Bài tập phương pháp bảo toàn electron

PHẠM VI ỨNG DỤNG: Sử dụng cho các bài toán có phản ứng oxi hóa – khử, đặc biệt là bài toán có nhiều chất oxi hóa, nhiều chất khử, các phản ứng xảy ra phức tạp, nhiều giai đoạn, nhiều qu

A LÝ THUYẾT

I NGUYÊN TẮC CHUNG VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA PHƯƠNG PHÁP:

- Trong phản ứng oxi hóa – khử, tổng số mol electron mà chất khử cho đi bằng tổng số mol mà chất oxi hóa nhận về

Dựa vào định luật bảo toàn electron: ne cho = ne nhận

II PHẠM VI ỨNG DỤNG:

Sử dụng cho các bài toán có phản ứng oxi hóa – khử, đặc biệt là bài toán có nhiều chất oxi hóa, nhiều chất khử, các phản ứng xảy ra phức tạp, nhiều giai đoạn, nhiều quá trình

III ĐÁNH GIÁ:

1 Ưu điểm:

Giải nhanh các bài toán có nhiều chất oxi hóa, nhiều chất khử, các quá trình hóa học một cách dễ dàng, nhanh hơn cách giải thông thường

2 Nhược điểm:

Chủ yếu áp dụng cho các bài toán oxi hóa – khử Nếu xác định sai chất nhận và chất nhường electron làm cả bài toán sai

Chú ý:

- Trong một phản ứng hoặc một hệ phản ứng, cần xác định chính xác chất nhường và nhận electron Cần quan tâm đến trạng thái oxi hóa ban đầu và cuối của một nguyên tố mà không cần quan tâm đến quá trình biến đổi trung gian

- Cần kết hợp các phương pháp khác như bảo toàn khối lượng, bảo toàn nguyên tố…

- Nếu bài toán có nhiều chất oxi hóa và nhiều chất khử cùng tham gia trong bài toán, ta cần tìm tổng số mol electron nhận và tổng số mol electron nhường rồi mới cân bằng

IV MỘT SỐ PHẢN ỨNG OXI HÓA KHỬ THƯỜNG GẶP:

- Phản ứng nhiệt nhôm

- Kim loại tác dụng với dung dịch muối (chú ý dãy điện hóa của kim loại để biết thứ tự phản ứng)

- Hỗn hợp (Fe, oxit Fe) tác dụng với chất oxi hóa Ta có công thức:

- Phản ứng của Fe, Cu với NO3− / H+ (chú ý thứ tự phản ứng và phản ứng của Fe3+ với Cu)

- Bài toán kim loại tác dụng với H2SO4 đặc nóng/HNO3 Ta có công thức:

mFe = 0,7.mhỗn hợp + 5,6.ne (cho hoặc nhận)

nHNO3phản ứng = 2nNO2 = 4nNO = 10nN2O = 12nN2

nNO3− (muối) = 2ne (cho hoặc nhận) = nNO2 = 3nNO = 8nN2O = 10nN2

nH2SO4phản ứng = 2nSO2 = 4nS

nSO2− (muối) = 1

2ne (cho hoặc nhận) = nSO2 = 3nS

V PHÂN LOẠI VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI:

DẠNG 1: Tính trực tiếp một thành phần của phản ứng

Ví dụ 1:

Hòa tan hoàn toàn 12 gam hỗn hợp Fe, Cu với tỉ lệ mol 1:1 bằng HNO3 dư 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:

GIẢI Đặt nNO= a (mol) và nNO2 = b (mol)

nFe = nCu = x (mol) => 56x + 64x = 12 => 120x = 12 => x = 0,1 (mol)

Ta có M = 19.2 = 38 X

X

M = 38

=> a

b=8

8 => a = b hay nNO = nNO2 = a (mol)

Các quá trình oxi hóa – khử xảy ra:

Quá trình nhường electron Quá trình nhận electron

0

Fe

+3

Fe + 3e N+5 + 3e N+2O

0

Cu Cu+2 + 2e N+5 + 1e N+4O2

Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có:

e cho

n

 = ne nhận

Do đó: 0,3 + 0,2 = 3a + a => a = 0,125 mol

Vhỗn hợp khí = 2a.22,4 = 2.0,125.22,4 = 5,6 lít => Đáp án C

Ví dụ 2:

Cho 140,4 gam Al tác dụng với dung dịch HNO3 loãng dư thu được V lít hỗn hợp X gồm NO, N2, N2O có tỉ

lệ số mol tương ứng là 1 : 2 : 2 Giá trị của V ở đktc là:

GIẢI

nAl = 140,4

27 = 5,2 mol

Gọi nNO = x => nN2 = nN2O = 2x (mol)

Các quá trình oxi hóa – khử xảy ra:

Quá trình nhường electron Quá trình nhận electron

0

Al Al+3 + 3e N+5 + 3e N+2O

5,2 15,6 3x x

2N+5 + 10e N02 20x 2x

2N+5 + 8e N+12O 16x 2x

Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có:

e cho

n

 = ne nhận

Do đó: 3x + 20x + 16x = 15,6 => x = 0,4 (mol)

Vhỗn hợp khí = (x + 2x + 2x).22,4 = 5x.22,4 = 5.0,4.22,4 = 44,8 lít => Đáp án A

Ví dụ 3:

Cho m gam Cu tác dụng với dung dịch HNO3 dư thu được 8,96 lít hỗn hợp X gồm NO và NO2 có khối lượng 15,2 gam Giá trị của m là:

GIẢI

nhỗn hợp X = 8,96

22,4 = 0,4 mol

Gọi a, b là số mol NO và NO2 trong X, và x là số mol của Cu

Ta có hệ phương trình:

{m nhỗn hợp X = a + b = 0,4 mol

hỗn hợp X = 30a + 46b = 15,2 gam => a = b = 0,2 mol

Các quá trình oxi hóa – khử xảy ra:

Quá trình nhường electron Quá trình nhận electron

0

Cu Cu+2 + 2e N+5 + 3e N+2O

x 2x 0,6 0,2

+5

N + 1e N+4O2 0,2 0,2

Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có:

e cho

n

 = ne nhận

Do đó: 2x = 0,6 + 0,2 => x = 0,4 (mol) => mCu = 0,4.64 = 25,6 gam => Đáp án B

Ví dụ 4:

Hòa tan 3,024 gam kim loại M trong HNO3 dư thu được 940,8 ml khí NxOy (sản phẩm khử duy nhất, ở đktc) Biết khối lượng riêng của NxOy so với H2 là 22 Khí NxOy và kim loại M là:

A NO và Mg B N2O và Al C N2O và Fe D NO2 và Al

GIẢI

MNxOy = 22.2 = 44 => Khí NxOy là N2O (Loại đáp án A và D)

nN2O = 0,9408

22,4 = 0,042 mol

Các quá trình oxi hóa – khử xảy ra:

Quá trình nhường electron Quá trình nhận electron

0

M M+n + ne 2N+5 + 8e N+12O

x nx 0,336 0,042

Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có:

e cho

n

 = ne nhận

Do đó: nx = 0,336 => x = 0,336

n (mol)

MX = 3,0240,336

n

= 9n

Vậy kim loại cần tìm là Al => Đáp án B

Chú ý: Kim loại mạnh (như Al, Zn, Mg…) tác dụng với HNO3 loãng dung dịch thu được có thể có NH4NO3

Ví dụ 5:

Hòa tan hoàn toàn 12,42 gam Al trong dung dịch HNO3 loãng dư thu được 1,344 lít hỗn hợp khí X gồm N2 và N2O (ở đktc) có tỉ khối so với H2 là 18 Cô cạn dung dịch sau phản ứng thu được m gam muối khan Giá trị của m là:

A 34,08 gam B 106,38 gam C 38,34 gam D 97,98 gam

GIẢI

Al tan hoàn toàn trong HNO3 dư => toàn bộ Al biến hết thành Al(NO3)3

nAl = nAl(NO3)312,42

27 = 0,46 mol; nhỗn hợp khí = 1,344

22,4 = 0,06 mol

M = 18.2 = 36 => nN2 = nN2O = nX

2 = 0,06

2 = 0,03 mol

Các quá trình oxi hóa – khử xảy ra:

Quá trình nhường electron Quá trình nhận electron

0

Al Al+3 + 3e 2N+5 + 10e N02

0,46 0,46 1,38 0,3 0,03

2N+5 + 8e N+12O

0,24 0,03

Ta có ne nhận = 0,3 + 0,24 = 0,54 mol <ne cho= 1,38 mol

 Sản phẩm thu được có muối NH4NO3

 Số mol e mà NH4NO3 nhận = 1,38 – 0,54 = 0,84 mol

2N+5 + 8e N-3 H4NO3

0,84 0,105

Hỗn hợp sau phản ứng gồm Al(NO3)3 và NH4NO3

m = 0,46.213 + 0,105.80 = 106,38 gam => Đáp án B

Ví dụ 6:

Cho 9,6 gam Mg tác dụng với dung dịch chứa 49 gam H2SO4 đặc nóng vừa đủ thu được muối, nước và một sản phẩm khử X duy nhất X là:

GIẢI

Mg tác dụng với H2SO4 vừa đủ => Toàn bộ Mg biến hết thành MgSO4

nMg = nMgSO4= 9,6

24 = 0,4 mol; nH2SO4 = 49

98 = 0,5 mol

Bảo toàn nguyên tố S ta có: nS (trong H2SO4) = nS (trong MgSO4) + nS (trong X)

 0,5 = 0,4 + nS (trong X) => nS (trong X) = 0,1 mol

ne cho = 2nMg = 0,4.2 = 0,8 mol = ne nhận

0,1 mol X nhận 0,8 mol e

 1 mol X nhận 8 mol e => X là H2S

DẠNG 2: Sử dụng biểu thức bảo toàn electron như 1 phương trình trong hệ phương trình đại số

Ví dụ 1:

Hòa tan hoàn toàn 17,4 gam hỗn hợp X gồm Fe, Cu, Al trong H2SO4 loãng dư thu được dung dịch A; 6,4 gam chất rắn và 9,856 lít khí H2 (27,30C; 1 atm)

Tính % khối lượng các kim loại trong X?

GIẢI

nH2 = P.V

R.T = 22,41.9,856

273.(273+27,3) = 9,856.273

22,4.300,3 = 0,4 mol

2H2

Gọi x, y, z lần lượt là số mol Fe, Cu, Al trong X Ta có hệ phương trình:

{

mhỗn hợp X = 56x + 64y + 27z = 17,4

nH2 = x + 32z = 0,4

mrắn = 64y = 6,4 gam

=> {

x = 0,1

y = 0,1

z = 0,2

=> {

mFe = 0,1.56 = 5,6 gam

mCu = 0,1.64 = 6,4 gam

mAl = 0,2.27 = 5,4 gam

=>

{

%mFe= 5,6.100 17,4 = 32,18%

%mCu = 6,4.100 17,4 = 36,78%

%mAl= 5,4.100 17,4 = 31,03%

Ví dụ 2:

Hòa tan 15 gam hỗn hợp Mg và Al trong dung dịch HNO3 và H2SO4 đặc nóng thu được hỗn hợp khí chứa 0,1 mol mỗi khí NO, NO2, N2O, SO2 Tính phần trăm khối lượng mỗi kim loại trong hỗn hợp ban đầu?

GIẢI Gọi số mol của Mg và Al trong hỗn hợp ban đầu là x và y Ta có hệ phương trình:

{n mhỗn hợp = 24x + 27y = 15 gam

e (cho hoặc nhận) = 2x + 3y = 0,1(3 + 1 + 8 + 2) => {

x = 0,4 mol

y = 0,2 mol

{ m mMg = 0,4.24 = 9,6 gam

%mMg = 9,6.10015 = 64%

%mAl = 5,4.100

DẠNG 3: So sánh hai quá trình oxi hóa – khử

- Nếu kim loại có hóa trị không đổi thì số mol kim loại cho bằng hằng số trong mọi phản ứng oxi hóa – khử

- Nếu kim loại có hóa trị thay đổi mối liên hệ giữa số mol kim loại với số mol e chênh lệch

Ví dụ 1:

Chia hỗn hợp 2 kim loại có hóa trị không đổi và đứng trước H trong dãy điện hóa thành 2 phần bằng nhau

- Phần 1: tác dụng với dung dịch HCl và H2SO4 loãng dư thu được 3,36 lít khí H2 (đktc)

- Phần 2: tác dụng với dung dịch HNO3 loãng dư thu được V lít khí NO (đktc)

Giá trị của V là:

GIẢI

ne cho (ở TH1) = ne cho (ở TH2)

2H+ + 2e H2

=> ne = 2nH2 = 2.0,015 = 0,3 mol

=> nNO = 0,33 = 0,1 mol => V = 2,24 lít => Đáp án C

Ví dụ 2:

Cho hỗn hợp X gồm Fe, Zn, Mg tác dụng HCl dư thu được 12,32 lít khí H2 Mặt khác X tác dụng HNO3 đặc thu được 29,12 lít khí NO2 (đktc) Khối lượng Fe trong X là:

A 11,2 gam B 5,6 gam C 9,6 gam D 22,4 gam

GIẢI

Cách 1: Dựa vào sự chênh lệch e:

Do Fe + 2H+ Fe2+ + H2 (1)

(Fe Fe+2 + 2e)

x 2x

Fe + NO3− + H+ Fe3+ + NO2 + H2O (2)

(Fe Fe+3 + 3e)

x 3x

nFe = ne (2) – ne (1) = 29,1222,4 – 12,3222,4.2 = 0,2 mol

 mFe = 0,2.56 = 11,2 gam => Đáp án A

Cách 2:

Gọi a, b, c lần lượt là số mol Fe, Zn, Mg Ta có:

{ne (1)= 2a + 2b + 2c = 2nH2 = 1,1 mol (∗)

ne (2)= 3a + 2b + 2c = nNO2 = 1,3 mol (∗∗)

A = (**) – (*) = 0,2 mol => mFe = 0,2.56 = 11,2 gam => Đáp án A

Ví dụ 3:

Cho 11,8 gam hỗn hợp X gồm Al và kim loại M có hóa trị không đổi tác dụng vừa đủ với 150 ml dung dịch CuSO4 2M Mặt khác 5,9 gam hỗn hợp X tác dụng với HNO3 đặc thu được 0,4 mol NO2 (sản phẩm khử duy nhất) Kim loại M là:

GIẢI

- X + CuSO4: (1)

Al + Cu2+ Cu + Al3+

(Al Al+3 + 3e)

M + Cu2+ Cu +Mn+

(M M+n + ne) => ne (1) = 2nCu2+ = 0,15.2.2 = 0,6 mol

- X + HNO3: (2)

Al, M Al+3 , M+n

+5

N

+4

NO2 => ne (2) = nNO2 = 0,4 mol

Trong 5,9 gam hỗn hợp X ne (2) = 0,4 mol

 11,8 gam hỗn hợp X ne (2) = 0,8 mol > ne (1) = 0,6 mol

Kim loại M có nhiều hoá trị (M tác dụng HNO3 cho nhiều e hơn) (Loại vì M có hóa trị không đổi)

So sánh

Kim loại M tác dụng HNO3 nhưng không tác dụng với Cu2+

 Đáp án A

DẠNG 4: Các quá trình oxi hóa – khử nhiều giai đoạn

Một số trường hợp có thể gặp:

- Fe tác dụng H2SO4 loãng Fe2+ + KMnO4

sản phẩm

- Nhiệt nhôm hỗn hợp các oxit + HNO3 sản phẩm

Ví dụ 1:

Trộn 0,81 gam Al với Fe2O3 và CuO rồi nung nóng thu được hỗn hợp A Hòa tan hết A bằng HNO3 dư thu được V lít khí NO ở điều kiện tiêu chuẩn Giá trị của V là:

GIẢI {Fe Al

2O3, CuO

t°

hỗn hợp A + HNO3 { Al3+

Fe3+, Cu2+ + NO ↑

Thực chất chỉ có: { Al

+3

Al + 3e +5

N + 3e +2NO

=> nAl = nNO = 0,8127 = 0,03 mol => VNO = 0,03.22,4 = 0,672 lít

 Đáp án B

Ví dụ 2:

Cho hỗn hợp gồm m gam Cu và 4,64 gam Fe3O4 tác dụng với dung dịch H2SO4 loãng dư thu được dung dịch X Biết X phản ứng vừa đủ với 100 ml dung dịch KMnO4 0,1M Giá trị của m là:

Sơ đồ hóa bài toán:

{Fe3O4

Cu

+ H2SO4

dung dịch X + K

+7

Mn O 4 , H + dư

→ {Fe+3

Cu+2 + Mn2+

Thực chất chỉ có các biến đổi:

{

Fe3O4 Fe+3 + 3e 0

Cu Cu+2 + 2e +7

Mn + 5e Mn+2

Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có:

e cho

n

 = ne nhận

 nFe3O4 + 2nCu = 5nKMnO4

0,02 + 2nCu = 0,05 => nCu = 0,015 mol => mCu = 0,015.64 = 0,96 gam => Đáp án A

B BÀI TẬP Câu 1 Cho 6,72 gam Fe tác dụng với 400 ml dung dịch HNO3 1M thu được dung dịch X và khí NO là sản

phẩm khử duy nhất Dung dịch X có thể hòa tan tối đa m gam Cu Giá trị của m là:

Câu 2 Hòa tan 5,6 gam Fe bằng dung dịch H2SO4 loãng dư thu được dung dịch X Dung dịch X phản ứng

vừa đủ với V ml dung dịch KMnO4 0,5M Giá trị của V là:

Câu 3 Hòa tan 5,4 gam Al bằng một lượng dung dịch H2SO4 loãng dư Sau khi phản ứng thu được dung

dịch X và V lít khí hiđro (ở đktc) Giá trị của V là:

Câu 4 Nung m gam bột sắt trong oxi thu được 3 gam hỗn hợp chất rắn X Hòa tan hết hỗn hợp X trong

dung dịch HNO3 dư thoát ra 0,56 lít (ở đktc) NO (là sản phẩm khử duy nhất) Giá trị của m là:

Câu 5 Cho m gam Al tan hoàn toàn trong dung dịch HNO3 thì thấy thoát ra 11,2 lít (đktc) hỗn hợp khí A

gồm 3 khí N2, NO, N2O có tỉ lệ mol tương ứng là 2 : 1 : 2 Giá trị của m là:

Câu 6 Hòa tan a gam hỗn hợp X gồm Mg và Al vào HNO3 đặc nguội, dư thì thu được 0,336 lít NO2 (ở

00C, 2 atm) Cũng a gam hỗn hợp X trên khi hòa tan trong HNO3 loãng dư thi thu được 0,168 lít NO (ở

00C, 4 atm) Khối lượng hai kim loại trên trong hỗn hợp ban đầu lần lượt là:

A 4,05 gam và 4,8 gam B 5,4 gam và 3,6 gam

C 0,54 gam và 0,36 gam D Kết quả khác

Câu 7 Hòa tan hết 12 gam một kim loại chưa rõ hóa trị vào HNO3 loãng thu được 2,24 lít khí (đktc)

một khí duy nhất có đặc tính không màu, không mùi, không cháy Kim loại đã dùng là:

Câu 8 Thể tích dung dịch FeSO4 0,5M cần thiết để phản ứng vừa đủ với 100 ml dung dịch chứa KMnO4

0,2M và K2Cr2O7 0,2M ở môi trường axit là:

(Trong môi trường axit Mn từ +7 xuống +2; còn Cr từ +6 xuống +3)

A 0,16 lít B 0,32 lít C 0,08 lít D 0,64 lít

Câu 9 Một oxit nitơ X chứa 30,43% N về khối lượng Tỉ khối của X so với không khí là 1,5862 Cần bao

nhiêu gam dung dịch HNO3 40% tác dụng với Cu để điều chế 1 lít khí X (ở 1340C, 1 atm) Giả sử phản ứng chỉ giải phóng duy nhất khí X

A 13,4 gam B 9,45 gam C 12,3 gam D Kết quả khác

Câu 10 Cho H2SO4 loãng dư tác dụng với 6,66 gam hỗn hợp 2 kim loại X và Y đều hóa trị II, người ta thi

được 0,1 mol khí, đồng thời khối lượng hỗn hợp giảm 6,5 gam Hòa tan phần còn lại bằng H2SO4 đặc nóng người ta thấy thoát ra 0,16 gam khí SO2 X và Y là những kim loại nào sau đây:

A Hg và Zn B Cu và Zn C Cu và Ca D Kết quả khác

Câu 11 Hòa tan hoàn toàn 16,2 gam một kim loại hóa trị chưa rõ bằng dung dịch HNO3 được 5,6 lít

(đktc) hỗn hợp A nặng 7,2 gam gồm NO và N2 Kim loại đã cho là:

Câu 12 Hòa tan hết a gam Cu trong dung dịch HNO3 loãng thì thu được 1,12 lít hỗn hợp khí NO và NO2

(đktc) có tỉ khối hơi đối với H2 là 16,6 Giá trị của a là:

Câu 13 Hòa tan lần lượt a gam Mg xong đến b gam Fe, c gam một oxit sắt X trong H2SO4 loãng dư thì

thu được 1,23 lít khí A (ở 270C, 1 atm) và dung dịch B Lấy 1/5 dung dịch B cho tác dụng vừa đủ với dung dịch KMnO4 0,05M thì hết 60 ml được dung dịch C Công thức của oxit sắt đã dùng là:

A Fe2O3 B Fe3O4 C FeO.Fe2O3 D B và C đúng

Câu 14 Hòa tan hết 6 gam hỗn hợp A gồm Fe và Cu bằng dung dịch HNO3 đặc nóng thì thoát ra 5,6 lít

khí nâu đỏ duy nhất (đktc) Phần trăm khối lượng Cu trong hỗn hợp trên là:

A 53,33% B 46,66% C 70% D 90%

Câu 15 Hòa tan hoàn toàn 12,8 gam Cu trong dung dịch HNO3 thấy thoát ra V lít hỗn hợp khí A gồm

NO, NO2 ở đktc Biết tỉ khối của A đối với H2 là 19 Giá trị của V là:

A 4,48 B 2,24 C 0,448 D 3,36

Câu 16 Hòa tan hết 7,44 gam hỗn hợp Mg, Al trong 500 ml dung dịch HNO3 loãng vừa đủ thu được

dung dịch A và 3,136 lít (đktc) hỗn hợp hai khí đẳng mol có khối lượng 5,18 gam, trong đó có một khí

bị hóa nâu trong không khí Thành phần phần trăm theo khối lượng của Al trong hỗn hợp là:

Câu 17 Nung x gam Fe trong không khí thu được 104,8 gam hỗn hợp rắn A gồm Fe, FeO, Fe2O3, Fe3O4

Hòa tan A trong dung dịch HNO3 dư thu được dung dịch B và 12,096 lít hỗn hợp khí NO và NO2 (đktc)

có tỉ khối đối với heli là 10,167 Giá trị của X là:

A 74,8 gam B 87,4 gam C 47,8 gam D 78,4 gam

Câu 18 Hòa tan 19,2 gam kim loại M trong H2SO4 đặc dư thu được khí SO2 Cho khí này hấp thụ hoàn

toàn trong 1 lít dung dịch NaOH 0,6M, sau phản ứng đem cô cạn dung dịch thu được 37,8 gam chất rắn

M là kim loại nào sau đây:

A Cu B Mg C Fe D Ca

Câu 19 Hòa tan hoàn toàn m gam Al vào dung dịch HNO3 loãng thì thu được hỗn hợp gồm 0,015 mol

khí N2O và 0,01 mol khí NO Giá trị của m là:

Câu 20 Hòa tan hết 3,24 gam kim loại A trong 100 ml dung dịch NaOH 1,5M thu được 4,032 lít H2

(đktc) và dung dịch D A là kim loại nào sau đây:

Câu 21 Nung x mol Fe trong không khí một thời gian thu được 16,08 gam hỗn hợp A gồm 4 chất (Fe và

3 oxit của nó) Hòa tan hết lượng hỗn hợp A trên bằng dung dịch HNO3 loãng thu được 672 ml khí NO duy nhất (ở đktc) Giá trị của x là: