Tài liệu Pháp triển phương pháp bảo toàn electron giải nhanh các bài toán với chất khử là kim loại và axit có tính oxi hóa

PHÁP TRIỂN PHƯƠNG PHÁP BẢO TOÀN ELECTRON GIẢI NHANH CÁC BÀI TOÁN VỚI CHẤT KHỬ LÀ KIM LOẠI VÀ AXIT CÓ TÍNH OXI HÓA(‫)٭‬ Với hình thức thi trắc nghiệm học sinh thường mất nhiều thời gian khi giải những bài tập tính toán. Để giải quyết vấn đề đó cần tim ra những phương pháp giải nhanh nhằm tiết kiệm thời gian. Với bài tập hỗn hợp kim loại phản ứng với hỗn hợp axit có tính oxi hóa là những bài toán khó để giúp học sinh giải nhanh loại bài tập này tôi đưa ra phương pháp(‫)٭‬ I. Cơ sở lí thuyết: Xét kim loại M có số oxi hóa khi tham gia phản ứng oxi hóa khử là +n với (n>0) và axit HNO3. * Giọi số mol electron kim loại M nhường là a (a  R  ) quá trình oxi hóa a M  M+n +n.e ta có nM= . n Giả sử N+5 bị khử xuống N+x ( x Z) quá trình khử N+5 + (5-x)e  N+x ta có nN  x = Vì số mol NO3 - cần để tạo muối gấp n lần số mol của kim loại M nên a (1) 5 x nNO  = n. 3 a (2). n Từ (1) và (2) ta có mối quan hệ giữa số mol NO3- tạo muối và số mol N+x được biểu thị bằng biểu thức sau: nNO  3 nN  x = a = 5-x(*) 5 x Số mol electron trao đổi gấp bao nhiêu lần số mol điện tích của anion tạo muối thì số mol của anion tạo muối gấp bấy nhiêu lần số mol của N+x Tương tự đối với chất oxi hóa là axit H2SO4 đặc. Giả sử S+6 bị khử xuống S+x( x  Z) quá trình khử S+6 + (6-x)e  S+x ta có nS  x = a (1’) 6 x n a a Số mol SO42- tạo muối = . = (2’) 2 n 2 Từ (1’) và (2’) ta có mối quan hệ giữa số mol SO42- tạo muối và số mol S+x là: nSO 2 4 nS  x a 6 x = 2 = (**) a 2 6 x Số mol electron trao đổi gấp bao nhiêu lần số mol điện tích anion tạo muối thì số mol của anion tạo muối gấp bấy nhiêu lần số mol của S+x www.hoahoc.edu.vn Vậy số mol electron trao đổi gấp bao nhiêu lần số mol điện tích của anion tạo muối thì số mol của anion tạo muối gấp bấy nhiêu lần số mol của chất có số oxi hóa +x( chất khử yếu hơn) II. Một số ví dụ Ví dụ 1. Cho m(g) kim loại Fe tác dụng vừa đủ với 100ml dung dịch HNO3 x(M) thu được 2,24 lít khí NO(đktc). Tính giá trị x? Giải Phương pháp thông thường: Phương trình phản ứng: Fe + 4HNO3  Fe(NO3)3 + NO + H2O từ phương trình ta có: nHNO 3 =4nNO =4.  x= 2,24 = 0,4 mol 22,4 0,4 =4M 0,1 Phương pháp đề xuất: Phương trình nhận electron: N+5 + 3e  N+2 ta thấy số mol electron trao đổi gấp 3 lần số mol điện tích anion tạo muối nên nNO  tạomuối = 3nNO mà nHNO 3 = nNO  + nNO = 3nNO + nNO =4.nNO 3 3  x= 0,4 =4M 0,1 Với phương pháp này học sinh không cần phải viết phương trình phản ứng chỉ cần lập tỉ số giữa số mol electron trao đổi và số mol của điện tích anion tạo muối và thực hiện một số phép tính dơn giản vì vậy sẽ tiết kiệm được rất nhiều thời gian. Ví dụ 2. Cho m(g) kim loại X tác dụng vừa đủ với 100ml dung dịch HNO3 x(M) thu được 2,24 lít khí NO(đktc). Tính giá trị của x? Giải Với ví dụ này bằng phương pháp thông thường không giải được nhưng bằng phương pháp đề xuất ở trên bài toán trở nên rất đơn giản chỉ với vài phép tính: Phương trình nhận electron: N+5 + 3e  N+2 ta thấy số mol electron trao đổi gấp 3 lần số mol điện tích anion tạo muối nên nNO  = 3nNO mà nHNO 3 = nNO  + nNO = 3nNO + nNO =4.nNO 3 3  x= 0,4 =4M 0,1 Với phương pháp này chúng ta có thể dùng giải nhanh bài tập phù hợp để ra đề kiểm tra trắc nghiệm khách quan với các câu hỏi dạng: nồng độ, khối lượng muối tạo thành,số mol axit tham gia phản ứng,… www.hoahoc.edu.vn Ví dụ 3. Hòa tan vừa đủ 6g hỗn hợp 2 kim loại X, Y có hóa trị tương ứng I, II vào dung dịch hỗn hợp 2 axit HNO3 và H2SO4, thì thu được 2,688 lít hỗn hợp khí B gồm NO2 và SO2 (đktc) nặng 5,88g. Cô cạn dung dịch sau cùng thì thu được m(g) muối khan. Tính m? Giải nB= 2,688 = 0,12 mol 22,4  x  y  0,12 Giọi số mol của NO2 là x số mol của SO2 là y ta có  giải ra ta có 46 x  64 y  5,88  x  0,1   y  0,02 Phương trình nhận electron: S+6 +2e  S+4 N+5 +1e  N+4 Ta có nSO 2  4 tạomuối= 2 .nSO 2 =0,2 mol => khối lượng anion sunfat tạo muối là: 96.0,02 = 1,92g 2 1 nNO  tạomuối= .nNO 2 = 0,1 mol => khối lượng anion nitrat tạo muối là: 62.0,1= 6,2g 3 1 Vậy khối lượng muối khan thu được là: m = 6 + 1,92 + 6,2 = 14,12g Ưu điểm của phương pháp này là số kim loại tùy ý bao nhiêu cũng được, càng nhiều kim loại phương pháp càng tỏ ra vợt trội so với phương pháp thông thường Ví dụ 4. Cho 12g hỗn hợp hai kim loại X, Y hòa tan hoàn toàn vào dung dịch HNO3 thu được m(g) muối và 1,12 lít khí không duy trì sự cháy(đktc). Tính giá trị của m? Giải Khí không duy trì sự cháy là N2 Phương trình nhận electron: N+5 +5e  N0 nN 0 =2nN 2 = 2.  nNO 3 tạomuối = 1,12 = 0,1mol. 22.4 5 0 nN = 5.0,1 = 0,5 mol => khối lượng anion nitarat tạo muối là: 0,5.62 = 31g. 1 Vậy khối lượng muối khan thu được là: 31+ 12= 43g Ví dụ 5. Hòa tan hỗn hợp gồm Mg, Fe và kim loại X vào dung dịch HNO3 thu được hỗn hợp khí gồm 0,03 mol NO2 và 0,02 mol NO. Số mol HNO3 đã tham gia phản ứng là bao nhiêu? Giải Phương trình nhận electron: N+5 + 3e  N+2 N+5 +1e  N+4  nNO 3 tạomuối= 1 4 3 2 nN + nN = nNO 2 +3nNO =0,03 + 3.0,02 = 0.09 mol 1 1  nHNO 3 đãphảnứng = nNO 3 tạomuối + nNO 2 + nNO = 0,09 + 0,03 + 0.02 = 0,14 mol www.hoahoc.edu.vn Ví dụ 6. Hòa tan hoàn toàn 5,04g hỗn hợp gồm 3 kim loại X, Y, Z vào 100ml dung dịch HNO3 x(M) thu được m(g) muối 0,02 mol NO2và 0,005 mol N2O. Tính giá trị x và m? Giải Phương trình nhận electron: N+5 + 4e  N+ N+5 +1e  N+4 1 4  nNO 3 tạomuối = nN 4 + nN 1 = nNO 2 + 4.(2nN 2 O )= 0,02 + 4.(0,005.2) = 0.02 + 0,04 = 0,06 mol 1 1   mNO 3 tạomuối =0,06.62 = 3,72g   m =mKL+ mNO 3 tạomuối = 5,04 + 3,72 = 8,76g  nHNO 3 tham gia phản ứng = nNO 3 tạomuối + nN 4 + nN 1 = 0,06 + 0,02 + 0,005.2 = 0,09 mol  x= CM HNO = 3 www.hoahoc.edu.vn 0.09 =0,9M 0,1 Bài 1: Cho 1,35gam hỗn hợp A gồm Cu, Mg, Al tác dụng với HNO3 dư được 1,12lit NO và NO2 có khối lượng trung bình là 42,8. Biết thể tích khí đo ở đktc. Tổng khối lượng muối nitrat sinh ra là: A. 9,65g B. 7,28g C. 4,24g D. 5,69g Bài 2: Cho tan hoàn toàn 58g hỗn hợp A gồm Fe, Cu, Ag trong dung dịch HNO3 2M thu được 0,15 mol NO, 0,05mol N2O và dung dịch D. Cô cạn dung dịch D, khối lượng muối khan thu được là: A. 120,4g B. 89,8g C. 116,9g D. 90,3g Bài 3: Hòa tan hết 16,3 gam hỗn hợp kim loại gồm Mg, Al và Fe trong dung dịch H2SO4 đặc, nóng thu được 0,55 mol SO2. Cô cạn dung dịch sau phản ứng, khối lượng chất rắn khan thu được là: A. 51,8g B. 55,2g C. 69,1g D. 82,9g Bài 4: Cho 18,4 g hỗn hợp kim loại A,B tan hết trong dung dịch hỗn hợp gồm HNO3 đặc và H2SO4 đặc, nóng thấy thoát ra 0,2 mol NO và 0,3 mol SO2. Cô cạn dung dịch sau phản ứng, khối lượng chất rắn thu được là: A. 42,2g B. 63,3g C. 79,6g D. 84,4g Bài 5: Cho 18,4 g hỗn hợp kim loại A,B tan hết trong dung dịch hỗn hợp gồm HNO3 đặc và H2SO4 đặc, nóng thấy thoát ra 0,3 mol NO và 0,3 mol SO2. Cô cạn dung dịch sau phản ứng, khối lượng chất rắn thu được là: A. 42,2g B. 63,3g C. 79,6g D. 84,4g Bài 6: Cho m gam Fe tác dụng vừa đủ với 100ml dung dịch HNO3 x(M) thu được 2,24 lit khí NO( đktc) Tính giá trị x? Bài 7: Cho m gam kim loại X tác dụng vừa đủ với 100ml dung dịch HNO3 x(M) thu được 2,24 lit NO(đktc). Tính giá trị của x? Bài 8: Hòa tan vừa đủ 6g hỗn hợp 2 kim loại X,Y có hóa trị tương ứng I,II vào dung dịch hỗn hợp 2 axit HNO3 và H2SO4 thì thu được 2,688 lit hỗn hợp khí B gồm NO2 và SO2( đktc) và có tổng khối lượng là 5,88g. Cô cạn dung dịch sau cùng thì thu được m(g) muối khan. Tính m? Bài 9: Cho 12gam hỗn hợp 2 kim loại X,Y hòa tan hoàn toàn vào dung dịch HNO3 thu được m(g) muối và 1,12lit khí không duy trì sự cháy(đktc). Tính giá trị m? Bài 10: Hòa tan hỗn hợp gồm Mg,Fe và kim loại X vào dung dịch HNO3 thu được hỗn hợp khí gồm 0,03 mol NO2 và 0,02mol NO. Số mol HNO3 đã tham gia phản ứng là bao nhiêu? Bài 11: Hòa tan hoàn toàn 5,04g hỗn hợp gồm 3 kim loại X,Y,Z vào 100 ml dung dịch HNO3 x(M) thu được m(g) muối, 0,02mol NO2 và 0,005mol N2O. Tính giá trị x và m? Bài 12: Cho 13,4gam hỗn hợp Fe,Al,Mg tác dụng hết với một lượng dung dịch HNO3 2M( lấy dư 10%) thu được 4,48 lit hỗn hợp NO và N2O có tỷ khối so với H2 là 18,5 và dung dịch không chứa muối amoni. Tính thể tích dung dịch HNO3 đã dùng và khối lượng muối có trong dung dịch sau phản ứng www.hoahoc.edu.vn Bài 13: Hòa tan hoàn toàn 8g hỗn hợp kim loại bằng dung dịch HNO3 dư thu được hỗn hợp sản phẩm khử gồm 0,1mol NO và 0,2 mol NO2. Khối lượng muối có trong dung dịch (không có muối amoni) sau pahn3 ứng là: A. 39g B. 32,8g C. 23,5g D. Không xác định Bài 14: Hòa tan hoàn toàn 5,1g hỗn hợp Al và Mg bằng dung dịch HNO3 dư thu được 1,12 lit( đktc) khí N2( sản phẩm khử duy nhất). Tính khối lượng muối có trong dung dịch sau phản ứng? A. 36,6g B. 36,1g C. 31,6g D. Kết quả khác Bài 15: Hòa tan 1,68 g kim loại M trong dung dịch HNO3 3,5M lấy dư 10% thu được sản phẩm khử gồm 0,03 mol NO2 và 0,02 mol NO. Thể tích dung dịch HNO3 đã dùng là: A. 40ml B. 44ml C. 400ml D. 440ml Bài 16: Cho 12,9 gam hỗn hợp Mg và Al phản ứng với 100ml dung dịch hỗn hợp 2 axit HNO3 4M và H2SO4 7M thu được 0,1 mol mỗi khí SO2, NO và N2O( không có sản phẩm khử khác). Thành phần % theo khối lượng của Al trong hỗn hợp ban đầu là: A. 62,79% B. 52,33% C. 41,86% D. 83,72% Bài 17: Cho 12,9 gam hỗn hợp Mg và Al phản ứng với dung dịch hỗn hợp 2 axit HNO3 và H2SO4 (đặc nóng) thu được 0,1 mol mỗi khí SO2, NO và N2O( không có sản phẩm khử khác). Cô cạn dung dịch sau phản ứng khối lượng muối khan thu được là:: A.31,5g B. 37,7g C. 34,9g D. 47,3g Bài 18: Hòa tan một hỗn hợp X gồm 2 kim loại A và B trong dung dịch HNO3 loãng. Kết thúc phản ứng thu được hỗn hợp khí Y gồm 0,1 mol NO ; 0,15 mol NO2 và 0,05 mol N2O. Biết rằng không có phản ứng tạo muối NH4NO3. Số mol HNO3 đã phản ứng là: A. 0,75mol Bài 19: www.hoahoc.edu.vn B. 0,9mol C. 1,2mol D. 1,05 mol VẬN DỤNG PHƯƠNG PHÁP BẢO TOÀN ELECTRON TÍNH NHANH SỐ MOL AXIT CÓ TÍNH OXI HÓA THAM GIA PHẢN ỨNG VỚI KIM LOẠI [HHUD 02/2008] I CƠ SỞ LÝ THUYẾT Dựa vào sự bảo toàn electron ta đã chứng minh được: a/ Ñoái vôùi axit HNO3 nNO - (muoái) = ne (cho-nhaä n) 3  n HNO3  n NO - (muoá i)  n NO - (saûn phaåm khöû)  n e . 3 3 6-x 5-x b/ Ñoái vôùi axit H2SO4 ñaëc,noùng n SO 2- (muoái) = 4  n H2SO4 1 n e (cho-nhaän) 2  n SO 2- (muoái)  nSO 2- (saûn phaå m khöû )  ne . 4 4 8-x 2(6-x) Nhaän xeùt: ne = nNO - (muoá i) = 2 nSO 2- (muoái) 3 4 II. BÀI TẬP VẬN DỤNG Bài 1: Cho m(g) Al tác dụng với 150ml dung dịch HNO3 a(M) vừa đủ thu được khí N2O duy nhất và dung dịch A. Cô cạn dung dịch A thu được một muối khan có khối lượng (m + 18,6)g. Giá trị của a là: A. 1,5 B. 2 C. 2,5 D. 3 Bài 2: Hòa tan hoàn toàn m gam hỗn hợp 3 kim loại X,Y,Z trong một lượng vừa đủ 200ml HNO3 b(M) thu được khí không màu hóa nâu trong không khí và dung dịch A không chứa ion NH4+. Cô cạn dung dịch A thu được (m + 37,2)g muối khan. Giá trị của b là: A. 2 B. 3 C. 4 D. 5 Bài 3: Cần vừa đủ 0,5 lit dung dịch HNO3 x (M) để hòa tan hoàn toàn m gam hợp kim Al và Mg. Sau phản ứng thu được dung dịch A và hỗn hợp khí B gồm N2O và NO. Khi cô cạn dung dịch A thu được 2 muối khan có tổng khối lượng là (m + 136,4). Biết tỷ khối của B so với H2 bằng 18,5. Giá trị của x là: A. 4,8 B. 5,6 C. 6,2 D. 7,0 Bài 4: Có m gam hỗn hợp 3 kim loại X,Y,Z tác dụng vừa đủ với 250 ml dung dịch HNO3 c (M) vừa đủ thu được dung dịch A duy nhất. Nếu cho dung dịch A tác dụng với dung dịch NaOH( dư) thấy thoát ra khí có mùi khai. Mặt khác nếu cô cạn cẩn thận dung dịch A thu được (m + 21,6)g muối khan. Giá trị của c là: A. 1,5 www.hoahoc.edu.vn B. 1,75 C. 2,5 D. 2,75 Bài 5: Hòa tan hoàn toàn hỗn hợp 2 kim loại A,B trong axit H2SO4 (đặc, nóng) dư thu được khí SO2 duy nhất và dung dịch X. Dẫn toàn bộ lượng khí sinh ra qua bình đựng đựng nước Brom dư thấy có 96g Brom phản ứng. Số mol axit H2SO4 đã tham gia phản ứng: A. 0,8 www.hoahoc.edu.vn B. 1,1 C. 1,2 D. 1,4