Sử dụng một số công thức kinh nghiệm để giải nhanh bài tập kim loại tác dụng với dung dịch axit HNO₃, H₂SO₄ đặc, nóng

Nội dung text: Sử dụng một số công thức kinh nghiệm để giải nhanh bài tập kim loại tác dụng với dung dịch axit HNO₃, H₂SO₄ đặc, nóng

1. SỬ DỤNG MỘT SỐ CÔNG THỨC KINH NGHIỆM ĐỂ GIẢI NHANH BÀI TẬP KIM LOẠI TÁC DỤNG VỚI DUNG DỊCH AXIT HNO3, H2SO4 đặc, nóng HOÀNG NAM NINH Lớp Hoá K41A - Đại học Sư phạm Thái Nguyên Bài tập kim loại tác dụng với axit có tính oxi hoá mạnh (HNO 3, H2SO4 đặc nóng) là một dạng bài tập hay và khó. Tuy nhiên, trở lại đây việc giải bài tập dạng này không còn quá khó khăn với học sinh nữa, bởi các các em đã được làm quen với các phương pháp giải nhanh như sử dụng định luật bảo toàn (ĐLBT) số mol electron, ĐLBT khối lượng, ĐLBT nguyên tố, phương pháp quy đổi Với việc giải bài tập bằng các phương pháp trên thì thời gian để giải bài tập được rút ngắn đi rất nhiều. Đáp ứng được yêu cầu của hình thức thi trắc nghiệm. Trên cơ sở vận dụng các phương pháp trên, tôi xin đưa ra một số công thức kinh nghiệm áp dụng cho một số bài toán cụ thể. Bài toán 1: Để m gam hỗn hợp Fe và Cu (có tỉ lệ mol là: α : β ) ngoài không khí. Sau một thời gian thu được a gam hỗn hợp chất rắn B gồm: Fe, FeO, Fe 3O4, Fe2O3, Cu, Cu2O, CuO. Hoà tan hoàn toàn B trong dung dịch HNO3 thu được V lít khí NxOy (ở đktc). Tính m? Giải: Bài toán tổng quát này có thể giải theo rất nhiều cách khác nhau, nhưng sau đây tôi xin được đưa ra 3 cách giải đại diện. Cách 1: Sử dụng phương pháp ghép ẩn số. 2Fe + O2 2FeO 4Cu + O2 2Cu2O a a a a 6 2 2 6 2 3Fe + 2O2 Fe3O4 2Cu + O2 2CuO a a 3 a a 3 3 7 7 4Fe + 3O2 2Fe2O3 a a 4 4 2 (5x-2y)Fe + (18x-6y)HNO3 (5x-2y)Fe(NO3)3 + 3NxOy + (9x-3y)H2O 3a1 a1 5x - 2y (5x-2y)FeO + (16x-6y)HNO3 (5x-2y)Fe(NO3)3 + NxOy + (8x-3y)H2O a 2 a2 5x - 2y (5x-2y)Fe3O4 + (46x-18y)HNO3 (5x-2y)Fe(NO3)3 + NxOy + (23x-9y)H2O a a 3 3 3 3 5x - 2y (5x-2y)Cu + (12x-4y)HNO3 (5x-2y)Cu(NO3)2 + 2NxOy + (6x-2y)H2O 2a5 a5 5x - 2y (5x-2y)Cu2O + (22x-8y)HNO3 (10x-4y)Cu(NO3)2 + 2NxOy + (11x-4y)H2O 2a6 a6 5x - 2y Theo bài ra ta có: a3 +) 56a1 + 72a2 + 232 + 80a4 + 64a5 + 72a6 + 80a7 = a 3
2. Hay: 168a1 + 216a2 + 232a3+ 240a4 + 192a5 + 216a6 + 240a7 = 3a (1) 3a a a 2a 2a V +) 1 + 2 + 3 + 5 + 6 = n ( với n = ) (2) 5x - 2y 5x - 2y 3 5x - 2y 5x - 2y 5x - 2y 22,4 Hay: 9a1 + 3a2 + a3 + 6a5 + 6a6 = 3n(5x – 2y) nFe α a1 +a 2 +a3 +a 4 +) = = hay : β a1 +a 2 +a3 +a 4 α a5 +a6 +a7 0 (3) nCu β a5 +a6 +a7 Cần tính: m = mFe + mCu = 56 a1 +a 2 +a3 +a 4 +64 a5 +a6 +a7 (4) Nhân (1), (2), (3) lần lượt với A, B, C rồi cộng lại ta có: (168A +9B + β C)a1 + (216A +3B +β C)a2 + (232A+B+β C)a3 + (240A+β C)a4 +(192A+6B- α C)a5 + (216A+6B- α C)a6 +(240- α C)a7 = 3Aa + 3nB(5x – 2y) (5) Đồng nhất thức (4) và (5) ta có: 168A + 9B + βC = 56 (6) 240A + βC = 56 (7) 240A - αC = 64 (8) 8α 64- -8 64+αC α+β 7α+8β Từ (7) và (8) ta có: C = thay vào (8) ta có: A = = = α + β 240 240 30 α+β 8 7α+8β Từ (6) và (7): B = 8A B 30 α+β 7α+8β Thay vào (5) ta có: m = 3Aa + 3nB(5x – 2y) = a+8n(5x-2y) 10 α+β 7α+8β Vậy: m = a+8n(5x-2y) 10 α+β Cách 2: Sử dụng định luật bảo toàn số mol electron Đặt: nFe = α z; nCu = β z m = 56α+64β z - Quá trình nhường e: Fe Fe3+ +3e Cu Cu2+ +2e αz 3αz  z 2 z - Quá trình nhận e: xN+5 + 5x-2y e xN+2y/x 2O + 4e 2O2- a-m a-m n 5x-2y nx 2. 32 8 a-m Áp dụng ĐLBT số mol electron ta có: 3αz + 2 z = n 5x-2y + 8 8(3α + 2β)z = 8n(5x-2y) + a - m 8(3α + 2β)z = 8n(5x-2y) + a - 56α+64β z 1 7α+8β z= a + 8n(5x-2y) m a+8n(5x-2y) 80 α+β 10α+10β Cách 3: Sử dụng ĐLBT nguyên tố + ĐLBT khối lượng - Áp dụng ĐLBT nguyên tố: n = αz; n = βz Fe(NO3 )3 Cu(NO3 )2 n = n = n + n + n = 3αz + 2βz+nx HNO3 N/HNO3 N/Fe(NO3 )3 N/Cu(NO3 )2 N/NxOy 1 1 n = n 3αz + 2βz + nx H2O 2 HNO3 2 - Áp dụng ĐLBT khối lượng: mB + m = mFe(NO ) + mCu(NO ) +mN O + m HNO3 3 3 3 2 x y H2O
3. Hay: a + 63( 3αz + 2βz+nx )=242 αz +188βz +(14x+16y)n + 9 3αz + 2βz + nx 1 7α+8β z= a + 8n(5x-2y) m a+8n(5x-2y) 80 α+β 10α+10β 7α+8β Vậy: m = a+8n(5x-2y) 10α 10β Nhận xét: Trên cơ sở bài toán trên ta có thể tổng quát hoá cho bài toán kim Fe, Cu tác dụng với axit có tính oxi hoá mạnh như HNO3, H2SO4 đặc, nóng cho nhiều sản phẩm khử: 7α+8β m = a+8. niki 10α+10β  Trong đó: ni và ki là số mol sản phẩm khử và số electron nhận Đặc biệt: - Ban đầu chỉ có Fe: m = 0,7 a+8. niki (1.1) - Ban đầu chỉ có Cu: m = 0,8 a+8. niki (1.2) ÁP DỤNG Bài 1: Để m gam sắt ngoài không khí, sau một thời gian thu được hỗn hợp B gồm 4 chất rắn là : Fe, FeO, Fe 2O3, Fe3O4 có khối lượng 12 gam. Cho B tác dụng với axit HNO 3 thấy giải phóng ra 2,24 lít khí NO duy nhất ở đktc. Giá trị m là: A. 16,80g B. 10,08g C. 5,60g D. 11,20g Giải: nNO = 0,1 mol Theo (1.1): m = 0,7(12 + 8.0,1.3) = 10,08 g Đáp án B Bài 2: Nung m gam sắt trong không khí, sau một thời gian người ta thu được 104,8 gam hỗn hợp rắn A gồm Fe,FeO,Fe2O3 và Fe3O4. Hòa tan hoàn toàn A trong HNO3 dư thu được dung dịch B và 12,096 lit hỗn hợp khí NO và NO2 (đktc) có tỷ khối so với He là 10,167. Giá trị m là: A. 72,8g B. 89,6g C. 91,28g D. 78,40g Giải: Sử dụng sơ đồ đường chéo dễ tính được: nNO = 0,18 mol; nNO2 = 0,36 mol Theo (1.1): m = 0,7. [104,8 + 8.(0,18.3 + 0,36.1)] = 78,40g Đáp án D Bài 3: Oxi hoá hoàn toàn 2,184g bột Fe thu được 3,048g hỗn hợp các oxit sắt. Hoà tan hoàn toán hỗn hợp này trong dung dịch HNO3 dư thu được V lít NO duy nhất. Giá trị của V là: A. 0,0224 lít B. 0,0672 lít C. 0,0336 lít D. 0,0448 lít Giải: Theo (1.1): 2,184 = 0,7(3,084 + 8.3.n) n = 0,0015 mol V = 0,0336 lít Đáp án C Bài 4: Để 13,44g sắt ngoài không khí, sau một thời gian thu được 18g chất rắn gồm Fe và hỗn hợp các oxi sắt. Hoà tan hoàn toàn hỗn hợp này bằng dung dịch HNO3 dư thu được 3,36 lít khí X duy nhất ở đktc. Khí X là: A. N2 B. NO2 C. NO D. N2O Giải: nX = 0,15 mol +5 +4 Theo (1.1): 13,44 = 0,7(18 +8.k.0,15) k = 1 X là: NO2 (vì N +1e N ) Đáp án B. Bài 5: Oxi hoá hoàn toàn 44,8g bột Fe thu được a gam hỗn hợp các oxit sắt. Hoà tan hoàn toán hỗn hợp này trong dung dịch HNO3 dư thu được 8,96 lít hỗn hợp khí NO và NO2 có tỉ khối so với H2 bằng 21. Biết khí đo ở điều kiện tiêu chuẩn. Giá trị của a là: A. 59,2g B. 60,8g C. 65,4g D. 50,4g Giải: Áp dụng sơ đồ đường chéo dễ có: nNO = nNO2 = 0,1 mol. Theo (1.1): 44,8 = 0,7. [a + 8(3.0,1 + 0,3) ] a = 59,2 g Đáp án A Bài 6 (TSĐH khối A – 2008): Cho 11,36 gam hỗn hợp Fe, FeO, Fe3O4 và Fe2O3 phản ứng hết với dung dịch HNO3 loãng dư, thu được 1,344 lít (ở đktc) khí NO ( là sản phẩm khử duy nhất) và dung dịch X. Cô cạn dung dịch X thu được m gam muối khan. Giá trị của m là: A. 38,72g B. 35,50g C. 49,09g D. 34,36g Giải: nNO = 0,06 mol Ở đây ta coi 11,36g hỗn hợp Fe, FeO, Fe3O4 và Fe2O3 được tạo ra khi để a gam Fe ngoài không khí. Theo (1.1): a = 0,7(11,36 + 8.3.0,06) = 8,96g nFe = nFe(NO3)3 = 0,16 mol m = mFe(NO3)3 = 0,16.242 = 38,72g Đáp án A
4. Bài 7: Khử hoàn toàn 45,6g hỗn hợp A gồm Fe, FeO, Fe3O4, Fe2O3 bằng H2 thu được m gam Fe và 13,5g H2O. Nếu đem 45,6g A tác dụng với HNO3 loãng thì thể tích NO duy nhất, ở đktc thu được là: A. 14,56lít B. 17,92lít C. 2,24lít D. 5,6lít Giải: nH2O = 0,75mol - AD ĐLBT khối lượng: mA + mH2 = mFe + mH2O mFe = 45,6 + 0,75.2 – 13,5 = 33,6g V - Theo (1.1): 33,6=0,7 45,6+8.3. V=2,24 lit đáp án C 22,4 Bài 8: Cho 1 luồng khí CO đi qua 16g Fe2O3 nung nóng đỏ thu được m gam hỗn hợp A gồm Fe, FeO, Fe3O4, Fe2O3 dư và hỗn hợp khí X. Cho X tác dụng với dung dịch nước vôi trong dư thì thu được 6g kết tủa. Nếu cho m gam A tác dụng với dung dịch HNO3 loãng dư thu được V lít khí NO (duy nhât, ở đktc). Giá trị của V là: A. 0,56 lít B. 0,672 lít C. 0,896 lít D. 1,12 lít Giải: 6 Ta có: n = n = nCO phản ứng = 0,06 mol CaCO3 CO2 100 - AD ĐLBT khối lượng: m + mCO phản ứng = m + m m =16 + 0,06.28 - 0,06.44 =15,04g Fe2O3 A CO2 A - Ở bài toán này hỗn hợp các oxit được tạo ra khi khử Fe2O3 bằng CO dư. Để sử dụng công thức kinh nghiệm (1.1) ta chấp nhận với nhau rằng hỗn hợp chất rắn đó được tạo ra khi để Fe ngoài không khí. Và có thể mô tả đơn giản thông qua sơ đồ sau: V Theo (1.1): 11,2 = 0,7. 15,04 + 8.3. V = 0,896 lit đáp án C 22,4 Bài 9: Nung hỗn hợp A gồm Fe và Cu: 0,15mol ngoài không khí, sau một thời gian thu được hỗn hợp chất rắn B. Hoà tan B bằng dung dịch H2SO4 đặc nóng, dư thì thu được 0,3 mol khí SO2 duy nhất. Tính khối lượng Fe trong hỗn hợp A. A. 39,2g B. 33,6g C. 42,0g D. 44,8g Giải: Áp dụng công thức tổng quát: 7x + 8.0,15 56x + 0,15.64 = 63,2 + 8.2.0,3 x 0,7mol m = 0,7.56 = 39,2g đáp án A 10x + 10.0,15 Fe Bài toán 2: Cho m gam kim loại M tác dụng với dung dịch HNO3 dư, sau khi phản ứng xảy ra hoàn toàn thu được V lít (ở đktc) khí NxOy. Tuỳ bài các dữ kiện bài toán cho mà có thể hỏi: 1. Tên kim loại M hoặc công thức của khí. 2. Khối lượng muối khan sau khi cô cạn. 3. Nồng độ (hoặc thể tích) HNO3 đã dùng. Giải: Xét sơ đồ: M + HNO3  M(NO3)n + NxOy + H2O m Áp dụng ĐLBT số mol electron: ×n = β× 5x-2y hay α×n = β× 5x-2y (*) M m V với α = ; β= M 22,4 1. Xác định tên kim loại M hoặc công thức khí M m Từ (*) có: n β× 5x-2y Tổng quát:
5. M m Đối với HNO3 và H2SO4 đặc nóng: = (2.1) n  niki 2. Khối lượng muối khan. - Đối với HNO3: mmuối = mkim loại + 62. niki (2.2) - Đối với H2SO4 đặc nóng: mmuối = mkim loại + 48. niki (2.3) 3. Quan hệ giữa số mol axit và sản phẩm khử: n HNO3 β(6x - 2y) - Đối với HNO3: n = αn + βx = β 5x-2y βx 6x - 2y HNO3 n β NxOy nHNO Vậy: 3 6x - 2y (2.4) n NxOy Cụ thể: +) n =12nN2 (vì x=2; y = 0) +) n = 10nN2O (vì x=2; y=1) HNO3 HNO3 +) n = 4nNO ( vì x=y=1); +) n = 2nNO2 (vì x=1; y=2) HNO3 HNO3 +) Bằng cách xây dựng riêng cho trường hợp NH4NO3 ta có: n = 10nNH4NO3 HNO3 SO2 :x = +4 H2SO4 x - Đối với H2SO4: M  M2 (SO4 )n + S S :x = 0 + H2O H2S :x = -2 nH SO 8-x Tương tự trên ta cũng xây dựng được: 2 4 = (2.5) n 2 Sx Cụ thể: +) n = 2nSO2 +) n = 4nS +) n = 5nH2S H2SO4 H2SO4 H2SO4 VẬN DỤNG: 1. Xác định tên kim loại và sản phẩm khử: Bài 1: Hoà tan hoàn toàn 6,48g kim loại M bằng dung dịch HNO 3 dư thu được 1,6128 lít (ở đktc) khí N 2, là sản phẩm khử duy nhất. M là: A. Mg B. Al C. Zn D. Fe Giải: nN2 = 0,072 lít M 6,48 ADCT (2.1): 9 M 9n M là Al Đáp án B. n 10.0,072 Bài 2: Hoà tan hoàn toàn 32g kim loại M bằng dung dịch HNO 3 thu được 8,96 lít hỗn hợp khí X hồm NO và NO2 có tỉ khối hơi so với H2 bằng 17. Các khi đo ở đktc. M là: A. Ag B. Fe C. Cu D. Pb Giải: - AD sơ đồ đường chéo dễ tính được: nNO = 0,3 mol; nNO2 = 0,1 mol M 32 - ADCT (2.1): 32 M 32n m là Cu Đáp án C. n 3.0,3 1.0,1 Bài 3: Cho m gam kim loại A tác dụng với HNO3 loãng thu được 0,672 lít khí NO duy nhất, ở đktc. Cô cạn dung dịch sau phản ứng thu được 12,12g tinh thể A(NO3)3.9H2O. A là: A. Fe B. Al C. Cr D. Không có kim loại nào phù hợp Giải: nNO = 0,03 mol 12,12 A. A mA 404A 404n - ADCT (2.1): = = A+348 = A+348= n 3.0,03 0,09 3(A+348) 3