Chuyên đề ôn thi đại học: Bài toán đại cương về kim loại ôn thi đại học, cao đẳng

ĐẶT VẤN ĐỀ Mỗi giáo viên đứng bục giảng băn khoăn, trăn trở làm để học sinh lĩnh hội kiến thức hiệu Tơi cũng vậy, tơi ln cố gắng tự hồn thiện cách tự bồi dưỡng chun mơn, tìm kiếm, suy nghĩ, thử nghiệm phương pháp giảng dạy mới, hiệu Viết chuyên đề chuyên môn hoạt động giúp nâng cao chất lượng giảng dạy chất lượng học tập học sinh Chương “Đại cương kim loại” chương có nhiều kiến thức khó, có liên quan chặt chẽ với phần kiến thức học trước lớp 10 lớp 11 Đặc biệt vị trí phần kiến thức chương trình, chương bắt đầu cho phần Hóa học Vơ lớp 12 sau kết thúc phần Hóa học Hữu kéo dài gần năm Vì thế, giảng dạy chương giáo viên phải truyền đạt cho học sinh kiến thức mà cần giúp học sinh ôn tập lại kiến thức cũ, phương pháp giải tập thơng dụng hóa Vô Bài tập chương chiếm tỉ lệ cao đề thi Đại học, Cao đẳng năm gần Đây chương mà vơ u thích Vì vậy, tơi chọn chun đề “ Bài tốn Đại cương kim loại ơn thi Đại học, Cao đẳng” Chuyên đề gồm hai nội dung chính: Lí thuyết đại cương kim loại Bài tập tốn Phần lí thuyết nêu lại nội dung áp dụng tập toán lưu ý giải tốn tính chất cụ thể Phần tập chia làm bốn dạng bản: Bài toán hỗn hợp, toán dãy điện hóa, tốn xác định kim loại toán điện phân Mỗi dạng chia làm ba phần: phần hướng dẫn làm nêu lên điểm đặc trưng toán phương pháp giải; phần tập minh họa gồm tập đặc trưng với lời giải chi tiết lưu ý áp dụng; phần tập tự giải dành cho học sinh tự làm quan sát, hướng dẫn giáo viên Chuyên đề thực lồng ghép dạy khóa lớp 16 tiết dạy ơn thi đại học cho khối 12 trường THPT Ngô Gia Tự Chuyên đề “Bài toán Đại cương kim loại ôn thi Đại học, Cao đẳng” nung nấu từ lâu áp dụng thành công năm học 2010 – 2011 Tôi hi vọng tài liệu tham khảo có giá trị dành cho đồng nghiệp em học sinh Khi viết chuyên đề này, cố gắng khơng thể tránh có thiếu sót Kính mong nhận góp ý tận tình bạn đồng nghiệp giúp cho chuyên đề hoàn thiện Tôi xin chân thành cảm ơn! CHUYÊN ĐỀ BÀI TỐN ĐẠI CƯƠNG VỀ KIM LOẠI ƠN THI ĐẠI HỌC,CAO ĐẲNG A LÍ THUYẾT ĐẠI CƯƠNG VỀ KIM LOẠI I TÍNH CHẤT HĨA HỌC CỦA KIM LOẠI Tính chất hóa học kim loại tính chất khử M  M n+ +ne (n = 1, 2, hóa trị kim loại) Tác dụng với phi kim Tùy thuộc vào độ mạnh kim loại phi kim mà phản ứng xảy điều kiện khác Đa phần phản ứng xảy đốt nóng - Tác dụng với O2: Tất kim loại phản ứng (trừ Ag, Au, Pt) - Tác dụng với Cl2: Tất kim loại phản ứng bị oxi hóa lên số oxi hóa cao - Tác dụng với S: Tạo muối sunfua kim loại VD: t Fe + S   Fe +2S o + t 3Fe+2O   Fe3 O (phản ứng tạo hỗn hợp oxit sắt) o t 2Fe+3Cl   2Fe+3Cl3 o  Trong phản ứng, nguyên tử kim loại khử nguyên tử phi kim thành ion âm, đồng thời bị oxi hóa thành ion dương Tác dụng với dung dịch axit a Với dung dịch HCl, H2SO4 loãng Fe + 2HCl  FeCl2 + H2  VD 1: Phương trình ion thu gọn: Fe + 2H+  Fe2+ + H2  3Al + 3H2SO4  Al2(SO4)3 + 3H2  VD 2: Phương trình ion thu gọn: 3Al + 6H+  2Al3+ + 3H2   phương trình phản ứng tổng quát: M + nH+  Mn+ + n H2  (Với n = 1, 2, hóa trị kim loại)  Bản chất chất oxi hóa dung dịch axit ion H+, đó: + Chỉ kim loại đứng trước H2 dãy điện hóa tham gia phản ứng + Kim loại có nhiều trạng thái oxi hóa (như Fe, Cr,…) bị oxi hóa lên số oxi hóa thấp Một số dạng toán thường gặp lưu ý giải toán : - Kim loại tác dụng với nước điều kiện thường tác dụng với dung dịch axit có phản ứng trực tiếp với axit, dư kim loại tác dụng với nước - Dù kim loại tác dụng với nước, với dung dịch kiềm hay dung dịch axit ln có tỉ lệ M  n H2  Do với kim loại cho với lượng định dù tác dụng với loại dung dịch giải phóng số mol H2 - Viết dạng phương trình ion gặp toán hỗn hợp kim loại tác dụng với dung dịch hỗn hợp axit - Với tốn tìm khối lượng hỗn hợp muối thu hay xoay quanh vấn đề thường áp dụng định luật bảo toàn khối lượng mhỗn hợp muối = mhỗn hợp kl + m gốc axit tạo muối nCl- =2n H2 nSO2- =n H2 Có thể thấy tỉ lệ khơng phụ thuộc vào kim loại gì, có hóa trị có kim loại tham gia phản ứng - Quá trình khử : 2H+ +2e  H   áp dụng bảo tồn electron ta ln có ne =2n H2 b Với dung dịch HNO3, H2SO4 đặc - Với dung dịch HNO3: t Fe+6HNO3(d)   Fe(NO3 )3 +3NO2 -+3H 2O o VD: t (Fe+6H + +3NO-3   Fe3+ +3NO2 -+3H 2O) o  Bản chất chất oxi hóa ion NO-3 mơi trường H+ Do đó, sản phẩm khử hợp chất -3 chứa N số oxi hóa thấp (N+4O2 ,N+2O,N+1 O,N ,N H NO3 ) , đó, thường HNO3 đặc tạo NO2, HNO3 lỗng tạo NO với kim loại có tính khử trung bình yếu; tạo NO, N2O, N2, NH4NO3 với kim loại có tính khử mạnh Nhiều tập tạo hỗn hợp sản phẩm khử phải xác định sản phẩm khử (nếu cần) tính số mol tỉ lệ mol sản phẩm khử trước - Với H2SO4 đặc: VD: t  CuSO4 + SO2  + 2H2O Cu + 2H2SO4(đặc)  o  Bản chất chất oxi hóa phân tử H2SO4 (S+6 phân tử H2SO4)  Sản phẩm khử SO2 (chủ yếu), S H2S (chỉ tạo trường hợp kim loại mạnh Mg, Zn tác dụng với dung dịch H2SO4 đặc nguội)  Đặc điểm kim loại tham gia phản ứng: + Kim loại đứng sau H2 (trừ Au, Pt) có phản ứng + Kim loại có nhiều số oxi hóa (Fe) bị oxi hóa lên số oxi hóa cao (Fe3+) + Al, Fe, Cr bị thụ động hóa HNO3 H2SO4 đặc nguội Lưu ý giải tốn - Bài tốn có phản ứng thường áp dụng phương pháp bảo toàn electron, bảo toàn số ngun tố, bảo tồn khối lượng, phương trình ion phương trình ion - electron - Axit tham gia phản ứng có vai trị: bị khử tạo muối Trong số mol axit bị khử tính theo sản phẩm khử, số mol axit tạo muối tính theo số mol electron trao đổi ne ) (ở xét muối kim loại, trường hợp phản ứng tạo NH4NO3 tính riêng) (n NO- taomuoi =n e ;nSO2-taomuoi = - Những tốn khơng nói rõ tạo sản phẩm khử khí cần lưu ý tạo NH4NO3, đặc biệt tường minh số mol kim loại sản phẩm khử khí (hay khối lượng muối thu được) Kim loại tác dụng với nước - Chỉ kim loại đứng trước Mg tác dụng với nước nhiệt độ thường tạo dung dịch kiềm giải phóng khí H2 VD: Na + H2O  NaOH + H2  Ca + H2O  Ca(OH)2 + H2  Tổng quát M + nH2O  M(OH)n + n H2  (n hóa trị kim loại, n = 1, 2) 2H2O + 2e  2OH- + H2  Bản chất: trình kim loại khử H+ nước: Lưu ý tỉ lệ: ne =nOH- =2n H2 Thường áp dụng: Tính khối lượng bazơ thu được: mhhbazo =mhhkl +mOHTrung hòa dung dịch thu dung dịch axit: Tính thể tích (nồng độ) dung dịch axit: n H+ =nOH- =2n H2 Tính khối lượng muối thu sau trung hòa: mmuối = mkl + mgốc axit Xác định kim loại: M  n H  (n = 1,2) - Kim loại có oxit hiđroxit lưỡng tính (Be, Al, Zn, Cr) tác dụng với dung dịch kiềm, trước tiên có phản ứng: Al + 3H2O  Al(OH)3 + H2  Zn + 2H2O  Zn(OH)2 + H2  Hiđroxit sinh tan dung dịch kiềm Al(OH)3 + OH-  AlO 2 + 2H2O Zn(OH)2 + 2OH-  ZnO 22 + 2H2O khơng cịn tác dụng bảo vệ kim loại nên phản ứng kim loại khử nước tiếp diễn Tổ hợp phản ứng lại phương trình phản ứng tổng quát: Al + OH- + H2O  AlO 2 + H2  Zn + 2OH-  ZnO 22 + H2  Một số lưu ý giải toán - Một hỗn hợp hai kim loại tan hết nước xảy khả năng: kim loại tác dụng với nước điều kiện thường, có kim loại tác dụng với nước tạo dung dịch kiềm, kim loại lại tác dụng với dung dịch kiềm sinh - Kim loại đứng trước Mg tác dụng với dung dịch axit phản ứng với axit trước, dư kim loại có phản ứng với nước Kim loại tác dụng với dung dịch muối - Kim loại tác dụng với nước tác dụng với dung dịch muối trước tiên xảy phản ứng khử nước tạo dung dịch kiềm kiềm sinh tác dụng với muối (nếu có) VD: Na + dung dịch AlCl3 Na + H2O  NaOH + H2  3NaOH + AlCl3  Al(OH)3 + 3NaCl Nếu dư NaOH có phản ứng Al(OH)3 + NaOH  NaAlO2 + 2H2O - Kim loại không tác dụng với nước nhiệt độ thường tác dụng với dung dịch muối tuân theo quy luật: Kim loại đứng trước đẩy kim loại đứng sau khỏi dung dịch muối Quy luật phù hợp với nguyên tắc phản ứng oxi hóa khử: Chất oxi hóa mạnh tác dụng với chất khử mạnh tạo chất oxi hóa yếu chất khử yếu  Khi có nhiều kim loại hỗn hợp phản ứng, kim loại đứng trước phản ứng trước hết tới kim loại đứng sau, đến phản ứng kết thúc Cịn có dung dịch nhiều muối tham gia phản ứng, muối kim loại đứng sau phản ứng trước theo thứ tự  Sau phản ứng, kim loại cịn lại kim loại có tính khử yếu muối lại muối ion kim loại có tính oxi hóa yếu VD: Hỗn hợp Mg, Al tác dụng với dung dịch hỗn hợp CuSO4 FeSO4 Ban đầu có phản ứng: Mg + CuSO4  MgSO4 + Cu (1) Nếu (1) dư Mg, có phản ứng: Mg + FeSO4  MgSO4 + Fe (2) Nếu (2) dư Mg hay vừa đủ, phản ứng dừng lại Nếu (2) dư FeSO4 xảy phản ứng 2Al + 3FeSO4  Al2(SO4)3 + 3Fe (3) Nếu (1) dư CuSO4: 2Al + 3CuSO4  Al2(SO4)3 + 3Cu - Nếu CuSO4 dư hay vừa đủ, phản ứng dừng lại - Al dư, có phản ứng (3) Nếu (1) vừa đủ, xảy phản ứng (3)  Trong trường hợp này, số mol kim loại muối không tường minh phức tạp, ta xác định phản ứng đầu, không xác định phản ứng trung gian, thường phải sử dụng phương pháp bảo toàn electron, bảo toàn số nguyên tố  Mối quan hệ kim loại lại sau phản ứng với muối lại dung dịch ví dụ (chỉ xét phản ứng xảy hồn tồn) Kim loại cịn sau phản ứng Cu Cu, Fe Cu, Fe, Al Cu, Fe, Al, Mg Muối sau phản ứng Mg2+, Al3+, Fe2+ có Cu2+ Mg2+, Al3+ có Fe2+ Mg2+ có Al3+ Mg2+ Muối sau phản ứng Mg2+ Mg2+, Al3+ Mg2+, Al3+, Fe2+ Mg2+, Al3+, Fe2+, Cu2+ Kim loại sau phản ứng Cu, Fe, Al có Mg Cu, Fe có Al Cu có Fe Cu Lưu ý: - Khi viết phương trình phản ứng dạng phương trình ion phải ý cân điện tích ion Al + Cu2+  Al3+ + Cu Phản ứng cân số nguyên tố chưa cân điện tích, phương trình VD: Cho phản ứng: 2Al + 3Cu2+  2Al3+ + 3Cu - Kim loại sinh sau phản ứng bám vào kim loại ban đầu làm khối lượng biến đổi Khối lượng kim loại sau phản ứng tăng so với ban đầu khối lượng kim loại phản ứng nhỏ khối lượng kim loại sinh ngược lại, giảm so với ban đầu khối lượng kim loại phản ứng lớn khối lượng kim loại sinh phải  Phương pháp hay dùng cho loại phản ứng phương pháp tăng giảm khối lượng Phương pháp dễ áp dụng tỉ lệ mol chất 1:1, học sinh hay lúng túng có tỉ lệ mol khác VD: Với phản ứng Fe+CuSO4  FeSO4 +Cu  ta có tỉ lệ mol Fe (56g) + mol CuSO4 (160g)  mol FeSO4 (152g) + mol Cu (64g)  khối lượng kim loại tăng 64-56 = 8g Þn Fepu =nCuSO4pu =n FeSO4 =nCu = m Fe = m tg 56 ;mCuSO4 = 160mtg m tg (mol) ;m FeSO4 = 152mtg ;mCu = 64mtg 8 8 Như tùy thuộc vào đại lượng cần tính để có tỉ lệ tương ứng (Lưu ý: đại lượng cột phải có đơn vị) Nhưng với phản ứng: 2Al + 3CuSO4  Al2(SO4)3 + 3Cu 2Al + 3Cu2+  2Al3+ + 3Cu hay Ta xét tỉ lệ sau: (1) mol Al (2.27g) phản ứng tạo mol Cu (3.64g) làm khối lượng chất rắn tăng 3.64 -2.27 (g) = 138 (g) (2) mol Al (27g) phản ứng tạo 3 mol Cu ( 64g) làm khối lượng chất rắn tăng 64-27 (g) 2 = 69 (g) 2 mol Al ( 27 g) phản ứng tạo mol Cu (64g) làm khối lượng chất rắn tăng 64 - 27 3 (g) = 46 (g) (3) (3) Giả sử, đề cho khối lượng nhôm sau phản ứng tăng a (g) so với ban đầu ta tính n Alpu =2 n Cu =3 a a a a = = =  tính theo tỉ lệ (2) đơn giản 3.64-2.27 69 64-27 64- 27 a a a a = = = 3.64-2.27 64-27 64- 27 46  tính theo tỉ lệ (3) đơn giản  Nếu ta có phản ứng tổng quát: mA + nBm+  mAn+ + nB Ta tính m bt (mol) m B- A n mbt khối lượng kim loại biến thiên sau phản ứng m bt nA = (mol) n B-A m nB = Lưu ý: khối lượng chất rắn tăng (giảm) = khối lượng dung dịch giảm (tăng) Ngồi phương pháp tăng giảm khối lượng áp dụng phương pháp bảo toàn khối lượng II DÃY ĐIỆN HÓA CỦA KIM LOẠI Khái niệm cặp oxi hóa khử kim loại - Khái niệm: Cặp oxi hóa khử kim loại cặp chất oxi hóa chất khử nguyên tố kim loại - Kí hiệu: dạng oxi hóa/dạng khử (thường Mn+/M) - Kim loại có hóa trị khơng đổi tạo cặp oxi hóa khử, kim loại có hóa trị thay đổi tạo nhiều cặp oxi hóa khử VD: Fe2+/Fe; Fe3+/Fe2+; Mg2+/Mg; So sánh cặp oxi hóa khử - So sánh cặp oxi hóa khử kim loại so sánh tính oxi hóa dạng oxi hóa so sánh tính khử dạng khử - VD: Xét phản ứng 2Al + 3Cu2+  2Al3+ + 3Cu Nhận thấy Al có tính khử mạnh Cu Al3+ có tính oxi hóa yếu Cu2+ Zn + Fe2+  Zn2+ + Fe Nhận thấy, Zn có tính khử mạnh Fe Zn2+ có tính oxi hóa yếu Fe2+ Xét phản ứng:  Trong cặp oxi hóa - khử, dạng khử có tính khử mạnh dạng oxi hóa có tính oxi hóa yếu ngược lại Dãy điện hóa kim loại - Khái niệm: Là dãy cặp oxi hóa - khử kim loại xếp theo chiều tăng dần tính oxi hóa ion kim loại, đồng thời chiều giảm dần tính khử kim loại Ý nghĩa dãy điện hóa kim loại a So sánh cặp oxi hóa khử - Kim loại đứng trước có tính khử mạnh kim loại đứng sau dãy điện hóa - Ion kim loại đứng trước có tính oxi hóa yếu ion kim loại đứng sau dãy điện hóa b Xác định chiều phản ứng cặp oxi hóa khử - Một phản ứng oxi hóa khử coi phản ứng cặp oxi hóa – khử - Quy luật: Phản ứng xảy theo chiều chất oxi hóa mạnh tác dụng với chất khử mạnh tạo chất oxi hóa yếu chất khử yếu (hay quy tắc  ) - VD:  Phản ứng xảy theo chiều Fe + Cu2+  Fe2+ + Cu  Phản ứng xảy theo chiều Fe2+ + 2Ag+  Fe3+ + 2Ag 10 - Có thể tổng kết số phản ứng hóa học kim loại hợp chất theo dãy điện hóa sau III ĐIỆN PHÂN - Khái niệm: phản ứng điện phân phản ứng oxi hóa khử xảy bề mặt điện cực dung dịch chất điện li hay chất điện li nóng chảy tác dụng dịng điện chiều - Việc nắm vững lí thuyết để viết phương trình điện phân phản ứng điện cực vô quan trọng Đặc biệt trình tự phản ứng điện cực: + Ở Catot (K – Cực âm xảy khử): có mặt ion dương nước * Cation kim loại đứng trước Zn2+ không bị điện phân (xảy điện phân nước) * Cation kim loại từ Zn2+ sau điện phân trước nước theo phương trình: Mn+ + n e  M Kim loại M sinh bám vào K làm khối lượng K tăng lên * Nếu có mặt nhiều cation kim loại, cation kim loại đứng sau (có tính oxi hóa mạnh hơn) bị điện phân trước * H2O bị điện phân K theo phương trình: 2H2O + e  H2  + OH- * Khi bắt đầu có khí K lúc cation kim loại (có thể bị điện phân) điện phân hết bắt đầu có điện phân nước Q trình điện phân nước làm tăng pH dung dịch điện phân + Ở Anot (A – Cực dương xảy oxi hóa): có mặt anion gốc axit nước * Anion gốc axit không chứa oxi điện phân trước nước theo trình tự: S2- >I- >Br - >Cl- >H2O VD: 2Cl-  Cl2  + e 2H2O  O2  + e + 4H+ * Quá trình điện phân nước anot làm giảm pH dung dịch điện phân * Anion gốc axit chứa oxi không bị điện phân 11 + Ghép nửa phản ứng điện cực lại với ta phương trình điện phân hoàn chỉnh Phải ghép nửa phản ứng theo trình tự điện phân theo nguyên tắc số e nhường K phải số e nhận A phản ứng điện phân thực chất phản ứng oxi hóa – khử xảy riêng rẽ (đồng thời) bề mặt hai điện cực IV ĐIỀU CHẾ KIM LOẠI Nguyên tắc điều chế kim loại - Khử ion kim loại hợp chất thành nguyên tử nhờ chất khử dịng điện - Phương trình tổng quát: Mn+ + ne  M Phương pháp điều chế kim loại a Phương pháp thủy luyện Trước tiên cần hịa tan quặng dung mơi thích hợp, sau khử ion kim loại dung dịch kim loại hoạt động (phải kim loại không tác dụng với nước nhiệt độ thường) Áp dụng tập toán với phản ứng kim loại + dung dịch muối b Phương pháp nhiệt luyện Dùng chất khử mạnh C, CO, H2, Al, kim loại kiềm kim loại kiềm thổ khử ion kim loại hợp chất oxit nhiệt độ cao Chất khử CO, H2 khử oxit kim loại từ Fe sau C khử ZnO Al khử nhiều oxit kim loại thành kim loại tự (được gọi phản ứng nhiệt nhôm) Thực tế dùng Al để khử oxit kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao Cr2O3 Lưu ý giải toán Trong phản ứng CO, H2 + oxit kim loại có số tỉ lệ cần ý mc.rắn giảm = mkhí tăng = mO/oxit nCO pư = nCO2 = nO/oxit (Áp dụng tương tự với H2) Bài tốn có phản ứng thường hay áp dụng tăng giảm khối lượng, bảo toàn khối lượng, bảo toàn số nguyên tố bảo toàn electron c Phương pháp điện phân - Phương pháp điện phân nóng chảy: Điều chế kim loại có tính khử mạnh (đứng trước Zn) + Điều chế kim loại kiềm: Điện phân muối clorua hay hidroxit nóng chảy + Điều chế kim loại kiềm thổ: Điện phân muối clorua nóng chảy + Điều chế Al: Điện phân oxit nóng chảy - Phương pháp điện phân dung dịch: Điều chế kim loại có tính khử trung bình yếu 12 ...CHUN ĐỀ BÀI TỐN ĐẠI CƯƠNG VỀ KIM LOẠI ƠN THI ĐẠI HỌC ,CAO ĐẲNG A LÍ THUYẾT ĐẠI CƯƠNG VỀ KIM LOẠI I TÍNH CHẤT HĨA HỌC CỦA KIM LOẠI Tính chất hóa học kim loại tính chất khử M ... CO, H2, Al, kim loại kiềm kim loại kiềm thổ khử ion kim loại hợp chất oxit nhiệt độ cao Chất khử CO, H2 khử oxit kim loại từ Fe sau C khử ZnO Al khử nhiều oxit kim loại thành kim loại tự (được... + 3Cu - Kim loại sinh sau phản ứng bám vào kim loại ban đầu làm khối lượng biến đổi Khối lượng kim loại sau phản ứng tăng so với ban đầu khối lượng kim loại phản ứng nhỏ khối lượng kim loại sinh