3.3.1. Một số kiến thức cần nắm vững
Kim loại A + muối của B → Muối của A + kim loại B
- Điều kiện để kim loại A đẩy kim loại B ra khỏi dung dịch muối là A phải đứng trước B trong dãy điện hóa ( hay nói cách khác kim loại A có tính khử mạnh hơn sẽ tác dụng với muối có gốc cation của kim loại B có tính oxi hóa mạnh hơn).
- Nếu kim loại từ Mg trở về sau thì áp dụng qui tắc α trong dãy điện hóa.
- Nếu bài toán cho kim loại tan trong nước tác dụng với dung dịch muối thì ban đầu kim loại tác dụng với nước tạo bazơ kiềm, sau đó bazơ tác dụng với muối của kim loại trong dung dịch.
- Phản ứng của kim loại với dung dịch muối là phản ứng oxi hóa – khử nên thường sử dụng phương pháp bảo toàn electron để giải. Ngoài ra, còn sử dụng phương pháp tăng giảm khối lượng để tính khối lượng thanh kim loại sau phản ứng.
- Khi bài toán cho kim loại sắt vào dung dịch AgNO3 thì có các trường hợp: TH1: Nếu AgNO3 thiếu hoặc vừa đủ thì chỉ xảy ra phản ứng:
Fe + 2AgNO3 → Fe(NO3)2 + 2Ag
TH2: Nếu AgNO3 dư thì xảy ra hai phản ứng: Fe + 2AgNO3 → Fe(NO3)2 + 2Ag
AgNO3 + Fe(NO3)2 → Fe(NO3)3 + Ag
3.3.2. Phương pháp gi ải các dạng bài tập
Dạng 1: Một kim loại tác dụng với một muối:
Kim loại A + muối của B → Muối của A + kim loại B - Điều kiện:
+ A không phản ứng với nước ở điều kiện thường và phải đứng trước B trong dãy điện hóa.
+ Muối B phải tan trong nước.
- Khi nhúng một thanh kim loại A vào dung dịch muối B (kém hoạt động hơn A), nếu toàn bộ lượng B bị đẩy ra bám hết vào thanh kim loại A thì sau khi lấy thanh kim loại A ra cân lại, khối lượng của thanh có thể tăng hay giảm.
∆mA tăng = mB – mA tan = m dung dịch giảm
∆mA giảm = mA tan – mB = m dung dịch tăng
+ Nếu thanh kim loại A tăng hay giảm x%, ta có: x% =
o A m Δm
(mo: khối lượng thanh kim loại A ban đầu)
Ví dụ 1: Cho a mol bột kẽm vào dung dịch có hòa tan b mol Fe(NO3)3. Tìm điều kiện của a và b để khi kết thúc phản ứng không có kim loại được tạo thành?
Giải
Nhận xét: Zn đẩy ion Fe3+ ra khỏi dung dịch muối Fe(NO3)3. Học sinh hay quên nếu Zn còn dư thì vì cặp oxi hóa khử Fe2+/Fe có thế điện cực chuẩn lớn hơn Zn2+/Zn nên Fe2+ có thể oxi hóa được Zn.
Thứ tự các phản ứng xảy ra như sau:
Zn + 2Fe(NO3)3 → Zn(NO3)2 + 2Fe(NO3)2 (1) Zn + Fe(NO3)2 → Zn(NO3)2 + Fe (2)
Khi kết thúc phản ứng không có kim loại được tạo thành thì chỉ xảy ra phản ứng (1), nghĩa là b ≥ 2a.
Ví dụ 2: Nhúng một thanh kim loại M hóa trị II nặng m gam vào dung dịch Fe(NO3)2
thì khối lượng thanh kim loại giảm 6% so với ban đầu. Nếu nhúng thanh kim loại trên vào dung dịch AgNO3 thì khối lượng thanh kim loại tăng 25% so với ban đầu. Biết độ giảm số mol của Fe(NO3)2 gấp đôi độ giảm số mol của AgNO3 và kim loại kết tủa bám hết lên thanh kim loại M. Xác định kim loại M?
Giải
Nhận xét: Bài toán này chỉ biết kim loại hóa trị II mà chưa biết số mol của M phản ứng trong mỗi trường hợp. Đề bài cho thêm hai dữ kiện là khối lượng thanh kim loại tăng giảm bao nhiêu % khi nhúng vào hai dung dịch khác nhau. Như vậy ta có 2 phương trình theo sự tăng giảm khối lượng đó.
Độ giảm số mol của Fe(NO3)2 gấp đôi độ giảm số mol của AgNO3 có nghĩa là Fe(NO3)2 phản ứng hết 2x mol thì AgNO3 phản ứng hết x mol.
M + Fe(NO3)2 → M(NO3)2 + Fe 2x mol ← 2x mol → 2x mol ∆m giảm = 2x.M – 2x.56 = 2x.(M – 56) Ta có: x1% = m Δmgiam × 100% = m 56) 2x.(M × 100% = 6% (1) M + 2AgNO3 → M(NO3)2 + 2Ag
0,5x mol ← x mol → x mol ∆m tăng = 108.x – 0,5x.M = 0,5x.(216 – M) x2% = m Δmtăng = m M) 0,5x.(216 × 100% = 25% (2) Từ (1) và (2) ta có: M 216 56) 4.(M = 25 6 → M = 65
Vậy kim loại M đó là Zn.
Dạng 2: Một kim loại tác dụng với dung dịch hỗn hợp muối
- Nguyên tắc: Dựa vào dãy điện hóa, xác định rõ cation kim loại của muối nào có tính oxi hóa mạnh hơn để xác định thứ tự phản ứng xem chất nào phản ứng trước, chất nào phản ứng sau. Quy luật là kim loại sẽ tác dụng với ion kim loại có tính oxi hóa mạnh trước.
- Với dạng toán này có thể tính toán theo thứ tự các phương trình phản ứng xảy ra. - Nếu bài toán cho số mol ban đầu của các chất tham gia phản ứng thì ta có thể biện luận các trường hợp xảy ra.
- Nếu chưa biết số mol các chất phản ứng thì dựa vào thành phần dung dịch sau phản ứng và chất rắn thu được trong các dữ kiện của bài toán ta biện luận các trường hợp.
Ví dụ: Cho x mol Mg phản ứng với dung dịch chứa đồng thời FeSO4 a mol và CuSO4
b mol thì ion Cu2+ sẽ bị khử trước và bài toán dạng này thường giải theo 4 trường hợp: Mg + CuSO4 → MgSO4 + Cu (1)
Mg + FeSO4 → MgSO4+ Fe (2)
TH1: Chỉ xảy ra phản ứng (1). Nghĩa là x = b phản ứng (1) xảy ra vừa đủ. Khi đó dung dịch sau phản ứng gồm: MgSO4, FeSO4 chưa phản ứng và chất rắn chỉ có Cu.
TH2: Nếu x = a + b xảy ra cả hai phản ứng (1) và (2) vừa đủ. Khi đó dung dịch sau phản ứng chỉ có MgSO4 và chất rắn gồm Fe và Cu được tạo thành từ phản ứng (1), (2).
TH3: Nếu x > a + b xảy ra cả hai phản ứng (1) và (2). Khi đó dung dịch sau phản ứng chỉ có MgSO4 và chất rắn gồm Fe, Cu và Mg còn dư.
TH4: Nếu a < x < a +b thì phản ứng (1) xảy ra hết và phản ứng (2) xảy ra một phần. Sau phản ứng (2) số mol FeSO4 dư. Khi đó dung dịch sau phản ứng gồm: MgSO4, FeSO4 dư và chất rắn gồm Cu và Fe.
Ví dụ 1: Cho 2,24 gam bột sắt vào 200 ml dung dịch chứa hỗn hợp gồm AgNO3 0,1M và Cu(NO3)2 0,5M. Sau khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn, thu được dung dịch X và m gam chất rắn Y. Tính m?
Giải
Nhận xét: Trong hỗn hợp dung dịch gồm ion Ag+ và ion Cu2+, mà ion Ag+ có tính oxi hóa mạnh hơn nên phản ứng trước, khi Ag+ hết mà số mol Fe vẫn còn thì xảy ra tiếp phản ứng với Cu2+. nAg+ = 0,2.0,1 = 0,02 mol nCu2+ = 0,2.0,5 = 0,1 mol nFe = 56 24 , 2 = 0,04 mol
Fe + 2AgNO3 → Fe(NO3)2 + 2Ag (1) 0,01 mol ← 0,02 mol → 0,02 mol
nFe còn dư sau phản ứng (1) = 0,04 – 0,01 = 0,03 mol phản ứng tiếp với Cu(NO3)2. Fe + Cu(NO3)2 → Fe(NO3)2 + Cu (2)
0,03 mol → 0,03 mol 0,03 mol
Khối lượng chất rắn Y thu được: m = mAg + mCu = 0,02.108 + 0,03.64 = 4,08 gam.
Ví dụ 2: Cho m gam bột sắt vào 100 ml dung dịch chứa hỗn hợp gồm AgNO3 4M và Cu(NO3)2 1M. Sau khi kết thúc phản ứng thu được dung dịch 3 muối (trong đó có một muối của sắt) và 32,4 gam chất rắn. Tính m?
Giải
Nhận xét: Học sinh khi gặp phải bài này thường lúng túng không biết dung dịch chứa 3 muối ở đây là gồm 3 muối nào. Vì vậy đầu tiên là phải phân tích đề tìm được 3 muối để có cách giải phù hợp. Bài toán xảy ra các phản ứng sau:
Fe + 2AgNO3 → Fe(NO3)2 + 2Ag (1)
- Nếu phản ứng (1) vừa đủ thì dung dịch chỉ có 2 muối là Fe(NO3)2 và Cu(NO3)2 chưa tham gia phản ứng.
- Nếu sau phản ứng (1) sắt dư thì sắt tiếp tục phản ứng với Cu(NO3)2trong dung dịch. Fe + Cu(NO3)2 → Fe(NO3)2 + Cu (2)
+ Phản ứng (2) vừa đủ dung dịch chỉ chứa một muối Fe(NO3)2.
+ Sau phản ứng (2) sắt dư dung dịch chỉ có chứa một muối Fe(NO3)2.
+ Sau phản ứng (2) Cu(NO3)2 dư dung dịch chứa hai muối Cu(NO3)2 và Fe(NO3)2. Vậy để dung dịch thu được 3 muối thì phản ứng (2) không xảy ra. Điều này có nghĩa là trong dung dịch đã có muối Cu(NO3)2, muối AgNO3 còn dư sẽ tiếp tục phản ứng với muối Fe(NO3)2 được tạo thành sau phản ứng (1).
AgNO3 + Fe(NO3)2 → Fe(NO3)3 + Ag (3)
Để dung dịch sau phản ứng chỉ có chứa một muối của sắt (ở đây là muối Fe(NO3)3) thì AgNO3 còn dư sau phản ứng (3) và trong dung dịch vẫn còn muối Cu(NO3)2 chưa phản ứng. Chất rắn ở đây chinh là Ag sinh ra sau phản ứng (1) và (3).
nAg = 108 4 , 32 = 0,3 mol 3 AgNO n = 0,1.4 = 0,4 mol , 2 ) 3 Cu(NO n = 0,1.1 = 0,1 mol Gọi x là số mol của Fe.
Fe + 2AgNO3 → Fe(NO3)2 + 2Ag (1) x mol → x mol 2x mol AgNO3 + Fe(NO3)2 → Fe(NO3)3 + Ag (3) x mol → x mol nAg = 2x + x = 3x = 0,3 mol
x = 0,1 mol
m = 0,1.56 = 5,6 gam
Bài tập này giúp học sinh có thể biện luận phân tích các trường hợp có thể xảy ra nhằm rèn luyện năng lực tư duy. Tuy nhiên, ở đây học sinh hay vấp phải là quên còn có xảy ra phản ứng (3) giữa Fe2+ với ion Ag+.
Ví dụ 3: Cho 6,48 bột kim loại nhôm vào 100 ml dung dịch hỗn hợp Fe2(SO4)3 1M và ZnSO4 0,8M. Sau khi kết thúc phản ứng thu được hỗn hợp các kim loại có khối lượng m. Tính m?
Giải
Nhận xét: Trong hỗn hợp dung dịch gồm ion Fe3+ và ion Zn2+, mà ion Fe3+ có tính oxi hóa mạnh hơn nên phản ứng trước, khi Fe3+ hết mà số mol Al vẫn còn thì xảy ra tiếp phản ứng với Fe2+ do thế điện cực chuẩn của Fe2+/Fe > Zn2+/Zn. Nếu số mol Al còn dư thì mới tiếp tục phản ứng với Zn2+.
nAl = 27 48 , 6 = 0,24 mol 4 SO 2 Fe n = 0,1.1 = 0,1 mol → nFe3+ = 0,1.2 = 0,2 mol 4 ZnSO n = 0,1.0,8 = 0,08 mol → nZn2+ = 0,08 mol Khi cho nhôm vào dung dịch sẽ xảy ra các phản ứng: Al + 3Fe3+ → Al3+ + 3Fe2+ (1) 3 2 , 0
mol ← 0,2 mol → 0,2mol
2Al + 3Fe2+ → 2Al3+ + 3Fe (2)
3 4 , 0
mol ← 0,2 mol → 0,2 mol
nAl còn dư sau phản ứng (1) và (2) = 0,24 – 3 2 , 0 – 3 4 , 0
= 0,04 mol phản ứng tiếp với ZnSO4.
2Al + 3Zn2+ → 3Al3+ + 3Zn 0,04 mol → 0,06 mol 0,06 mol
Khối lượng chất rắn thu được: m = mFe + mZn = 0,2.56 + 0,06.65 = 15,1 gam.
Dạng 3: Hỗn hợp kim loại tác dụng với một muối:
- Nguyên tắc: Với bài toán này khi giải thì cần phải chú ý là khi cho các kim loại vào một dung dịch muối thì kim loại nào có tính khử mạnh nhất sẽ phản ứng trước và cứ thế lần lượt.
- Với dạng toán này có thể tính toán theo thứ tự các phương trình phản ứng xảy ra. - Tuy nhiên, phản ứng của kim loại với dung dịch muối là phản ứng oxi hóa – khử nên ta vẫn thường sử dụng phương pháp bảo toàn mol electron để giải các bài tập phức tạp, khó biện luận.
Ví dụ: Cho hỗn hợp a mol Mg và b mol Fe tác dụng với dung dịch chứa x mol CuSO4
thì Mg có tính khử mạnh hơn sẽ phản ứng trước, khi nào Mg hết mà CuSO4 còn dư thì phản ứng tiếp với sắt và bài toán dạng này thường giải theo 4 trường hợp:
Mg + CuSO4 → MgSO4 + Cu (1) Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu (2)
TH1: Chỉ xảy ra phản ứng (1). Nghĩa là a ≥ x. Khi đó dung dịch sau phản ứng chỉ có MgSO4 và chất rắn gồm có Cu, Fe chưa tham gia phản ứng và có thể có Mg còn dư. TH2: Nếu x = a + b xảy ra cả hai phản ứng (1) và (2) vừa đủ. Khi đó dung dịch sau phản ứng gồm MgSO4, FeSO4 và chất rắn chỉ có Cu.
TH3: Nếu x > a + b xảy ra cả hai phản ứng (1) và (2). Khi đó dung dịch sau phản ứng gồm có MgSO4, FeSO4 và CuSO4 còn dư và chất rắn chỉ có Cu.
TH4: Nếu a < x < a +b thì phản ứng (1) xảy ra hết và phản ứng (2) xảy ra một phần. Sau phản ứng (2) số mol Fe dư. Khi đó dung dịch sau phản ứng gồm: MgSO4, FeSO4
và chất rắn gồm Cu và Fe dư.
Ví dụ 1: Cho hỗn hợp gồm hai kim loại Fe (0,003 mol) và Al (0,009 mol) vào 250 ml dung dịch AgNO3 0,12M. Sau khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn thu được chất rắn A nặng m gam và dung dịch nước lọc. Tính khối lượng chất rắn A thu được?
Giải
3 AgNO
n = 0,25.0,12 = 0,03 mol
Nhận xét: Bài toán đã biết trước số mol nên chỉ cần có thể nắm ý nghĩa của dãy điện hóa để biết diễn biến xảy ra các phản ứng là làm được. Do Al có tính khử mạnh hơn Fe nên phản ứng với ion Ag+ trong dung dịch AgNO3 trước. Nếu sau phản ứng Al hết, AgNO3 vẫn còn dư thì tiếp tục phản ứng với Fe.
Al + 3AgNO3 → Al(NO3)3 + 3Ag (1) 0,009 mol → 0,027 mol 0,027 mol Sau phản ứng (1)
3 AgNO
n dư = 0,03 – 0,027 = 0,003 mol Fe + 2AgNO3 → Fe(NO3)2 + 2Ag (2) 0,0015mol ← 0,003 mol → 0,003 mol
Khối lượng chất rắn A thu được gồm Fe dư và Ag tạo thành sau phản ứng (1), (2). m = mA = mFe dư + mAg = (0,003 – 0,0015).56 + 0,03.108 = 3,324 gam
Ví dụ 2: Cho 29,8 gam hỗn hợp bột gồm Zn và Fe vào 600 ml dung dịch CuSO4 0,5M. Sau khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn, thu được dung dịch X và 30,4 gam hỗn hợp kim loại. Tính thành phần trăm về khối lượng của Fe trong hỗn hợp ban đầu?
Giải
4 CuSO
n = 0,6.0,5 = 0,3 mol
Nhận xét: Do Zn có tính khử mạnh hơn Fe nên sẽ phản ứng trước với ion Cu2+ trong dung dịch CuSO4. Vì đề bài chưa cho biết số mol của Zn và Fe nên ta phải giải bài toán theo trường hợp mà sau phản ứng thu được hỗn hợp kim loại.
Phản ứng ưu tiên:
Zn + CuSO4 → ZnSO4 + Cu (1)
- Nếu phản ứng (1) vừa đủ hoặc Zn dư, CuSO4 hết thì hỗn hợp kim loại thu được gồm có Cu, Fe chưa tham gia phản ứng và có thể có Zn dư,
Zn + CuSO4 → ZnSO4 + Cu (1) 0,3 mol ← 0,3 mol → 0,3 mol mCu = 0,3.64 = 19,2 gam
mZn phản ứng = 0,3.65 = 19,5 gam
Ta có: mZn phản ứng + mZn dư + mFe = 29,8 gam mZn dư + mFe = 29,8 – 19,5 = 10,3 gam Mặt khác: mCu + mZn dư + mFe = 30,4 gam
mZn dư + mFe = 30,4 – 19,2 = 11,2 gam (loại)
- Nếu sau phản ứng (1) Zn hết, CuSO4 còn dư sẽ tiếp tục phản ứng với Fe. Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu (2)
Vì sau phản ứng là hỗn hợp kim loại nên sau phản ứng (2) Fe dư, CuSO4 hết. Gọi x, y lần lượt là số mol của Zn và Fe trong hỗn hợp bột ban đầu.
Zn + CuSO4 → ZnSO4 + Cu (1) a mol → a mol a mol
Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu (2) (0,3 – a) mol → (0,3 – a) mol (0,3 – a) mol nCu= a + 0,3 – a = 0,3 mol
nFe dư = b – (0,3 – a) = b + a – 0,3 mol Ta có hệ phương trình:
65a + 56.b = 29,8 → a = 0,2 mol 64.0,3 + (b + a – 0,3).56 = 30,4 b = 0,3 mol mFe = 0,3.56 = 16,8 gam %Fe = 8 , 29 8 , 16 × 100% = 56,38%
Dạng 4: Hỗn hợp kim loại tác dụng với hỗn hợp muối:
- Nguyên tắc: Kim loại có tính khử mạnh hơn sẽ tác dụng với ion kim loại có tính oxi hóa mạnh hơn, phản ứng này xảy ra trước; sau đó mới đến kim loại có tính khử yếu hơn và ion kim loại có tính oxi hóa yếu hơn.
- Đây là dạng toán khó nhất trong các dạng toán về kim loại tác dụng với muối. Để giải dạng toán này thì đầu tiên phải nắm chắc dãy điện hóa cũng như các tính chất của kim loại để có thể viết được thứ tự các phản ứng xảy ra. Sau đó xét xem bài toán ở trường hợp nào:
TH1: Đề bài toán cho số mol ban đầu của các kim loại, các muối trong dung dịch. Lúc này ta chỉ cần dựa vào thứ tự phản ứng để suy ra kết quả.
TH2: Đề bài không cho số mol ban đầu của các chất thì ta cần dựa vào các thành phần các ion có trong dung dịch hoặc thành phần chất rắn sau phản ứng để dự đoán chất nào hết, chất nào dư.
Nếu bài toán không cho giả thiết chất nào hết, chất nào dư thì phải đặt giả sử để biện