bài toán kim loại tác dụng với axit

Phòng giáo dục - đào tạo Bình xuyên Trờng THCS Gia Khánh TấN Chuyên đề: BI TON KIM LOI TC DỤNG VỚI AXIT Tác giả chuyên đề : Trần Thị Lan Chức vụ: Giáo viên Đơn vị công tác : TRƯỜNG THCS GIA KHÁNH HUYỆN BÌNH XUYÊN – TỈNH VĨNH PHC Năm học 2019 - 2020 THễNG TIN CHUNG V CHUYÊN ĐỀ Tên chuyên đề: “BÀI TOÁN KIM LOẠI TÁC DỤNG VỚI AXIT” Tác giả: Họ tên : Trần Thị Lan Năm sinh: 1980 Trình độ chuyên mơn: Đại học hóa học Chức vụ cơng tác: Giáo viên Nơi làm việc: Trường THCS Gia Khánh - huyện Bình Xuyên – tỉnh Vĩnh Phúc Đối tượng học sinh bồi dưỡng: Đội tuyển HSG lớp dự thi cấp huyện, cấp tỉnh Thời gian bồi dưỡng: tiết PHẦN MỘT: MỞ ĐẦU I Cơ sở lí luận: “Nâng cao dân trí - Đào tạo nhân lực – Bồi dưỡng nhân tài” nhiệm vụ hàng đầu ngành Giáo dục – Đào tạo Chất lượng Giáo dục – Đào tạo phải đặt bên cạnh yêu cầu nâng cao chất lượng nguồn nhân lực phát triển khoa học công nghệ thời đại kinh tế tri thức diễn phạm vi toàn giới Việc phát bồi dưỡng học sinh có khiếu mơn học nói chung mơn hóa học nói riêng từ cấp THCS coi nhiệm vụ ưu tiên hàng đầu góp phần thực tốt mục tiêu giáo dục trường THCS, bước khởi đầu quan trọng để đào tạo em thành người đầu lĩnh vực khoa học cơng nghệ sau Vì bồi dưỡng học sinh giỏi nhiệm vụ quan trọng thường xuyên nhà trường giáo viên Số lượng chất lượng HSG thước đo để đánh giá chất lượng dạy học mối giáo viên nhà trường Hóa học mơn khoa học thực nghiệm địi hỏi tính hệ thống tính logic cao Một biện pháp quan trọng dạy học hóa học người thầy giáo coi trọng việc dẫn cho học sinh đường tìm kiến thức mà khơng dừng lại việc cung cấp kiến thức có sẵn, ý rèn luyện kĩ , khả vận dụng kiến thức thức, dạy cách học tự học Tạo điều kiện cho học sinh rèn luyện lực độc lập tư sáng tạo thông qua tập hóa học sở để hình thành phát triển tiềm lực trí tuệ cho học sinh Qua thực tiễn giảng dạy học tập, học sinh gặp nhiều trở ngại vướng mắc giải vấn đề hóa học tốn kim loại tác dụng với axit Vì vậy, tơi lựa chọn chuyên đề : “ BÀI TOÁN KIM LOẠI TÁC DỤNG VỚI AXIT” nhắm giúp cho học sinh tháo gỡ phần khó khăn ,vướng mắc kiến thức phương pháp giải nhanh gọn, dễ hiểu Từ đó, em đề xuất tập phát huy tiềm sáng tạo , tự tin chiếm lĩnh kiến thức đạt kết cao kì thi HSG cấp huyện cấp tỉnh II Mục đích phạm vi đề tài: 1.Mục đích: - Giúp học sinh hình thành kĩ phân tích tổng hợp, xác định dạng bài, tìm phương pháp giải phù hợp để tham gia dự thi HSG cấp huyện, tỉnh - Đưa số phương pháp phù hợp để học sinh giải nhanh, xác tốn liên quan, tiết kiệm thời gian làm bài, đảm bảo làm đạt hiệu cao Phạm vi chuyên đề: - Áp dụng HSG lớp - Thời gian dự kiến bồi dưỡng : tiết PHẦN HAI: NỘI DUNG CHUYÊN ĐỀ I.Một số biện pháp thực hiện: Đối với giáo viên: - Ôn tập , củng cố cho học sinh kiến thức tính chất kim loại, axit, bazơ, muối hợp chất hữu cơ; dãy hoạt động hóa học nguyên tố kim loại Tổng hợp,hệ thống hóa kiến thức - Tổng hợp tập mẫu tập tự giải tài liệu, - Phân loại tập theo mức độ Đối với học sinh: - Nắm vững kiến thức học, đặc biệt tính chất riêng chất - Nắm phương pháp giải tập - Đọc thêm sách tham khảo, tài liệu liên quan, đề thi học sinh giỏi cấp huyện,tỉnh qua năm … Lưu ý sau giải tập: - Khắc sâu vấn đề trọng tâm, điểm khác biệt - Mở rộng khái quát hóa kiến thức - Phương pháp vận dụng II Nội dung: 1.Cơ sở lí thuyết: a.Phân loại axit: Axit loại 1: Gồm HCl, H2SO4 loãng, HBr… trừ HNO3 H2SO4đặc Axit loại 2: HNO3 H2SO4đặc,nóng b Cơng thức phản ứng: - Cơng thức 1: Kim loại + Axit loại → Muối + H2  +) Điều kiện: Kim loại đứng trước H dãy hoạt động hóa học Bêketop: K, Na, Ba, Ca, Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, H, Cu, Hg, Ag, Pt, Au +)Đặc điểm: * Muối thu có hóa trị thấp ( kim loại có nhiều hóa trị ) * Ví dụ: Fe + 2HCl → FeCl2 + H2  Cu + HCl → Không phản ứng - Công thức 2: Kim loại + Axit loại → Muối + sản phẩm khử + H2O Đặc điểm: + Phản ứng xảy với tất kim loại ( Trừ Au ,Pt) + Tạo muối có hóa trị cao ( kim loại đa hóa trị) t Ví dụ: 2Fe +6H2SO4(đ) �� � Fe2(SO4)3 + 3SO2↑ + 6H2O 3Cu + 8HNO3→ 3Cu(NO3)2 + 2NO↑+ 4H2O Chú ý: o + Kim loại phản ứng với HNO3 tạo nhiều sản phẩm : NO, NO 2, N2O, NO2, N2 ,NH4NO3…tùy thuộc vào độ hoạt động hóa học kim loại, điều kiện phản ứng nồng độ axit + Với kim loại vừa phản ứng với nước , vừa phản ứng với axit, cho vào dung dịch axit, kim loại phản ứng với axit trước, dư kim loại phản ứng với nước Vd: Cho Ba dư vào dung dịch H2SO4 Ba + H2SO4 → BaSO4↓ + H2↑ Ba + 2H2O → Ba(OH)2 + H2↑ ( Trong hai phản ứng lọc bỏ kết tủa, dung dịch thu Ba(OH)2) + Al, Fe ,Cr không tác dụng với HNO3 đặc, nguội H2SO4 đặc, nguội 2.Phân loại tập: Dựa vào chất tham gia phản ứng tơi chia tốn thành dạng: Một kim loại tác dụng với dung dịch axit Hỗn hợp kim loại tác dụng với dung dịch axit Hỗn hợp kim loại tác dụng với hỗn hợp dung dịch axit 3.Phương pháp giải tập: - Dựa vào số mol chất theo phương trình phản ứng Phương pháp đại số Bảo toàn electron Bảo toàn khối lượng III Một số tập minh họa: Dạng 1: Một kim loại tác dụng với axit Bài 1: Cho 11,2 gam Fe phản ứng vừa đủ với dung dịch HCl 7,3% Sau phản ứng thu khí A dung dịch B a) Tính thể tích khí A (ở đktc) b) Tính khối lượng dung dịch axit tham gia c) Tính C% dung dịch B Hướng dẫn: Bài tốn dựa vào số mol tính theo PTHH nFe  11,  0, (mol) 56 Fe + 2HCl → FeCl2 + H2  1 (mol) n  n a) Theo phương trình (1): H FeCl  0, (mol) Thể tích khí H2 thu (ở đktc) là: VH  n.22,  0, 2.22,  4, 48 (lit) b) Theo phương trình (1): nHCl  2nFe  0, (mol) Khối lượng dung dịch HCl 7,3% cần dùng là: PTHH: 2 0, 4.36,5.100  200 (g) 7,3  nH  nFe  0, (mol) mdd  c) Theo phương trình, ta có : nFeCl Khối lượng dung dịch sau phản ứng (ddB): mdd = 11,2 +200 – 0,2.2 =210,8 (g) Nồng độ % dung dịch B: C%  25, 100%  12, 05% 210,8 Bài 2: Để hịa tan hồn tồn 5,4 gam kim loại cần 300 gam dung dịch HCl 7,3% Đó kim loại Hướng dẫn: Đây toán xác định kim loại chưa biết hóa trị chúng, Vì cần lập mối liên hệ khối lượng mol (M) với hóa trị kim loại, sau biện luận để tìm kim loại nHCl  300.7,3  0.6mol 100.36,5 Gọi KHHH kim loại A, hóa trị x PTHH: 2A + 2xHCl → 2AClx + xH2  x (mol) Theo phương trình: 0, nA  nHCl  x x (mol) Khối lượng mol kim loại A: M A  5, : 0,  9x x Vì x hóa trị kim loại nên nhận giá trị 1,2,3 x M Kết luận Loại 18 Loại 27 Al Vậy kim loại cần tìm Al Bài 3: Cho 6,72 gam Fe vào 400 ml dung dịch HNO 1M, phản ứng xảy hồn tồn thu khí NO ( sản phẩm khử nhất) dung dịch X hịa tan tối đa m gam Cu Tính giá trị m Hướng dẫn: Ta thấy nFe tạo Fe(NO3)3 = 0,1 < 0,12 => Dung dịch X chứa muối nFe  6, 72  0,12 (mol) 56 PTHH: nHNO3  0, 4.1  0, (mol) Fe + 4HNO3 → Fe(NO3)3 + NO + 2H2O (1) 0,1 ← 0,4→ 0,1 Fe + 2Fe(NO3)3 → 3Fe(NO3)2 0,02→ 0,04 0,06 (2) Dung dịch X chứa: Fe(NO3)3 = 0,1- 0,04 = 0,06 mol Fe(NO3)2 = 0,06 mol Dung dịch X tác dụng với Cu: 2Fe(NO3)3 + Cu → 2Fe(NO3)2 + Cu(NO3)2 0,1→ 0,03 => m = 0,03 64= 1,92 (g) Lưu ý : Fe Cu tác dụng với muối sắt (III) Bài 4: Hòa tan hoàn toàn lượng kim loại M dung dịch HNO dư thu muối có khối lượng m gam Cũng cho kim loại đem hịa tan hết dung dịch HCl thu 127 m (g) muối Xác định kim loại M 242 Hướng dẫn: Kim loại M kim loại đa hóa trị nên tác dụng với axit bị oxi hóa lên số oxi hóa khác Theo ta có: HNO3 M ��� � M ( NO3 ) n Ta có : HCl M �� � � MClm M  62n 242  M  35,5m 127 Ta có kết phù hợp là: n = ; m = M = 56 Chú ý : Khi giải tốn có gốc axit hóa trị I cần ý đến tính oxi hóa Bài 5: Hịa tan hồn tồn 12,42 gam Al dung dịch HNO loãng(dư), thu dung dịch X 1,344lit (đktc) hỗn hợp khí Y gồm hai khí N 2O N2 Tỉ khối hỗn hợp khí Y so với khí H 18 Cơ cạn dung dịch X, thu m gam chất rắn khan Tính giá trị m Hướng dẫn: Cần xác định dung dịch X có muối NH4NO3 hay khơng ? Sử dụng phương pháp bảo tồn e để giải (có chất khử chất oxi hóa) Từ đề ta có: nAl = 0,46 mol ; nN O  nN  0, 03mol Q trình oxi hóa: Al – 3e → Al3+ (1) Mol pư: 0,46 → 1,38 0,46 Quá trình khử: +5 +1 2NO Mol pư: + 8e → N2O 0,24 ← +5 (2) 0,03 N2 (3) Mol pư: 0,3 ← 0,03 Ta có số mol e nhường = 1,38 > số mol e thu ( Trái định luật bảo tồn e) sản phẩm khử phải có muối amoni 2NO3- + 10e +5 → -3 NO3- + 8e → NH4+ (4) Mol pư: 0,84 → 0,105 Khối lượng chất rắn thu khối lương muối tạo thành m = 0,46 213 + 0,105 80 = 106,38 (g) Dạng 2: Hỗn hợpkim loại tác dụng với dung dịch axit Bài 1: Cho 18,6 gam hỗn hợp A gồm Zn Fe vào 500 ml dung dịch HCl Khi phản ứng hoàn tồn, cạn dung dịch 34,575 gam chất rắn Lập lại thí nghiệm với 800 ml dung dịch HCl cô cạn thu 39,9 gam chất rắn Tính nồng độ mol dung dịch HCl khối lượng kim loại hỗn hợp Hướng dẫn: Trong thí nghiệm 1, kim loại hết chất rắn thu thí nghiệm lần thứ Theo đầu , khối lượng chất rắn lần nhiều lần nên thí nghiệm dư kim loại, thí nghiệm kim loại hết Thí nghiệm 2: Gọi a b số mol Zn Fe PTHH: Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2 a 2a a a (mol) Fe + 2HCl → FeCl2 + H2 b 2b b b (mol) Ta có: 18,  65a 56  136a  127b  39,9 mZn + mFe = 65a + 56b = 18,6 => b  (1) mZnCl  mFeCl Theo phương trình : (2) Từ (1) , (2) => a= 0,2 Nên : mZn = 65a = 65.0,2 = 13 (g) mFe = 18,6 - 13 = 5,6 (g) Thí nghiệm 1: Gọi x y số mol Zn Fe PTHH: Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2 x 2x x x (mol) Fe + 2HCl → FeCl2 + H2 y 2y y y (mol) Theo phương trình: mZnCl  mFeCl  136 x  127 y 2 2 Ta có : mZn dư = 13 – 65x mFe dư = 5,6 – 56y  mRắn = 136x +127y +13- 65x + 5,6 – 56y = 34,575  x +y = 0,225 - Theo phương trình: nHCl =2 (x + y) = 0.225 = 0,45 (mol) - Nồng độ mol dung dịch HCl là: CM  n 0, 45   0,9( M ) V 0,5 Bài : ( Đề thi chọn HSG lớp cấp tỉnh Vĩnh Phúc năm học 2012-2013) Hịa tan hồn tồn hỗn hợp X gồm Fe Mg lượng vừa đủ dung dịch HCl 20% thu dung dịch Y Biết nồng độ MgCl dung dịch Y 11,787% Tính nồng độ % muối sắt dung dịch Y Nếu thêm vào dung dịch Y nói lượng dung dịch NaOH 10% vừa đủ nồng độ % chất tan có dung dịch sau phản ứng Hướng dẫn: Dựa vào PTHH dể tính tốn 1) Gọi số mol Mg Fe x,y (đk: x,y>0) Mg + 2HCl  MgCl2 + H2  x 2x x x (mol) Fe + 2HCl  FeCl2 + H2  y 2y y y (mol) m dd HCl  (2x  2y) � 36,5 � 100  (365x  365y ) (gam) 20 m dd Y = 24x + 56y + 365x + 365y – (2x + 2y ) = ( 387x + 419y ) ( gam) Phương trình biểu diễn nồng độ % MgCl2 dung dịch Y : 95x 11,787  387x  419y 100 m FeCl  127y  127x ( gam) giải x  y Vì nồng độ % tỷ lệ thuận với khối lượng chất tan dung dịch nên : C%FeCl  127x �11, 787  15,76 % 95x 2) Cho dung dịch Y tác dụng NaOH thu dung dịch Z MgCl2 + 2NaOH  Mg(OH)2  + 2NaCl x 2x x 2x ( mol) FeCl2 + 2NaOH  Fe(OH)2  + 2NaCl y 2y y 2y (mol) m dd NaOH 10% = (2x  2y) �40 � 100  (800x  800y) ( gam) 10 m kết tủa = (58x + 90y ) ( gam) mdd Z  387x  419y  800x  800y  (58x  90y)  1129(x + y) (gam) 58,5(2x  2y) 117 C% NaCl  �100%  �100%  10,36% 1129(x  y) 1129 Bài 3: Hòa tan 13,2 gam hỗn hợp A gồm kim loại có hóa trị vào 400 ml dung dịch HCl 1,5M Cô cạn dung dịch sau phản ứng thu 32,7 g hỗn hợp muối khan a) Chứng minh hỗn hợp A không tan hết b) Tính thể tích khí hidro sinh (đktc) Hướng dẫn: Cần chứng minh khối lượng A phản ứng nhỏ khối lượng A ban đầu a) nHCl = 0,4 , 1,5 = 0,6 (mol) Gọi M N kim loại hỗn hợp A có hóa trị x , a b số mol M N PTHH: 2M + 2xHCl  2MClx + xH2  a 2a 2a 0,5xa (mol) 2N + 2xHCl  2NClx + xH  b bx b 0,5xb (mol) Theo phương trình : n HCl  x(a  b) 0,6 (mol) Ta có: mMCl  m NCl ( M  35,5 x)a  ( N  35,5 x)b 32,7 Hay: (Ma + Nb) + 35,5x(a + b) = 32,7 Nên: mM + mN = 11,4 < 13,2 => Do hỗn hợp khơng tan hết b) Theo phương trình: n H 0,5 x(a  b) 0,5.0.6 0,3 (mol) Thể tích khí H2 thu (đktc) là: x x x V H 22,4.0,3 6,72(l ) Chú ý: Bài toán cho biết tổng khối lượng kim loại (không biết số mol kim loại) số mol ban đầu axit Để biết hỗn hợp kim loại có tan hết lượng axit nói hay khơng ta áp dụng phương pháp sau: Gọi A, B khối lượng mol hai kim loại A, B; M khối lượng mol trung bình hỗn hợp ( với A < B) Ta có: mhh m m  nhh  hh  hh ( A < M < B) B M A + Muốn chứng minh hỗn hợp tan hết, ta giả sử hỗn hợp gồm kim loại nhẹ A, Nếu ta đủ axit để hòa tan hết A, nhh  mhh n A , hỗn hợp thật ta dư axit A => hỗn hợp tan hết + Muốn chứng minh khơng đủ axit để hịa tan hết hỗn hợp , ta giả sử hỗn hợp gồm kim loại nặng B ( n B  mhh ) Nếu ta khơng có đủ axit để hịa tan hết B B với hỗn hợp thật, với số mol lớn hơn, ta thiếu axit, suy hỗn hợp khơng tan hết Khi kim loại hoạt động mạnh dãy hoạt động hóa học kim loại tan trước, kim loại tan hết đến kim loại ( Lưu ý: Các lí luận chắn A , B có hóa trị) Bài 4: Một hỗn hợp X gồm Al Fe nặng 22 gam Cho hỗn hợp X tác dụng với lít dung dịch HCl 0,3M (D= 1,05 g/ml) a) Chứng tỏ hỗn hợp khơng tan hết b) Tính thể tích khí H2(đktc), khối lượng chất rắn Y không tan nồng độ % chất tan dung dịch Z thu Biết kim loại có kim loại tan Hướng dẫn: a) nHCl = 2.0,3 = 0,6 (mol) Giả sử hỗn hợp gồm Fe Do Fe = 56 > Mhh nên : => n Fe  22 0,39 (mol) 56 mhh  nhh thật 56 Để hòa tan hết 0,39 mol Fe cần số mol HCl 0,78 mol Fe + 2HCl  FeCl2 + H2  (mol) 0,39 → 0,78 Ta không đủ axit để hòa tan hết 0,39 mol Fe Vậy hỗn hợp X không tan hết c) Do Al hoạt động mạnh Fe nên Al tan trước  2AlCl3 2Al + HCl + 3H2  0,2 0,6 0,3 (mol) Do : VH 0,3.22,4 6,72 (l) Chất rắn Y không tan gồm Al dư Fe: my = mx – mAl tan = 22 – 0,2 27 = 16,6 (g) Khối lượng dung dịch Z: mdd = 2000 1,05 + 5,4 – 0,3.2 = 2104,8 (g) Dung dịch Z chứa 0,2 mol AlCl3 Do : m AlCl 0,2.133,5 26,7 (g) 26,7.100% Vậy : C %  2104,8 1,27% Nhận xét: Với cách giải , HS làm nhanh , xác, khắc phục nhược điểm mà phương pháp khác khơng giải Bài 5: ( Trích đề thi tuyển sinh lớp 10 chuyên năm 2013-2014 tỉnh Vĩnh Phúc) Cho hỗn hợp X gồm ba kim loại Na, Al, Fe phản ứng hồn tồn với dung dịch H2SO4 lỗng ,dư thu V lít khí H2 (đktc) Nếu thay kim loại Na Fe hỗn hợp X kim loại M hóa trị II khối lượng tổng khối lượng Na Fe cho tác dụng hết với H2SO4 lỗng ,dư thể tích khí H2 bay V lít (đktc) Xác định kim loại M Hướng dẫn: Gọi số mol Na Fe 2a mol b mol  PTHH: 2Na + H2SO4(loãng) Na2SO4 + H2  2a a (mol) Fe + H2SO4 (loãng)  FeSO4 + H2  b b (mol) Thay Na,Fe M:  M + H2SO4 (loãng) MSO4 + H2  (a + b) (a + b) (mol) Ta có: 2(a + b) M = 46a + 56b => M 23  Nhận xét:  5b a b 5b 5b  5  23  M  28  M 24 a b b Vậy M Mg Bài 6: Hịa tan hồn tồn 3,22 g hỗn hợp X gồm Fe, Mg Zn lượng vừa đủ dung dịch H2SO4 lỗng, thu 1,344 lít khí H2 (đktc) dung dịch chứa m gam muối Tính m? Hướng dẫn : Ta thấy số phương trình lập số ẩn => dùng ĐLBT khối lượng để tính Gọi KHHH chung kim loại M M + H2SO4  MSO4 + H2  1,344 Theo phương trình : n H SO n H  22,4 0,06mol Áp dụng ĐLBTKL: mmuối = m X  m H SO  mH 3,22  98.0,06  2.0,06 8,98 (g) 2 Dạng 3: Hỗn hợp kim loại tác dụng với hỗn hợp dung dịch axit Bài 1: Hoà tan 7,74g hỗn hợp kim loại Mg, Al 500ml dung dịch hỗn hợp chứa HCl 1M H 2SO4 0,38M (loÃng) Thu đợc dung dịch A 8,736 lít khí H2(đktc) a Kim loại đà tan hết cha? giải thích? b Tính khối lợng muối cã dung dÞch A? Híng dÉn: n HCl = 0,5 (mol) ; n H SO = 0,19 (mol) ; n H 0,39 (mol) a/ C¸c PTHH:  Mg + 2HCl MgCl2 + H2  (1)  2Al + 6HCl Mg + H2SO4 2Al + 3H2SO4 Tõ (1),(2) : 2AlCl3 + 3H2  MgSO4 + H2  Al2(SO4)3 + 3H2    (2) (3) (4) n H = n HCl = 0,5 = 0,25 (mol) Tõ (3), (4) n H n H SO4 0,19mol Suy ra: Tæng n H 0,25 + 0,19 = 0,44 (mol) Ta thÊy: 0,44 > 0,39 VËy: AxÝt d, kim lo¹i tan hÕt b/ Theo câu a: Axít d * TH1: Giả sử HCl ph¶n øng hÕt, H2SO4 d: nH nHCl = 0,5 mol  = 0,25 mol nH = 0,39 - 0,25 = 0,14 (mol) suy n H SO ( p / u ) = 0,14 mol Theo định luật BTKL: m muèi A = 7,74 + 0,5 35,5 + 0,14 96 = 38,93g * TH2: Gi¶ sư H2SO4 ph¶n øng hÕt, HCl d Suy n H SO = 0,19 mol suy n H = 0,19 mol n H = 0,39 - 0,19 = 0,2 (mol) suy n HCl ( pu ) = 0,2.2 =0,4 (mol) (1 , ) ( 3, ) 2 ( 3, ) (1 , ) Theo định luật bảo toàn khối lợng: m muối = 7,74 + 0,19.96 + 0,4.35,5 = 40,18 (g) V× thực tế phản ứng xảy đồng thời Nên axít d Suy tổng khối lợng muối A thu đợc là: 38,93 (g) < m muối A