Phần

Bài toán tổng hợp: hỗn hợp kim loại và bảo toàn khối lượng

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em tách được khối lượng từng kim loại trong hỗn hợp Fe và Cu bằng khí H2 sinh ra, rồi dùng mol để tính nồng độ muối tạo thành, trong một hỗn hợp có một kim loại không phản ứng.

Kiến thức cần có

Cần bảo toàn khối lượng và hỗn hợp hai ẩn (Course 2 nâng cao), dãy hoạt động hóa học lớp 8, và nồng độ mol (Course 7 Foundation).

Mở rộng dành cho HSG. Bài này ghép hỗn hợp hai ẩn (Course 2) với tính theo PTHH và nồng độ (Course 7 Foundation) vào một đề duy nhất, đồng thời thêm chi tiết 'một chất không phản ứng' để em phải tự loại nó ra khỏi phương trình mol trước khi giải.

Câu hỏi mở đầu

Nếu hỗn hợp gồm Fe và Cu, vì sao khí H2 thoát ra chỉ phụ thuộc vào Fe mà không phụ thuộc vào Cu?

Vì sao Cu không tham gia

Dãy hoạt động hóa học lớp 8 xếp Cu sau hydrogen, nên Cu không phản ứng với dung dịch HCl hay H2SO4 loãng, khác với Fe, Zn, Mg, Al đứng trước H. Trong hỗn hợp Fe và Cu, chỉ Fe sinh khí H2; Cu giữ nguyên dạng rắn và trở thành phần chất rắn không tan sau phản ứng.

Vì Cu không phản ứng, khối lượng Cu không xuất hiện trong PTHH; nó chỉ xuất hiện khi lấy tổng khối lượng hỗn hợp trừ đi phần đã tính được. Đây là chỗ hỗn hợp hai ẩn của Course 2 quay lại: một ẩn tính được trực tiếp từ khí, ẩn còn lại suy ra từ tổng khối lượng đã biết.

Fe phản ứng hết với HCl, Cu không phản ứng nên giữ nguyên trong phần rắn còn lại.

Từ khí đến nồng độ muối

Sau khi tách được m(Fe), số mol Fe cho luôn số mol muối FeCl2 theo tỉ lệ PTHH. Muốn có nồng độ, em cần thêm thể tích dung dịch sau phản ứng, thường đề cho sẵn hoặc giữ nguyên thể tích acid ban đầu nếu không nói gì khác.

Một điểm cần kiểm là acid có dư hay không. Nếu đề nói 'HCl dư', mọi Fe đều phản ứng hết và khí H2 tính đúng theo Fe; nếu không rõ, phải so sánh mol để chắc chắn Fe không còn dư.

Chuẩn Hướng dẫn giải

Với hỗn hợp có một chất không phản ứng, Hướng dẫn giải phải nêu rõ lý do (dãy hoạt động hóa học) trước khi loại chất đó khỏi PTHH; sau khi tính n(kim loại phản ứng), lấy tổng khối lượng hỗn hợp trừ đi để có khối lượng chất còn lại, không giải hệ hai ẩn nếu một ẩn đã tách được trực tiếp từ khí.

Ví dụ

Ví dụ 1 — Tách Fe khỏi hỗn hợp bằng khí H2

1
Hỗn hợp Fe và Cu nặng 10 g phản ứng với 200 mL dung dịch HCl 2M (dư), thu được 2,479 L khí H2 (đkc, Vm = 24,79 L/mol). Tính khối lượng mỗi kim loại trong hỗn hợp.
2
Cu không phản ứng nên toàn bộ khí chỉ đến từ Fe; chia đôi 10 g là một giả định sai, không dựa trên PTHH nào.
3
Dùng khí H2 để tính thẳng n(Fe), rồi lấy 10 g trừ đi phần Fe.
4
Vì Cu đứng sau H trong dãy hoạt động hóa học nên Cu không phản ứng với HCl loãng; chỉ Fe phản ứng theo PTHH $Fe+2HCl\to FeCl_2+H_2$ . Ta có $n(H_2)=2{,}479/24{,}79=0{,}1$ mol. Theo PTHH, $n(Fe)=n(H_2)=0{,}1$ mol, suy ra $m(Fe)=0{,}1\cdot56=5{,}6$ g. Do đó $m(Cu)=10-5{,}6=4{,}4$ g. Vậy hỗn hợp gồm 5,6 g Fe và 4,4 g Cu.
Vì Cu đứng sau H trong dãy hoạt động hóa học nên Cu không phản ứng với HCl loãng; chỉ Fe phản ứng theo PTHH $Fe+2HCl\to FeCl_2+H_2$. Ta có $n(H_2)=2{,}479/24{,}79=0{,}1$ mol. Theo PTHH, $n(Fe)=n(H_2)=0{,}1$ mol, suy ra $m(Fe)=0{,}1\cdot56=5{,}6$ g. Do đó $m(Cu)=10-5{,}6=4{,}4$ g. Vậy hỗn hợp gồm 5,6 g Fe và 4,4 g Cu.
5
5,6 + 4,4 = 10 g đúng bằng tổng khối lượng hỗn hợp ban đầu.
6
Nếu khí thoát ra chỉ 1,2395 L (0,05 mol) với cùng 10 g hỗn hợp, m(Fe) = 2,8 g và m(Cu) = 7,2 g.

Ví dụ

Ví dụ 2 — Nồng độ muối tạo thành

1
Với hỗn hợp ở ví dụ 1, tính nồng độ mol của FeCl2 và của HCl còn dư trong dung dịch sau phản ứng, coi thể tích dung dịch không đổi.
2
Đề hỏi tiếp một đại lượng tầng dung dịch, phải dùng lại n(Fe) đã tách được ở ví dụ 1.
3
n(FeCl2) = n(Fe); n(HCl) dư bằng n(HCl) ban đầu trừ n(HCl) đã phản ứng theo tỉ lệ PTHH 1:2.
4
Theo PTHH, $n(FeCl_2)=n(Fe)=0{,}1$ mol. Với thể tích dung dịch 200 mL $=0{,}2$ L không đổi, $C_M(FeCl_2)=0{,}1/0{,}2=0{,}5$ M. Mặt khác, $n(HCl)$ ban đầu $=0{,}2\cdot2=0{,}4$ mol; theo PTHH $n(HCl)$ đã phản ứng $=2\cdot n(Fe)=0{,}2$ mol, nên $n(HCl)$ dư $=0{,}4-0{,}2=0{,}2$ mol, suy ra $C_M(HCl\text{ dư})=0{,}2/0{,}2=1$ M. Vậy nồng độ FeCl2 là 0,5 M và HCl còn dư là 1 M.
Theo PTHH, $n(FeCl_2)=n(Fe)=0{,}1$ mol. Với thể tích dung dịch 200 mL$=0{,}2$ L không đổi, $C_M(FeCl_2)=0{,}1/0{,}2=0{,}5$ M. Mặt khác, $n(HCl)$ ban đầu $=0{,}2\cdot2=0{,}4$ mol; theo PTHH $n(HCl)$ đã phản ứng $=2\cdot n(Fe)=0{,}2$ mol, nên $n(HCl)$ dư $=0{,}4-0{,}2=0{,}2$ mol, suy ra $C_M(HCl\text{ dư})=0{,}2/0{,}2=1$ M. Vậy nồng độ FeCl2 là 0,5 M và HCl còn dư là 1 M.
5
0,2 mol HCl dư là số dương và nhỏ hơn 0,4 mol ban đầu, hợp lý với giả thiết HCl dư.
6
Nếu chỉ dùng 150 mL HCl 2M (0,3 mol), HCl vẫn dư 0,1 mol vì chỉ cần 0,2 mol để phản ứng hết Fe.

Luyện tập có hướng dẫn

Tự luyện và challenge checkpoint

Lỗi thường gặp

Cho Cu cũng phản ứng và chia đôi khối lượng; quên nhân hệ số 2 khi tính HCl phản ứng theo PTHH; lấy nhầm thể tích hỗn hợp rắn làm thể tích dung dịch.

Chốt bài: Em vừa tách được khối lượng Fe và Cu bằng khí H2, rồi tính nồng độ muối tạo thành. Chương sau chuyển từ bài tập đơn lẻ sang chiến thuật làm cả một đề thi: phân bổ thời gian và trình bày.