Phương pháp giải bài tập về kim loại

II– BÀI TOÁN VỀ KIM LOẠI TÁC DỤNG VỚI DUNG DỊCH AXIT

1) Kim loại tác dụng với dung dịch axit:

a) Đối với dung dịch HCl, H2SO4 loãng:

M + nH+ image042.gifMn+ + n/2H2
(M đứng trước hiđro trong dãy thế điện cực chuẩn)

b) Đối với H2SO4 đặc, HNO3 (axit có tính oxi hóa mạnh):

- Kim loại thể hiện nhiều số oxi hóa khác nhau khi phản ứng với H2SO4 đặc, HNO3 sẽ đạt số oxi hóa cao nhất
- Hầu hết các kim loại phản ứng được với H2SO4 đặc nóng (trừ Pt, Au) và H2SO4 đặc nguội (trừ Pt, Au, Fe, Al, Cr…), khi đó S+6 trong H2SO4 bị khử thành S+4 (SO2) ; So hoặc S-2 (H2S)
- 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 thành N+4 (NO2)
- Hầu hết các kim loại phản ứng được với HNO3 loãng (trừ Pt, Au), khi đó N+5 trong HNO3 bị khử thành N+2 (NO) ; N+1 (N2O) ; No (N2) hoặc N-3 (NH4+)

c) Kim loại tan trong nước (Na, K, Ba, Ca,…) tác dụng với axit: có 2 trường hợp

- Nếu dung dịch axit dùng dư: chỉ có phản ứng của kim loại với axit
- Nếu axit thiếu thì ngoài phản ứng giữa kim loại với axit (xảy ra trước) còn có phản ứng kim loại dư tác dụng với nước của dung dịch

2) Một số chú ý khi giải bài tập:

- Kim loại tác dụng với hỗn hợp axit HCl, H2SO4 loãng (H+ đóng vai trò là chất oxi hóa) thì tạo ra muối có số oxi hóa thấp và giải phóng H2: M + nH+ → Mn+ + n/2H2 (nH+ = nHCl + 2nH2SO4)
- Kim loại tác dụng với hỗn hợp axit HCl, H2SO4 loãng, HNO3 → viết phương trình phản ứng dưới dạng ion thu gọn (H+ đóng vai trò môi trường, NO3– đóng vai trò chất oxi hóa) và so sánh các tỉ số giữa số mol ban đầu và hệ số tỉ lượng trong phương trình xem tỉ số nào nhỏ nhất thì chất đó sẽ hết trước (để tính theo)
- Các kim loại tác dụng với ion NO3– trong môi trường axit H+ xem như tác dụng với HNO3
- Các kim loại Zn, Al tác dụng với ion NO3– trong môi trường kiềm OH– giải phóng NH3

 

4Zn + NO3– + 7OH– → 4ZnO22– + NH3 + 2H2O
(4Zn + NO3– + 7OH– + 6H2O → 4[Zn(OH)4]2– + NH3)
8Al + 3NO3– + 5OH– + 2H2O → 8AlO2– + 3NH3
(8Al + 3NO3– + 5OH– + 18H2O → 8[Al(OH)4]– + 3NH3

 

- Khi hỗn hợp nhiều kim loại tác dụng với hỗn hợp axit thì dùng định luật bảo toàn mol electron và phương pháp ion – electron để giải cho nhanh. So sánh tổng số mol electron cho và nhận để biện luận xem chất nào hết, chất nào dư
- Khi hỗn hợp kim loại trong đó có Fe tác dụng với H2SO4 đặc nóng hoặc HNO3 cần chú ý xem kim loại có dư không. Nếu kim loại (Mg → Cu) dư thì có phản ứng kim loại khử Fe3+ về Fe2+. Ví dụ: Fe + 2Fe3+ → 3Fe2+ ; Cu + 2Fe3+ → Cu2+ + 2Fe2+
- Khi hòa tan hoàn hoàn hỗn hợp kim loại trong đó có Fe bằng dung dịch HNO3 mà thể tích axit cần dùng là nhỏ nhất → muối Fe2+
- Kim loại có tính khử mạnh hơn sẽ ưu tiên phản ứng trước
- Nếu đề bài yêu cầu tính khối lượng muối trong dung dịch, ta áp dụng công thức sau:

 

mmuối = mcation + manion tạo muối = mkim loại + manion tạo muối
(manion tạo muối = manion ban đầu – manion tạo khí)

 

- Cần nhớ một số các bán phản ứng sau:
2H+ + 2e → H2                                                             NO3- + e + 2H+ → NO2 + H2O
SO42– + 2e + 4H+ → SO2 + 2H2O                                 NO3- + 3e + 4H+ → NO + 2H2O
SO42– + 6e + 8H+ → S + 4H2O                                     2NO3- + 8e + 10H+ N2O + 5H2O
SO42– + 8e + 10H+ → H2S + 4H2O                               2NO3- + 10e + 12H+ → N2 + 6H2O
NO3- + 8e + 10H+ → NH4+ + 3H2O
- Cần nhớ số mol anion tạo muối và số mol axit tham gia phản ứng:
nSO42–tạo muối = Σ .image047.gifnX (a là số electron mà S+6 nhận để tạo sản phẩm khử X)
nH2SO4 phản ứng = 2nSO2 + 4nS + 5nH2S
nNO3–tạo muối = Σ a.nX (a là số electron mà N+5 nhận để tạo ra sản phẩm khử X)
nHNO3 phản ứng = 2nNO2 + 4nNO + 10nN2O + 12nN2

 

3) Một số ví dụ minh họa

 

Ví dụ 1: Cho 3,68 gam hỗn hợp gồm Al và Zn tác dụng với một lượng vừa đủ dung dịch H2SO4 10 %, thu được 2,24 lít khí H2 (ở đktc). Khối lượng dung dịch thu được sau phản ứng là:
A. 101,68 gam                   B. 88,20 gam                         C. 101,48 gam D. 97,80 gam

 

Hướng dẫn: nH2 = nH2SO4 = 0,1 mol → m (dung dịch H2SO4) = 98 gam → m (dung dịch sau phản ứng) = 3,68 + 98 – 0,2 = 101,48 gam → đáp án C

 

Ví dụ 2: Hoà tan hoàn toàn 14,6 gam hỗn hợp X gồm Al và Sn bằng dung dịch HCl (dư), thu được 5,6 lít khí H2 (ở đktc). Thể tích khí O2 (ở đktc) cần để phản ứng hoàn toàn với 14,6 gam hỗn hợp X là:
A. 2,80 lít                         B. 1,68 lít                         C. 4,48 lít                               D. 3,92 lít

 

Hướng dẫn: Gọi nAl = x mol ; nSn = y mol → 27x + 119y = 14,6 (1) ; nH2 = 0,25 mol
- Khi X tác dụng với dung dịch HCl:

 

image048.GIF

 

Ví dụ 3: Cho 7,68 gam hỗn hợp X gồm Mg và Al vào 400 ml dung dịch Y gồm HCl 1M và H2SO4 0,5M. Sau khi phản ứng xảy ra hoàn toàn thu được 8,512 lít khí (ở đktc). Biết trong dung dịch, các axit phân li hoàn toàn thành các ion. Phần trăm về khối lượng của Al trong X là:
A. 56,25 % B. 49,22 %                         C. 50,78 %                               D. 43,75 %

 

Hướng dẫn: Σ nH+ = 0,8 mol ; nH2 = 0,38 mol → nH+phản ứng = 0,76 mol < 0,8 mol → axit dư, kim loại hết
- Gọi nMg = x mol ; nAl = y mol → image057.gifimage059.gif → % Al = image061.gif%
→ đáp án A

 

Ví dụ 4: Cho 0,10 mol Ba vào dung dịch chứa 0,10 mol CuSO4 và 0,12 mol HCl. Sau khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn, lọc lấy kết tủa nung ở nhiệt độ cao đến khối lượng không đổi thu được m gam chất rắn. Giá trị của m là:
A. 23,3 gam                   B. 26,5 gam C. 24,9 gam                            D. 25,2 gam

 

Hướng dẫn: Các phản ứng xảy ra là:
Ba + 2HCl → BaCl2 + H2 BaCl2 + CuSO4 → BaSO4 + CuCl2
0,06 ←0,12 → 0,06                                                            0,06 →   0,06          0,06
Ba + 2H2O →Ba(OH)2 + H2 Ba(OH)2 + CuSO4 → BaSO4 + Cu(OH)2
0,04 →            0,04                                                             0,04 →      0,04          0,04          0,04
Cu(OH)2 image064.gifCuO + H2O
0,04                 0,04
→ m (chất rắn) = mBaSO4 + mCuO = (0,06 + 0,04).233 + 0,04.80 = 26,5 gam → đáp án B

 

Ví dụ 5: 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

 

Hướng dẫn: nFe = nCu = 0,15 mol
- Do thể tích dung dịch HNO3 cần dùng ít nhất → muối Fe2+ → ∑ ne cho = 2.(0,15 + 0,15) = 0,6 mol
- Theo đlbt mol electron nH+ = nHNO3 = image066.gifmol → VHNOimage068.gif = 0,8 lít → đáp án C

 

Ví dụ 6: Hòa tan 9,6 gam Cu vào 180 ml dung dịch hỗn hợp HNO3 1M và H2SO4 0,5M, kết thúc phản ứng thu được V lít (ở đktc) khí không màu duy nhất thoát ra, hóa nâu ngoài không khí. Giá trị của V là:
A. 1,344 lít                      B. 4,032 lít                         C. 2,016 lít D. 1,008 lít

 

Hướng dẫn: nCu = 0,15 mol ; nNO3– = 0,18 mol ; Σ nH+ = 0,36 mol
3Cu + 8H+ + 2NO3– → 3Cu2+ + 2NO + 4H2O                         Do image070.gif→ H+ hết ; Cu dư
0,36→                               0,09
→ VNO = 0,09.22,4 = 2,016 lít → đáp án C

 

Ví dụ 7: Cho hỗn hợp gồm 1,12 gam Fe và 1,92 gam Cu vào 400 ml dung dịch chứa hỗn hợp gồm H2SO4 0,5M và NaNO3 0,2M. Sau khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn, thu được dung dịch X và khí NO (sản phẩm khử duy nhất). Cho V ml dung dịch NaOH 1M vào dung dịch X thì lượng kết tủa thu được là lớn nhất. Giá trị tối thiểu của V là:
A. 360 ml B. 240 ml                         C. 400 ml                               D. 120 ml

 

Hướng dẫn: nFe = 0,02 mol ; nCu = 0,03 mol → Σ ne cho = 0,02.3 + 0,03.2 = 0,12 mol ; nH+ = 0,4 mol ; nNO3– = 0,08 mol (Ion NO3– trong môi trường H+ có tính oxi hóa mạnh như HNO3)
- Bán phản ứng: NO3– + 3e + 4H+ → NO + 2H2O          Do image072.gif→ kim loại kết và H+ dư
0,12→ 0,16
→ nH+ dư = 0,4 – 0,16 = 0,24 mol → Σ nOH– (tạo kết tủa max) = 0,24 + 0,02.3 + 0,03.2 = 0,36 → V = 0,36 lít hay 360 ml → đáp án A

 

Ví dụ 8: Cho 24,3 gam bột Al vào 225 ml dung dịch hỗn hợp NaNO3 1M và NaOH 3M khuấy đều cho đến khi khí ngừng thoát ra thì dừng lại và thu được V lít khí (ở đktc).Giá trị của V là:
A. 11,76 lít                            B. 9,072 lít                      C. 13,44 lít                           D. 15,12 lít

 

Hướng dẫn: nAl = 0,9 mol ; nNO3– = 0,225 mol ; nOH– = 0,675 mol
8Al + 3NO3– + 5OH– + 18H2O → 8[Al(OH)4]– + 3NH3 (1)             Do image076.gif→ NO3– hết
Bđ: 0,9         0,225          0,675
Pư: 0,6  ← 0,225   →    0,375           0,225
image078.gif
Dư: 0,3            0               0,3
Al + OH– (dư) + H2O → AlO2– + image036.gifH2 (2)
0,3    0,3                                        0,45
Từ (1) ; (2) → V = (0,225 + 0,45).22,4 = 15,12 lít → đáp án D

 

Ví dụ 9: Hòa tan hoàn toàn 100 gam hỗn hợp X gồm Fe, Cu , Ag trong dung dịch HNO3 (dư). Kết thúc phản ứng thu được 13,44 lít hỗn hợp khí Y gồm NO2, NO, N2O theo tỉ lệ số mol tương ứng là 3 : 2 : 1 và dung dịch Z (không chứa muối NH4NO3). Cô cạn dung dịch Z thu được m gam muối khan. Giá trị của m và số mol HNO3 đã phản ứng lần lượt là:
A. 205,4 gam và 2,5 mol                                                B. 199,2 gam và 2,4 mol
C. 205,4 gam và 2,4 mol D. 199,2 gam và 2,5 mol

 

Hướng dẫn: nY = 0,6 mol → nNO2 = 0,3 mol ; nNO = 0,2 mol ; nN2O = 0,1 mol
- nNOimage068.gif– tạo muối = nNOimage053.gif + 3.nNO + 8.nNimage053.gifO = 0,3 + 3.0,2 + 8.0,1 = 1,7 mol → mZ = mKl + mNOimage068.gif– tạo muối = 100 + 1,7.62 = 205,4 gam (1)
- nHNOimage068.gifphản ứng = 2.nNOimage053.gif+ 4.nNO + 10.nNimage053.gifO = 2.0,3 + 4.0,2 + 10.0,1 = 2,4 mol (2)
- Từ (1) ; (2) → đáp án C

 

Ví dụ 10: Cho 6,72 gam Fe vào 400 ml dung dịch HNO3 1M, đến khi phản ứng xảy ra hoàn toàn, thu được khí NO (sản phẩm khử duy nhất) và dung dịch X. Dung dịch X có thể hoà tan tối đa m gam Cu. Giá trị của m là:
A. 1,92 gam B. 3,20 gam                            C. 0,64 gam                            D. 3,84 gam

 

Hướng dẫn: nFe = 0,12 mol → ne cho = 0,36 mol; nHNO3 = 0,4 mol → ne nhận = 0,3 mol
- Do ne cho > ne nhận → Fe còn dư → dung dịch X có Fe2+ và Fe3+
- Các phản ứng xảy ra là:
Fe + 4HNO3 → Fe(NO3)3 + NO + 2H2O
0,1 ← 0,4 →        0,1
Fe (dư) + 2Fe3+ → 3Fe2+
0,02 → 0,04
Cu + 2Fe3+ (dư) → Cu2+ + 2Fe2+
0,03 ← 0,06
→ mCu = 0,03.64 = 1,92 gam → đáp án A

 

Ví dụ 11: 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 gam                            B. 34,08 gam                      C. 106,38 gam D. 97,98 gam

 

Hướng dẫn: nAl = 0,46 mol → ne cho = 1,38 mol ; nY = 0,06 mol ; image012.gifY = 36
- Dễ dàng tính được nN2O = nN2 = 0,03 mol → Σ ne nhận = 0,03.(8 + 10) = 0,54 mol < ne cho → dung dịch X còn chứa muối NH4NO3→ nNH4+ = NO3– = image089.gifmol
- Vậy mX = mAl(NOimage068.gif)image068.gif + mNHimage093.gifNOimage068.gif = 0,46.213 + 0,105.80 = 106,38 gam → đáp án C
(Hoặc có thể tính mX = mKl + mNOimage068.gif– tạo muối + mNHimage096.gif = 12,42 + (0,03.8 + 0,03.10 + 0,105.8 + 0,105).62 + 0,105.18 = 106,38 gam)

 

III – BÀI TẬP VỀ KIM LOẠI TÁC DỤNG VỚI DUNG DỊCH MUỐI

 

1) Kim loại tác dụng với dung dịch muối:

 

- Điều kiện để kim loại M đẩy được kim loại X ra khỏi dung dịch muối của nó:

 

xM (r) + nXx+ (dd) image042.gifxMn+ (dd) + nX (r)

 

+ M đứng trước X trong dãy thế điện cực chuẩn
+ Cả M và X đều không tác dụng được với nước ở điều kiện thường
+ Muối tham gia phản ứng và muối tạo thành phải là muối tan
- Khối lượng chất rắn tăng: ∆m↑ = mX tạo ra – mM tan
- Khối lượng chất rắn giảm: ∆m↓ = mM tan – mX tạo ra
- Khối lượng chất rắn tăng = khối lượng dung dịch giảm
- Ngoại lệ:
+ Nếu M là kim loại kiềm, kiềm thổ (Ca, Sr, Ba) thì M sẽ khử H+ của H2O thành H2 và tạo thành dung dịch bazơ kiềm. Sau đó là phản ứng trao đổi giữa muối và bazơ kiềm
+ Ở trạng thái nóng chảy vẫn có phản ứng: 3Na + AlCl3 (khan) → 3NaCl + Al
+ Với nhiều anion có tính oxi hóa mạnh như NO3-, MnO4-,…thì kim loại M sẽ khử các anion trong môi trường axit (hoặc bazơ)
- Hỗn hợp các kim loại phản ứng với hỗn hợp dung dịch muối theo thứ tự ưu tiên: kim loại khử mạnh nhất tác dụng với cation oxi hóa mạnh nhất để tạo ra kim loại khử yếu nhất và cation oxi hóa yếu nhất
- Thứ tự tăng dần giá trị thế khử chuẩn (Eo) của một số cặp oxi hóa – khử:
Mg2+/Mg < Al3+/Al < Zn2+/Zn < Cr3+/Cr < Fe2+/Fe < Ni2+/Ni < Sn2+/Sn < Pb2+/Pb < 2H+/H2 < Cu2+/Cu < Fe3+/Fe2+ < Ag+/Ag < Hg2+/Hg < Au3+/Au

 

2) Một số chú ý khi giải bài tập:

 

- Phản ứng của kim loại với dung dịch muối là phản ứng oxi hóa – khử nên thường sử dụng phương pháp bảo toàn mol electron để giải các bài tập phức tạp, khó biện luận như hỗn hợp nhiều kim loại tác dụng với dung dịch chứa hỗn hợp nhiều muối. Các bài tập đơn giản hơn như một kim loại tác dụng với dung dịch một muối, hai kim loại tác dụng với dung dịch một muối,…có thể tính toán theo thứ tự các phương trình phản ứng xảy ra
- Sử dụng phương pháp tăng giảm khối lượng để tính khối lượng thanh kim loại sau phản ứng,…
- Từ số mol ban đầu của các chất tham gia phản ứng → 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 → biện luận các trường hợp xảy ra
- Kim loại khử anion của muối trong môi trường axit (bazơ) thì nên viết phương trình dạng ion thu gọn
- Kim loại (Mg → Cu) đẩy được Fe3+ về Fe2+. Ví dụ: Fe + 2Fe3+ → 3Fe2+ ; Cu + 2Fe3+ → Cu2+ + 2Fe2+
- Fe + 2Ag+ → Fe2+ + 2Ag. Nếu Fe hết, Ag+ còn dư thì: Fe2+ + Ag+ → Fe3+ + Ag

 

3) Một số ví dụ minh họa:

 

Ví dụ 1: 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. Kim loại M là:
A. Pb                            B. Ni                            C. Cd                                     D. Zn

 

Hướng dẫn: Gọi nFe2+pư = 2x mol → nAg+pư = x mol
M + Fe2+ → M2+ + Fe
2x ← 2x →            2x
→ ∆m↓ = 2x.(M – 56) → %mKl giảm = image105.gif(1)
M + 2Ag+ → M2+ + 2Ag
0,5x ← x →             x
→ ∆m↑ = 0,5x.(216 – M) → %mKl tăng = image109.gif(2)
- Từ (1) ; (2) → image111.gif→ M = 65 → Zn → đáp án D

 

Ví dụ 2: Cho m gam hỗn hợp bột các kim loại Ni và Cu vào dung dịch AgNO3 dư. Khuấy kĩ cho đến khi phản ứng kết thúc thu được 54 gam kim loại. Mặt khác cũng cho m gam hỗn hợp bột các kim loại trên vào dung dịch CuSO4 dư, khuấy kĩ cho đến khi phản ứng kết thúc, thu được kim loại có khối lượng bằng (m + 0,5) gam. Giá trị của m là:
A. 15,5 gam B. 16 gam                      C. 12,5 gam                         D. 18,5 gam

 

Hướng dẫn: Gọi nNi = x mol ; nCu = y mol có trong m gam hỗn hợp
Ni + 2Ag+ → Ni2+ + 2Ag (1)
Cu + 2Ag+ → Cu2+ + 2Ag (2)
Ni + Cu2+ → Ni2+ + Cu (3)
- Từ (3) → (64 – 59).x = 0,5 → x = 0,1 mol (*)
- Từ (1) → nAg(1) = 0,2 mol → mAg(1) = 21,6 gam → mAg(2) = 54 – 21,6 = 32,4 gam → nAg(2) = 0,3 mol → y = 0,15 mol (**)
- Từ (*) ; (**) → m = 0,1.59 + 0,15.64 = 15,5 gam → đáp án A

 

Ví dụ 3: Hòa tan hỗn hợp bột kim loại gồm 8,4 gam Fe và 6,4 gam Cu vào 350 ml dung dịch AgNO3 2M. Sau khi phản ứng xảy ra hoàn toàn thu được m gam chất rắn. Giá trị của m là:
A. 70,2 gam B. 54 gam                               C. 75,6 gam                            D. 64,8 gam

 

Hướng dẫn: nFe = 0,15 mol ; nCu = 0,1 ; nAg+ = 0,7 mol
Fe + 2Ag+ → Fe2+ + 2Ag (1)
0,15→ 0,3      0,15      0,3
Cu + 2Ag+ → Cu2+ + 2Ag
0,1 → 0,2                   0,2
Fe2+ + Ag+ → Fe3+ + Ag (3)
0,15 → 0,15                   0,15
Từ (1) ; (2) → m = (0,3 + 0,2 + 0,15).108 = 70,2 gam →  Đáp án A

 

Ví dụ 4: 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. Giá trị của m là:
A. 2,80 gam                            B. 4,08 gam C. 2,16 gam                            D. 0,64 gam

 

Hướng dẫn: nFe = 0,04 mol ; nAg+ = 0,02 mol ; nCu2+ = 0,1 mol
Thứ tự các phản ứng xảy ra là: (Fe2+/Fe < Cu2+/Cu < Fe3+ < Fe2+ < Ag+ < Ag)
Fe + 2Ag+ → Fe2+ + 2Ag (1)
0,01← 0,02 →          0,02
Fe + Cu2+ → Fe2+ + Cu (2)
0,03→                       0,03
Từ (1) ; (2) → mY = 0,02.108 + 0,03.64 = 4,08 gam →  đáp án B

 

Ví dụ 5: Cho hỗn hợp gồm 1,2 mol Mg và x mol Zn vào dung dịch chứa 2 mol Cu2+ và 1 mol Ag+ đến khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn, thu được một dung dịch chứa ba ion kim loại. Trong các giá trị sau đây, giá trị nào của x thoả mãn trường hợp trên:
A. 1,8                      B. 1,5                            C. 1,2 D. 2,0

 

Hướng dẫn:

 

- Dung dịch chứa 3 ion kim loại →  Mg2+, Zn2+, Cu2+
- Σ ne cho = (2,4 + 2x) mol và Σ ne nhận = 1 + 2.2 = 5 mol
- Yêu cầu bài toán thỏa mãn khi Σ ne cho < Σ ne nhận hay (2,4 + 2x) < 5 → x < 1,3 → x =1,2 →  đáp án C

 

Ví dụ 6: Cho m gam bột Fe vào 800 ml dung dịch hỗn hợp gồm Cu(NO3)2 0,2M và H2SO4 0,25M. Sau khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn, thu được 0,6m gam hỗn hợp bột kim loại và V lít khí NO (sản phẩm khử duy nhất, ở đktc). Giá trị của m và V lần lượt là:
A. 17,8 và 4,48                      B. 17,8 và 2,24 C. 10,8 và 4,48                      D. 10,8 và 2,24

 

Hướng dẫn: nCu2+ = 0,16 mol ; nNO3– = 0,32 mol ; nH+ = 0,4 mol
- Các phản ứng xảy ra là:
Fe + 4H+ + NO3– →  Fe3+ + NO + 2H2O (1)
0,1 ← 0,4 → 0,1       0,1      0,1
→ VNO = 0,1.22,4 = 2,24 lít (*)
Fe + 2Fe3+ → 3Fe2+ (2)
0,05 ← 0,1
Fe + Cu2+ → Fe2+ + Cu (3)
0,16 ← 0,16
- Từ (1) ; (2) ; (3) → nFepư = 0,1 + 0,05 + 0,16 = 0,31 mol
- Hỗn hợp bột kim loại gồm Fe dư và Cu → (m – 0,31.56) + 0,16.64 = 0,6m → m = 17,8 gam (**)
- Từ (*) ; (**) → đáp án B

 

IV – BÀI TẬP VỀ KIM LOẠI TÁC DỤNG VỚI OXIT KIM LOẠI (PHẢN ỨNG NHIỆT NHÔM)

 

1) Một số chú ý khi giải bài tập:

 

- Phản ứng nhiệt nhôm: Al + oxit kim loại image064.gif oxit nhôm + kim loại
(Hỗn hợp X)                      (Hỗn hợp Y)
- Thường gặp:
+ 2Al + Fe2O3 image064.gif Al2O3 + 2Fe
+ 2yAl + 3FexOy y image064.gif Al2O3 + 3xFe
+ (6x – 4y)Al + 3xFe2O3 image064.gif 6FexOy + (3x – 2y)Al2O3
- Nếu phản ứng xảy ra hoàn toàn, tùy theo tính chất của hỗn hợp Y tạo thành để biện luận. Ví dụ:
+ Hỗn hợp Y chứa 2 kim loại → Al dư ; oxit kim loại hết
+ Hỗn hợp Y tác dụng với dung dịch bazơ kiềm (NaOH,…) giải phóng H2 → có Al dư
+ Hỗn hợp Y tác dụng với dung dịch axit có khí bay ra thì có khả năng hỗn hợp Y chứa (Al2O3 + Fe) hoặc (Al2O3 + Fe + Al dư) hoặc (Al2O3 + Fe + oxit kim loại dư)
- Nếu phản ứng xảy ra không hoàn toàn, hỗn hợp Y gồm Al2O3, Fe, Al dư và Fe2O3 dư
- Thường sử dụng:
+ Định luật bảo toàn khối lượng: mhhX = mhhY
+ Định luật bảo toàn nguyên tố (mol nguyên tử): nAl (X) = nAl (Y) ; nFe (X) = nFe (Y) ; nO (X) = nO (Y)

 

2) Một số ví dụ minh họa:

 

Ví dụ 1: Nung nóng m gam hỗn hợp Al và Fe2O3 (trong điều kiện không có không khí) đến khi phản ứng xảy ra hoàn toàn , thu được hỗn hợp rắn Y. Chia Y thành hai phần bằng nhau:
• Phần 1: tác dụng với dung dịch H2SO4 loãng (dư) sinh ra 3,08 lít khí H2 (ở đktc)
• Phần 2: tác dụng với dung dịch NaOH (dư) sinh ra 0,84 lít khí H2 (ở đktc) Giá trị của m là:
A. 22,75 gam B. 21,40 gam                            C. 29,40 gam                            D. 29,43 gam

 

Hướng dẫn: nH2(1) = 0,1375 mol ; nH2(2) = 0,0375 mol
- Hỗn hợp rắn Y tác dụng với NaOH giải phóng H2 → Al dư và vì phản ứng xảy ra hoàn toàn nên thành phần hỗn hợp rắn Y gồm: Al2O3, Fe và Al dư
- Gọi nFe = x mol ; nAl dư = y mol có trong 1/2 hỗn hợp Y
- Từ đề ta có hệ phương trình: image119.gif
- Theo đlbt nguyên tố đối với O và Fe: nAl2O3 = nFe2O3 = image121.gif= 0,05 mol
- Theo đlbt khối lượng: m = (0,05.102 + 0,1.56 + 0,025.27).2 = 22,75 gam → đáp án A

 

Ví dụ 2: Nung nóng m gam hỗn hợp gồm Al và Fe3O4 trong điều kiện không có không khí. Sau khi phản ứng xảy ra hoàn toàn, thu được hỗn hợp rắn X. Cho X tác dụng với dung dịch NaOH (dư) thu được dung dịch Y, chất rắn Z và 3,36 lít khí H2 (ở đktc). Sục khí CO2 (dư) vào dung dịch Y, thu được 39 gam kết tủa. Giá trị của m là:
A. 45,6 gam                   B. 57,0 gam                      C. 48,3 gam D. 36,7 gam

 

Hướng dẫn: nH2 = 0,15 mol ; nAl(OH)3 = 0,5 mol
- Từ đề suy ra thành phần hỗn hợp rắn X gồm: Fe, Al2O3 (x mol) và Al dư (y mol)
- Các phản ứng xảy ra là:
2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na[Al(OH)4] + 3H2
Al2O3 + 2NaOH + 3H2O → 2Na[Al(OH)4]
CO2 + Na[Al(OH)4] → Al(OH)3 + NaHCO3
- nH2 = 0,15 mol → y = 0,1 mol
- Theo đlbt nguyên tố đối với Al: 2x + y = 0,5 → x = 0,2 mol
- Theo đlbt nguyên tố đối với O: nO(Feimage068.gifOimage093.gif) = nO(Alimage053.gifOimage068.gif) → nFe3O4 = image127.gifmol
- Theo đlbt nguyên tố đối với Fe: nFe = 3nF3O4 = 3.0,15 = 0,45 mol
- Theo đlbt khối lượng: m = 0,45.56 + 0,2.102 + 0,1.27 = 48,3 gam → đáp án C

 

Ví dụ 3: Thực hiện phản ứng nhiệt nhôm hỗn hợp X gồm Al và một oxit sắt FexOy (trong điều kiện không có không khí) thu được 92,35 gam chất rắn Y. Hòa tan Y trong dung dịch NaOH (dư) thấy có 8,4 lít khí H2 (ở đktc) thoát ra và còn lại phần không tan Z. Hòa tan 1/2 lượng Z bằng dung dịch H2SO4 đặc, nóng (dư) thấy có 13,44 lít khí SO2 (ở đktc) thoát ra. Biết các phản ứng xảy ra hoàn toàn. Khối lượng Al2O3 trong Y và công thức oxit sắt lần lượt là:
A. 40,8 gam và Fe3O4 B. 45,9 gam và Fe2O3
C. 40,8 gam và Fe2O3 D. 45,9 gam và Fe3O4

 

Hướng dẫn: nH2 = 0,375 mol ; nSO2(cả Z) = 2.0,6 = 1,2 mol
- Từ đề suy ra thành phần chất rắn Y gồm: Fe, Al2O3, Al dư và phần không tan Z là Fe
- nH2 = 0,375 mol → nAl dư = 0,25 mol
- nSO2 = 1,2 mol → nFe = image129.gifmol
- mAl2O3 = 92,35 – 0,8.56 – 0,25.27 = 40,8 gam (1) → nAl2O3 = 0,4 mol
- Theo đlbt nguyên tố đối với O → nO(Feimage131.gifOimage133.gif) = 0,4.3 = 1,2 mol
- Ta có: image135.gif → công thức oxit sắt là Fe2O3 (2)
- Từ (1) ; (2) → đáp án C

 

Ví dụ 4: Trộn 5,4 gam bột Al với 17,4 gam bột Fe3O4 rồi tiến hành phản ứng nhiệt nhôm (trong điều kiện không có không khí). Giả sử chỉ xảy ra phản ứng khử Fe3O4 thành Fe. Hòa tan hoàn toàn chất rắn sau phản ứng bằng dung dịch H2SO4 loãng (dư) thu được 5,376 lít khí H2 (ở đktc). Hiệu suất phản ứng nhiệt nhôm và số mol H2SO4 đã phản ứng là:
A. 75 % và 0,54 mol                                              B. 80 % và 0,52 mol
C. 75 % và 0,52 mol                                             D. 80 % và 0,54 mol

 

Hướng dẫn: nAl = 0,2 mol ; nFe3O4 = 0,075 mol ; nH2 = 0,24 mol
- Phản ứng xảy ra không hoàn toàn: 8Al + 3Fe3O4 image064.gif 4Al2O3 + 9Fe
x→      image137.gif 0,5x       image139.gif(mol)
- Hỗn hợp chất rắn gồm: image141.gif
- Ta có phương trình: image139.gif.2 + (0,2 – x).3 = 0,24.2 → x = 0,16 mol → Hphản ứng =image143.gif% (1)
- nH+phản ứng = 2.nFe + 3.nAl + 6.nAl2O3 + 8.nFe3O4 = 0,36 + 0,12 + 0,48 + 0,12 = 1,08 mol
→ nH2SO4phản ứng = image145.gifmol (2)
- Từ (1) ; (2) → đáp án D

 

V – MỘT BÀI TOÁN KINH ĐIỂN

 

1) Nội dung tổng quát:

 

image147.gif hỗn hợp rắn (M, MxOy) image149.gif M+n + sản phẩm khử
m gam                   m1 gam                                        (n là số oxi hóa cao nhất của M)
(M là kim loại Fe hoặc Cu và dung dịch HNO3 (H2SO4 đặc nóng) lấy vừa đủ hoặc dư)
- Gọi: nM = x mol ; ne (2) nhận = y mol → ∑ ne nhường = x.n mol
- Theo đlbt khối lượng từ (1) → nO = image151.gifmol
- ∑ ne nhận = ne (oxi) + ne (2) = image151.gif.2 + y = image153.gif+ y mol
- Theo đlbt mol electron: ∑ ne nhường = ∑ ne nhận → x.n = image153.gif+ y
- Nhân cả hai vế với M ta được: (M.x).n = image155.gif+ M.y → m.n = image157.gif→ m.image159.gifimage161.gif→ m = image163.gif(*)
- Thay M = 56 (Fe) ; n = 3 vào (*) ta được: m = 0,7.m1 + 5,6.y (1)
- Thay M = 64 (Cu) ; n = 2 vào (*) ta được: m = 0,8.m1 + 6,4.y (2)
(Khi biết 2 trong 3 đại lượng m, m1, y ta sẽ tính được đại lượng còn lại) 2)

 

Ví dụ minh họa:

 

Ví dụ 1: Cho 11,36 gam hỗn hợp gồm Fe, FeO, Fe2O3 và Fe3O4 phản ứng hết với dung dịch HNO3 loãng (dư), thu được 1,344 lít khí NO (sản phẩm khử duy nhất, ở đktc) và dung dịch X. Cô cạn dung dịch X thu được m gam muối khan. Giá trị m là:
A. 38,72 gam B. 35,50 gam             C. 49,09 gam                   D. 34,36 gam

 

Hướng dẫn: nNO = 0,06 mol → y = 0,06.3 = 0,18 mol
Theo công thức (1) ta có: nFe = image165.gifmol → nFe(NO3)3 = 0,16 mol
→ mmuối khan = 0,16.242 = 38,72 gam → đáp án A

 

Ví dụ 2: Để khử hoàn toàn 3,04 gam hỗn hợp X gồm FeO, Fe3O4, Fe2O3 cần 0,05 mol H2. Mặt khác, hòa tan hoàn toàn 3,04 gam hỗn hợp X trong dung dịch H2SO4 đặc thu được V ml khí SO2 (sản phẩm khử duy nhất ở đktc). Giá trị của V là:
A. 112 ml            B. 224 ml C. 336 ml                               D. 448 ml

 

Hướng dẫn: Thực chất phản ứng khử các oxit là: H2 + O(oxit) → H2O. Vì vậy nO(oxit) = nH2 = 0,05 mol → mFe = 3,04 – 0,05.16 = 2,24 gam
Theo công thức (1) ta có: ne nhận (S+6 → S+4) = y = image168.gifmol → nSO2 = 0,01 mol → V = 0,01.22,4 = 0,224 lít hay 224 ml → đáp án B

 

Ví dụ 3: Nung m gam bột Cu trong oxi thu được 37,6 gam hỗn hợp rắn X gồm Cu, CuO và Cu2O. Hòa tan hoàn toàn X trong dung dịch H2SO4 đặc, nóng (dư) thấy thoát ra 3,36 lít khí (ở đktc). Giá trị của m là:
A. 25,6 gam                        B. 32 gam C. 19,2 gam                            D. 22,4 gam

 

Hướng dẫn: nSO2 = 0,15 mol → y = 0,15.2 = 0,3 mol
Theo công thức (2) ta có: m = 0,8.37,6 + 6,4.0,3 = 32 gam → đáp án B  

 

Biên soạn Hồ Chí Tuấn – ĐH Y Hà Nội