Áp dụng định luật bảo toàn electron để giải một số bài toán hoá học

ÁP DỤNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN ELECTRON ĐỂ GIẢI MỘT SỐ BÀI TOÁN HOÁ HỌC Chu Anh Tuấn THPT Số 1 Nghĩa Hành – Quảng Ngãi iệc áp dụng nhuần nhuyễn các định luật bảo toàn kết hợp với các phương pháp giải bài tập khác như các đại lượng trung bình, ghép ẩn số... giúp ta dễ dàng đi đến các kết quả một cách ngắn gọn nhất. Chúng tôi muốn giới thiệu một số bài tập có liên quan đến định luật bảo toàn electron áp dụng cho cả ba khối lớp 10,11,12. Vì thời gian biên tập quá ngắn và trong khuôn khổ tài liệu nhỏ nên không thể tránh những thiếu sót, rất mong thầy cô giáo góp ý bổ sung. Nguyên tắc chung để giải bài toán theo phương pháp bảo toàn electron là phải viết đầy đủ các quá trình oxihóa và đầy đủ các quá trình khử để xác định tổng số electron của chất khử nhường và tổng số electron của chất oxi hóa nhận rồi dựa vào dữ kiện đề bài để thiết lập phương trình toán học liên hệ. Do các bài toán này không cho dữ kiện để thiết lập phương trình đại số theo số mol và theo khối lượng các chất có trong phản ứng . Để giải bài toán lập phương trình đại số căn cứ vào số mol electron trao đổi ( sự bảo toàn điện tích) Trong mọi phản ứng oxihóa - khử diễn ra hai quá trình Quá trình o xi hóa: Kh1 → Ox1 + ne . x Quá trình khử: Ox2 + me → Kh2 . y Phản ứng liên quan đến hai cặp o xi hóa - khử Ox1 Ox2 Kh1 Kh2 E01 < E02 Phản ứng xảy ra: Kh1 + Ox2 → Ox1 + Kh2 Định luật bảo toàn electron : xn = ym Bài tập minh hoạ: Bài 1: Hỗn hợp A gồm 2 kim loại hoạt động X,Y có hóa trị không đổi. Lấy 3,94gam A nung trong oxi dư để oxihóa hoàn toàn thu được 4,74gam hỗn hợp 2 oxit. Lấy 3,84gam A hòa tan hoàn toàn trong dung dịch HCl và H2SO4 loãng thu được V lít khí H2 ở 1,5atm và 54,6oC. Tính V? Giải: Gọi m,n là hóa trị của X,Y Phản ứng xảy ra: 2X + m 2 O2 → X2Om (1) 2Y + n 2 x yN O n O2 → Y2On (2) Ap dụng định luật bảo toàn khối lượng 2O m phản ứng = 0,8 gam. Quá trình khử của O2: O2 + 2.2e → 2O2- (3) Từ (3) : 2 2e (O nhân) On 4.n 0,1 mol= = Quá trình oxi hóa của kim loại: V X → Xm+ + me (4) Y → Yn+ + ne (5) Áp dụng định luật bảo toàn e lectron Số mol e nhận = số mol e nhường X,Y tác dụng với H2SO4 loãng X + m H+ → Xm+ + H2 (6) Y + n H+ → Yn+ + H2 (7) Quá trình khử của iom H+ : 2H+ + 2e → H2 (8) Quá trình oxi hóa của kim loại hai phản ứng (6) và (7) cũng là (4) và (5) nên Số mol e do A nhường cho O2 = số mol e do A nhường cho H+ = 0,1mol Từ (8) ta có 2H n = 0,05 mol 2H V = 0,896 lít Bài 2: Cho 12,6 gam hỗn hợp Mg và Al theo tỉ lệ mol 3:2 tác dụng với H2SO4 đặc, nóng vừa đủ thu được 0,15mol sản phẩm có lưu huỳnh. Xác định sản phẩm trên là SO2, S hay H2S? Giải: Gọi x,y lần lượt là số mol của Mg và Al 24x + 27y = 12,6 x 3 = y 2 => x = 0,3, y = 0,2 Gọi n là số oxi hóa của lưu huỳnh trong sản phẩm Mg → Mg2+ + 2e (1) Al → Al3+ + 3e (2) Suy ra: n e nhường = 0,12 mol S+6 + (6 − n) → Sn (3) Theo định luật bảo toàn e lec tron : 0,12 = (6−n)0,15 => n =2 => Sản phẩm là H2S. Bài 3: Cho 13,92 gam Fe3O4 tác dụng hết với HNO3 thu được 0,448 lít khí NxOy (đktc). a. Xác định công thức phân tử của NxOy ? b. Tính thể tích dung dịch HNO3 2M đã dùng, biết trong thí nghiệm đã dùng axit dư 25% so với lượng phản ứng. Giải: a. 3 4Fe O n = 0,06 mol, x yN O n = 0,02mol Quá trình khử của NO3- (6x - 2 y) H+ + xNO3- + (5x - 2y)e → NxOy + ( 3x-2y)H2O (a) ne nhận = 0,02( 5x -2y) (1) Quá trình oxi hóa của Fe3O4 Fe3O4 + 8H+ → 3Fe3+ + 4H2O + 1e (b) ne nhường = 0,06 mol (2) Từ (1) và (2) áp dụng định luật bảo toàn e lec tron 0,02(5x -2y)= 0,06
5x - 2y = 3 ( x,y ≥ 1, nguyên) x = y = 1 Vậy công thức phân tử của NxOy là NO b. Từ (a) và (b) suy ra : 3HNO n pư = + (a)H n + + (b)H n = 0,56 3HNO n dùng = 0,7 mol 3HNO V = 0,35 lít Bài 4: Cho 0,03mol Al và 0,05mol Fe tác dụng với 100ml dung dịch A có chứa Cu(NO3)2 và AgNO3. Sau phản ứng thu được dung dịch B và 8,12gam chất rắn C gồm 3 kim loại. Cho chất rắn C tác dụng với dung dịch HCl dư thu được 0,672 lít H2 (đkc). Các phản ứng xảy ra hoàn toàn .Tính nồng độ mol/lít của Cu(NO3)2 và AgNO3 trong dung dịch A. Giải: Các phương trình phản ứng xảy ra Al + 3Ag+ → Al3+ + 3Ag 2Al + 3Cu2+ → 2Al3+ + 3Cu Fe + 2Ag+ → Fe2+ + 2Ag Fe + Cu2+ → Fe2+ + Cu Fe + 2H+ → Fe2+ + H2 2H n = 0,03 mol => nFedư = 0,03 mol B gồm có: Ag, Cu, Fe dư Gọi a,b là số mol của AgNO3 , Cu(NO3)2 Quá trình o xi hóa: Al → Al3+ + 3e Fe → Fe2+ +2e n e nhường = 0,19 mol Quá trình khử: Ag+ + 1e → Ag Cu2+ +2e → Cu 2H+ +2e → H2 nenhận = a + 2b + 0,06 Ap dụng định luật bảo toàn e lec tron Tổng số mol e nhường = Tổng số mol e nhận 0,19 = a +2b + 0,06 => a + b = 0,13 Theo đề ra ta có hệ phương trình a + b = 0,13 a = 0,03 => 108a + 64b + 0,03.56 = 8,12 b = 0,05 ( )3 3 2M AgNO M Cu NOC 0,3M, C 0,5M= = Bài 5: Cho m1 gam hỗn hợp gồm Mg và Al vào m2 gam dung dịch HNO3 24%. Sau khi các kim loại tan hết có 8,96 lít hỗn hợp khí X gồm NO và N2O, N2 bay ra ( đkc) và dung dịch A. Thêm một lượng O2 vừa đủ vào X, sau phản ứng được hỗn hợp Y . Dẫn Y từ từ qua dung dịch NaOH, có 4,48 lít hỗn hợp khí Z đi ra ( đkc). Tỉ khối của Z đối với H2 bằng 20. Nếu cho dung dịch NaOH vào A để được lượng kết tủa lớn nhất thu được 62,2 gam kết tủa. Tính m1 và m2 biết lượng HNO3 đã lấy dư 20% so với lượng cần thiết. Giải: nhỗn hợp X = 0,4mol Khi cho O2 vào hỗn hợp X : 2NO + O2 → NO2 Số mol của hỗn hợp không đổi : nX = nY = 0,4 mol Dẫn Y vào dung dịch NaOH : NO2 + 2NaOH → NaNO3 + NaNO2 + H2O 2 2(N O N )n + = 0,2 mol và nNO = 0,4 - 0,2 = 0,2 mol Ta có MZ = 40 .Hỗn hợp Z gồm : N2O và N2 có số mol bằng 0,2. Giải ra ta được 2N O n = 0,15 mol ; 2N n = 0,05 mol Al và Mg tác dụng với dung dịch HNO3 ta có quá trình Mg → Mg2+ + 2e (1) x x 2x Al → Al3+ + 3e (2) y y 3y Tổng số mol e nhường = 2x + 3y NO3- + 4H+ + 3e → NO + 2H2O (3) 0,02mol 2NO3- + 10H+ + 8e → N2O + 5H2O (4) 0,15mol 2NO3- + 12H+ + 10e → N2 + 6H2O (5) 0,05mol Theo định luật bảo toàn electron Tổng số mol e nhường = Tổng số mol e nhận 2x + 3y = 2,3 (*) Lượng kết tủa Mg(OH)2 x mol và Al(OH)3 ymol Ta có : 58x + 78y = 62,2 (**) Giải hệ phương trình (*) và (**) ta được x = 0,4 mol, y = 0,5 mol. m1 = 23,8gam , Từ (3) (4) và (5) ta có +H n = 3HNO n tham gia = 2,9mol mHNO3 = 182,7 gam m2 = 913,5gam Bài tập áp dụng. 1. Hoà tan hết 4,431 gam hỗn hợp Al và Mg trong dung dịch HNO3 loãng thu được dung dịch A và 1,568 lít ( đkc) hỗn hợp hai khí đều không có màu có khối lượng 2,59 gam, trong đó một khí bị hóa nâu trong không khí. a. Tính % khối lượng mỗi kim loại trong hỗn hợp . b. Tính số mol HNO3 đã phản ứng. c. Khi cô cạn dung dịch A thì thu được bao nhiêu gam muối khan. Đáp số: a. %Al = 12,8% ; %Mg = 87,2% b. nHNO3 = 0,49mol c. m = 28,301gam 2. Cho hỗn hợp A gồm kim loại R ( hóa trị I) và kim loại X ( hóa trị II). Hòa tan 3 gam hỗn hợp A vào dung dịch chứa HNO3 và H2SO4 thu được 2,49 gam hỗn hợp B gồm khí NO2 và khí D , có thể tích 1,344 lít ( đkc). Tính khối lượng muối khan thu được. Đáp số: 7,06gam 3. Hỗn hợp X gồm Fe,FeO , Fe2O3 và Fe3O4 (tỉ lệ mol lần lượt là 1:2:3:4). Hòa tan hoàn toàn 76,8gam hỗn hợp X bằng lượng HNO3 thu được 4,48 lít (đkc) hỗn hợp Y gồm NO và NO2. a. Tìm tỉ khối hơi của Y so với O xi? b. Tính thể tích HNO3 4M tối thiểu cần dùng. Đáp số: a. dY/O2 = 1,1875 b. V = 0,8 lít 4.Hòa tan 62,1gam một kim loại M trong HNO3 loãng thu được 16,8 lít hỗn hợp khí X (đkc)gồm 2 khí không màu, không hóa nâu trong không khí . Tỉ khối hơi của hỗn hợp X so với H2 bằng 17,2. a. Xác định công thức phân tử của muối tạo thành. b.Nếu sử dụng dung dịch HNO3 2M thì thể tích đã dùng bao nhiêu lít, biết rằng đã lấy dư 25% so với lượng cần thiết. Đáp số: a. AlCl3 b. V = 5,25 lít 5. Hòa tan hoàn toàn 9,28 gam một hỗn hợp X gồm Mg,Al,Zn với số mol bằng nhau trong một lượng vừa đủ dung dịch H2SO4 đặc, nóng thu được dung dịch Y và 0,07 mol một sản phẩm duy nhất có chứa lưu huỳnh. Hãy xác định xem sản phẩm chứa lưu huỳnh là chất nào trong số các chất sau : H2S ; S ; SO2 Đáp số : H2S Bài toán hóa học bản thân nó đã chứa một hệ thống các tình huống về mặt hóa học được đặt ra. Giải bài toán hóa học giúp các em hoàn thiện kiến thức và nâng cao kĩ năng giải bài tập hóa học. Khi viết đề tài này, chúng tôi muốn sưu tầm các dạng bài toán có liên quan đến định luật bảo toàn electron . Tuy chưa đầy đủ nhưng hy vọng giúp các em có cơ sở giải được một số dạng toán khó, vận dụng các kiến thức hóa học ở khối 10,11,12 để giải các bài toán nâng cao, các bài toàn thi vào đại học , cao đẳng. Qua đó tạo cho các em lòng say mê học tập môn hóa , hứng thú khi giải các bài tập hóa học.