Khi cho kim loại tác dụng với axit:
- Nếu là dung dịch axit HCl, H2SO4 loãng,…thì vai trò chất oxi hóa là H+, ion này nhận electron của nguyên tử kim loại giải phóng H2:
2M + 2nH+ → 2Mn+ + nH2↑ (1)
+ Phản ứng (1) chỉ xảy ra khi kim loại M đứng trước H trong dãy hoạt động hóa học. Tuy nhiên, kim loại Pb khi phản ứng với dung dịch HCl, H2SO4 loãng phản ứng sẽ
chậm dần và dừng hẳn, do tạo ra PbCl2 và PbSO4 khó tan bàm vào bề mặt thanh chì, phản ứng chỉ có thể tiếp tục xảy ra nếu đun nóng thì PbCl2 và PbSO4 tan hoặc tăng nồng độ axit để hòa tan kết tủa tạo thành phức tan.
+ Vì H+ là chất oxi hóa yếu, nên muối thu được ứng với số oxi hóa thấp của kim loại (nếu kim loại có nhiều hóa trị).
- Nếu là dung dịch axit có tính oxi hóa mạnh như HNO3, H2SO4 đặc thì vai trò chất oxi hóa là nguyên tố trung tâm N, S của anion NO3-, SO42-.
H2S↑ M trước Fe M2(SO4)n + S↓ + H2O M + H2SO4 đặc to SO2↑ M từ Fe trở về sau M2(SO4)n + SO2↑ + H2O NH3↑ (NH4NO3) N2↑
M trước Fe M(NO3)n + N2O↑ + H2O M + HNO3 loãng to NO↑
M từ Fe trở về sau M(NO3)n + NO↑ + H2O M + HNO3 đặc to M(NO3)n + NO2↑ + H2O
- M là kim loại bất kì trừ Au và Pt.
- Kim loại Fe, Al, Cr thụ động trong dung dịch H2SO4, HNO3 đặc nguội. - Số oxi hóa +n là cao nhất và bền đối với kim loại M.
- Sản phẩm khử của axit phụ thuộc vào tính khử của kim loại, nồng độ của axit, nhiệt độ tiến hành phản ứng,…Axit bị khử xuống mức oxi hóa càng thấp khi nồng độ càng loãng và tác dụng với kim loại càng mạnh.
Dạng 1: Bài toán về một kim loại tác dụng với dung dịch một axit:
- Đầu tiên phải xác định đó là axit có tính oxi hóa do ion H+ hay do anion gốc axit, sản phẩm khử của axit gồm những chất nào, muối tạo ra ở mức độ oxi hóa thấp hay cao? - Nếu kim loại tác dụng với axit có tính oxi hóa mạnh tạo nhiều sản phẩm khử thì nên viết phương trình phản ứng cho và nhận electron, áp dụng định luật bảo toàn electron để lập ra các phương trình, hệ phương trình.
- Nếu cần phải cộng hai phương trình hóa học thì phải lưu ý đến tỉ lệ mol (thể tích) của các khí theo dữ kiện đề bài.
Ví dụ: Cho Al tác dụng với dung dịch HNO3 thu được hỗn hợp hai khí NO và N2O có tỉ lệ thể tích 1: 1, khi đó ta viết:
3× Al + 4HNO3 → Al(NO3)3 + NO + 2H2O 8Al + 30HNO3 → 8Al(NO3)3 + 3N2O + 15H2O
11Al + 42HNO3 → 11Al(NO3)3 + 3NO + 3N2O + 21H2O
- Nếu cho các kim loại có khả năng tan được trong nước như kim loại thuộc nhóm IA, kim loại kiềm thổ (Ca, Ba) tác dụng với dung dịch axit như HCl, H2SO4 loãng thì kim loại phản ứng với axit trước, sau đó nếu axit hết kim loại mới tiếp tục phản ứng với nước.
Ví dụ 1: Cho 2,16 gam Mg tác dụng với dung dịch HNO3 dư. Sau khi phản ứng xảy ra hoàn toàn thu được 0,224 lít (đktc) khí N2 và dung dịch X. Tính khối lượng muối thu được? Giải nMg = 24 16 , 2 = 0,09 mol , nN2 = 4 , 22 224 , 0 = 0,01 mol 5Mg + 12HNO3 → 5Mg(NO3)2 + N2↑ + 6H2O (1) 0,05mol 0,05 mol ← 0,01 mol
Nếu chỉ xảy ra phản ứng (1) thì mới hết 0,05 mol Mg, mà theo dữ kiện đề cho Mg không còn dư vậy suy ra 0,04 mol Mg tác dụng với HNO3 tạo ra NH4NO3 trong dung dịch.
4Mg + 10HNO3 → 4Mg(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O 0,04 mol → 0,04 mol 0,01 mol
Vậy khối lượng muối thu được:
m = (0,05 + 0,04).148 + 0,01.80 = 14,12 gam
Khi cho kim loại tác dụng với HNO3 loãng tạo chất khí thì thường quên không để ý đến việc có thể tạo ra muối NH4NO3.
Ví dụ 2: Hòa tan hoàn toàn 19,2 gam Cu vào dung dịch HNO3 loãng, tất cả khí NO sinh ra được oxi hóa hoàn toàn thành NO2 (bằng O2) rồi sục hoàn toàn vào nước có dòng khí O2 để chuyển thành HNO3. Tính thể tích khí O2 (đktc) đã tham gia vào quá trình trên?
nCu = 64 2 , 19 = 0,3 mol
Nhận xét: Nếu học sinh giải theo cách thông thường là viết tất cả phương trình phản ứng xảy ra, dựa vào số mol Cu sẽ tính được số mol O2, từ đó tính được thể tích khí O2. Nhưng nếu học sinh quan sát tốt thì sẽ thấy được bản chất electron ở đây là N+5
(HNO3) nhận electron của Cu rồi sau đó cũng nhường electron cho oxi để về lại HNO3. Như vậy quá trình phản ứng xảy ra như sau:
Cu HNO3
NO O2
NO2 O2H2O
HNO3
Khi đó: ne (Cu nhường) = ne (O2nhận)
Cu → Cu2+ + 2e O2 + 4e → 2O2-
0,3 mol → 0,6 mol 0,15 mol ← 0,6 mol Vậy thể tích oxi đã tham gia vào quá trình trên là:
2 O
V = 0,15.22,4 = 3,36 lít
Ví dụ 3: Cho 6,72 gam Fe vào 400 ml dung dịch HNO3 1M, khi phản ứng xảy ra hoàn toàn thu được khí NO (sản phẩm khử duy nhất) và dung dịch X có thể hòa tan tối đa m gam Cu. Tính m? Giải nFe = 56 72 , 6 = 0,12 mol , 3 HNO n = 0,4.1 = 0,4 mol Fe + 4HNO3 → Fe(NO3)3 + NO + H2O (1) 0,1 mol ← 0,4 mol 0,1 mol
Fe + 2Fe(NO3)3 → 3Fe(NO3)2 (2) 0,02 mol → 0,04 mol 0,06 mol
Dung dịch X thu được chứa: (0,1 – 0,04) = 0,06 mol Fe(NO3)3 + 0,06 mol Fe(NO3)2. Khi cho dung dịch X tác dụng với Cu:
2Fe(NO3)3 + Cu → 2Fe(NO3)2 + Cu(NO3)2 (3) 0,06 mol → 0,03 mol
m = mCu = 0,03.64 = 1,92 gam
Ở đây học sinh thường quên Fe có thể tác dụng với muối sắt (III), nên khi tính toán thường bỏ qua phản ứng (2), chỉ viết phương trình phản ứng (1) rồi tính toán:
2Fe(NO3)3 + Cu → 2Fe(NO3)2 + Cu(NO3)2 (3) 0,1 mol → 0,05 mol
m = mCu = 0,05.64 = 3,2 gam (Sai)
Dạng 2: Bài toán về hỗn hợp hai kim loại tác dụng với một dung dịch axit
- Đầu tiên phải xác định axit tham gia phản ứng là axit loại nào, tạo ra khí gì?
+ Nếu axit là HCl, H2SO4 loãng, H3PO4,… thì tạo ra muối có số oxi hóa thấp và giải phóng khí H2. Các kim loại đứng sau H2 trong dãy điện hóa không phản ứng.
+ Nếu là axit HNO3 hay H2SO4 đặc,… thì phải biết kim loại nào tạo khí gì mới viết đúng phương trình phản ứng.
- Khi bài toán chỉ cho biết tổng khối lượng của hai kim loại, không biết số mol mỗi kim loại, và biết số mol ban đầu của axit, có thể xảy ra trường hợp một trong các chất còn dư.
Gọi A, B là nguyên tử khối của hai kim loại A, B. (A < B).
M là nguyên tử khối trung bình của A, B. A < M < B → B mhh < nhh = M mhh < A mhh
+ Muốn chứng minh hỗn hợp tan hết (axit dư), ta giả sử hỗn hợp chỉ gồm kim loại có khối lượng mol nhỏ nhất (kim loại A). Nếu đề bài cho đủ axit để hòa tan hết A thì với hỗn hợp đã cho cũng sẽ tan hết (vì nhh < nA).
+ Muốn chứng minh không có đủ axit để hòa tan hết hỗn hợp (hỗn hợp chưa tan hết), ta giả sử hỗn hợp chỉ gồm kim loại có khối lượng mol lớn nhất (kim loại B). Nếu không có đủ axit để hòa tan hết B thì với hỗn hợp đã cho, số mol lớn hơn, sẽ thiếu axit suy ra hỗn hợp không tan hết. Khi đó kim loại nào có tính khử mạnh hơn trong hai kim loại sẽ tan trước, kim loại đó tan hết rồi mới đến kim loại kia.
+ Nếu A, B có hóa trị khác nhau thì khi chứng minh cần chú ý tỉ lệ giữa kim loại với axit.
- Nếu bài toán yêu cầu tính khối lượng muối trong dung dịch ta áp dụng: mmuối = ∑ mcation + ∑ manion
mmuối = mhh 2 kim loại + manion
- Cách tính nhanh số mol anion tạo muối và số mol axit tham gia phản ứng trong phản ứng oxi hóa – khử.
+ Số mol e nhận = số mol NO3- chuyển vào muối
= 2 NO n + 3.nNO + 8. O 2 N n + 10. 2 N n + 8. 3 NO 4 NH n Số mol HNO3 phản ứng = 2 2 NO n + 4.nNO + 10. O 2 N n + 12. 2 N n + 10. 3 NO 4 NH n + Số mol e nhận = 2 số mol SO42- chuyển vào muối
= ∑ a.nX (a là số electron mà S+6 nhận để tạo sản phẩm khử X) = 2 2 SO n + 6nS + 8. S 2 H n Số mol H2SO4 phản ứng = 2 2 SO n + 4nS + 5. S 2 H n
Ví dụ 1: Cho 22 gam hỗn hợp X gồm Al, Fe phản ứng hoàn toàn với 2 lít dung dịch HCl 0,3M. Chứng minh sau khi phản ứng kết thúc hỗn hợp X không tan hết?
Giải
Giả sử hỗn hợp chỉ gồm có Fe (kim loại có khối lượng mol lớn hơn). Vậy: nFe = 56 22 = 0,39 mol Do MFe = 56 > M → nFe = 0,39 < nhh Fe + 2HCl → FeCl2 + H2↑ 0,39 mol → 0,78 mol
nHCl ban đầu = 2.0,3 = 0,6 mol < 0,78 mol
→ Không đủ axit để hòa tan hết 0,39 mol Fe, khi thay Fe bằng Al số mol kim loại tăng. Mặt khác, 1mol Al dùng hết 3 mol HCl, nhiều axit hơn 1 mol Fe (chỉ dùng hết 2 mol HCl). Vậy số mol axit cần để hòa tan hết hỗn hợp còn lớn hơn nữa (lớn hơn 0,78 mol), với 0,6 mol HCl là chưa đủ để hòa tan hết hỗn hợp X → Hỗn hợp X chưa tan hết.
Ví dụ 2: Hòa tan hoàn toàn 58 gam hỗn hợp gồm Fe, Cu, Zn trong dung dịch HNO3
vừa đủ thu được 0,15 mol NO; 0,05 mol N2O và dung dịch X. Cô cạn X thu được hỗn hợp muối khan có khối lượng là m. Tính m?
Giải
Cách 1: Với bài toán này thì ta có thể đặt ẩn cho từng kim loại một, sau đó sử dụng phương pháp bảo toàn electron để giải.
0 +2 +5 +2
Zn → Zn + 2e N + 3e → N x mol → 2x mol 0,45 mol ← 0,15 mol
0 +3 +5 +1
y mol → 3y mol 0,4 mol ← 0,05.2 = 0,1 mol
0 +2
Cu → Cu + 2e z mol → 2z mol
Ta có: 2x + 3y + 2z = 0,45 + 0,4 = 0,85 mol 1,25 mol cũng chính là số mol của NO3-. Khối lượng muối nitrat:
mmuối = mhh kim loại +
3 NO m = 58 + 0,85.62 = 110,7 gam Cách 2: Sử dụng công thức tính nhanh: 3 NO n tạo muối = 3.nNO + 8. O 2 N n = 3.0,15 + 8.0,05 = 0,85 mol Khối lượng muối nitrat:
mmuối = mhh kim loại +
3 NO
m = 58 + 0,85.62 = 110,7 gam
Ví dụ 3: Cho 0,5 mol hỗn hợp gồm Al và Fe tác dụng vừa đủ với 0,8 lít dung dịch HNO3 nồng độ a M thu được hỗn hợp khí gồm 0,1 mol NO2; 0,2 mol NO và 0,1 mol N2O. Tính a
Giải
Cách 1: Phương pháp bảo toàn nguyên tố: Ta có sơ đồ:
0,5 mol Al Al(NO3)3
+ x mol HNO3 → 0,5 mol + 0,1 NO2 + 0,2 NO + 0,1 N2O Fe Fe(NO3)3
Theo định luật bảo toàn nguyên tố đối với nguyên tử N, ta có: x.1 = 0,5.3 + 0,1.1 + 0,2.1 + 0,1.2 x = 2 mol a = 8 , 0 2 = 2,5 M Cách 2: Sử dụng công thức tính nhanh: 3 HNO n phản ứng = 2 2 NO n + 4.nNO + 10. O 2 N n = 2.0,1 + 4.0,2 + 10.0,1 = 2 mol a = 8 , 0 2 = 2,5 M
Ví dụ 4: Hoàn tan hết m gam hỗn hợp X gồm Al, Ni, Zn bằng dung dịch HNO3 đặc nóng, thu được 3,36 lít khí NO2 (sản phẩm khử duy nhất, ở đktc). Cũng m gam hỗn
hợp X nhưng đem hòa tan trong lượng dư dung dịch HCl loãng nóng thì thể tích H2
thu được ở đktc là bao nhiêu?
Giải
Nhận xét: Cùng m gam hỗn hợp trong 2 thí nghiệm: với HNO3 đặc nóng và với HCl, các kim loại Al, Ni, Zn thể hiện hóa trị như nhau nên số mol electron mà N+5 nhận từ hỗn hợp kim loại bằng số mol electron mà H+ nhận từ hỗn hợp kim loại.
+5 +4 N + 1e → N 2H+ + 2e → H2 0,15 ← 0,15 mol 0,15 → 0,075 mol 2 H V = 0,075.22,4 = 1,68 lít
Dạng 3: Bài toán về một kim loại tác dụng với hỗn hợp hai axit
- TH1: Hỗn hợp gồm hai axit có H+ đóng vai trò chất oxi hóa (HCl và H2SO4 loãng). + Khi đó, ta viết phương trình điện li của hai axit, rồi suy ra số mol H+.
HCl → H+ + Cl- H2SO4 → 2H+ + SO42- nH+ = nHCl + 2. 4 SO 2 H n
+ Viết phương trình phản ứng dưới dạng ion → phương trình đại số 2M + 2nH+ → 2Mn+ + nH2↑
Với n là số oxi hóa thấp của kim loại M.
- TH2: Hỗn hợp gồm hai axit là HNO3 và H2SO4 loãng hay HCl (H+ vai trò môi trường, NO3- là chất oxi hóa). Khi đó:
+ Viết phương trình điện li của hai axit, từ đó suy ra số mol H+ và số mol NO3-. + Viết phương trình phân tử dạng ion
+ Lập luận để xác định chất dư, chất phản ứng hết bằng cách so sánh các tỉ lệ số mol và hệ số tỉ lượng trong phương trình phản ứng của các chất tham gia, tỉ số nào nhỏ nhất thì chất đó sẽ hết.
Chú ý:
môi trường axit (H+) Có tính oxi hóa mạnh như HNO3
NO3- môi trường trung tính (H2O) Không có tính oxi hóa môi trường bazơ (OH-) Bị Al, Zn khử đến NH3
Ví dụ 1: Cho từ từ đến dư hỗn hợp bột kim loại Mg, Al vào 1 lít dung dịch hỗn hợp gồm H2SO4 1,0M và NaHSO4 2,0M đến khi phản ứng xong thì được V lít khí (đktc). Tính V? Giải 4 SO 2 H n = 1.1 = 1 mol , 4 NaHSO n = 1.2 = 2 mol nH+ = 4 NaHSO n + 2. 4 SO 2 H n = 2 + 2.1 = 4 mol
Toàn bộ lượng H+ sẽ phản ứng hết với kim loại và bị khử thành H2. Ta có 2H+ + 2e → H2
4mol → 2 mol
2 H
V = 2.22,4 = 44,8 lít
Học sinh thường nhẫm lẫn kim loại chỉ tác dụng với H2SO4 mà không tác dụng với muối NaHSO4 mà không nắm rõ bản chất của phản ứng nên tính
2 H
V = 1.22,4 = 22,4 lít (Sai).
Ví dụ 2: Cho 6,4 gam Cu tác dụng với 120 ml dung dịch hỗn hợp gồm HNO3 1M và H2SO4 0,5M loãng, thu được V lít khí NO (sản phẩm khử duy nhất) ở đktc và dung dịch X. Biết phản ứng xảy ra hoàn toàn. Tính V? Tính khối lượng muối khan thu được khi cô cạn dung dịch X?
Giải nCu = 0,1 mol 3 HNO n = 3 NO n = 0,12.1 = 0,12 mol 4 SO 2 H n = 0,12.0,5 = 0,06mol nH+ = 3 HNO n + 2. 4 SO 2 H n = 0,12 + 2.0,06 = 0,24 mol
3Cu + 2NO3- + 8 H+ → 3Cu2+ + 2NO↑ + 4H2O Ban đầu 0,1 mol 0,12 mol 0,24 mol
Phản ứng 0,09 mol 0,06 mol 0,24 mol 0,09 mol 0,06 mol Còn lại 0,01 mol 0,06 mol 0 0,09 mol 0,06 mol VNO = 0,06.22,4 = 1,344 lít
Khi cô cạn dung dịch CuSO4 có 0,06 mol và Cu(NO3)2 có 0,03 mol. Vậy khối lượng muối khan thu được là:
m = 4 CuSO m + 2 ) 3 Cu(NO m = 0,06.160 + 0,03.188 = 15,24 gam
Nhận xét: Điểm nhằm phát triển tư duy cho học sinh qua bài toán trên là sử dụng phương pháp phương trình ion rút gọn để giải. Vì nếu giải bằng phương pháp phân tử thông thường thì nhiều học sinh cho rằng H2SO4 loãng không phản ứng với Cu, chỉ có HNO3 phản ứng theo phương trình:
3Cu + 8HNO3 → 3Cu(NO3)2 + 2NO↑ + 4H2O Ban đầu 0,1 mol 0,12 mol
Phản ứng 0,045 mol 0,12 mol 0,03 mol Còn lại 0,055 mol 0 0,03 mol VNO = 0,03.22,4 = 0,672 lít (Sai)
Học sinh thường hay quên mặc dù H2SO4 loãng không phản ứng với Cu nhưng nó đã tạo ra môi trường axit để ion NO3- oxi hóa tiếp Cu dư.
Ví dụ 3: Cho 7,68 gam Cu vào 120 ml dung dịch hỗn hợp gồm HNO3 1M và H2SO4
1M. Sau khi phản ứng xảy ra hoàn toàn thu được bao nhiêu lít khí NO ở đktc? Khi cô