Phần

Bảo toàn nguyên tố oxygen trong phản ứng khử oxide kim loại

Em sẽ làm được gì?

Bài này áp dụng bảo toàn nguyên tố oxygen để tính nhanh bài toán khử oxide kim loại bằng CO hoặc $H_2$ , mà không cần viết riêng phương trình cho từng oxide trong hỗn hợp — một kỹ thuật vượt khỏi cách làm thông thường ở lớp 9.

Bài này áp dụng bảo toàn nguyên tố oxygen để tính nhanh bài toán khử oxide kim loại bằng CO hoặc $H_2$, mà **không cần viết riêng phương trình cho từng oxide** trong hỗn hợp — một kỹ thuật vượt khỏi cách làm thông thường ở lớp 9.

Cần nhớ trước

Tiên quyết: phản ứng khử oxide kim loại bằng CO/ $H_2$ (Hóa 9 nền tảng, ví dụ $Fe_2O_3 + 3CO \rightarrow 2Fe + 3CO_2$ ), bảo toàn nguyên tố (Bài 1 vừa học), phản ứng $CO_2$ với nước vôi trong tạo kết tủa $CaCO_3$ (Hóa 8–9).

**Tiên quyết:** phản ứng khử oxide kim loại bằng CO/$H_2$ (Hóa 9 nền tảng, ví dụ $Fe_2O_3 + 3CO \rightarrow 2Fe + 3CO_2$), bảo toàn nguyên tố (Bài 1 vừa học), phản ứng $CO_2$ với nước vôi trong tạo kết tủa $CaCO_3$ (Hóa 8–9).

Xét thí nghiệm quen thuộc: dẫn khí CO đi qua ống sứ chứa hỗn hợp nhiều oxide kim loại nung nóng. Ở mức nền tảng, em viết PTHH cho từng oxide rồi tính riêng. Nhưng nếu hỗn hợp có ba, bốn oxide khác nhau, cách đó trở nên cồng kềnh. Có cách nào nhìn toàn bộ quá trình chỉ qua một đại lượng?

Ý tưởng cốt lõi: đếm nguyên tử oxygen bị lấy đi

Mở rộng dành cho HSG: kỹ thuật sau không nằm trong yêu cầu chuẩn của Lớp 9, nhưng dùng lại đúng nguyên lý bảo toàn nguyên tố vừa học nên hoàn toàn tiếp cận được. Trong phản ứng khử oxide bằng CO:

$CO + [O]_{\text{trong oxide}} \rightarrow CO_2$

mỗi phân tử CO lấy đi đúng một nguyên tử oxygen từ oxide và trở thành một phân tử $CO_2$ . Vậy dù hỗn hợp có bao nhiêu oxide khác nhau, ta luôn có:

$n_{O \text{ bị lấy khỏi oxide}} = n_{CO_2 \text{ sinh ra}} = n_{CO \text{ đã phản ứng}}$

và theo BTKL: $m_{\text{oxide}} = m_{\text{kim loại}} + m_{O \text{ bị lấy}} = m_{\text{kim loại}} + 16\,n_{CO_2}$ . Không cần biết oxide nào là $Fe_2O_3$ , oxide nào là $CuO$ .

**Mở rộng dành cho HSG:** kỹ thuật sau không nằm trong yêu cầu chuẩn của Lớp 9, nhưng dùng lại đúng nguyên lý bảo toàn nguyên tố vừa học nên hoàn toàn tiếp cận được. Trong phản ứng khử oxide bằng CO: $$CO + [O]_{\text{trong oxide}} \rightarrow CO_2$$ mỗi phân tử CO lấy đi **đúng một nguyên tử oxygen** từ oxide và trở thành một phân tử $CO_2$. Vậy dù hỗn hợp có bao nhiêu oxide khác nhau, ta luôn có: $$n_{O \text{ bị lấy khỏi oxide}} = n_{CO_2 \text{ sinh ra}} = n_{CO \text{ đã phản ứng}}$$ và theo BTKL: $m_{\text{oxide}} = m_{\text{kim loại}} + m_{O \text{ bị lấy}} = m_{\text{kim loại}} + 16\,n_{CO_2}$. Không cần biết oxide nào là $Fe_2O_3$, oxide nào là $CuO$.

Ví dụ

Ví dụ 1 — Tính khối lượng hỗn hợp oxide ban đầu qua khối lượng kết tủa CaCO₃

1
Dẫn khí CO dư qua ống sứ chứa $m$ gam hỗn hợp $CuO$ và $Fe_2O_3$ nung nóng, phản ứng xảy ra hoàn toàn thu được $8{,}8$ gam hỗn hợp kim loại Cu và Fe; khí thoát ra dẫn hết vào bình đựng dung dịch nước vôi trong dư, thu được $20$ gam kết tủa. Tính $m$ .
Dẫn khí CO dư qua ống sứ chứa $m$ gam hỗn hợp $CuO$ và $Fe_2O_3$ nung nóng, phản ứng xảy ra hoàn toàn thu được $8{,}8$ gam hỗn hợp kim loại Cu và Fe; khí thoát ra dẫn hết vào bình đựng dung dịch nước vôi trong dư, thu được $20$ gam kết tủa. Tính $m$.
2
$Ca(OH)_2 + CO_2 \rightarrow CaCO_3\downarrow + H_2O$ . $n_{CaCO_3} = \dfrac{20}{100} = 0{,}2$ mol $\Rightarrow n_{CO_2} = 0{,}2$ mol (bảo toàn carbon, mọi $CO_2$ sinh ra đều bị hấp thụ hết).
$Ca(OH)_2 + CO_2 \rightarrow CaCO_3\downarrow + H_2O$. $n_{CaCO_3} = \dfrac{20}{100} = 0{,}2$ mol $\Rightarrow n_{CO_2} = 0{,}2$ mol (bảo toàn carbon, mọi $CO_2$ sinh ra đều bị hấp thụ hết).
3
Mỗi mol $CO_2$ sinh ra tương ứng đúng 1 mol nguyên tử O bị lấy khỏi oxide, nên $n_{O \text{ bị lấy}} = n_{CO_2} = 0{,}2$ mol, tức $m_O = 0{,}2\times 16 = 3{,}2$ gam — dù ta hoàn toàn không biết tỉ lệ CuO : $Fe_2O_3$ .
Mỗi mol $CO_2$ sinh ra tương ứng đúng 1 mol nguyên tử O bị lấy khỏi oxide, nên $n_{O \text{ bị lấy}} = n_{CO_2} = 0{,}2$ mol, tức $m_O = 0{,}2\times 16 = 3{,}2$ gam — dù ta hoàn toàn không biết tỉ lệ CuO : $Fe_2O_3$.
4
$m = m_{\text{kim loại}} + m_O = 8{,}8 + 3{,}2 = 12$ gam. So với cách làm thông thường (đặt ẩn $n_{CuO}, n_{Fe_2O_3}$ , viết hai PTHH, giải hệ ba ẩn kèm khối lượng kim loại), cách này chỉ mất ba dòng và không cần biết thành phần hỗn hợp.
$m = m_{\text{kim loại}} + m_O = 8{,}8 + 3{,}2 = 12$ gam. So với cách làm thông thường (đặt ẩn $n_{CuO}, n_{Fe_2O_3}$, viết hai PTHH, giải hệ ba ẩn kèm khối lượng kim loại), cách này chỉ mất ba dòng và không cần biết thành phần hỗn hợp.

Ví dụ

Ví dụ 2 — Ngược lại: tìm thể tích khí khử từ độ giảm khối lượng oxide

1
Dẫn $V$ lít khí $H_2$ (đkc (25°C, 1 bar, $V_m = 24{,}79$ lít/mol)) đi qua ống sứ chứa $12$ gam hỗn hợp $CuO$ và $Fe_2O_3$ , nung nóng, phản ứng xảy ra hoàn toàn thu được $8{,}8$ gam hỗn hợp kim loại. Tính $V$ .
Dẫn $V$ lít khí $H_2$ (đkc (25°C, 1 bar, $V_m = 24{,}79$ lít/mol)) đi qua ống sứ chứa $12$ gam hỗn hợp $CuO$ và $Fe_2O_3$, nung nóng, phản ứng xảy ra hoàn toàn thu được $8{,}8$ gam hỗn hợp kim loại. Tính $V$.
2
$\Delta m = m_{\text{oxide}} - m_{\text{kim loại}} = 12 - 8{,}8 = 3{,}2$ gam — đây chính là khối lượng nguyên tử O đã bị $H_2$ lấy đi, vì $H_2 + [O] \rightarrow H_2O$ cũng lấy đúng 1 nguyên tử O cho mỗi phân tử $H_2$ , giống hệt vai trò của CO ở ví dụ 1.
$\Delta m = m_{\text{oxide}} - m_{\text{kim loại}} = 12 - 8{,}8 = 3{,}2$ gam — đây chính là khối lượng nguyên tử O đã bị $H_2$ lấy đi, vì $H_2 + [O] \rightarrow H_2O$ cũng lấy đúng 1 nguyên tử O cho mỗi phân tử $H_2$, giống hệt vai trò của CO ở ví dụ 1.
3
$n_O = \dfrac{3{,}2}{16} = 0{,}2$ mol $\Rightarrow n_{H_2 \text{ phản ứng}} = n_O = 0{,}2$ mol (mỗi mol $H_2$ lấy đúng 1 mol O).
$n_O = \dfrac{3{,}2}{16} = 0{,}2$ mol $\Rightarrow n_{H_2 \text{ phản ứng}} = n_O = 0{,}2$ mol (mỗi mol $H_2$ lấy đúng 1 mol O).
4
Nếu $H_2$ phản ứng vừa đủ (đề không nói dư), $V = 0{,}2\times 24{,}79 = 4{,}958$ lít. Nhận xét: kỹ thuật này dùng được cho cả CO lẫn $H_2$ vì cả hai đều đóng vai trò "lấy đúng 1 nguyên tử O cho mỗi phân tử phản ứng" — bản chất bảo toàn nguyên tố, không phải một công thức riêng cho từng chất khử.
Nếu $H_2$ phản ứng vừa đủ (đề không nói dư), $V = 0{,}2\times 24{,}79 = 4{,}958$ lít. **Nhận xét:** kỹ thuật này dùng được cho cả CO lẫn $H_2$ vì cả hai đều đóng vai trò "lấy đúng 1 nguyên tử O cho mỗi phân tử phản ứng" — bản chất bảo toàn nguyên tố, không phải một công thức riêng cho từng chất khử.

Khi phản ứng không hoàn toàn — kết hợp thêm một bất biến khác

Trong đề thi thực tế, không phải lúc nào phản ứng khử oxide cũng "xảy ra hoàn toàn" theo nghĩa toàn bộ CO đều phản ứng hết. Khi đề cho biết khí thoát ra là hỗn hợp CO dư và $CO_2$ , ta cần thêm một quan sát: vì mỗi mol CO mất đi sinh ra đúng một mol $CO_2$ thay thế, nên tổng số mol khí trước và sau phản ứng không đổi — chỉ có "danh tính" của khí thay đổi từ CO sang $CO_2$ . Đây là điểm rất dễ bị bỏ sót: nhiều học sinh ngộ nhận thể tích khí đo được sau phản ứng phải khác thể tích CO ban đầu, trong khi thực tế tổng số mol khí không đổi ở cùng điều kiện.

Trong đề thi thực tế, không phải lúc nào phản ứng khử oxide cũng "xảy ra hoàn toàn" theo nghĩa toàn bộ CO đều phản ứng hết. Khi đề cho biết khí thoát ra là **hỗn hợp CO dư và $CO_2$**, ta cần thêm một quan sát: vì mỗi mol CO mất đi sinh ra đúng một mol $CO_2$ thay thế, nên **tổng số mol khí trước và sau phản ứng không đổi** — chỉ có "danh tính" của khí thay đổi từ CO sang $CO_2$. Đây là điểm rất dễ bị bỏ sót: nhiều học sinh ngộ nhận thể tích khí đo được sau phản ứng phải khác thể tích CO ban đầu, trong khi thực tế tổng số mol khí không đổi ở cùng điều kiện.

Ví dụ

Ví dụ 3 — Phản ứng không hoàn toàn: dùng khối lượng mol trung bình của khí thoát ra

1
Dẫn $0{,}3$ mol khí CO qua ống sứ chứa hỗn hợp oxide kim loại nung nóng, chỉ một phần CO phản ứng. Khí thoát ra là hỗn hợp CO dư và $CO_2$ có tỉ khối so với khí hydrogen bằng $18$ . Tính khối lượng chất rắn đã giảm so với hỗn hợp oxide ban đầu, và tính phần trăm CO đã phản ứng.
Dẫn $0{,}3$ mol khí CO qua ống sứ chứa hỗn hợp oxide kim loại nung nóng, chỉ một phần CO phản ứng. Khí thoát ra là hỗn hợp CO dư và $CO_2$ có tỉ khối so với khí hydrogen bằng $18$. Tính khối lượng chất rắn đã giảm so với hỗn hợp oxide ban đầu, và tính phần trăm CO đã phản ứng.
2
Vì mỗi mol CO phản ứng sinh ra đúng 1 mol $CO_2$ , tổng số mol khí sau phản ứng vẫn bằng số mol CO ban đầu: $n_{\text{khí sau}} = n_{CO_2} + n_{CO \text{ dư}} = 0{,}3$ mol — dù ta chưa biết CO đã phản ứng bao nhiêu.
Vì mỗi mol CO phản ứng sinh ra đúng 1 mol $CO_2$, tổng số mol khí sau phản ứng vẫn bằng số mol CO ban đầu: $n_{\text{khí sau}} = n_{CO_2} + n_{CO \text{ dư}} = 0{,}3$ mol — dù ta chưa biết CO đã phản ứng bao nhiêu.
3
Gọi $x$ là số mol CO đã phản ứng (cũng là số mol $CO_2$ sinh ra); CO dư còn $0{,}3-x$ mol. Khối lượng mol trung bình: $\overline{M} = 2\times18 = 36 = \dfrac{28(0{,}3-x)+44x}{0{,}3}$ . Suy ra $8{,}4+16x = 10{,}8 \Rightarrow x = 0{,}15$ mol.
Gọi $x$ là số mol CO đã phản ứng (cũng là số mol $CO_2$ sinh ra); CO dư còn $0{,}3-x$ mol. Khối lượng mol trung bình: $\overline{M} = 2\times18 = 36 = \dfrac{28(0{,}3-x)+44x}{0{,}3}$. Suy ra $8{,}4+16x = 10{,}8 \Rightarrow x = 0{,}15$ mol.
4
Khối lượng chất rắn giảm đúng bằng khối lượng oxygen bị lấy: $\Delta m = 16x = 16\times0{,}15 = 2{,}4$ gam. Phần trăm CO đã phản ứng: $\dfrac{0{,}15}{0{,}3}\times100\% = 50\%$ . Nhận xét: bài toán này phối hợp đúng hai công cụ — bảo toàn nguyên tố oxygen (Δm) và khối lượng mol trung bình (tách CO, $CO_2$ ) — một dạng kết hợp thường gặp trong đề HSG thật.
Khối lượng chất rắn giảm đúng bằng khối lượng oxygen bị lấy: $\Delta m = 16x = 16\times0{,}15 = 2{,}4$ gam. Phần trăm CO đã phản ứng: $\dfrac{0{,}15}{0{,}3}\times100\% = 50\%$. **Nhận xét:** bài toán này phối hợp đúng hai công cụ — bảo toàn nguyên tố oxygen (Δm) và khối lượng mol trung bình (tách CO, $CO_2$) — một dạng kết hợp thường gặp trong đề HSG thật.

Luyện phản xạ

Bẫy thường gặp

Kỹ thuật này chỉ đúng khi khí khử (CO hoặc $H_2$ ) chỉ phản ứng với oxygen trong oxide, không có phản ứng phụ khác (ví dụ oxide không bị khử hết, hoặc hỗn hợp có lẫn oxide không bị CO/ $H_2$ khử ở nhiệt độ thí nghiệm như $Al_2O_3$ , $MgO$ ). Luôn đọc kỹ đề xem có oxide "trơ" với CO/ $H_2$ hay không trước khi coi toàn bộ oxygen trong hỗn hợp là O "bị lấy". Một bẫy khác: khi đề nói khí thoát ra là hỗn hợp CO dư và $CO_2$ , đừng vội cho rằng thể tích khí đo được sau phản ứng khác thể tích CO ban đầu — tổng số mol khí luôn không đổi trong suốt quá trình khử oxide.

Kỹ thuật này chỉ đúng khi khí khử (CO hoặc $H_2$) **chỉ phản ứng với oxygen trong oxide**, không có phản ứng phụ khác (ví dụ oxide không bị khử hết, hoặc hỗn hợp có lẫn oxide không bị CO/$H_2$ khử ở nhiệt độ thí nghiệm như $Al_2O_3$, $MgO$). Luôn đọc kỹ đề xem có oxide "trơ" với CO/$H_2$ hay không trước khi coi toàn bộ oxygen trong hỗn hợp là O "bị lấy". Một bẫy khác: khi đề nói khí thoát ra là hỗn hợp CO dư và $CO_2$, đừng vội cho rằng thể tích khí đo được sau phản ứng khác thể tích CO ban đầu — tổng số mol khí luôn không đổi trong suốt quá trình khử oxide.

Tóm tắt: khi CO hoặc $H_2$ khử oxide, mỗi phân tử khí khử lấy đúng 1 nguyên tử O — bảo toàn nguyên tố oxygen biến bài toán nhiều oxide phức tạp thành một phép trừ khối lượng đơn giản: $m_{\text{oxide}} = m_{\text{kim loại}} + 16\,n_{CO_2 (\text{hoặc } H_2O)}$ . Khi phản ứng không hoàn toàn, kết hợp thêm khối lượng mol trung bình của khí thoát ra để tách được lượng khí đã thực sự phản ứng.

**Tóm tắt:** khi CO hoặc $H_2$ khử oxide, mỗi phân tử khí khử lấy đúng 1 nguyên tử O — bảo toàn nguyên tố oxygen biến bài toán nhiều oxide phức tạp thành một phép trừ khối lượng đơn giản: $m_{\text{oxide}} = m_{\text{kim loại}} + 16\,n_{CO_2 (\text{hoặc } H_2O)}$. Khi phản ứng không hoàn toàn, kết hợp thêm khối lượng mol trung bình của khí thoát ra để tách được lượng khí đã thực sự phản ứng.

Từ bài sau, ta chuyển sang một loại hỗn hợp khác hẳn: hợp chất hữu cơ. Tinh thần bảo toàn nguyên tố vẫn giữ nguyên — chỉ đổi sang theo dõi carbon và hydrogen — để dựng lại công thức phân tử từ số liệu đốt cháy.