khí H2 (đktc) và dung dịch B. Mặt khác để hòa tan 2,4 gam kim loại A thì không cần hết 500 ml dung dịch HCl 1M. Biết A thuộc nhóm IIA. Xác định tên kim loại A? Đáp số: Kim loại A là Mg.
3.2. BÀI TẬP KIM LOẠI TÁC DỤNG VỚI NƯỚC VÀ DUNG DỊCH KIỀM [4], [6] [6]
3.2.1. Một số kiến thức cần nắm vững
- Kim loại tác dụng với nước:
+ Các kim loại thuộc nhóm IA (Li, Na, K,…) và một số kim loại kiềm thổ nhóm IIA (như Ca, Ba) thì tác dụng với nước ở điều kiện thường và giải phóng khí H2:
2M + 2nHOH → 2M(OH)n + nH2↑
+ Các kim loại Mg, Al lúc đầu có tác dụng với nước (phản ứng xảy ra chậm) tạo Mg(OH)2, Al(OH)3 bám trên bề mặt Mg, Al tạo một lớp màng ngăn không cho hai kim loại trên tiếp tục tác dụng với nước. Tuy nhiên, ở nhiệt độ cao, Mg phản ứng mãnh liệt với nước:
Mg + H2O to MgO + H2 ↑
+ Các kim loại Fe, Mn, Cr,…(những kim loại đứng trước H trong dãy điện hóa của kim loại) thì có thể tác dụng với nước ở nhiệt độ cao.
Ví dụ: 3Fe + 4H2O to570oC Fe3O4 + 4H2↑ Fe + H2O to570oC FeO + H2O↑ - Kim loại tác dụng với dung dịch kiềm:
Kim loại tác dụng với kiềm thực ra là kim loại tác dụng với nước tạo hiđroxit, sau đó hiđroxit lưỡng tính mới tác dụng với bazơ kiềm. Vậy nên chỉ có các kim loại có hiđroxit lưỡng tính tan được trong bazơ mạnh, đó là Al, Zn,… mới có thể tác dụng với kiềm.
2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑ Zn + Ba(OH)2 + 2H2O → Ba[Zn(OH)4] + H2↑
3.2.2. Phương pháp giải các dạng bài tập
Dạng 1: Khi gặp các dạng toán liên quan đến kim loại tan trực tiếp trong nước thì cần
chú ý: 2M + 2nHOH → 2M(OH)n + nH2↑ (1) 2 H n = 2 1 nM . n = 2 1 . nOH -
Nhận xét này giúp ta giải nhanh trong một số trường hợp mà không cần phải viết phương trình phản ứng.
- Nếu bài toán cho nhiều kim loại tan trực tiếp vào nước tạo dung dịch kiềm và sau đó lấy dung dịch kiềm tác dụng với dung dịch hỗn hợp axit thì để đơn giản nên viết các phương trình phản ứng xảy ra dưới dạng ion thu gọn.
Ví dụ 1: Hòa tan mẫu hợp kim Ba – Na vào nước được dung dịch A và có 13,44 lít khí H2 thoát ra (đktc). Cần dùng bao nhiêu lít HCl 1M để trung hòa hoàn toàn dung dịch A? Giải 2 H n = 4 , 22 44 , 13 = 0,6 mol nOH - = 2 2 H n = 2.0,6 = 1,2 mol nHCl = nH+ = nOH - = 1,2 mol VHCl = 1,2 lít
Ví dụ 2: Cho 0,69 gam Na vào 100 ml dung dịch HCl có nồng độ C (M). Kết thúc phản ứng thu được dung dịch A. Cho lượng dư dung dịch CuSO4 vào dung dịch A thu được 0,49 gam một kết tủa. Tính C?
Giải
Nhận xét: Khi cho kim loại tan trong nước như Na vào dung dịch HCl thì Na tác dụng với axit trước, sau đó nếu còn dư mới phản ứng tiếp với nước.
nNa = 23 69 , 0 = 0,03 mol
Kết tủa thu được ở đây chính là Cu(OH)2.
2 Cu(OH) n = 98 49 , 0 = 0,005 mol
Sau phản ứng có kết tủa Cu(OH)2 có nghĩa là khi Na phản ứng với HCl xong thì vẫn còn dư tiếp tục phản ứng với nước tạo kiềm.
Na dungdichHCl
NaCl, NaOH CuSO4du Cu(OH)2
nNaOH = 2
2 Cu(OH)
n = 2.0,005 = 0,01 mol Theo định luật bảo toàn nguyên tố:
CM( HCl) = 1 , 0 02 , 0 = 0,2 M
Dạng 2: Nếu đề bài cho hỗn hợp hai kim loại A và một kim loại B có hóa trị n tan
được trong nước thì ta phải biện luận như sau:
- Nếu A và B là kim loại kiềm thì cả hai tác dụng với nước. - Nếu A là kim loại kiềm còn B chưa biết thì có thể:
+ B là kim loại kiềm thổ (như Ca, Ba) thì cả A, B đều tan. + B là các kim loại có hiđroxit lưỡng tính (như Zn, Al) lúc đó:
2A + 2nH2O → 2AOH + nH2↑
B tiếp tục tác dụng với AOH tạo phức và giải phóng khí H2.
Dựa vào số mol kim loại kiềm hoặc kiềm thổ → số mol OH– rồi biện luận xem kim loại B có tan hết không hay chỉ tan một phần.
Ví dụ 1: Hòa tan hoàn toàn 7,3 gam hỗn hợp X gồm kim loại Na và kim loại M (hóa trị n không đổi) trong nước thu được dung dịch Y và 5,6 lít khí H2 (ở đktc). Để trung hòa dung dịch Y cần dùng 100 ml dung dịch HCl 1M. Xác định tên kim loại M trong hỗn hợp X?
Giải
2 H
n = 0,25 mol , nHCl = 0,1 mol
Gọi x và y lần lượt là số mol của Na và kim loại M. → 23x + My = 7,3 gam (1)
Vì hỗn hợp hai kim loại Na và M tan hoàn toàn trong nước nên ta biện luận hai trường hợp.
TH1: Nếu M tác dụng trực tiếp với nước:
2 H n = 2 x + 2 ny = 0,25 mol → nOH- = 2. 2 H
n = 2.0,25 = 0,5 mol > nHCl = 0,1 mol (loại) TH2: Nếu M là kim loại có hiđroxit lưỡng tính (n = 2 hoặc 3)
M + (4 – n)OH- + nH2O → [M(OH)4]n-4 + 2 n H2↑ y mol (4 – n) y mol → 2 n.y mol Do OH- dư nên kim loại M tan hết
2 H n = 2 x + 2 ny = 0,25 mol → x + ny = 0,5 mol (3) y = 0,1 mol
Thay lần lượt n = 2 hoặc n = 3 vào (1), (2), (3) thì chỉ có n = 3, x = 0,2, M = 27 là thỏa mãn.
Dạng 3: Khi bài toán cho hỗn hợp gồm hai kim loại kiềm hoặc kiềm thổ (như Ca, Ba)
và Al hoặc Zn tác dụng với nước thì: 2Na + 2H2O → 2NaOH + H2↑
2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑ Muốn biết Al đã tan hết hay chưa ta phải biện luận: - Nếu nNa = nOH- ≥ nAl thì nhôm tan hết.
- Nếu nNa = nOH- < nAl thì nhôm tan một phần.
- Nếu chưa biết nNa, nAl ban đầu, lại không có dữ kiện nào để khẳng định Al tan hết hay chưa thì phải xét hai trường hợp: dư NaOH nên Al tan hết hoặc thiếu NaOH nên Al chỉ tan một phần. Đối với mỗi trường hợp ta lập hệ phương trình đại số để giải. - Nếu bài cho hỗn hợp Al và Ca hoặc Ba thì quy về hỗn hợp kim loại kiềm và Al bằng cách: 1Ca 2Na và 1Ba 2Na rồi xét các trường hợp như trên.
Ví dụ 1: Hoà tan hỗn hợp X gồm Na và Al vào nước dư thu được V lít khí. Cũng hoà tan m gam hỗn hợp X trên vào dung dịch NaOH dư thì thu được
4 7
V lít khí. Tính % khối lượng mỗi kim loại trong hỗn hợp ban đầu?
Giải
Nhận xét: Khi hoà tan hỗn hợp X vào dung dịch NaOH dư được thể tích khí lớn hơn khi hoà tan vào nước nên khi hoà tan vào nước Al còn dư.
Gọi x và y lần lượt là số mol của Na và Al trong hỗn hợp X. Khi hoà tan vào nước:
2Na + 2H2O → 2NaOH + H2↑
x mol → x mol 0,5x mol 2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑
x mol ← x mol → 1,5x mol Tổng số mol H2 = 0,5x + 1,5x = 2x = V → x = 0,5V
Khi hoà tan vào dung dịch NaOH dư:
x mol → 0,5x mol y mol → 1,5y mol Tổng số mol H2 = 0,5x + 1,5y =
4 7
V Mặt khác, ta có: x = 0,5V → y = V Vậy hỗn hợp X có 0,5V mol Na và V mol Al
% Na = V.27 0,5V.23 0,5V.23 × 100% =29,87% % Al = 100% - 29,87% = 70,13%
3.2.3. Một số bài tập tự giải phát triển tư duy cho học sinh
Bài 1: Cho hỗn hợp gồm Na và Al có tỉ lệ số mol tương ứng là 1:2 vào nước (dư). Sau
khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn, thu được 8,96 lít khí H2 (ở đktc) và m gam chất rắn không tan. Tính giá trị của m?
Đáp số: m = 5,4 gam.
Bài 2: Hòa tan hoàn toàn 10,5 gam hỗn hợp X gồm K và Al vào nước thu được dung
dịch Y. Thêm từ từ cho đến hết 100 ml dung dịch HCl 1M vào dung dịch Y thì trong dung dịch Y bắt đầu xuất hiện kết tủa. Tính phần trăm khối lượng mỗi kim loại có trong hỗn hợp X?
Đáp số: %mK = 74% %mAl = 26%.
Bài 3: Cho một mẩu hợp kim Na – Ba tác dụng với nước (dư) thu được dung dịch X
và 3,36 lít H2 (ở đktc). Tính thể tích dung dịch axit H2SO4 2M cần dùng để trung hòa dung dịch X? Đáp số: 4 SO 2 H V = 0,075 lít
Bài 4: Cho hỗn hợp gồm Na và Al có tỉ lệ số mol tương ứng là 1 : 2 vào nước (dư).
Sau khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn, thu được 8,96 lít khí H2 (ở đktc) và m gam chất rắn không tan. Tính m?
Đáp số: m = 5,4 gam.
Bài 5: Hỗn hợp X gồm Na, K, Ba hòa tan hết trong nước dư tạo dung dịch Y và 5,6 lít
khí (ở đktc). Tính V ml dung dịch H2SO4 2M tối thiểu để trung hòa Y? Đáp số: V = 0,125 lít.
Bài 6: Thực hiện hai thí nghiệm sau:
- TN 2: Cũng cho m gam hỗn hợp trên cho vào dung dịch NaOH dư thu được 2,24 lít khí (ở đktc) Các phản ứng xảy ra hoàn toàn. Tính m?
Đáp số: m = 2,99 gam.
Bài 7: Hòa tan hoàn toàn 7,3 gam hỗn hợp X gồm kim loại Na và kim loại M (hóa trị n
không đổi) trong nước thu được dung dịch Y và 5,6 lít khí hiđro (ở đktc). Để trung hòa dung dịch Y cần dùng 100 ml dung dịch HCl 1M. Tính thành phần phần trăm về khối lượng của kim loại M trong hỗn hợp X?
Đáp số:%M = 36,9 %.