a. Cơ sở lớ thuyết
Định luật bảo toàn electron: Trong cỏc phản ứng oxi hoỏ khử thỡ tổng số mol electron chất khử nhường bằng tổng mol electron chất oxi hoỏ nhận.
-Khi cú nhiều phản ứng hoặc phản ứng qua nhiều giai đoạn thỡ cần nhận định đỳng trạng thỏi đầu và trạng thỏi cuối của cỏc chất oxi hoỏ, hoặc chất khử khụng cần quan tõm đến trạng thỏi trung gian và khụng cần viết phương trỡnh hoỏ học của cỏc phản ứng xảy ra.
b. Cỏc dạng bài tập :
* Dạng 1: Xỏc định cỏc sản phẩm oxi húa-khử.
Đặc điểm của loại toỏn này là phải xỏc định được số oxi húa của sản phẩm trước và sau phản ứng để từ đú xỏc định đú là chất gỡ.
Cõu 1: Hũa tan 2,4g hỗn hợp Cu và Fe cú tỉ lệ số mol 1:1 và dung dịch H2SO4 đặc, núng. Kết thỳc phản ứng thu được 0,05mol một sản phẩm khử duy nhất cú chứa lưu huỳnh. Xỏc định sản phẩm đú.
Gọi a là số mol Fe → nCu = nFe = a -> mkl = 56a + 64a = 2,4 → a = 0,02mol Cú 0,02 Fe0 – 3e → Fe+3
0,02 Cu0 – 2e →Cu+2
0,05 S+6+ ne → S+(6-n)
Phương trỡnh bảo toàn e:
0,02 . 3 + 0,02 . 2 = 0,05n⇒n = 2⇒S+4
Vậy sản phẩm khử là SO2 .
* Dạng 2: Hỗn hợp kim loại tạo hỗn hợp khớ.
Cõu 2: Cú 3,04g hỗn hợp Fe và Cu hũa tan hết trong dung dịch HNO3 tạo 0,08mol hỗn hợp NO và NO2 cú M= 42. Hóy xỏc định thành phần % hỗn hợp kim loại ban đầu. Giải: Ta cú NO 30 4 42 → NO 2 n 1 nNO =3 NO2 46 12 Mà nNO + nNO2 = 0,08
→ nNO = 0,02mol ; nNO2 = 0,06mol Fe Fe(NO3)3 + Cu(NO3)2 + H2O Cu NO + NO2 + H2O a Fe0 – 3e → Fe+3 b Cu0 – 2e → Cu+2 0,02 N+5 + 3e → N+2 0,06 N+5 + 1e → N+4
Bảo toàn electron, ta cú:
3a + 2b = 0,02. 3 + 0,06 ⇒ 3a + 2b = 0,12 (1) Khối lượng kim loại: 56a + 64b = 3,04 (2)
Hệ (1) & (2) → a = 0,02 ; b = 0,03 ⇒ Fe = 1,12g hay 63,16% ⇒ Cu = 1,92g hay 36,84%
* Dạng 3: Hỗn hợp kim loại cộng hỗn hợp muối.
Với dạng này cần phõn biệt rừ chất cú và khụng thay đổi số oxi húa.
Cõu 3: Khuấy kỹ 100ml dung dịch A chứa AgNO3.Cu(NO3)2 với hỗn hợp kim loại cú 0,03mol Al và 0,05mol Fe. Sau phản ứng được dung dịch C và 8,12g chất rắn B gồm 3 kim loại. Cho B tỏc dụng với HCl dư thỡ thu được 0,672 lớt H2 (đktc) . Tớnh nồng độ mol/lớt của AgNO3 và Cu(NO3)2 trong A.
Giải:
3 kim loại thu được là Ag, Cu và Fe dư. Giả sử: Cu(NO3)2 a mol và AgNO3 b mol Lượng Fe phản ứng với dung dịch muối x mol Lượng Fe cũn dư sau phản ứng trờn là y mol Fe dư sẽ phản ứng với HCl: Fe + 2HCl →FeCl2 + H2 ↑ y(mol) y(mol) Ta cú: nFe = x + y = 0,05 nH2 = y = 0,03 → x = 0,02 mol ; y = 0,03 mol Mặt khỏc: 0,03 Al0 – 3e → Al+3 0,05 Fe0 – 2e → Fe+2 a Cu+2 + 2e →Cu0 b Ag+ + 1e→Ag0 0,03 2H+ + 2e → H20
Bảo toàn electron, ta cú:
2a + b + (0,03. 2) = (0,03 .3) + (0,05 . 2)
→ 2a + b = 0,13 (1) Khối lượng B:
mCu + mAg + mFe/dư = 64a + 108b + (56 . 0,03) = 8,12
→ 64a + 108b = 6,44 (2) Từ (1) và (2) :
b = 0,03mol AgNO3 hay 0,3M
Chỳ ý: Với vớ dụ trờn, nếu giải bằng phương phỏp đại số thụng thường sẽ phải viết 5 đến 7 phương trỡnh và giải hệ 4 ẩn rất khú khăn.
* Dạng 4: Nhiều phản ứng xảy ra đồng thời.
Cõu 4: Để p gam bột Fe ngoài khụng khớ sau một thời gian thu được chất rắn R nặng 7,52g gồm chất rắn R nặng 7,52g gồm Fe, FeO, Fe3O4: Hũa tan R bằng dung dịch HNO3 đặc, núng thu được 0,672 lớt (đktc) hỗn hợp NO và NO2 cú tỷ lệ số mol 1:1. Tớnh p.
Giải: Cú moxit = mFe + mO2 = p + mO2 = 7,52
→ mO2 = 7,52 – p → = nO2= 32 7,52 - p
nkhớ = 0,03 mol → nNO = nNO2 = 0,015mol Xột p 56 Fe0 – 3e→Fe+3 7,52 - p 32 O20 + 4e → 2O-2 0,015 N+5 + 3e → N+2 0,015 N+5 + 1e → N+4
Bảo toàn electron, ta cú: p 56 . 3 = 7,52 - p 32 . 4 + 0,015 . 3 + 0,015 → p = 5,6g Dạng 5: Phản ứng khử tạo ra nhiều sản phẩm.
Cõu 5: Thổi một luồng CO qua hỗn hợp Fe và Fe2O3 nung núng được chất khớ B và hỗn hợp D gồm Fe, FeO, Fe2O3 và Fe3O4. Cho B lội qua dung dịch nước vụi trong (dư) thấy tạo 6g kết tủa. Hũa tan D bằng H2SO4 (đặc, núng) thấy tạo ra 0,18mol SO2, cũn dung dịch E. Cụ cạn E thu được 24g muối khan. Xỏc định thành phần hỗn hợp ban đầu. Giải: 2Fe →Fe2(SO4)3 a 0,5a mol Fe2O3 → Fe2(SO4)3 b b mol
→ nCO2 = nCaCO3 = 0,06mol nSO2 = 0,18mol
a Fe0 – 3e → Fe+3
0,06 C+2 – 2e →C+4
0,18 S+6 + 2e → S+4
Bảo toàn electron, ta cú: 3a + (2 . 0,06) = 0,18 . 2
→a = 0,08 (1)
Khối lượng muối: 400 . (0,5a + b) = 24
→ 0,5a + b = 0,06mol (2)
Từ (1) và (2) →a = 0,08mol = nFe hay 4,48g b = 0,02mol = nFe2O3 hay 3,2g .
* Hệ quả:
Một hỗn hợp gồm nhiều kim loại cú hoỏ trị khụng đổi và cú khối lượng cho trước sẽ phải nhường một số mol electron khụng đổi cho bất kỳ tỏc nhõn oxi hoỏ nào.
Cõu 6:
Chia 1,24 gam hỗn hợp 2 kim loại cú hoỏ trị khụng đổi thành 2 phần bằng nhau : - Phần I : Bị oxi hoỏ hoàn toàn thu được 0,78 gam hỗn hợp oxit.
- Phần II : Tan hoàn toàn trong dung dịch H2SO4 loóng thu được V lớt H2 (đktc). Giỏ trị V là :
A. 2,24 lớt B. 0,112 lớt C. 5,6 lớt D. 0,224 lớt
Giải:
Khối lượng mỗi phần: 1,24:2 = 0,62 gam
Số mol O kết hợp với 0,62 gam hỗn hợp kim loại = (0,78 – 0,62) : 16 = 0,01 mol Quỏ trỡnh tạo oxit: O0 + 2e → O2-
mol: 0,01→0,02
Như vậy ở phần II hỗn hợp kim loại khử H+ của dung dịch axit cũng nhường 0,02 mol electron. 2H+ +2e → H20
mol: 0,02 →0,01
Vậy thể tớch H2 thu được là: 0,01 . 22,4 = 0,224 lớt
Bài tập tương tự:
-Phần I : Tan hết trong dung dịch HCl tạo ra 1,792 lớt H2 (đktc).
-Phần II : Nung núng trong khụng khớ đến khối lượng khụng đổi thu được 2,84 gam chất rắn.
Khối lượng hỗn hợp 2 kim loại trong hỗn hợp ban đầu là :
A. 2,4 gam B. 3,12 gam C. 2,2 gam D. 1,8 gam
Cõu 2. Lấy 7,88 gam hỗn hợp A gồm 2 kim loại hoạt động X, Y cú hoỏ trị khụng đổi, chia thành 2 phần bằng nhau:
- Phần I: Nung trong oxi dư để oxi hoỏ hoàn toàn thu được 4,74 gam hỗn hợp 2 oxit. -Phần II: Hoà tan hoàn toàn trong dung dịch chứa hỗn hợp 2 axit HCl và H2SO4
loóng thu được V lớt khớ (đktc). Giỏ trị V là:
A. 2,24 lớt B. 0,112 lớt C.1,12 lớt D. 0,224 lớt
Dạng 8: Vận dụng phương phỏp bảo toàn electron tớnh nhanh số mol axit cú tớnh oxi húa tham gia phản ứng với kim loại
a. Cơ sở lý thuyết:
Cụng thức tổng quỏt đối với trường hợp kim loại tỏc dụng với H2SO4 đặc. R →R+n + me S+6 + ( 6 – x)e → S+x
a a ma (6 – x)b b Áp dụng định luật bảo toàn e:
→ ma = (6 – x)b →b = (6ma−x)
- Sản phẩm muối của kim loại tồn tại dưới dạng R2(SO4)m (a/2mol)
→ 2-
4 SO
n
tạo muối với kim loại =
2
ma
= 1
2ne (số mol electron cho – nhận) (I) Ta cú: 4
2 2-
4
H SO SO
n =n
∑ tạo muối với kim loại + 2- 4 SO n tạo sản phẩm khử S+ x = 2 ma + b = 2 ma + (6ma−x) = ma x ( (8 ) 2(6 ) x x − − ) = ne.((8(6−xx)) − ) (II) Kết luận:
Nếu biết số mol electron cho – nhận và số oxi húa của sản phẩm khử trong phản ứng của cỏc axit cú tớnh oxi húa với kim loại sẽ tớnh nhanh được số mol axit tham gia phản ứng.
b. Một số bài tập ỏp dụng:
Cõu 1: Cho m(g) Al tỏc dụng với 150ml dung dịch HNO3 a(M) vừa đủ thu được khớ N2O duy nhất và dung dịch A. Cụ cạn dung dịch A thu được một muối khan cú khối lượng (m + 18,6)g. Giỏ trị của a là:
A. 1,5 B. 2 C. 2,5 D. 3
Giải:
Sản phẩm khử là 1 2
N O+ →x = +1 muốimuối = mk.im loại + mNO3−tạo muối với kim loại
→ mNO3− tạo muối với kim loại = mmuối – mkim loại
= (m +18,6) – m =18,6g
→
ne =nNO3−
tạo muối với kim loại =
18,6 62 =0,3 3 HNO n ∑ = ne .(6(5 )) x x − − = 0,3 . 54= 0,375 mol → a = 0,375 0,15 = 2,5
Khi chỉ cú một kim loại tham gia phản ứng thỡ phương phỏp này tỏ ra ớt vượt trội hơn so với phương phỏp thụng thường nhưng nếu là hỗn hợp nhiều kim loại khụng rừ húa trị tham gia phản ứng thỡ phương phỏp này tỏ ra ưu việt hơn rất nhiều.
Cõu2: Hũa tan hoàn toàn m gam hỗn hợp 3 kim loại X, Y, Z trong một lượng vừa đủ 200ml HNO3 b(M) thu được khớ khụng màu húa nõu trong khụng khớ và dung dịch A khụng chứa ion NH4+ .Cụ cạn dung dịch A thu được (m + 37,2)g muối khan. Giỏ trị của b là: A. 2 B. 3 C. 4 D. 5 Giải: Sản phẩm khử là: +2 NO → x = + 2
mmuối = mkim loại + mNO3− → ne = nNO3− = 37,2 62 = 0,6 → ∑nHNO3 = ne .(6(5 )) x x − − = 0,6 . 43= 0,8 mol → b = 0,8 0, 2 = 4
c. Một số bài tập giải bằng phương phỏp bảo toàn electron:
Cõu 1. Hoà tan 2,16 gam kim loại R cú hoỏ trị khụng đổi cần vừa đủ dung dịch chứa 0,17 mol H2SO4 thu được hỗn hợp khớ A gồm H2, H2S, SO2 (khụng cú sản phẩm khử khỏc) cú tỉ lệ mol tương ứng là 1:2:3. Kim loại R cần tỡm là
A. Al B. Fe C. Zn D. Mg
Cõu 2. Khử hoàn toàn m gam hỗn hợp A gồm FeO, Fe2O3 và Fe3O4 bằng khớ CO. Lượng CO2 sinh ra sau phản ứng hấp thụ vào dung dịch Ca(OH)2 dư thu được 20 gam kết tủa. Thể tớch dung dịch B chứa HCl 1M và H2SO4 0,5M cần để hoà tan hết m gam hỗn hợp A là:
A. 300 ml B. 250 ml C. 200 ml D. 150 ml
* Một số bài tập tự luận
Cõu 1. Thổi một luồng khớ CO qua hỗn hợp Fe và Fe2O3 nung núng được chất khớ B và hỗn hợp D gồm Fe, FeO, Fe2O3 và Fe3O4. Cho B qua dung dịch nước vụi trong dư thấy tạo ra 6 gam kết tủa. Hoà tan D bằng H2SO4 (đặc, núng) thấy tạo ra 0,18 mol SO2 và dung dịch E. Cụ cạn E thu được 24 gam muối khan. Xỏc định thành phần hỗn hợp ban đầu.
ĐS: Fe = 4,48 gam; Fe2O3 = 3,2 gam.
Cõu 2. 11,2 lớt (đktc) hỗn hợp khớ A gồm clo và oxi tỏc dụng vừa đủ với 16,98 gam hỗn hợp B gồm Mg và Al tạo ra 42,34 gam hỗn hợp clorua và oxit của hai kim loại. Xỏc định % thể tớch từng chất trong hỗn hợp A và % khối lượng từng chất trong hỗn hợp B.
ĐS: Trong A cú 48% VCl2, 52%VO2.
Trong B cú 77,74% khối lương Mg; 22,26 % khối lượng Al.
Cõu 3. Khử hoàn toàn 12 gam hỗn hợp A gồm FeO, Fe2O3, Fe3O4 thu được 10,08 gam Fe.
a. Tớnh thể tớch dung dịch chứa H2SO4 1M và HCl 2M cần để hoà tan hết 12 gam hỗn hợp A.
b. Tớnh thể tớch SO2 (đktc) thu được khi hoà tan hoàn toàn hỗn hợp A bằng dung dịch H2SO4 đặc, núng, dư.
c. Tớnh thể tớch dung dịch HNO3 2M cần lấy để hoà tan hoàn toàn hỗn hợp A cho sản phẩm khử duy nhất là khớ NO.
ĐS: a) 0,06 lớt; b) 3,36 lớt; c) 0,32 lớt