Tài liệu Hóa: Phương pháp bảo toàn electron

PHƢƠNG PHÁP BẢO TOÀN ELECTRON 1. Nguyên tắc Tổng số mol electron chất khử nhường bằng tổng số mol electron chất oxi hoá nhận e Xn x.n Dạng 1 : Kim loại tác dụng với dung dịch axit : HNO3; H2SO4 đặc - Tính khối lượng muối tạo thành: - Tính số mol HNO3 và H2SO4 phản ứng (kết hợp pp bảo toàn mol nguyên tử). - So sánh số mol e nhận và nhường để biết có muối tạo thành do sự khử hay không. Ví dụ 1: Hoà tan hoàn toàn 9,62 gam hỗn hợp X gồm Mg, Fe, Al trong lượng dư dung dịch HNO3 loãng, thu được 0,12 mol NO và 0,04 mol N2O. Tổng khối lượng muối khan tạo thành là A. 41,86 gam. B. 51,78 gam. C. 14,86 gam. D. 64,18 gam. Hướng dẫn ne = 3NO + 8N2O = 0,36 + 0,32 = 0,68.  3NO n  / muối =  n electron nhường = 0,68 (mol) Vậy m muối khan = m hhX + 3NO m  / muối = 9,62 + 62 0,68 = 51,78 (g). Ví dụ 2: Hoà tan hoàn toàn 12,42 gam Al bằng dung dịch HNO3 loãng (dư), thu được dung dịch X và 1,344 lít (ở đktc) hỗn hợp khí Y gồm hai khí là N2O và N2. Tỉ khối của hỗn hợp khí Y so với khí H2 là 18. Cô cạn dung dịch X, thu được m gam chất rắn khan. Giá trị của m là A. 38,34. B. 34,08. C. 106,38. D. 97,98. (Trích đề thi TSĐH năm 2009 - Khối A) Hướng dẫn Ta có Aln = 12,42 27 = 0,46 (mol); ne = 0,46.3 = 1,38 hh Yn = 1,344 22,4 = 0,06 (mol) ; YM = 18 2 = 36 2N O n : 44 8 36  2N O n : 2N n = 8 : 8 = 1 : 1 2N n : 28 8  2N O n = 2N n = 0,06 : 2 = 0,03 (mol) Từ (1,2): số mol e nhận = 0,24 + 0,3 = 0,54 < số mol e nhường = 1,38 Do đó sản phẩm khử còn có 3 N  (NH4NO3), khi đó xảy ra thêm (3)  số mol e nhận ở (3) = 1,38 – 0,27 = 0,84 (mol) Chất rắn khan thu được gồm 3 3 4 3 Al(NO ) : 0,46 (mol) NH NO : 0,105 (mol)    Vậy m = 213 0,46 + 800,105 = 106,38 (g). Ví dụ 3: Hỗn hợp X gồm hai kim loại Al và Cu. Hoà tan hoàn toàn 18,2 gam X vào 100 ml dung dịch B chứa đồng thời H2SO4 12M và HNO3 2M, đun nóng. Sau phản ứng thu được dung dịch Y và 8,96 lít hỗn hợp khí (đktc) T gồm NO và SO2. Tỉ khối của T so với H2 là 23,5. Khối lượng của muối trong dung dịch Y là A. 34,2 gam. B. 32,0 gam. C. 66,2 gam gam. D. 33,1 gam. Lời giải Dễ dàng tìm được: nNO = 0,2 mol ; 2SO n 0,2(mol) Dung dịch B gồm: H+ = 2,6 mol ; SO 24 = 1,2 mol ; NO  3 = 0,2 mol. Các quá trình nhường và nhận electron: Al  Al3+ + 3e SO 24 + 2e + 4H +  SO2 + 2H2O x 3x 0,2 0,4 0,8 0,2 Cu  Cu2+ + 2e NO 3 + 3e + 4H +  NO + 2H2O y 2y 0,2 0,6 0,8 0,2 Áp dụng sự bảo toàn electron, ta có: 3x + 2y = 1 (1) Phương trình khối lượng : 27x + 64y =18,2 (2) Giải hệ (1) và (2), ta được : nAl = 0,2 mol ; nCu = 0,2 mol. Dung dịch Y gồm: Al3+ = 0,2 mol ; Cu2+ = 0,2 mol; H+ =1 mol ; SO4 2– = 1 mol ( 3NO  bị oxi hoá hết). Y gồm các muối sunfat : Al2(SO4)3 = 0,1.342 = 34,2 (g) CuSO4 = 0,2. 160 = 32 (g) m = 66,2 gam. Ví dụ 4: Hoà tan hoàn toàn 12 gam hỗn hợp Fe, Cu (tỉ lệ mol 1 : 1) bằng axit HNO3, thu được V lít (ở đktc) hỗn hợp khí X (gồm NO và NO2) và dung dịch Y (chỉ chứa hai muối và axit dư). Tỉ khối của X đối với H2 bằng 19. Giá trị của V là A. 2,24. B. 4,48. C. 5,60. D. 3,36. (Trích đề thi TSĐH năm 2007 - Khối A) Hướng dẫn Đặt NOn = a (mol) và 2NOn = b (mol) Ta có X 30a 46b M 19 2 38 a b        a = b Gọi số mol của Fe hoặc Cu trong hỗn hợp là x mol 56x + 64x = 12 (g)  x = 0,1 (mol) Các quá trình oxi hoá - khử xảy ra: 0 Fe  3 Fe  + 3e 5 N  + 3e  2 N  0,1  0,3 3a  a 0 Cu  2 Cu  + 2e 5 N  + e  4 N  0,1  0,2 a  a Do đó 0,3 + 0,2 = 3a + a  a = 0,125 (mol) Vậy V = 22,4 (a + b) = 22,42 0,125 = 5,60 (l). Ví dụ 5: Cho 1,35 g hỗn hợp gồm Cu, Mg, Al tác dụng hết với dung dịch HNO3 thu được hỗn hợp khí gồm 0,01 mol NO vào 0,04 mol NO2. Khối lượng muối nitrat tạo ra trong dung dịch là A. 5,69g B. 6,59g C. 4,59g D. 4,69g Lời giải Đặt x, y, z lần lượt là số mol Cu, Mg, Al. Cu Cu(NO3)2 NO Mg + HNO3  Mg(NO3)2 + + H2O Al Al(NO3)3 NO2 mmuối = m3KL + 3NO m  Ta có: 2x + 2y + 3z = 0,03 + 0,04 = 0,07 (1) Nhưng 0,07 cũng chính là số mol 3NO  tạo muối với ion kim loại. Khối lượng muối nitrat là : 1,35 + 62.0,07 = 5,69 (g) Dạng 2: Tìm công thức của sản phẩm khử N+5 và S+6. Ví dụ 1: Hoà tan 9,28 gam hỗn hợp X gồm Mg, Al, Zn với số mol bằng nhau trong một lượng vừa đủ dung dịch H2SO4 đặc, nóng thu được dung dịch Y và 0,07 mol một sản phẩm Z duy nhất chứa lưu huỳnh. Sản phẩm Z là A. S. B. H2S. C. SO2. D. SO3. Hướng dẫn Gọi x là số oxi hoá của S trong sản phẩm Z ; a là số mol của mỗi kim loại trong hỗn hợp X Ta có 24a + 27a + 65a = 9,28 (g)  a = 9,28 116 = 0,08 (mol) Các quá trình oxi hoá - khử xảy ra: Quá trình nhường electron Quá trình nhận electron 0 Mg  2 Mg  + 2e 6 S  + (6 – x)e  x S a  2a (6 – x)0,07  0,07 0 Al  3 Al  + 3e a  3a 0 Zn  2 Zn  + 2e a  2a ne = 0,08.7 = 0,56. Số e nhận = 0,56/0,07 = 8 : H2S. Ví dụ 2: Thổi luồng không khí đi qua 25,2 gam bột sắt sau một thời gian biến thành hỗn hợp X có khối lượng 30 gam gồm Fe, FeO, Fe2O3, Fe3O4. Cho X phản ứng hoàn toàn với dung dịch HNO3 thấy giải phóng ra 5,6 lít khí Y duy nhất (đktc). Khí Y là A. NO B. NO2 C. NH3 D. N2 Lời giải - Số mol e nhường : e Fe 25,2 n 3.n 3. 1,35 mol 56    - Số mol e mà O2 nhận : 2e O 30 25,2 n 4.n 4. 0,6 mol 32     Số mol e mà N+5 nhận để tạo Y : ne = 1,35 - 0,6 = 0,75 Số e mà N+5 nhận tạo Y là 0,75/0,25 = 3 : NO Ví dụ 3: Hoà tan hoàn toàn 13,92 gam Fe3O4 bằng dung dịch HNO3 thu được 448 ml khí X (đktc). Khí X là A. NO B. N2O C. NO2 D. N2 HD. ne = 0,06 mol. Số e nhận = 0,06/0,02 = 3 : NO Ví dụ 4: Cho 4,05 gam Al tan hoàn toàn vào dung dịch chứa 0,54 mol HNO3 thu được dung dịch chứa một muối duy nhất và một chất khí X. Chất khí X đó là A. NO B. N2 C. N2O D. NO2 ne = 3.nAl = 0,45 mol. Bảo toàn nguyên tố : nN(trong X) = 0,54 - 0,45 = 0,09 mol Số e mà N+5 nhận = 0,45/0,09 = 5. Một nguyên tử N nhận 5e: N2 Dạng 3 : Tìm công thức của oxit sắt - Khi tác dụng với chất oxi hóa, các oxit của sắt (FeO và Fe3O4) đều chỉ nhường 1e. - Khi tác dụng với các chất khử, 1 mol Fe2O3 nhận 6 mol e; 1 mol Fe3O4 nhận 8 mol e và 1 mol FeO nhận 2 mol e. Ví dụ 1: Hoà tan hoàn toàn 46,4 gam một sắt oxit bằng dung dịch H2SO4 đặc nóng (vừa đủ), thu được 2,24 lít khí SO2 (đktc). Công thức của sắt oxit là A. FeO. B. Fe3O4. C. Fe2O3. D. FeO hoặc Fe3O4. Hướng dẫn Ta có 2SO n  = 2,24 22,4 = 0,1 (mol) ne = 2.0,1 = 0,2 mol. Moxit 46,4/0,2 = 232 : Fe3O4 Ví dụ 2 : Hoà tan hoàn toàn 20,88 gam một oxit sắt bằng dung dịch H2SO4 đặc, nóng thu được dung dịch X và 3,248 lít khí SO2 (sản phẩm khử duy nhất, ở đktc). Cô cạn dung dịch X, thu được m gam muối sunfat khan. Giá trị của m và công thức của oxit sắt là A. 58,0 và FeO. B. 36,0 và Fe3O4. C. 36,0 và FeO. D. 58,0 và Fe3O4. HD. ne = 2.0,145 = 0,29. Moxit = 20,88/0,29 = 72 : FeO số mol Fe2(SO4)3 = 0,145. m = 0,145.400 = 58. Dạng 4 : Hỗn hợp kim loại tác dụng với dung dịch muối Ví dụ 1 : Cho 13g bột Zn phản ứng hoàn toàn với 400 ml dung dịch chứa AgNO3 0,5M và CuSO4 0,5M. Kết thúc phản ứng khối lượng kim loại thu được là A. 25g B. 26g C. 27g D. 28g Hướng dẫn 2Zn Ag Cu 13 n 0,2(mol) ; n 0,4.0,5 0,2(mol) ; n 0,4.0,5 0,2(mol) 65        Thứ tự ưu tiên phản ứng xảy ra : 2 2 2 Zn 2Ag Zn 2Ag (1) 0,1 0,2 0,2 Zn Cu Zn Cu (2) 0,1 0,1           Kết thúc phản ứng Zn hết. Kim loại được giải phóng là Ag, Cu. mKL = 0,2.108 + 0,1.64 = 28 (g) Ví dụ 2: Cho 0,03 mol Al và 0,05 mol Fe tác dụng với 200 ml dung dịch X chứa Cu(NO3)2 và AgNO3, sau phản ứng thu được dung dịch Y và 8,12 gam chất rắn Z gồm ba kim loại. Cho Z tác dụng với dung dịch HCl dư thu được 672 ml khí H2 (ở đktc). Các phản ứng xảy ra hoàn toàn. Nồng độ mol của Cu(NO3)2 và AgNO3 trong dung dịch X lần lượt là A. 0,25M và 0,15M B. 0,125M và 0,075M C. 0,5M và 0,3M D. 0,15M và 0,25M Hướng dẫn Gọi a, b là số mol của AgNO3 và Cu(NO3)2 có trong dung dịch A Theo (5): Fen dư 2H 0,672 n 0,03 22,4    (mol)  Fen pư = 0,05 – 0,03 = 0,02 (mol) Khối lượng chất rắn B: 108a + 64b + 56.0,03 = 8,12 (g) Hay 108a + 64b = 6,44 (I) Các quá trình oxi hoá - khử xảy ra: 3Al Al  + 3e Ag 1e Ag    0,03  0,09 a  a 2Fe Fe  + 2e 2Cu 2e Cu    0,02  0,04 b 2b Do đó 0,09 + 0,04 = a + 2b hay a + 2b = 0,13 (II) Giải hệ hai pt (I, II) ta được: a = 0,03, b = 0,05 Vậy [Cu(NO3)2] = 0,05 0,25 0,2  M ; [AgNO3] = 0,03 0,15 0,2  M. Dạng 5 : Một số bài toán về sắt và oxit sắt Ví dụ 1: Đốt m gam Fe trong oxi thu được 48,8 gam hỗn hợp A gồm FeO, Fe3O4, Fe2O3 và Fe. Hoà tan hoàn toàn A trong H2SO4 đặc, nóng thu được 10,08 lít SO2 duy nhất (đktc). Giá trị của m là A. 39,2. B. 32,9. C. 39,8. D. 35,5. Hướng dẫn Ta có 2SO n = 10,08 22,4 = 0,45 (mol) 2O m 48,8 m (g)   2O 48,8 m n (mol) 32   Sơ đồ phản ứng: 0 2 2 4 0 3 O H SO đ, t3 4 2 4 3 2 2 2 3 FeO Fe O Fe A Fe (SO ) SO H O Fe O Fe              Các quá trình oxi hoá - khử xảy ra: 0 Fe  3 Fe  + 3e 0 2O + 4e  2 2 O  m 56  3m 56 48,8 m 32   48,8 m 8  6 S  + 2e  4 S  0,9  0,45 Do đó 3m 48,8 m 0,9 56 8    Giải ra ta được m = 39,2 (g). Ví dụ 2: Thổi luồng không khí đi qua m(g) bột sắt sau một thời gian biến thành hỗn hợp A có khối lượng 30g gồm Fe, FeO, Fe2O3, Fe3O4. Cho A phản ứng hoàn toàn với dung dịch HNO3 thấy giải phóng ra 5,6 lít khí NO duy nhất (đktc). Khối lượng của m là A. 27,5g B. 22,5g C. 26,2g D. 25,2g Lời giải Sơ đồ :          2 2 3 3 3 3 2 3 4 Fe, FeO Fe + O Fe O HNO Fe(NO ) NO H O Fe O – Chất cho electron : Fe, số mol là m . 56 Fe  Fe3+ + 3e m 56 3 m 56   echo m n 3. 56 – Chất nhận electron : O2, số mol là 30 m 32 và HNO3. O + 2e  O2– dư 30 m 16  2 30 m 16  N +5 + 3e  N +2 (NO) 0,25 0,25 0,25     e nhËn 30 m n 2. 0,75 16 Áp dụng sự bảo toàn electron :      30 m m 2. 0,75 3. m 25,2 (g) 16 56 Ví dụ 3: Nung nóng 5,6 gam bột sắt trong bình đựng O2 thu được 7,36 gam hỗn hợp X gồm Fe, Fe2O3 và Fe3O4. Cho X tan hoàn toàn trong dung dịch HNO3 thu được V lít (đktc) hỗn hợp khí Y gồm NO và N2O4, tỉ khối hơi của Y so với H2 là 25,33. V có giá trị là A. 22,4 lít B. 0,672 lít C. 0,372 lít D. 1,12 lít Lời giải Gọi 2 4NO N O n x(mol); n y(mol)  2Y/H 30x 92y d 25,33 (x y).2     (1)           2 2 3 3 3 3 2 2 4 3 4 Fe NO Fe + O Fe O HNO Fe(NO ) H O N O Fe O Chất cho electron : Fe (0,1 mol)  3Fe Fe 3e 0,1 0,3   echon 0,3mol e Chất nhận electron : O   7,36 5,6 0,11 (mol) 16 ; HNO3. 2 5 2 5 4 2 4 O 2e O 0,11 0,22 N 3e N (NO) 3x x x N e N (N O ) 2y 2y y                enhËnn 3x 2y 0,22 (mol e) 0,3 3x 2y 0,22    (2) Từ (1), (2)  x = 0,02 mol ; y = 0,01 mol. Vậy V = 0,672 lít. Ví dụ 4: Cho 6,64 gam hỗn hợp A gồm Fe, FeO, Fe2O3, Fe3O4 vào dung dịch HNO3 loãng, dư thu được V lít hỗn hợp khí B (ở 27oC, 1 atm) gồm NO, NO2 (với  2NO NO n : n 2 ). Mặt khác khi cho luồng khí H2 dư đi qua hỗn hợp A nung nóng, sau khi phản ứng hoàn toàn thu được 5,04 gam Fe. Thể tích hỗn hợp khí B là A. 0,464 lít B. 0,672 lít C. 0,242 lít D. 0,738 lít Lời giải Fe FeO + H2  Fe + H2O Fe2O3 Fe3O4 O(A) Om 6,64 5,04 1,6(gam) n 0,1(mol)     Fe FeO NO Fe + O2  Fe2O3 + HNO3  Fe(NO3)3 + + H2O Fe3O4 NO2 Chất cho electron là Fe: Fe  Fe3+ + 3e 0,09 0,27 Chất nhận electron là : O + 2e  O2– 0,1 0,2 N +5 + 3e  N+2 (NO) 6x 2x N +5 + e  N+4  (NO2) x x 0,2 + 6x + x = 0,27 x 0,01   tổng số mol 2 khí = 3x = 0,03 mol. Giải hệ tìm được 0,03.0,082.300 V 0,738 1   lít. Ví dụ 5: Cho luồng khí CO đi qua ống sứ đựng m gam oxit Fe2O3 ở nhiệt độ cao một thời gian, người ta thu được 6,72 gam hỗn hợp A gồm 4 chất rắn khác nhau. Đem hoà tan hoàn toàn hỗn hợp này vào dung dịch HNO3 dư thấy tạo thành 0,448 lít khí B ở đktc (duy nhất) có tỉ khối so với hiđro là 15 thì m có giá trị là A. 7,5 g B. 7,2 g C. 8,0 g D. 8,4 g Lời giải Sơ đồ : Fe2O3 CO  A 3 HNO  Fe(NO3)3 + NO + H2O Xét cả quá trình này thì : Fe+3  Fe+3 (coi như không cho, không nhận). Chất cho electron : CO m 6,72 (mol) 16  C +2  C +4 + 2e m 6,72 16  2 m 6,72 16  = echon Chất nhận electron : HNO3, khí B là NO. N +5 + 3e  N+2 (NO ) 0,06 0,02 0,02  enhËnn 0,06      m 6,72 0,06 m 7,2 g 8 Ví dụ 6: Trộn 60g bột Fe với 30g bột lưu huỳnh rồi đun nóng (trong điều kiện không có không khí) thu được chất rắn X. Hoà tan X bằng dung dịch axit H2SO4 loãng, dư được dung dịch B và khí C. Đốt cháy C cần V lít O2 (đktc). Các phản ứng xảy ra hoàn toàn thì V có giá trị là A. 39,2 lít B. 32,928 lít C. 32,29 lít D. 38,292 lít Lời giải Sơ đồ :              o 2 4 2 H SO + Ot 2 2 4 2 2 H H OFe Fe FeSO + S FeS H S SO Xét cả quá trình phản ứng thì Fe và S cho electron, còn O2 nhận electron. Chất cho electron Fe : 60 (mol) 56 ; S : 30 (mol) 32 Fe  Fe2+ + 2e 60 56 2 60 56 S  S+4 (SO2) + 4e 30 32 4 30 32 Chất nhận electron : gọi số mol O2 là x mol. O2 + 4e  2O –2 x 4x Áp dụng sự bảo toàn electron : 4. 32 30 2. 56 60 4 x Giải ra x = 1,47 mol ; 2O V 22,4.1,47 32,928  (lít) Giáo viên: Phạm Ngọc Sơn