Bài học

Bài toán kim loại + acid chuẩn

Em sẽ làm được gì?

Học xong bài này, em tính được khối lượng kim loại, khối lượng muối tạo thành và thể tích khí hydrogen (ở đkc, Vm = 24,79 L/mol) trong phản ứng kim loại với dung dịch acid loãng, bằng phương pháp tỉ lệ mol.

Cần nhớ trước

Em cần nhớ phản ứng kim loại với acid loãng ở Chương 2, cùng cách tính theo mol, khối lượng mol, thể tích khí ở đkc đã học ở Course 1.

Cho một lượng kẽm vào dung dịch HCl dư trong phòng thí nghiệm, khí thoát ra sủi bọt liên tục, không ai đứng đó dùng ống đong hứng khí để đo trực tiếp cả. Làm sao tính được chính xác thể tích khí đó và khối lượng muối tạo thành chỉ từ khối lượng kẽm ban đầu? Câu trả lời nằm ở phương pháp tỉ lệ mol — công cụ tính toán quan trọng và được dùng nhiều nhất trong toàn bộ chương trình Hóa học 9, không riêng gì chủ đề kim loại.

Cho một lượng kẽm vào dung dịch HCl dư trong phòng thí nghiệm, khí thoát ra sủi bọt liên tục, không ai đứng đó dùng ống đong hứng khí để đo trực tiếp cả. Làm sao tính được chính xác thể tích khí đó và khối lượng muối tạo thành chỉ từ khối lượng kẽm ban đầu? Câu trả lời nằm ở phương pháp **tỉ lệ mol** — công cụ tính toán quan trọng và được dùng nhiều nhất trong toàn bộ chương trình Hóa học 9, không riêng gì chủ đề kim loại.

Phương pháp tỉ lệ mol

Với một phản ứng kim loại + acid loãng đã cân bằng, tỉ lệ mol giữa các chất chính là tỉ lệ hệ số trong phương trình. Ví dụ: $Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2\uparrow$

cứ 1 mol Zn phản ứng thì tạo ra 1 mol H₂ và 1 mol ZnCl₂, đồng thời tiêu tốn đúng 2 mol HCl — tỉ lệ 1 : 2 : 1 : 1 lấy trực tiếp từ hệ số cân bằng trước mỗi chất. Biết khối lượng (hoặc thể tích khí, hoặc nồng độ dung dịch) của một chất bất kỳ trong phương trình, ta luôn quy đổi được về số mol của chất đó trước, rồi dùng đúng tỉ lệ hệ số trong phương trình để suy ra số mol của mọi chất còn lại — từ đó tính ra khối lượng hoặc thể tích mà đề bài yêu cầu.

Với một phản ứng kim loại + acid loãng đã cân bằng, tỉ lệ mol giữa các chất chính là tỉ lệ hệ số trong phương trình. Ví dụ: $$Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2\uparrow$$ cứ 1 mol Zn phản ứng thì tạo ra 1 mol H₂ và 1 mol ZnCl₂, đồng thời tiêu tốn đúng 2 mol HCl — tỉ lệ 1 : 2 : 1 : 1 lấy trực tiếp từ hệ số cân bằng trước mỗi chất. Biết khối lượng (hoặc thể tích khí, hoặc nồng độ dung dịch) của một chất bất kỳ trong phương trình, ta luôn quy đổi được về số mol của chất đó trước, rồi dùng đúng tỉ lệ hệ số trong phương trình để suy ra số mol của mọi chất còn lại — từ đó tính ra khối lượng hoặc thể tích mà đề bài yêu cầu.

Lưu ý quan trọng: tỉ lệ hệ số không phải lúc nào cũng là 1 : 1. Với kim loại hóa trị III như nhôm, phương trình cân bằng là $2Al + 6HCl \rightarrow 2AlCl_3 + 3H_2\uparrow$ , nên tỉ lệ Al : H₂ là 2 : 3 chứ không phải 1 : 1 như Zn hay Fe (hóa trị II). Đây là lỗi sai phổ biến nhất khi học sinh áp dụng máy móc công thức mà quên kiểm tra lại hệ số cân bằng của từng phản ứng cụ thể.

Lưu ý quan trọng: tỉ lệ hệ số **không phải lúc nào cũng là 1 : 1**. Với kim loại hóa trị III như nhôm, phương trình cân bằng là $2Al + 6HCl \rightarrow 2AlCl_3 + 3H_2\uparrow$, nên tỉ lệ Al : H₂ là 2 : 3 chứ không phải 1 : 1 như Zn hay Fe (hóa trị II). Đây là lỗi sai phổ biến nhất khi học sinh áp dụng máy móc công thức mà quên kiểm tra lại hệ số cân bằng của từng phản ứng cụ thể.

Quy trình dùng chung: từ dữ kiện đã biết, quy ra mol, dùng tỉ lệ PTHH để tìm mol chất cần, rồi đổi ra khối lượng/thể tích.

Ví dụ

Ví dụ 1 — Kẽm tác dụng HCl dư

1
Cho 13 gam kẽm (Zn = 65) tác dụng hết với dung dịch HCl dư. Tính thể tích khí H₂ thu được ở điều kiện chuẩn (đkc: 25 °C, 1 bar, Vm = 24,79 L/mol) và khối lượng muối ZnCl₂ tạo thành.
2
$Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2\uparrow$ . Đổi khối lượng Zn sang mol: $n_{Zn} = \dfrac{13}{65} = 0{,}2$ mol.
$Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2\uparrow$. Đổi khối lượng Zn sang mol: $n_{Zn} = \dfrac{13}{65} = 0{,}2$ mol.
3
Theo PTHH, tỉ lệ hệ số Zn : H₂ : ZnCl₂ = 1 : 1 : 1, nên $n_{H_2} = n_{ZnCl_2} = n_{Zn} = 0{,}2$ mol.
Theo PTHH, tỉ lệ hệ số Zn : H₂ : ZnCl₂ = 1 : 1 : 1, nên $n_{H_2} = n_{ZnCl_2} = n_{Zn} = 0{,}2$ mol.
4
$V_{H_2} = n_{H_2} \times 24{,}79 = 0{,}2 \times 24{,}79 = 4{,}958$ lít.
$V_{H_2} = n_{H_2} \times 24{,}79 = 0{,}2 \times 24{,}79 = 4{,}958$ lít.
5
$M_{ZnCl_2} = 65 + 35{,}5 \times 2 = 136$ ; $m_{ZnCl_2} = 0{,}2 \times 136 = 27{,}2$ gam.
$M_{ZnCl_2} = 65 + 35{,}5 \times 2 = 136$; $m_{ZnCl_2} = 0{,}2 \times 136 = 27{,}2$ gam.
6
Thu được 4,958 lít khí H₂ ở đkc và 27,2 gam muối ZnCl₂.

Ví dụ

Ví dụ 2 — Sắt tác dụng HCl vừa đủ, tính thêm nồng độ %

1
Hòa tan hoàn toàn 11,2 gam sắt (Fe = 56) trong một lượng vừa đủ dung dịch HCl. Tính thể tích khí H₂ thu được ở đkc và nồng độ phần trăm của dung dịch HCl đã dùng, biết khối lượng dung dịch HCl là 200 gam.
2
$Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2\uparrow$ . $n_{Fe} = \dfrac{11{,}2}{56} = 0{,}2$ mol.
$Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2\uparrow$. $n_{Fe} = \dfrac{11{,}2}{56} = 0{,}2$ mol.
3
Theo PTHH: tỉ lệ Fe : H₂ = 1 : 1 nên $n_{H_2} = 0{,}2$ mol; tỉ lệ Fe : HCl = 1 : 2 nên $n_{HCl} = 2 \times 0{,}2 = 0{,}4$ mol.
Theo PTHH: tỉ lệ Fe : H₂ = 1 : 1 nên $n_{H_2} = 0{,}2$ mol; tỉ lệ Fe : HCl = 1 : 2 nên $n_{HCl} = 2 \times 0{,}2 = 0{,}4$ mol.
4
$V_{H_2} = 0{,}2 \times 24{,}79 = 4{,}958$ lít.
$V_{H_2} = 0{,}2 \times 24{,}79 = 4{,}958$ lít.
5
$m_{HCl} = n_{HCl} \times M_{HCl} = 0{,}4 \times 36{,}5 = 14{,}6$ gam. $C\% = \dfrac{m_{ct}}{m_{dd}} \times 100\% = \dfrac{14{,}6}{200} \times 100\% = 7{,}3\%$ .
$m_{HCl} = n_{HCl} \times M_{HCl} = 0{,}4 \times 36{,}5 = 14{,}6$ gam. $C\% = \dfrac{m_{ct}}{m_{dd}} \times 100\% = \dfrac{14{,}6}{200} \times 100\% = 7{,}3\%$.
6
Phản ứng thu được 4,958 lít khí H₂ (đkc); dung dịch HCl đã dùng có nồng độ 7,3%.

Ví dụ

Ví dụ 3 — Xác định kim loại chưa biết qua thể tích khí

1
Cho 5,4 gam một kim loại M (hóa trị III) tác dụng hết với dung dịch HCl dư, thu được 7,437 lít khí H₂ ở đkc. Xác định kim loại M.
2
M có hóa trị III nên phản ứng với HCl viết dạng: $2M + 6HCl \rightarrow 2MCl_3 + 3H_2\uparrow$ , tỉ lệ hệ số M : H₂ = 2 : 3.
M có hóa trị III nên phản ứng với HCl viết dạng: $2M + 6HCl \rightarrow 2MCl_3 + 3H_2\uparrow$, tỉ lệ hệ số M : H₂ = 2 : 3.
3
$n_{H_2} = \dfrac{7{,}437}{24{,}79} = 0{,}3$ mol.
$n_{H_2} = \dfrac{7{,}437}{24{,}79} = 0{,}3$ mol.
4
Theo PTHH, $n_M = \dfrac{2}{3} \times n_{H_2} = \dfrac{2}{3} \times 0{,}3 = 0{,}2$ mol.
Theo PTHH, $n_M = \dfrac{2}{3} \times n_{H_2} = \dfrac{2}{3} \times 0{,}3 = 0{,}2$ mol.
5
$M_{M} = \dfrac{m}{n} = \dfrac{5{,}4}{0{,}2} = 27$ (g/mol), ứng đúng với nhôm (Al) — kim loại hóa trị III quen thuộc nhất ở mức Foundation.
$M_{M} = \dfrac{m}{n} = \dfrac{5{,}4}{0{,}2} = 27$ (g/mol), ứng đúng với **nhôm (Al)** — kim loại hóa trị III quen thuộc nhất ở mức Foundation.

Ba ví dụ trên cho thấy phương pháp tỉ lệ mol dùng được cho cả ba chiều bài toán: từ khối lượng kim loại suy ra thể tích khí (Ví dụ 1), từ khối lượng kim loại suy ra nồng độ dung dịch acid (Ví dụ 2), và ngược lại — từ thể tích khí đo được suy ngược ra kim loại chưa biết là gì (Ví dụ 3). Dù chiều bài toán khác nhau, quy trình 5 bước vẫn không đổi: luôn bắt đầu từ PTHH cân bằng đúng và luôn quy mọi dữ kiện về cùng một đơn vị trung gian là mol.

Luyện tập

Lỗi thường gặp

Lỗi hay gặp: quên nhân đúng hệ số trong PTHH khi chuyển từ mol kim loại sang mol HCl hoặc mol H₂ — ví dụ với Al + 3HCl → AlCl₃ + 1,5H₂ (cân bằng: 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂), tỉ lệ Al : H₂ là 2 : 3 chứ không phải 1 : 1 như với Zn hay Fe.

Một lỗi khác cũng rất hay gặp là nhầm giữa đkc (25 °C, 1 bar, Vm = 24,79 L/mol) — điều kiện chuẩn hiện hành dùng trong sách giáo khoa mới — với điều kiện tiêu chuẩn cũ (0 °C, 1 atm, Vm = 22,4 L/mol) mà một số tài liệu cũ hoặc đề thi các năm trước vẫn dùng. Luôn đọc kỹ đề bài xem quy định dùng giá trị Vm nào trước khi tính, vì hai đáp số sẽ khác nhau dù cách làm hoàn toàn giống nhau.

Một lỗi khác cũng rất hay gặp là nhầm giữa **đkc (25 °C, 1 bar, Vm = 24,79 L/mol)** — điều kiện chuẩn hiện hành dùng trong sách giáo khoa mới — với điều kiện tiêu chuẩn cũ (0 °C, 1 atm, Vm = 22,4 L/mol) mà một số tài liệu cũ hoặc đề thi các năm trước vẫn dùng. Luôn đọc kỹ đề bài xem quy định dùng giá trị Vm nào trước khi tính, vì hai đáp số sẽ khác nhau dù cách làm hoàn toàn giống nhau.

Ghi nhớ

Phương pháp tỉ lệ mol, tóm gọn trong bốn bước: viết PTHH cân bằng → đổi dữ kiện đã biết sang mol → dùng đúng tỉ lệ hệ số PTHH để tìm mol chất cần → đổi sang khối lượng (n×M) hoặc thể tích khí ở đkc (n×24,79 L/mol).

Có phương trình và biết cách tính rồi, nhưng làm sao phân biệt được các kim loại khi chúng bị mất nhãn? Bài sau ta học cách nhận biết kim loại qua phản ứng đặc trưng.