Bài học

Kim loại kiềm, kiềm thổ tác dụng với nước — bảo toàn electron cho hỗn hợp

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em tính được số mol electron trao đổi khi một kim loại kiềm hoặc kiềm thổ tác dụng với nước, và biết dùng bảo toàn electron để xử lý hỗn hợp hai kim loại cùng tác dụng với nước dư.

Kiến thức cần có

Cần thuộc phản ứng tổng quát $2M+2H_2O\rightarrow2MOH+H_2$ (kim loại kiềm, nhóm IA) và $M+2H_2O\rightarrow M(OH)_2+H_2$ (kim loại kiềm thổ, nhóm IIA), cùng cách đổi khối lượng sang số mol qua khối lượng mol.

Câu hỏi mở đầu

Một mẩu Na và một mẩu Ba cùng rơi vào nước đều sủi bọt khí và tan hết. Nếu đề chỉ cho tổng khối lượng hỗn hợp và tổng thể tích khí H2, làm sao tách riêng được khối lượng từng kim loại?

Mở rộng dành cho HSG. YCCĐ Hóa học 12 yêu cầu viết đúng phản ứng của một kim loại kiềm hoặc kiềm thổ với nước và tính khối lượng sản phẩm khi đề cho một kim loại duy nhất. Khóa học này không đổi phản ứng, mà thêm bước xử lý hỗn hợp hai kim loại: học sinh phải đặt hai ẩn số mol, rồi dùng bảo toàn electron thay vì hai phương trình khối lượng tách rời để tìm ra thành phần. Tiền đề là kiến thức đại cương về kim loại và dãy điện hóa đã học ở đầu Hóa học 12.

**Mở rộng dành cho HSG.** YCCĐ Hóa học 12 yêu cầu viết đúng phản ứng của một kim loại kiềm hoặc kiềm thổ với nước và tính khối lượng sản phẩm khi đề cho một kim loại duy nhất. Khóa học này không đổi phản ứng, mà thêm bước xử lý hỗn hợp hai kim loại: học sinh phải đặt hai ẩn số mol, rồi dùng bảo toàn electron thay vì hai phương trình khối lượng tách rời để tìm ra thành phần. Tiền đề là kiến thức đại cương về kim loại và dãy điện hóa đã học ở đầu Hóa học 12.

Vì sao dùng bảo toàn electron thay vì viết từng phương trình

Khi đề chỉ cho một kim loại, viết một phương trình rồi đổi tỉ lệ mol 1:1 hoặc 1:2 là đủ. Khi hỗn hợp có hai kim loại khác hóa trị, viết hai phương trình rồi giải hệ sẽ cồng kềnh hơn nhiều so với cách nhìn thẳng vào bản chất: mỗi nguyên tử kim loại nhường đúng số electron bằng hóa trị của nó, và toàn bộ electron đó đi về đâu khi H2 là sản phẩm khử duy nhất.

Na nhường 1 electron mỗi nguyên tử ( $Na\rightarrow Na^++e^-$ ), còn Ba nhường 2 electron mỗi nguyên tử ( $Ba\rightarrow Ba^{2+}+2e^-$ ). Về phía nhận, mỗi phân tử $H_2$ nhận đúng 2 electron ( $2H_2O+2e^-\rightarrow H_2+2OH^-$ ). Bảo toàn electron cho hỗn hợp hai kim loại kiềm/kiềm thổ là $n_{Na}+2n_{Ba}=2n_{H_2}$ — một phương trình duy nhất thay cho việc cộng hai phương trình khối lượng.

Na nhường 1 electron mỗi nguyên tử ($Na\rightarrow Na^++e^-$), còn Ba nhường 2 electron mỗi nguyên tử ($Ba\rightarrow Ba^{2+}+2e^-$). Về phía nhận, mỗi phân tử $H_2$ nhận đúng 2 electron ($2H_2O+2e^-\rightarrow H_2+2OH^-$). Bảo toàn electron cho hỗn hợp hai kim loại kiềm/kiềm thổ là $n_{Na}+2n_{Ba}=2n_{H_2}$ — một phương trình duy nhất thay cho việc cộng hai phương trình khối lượng.

Electron nhường ra từ cả hai kim loại đều đi hết vào H2 sinh ra — một phương trình gọn hơn hai phương trình khối lượng tách rời.

Dùng OH- dư để phản ứng tiếp với acid

Sau khi kim loại tan hết, dung dịch Y chứa các hydroxide (NaOH, Ba(OH)2 ...). Tổng số mol $OH^-$ trong Y luôn đúng bằng tổng số mol electron đã nhường ở bước trên, vì mỗi electron sinh ra dùng để tạo đúng một $OH^-$ ở bán phản ứng khử nước. Đây là cầu nối tự nhiên khi đề cho thêm bước trung hòa Y bằng một acid: không cần viết lại từng phản ứng trung hòa, chỉ cần dùng đúng số mol $OH^-$ đã tính.

Chuẩn Hướng dẫn giải

Trong Hướng dẫn giải, tính $n_{H_2}$ trước, viết phương trình bảo toàn electron cho hỗn hợp, kết hợp dữ kiện thứ hai (khối lượng hỗn hợp hoặc phản ứng với acid) để được hệ hai phương trình, giải và thử lại cả hai phương trình gốc trước khi kết luận 'Vậy …'.

Trong **Hướng dẫn giải**, tính $n_{H_2}$ trước, viết phương trình bảo toàn electron cho hỗn hợp, kết hợp dữ kiện thứ hai (khối lượng hỗn hợp hoặc phản ứng với acid) để được hệ hai phương trình, giải và thử lại cả hai phương trình gốc trước khi kết luận 'Vậy …'.

Ví dụ

Ví dụ 1 — Bài chuẩn: một kim loại kiềm tác dụng nước

1
Hòa tan hoàn toàn 7,8 gam kali (K) vào nước dư. Tính thể tích khí H2 thoát ra (đkc) và khối lượng KOH thu được.
2
Đề chỉ có một kim loại duy nhất và cho sẵn khối lượng của nó, chỉ cần đổi sang số mol rồi dùng tỉ lệ phản ứng.
3
Đổi khối lượng K ra số mol qua $M=39$ , rồi dùng tỉ lệ mol của phương trình $2K+2H_2O\rightarrow2KOH+H_2$ .
Đổi khối lượng K ra số mol qua $M=39$, rồi dùng tỉ lệ mol của phương trình $2K+2H_2O\rightarrow2KOH+H_2$.
4
Ta có $n_K=\dfrac{7{,}8}{39}=0{,}2$ mol. Theo phương trình $2K+2H_2O\rightarrow2KOH+H_2$ , tỉ lệ mol K : H2 là 2:1 nên $n_{H_2}=\dfrac{0{,}2}{2}=0{,}1$ mol, suy ra $V_{H_2}=0{,}1\times24{,}79\approx2{,}48$ lít (đkc). Tỉ lệ mol K : KOH là 1:1 nên $n_{KOH}=0{,}2$ mol, suy ra $m_{KOH}=0{,}2\times56=11{,}2$ gam. Vậy thể tích khí H2 là khoảng 2,48 lít và khối lượng KOH là 11,2 gam.
Ta có $n_K=\dfrac{7{,}8}{39}=0{,}2$ mol. Theo phương trình $2K+2H_2O\rightarrow2KOH+H_2$, tỉ lệ mol K : H2 là 2:1 nên $n_{H_2}=\dfrac{0{,}2}{2}=0{,}1$ mol, suy ra $V_{H_2}=0{,}1\times24{,}79\approx2{,}48$ lít (đkc). Tỉ lệ mol K : KOH là 1:1 nên $n_{KOH}=0{,}2$ mol, suy ra $m_{KOH}=0{,}2\times56=11{,}2$ gam. Vậy thể tích khí H2 là khoảng 2,48 lít và khối lượng KOH là 11,2 gam.
5
56 đúng là phân tử khối KOH ( $39+16+1$ ); electron nhường ra ( $0{,}2\times1=0{,}2$ mol) đúng bằng electron H2 nhận vào ( $0{,}1\times2=0{,}2$ mol), khớp bảo toàn electron.
56 đúng là phân tử khối KOH ($39+16+1$); electron nhường ra ($0{,}2\times1=0{,}2$ mol) đúng bằng electron H2 nhận vào ($0{,}1\times2=0{,}2$ mol), khớp bảo toàn electron.
6
Nếu đổi K thành cùng khối lượng Na ( $M=23$ ), số mol sẽ lớn hơn (khoảng 0,339 mol) và cả V(H2) lẫn m(NaOH) đều tăng theo.
Nếu đổi K thành cùng khối lượng Na ($M=23$), số mol sẽ lớn hơn (khoảng 0,339 mol) và cả V(H2) lẫn m(NaOH) đều tăng theo.

Ví dụ

Ví dụ 2 — Bài HSG: hỗn hợp Na và Ba tác dụng nước, rồi phản ứng với H2SO4

1
Hòa tan hoàn toàn m gam hỗn hợp X gồm Na và Ba vào nước dư, thu được 2,479 lít khí H2 (đkc) và dung dịch Y. Biết m = 9,15 gam. Tính phần trăm khối lượng mỗi kim loại trong X, và tính khối lượng kết tủa thu được khi cho Y tác dụng với dung dịch H2SO4 dư.
2
Đề gộp hai kim loại khác hóa trị vào một hỗn hợp và chỉ cho hai dữ kiện tổng (khối lượng hỗn hợp, thể tích H2); phải tự đặt ẩn và dùng bảo toàn electron thay vì một phép chia đơn lẻ.
3
Đặt $x=n_{Na}$ , $y=n_{Ba}$ . Bảo toàn electron cho $x+2y=2n_{H_2}$ ; kết hợp với khối lượng hỗn hợp $23x+137y=m$ được hệ hai phương trình hai ẩn.
Đặt $x=n_{Na}$, $y=n_{Ba}$. Bảo toàn electron cho $x+2y=2n_{H_2}$; kết hợp với khối lượng hỗn hợp $23x+137y=m$ được hệ hai phương trình hai ẩn.
4
Ta có $n_{H_2}=\dfrac{2{,}479}{24{,}79}=0{,}1$ mol. Bảo toàn electron: $x+2y=2\times0{,}1=0{,}2$ (1). Khối lượng hỗn hợp: $23x+137y=9{,}15$ (2). Từ (1) suy ra $x=0{,}2-2y$ , thay vào (2): $23(0{,}2-2y)+137y=9{,}15$ , tức $4{,}6-46y+137y=9{,}15$ , nên $91y=4{,}55$ , suy ra $y=0{,}05$ và $x=0{,}1$ . Khối lượng Na là $23\times0{,}1=2{,}3$ gam, khối lượng Ba là $137\times0{,}05=6{,}85$ gam. Vậy $\%m_{Na}=\dfrac{2{,}3}{9{,}15}\times100\%\approx25{,}14\%$ và $\%m_{Ba}\approx74{,}86\%$ . Dung dịch Y chứa $0{,}1$ mol NaOH và $0{,}05$ mol Ba(OH)2; cho Y tác dụng H2SO4 dư, toàn bộ $Ba^{2+}$ kết tủa hết thành $BaSO_4$ : $Ba^{2+}+SO_4^{2-}\rightarrow BaSO_4\downarrow$ , $n_{BaSO_4}=0{,}05$ mol, suy ra $m_{BaSO_4}=0{,}05\times233=11{,}65$ gam.
Ta có $n_{H_2}=\dfrac{2{,}479}{24{,}79}=0{,}1$ mol. Bảo toàn electron: $x+2y=2\times0{,}1=0{,}2$ (1). Khối lượng hỗn hợp: $23x+137y=9{,}15$ (2). Từ (1) suy ra $x=0{,}2-2y$, thay vào (2): $23(0{,}2-2y)+137y=9{,}15$, tức $4{,}6-46y+137y=9{,}15$, nên $91y=4{,}55$, suy ra $y=0{,}05$ và $x=0{,}1$. Khối lượng Na là $23\times0{,}1=2{,}3$ gam, khối lượng Ba là $137\times0{,}05=6{,}85$ gam. Vậy $\%m_{Na}=\dfrac{2{,}3}{9{,}15}\times100\%\approx25{,}14\%$ và $\%m_{Ba}\approx74{,}86\%$. Dung dịch Y chứa $0{,}1$ mol NaOH và $0{,}05$ mol Ba(OH)2; cho Y tác dụng H2SO4 dư, toàn bộ $Ba^{2+}$ kết tủa hết thành $BaSO_4$: $Ba^{2+}+SO_4^{2-}\rightarrow BaSO_4\downarrow$, $n_{BaSO_4}=0{,}05$ mol, suy ra $m_{BaSO_4}=0{,}05\times233=11{,}65$ gam.
5
Thay lại (2): $23\times0{,}1+137\times0{,}05=2{,}3+6{,}85=9{,}15$ , khớp đề. Electron: $0{,}1\times1+0{,}05\times2=0{,}2=2\times0{,}1$ , khớp (1); cả x và y đều dương nên nghiệm hợp lệ.
Thay lại (2): $23\times0{,}1+137\times0{,}05=2{,}3+6{,}85=9{,}15$, khớp đề. Electron: $0{,}1\times1+0{,}05\times2=0{,}2=2\times0{,}1$, khớp (1); cả x và y đều dương nên nghiệm hợp lệ.
6
Nếu đổi Ba thành Ca (cùng số mol 0,05), khối lượng hỗn hợp sẽ giảm còn $2{,}3+0{,}05\times40=4{,}3$ gam vì Ca nhẹ hơn Ba rất nhiều, dù electron vẫn không đổi.
Nếu đổi Ba thành Ca (cùng số mol 0,05), khối lượng hỗn hợp sẽ giảm còn $2{,}3+0{,}05\times40=4{,}3$ gam vì Ca nhẹ hơn Ba rất nhiều, dù electron vẫn không đổi.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Lỗi thường gặp

Sai lầm thường gặp: quên hệ số hóa trị khi viết bảo toàn electron (coi Ba nhường 1 electron như Na); nhầm electron H2 nhận là 1 thay vì 2 electron mỗi phân tử; và bỏ qua Ba2+ khi tính kết tủa với H2SO4, chỉ tính trung hòa mà không xét kết tủa.

Chốt bài: Em đã biết dùng bảo toàn electron thay vì tách từng phương trình khi hỗn hợp có hai kim loại kiềm/kiềm thổ khác hóa trị, và biết dùng lượng OH- sinh ra để xử lý bước phản ứng tiếp theo với acid. Bài sau vẫn dùng đúng lượng OH- này, nhưng chuyển sang cho nó phản ứng với CO2 — nơi tỉ lệ CO2 : OH- quyết định loại muối tạo thành.