PHƯƠNG PHÁP BẢO TOÀN KHỐI LƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP TĂNG GIẢM KHỐI LƯỢNG

Vận dụng định luật vào giải toán: Vận dụng định luật bảo toàn khối lượng trong giải toán hóa học, giúp người học có thể đưa ra những phương pháp nhanh chóng để giải quyết một bài toán TN

lượng

PHƯƠNG PHÁP BẢO TOÀN KHỐI LƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP TĂNG GIẢM KHỐI LƯỢNG

I Phương pháp bảo toàn khối lượng :[2], [6], [11], [13], [14]

Vào khoảng đầu những năm 50 của thế kỷ XVIII, nhà bác học vĩ đại người Nga M.V

Lômônôxốp (1711-1765) và Lavoadie (A.Lavoisier) người Pháp là những người đầu tiên phát hiện

ra ĐLBTKL: “Trong một phản ứng hóa học, tổng khối lượng của các sản phẩm bằng tổng khối lượng của các chất tham gia” Qua hơn 100 năm sau, định luật đã được hai nhà bác học là Stat kiểm tra lại vào những năm 1860-1870; Landon vào năm 1909 sử dụng cân với đọ chính xác 0,00001g

I.1 Nội dung của định luật:

“Khối lượng của các chất tham gia phản ứng bằng tổng khối lượng của các chất tạo thành sau phản ứng”

I.2 Vận dụng định luật vào giải toán:

Vận dụng định luật bảo toàn khối lượng trong giải toán hóa học, giúp người học có thể đưa ra những phương pháp nhanh chóng để giải quyết một bài toán TNKQ hơn nhiều lần so với phương pháp thông thường là tính toán theo phương trình, đồng thời người dạy cũng có thể dựa vào đó để xây dựng bộ câu hỏi TNKQ liên quan đến định luật nhằm rèn luyện tư duy năng lực phát hiện vấn

đề của người học

Sau đây là một số dạng toán được sưu tầm và xây dựng từ sự vận dụng ĐLBTKL:

I.2.1 Dạng 1: Xác định khối lượng của chất tham gia hoặc sản phẩm trong phản ứng hóa học dựa trên nguyên tắc trong phản ứng hóa học, dù các chất tham gia phản ứng là vừa đủ hay có chất dư thì tổng khối lượng của các chất trước phản ứng bằng tổng khối lượng của các chất tạo thành sau phản ứng (sản phẩm và chất dư nếu có): mtrước = m sau

Nếu sau phản ứng có chất tách khỏi môi trường do bay hơi hay kết tủa là không trùng trạng thái vật lý thì hệ quả trên vẫn không thay đổi nhưng: mtrước = m sau = m tan + m↓ + m↑.

Ví dụ 1: [10] Khử 4,64g hỗn hợp X gồm FeO, Fe 3 O 4, Fe 2 O 3 có số mol bằng nhau bằng CO thu được chất rắn Y Khí thoát ra sau phản ứng được dẫn vào dung dịch Ba(OH) 2 dư thu được 1,79g kết tủa Khối lượng của chất rắn Y là:

Cách giải: hh X + CO → Y + CO2

lượng

CO2 + Ba(OH)2 → BaCO3 ↓+ H2O

CO2

1,97

197

Áp dụng ĐLBTKL, ta có: mXmCO mYmCO 2  mY mXmCO mCO 2

 mY 4,64 0,01(28 44) 4, 48(g)  

→ Đáp án A đúng

không cần sử dụng vẫn cho ta kết quả đúng Nếu học sinh sử dụng dữ kiện trên và giải bài toán theo phương pháp chính tắc là lí luận theo phương trình hóa học thì sẽ đưa bài toán đến bế tắc vì không có dữ liệu nào cho biết hh X bị khử hoàn toàn hay không, sau phản ứng hh X còn hay hết Nhưng nếu lí luận theo ĐLBTKL, hh X còn hay hết không quan trọng với việc tính toán; do đó giải quyết bài toán một cách nhanh chóng

Ví dụ 2: [17] Nung 13,4g hỗn hợp 2 muối cacbonat của 2 kim loại của hóa trị II, thu được

6,8g chất rắn và khí X Lượng khí X sinh ra cho hấp thụ vào 75ml dd NaOH 1M, khối lượng muối khan thu được sau phản ứng là (cho H =1, C =12, O =16, Na =23)

Cách giải:

Gọi chung công thức hỗn hợp 2 muối: MCO3

0

t

Áp dụng ĐLBTKL, ta có: mMCO3 mMOmCO 2

NaOH

m m m 13, 4 6,8 6,6(g) n 0,15(mol)

n 0,075x1 0,075(mol)

2

1 1 2

NaOH CO

n T n

→ tạo muối NaHCO3 và dư CO2

CO2NaOH NaHCO3

mNaHCO 3 0,075x84 6,3(g)

lượng

Vậy chọn đáp án D

Ví dụ 3: [tự ra] Hòa tan m(g) hỗn hợp Zn và Fe cần vừa đủ 1l dd HCl 3,65M (d=1,19g/ml)

thu được 1 chất khí và 1250g dd D Vậy m có giá trị:

Cách giải: mddHCl 1000x1,19 1190(g) ; nHCl 3,65x1 3,65(mol)

Zn + 2HCl→ ZnCl2 + H2↑

Fe + 2HCl→ FeCl2 + H2↑

Áp dụng ĐLBTKL, ta có: mhh(Zn,Fe)mddHCl mddDmH 2

hh(Zn,Fe)

3,65

2

Vậy chọn đáp án C

Ví dụ 4: [15] Cho 115g hỗn hợp gồm ACO 3 , B 2 CO 3 , R 2 CO 3 tác dụng hết với dd HCl thấy thoát

ra 0,448l CO 2 (đktc) Khối lượng muối clorua tạo ra trong dung dịch là:

Cách giải:

ACO 2HCl ACl H O CO

B CO 2HCl 2BCl H O CO

R CO 2HCl 2RCl H O CO







0, 448

n 0,02(mol); n 2n 2n 2x0,02 0,04(mol)

22, 4

Áp dụng ĐLBTKL: mmuối cacbonat + mHCl = mmuối clorua + mH O 2 mCO 2

→ mmuối clorua = mmuối cacbonat + mHCl - mH O 2  mCO 2

= 115 + 0,04 x 36,5 - 0,02 (18 + 44) = 115,22 (g)

→ Chọn đáp án A

lượng

Nhúng vào dung dịch A một thanh Fe Sau một khoảng thời gian lấy thanh Fe ra cân lại thấy tăng thêm 0,8g Cô cạn dung dịch sau phản ứng thì thu được m gam muối khan Giá trị của m là:

Cách giải: giải theo phương pháp bảo toàn khối lượng:

Áp dụng ĐLBTKL, ta có: sau một khoảng thời gian độ tăng khối lượng của thanh Fe bằng độ giảm khối lượng của dung dịch muối Vậy: m = 3,28 - 0,8 = 2,48 (g)

Chọn đáp án B

này đòi hỏi HS phải nắm vững định luật và biết phát hiện ra vấn đề

I.2.2 Dạng 2: Khi cation kết hợp với anion để tạo ra hợp chất như axit, oxit,

hiđroxit, muối, thì ta luôn có: khối lượng hợp chất = khối lượng các cation + khối lượng các

anion

Thông thường để tính toán khối lượng các muối khan thu được trong dung dịch sau phản ứng

thoát ra 0,672 lít khí H 2 (đktc) Khối lượng hỗn hợp muối sunfat khan thu được sẽ là:

Cách giải: 2 kim loại + H2SO4l → hh muối sunfat + H2

2

H H SO SO 0,672

22, 4



Nhận thấy mmuối sunfat = mcation + manion = mkim loại + mSO24 

= 1,04 + 0,03 x 96 = 3,92 (g) Vậy chọn đáp án A

- Nếu HS phát hiện được vấn đề của bài toán thì việc giải quyết bài toán này trở nên vô cùng đơn giản Nhưng nếu HS cứ áp dụng máy móc phương pháp giải truyền thống là đặt ẩn, giải hệ đưa đến một hệ phương trình nhiều ẩn số hơn số phương trình, do đó bài toán trở nên phức tạp Các dạng bài tập này có thể sử dụng để rèn luyện năng lực phát hiện vấn đề của HS

lượng

- Vận dụng định luật BTKL để tính khối lượng hợp chất sẽ được phát triển thêm, hình thành nên một phương pháp được ứng dụng phổ biến trong giải toán hóa học Đó là phương pháp tăng giảm khối lượng Do đó, các bài tập của phần vận dụng này được kết hợp giải quyết với phương pháp tăng giảm khối lượng

II Phương pháp tăng giảm khối lượng:[2], [13], [14]

II.1 Nguyên tắc của phương pháp:

Dựa vào sự tăng (giảm) khối lượng khi chuyển từ 1 mol chất A thành 1 mol hoặc nhiều mol chất B (có thể qua các giai đoạn trung gian) ta có thể dễ dàng tính được số mol của các chất

và ngược lại hoặc trong quá trình phản ứng có sự thay đổi khối lượng các chất.

II.2 Vận dụng phương pháp tăng giảm khối lượng trong giải toán:

II.2.1 Dạng toán phản ứng hóa học có sự thay đổi thành phần của hợp chất (có thể

là anion hoặc cation) và làm chênh lệch khối lượng giữa chất cũ và chất mới:

Ví dụ 1: giải lại ví dụ 4 của ĐLBTKL bằng phương pháp tăng giảm khối lượng.

Theo (1), (2), (3): từ muối cacbonat chuyển thành muối clorua thì khối lượng muối tăng:

71 - 60 = 11g và tạo ra 1 mol CO2

Theo đề: nCO 2 0,02(mol)

 khối lượng muối tăng: m 0,02x11 0, 22(g)   mmuối clorua = mmuối cacbonat + m= 115 + 0,22 = 115,22 (g)

Vậy đáp án đúng là A

Ví dụ 2: [10] Hòa tan 9,875g một muối hiđrocacbonat vào nước, cho tác dụng với dung dịch

H 2 SO 4 vừa đủ rồi đem cô cạn thu được 8,25g một muối sunfat trung hòa khan Công thức phân tử của muối là:

3

Cách giải: gọi muối hiđrocacbonat: R(HCO ) với n là hóa trị của kim loại trong muối đó.3 n

Theo phương trình: cứ 2 mol muối hiđrocacbonat chuyển thành 1 mol muối sunfat thì khối lượng muối giảm: 61x 2n - 96n = 26n (g) và là khối lượng của 2n mol CO2.

Độ tăng (giảm) lượng muối theo đề bài

Số mol =

Độ tăng (giảm) lượng muối theo phương trình

lượng

Theo đề: ∆mgiảm = 9,875 - 8,25 = 1,625 (g)

Ta có hệ thức tính MR: MR =

9,875

61n 18n 0,125

n

(NH4)

39 (loại)

 Chọn đáp án A

 Nhận xét:

- Nếu HS dựa vào phương trình hóa học với 2 số liệu của đề bài để giải quyết bài toán thì phải chia ra 2 trường hợp tương ứng với hóa trị của R là 1 hoặc 2 để đưa ra công thức của muối sunfat phù hợp (công thức tổng quát không phù hợp với trường hợp n = 2) Nhưng khi sử dụng phương pháp tăng giảm khối lượng thì chỉ cần quan tâm đến tỉ lệ số mol CO2 với muối hiđrocacbon luôn là n Do đó với việc chỉ sử dụng phương trình tổng quát có thể tính được số mol CO2 và bài toán được giải quyết nhanh chóng hơn nhiều lần

- Dựa vào phương pháp này, cho ta rút ra công thức tính số mol của khí CO2:

Ví dụ 3: [9] Oxy hóa hoàn toàn a(g) hỗn hợp X (gồm Zn, Pb, Ni) được b(g) hỗn hợp 3 oxit Y

(ZnO, PbO, NiO) Hòa tan b(g) Y trên trong dung dịch HCl loãng thu được dung dịch Z Cô cạn Z được hỗn hợp muối khan có khối lượng (b + 55) gam Khối lượng a (g) của hỗn hợp X ban đầu là:

Cách giải: các kim loại này có cùng hóa trị → gọi chung là Mhh

lượng

Mhh +

0 t

1

MhhO + 2 HCl → MhhCl2 + H2O

Z chứa muối khan có khối lượng lớn hơn khối lượng oxit 55g Đó chính là độ chênh lệch khối lượng của 2 anion Cl- và O2-: 1 mol MhhO chuyển thành 1 mol MhhCl2 tăng: 71 - 16 = 55 (g)

Theo đề: ∆mtăng = 55 (g)  noxit = nmuối = 1 (mol)

Ta có: moxit = mM hh mO

 a = mM hh moxit mO  b 1x16 b 16 

Vậy đáp án đúng là A

II.2.2 Dạng toán cho thanh kim loại vào dung dịch muối và sau phản ứng có sự thay

đổi khối lượng của thanh kim loại hoặc dung dịch phản ứng:

Dựa vào các dữ kiện của đề bài, thiết lập được mối quan hệ ẩn số với đề bài cho:

a Cho thanh kim loại A có khối lượng ban đầu là m(g) vào dung dịch muối B (Avà B cùng hóa trị)

- Khối lượng thanh kim loại A tăng hoặc tăng a % (nguyên tử khối của A< nguyên tử khối của

B) thì: m KL giải phóng - m KL tan = ∆m tăng hay

a xm 100

- Khối lượng thanh kim loại A giảm hoặc giảm b% (nguyên tử khối của A > nguyên tử khối

của B) thì: m KL tan - m KL giải phóng = ∆m giảm hay

b xm 100

b Khi cho hai thanh kim loại khác nhau (cùng hóa trị ) nhúng vào hai dung dịch muối giống nhau: nếu đầu bài cho số mol hai muối dùng cho phản ứng bằng nhau nghĩa là số

mol hai thanh kim loại tan vào hai dung dịch muối là như nhau Nếu cùng một khối lượng thì khối lượng hai thanh kim loại tan vào dung dịch muối là như nhau

Ví dụ 4: [12] Cho m(g) Fe vào 100 ml dung dịch Cu(NO 3 ) 2 thì nồng độ của Cu 2+ còn lại trong dung dịch bằng 1/2 nồng độ của Cu 2+ ban đầu và thu được một chất rắn A có khối lượng (m + 0,16)g Tính m (khối lượng Fe) và nồng độ ban đầu của Cu(NO 3 ) 2 (phản ứng hoàn toàn)

lượng

Cách giải: sau phản ứng còn dư Cu2+, vậy Fe đã phản ứng hết Gọi x là số mol Fe có ban đầu

Fe + Cu2+ → Fe2+ + Cu

x x x

Khối lượng của chất rắn tăng lên 0,16g là do Cu sinh ra

Ta có: 64x - 56x = 0,16 ↔ x =

0,16

0, 02(mol)

 mFe = 0,02 x 56 = 1,12 (g); nCu2bd  0,02x2 0,04(mol)

3 2 Cu(NO ) 0,04

0,1

Vậy, chọn đáp án C

Ví dụ 5: [10] Nhúng một thanh graphit được phủ một lớp kim loại hóa trị II vào dung dịch

CuSO 4 dư Sau phản ứng khối lượng của thanh graphit giảm đi 0,24g Cũng thanh graphit này nếu được nhúng vào dung dịch AgNO 3 thì khi phản ứng xong khối lượng thanh graphit tăng lên 0,52g Kim loại hóa trị II là kim loại nào sau đây:

Cách giải: gọi kim loại có hóa trị II đó là M có khối lượng m(g)

M + Cu2+ → M2+ + Cu ↓

1 mol 1 mol → giảm M - 64 (g)

0, 24

(mol)

M 64 ← ∆ mgiảm = 0,24 (g)

M + 2 Ag+ → M2+ + 2 Ag ↓

1 mol 2 mol → tăng 2 x 108 - M = 216 - M (g)

0,52

(mol)

216 M ← ∆mtăng = 0,52 (g)

Vì cùng một thanh graphit tham gia phản ứng nên:

0, 24

0,52

lượng

Vậy đáp án đúng là B: Cd

II.2.3 Dạng toán về nhiệt phân (ví dụ: nhiệt phân muối cacbonat, muối nitrat, kết tủa

hidroxit )

đổi còn lại 34,5g chất rắn Thành phần phần trăm khối lượng mỗi chất trong hỗn hợp ban đầu là:

Cách giải:

Khi nung chỉ có NaHCO3 bị phân hủy Gọi x là số mol NaHCO3

0

t

2 mol 1 mol → khối lượng giảm: 2 x 84 - 106 = 62 (g)

15,5x2

0,5(mol)

62  ← ∆mgiảm = 50 - 34,5 = 15,5 (g)

3 NaHCO

m 0,5x84 42(g)

50

(%) ; %mNa CO 2 3 16

(%) Vậy đáp án đúng là B

Nhiệt phân muối nitrat của các kim loại:

- Các muối nitrat kim loại khác nhau sẽ cho các sản phẩm nhiệt phân khác nhau Tổng quát:

2

(1)

2

(2)

2

(3)

 Phương trình (1) ứng với các kim loại kiềm thổ(Ca, Ba), riêng các kim loại kiềm thổ sẽ không cho sản phẩm cuối cùng là muối nitrit mà tiếp tục bị nhiệt phân tạo oxit kim loại kiềm thổ

lượng

 Phương trình (2) ứng với các kim loại từ Mg → Cu trong dãy Beketop

 Phương trình (3) ứng với các kim loại dứng sau Cu trong dãy Beketop

- Khi nhiệt phân muối thường cho ra chất rắn có khối lượng giảm đi một lượng bằng chính khối lượng của NO2 và O2 thoát ra Dựa vào dữ kiện đó để giải quyết bài toán

khối lượng giảm đi 15,5g Khối lượng AgNO 3 đã bị phân hủy và thể tích các khí thoát ra ở 30 0 C và 1,5 atm là:

Cách giải:

PTPƯ:

0

t

2

170g 108g → ∆mgiảm = 170 - 108 = 62 (g)

x (g) ← ∆mgiảm = 15,5 (g)

3

AgNO

m

bị phân hủy = x =

170x15,5

42,5(g)

Theo phương trình: O2 NO2 AgNO3

bị phân hủy =

1 42,5

0,125(mol)

2 170



Ở 300C; 1,5 atm thể tích khí thoát ra là:

2

O

22, 4 0,125 273 30



2

NO

22, 4

0, 25 273 30



Vậy đáp án đúng là đáp án B

khối lượng muối ban đầu Xác định công thức của muối.

lượng

Nếu cho toàn bộ thể khí thu được trong phản ứng trên tác dụng với 32g Cu (phản ứng hoàn toàn) Tính khối lượng chất rắn thu được sau phản ứng.

Cách giải:

0

t

2

Độ giảm khối lượng là khối lượng oxi mất đi

2

100

O KClO

x 4

m 74,5 16x 13,85   

 Công thức muối là KClO4

4

KClO 13,85

138,5

; nO 2 2nKClO 4 0, 2(mol)

2

1

2

Áp dụng ĐLBTKL, ta có: mr mCumO 2 3, 2 0, 2x32 38, 4(g) 

Vậy chọn câu C

II.2.4 Một số dạng toán khác

thành O 3 (ozon hóa), sau đó lại nạp oxi cùng thể tích như bình trước rồi cân Khối lượng trong hai trường hợp chêch lệch nhau 0,06g Biết thể tích khí nạp vào bình đều ở đktc Phần trăm về khối lượng của ozon trong hỗn hợp là:

Cách giải:

Phương trình ozon hóa:

h

3O      2O

Vì thể tích 2 bình như nhau, nên ta có thể hiểu để chuyển 1 mol O2 thành 1 mol O3 thì khối lượng tăng là 16g (bằng khối lượng 1 mol O nguyên tử)

lượng

 nO nguyên tử =

3 0,06

3,75.10 (mol) 16





n 3,75.10 (mol)  m 3,75.10 x48 0,18(g)  Các khí được nạp đều ở đktc nên:

3

hh 448.10

22, 4



2

   

tăng = 0,02 x 32 + 0,06 = 0,7 (g)

3

O 0,18

%m x100 25,71(%)

0,7

.Vậy đáp án đúng là D

4,8g Khi cho chất rắn thu được sau phản ứng tác dụng với H 2 dư thì khối lượng chất rắn giảm 3,2g Tính khối lượng của hỗn hợp X.

Cách giải: gọi nBa: x (mol) ; nCu: y (mol)

2

1

2

x

1

2x x

2

1

2

y

1

2y y

Độ tăng khối lượng chính là mO 2

phản ứng  O 2 x y 4,8



↔ x + y = 0,3 (1) Khử bằng H2, chỉ có CuO bị khử: CuO + H2 → Cu + H2O

 Độ giảm khối lượng là khối lượng oxi trong CuO bị H2 lấy đi: O

3, 2

16

(2) (1) và (2) suy ra: x = 0,1

lượng

mX = 137x + 64y = 137.0,1 + 64.0,2 = 26,5 (g)  đáp án đúng là C

Ví dụ 11: [tự ra] Nung nóng hỗn hợp X gồm PbO và FeO với một lượng C vừa đủ Sau khi

phản ứng xảy ra hoàn toàn, thu được hỗn hợp chất rắn Y và khí không màu Z Đem cân hỗn hợp rắn

Y thấy khối lượng giảm 4,8g so với hỗn hợp X Cho hỗn hợp Y tác dụng với dung dịch HCl dư, thu được chất khí A Sục khí Z vào dung dịch nước vôi trong dư được kết tủa trắng Thể tích khí A (đktc)

và khối lượng kết tủa thu được là:

Cách giải:

0

t

2

0

t

2

Khối lượng chất rắn Y giảm so với hỗn hợp X là khối lượng O trong oxit đã bị C lấy đi tạo

CO2  O O

4,8

16

n n n 0,3(mol)

CO 2 1 O

2

Pb + 2 HCl → PbCl2 + H2↑

Fe + 2 HCl →Fe + H2↑

2

n n 0,3(mol)

2 H

V 0,3x22, 4 6, 72(lít)

CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3↓ + H2O

2 CO

n n 0,15(mol)

 mCaCO 3 0,15x100 15(g) Vậy đáp án đúng là A

 Nhận xét: qua 2 ví dụ trên, ta có thể rút ra một số nhận xét sau giúp giải nhanh các bài

tập về khử oxit kim loại:

- Khi khử oxit kim loại bằng CO, khí sinh ra cho qua nước vôi trong dư (hoặc dung dịch Ba(OH)2) thì: n O của oxit kim loại = 2n CO 2 2n CaCO 3