PP bảo toàn electron trong giải BT KL tác dụng với axit có tính oxi hóa

BÀI TẬP KIM LOẠI TÁC DỤNG VỚI AXIT CÓ TÍNH OXI HÓA

 1.      Bài toán:  Cho một kim loại (hoặc hỗn hợp các kim loại) tác dụng với dung dịch acid HNO₃ loãng, dung dịch acid HNO₃ đặc nóng cho ra hỗn hợp khí hợp chất của nitơ như NO₂, NO, N₂O, N₂,hoặc NH₃ (tồn tại dạng muối NH₄NO₃  trong dung dịch).

Khi gặp bài tập dạng này cần lưu ý:

-          Kim loại có nhiều số oxy hóa khác nhau khi phản ứng với dung dịch acid HNO₃ loãng, dung dịch acid HNO₃ đặc nóng sẽ đạt số oxy hóa cao nhất .

-          Hầu hết các kim loại phản ứng được với HNO₃ đặc nóng (trừ Pt, Au) và HNO₃ đặc nguội (trừ Pt, Au, Fe, Al, Cr…), khi đó N⁺⁵ trong HNO₃ bị khử về các mức oxy hóa thấp hơn trong những hơn chất khí tương ứng.

-          Các kim loại tác dụng với ion  trong môi trường axit H⁺ xem như tác dụng với HNO₃. Các kim loại Zn, Al tác dụng với ion  trong môi trường kiềm OH^-  giải phóng NH₃.

Để áp dụng định luật bảo toàn eledtron, ta ghi các bán phản ứng (theo phương pháp thăng bằng điện tử hoặc phương pháp ion-electron). Gọi n_i, x_i  là hóa trị cao nhất và số mol của kim loại thứ i; n_j là số oxy hóa của N trong hợp chất khí thứ j và x_j là số mol tương ứng. Ta có:

Ví dụ 7: Hỗn hợp X gồm hai kim loại A và B đứng trước H trong dãy điện hóa và có hóa trị không đổi trong các hợp chất. Chia m gam X thành hai phần bằng nhau:

   - Phần 1: Hòa tan hoàn toàn trong dung dịch chứa axit HCl và H₂SO₄ loãng tạo ra 3,36 lít khí H₂.

   - Phần 2: Tác dụng hoàn toàn với dung dịch HNO₃ thu được V lít  khí NO (sản phẩm khử duy nhất).

   Biết các thể tích khí đo ở điều kiện tiêu chuẩn. Giá trị của V là:

              A. 2,24 lít.         B. 3,36 lít.         C. 4,48 lít.          D. 6,72 lít

Ví dụ 8: Cho 3 kim loại Al, Fe, Cu vào 2 lít dung dịch HNO₃ phản ứng vừa đủ thu được 1,792 lít khí X (đktc) gồm N₂ và NO₂ có tỉ khối hơi so với He bằng 9,25. Nồng độ mol/lít HNO₃ trong dung dịch đầu là:

              A. 0,28M.         B. 1,4M.           C. 1,7M.             D. 1,2M.

Ví dụ 9: Thể tích dung dịch HNO₃ 1M (loãng) ít nhất cần dùng để hoà tan hoàn toàn 18 gam hỗn hợp gồm Fe và Cu trộn theo tỉ lệ mol 1 : 1 là: (biết phản ứng tạo chất khử duy nhất là NO):

A.1,0 lít                       B. 0,6 lít                      C. 0,8 lít                      D. 1,2 lít

BÀI TẬP ÁP DỤNG

Bài 1. Hoà tan hoàn toàn m gam Al vào dung dịch HNO₃ rất loãng thì thu được hỗn hợp gồm 0,015 mol khí N₂O và 0,01mol khí NO (phản ứng không tạo NH₄NO₃). Giá trị của m là:

                        A. 13,5 gam.     B. 1,35 gam.     C.  0,81 gam.     D. 8,1 gam.

Bài 2. Hòa tan hoàn toàn 1,2g kim loại X vào dung dịch HNO₃ dư thu được 0,224 lít khí N₂ (đktc). Giả thiết phản ứng chỉ tạo ra khí N₂. Vậy X là:

               A. Zn                 B. Cu                 C. Mg                  D. Al

Bài 3. Một hỗn hợp gồm hai bột kim loại Mg và Al được chia thành hai phần bằng nhau:

- Phần 1: cho tác dụng với HCl dư thu được 3,36 lít H₂.

- Phần 2: hoà tan hết trong HNO₃ loãng dư thu được V lít một khí không màu, hoá nâu trong không khí (các thể tích khí đều đo ở đktc). Giá trị của V là:

                        A. 2,24 lít.         B. 3,36 lít.         C. 4,48 lít.          D. 5,6 lít.

Bài 4. (Đề tuyển sinh ĐH-CĐ khối A-2007)

 Hoàn tan hoàn toàn 12 g hỗn hợp Fe, Cu ( tỉ lệ mol 1: 1) bằng HNO₃ thu được V lít hỗn hợp khí ( đktc) gồm NO, NO₂ và dung dịch Y chứa 2 muối và axit dư. Tỉ khối của X so với H₂ là 19. Giá trị V là:

                        A. 5,6                B. 2,8                C. 11,2               D. 8,4

Bài 5. Cho 1,35 gam hỗn hợp Cu, Mg, Al tác dụng với HNO₃ dư được 896 ml hỗn hợp gồm NO và NO₂ có . Tính tổng khối lượng muối nitrat sinh ra (khí ở đktc).

                         A. 9,41 gam.    B. 10,08 gam.   C. 5,07 gam.     D. 8,15 gam.

Bài 6. Hòa tan hết 4,43 gam hỗn hợp Al và Mg trong HNO₃ loãng thu được dung dịch A và 1,568 lít (đktc) hỗn hợp hai khí (đều không màu) có khối lượng 2,59 gam trong đó có một khí bị hóa thành màu nâu trong không khí. Tính số mol HNO₃ đã phản ứng.

                        A. 0,51 mol.      A. 0,45 mol.        C. 0,55 mol.    D. 0,49 mol.

Bài 7. Hòa tan hoàn toàn m gam hỗn hợp gồm ba kim loại bằng dung dịch HNO₃ thu được 1,12 lít hỗn hợp khí D (đktc) gồm NO₂ và NO. Tỉ khối hơi của D so với hiđro bằng 18,2. Tính thể tích tối thiểu dung dịch HNO₃ 37,8% (d = 1,242g/ml) cần dùng.

                        A. 20,18 ml.      B. 11,12 ml.      C. 21,47 ml.       D. 36,7 ml.

Bài 8. Hòa tan 6,25 gam hỗn hợp Zn và Al vào 275 ml dung dịch HNO₃ thu được dung dịch A, chất rắn B gồm các kim loại chưa tan hết cân nặng 2,516 gam và 1,12 lít hỗn hợp khí D (ở đktc) gồm NO và NO₂. Tỉ khối của hỗn hợp D so với H₂ là 16,75. Tính nồng độ mol/l của HNO₃ và tính khối lượng muối khan thu được khi cô cạn dung dịch sau phản ứng.

                        A. 0,65M và 11,794 gam.         B. 0,65M và 12,35 gam.     

                        C. 0,75M và 11,794 gam.           D. 0,55M và 12.35 gam.

Bài 9. Hòa tan hoàn toàn 9,4 gam đồng bạch (hợp kim Cu – Ni ) vào dun dịch HNO₃ loãng dư. Khi phản ứng xảy ra hoàn toàn thu được 0,09 mol NO và 0,003 mol N₂. Phần trăm khối lượng Cu trong hỗn hợp là:

                        A. 74, 89%       B. 69.04%         C. 27.23%          D. 25.11%

Bài 10. Hòa tan hết 35,4 g hỗn kim loại Ag và Cu trong dung dịch HNO₃ loãng dư thu được 5,6 lít khí duy nhất không màu hóa nâu trong không khí. Khối lượng Ag trong hỗn hợp.

                        A. 16,2 g           B. 19,2 g           C. 32,4 g            D. 35,4g

2. Bài toán:  Cho một kim loại (hoặc hỗn hợp các kim loại) tác dụng với một dung dịch acid acid H₂SO₄ đặc nóng cho sản phẩm là khí SO₂ (khí mùi sốc), S (kết tủa màu vàng), hoặc khí H₂S (khí mùi trứng thối).

Khi gặp bài tập dạng này cần lưu ý:

-          Kim loại có nhiều số oxy hóa khác nhau khi phản ứng với dung dịch acid H₂SO₄ đặc nóng sẽ đạt số oxy hóa cao nhất.

-          Hầu hết các kim loại phản ứng được với H₂SO₄ đặc nóng (trừ Pt, Au) khi đó S⁺⁶ trong H₂SO₄  đặc nóng bị khử về các mức oxy hóa thấp hơn trong những  sản phẩm như là khí SO₂, H₂S hoặc S.

-          Mốt số kim loại như Al, Fe, Cr, …thụ động trong H₂SO₄ đặc nguội.

Để áp dụng định luật bảo toàn electron, ta ghi các bán phản ứng (theo phương pháp thăng bằng điện tử hoặc phương pháp ion-electron). Gọi n_i, x_i  là hóa trị cao nhất và số mol của kim loại thứ i; n_j là số oxy hóa của S trong sản phẩm khử thứ j và x_j là số mol tương ứng. Ta có:

• Ø Liên hệ giữa số mol kim loại và sản phẩm khử:

ån_i.x_i = ån_j.x_j

• Ø Liên hệ giữa H₂SO₄ và sản phẩm khử:

số mol sản phẩm khử + số mol electron nhận

           Với SO₂:          

           Với S:              

           Với H₂S:          

• Ø Tính khối lượng muối trong dung dịch:

m_muối = m_{kim loại}+  = m_{kim loại}+ 96.åe (trao đổi)

VÍ DỤ MINH HỌA

Ví dụ 1: Hòa tan hết 29,6 gam hỗn hợp X gồm Fe, Mg, Cu theo tỉ lệ           mol 1:2:3 bằng H₂SO₄ đặc nguội được dung dịch Y và 3,36 lít SO₂ (đktc). Cô cạn dung dịch Y được khối lượng muối khan là:

   A. 38,4 gam                B. 21,2 gam                 C. 43,4 gam                 D. 36,5 gam

Giải: Gọi x là số mol Fe trong hỗn hợp X, Þ n_Mg = 2x, n_Cu=3x.

               Þ 56x+24.2x+64.3x=29,6 Þ x= 0,1 mol.

               Þ n_Fe = 0,1 mol, n_Mg=0,2 mol, n_Cu=0,3 mol

Do acid H₂SO₄ đặc nguội, nên sắt không phản ứng.   

          SO₄^2-           +          2e        ® S⁺⁴

                                       0,3     ¬

Theo biểu thức: m_muối=m_Cu +m_Mg +  = m_Cu +m_Mg + 96.åe (trao đổi)

                           =64.0,3+24.0,2 +96.0,3 = 38,4 gam.

Chọn đáp án A.

Ví dụ 2: Hòa tan 0,1 mol Al và 0,2 mol Cu trong dung dịch H₂SO₄ đặc dư thu được V lít SO₂ (ở 0⁰C, 1 atm). Giá trị của V là:

          A. 3,36                 B. 4,48                        C. 7,84                        D. 5,6

Giải: Ở  0⁰C, 1 atm là điều kiện tiêu chuẩn. Áp dụng định luật bảo toàn electron:

                        2.n_Cu+3.n_Al=(6-4).n Þ 2.0,1+3.0,2=(6-4).n 

                                Þ n = 0,35 mol         Þ V=0,35.22,4=7,84 lít.

Chọn đáp án A.

Ví dụ 3: Hòa tan vừa đủ hỗn hợp X  10,08 lít SO₂ duy nhất. Nông độ % của dung dịch H₂SO₄ là:

            A. 82,89%                  B. 89,2%                     C. 7,84%                     D. 95,2%

Giải: Áp dụng định luật bảo toàn electron:

 mol

. Chọn đáp án A.

Ví dụ 4: Cho 5,94g Al tác dụng vừa đủ với dung dịch H₂SO₄ đặc nóng thu được 1,848 lít sản phẩm (X) có  lưu huỳnh ( đktc), muối sunfat và nước. Cho biết ( X ) là khí  gì trong hai khí SO₂, H₂S ?

            A. H₂S             B. SO₂                 C. Cả hai khí               D. S

Giải:                                        n_Al = 5,94 : 27 = 0,22 mol

                                          n_X = 1,848 : 22,4 = 0,0825 mol

Quá trình oxy hóa Al :      Al     -      3e   ®      Al³⁺

                                       0,22     ®   0,66

                           n_e (cho) = 0,22.3 = 0,66 mol

Quá  trình khử S⁶⁺ :    S⁺⁶          +   ( 6-x )e    ®  S^x     

                                                   0,0825(6-x)     ¬  0,0825

                           n_e (nhận) = 0,0825(6-x) mol

( x là số oxy hóa của S trong khí X )

Áp dụng định luật bảo toàn electron, ta có : 0,0825(6-x) = 0,66 Þ x = -2

Vậy X là H₂S ( trong đó S có số oxy hóa là -2). Chọn đáp án A.

Ví dụ 5: Hoà tan hết 16,3 gam hỗn hợp kim loại gồm Mg, Al và Fe trong dung dịch H₂SO₄ đặc, nóng thu được 0,55 mol SO₂. Cô cạn dung dịch sau phản ứng, khối lượng chất rắn khan thu được là:

1. 51,8 gam                     B. 55,2 gam                 C. 69,1 gam                D. 82,9 gam

Giải: Sử dụng phương pháp bảo toàn electron với chất khử là các kim loại Mg, Al, Fe,  chất oxy hoá H₂SO₄.

S⁺⁶          + 2e     ®        S⁺⁴

               0,55.2              0,55

Khối lượng muối khan là: 

                        m_muối=m_{kim loại}+  = m_{kim loại}+ 96.åe (trao đổi)

                     gam . Chọn đáp án C.

BÀI TẬP ÁP DỤNG

Bài 1. Hòa tan 2,4 g hỗn hợp Cu và Fe có tỷ lệ số mol 1:1 vào dung dịch H₂SO₄ đặc, nóng. Kết thúc phản ứng thu được 0,05 mol một sản phẩm khử duy nhất có chứa lưu  huỳnh. Xác định sản phẩm đó:

            A. SO₂                 B. H₂S             C. S                             D. H₂

Bài 2. Thổi một luồng CO qua hỗn hợp Fe và Fe₂O₃ nung nóng được chất khí B và hỗn hợp D gồm Fe, FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄. Cho B lội qua dung dịch nước vôi trong dư thấy tạo 6 gam kết tủa. Hòa tan D bằng H₂SO₄ đặc, nóng thấy tạo ra 0,18 mol SO₂ còn dung dịch E. Cô cạn E thu được 24g muối khan. Xác định thành phần %  của Fe:

            A.  58,33%                 B. 41,67%                   C. 50%                        D. 40%

Bài 3. Cho 8,3 gam hỗn hợp hai kim loại Al và Fe tác dụng với dung dịch H₂SO₄ đặc dư thu được 6,72 lit khí SO₂ (đktc). Khối lượng của mỗi kim loại trong hỗn hợp ban đầu:

            A. 2,7g; 5,6g               B. 5,4g; 4,8g               C. 9,8g; 3,6g               D. 1,35g; 2,4g

Bài 4.   Để a gam bột sắt ngoài không khí, sau một thời gian sẽ chuyển thành hỗn hợp A có khối lượng 75,2 gam gồm Fe, FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄. Cho hỗn hợp A phản ứng hết với dung dịch H₂SO₄ đậm đặc, nóng thu được 6,72 lit khí SO₂( đktc). Khối lượng a gam là:

            A. 56g                         B. 11,2g                      C. 22,4g                      D. 25,3g

Bài 5.   Khi cho 9,6gam Mg tác dụng hết với dung dịch H₂SO₄ đậm đặc thấy có 49gam H₂SO₄ tham gia phản ứng tạo muối MgSO₄, H₂O và sản phẩm khử X. X là:

            A. SO₂             B. S                            C. H₂S             D. SO₂,H₂S

Bài 6.  Hòa tan hết 16,3 gam hỗn hợp kim loại gồm Mg, Al và Fe trong dung dịch H₂SO₄ đặc, nóng thu được 0,55 mol SO₂. Cô cạn dung dịch sau phản ứng, khối lượng chất rắn khan thu được là:

            A. 51,8g                      B. 55,2g                      C. 69,1g                      D. 82,9g

Bài 7.  Hòa tan hoàn toàn 4,0 gam hỗn hợp Mg, Fe, Cu bằng dung dịch H₂SO₄ đặc nóng dư, thu được 2,24 lít khí SO₂ duy nhất (đktc) và dung dịch chứa m gam muối. Giá trị của m là:

            A. 23,2.           B. 13,6.                       C. 12,8.                       D. 14,4.

Bài 8.  Cho 0,01 mol một hợp chất của sắt tác dụng với dung dịch H₂SO₄ đặc nóng dư, thoát ra 0,112 lít khí (đktc) khí SO₂ (là sản phẩm khử duy nhất). Công thức của hợp chất đó là:      

A. FeCO₃.                   B. FeS₂.                       C. FeS.            D. FeO.

Bài 9. Hòa tan 23,4 gam hỗn hợp gồm Al, Fe, Cu bằng một lượng vàu đủ dung dịch H₂SO₄, thu được 15,12 lít khí SO₂ (đktc) và dung dịch chứa m gam muối. Giá trị  của m là:

            A. 153,0.                     B. 95,8.                       C. 88,2.                       D. 75,8.

Bài 10. Hòa tan hoàn toàn 9,6 gam một kim loại M trong dung dịch  H₂SO₄ đặc nóng thoát ra 3,36 lít khí SO₂ (đktc). Kim loại M là:

            A. Mg.             B. Al.                          C. Fe.                          D. Cu.