CO) tƣơng tự phản ứng este hóa.
Phản ứng thủy phân este trong môi trƣờng kiềm là phản ứng bất thuận nghịch.
R
O
OOH-+
O
O-R' +
Ion cacboxylat AncolEste
R'-OHR
* Cơ chế thủy phân este trong môi trường bazơ:
Phản ứng thủy phân este trong môi trƣờng bazơ thuộc loại phản ứng thế axyl
nucleophin SN2(CO).
2.2.6. Lí thuyết về chất béo và các chỉ số của chất béo [27, 28, 32, 33]
Chất béo hay lipit là hợp chất hữu cơ có trong động thực vật, không tan trong
nƣớc nhƣng tan đƣợc trong các dung môi hữu cơ không phân cực nhƣ clorofom, ete, benzen,
…
Triglixerit là chất béo dự trữ quan trọng ở động vật (mỡ) và thực vật (dầu), chúng là
những trieste của glixerol và các axit béo có công thức cấu tạo
CH2
CH
CH2
O
O C R
O
O C R"
O
R' C O
Trong đó: RCO, R’CO, R”CO là các gốc axyl của axit béo.
Axit béo là những axit monocacboxylic có số nguyên tử cacbon chẵn, mạch cacbon
không phân nhánh, axit không no chỉ có cấu hình cis.
Với các axit béo không no có hai cách đánh số và gọi tên.
Tính chất hóa học cơ bản của triglixerit là phản ứng thủy phân trong môi trƣờng axit,
thủy phân trong môi trƣờng kiềm (phản ứng xà phòng hóa), phản ứng hiđro hóa gốc axit béo
không no (hóa rắn lipit lỏng).
Để đánh giá chất lƣợng của dầu, mỡ ngƣời ta dùng một số chỉ số đặc trƣng
Chỉ số axit
Chỉ số axit là số miligam KOH cần dùng để trung hòa axit tự do trong 1 gam chất béo.
Phƣơng trình phản ứng chung
RCOOH + KOH → RCOOK + H2O
Chỉ số este
Chỉ số este là số miligam KOH cần dùng để xà phòng hóa hết lƣợng triglyxerit có
trong 1 gam chất béo.
Phƣơng trình phản ứng chung
(RCOO)3C3H5 + 3KOH → 3RCOOK + C3H5(OH)3
Chỉ số xà phòng hóa
Chỉ số xà phòng hóa là số miligam KOH cần dùng để xà phòng hóa hết lƣợng
triglyxerit và trung hòa hết lƣợng axit béo tự do có trong 1 gam chất béo.
14
Vậy chỉ số xà phòng hóa là tổng của chỉ số axit và chỉ số este.
2.3. Một số bài tập thực nghiệm bồi dưỡng HSG
Trong luận văn này chúng tôi xây dựng sáu bài về phản ứng este hóa và thủy phân este
với mục đích rèn đƣợc nhiều kĩ năng thí nghiệm thực hành cho học sinh và tiệm cận dần với
các bài thực hành của các kì IChO. Mỗi bài gồm các phần: Cơ sở lý thuyết; Mục đích, yêu
cầu; Hóa chất; Dụng cụ; Qui trình; Một số lƣu ý để thí nghiệm thành công; Xử lý kết quả thực
nghiệm; Câu hỏi kiểm tra và mở rộng.
2.3.1. Phản ứng este hóa
2.3.1.1. Tổng hợp n-butyl axetat
O O
CH3 OH + H2O
axit axetic butan-1-ol butyl axetat
HO H+
CH3 O +
Cơ sở lý thuyết: Lý thuyết về phản ứng este hóa (mục 2.2.4).
Mục đích, yêu cầu:
Kiến thức:
- Nghiên cứu phản ứng este hóa, kiểm chứng lí thuyết: phản ứng este hóa là phản
ứng thuận nghịch, cách làm chuyển dịch cân bằng phản ứng.
- Nắm vững lí thuyết về phản ứng este hóa: cơ chế phản ứng, vai trò của các cấu tử
trong phản ứng,…
- Nắm vững lí thuyết về cân bằng hóa học, các yếu tố làm chuyển dịch cân bằng.
- Tính toán và xử lí số liệu thực nghiệm.
Kĩ năng: Rèn luyện các kĩ năng
- Lắp và tháo bộ dụng cụ đun nóng hồi lƣu, bộ dụng cụ chƣng cất phân đoạn.
- Đun nóng hồi lƣu và chƣng cất phân đoạn.
- Tách, chiết hệ hai chất lỏng không tan trong nhau.
- Đo thể tích (dùng ống đong chia độ).
- Cho các chất lỏng vào hệ phản ứng, lấy chất lỏng bằng ống hút nhỏ giọt,…
- Đo chiết suất của sản phẩm.
- Quan sát, vận dụng lí thuyết đã học để giải thích quá trình thực nghiệm. Xử lý,
phân tích kết quả thực nghiệm, viết báo cáo kết quả thí nghiệm.
Thái độ:
- Rèn luyện đức tính kiên trì, tỉ mĩ, cẩn thận và trung thực với kết quả thực nghiệm.
- Rèn luyện tác phong làm việc khoa học, khả năng kế hoạch hóa thực nghiệm.
Hóa chất
Hóa chất Lượng Cảnh báo nguy
hiểm, R
Cảnh báo an
toàn PTN, S
Axit axetic băng ( 20
4d =1,0446) 18,0ml 10, 35 1/2, 23, 26, 45
Butan-1-ol ( 20
4d =0,8095) 13,8ml 10, 22, 37/38, 41,
67
2, 7/9, 13, 26,
37/39, 46
Axit sunfuric đặc (d = 1,84) 0,5ml 23/24/25, 36/37/38, 23, 30, 36/37/39,
15
35, 49 45
Dung dịch Na2CO3 10% 7,5ml 36 2, 22, 26
CaCl2 khan
Nƣớc cất
Dụng cụ
Dụng cụ Số lượng
Bình cầu dung tích 100ml 1
Sinh hàn hồi lƣu 1
Nhiệt kế 1
Sinh hàn thẳng 1
Cột cất 1
Ống nối có nút nhám 1
Bình nón dung tích 250ml 1
Bình nón dung tích 100ml 1
Phễu chiếu 1
Bếp điện 1
Đũa thủy tinh, đá bọt 1
Qui trình
(1) Cho 13,8ml butan-1-ol ( 0,15 mol) và 18ml axit axetic băng ( 0,3 mol) vào bình cầu
đáy tròn dung tích 100ml, rồi vừa lắc đều vừa thêm từ từ từng giọt axit sunfuric (0,5ml)
vào hỗn hợp phản ứng (Cẩn thận khi làm việc với axit sunfuric đặc!).
(2) Lắp bộ phản ứng đun nóng hồi lƣu, thêm vài viên đá bọt vào hỗn hợp phản ứng và đun hồi
lƣu mạnh hỗn hợp phản ứng trong khoảng 1,5-2 giờ.
(3) Để nguội hỗn hợp phản ứng đến nhiệt độ phòng. Tháo bỏ sinh hàn. Rót hỗn hợp phản ứng
vào khoảng 75ml nƣớc trong phểu chiết. Tách lấy lớp sản phẩm thô ở phía trên, rửa bằng
khoảng 30ml nƣớc lạnh, tiếp theo bằng khoảng 7,5ml dung dịch Na2CO3 và một lần nữa
bằng 15ml nƣớc lạnh.
Lƣu ý, có thể làm nguội nhanh bình phản ứng bằng cách nhúng vào nồi nƣớc, sau đó để
nguội ngoài không khí.
(4) Tách lấy lớp chất hữu cơ vào bình nón khô. Làm khô bằng CaCl2 khan. Lọc thu sản phẩm
đã đƣợc làm khô vào bình cầu dung tích 100ml.
(5) Lắp bộ chƣng cất phân đoạn. Tiến hành chƣng cất phân đoạn, thu lấy butyl axetat tinh
khiết ở 123-126oC.
Butyl axetat tinh khiết là chất lỏng không màu, có mùi quả, trộn lẫn đƣợc với etanol và
đietyl ete, trong 100 gam nƣớc ở 25oC hòa tan đƣợc 1 gam butyl axetat. Đnc = -76,8
oC; Đs =
124-126oC; 20
4d = 0,882; 20
Dn = 1,3941.
Một số lưu ý để thí nghiệm thành công
- Quá trình rửa đƣợc tiến hành trong phiểu chiết và phải lắc mạnh.
- Lắc tròn đều bình nón khi làm khan chất lỏng.
- Đun mạnh hỗn hợp phản ứng để làm tăng hiệu suất phản ứng.
Xử lý kết quả thực nghiệm
a. Đo chiết suất của este thu đƣợc.
16
b. Đo thể tích sản phẩm và tính hiệu suất phản ứng este hóa.
c. Cho biết vai trò của axit sunfuric trong phản ứng ? Nếu dùng dƣ lƣợng axit sunfuric có
làm ảnh hƣởng đến hiệu suất phản ứng hay không? Giải thích ?
d. Nếu thay axit axetic bằng anhiđit axetic hoặc axit cloruaaxetic thì tốc độ phản ứng este hóa
sẽ thay đổi nhƣ thế nào? Giải thích?
Câu hỏi kiểm tra và mở rộng
a. Nêu cơ chế phản ứng este hóa giữa axit axetic và butanol?
b. Nêu các yếu tố ảnh hƣởng đến cân bằng của phản ứng ? Hãy giải thích cách lựa chọn điều
kiện phản ứng trong bài thực hành ?
c. Vai trò của Na2CO3 ở giai đoạn 3 ? có thể thay thế nó bằng dung dịch NaHCO3 20% hoặc
dung dịch NaOH 5% đƣợc không ? Tại sao ?
d. Có thể sử dụng các chất làm khô nào sau đây trong qui trình phản ứng trên: NaOH rắn,
KOH rắn, Na2SO4 khan, P2O5, CaO, MgSO4 khan ? Tại sao ?
e. Nếu không tiến hành rửa hỗn hợp phản ứng bằng nƣớc trƣớc thì điều gì sẽ xảy ra ở bƣớc
rửa bằng dung dịch NaHCO3 ?
f. Tại sao phải lắc este nhiều lần trong nƣớc ?
g. Một bạn học sinh A sau khi cho hết hóa chất vào bình phản ứng thì thấy hỗn hợp phản ứng
chuyển thành màu nâu đen ? Hãy giải thích và cho biết hiện tƣợng trên có liên quan gì đến
thao tác thí nghiệm và có làm ảnh hƣởng đến hiệu suất phản ứng hay không ?
h. Trong quá trình chƣng cất phân đoạn có thể xảy ra hiện tƣợng “sặc cột”, hãy nêu nguyên
nhân và biện pháp xử lý ?
2.3.1.2. Tổng hợp axit axetyl salixylic (Aspirin)
(CH3CO)2O +OCOCH3
COOH
OH
COOH
CH3COOH+
2.3.1.3. Tổng hợp α-D-Glucopyrannozơ pentaaxetat
Glucoz¬ -D-glucopyrannoz¬ pentaaxetat
O
OH
OH
OH
OH
HO5(CH3CO)2O+
HClO4
CH3COOH 5CH3COOH+
O
OAc
OAcOAc
OAc
AcO
α
2.3.2. Thủy phân etyl axetat bằng xúc tác axit – động học phản ứng
CH3COOC2H5 + H2O H
CH3COOH + C2H5OH
2.3.3. Xác định một số chỉ số của chất béo
2.3.3.1. Xác định chỉ số axit của chất béo
Nguyên tắc của phƣơng pháp là trung hòa lƣợng axit béo tự do có trong chất béo bằng
dung dịch chuẩn KOH với chất chỉ thị phenolphtalein
RCOOH + KOH → RCOOK + H2O
17
2.3.3.2. Xác định chỉ số xà phòng hóa của chất béo
Đun sôi chất béo với lƣợng dƣ dung dịch chuẩn KOH thì chất béo bị thủy phân
CH2
CH
CH2
O COR
O COR'
O COR''
+ 3H2O
CH2
CH
CH2
OH
OH
OH
+
R-COOH
R'-COOH
R''-COOH
Các axit béo đƣợc giải phóng ra tác dụng với KOH
RCOOH + KOH → RCOOK + H2O
Lƣợng kiềm dƣ không tác dụng với axit béo đƣợc chuẩn độ bằng dung dịch chuẩn HCl
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Kết quả khảo sát do giáo viên tiến hành
Chúng tôi tiến hành làm thực nghiệm theo qui trình trên tại PTN Hóa lý và PTN Hóa
hữu cơ, Khoa Hóa học, Trƣờng ĐH Khoa học Tự Nhiên, ĐH Quốc Gia Hà Nội (Bảng 3.1).
3.1.1. Nhận xét và thảo luận kết quả
Các kết quả thực hành trên đƣợc tiến hành theo đúng qui trình đã đƣợc xây dựng trong
luận văn. Sau quá trình thực nghiệm chúng tôi nhận thấy rằng các bài thực nghiệm xây dựng
trong luận văn đều
- đảm bảo an toàn (lƣu ý các cảnh báo nguy hiểm R, an toàn S của các hóa chất và các
lƣu ý đã đƣa ra trong qui trình).
- đảm bảo về thời gian (không quá dài, đều dƣới 2,5 giờ).
- đảm bảo về nội dung kiến thức và mục đích đặt ra của bài thí nghiệm.
- có thể củng cố sâu sắc lý thuyết và kiểm tra đánh giá đƣợc khả năng vận dụng lý
thuyết vào quá trình thực hành.
- rèn luyện đƣợc kĩ năng thực hành và rèn luyện khả năng nghiên cứu khoa học cho
học sinh.
- hiệu suất của các quá trình tổng hợp, độ tinh khiết của sản phẩm, các chỉ số chất
lƣợng của chất béo xác định theo qui trình xây dựng trong luận văn là tƣơng đối phù hợp với
lý thuyết.
- các dụng cụ dùng trong các bài thực hành không quá phức tạp, hóa chất tƣơng đối
thông dụng, có thể mua đƣợc trên thị trƣờng.
Từ những kết quả trên, chúng tôi nhận thấy các bài thực hành xây dựng trong luận văn
có thể sử dụng để ôn luyện tốt cho đội tuyển HSG hóa học hoặc chọn để xây dựng thành một
đề thi thực hành trong các kì thi HSG môn hóa học theo từng mức độ.
3.1.2. Đánh giá và đề xuất thang điểm đánh giá
18
Từ những nhận xét và kết quả thực nghiệm trên, chúng tôi đề xuất thang điểm đánh giá
các bài thực hành đã xây dựng (Bảng 3.3).
3.2. Kết quả học sinh thực hiện
Chúng tôi đã tiến hành TNSP tại trƣờng THPT chuyên Thái Bình cho đội tuyển quốc
gia của tỉnh Thái Bình gồm 8 em. Chúng tôi tổ chức TNSP hai bài:
Bài 1: Tổng hợp và tinh chế n-butyl axetat.
Bài 2: Thủy phân etyl axetat bằng xúc tác axit, động học phản ứng.
Cách tiến hành TNSP:
- Cung cấp tài liệu bài thực hành: lí thuyết liên quan, mục đính thí nghiệm, yêu cầu
thực nghiệm, ... để học sinh chuẩn bị trƣớc ở nhà.
- Giáo viên chuẩn bị 8 bộ dụng cụ và hóa chất nhƣ nhau.
- Tổ chức hƣớng dẫn học sinh thực nghiệm 2 buổi (mỗi bài một buổi).
- Học sinh viết báo cáo thí nghiệm.
- Đánh giá nhận xét kĩ năng thực hành và kết quả thực nghiệm của học sinh.
Cách xử lý kết quả:
- Sử dụng phƣơng pháp thống kê toán học đánh giá tập số liệu kết quả thực hành của
học sinh [19, 20], tìm tham số đặc trƣng cho sự tập trung của số liệu.
- Điều chỉnh thang điểm đánh giá.
- Đánh giá định tính: thông qua tổ chức hƣớng dẫn các bài thực nghiệm, trao đổi với
giáo viên phụ trách đội tuyển và trao đổi với học sinh.
Kết quả thí nghiệm của học sinh:
Bài 1: Tổng hợp n-butylaxetat
a. Chiết suất của este:
Bảng 3.4. Bảng tổng hợp các giá trị chiết suất etylaxetat của học sinh.
25
Dn (xi) 1,3935 1,3936 1,3937
ni 1 6 1
xi- x -10-4
0 +10-4
(trong đó: ni – số học sinh thu đƣợc kết quả xi tƣơng ứng)
Các tham số đặc trƣng của chiết suất:
Giá trị trung bình: 1
1,39361 k
i ii
x n xn
Phƣơng sai: 4 2 4 2
2 91.( 10 ) 6.0 1.(10 )2,9.10
8 1S
Độ lệch chuẩn: S = 5,3.10-5
Sai số tiêu chuẩn 51,9.10S
mn
Giá trị trung bình của chiết suất: 1,3936 1,9.10-5
1,3941 , tn
x
St n
26,68 ≫ tlt(k=7, P = 0,95) = 2,36
19
Vậy các giá trị chiết suất của este thu đƣợc của học sinh là tƣơng đối tập trung và mắc
sai số hệ thống.
b. Thể tích este:
Bảng 3.5. Bảng tổng hợp các giá trị thể tích butyl axetat thu được của học sinh.
Veste ml (xi) fi TB fi.TB fi.TB2
8,5 - 8,9 1 8,7 8,7 75,69
9,0 – 9,4 2 9,2 18,4 169,28
9,5 – 9,9 1 9,7 9,7 94,09
10,0 – 10,4 2 10,2 20,4 208,08
10,5 – 10,9 1 10,7 10,7 114,49
11,0 - 11,5 1 11,2 11,2 125,44
Tổng 8 79,1 787,07
(trong đó: fi – số học sinh có kết quả xi tƣơng ứng)
Các tham số đặc trƣng của Veste :
Giá trị trung bình: 1
79,19,9
8
1 k
i ii
x n xn
Độ lệch chuẩn: 2
787,07 79,10,79
8 8S
Sai số tiêu chuẩn: 0,3S
mn
Giá trị trung bình của thể tích este: 9,9 0,3
Thể tích este thu học sinh tổng hợp đƣợc tƣơng đối tốt.
Phân tích, đánh giá điểm bài thực hành của học sinh theo thang điểm đã đề xuất:
Chúng tôi tiến hành chấm bài thực hành của học sinh theo thang điểm đã đề xuất rồi
qui về thang điểm 10, kết quả nhƣ sau
Điểm 0, 1, 2 3, 4 5, 6 7, 8 9, 10
Số học sinh 0 1 3 4 0
Kết quả bài thực hành của học sinh tƣơng đối khá, chỉ có 1 em do sơ suất trong quả
trình thao tác thực hành nên este thu đƣợc còn lẫn nƣớc. Phần xử lý số liệu của học sinh còn
phải hoàn thiện thêm, nhƣng cơ bản các em đã biết vận dụng lý thuyết để giải thích hiện
tƣợng thí nghiệm.
Bài 2: Thủy phân etyl axetat bằng xúc tác axit, động học phản ứng
a. Giá trị các nồng độ Cc và Ct:
Bảng 3.6. Bảng tổng hợp các giá trị Cc (N) của học sinh.
Học sinh 1 2 3 4 5 6 7 8
Cc (N) - xi 0,25 0,25 0,24 0,25 0,26 0,25 0,25 0,26
Các tham số đặc trƣng của Cc:
Giá trị trung bình: 1
0,251 k
i ii
x n xn
Phƣơng sai:
2
2 51
( )
4,3.101
k
i ii
xn xS
n
Độ lệch chuẩn: S = 6,5.10-3
20
Sai số tiêu chuẩn: 32,5.10S
mn
Giá trị trung bình của Cc: 0,25 2,5.10-3
(N)
Các giá trị Cc của học sinh tƣơng đối tập trung, khoảng sai số của giá trị trung bình
nhỏ.
Bảng 3.7. Bảng tổng hợp các giá trị Ct (N) của học sinh
t (ph) Ct (N)
1 2 3 4 5 6 7 8
10 0,035 0,034 0,035 0,036 0,034 0,035 0,035 0,034
20 0,057 0,055 0,056 0,057 0,055 0,056 0,056 0,056
30 0,089 0,088 0,088 0,089 0,087 0,089 0,089 0,088
40 0,119 0,118 0,120 0,121 0,119 0,120 0,120 0,120
50 0,138 0,138 0,139 0,139 0,136 0,138 0,139 0,137
60 0,159 0,158 0,161 0,160 0,160 0,161 0,160 0,159
Bảng 3.8. Bảng tổng hợp các tham số đặc trưng của Ct (N)
t (ph)
10 20 30 40 50 60
Giá trị trung bình ( x ) 0,035 0,056 0,088 0,120 0,138 0,160
Phƣơng sai (S2) 5,7.10
-7 5,7.10
-7 7,1.10
-7 1,0.10
-6 1,1.10
-6 1,1.10
-6
Độ lệch chuẩn (S) 7,5.10-4
7,5.10-4
8,4.10-4
1,0.10-3
1,0.10-3
1,0.10-3
Sai số tiêu chuẩn (m) 2,7.10-4
2,7.10-4
2,9.10-4
3,5.10-4
3,7.10-4
3,7.10-4
Các giá trị Ct của học sinh thu đƣợc ít phân tán, sai số tiêu chuẩn nhỏ.
b. Đồ thị log c
c t
C
C C theo t:
Bảng 3.9. Bảng tổng hợp các giá trị log c
c t
C
C Ctheo thời gian của học sinh
t (ph) log c
c t
C
C C
1 2 3 4 5 6 7 8
10 0,066 0,063 0,066 0,068 0,063 0,066 0,066 0,063
20 0,112 0,108 0,110 0,112 0,108 0,110 0,110 0,110
30 0,191 0,188 0,188 0,191 0,186 0,191 0,191 0,188
40 0,281 0,277 0,284 0,287 0,281 0,284 0,284 0,284
50 0,349 0,349 0,353 0,353 0,341 0,349 0,353 0,345
60 0,439 0,434 0,449 0,444 0,444 0,449 0,444 0,439
Các đồ thị log c
c t
C
C C theo thời gian các em học sinh thu đƣợc đều tƣơng đối tuyến
tính, có độ tƣơng quan tốt (R2 > 0,99) (phần phụ lục).
c. Hằng số tốc độ phản ứng:
Bảng 3.10. Bảng tổng hợp các giá trị hằng số tốc độ phản ứng của học sinh
Học sinh 1 2 3 4 5 6 7 8
k (phút-1
) 0,0175 0,0175 0,0179 0,0177 0,0177 0,0179 0,0177 0,0177
Các tham số đặc trƣng của hằng số tốc độ phản ứng (k) :
21
Giá trị trung bình: 1
0,01771 k
i ii
x n xn
Phƣơng sai:
2
2 81
( )
2,3.101
k
i ii
xn xS
n
Độ lệch chuẩn: S = 1,5.10-4
Sai số tiêu chuẩn: 55.10S
mn
Giá trị trung bình của k: 0,0177 5.10-5
Các giá trị k thu đƣợc của học sinh là tập trung, sai số trung bình nhỏ.
Phân tích, đánh giá điểm bài thực hành của học sinh theo thang điểm đã đề xuất:
Chúng tôi tiến hành chấm bài thực hành của học sinh theo thang điểm đã đề xuất rồi
qui về thang điểm 10, kết quả nhƣ sau
Điểm 0, 1, 2 3, 4 5, 6 7, 8 9, 10
Số học sinh 0 0 3 5 0
3.2.1. Nhận xét và thảo luận kết quả
Qua quá trình TNSP và từ kết quả thu đƣợc chúng tôi thấy rằng:
- Trƣớc khi làm thực nghiệm các em học sinh chƣa hoàn toàn tự tin vào kĩ năng thí
nghiệm thực hành của mình, một số em còn có những thao tác thí nghiệm vụng về, lúng túng.
Nhƣng với sự hƣớng dẫn tận tình tỉ mỉ của giáo viên và sau khi đƣợc quan sát giáo viên làm
mẫu, các em học sinh tiến hành các thí nghiệm thực hành tƣơng đối tự tin, quá trình thực
nghiệm xảy ra an toàn.
- Kết quả thực nghiệm thu đƣợc tƣơng đối khả quan, các số liệu tập trung và ít phân
tán.
- Khả năng vận dụng kiến thức lý thuyết để giải thích các hiện tƣợng thí nghiệm, phân
tích và xử lý kết quả còn hạn chế nhƣng đã có sự tiến bộ rõ rệt sau mỗi bài thí nghiệm.
Qua tham khảo và khảo sát ý kiến của giáo viên phụ trách đội tuyển và ý kiến của học
sinh, chúng tôi cũng nhận thấy:
- Các em học sinh tham gia quá trình thực hành rất tích cực, sôi nổi, và đa số các em
đều mong muốn đƣợc làm nhiều hơn các bài thực hành nhƣ trên.
- Quá trình TNSP cũng đƣợc sự nhất trí và ủng hộ cao từ ban giám hiệu nhà trƣờng
đến các thầy cô giảng dạy đội tuyển. Các thầy cô đánh giá cao tính hiệu quả của đề tài và quá
trình TNSP đã giúp củng cố vững chắc lại kiến thức về phản ứng este hóa cho học sinh, đặc
biệt là đã giúp học sinh nâng cao kĩ năng thực hành thí nghiệm phục phụ tốt cho kì thi HSG
quốc gia sắp tới (vào tháng 1 năm 2013).
3.2.2. Đánh giá lại và thang điểm điều chỉnh
Từ kết quả trên tôi thấy thang điểm đƣa ra là tƣơng đối phù hợp, tuy nhiên cần chi tiết
hơn và có sự thống nhất lại trƣớc khi chấm. Nguyên nhân cần điều chỉnh do tính chất của kì
thi sẽ quyết định.
KẾT LUẬN
Trên cơ sở nghiên cứu chúng tôi rút ra kết luận sau:
22
- Đã xây dựng sáu bài thực hành phần hóa hữu cơ. Mỗi bài gồm các phần: Cơ sở lý
thuyết; Mục đích, yêu cầu của thí nghiệm; Hóa chất; Dụng cụ; Qui trình thực hiện; Một số lƣu
ý để thí nghiệm thực hiện thành công; Xử lý kết quả thực nghiệm; Câu hỏi kiểm tra và mở
rộng.
- Đã tiến hành thực nghiệm, đƣa ra kết quả thực nghiệm, đáp án và thang điểm đánh
giá, đáp án của các câu hỏi kiểm tra và mở rộng.
- Đã tiến hành TNSP, phân tích đánh giá tính hiệu quả và độ khả thi của các bài thí
nghiệm. Kết quả cho thấy các bài có thể dùng để rèn luyện và huấn luyện HSG.
Chƣơng trình thi của IChO khá rộng và có một số vấn đề khác biệt so với chƣơng trình
dạy học môn Hóa ở các chƣơng trình THPT Cơ bản, Nâng cao. Việc huấn luyện HSG cho các
kì thi HSG hóa học trong nƣớc thƣờng nặng về lí thuyết và ít có các nội dung thực nghiệm.
Điều này dẫn đến kết quả thực hành của HS Việt Nam thƣờng không cao trong các kỳ thi
quốc tế. Từ hai năm trở lại đây, Bộ GD & ĐT đã có chủ trƣơng tổ chức thi thực hành. Đây là
cơ hội để thúc đẩy các nội dung Hóa học có ứng dụng và rèn luyện kỹ năng thực hành cho học
sinh. Kết quả của luận văn nhằm thúc đẩy một bƣớc các nghiên cứu tăng cƣờng kỹ năng thực
hành và thu hút hứng thú của học sinh trong giảng dạy hóa học ở trƣờng THPT, đặc biệt cho
việc bồi dƣỡng các em HSG, học sinh có năng khiếu và yêu thích bộ môn hóa học; và là một
tài liệu tham khảo bổ ích cho các giáo viên và các em học sinh trong các kì thi HSG quốc gia
và quốc tế, có thể sử dụng cho việc huấn luyện HSG để dự thi chọn HSG quốc gia và lựa chọn
HSG tham dự các kỳ thi quốc tế, nhất là cho kỳ thi IChO 2014 tại Việt Nam.
References
Tài liệu tiếng Việt
(1) Vũ Ngọc Ban (2007), Giáo trình Thực tập Hóa lý, NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội.
(2) Ban tổ chức IChO, Đề thi Olympic Quốc tế từ năm 2007 đến năm 2012 (bản tiếng Việt).
(3) Ban tổ chức IChO, Qui chế của Olympiad Hóa học Quốc tế.
(4) B.P. Exipop (1977), Những cơ sở của lý luận dạy học, NXB Giáo dục.
(5) Bộ giáo dục và Đào tạo, Đề thi học sinh giỏi quốc gia môn hóa học từ năm 2007 đến
năm 2012.
(6) Bộ giáo dục và Đào tạo, Đề thi chọn đội tuyển Olympic Quốc tế từ năm 2007 đến năm
2012.
(7) Bộ giáo dục và Đào tạo (2008), Hóa học lớp 11 cơ bản, NXB Giáo dục.
(8) Bộ giáo dục và Đào tạo (2008), Hóa học lớp 11 nâng cao, NXB Giáo dục.
(9) Bộ giáo dục và Đào tạo (2008), Hóa học lớp 12 cơ bản, NXB Giáo dục.
(10) Bộ giáo dục và Đào tạo (2008), Hóa học lớp 12 nâng cao, NXB Giáo dục.
23
(11) Lê Tấn Diện (2009), Nội dung và biện pháp bồi dưỡng HSG hóa học hữu cơ THPT,
Luận văn Thạc sĩ Giáo dục học, Trƣờng Đại học Sƣ phạm Thành phố Hồ Chí Minh.
(12) Nguyễn Đình Duệ, Trần Hiệp Hải, Lâm Ngọc Thiềm, Nguyễn Thị Thu (2011), Bài tập
Hóa lý, NXB Giáo dục Việt Nam.
(13) Nguyễn Tinh Dung (2000), Hóa học phân tích – Phần III, Các phương pháp định lượng
hóa học, NXB Giáo Dục.
(14) Đảng cộng sản Việt Nam (2006), Văn kiện Hội nghị lần thứ sáu Ban Chấp hành TW
khoá IX, NXB Chính trị Quốc gia, Hà Nội.
(15) Đảng cộng sản Việt Nam (2009), Văn kiện Hội nghị lần thứ chín Ban Chấp hành TW
khoá X, NXB Chính trị quốc gia, Hà Nội, tr 246.
(16) Lê Thị Anh Đào (chủ biên), Đặng Văn Liễu (2007), Thực hành hóa học hữu cơ, NXB
Đại học Sƣ phạm.
(17) Hội hóa học Việt Nam (1997), Những vấn đề cần bồi dưỡng cho học sinh đội tuyển đi thi
Olympic Quốc tế.
(18) Lê Thị Thanh Hƣơng, Nguyễn Hoàng Minh (2006), Giáo trình thực hành Hóa lý nâng
cao, Trung tâm Công nghệ Hóa, Trƣờng Đại học Công Nghiệp Thành phố Hồ Chí
Minh.
(19) Từ Vọng Nghi (2009), Hóa học phân tích - Phần I, NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội.
(20) Lê Đức Ngọc (2010), Nhập môn xử lý số liệu và kế hoạch hóa thực nghiệm, Trƣờng Đại
học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội.
(21) Trần Văn Nhân (1999), Hóa lý - Tập 3, NXB Giáo dục Việt Nam.
(22) TS. Nguyễn Minh Phƣơng, Một số giải pháp phát hiện và sử dụng nhân tài ở nước ta
hiện nay, Viện khoa học tổ chức nhà nƣớc, Bộ nội vụ.
(23) Quyết định 959/QĐ-TTg của Thủ tƣớng Chính phủ (2010), Quyết định Phê duyệt Đề án
Phát triển hệ thống trường THPT chuyên giai đoạn 2010-2020.
(24) Nguyễn Văn Ri, Tạ Thị Thảo (2006), Thực tập phân tích hóa học – Phần 1, Phân tích
định lượng hóa học, Trƣờng Đại học Khoa học Tự Nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội.
(25) Scatkin M.N (1971), Hoàn thiện quá trình dạy học, NXB Giáo dục.
(26) Trần Quốc Sơn (2008), Tài liệu giáo khoa chuyên Hóa học 11-12 Tập 1 Hóa học hữu cơ,
NXB Giáo dục.
24
(27) Đặng Nhƣ Tại, Ngô Thị Thuận (2011), Hóa học hữu cơ – Tập 1, NXB Giáo Dục Việt
Nam.
(28) Đặng Nhƣ Tại, Ngô Thị Thuận (2011), Hóa học hữu cơ – Tập 2, NXB Giáo Dục Việt
Nam.
(29) “Những phẩm chất và năng lực của một học sinh giỏi hóa học”, Tạp chí Hóa học.
(30) PGS.TS. Nguyễn Đình Thành (2012), Thực tập Hóa học Hữu cơ 2, Khoa Hóa học,
Trƣờng Đại học Khoa học Tự Nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội.
(31) Huỳnh Tấn Thông (2012), “Giải pháp nâng cao chất lƣợng bồi dƣỡng HSG năm học
2012-2013”, Báo Giáo dục và thời đại.
(32) Thái Doãn Tĩnh (2006), Cơ sở Hóa học hữu cơ - Tập 1, NXB Khoa học và Kỹ thuật.
(33) Thái Doãn Tĩnh (2006), Cơ sở Hóa học hữu cơ - Tập 2, NXB Khoa học và Kỹ thuật.
(34) Thái Doãn Tĩnh (2009), Thực hành tổng hợp hóa học hữu cơ - Tập 1, NXB Đại học Sƣ
phạm.
(35) Thái Doãn Tĩnh (2009), Thực hành tổng hợp hóa học hữu cơ - Tập 2, NXB Đại học Sƣ
phạm.
(36) Thái Doãn Tĩnh, Vũ Quốc Trung (2012), Thực nghiệm Hóa học hữu cơ, NXB Giáo dục
Việt Nam.
(37) Ngô Thị Thuận (1997), Thực tập hóa học hữu cơ, NXB Đại học Quốc Gia.
(38) Nguyễn Lê Tuấn, Hoàng Nữ Thùy Liên, Nguyễn Thị Việt Nga (2009), Giáo trình thực
hành Hóa hữu cơ, Trƣờng Đại học Qui Nhơn.
(39) Vũ Anh Tuấn (2006), Xây dựng hệ thống bài tập hóa học nhằm rèn luyện tư duy trong
việc bồi dưỡng HSG hóa học ở trường THPT, Luận án Tiến sĩ Giáo dục học, Trƣờng
Đại học Sƣ phạm I Hà Nội.
(40) Phạm Hùng Việt (2004),Các phương pháp sắc kí, NXB Khoa học Kỹ thuật.
(41) Vụ Giáo dục THPT (2012), Hướng dẫn Thí nghiệm thực hành trường THPT chuyên môn
Hóa học.
(42) Vụ Giáo dục THPT (2011), Tài liệu bồi dưỡng phát triển chuyên môn cho giáo viên
trường THPT chuyên năm 2011 môn Hóa học.
(43) http://www.google.com.vn/...
Tài liệu tiếng Anh
(44) 40th International chemistry olympiad preparatory problems, Hungary, 2008.
25
(45) 41th International chemistry olympiad preparatory problems, U.K, 2009.
(46) 42th International chemistry olympiad preparatory problems, Japan, 2010.
(47) 43th International chemistry olympiad preparatory problems, Turkey, 2011.
(48) 44th International chemistry olympiad preparatory problems, U.S, 2012.