Tài liệu gồm 73 trang, được trích dẫn từ cuốn sách Phương Pháp Trọng Tâm Giải Toán Hóa Học THPT của tác giả Lê Văn Nam, hướng dẫn sử dụng phương pháp bảo toàn electron giải nhanh bài tập Hóa học THPT.
I. PHƯƠNG PHÁP BẢO TOÀN ELECTRON
1. Nội dung phương pháp bảo toàn electron.
– Cơ sở của phương pháp bảo toàn electron là định luật bảo toàn electron: Trong phản ứng oxi hóa – khử, tổng số electron mà các chất khử nhường luôn bằng tổng số electron mà các chất oxi hóa nhận.
– Hệ quả của của định luật bảo toàn electron:
+ Hệ quả 1: Trong phản ứng oxi hóa – khử, tổng số mol electron mà các chất khử nhường luôn bằng tổng số mol electron mà các chất oxi hóa nhận.
+ Hệ quả 2: Đối với những bài tập liên quan đến phản ứng oxi hóa – khử, nếu số mol electron mà chất khử nhường lớn hơn số mol electron mà chất oxi hóa nhận thì chất khử dư và ngược lại.
– Phương pháp bảo toàn electron là phương pháp giải bài tập hóa học sử dụng các hệ quả của định luật bảo toàn electron.
2. Ưu điểm của phương pháp bảo toàn electron.
Phương pháp bảo toàn electron có ưu điểm là trong quá trình làm bài tập thay vì phải viết phương trình phản ứng, học sinh chỉ cần lập sơ đồ phản ứng, tính toán đơn giảnvà cho kết quả nhanh. Như vậy, nếu sử dụng phương pháp bảo toàn electron một cách hiệu quả thì có thể tăng đáng kể tốc độ làm bài so với việc sử dụng phương pháp thông thường. Đây là điều rất có ý nghĩa đối với các em học sinh trong quá trình làm bài thi trắc nghiệm.3. Phạm vi áp dụng.
Phương pháp bảo toàn electron có thể giải quyết được hầu hết các bài tập liên quan đến phản ứng oxi hóa – khử trong hóa vô cơ và một số bài tập trong hóa hữu cơ. Một số dạng bài tập thường dùng phương pháp bảo toàn electron: + Kim loại tác dụng với phi kim, với dung dịch muối, với dung dịch axit. + Hỗn hợp Fe và các oxit của nó tác dụng với dung dịch H2SO4 đặc hoặc dung dịch HNO3. + Muối Fe2+, muối Cl− phản ứng với dung dịch KMnO4 / H+, K2Cr2O7 / H+. + Khử oxit kim loại bằng khí CO, H2, phản ứng nhiệt nhôm. + Phản ứng điện phân dung dịch chất điện ly.4. Bảng tính nhanh số mol electron cho, nhận [số electron trao đổi].
II. PHÂN DẠNG BÀI TẬP VÀ CÁC VÍ DỤ MINH HỌA
Dạng 1: Tính lượng chất trong phản ứng oxi hóa – khử. Bước 1: Lập sơ đồ phản ứng biểu diễn quá trình chuyển hóa giữa các chất, để thấy rõ bản chất hóa học của bài toán. Bước 2: Nhận dạng nhanh phương pháp giải bài tập: Khi gặp bài tập liên quan đến phản ứng oxi hóa – khử mà giữa thông tin đề cho và yêu cầu của đề bài có mối liên hệ với nhau bằng biểu thức thì ta nên dùng phương pháp bảo toàn electron. Bước 3: Dựa vào sự thay đổi số oxi hóa để xác định chất khử và chất oxi hóatrong toàn bộ quá trình phản ứng. Từ đó suy ra số mol electron trao đổi theo số mol chất khử [hoặc sản phẩm oxi hóa], chất oxi hóa [hoặc sản phẩm khử]. Bước 4: Thiết lập phương trình bảo toàn electron. Ngoài ra, kết hợp với các giả thiết khác để lập các phương trình toán học có liên quan. Từ đó suy ra lượng chất cần tính. Lưu ý: + Đối với các nguyên tố mà số oxi hóa thay đổi phức tạp [thường là Fe, N…] thì chỉ cần quan tâm đến số oxi hóa ở trạng thái đầu tiên và cuối cùng. + Trong phương pháp bảo toàn electron, nếu xác định sai hoặc thiếu chất oxi hóa, chất khử thì phương pháp bảo toàn electron không còn đúng nữa.
Dạng 2: Xác định chất khử, sản phẩm khử.
Để xác định chất khử, sản phẩm khử trong phản ứng ta làm như sau: Đối với việc tìm chất khử là kim loại: Dựa vào giả thiết và áp dụng bảo toàn electron để lập các phương trình toán học, từ đó suy ra biểu thức liên quan giữa nguyên tử khối của kim loại [M] và số oxi hóa của nó [n]. Thử với n bằng 1, 2, 3 suy ra giá trị M phù hợp. Đối với việc xác định sản phẩm khử [NO, N2, SO2, H2S…] hoặc các chất khử khác [FeO, Fe3O4…]: Ta tính xem quá trình khử hoặc quá trình oxi hóa đã trao đổi bao nhiêu electron, từ đó ta suy ra công thức của sản phẩm khử hoặc chất khử.Dạng 3: Xác định chất, tính lượng chất trong quá trình điện phân.
Bước 1: Tính số mol electron trao đổi trong quá trình điện phân [nếu đề bài cho biết thời gian điện phân và cường độ dòng điện]. Bước 2: Xác định chính xác thứ tự khử trên catot, thứ tự oxi hóa trên anot của các ion và H2O [đây là bước rất quan trọng, nếu làm sai bước này thì sẽ không tìm được kết quả của bài toán]. Bước 3: Áp dụng định luật bảo toàn electron cho quá trình điện phân: Số mol electron trao đổi = Số mol electron mà các ion dương và H2O nhận ở catot = Số mol electron mà các ion âm và H2O nhường ở anot. Lưu ý: Thứ tự khử tại catot [cực âm] xảy ra theo thứ tự ưu tiên từ trái qua phải. Thứ tự oxi hóa tại anot [cực dương] xảy ra theo thứ tự ưu tiên từ trái qua phải. Phản ứng điện phân H2O ở các điện cực. Trong quá trình điện phân, khối lượng dung dịch giảm bằng khối lượng của các khí thoát ra và kim loại sinh ra bám vào điện cực.III. BÀI TẬP ÁP DỤNG
[ads]
* Một số lưu ý cần nhớ
+, Trong phản ứng OXH – Khử, tổng số mol e nhường bằng tổng số mol e nhận.
Ta thường áp dụng phương pháp này đối với những bài toán có xảy ra phản ứng OXH Khử. Phương pháp này sẽ giúp cho học sinh dễ dàng hơn trong khâu tính toán mà không cần phải viết quá nhiều phương trình.
Dưới đây là một số dạng toán và vài ví dụ cụ thể
* Dạng 1: Kim loại tác dụng với dung dịch axit không có tính OXH mạnh [HCl, H2SO4 loãng]
* Một số lưu ý cần nhớ:
Khi cho a mol kim loại M tan hoàn toàn vào dung dịch HX thu được b mol H2.
=> Sau phản ứng ta thu được dung dịch muối MXn và khí H2.
Ta có quá trình trao đổi e như sau:
M → Mn+ + ne
a an [mol]
2H+ + 2e → H2
b 2b [mol]
Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: an = 2b
* Một số ví dụ cụ thể:
Ví dụ 1: Hòa tan 1 hỗn hợp 14,5 gam [Fe, Mg, Zn] bằng dung dịch HCl vừa đủ thì thu được dung dịch X có chứa 35,8 gam muối. Tính thể tích khí H2 thu được sau phản ứng.
Hướng dẫn giải chi tiết
Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng ta có:
m KL + m Cl- = m Muối
=> m Cl- = 35,8 – 14,5 = 21,3 [gam]
=> n Cl- = 21,3 : 35,5 = 0,6 [mol]
=> Số mol e nhường = n Cl- = 0,6 [mol]
=> n H2 = 0,6 : 2 = 0,3 [mol]
V H2 = 0,3 * 22.4 = 6,72 [lít]
Ví dụ 2: Cho 5 gam Mg, Zn vào dung dịch HCl dư thu được 3,136 lít H2. Số mol Mg thu được là?
Hướng dẫn giải chi tiết:
Gọi số mol Mg, Zn lần lượt a, b mol
n H2 = 3,136 : 22,4 = 0,14 mol
Khối lượng của kim loại nặng 5 gam
=> 24 a + 65 b = 5 [I]
Ta có quá trình nhường nhận e như sau:
| Quá trình OXH Mg → Mg+2 + 2e a 2a Zn → Zn+2 + 2e b 2b | Qúa trình Khử 2H+ + 2e → H2 0,28 0,14 |
=> Áp dụng định luật bảo toàn electron: 2a + 2b = 0,28 [II]
Từ [I] và [II] => a = 0,1 mol ; b = 0,04 mol
Vậy số mol Mg có trong hỗn hợp là 0,1 mol
Ví dụ 3: Cho 9,32 gam Mg và Zn vào 200 ml dung dịch H2SO4 2M. Hãy cho biết kết luận nào sau đây đúng:
A. Mg và Zn tan hết, H2SO4 dư
B. Mg và Zn, H2SO4 đều hết
C. Mg và Zn dư, H2SO4 hết
D. Mg hết, H2SO4 hết, Zn dư
Hướng dẫn giải chi tiết
n H2SO4 = 0,4 mol.
Gỉa sử H2SO4 phản ứng hết => n e trao đổi = n H+ = 0,8 mol
=> n hh kim loại = 0,8 : 2 = 0,4 [mol]
Mặt khác 9,32 : 24 > n hh > 9,32 : 65
=> 0,39 > nHH > 0,14
Mà 0,4 > 0,39
=> Sau phản ứng axit còn dư, kim loại tan hết.
Đáp án A
* Dạng 2: Kim loại và một số hợp chất tán dụng với dung dịch axit có tính OXH mạnh
* Một số lưu ý cần nhớ:
+ Đối với kim loại tác dụng với HNO3
Hầu hết các kim loại đều tác dụng với dung dịch HNO3 [trừ Au, Pt].
Al, Fe, Cr bị thụ động trong HNO3 đặc nguội
Để giải bài toán axit nitric tác dụng với kim loại thường được giải bằng phương pháp bảo toàn
electron, bảo toàn nguyên tố và bảo toàn khối lượng. Theo các phương pháp này, có 3 phương trình rất quan trọng cần nhớ là:
ne = nkim loại.hóa trịkim loại = nNO2 + 3nNO + 8nN2O + 10nN2 + 8nNH4NO3
nHNO3 phản ứng = 2nNO2 + 4nNO + 10nN2O + 12nN2 + 10nNH4NO3
mmuối = mkim loại + 62ne
+ Đối với kim loại tác dụng với H2SO4
H2SO4 đặc phản ứng được với hầu hết các kim loại [trừ Au và Pt] → muối trong đó kim loại có hóa trị cao + H2O + SO2 [S, H2S].
Bài tập kim loại tác dụng với axit sunfuric đặc thường gặp nhất là tạo khí SO2, khi giải thường vận dụng bảo toàn e và bảo toàn nguyên tố:
ne = nkim loại.hóa trịkim loại = 2nSO2
nH2SO4 phản ứng = 2nSO2
mmuối = mkim loại + 96nSO2
- H2SO4 đặc nguội thụ động với Al, Fe và Cr.
* Một số ví dụ cụ thể
Ví dụ 1: Cho 13,5 gam nhôm tác dụng vừa đủ với 2,5 lít dung dịch HNO3, phản ứng tạo ra muối nhôm và một hỗn hợp khí gồm NO và N2O có tỉ lệ mol tương ứng là 2: 3. Tính nồng độ mol của dung dịch HNO3.
A. 0,95. B. 0,86.
C. 0,76. D. 0,9.
Hướng dẫn giải chi tiết:
Gọi n NO, n N2O lần lượt là 2a, 3a mol
Ta có: n Al = 13,5 : 27 = 0,5 [mol]
Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có:
| Qúa trình OXH Al → Al+3 + 3e 0,5 1,5 [mol] | Qúa trình khử N+5 + 3e → N+2 6a 2a 2N+5 +8e → 2N+1 24a 3a |
Áp dụng định luật bảo toàn electron
=> 1,5 = 6a + 24a => 30a = 1,5 => a = 0,05 [mol]
n NO = 0,1 mol; n N2O = 0,15 mol
=> n HNO3 = 4 * n NO + 10 * n N2O = 0,1 * 4 + 0,15 * 10 = 1,9 mol
CM HNO3 = 1,9 : 2,5 = 0,76M
Đáp án C
Ví dụ 2: Hòa tan hoàn toàn 6,5 gam kim loại Zn vào dung dịch HNO3 loãng, giả sử chỉ thu được 0,448 lít khí X duy nhất [đktc]. Khí X là :
A. N2. B. NO.
C. N2O. D. NO2.
* Hướng dẫn giải cụ thể:
n Zn = 6,5 : 65 = 0,1 mol
n X = 0,448 : 22,4 = 0,02 [mol]
n e nhường = 2 * n Zn = 0,2 [mol]
=> 0,02 mol X nhận 0,2 mol e
=> 1 mol X nhận 10 mol e
Vậy X là khí N2.
Đáp án A
Ví dụ 3: Hòa tan 8,4 gam Fe trong dung dịch HNO3 dư, tính thể tích khí NO bay ra, biết NO là sản phẩm khử duy nhất của HNO3
A. 2,24 lít B. 3,36 lít
C. 4,48 lít D. 5,6 lít
* Hướng dẫn giải cụ thể
n Fe = 8,4 : 56 = 0,15 [mol]
Ta có quá trình trao đổi electron như sau:
| Fe → Fe+3 + 3e 0,15 0,45 | N+5 +3e → N+2 |
Áp dụng đinh luật bảo toàn electron n e nhận = n e nhường = 0,45 mol
=> n NO = 1/3 n e nhận = 0,45 : 3 = 0,15 mol
V NO = 0,15 * 22, 4 = 3,36 lít
Đáp án B
Dạng 3: Một số bài toán có chứa phản ứng OXH KHỬ khác:
Ví dụ 1: Nung m gam bột sắt trong oxi, thu được 3 gam hỗn hợp chất rắn X. Hòa tan hoàn toàn hỗn hợp X trong dung dịch HNO3 [dư], thoát ra 0,56 lít [đktc] NO [là sản phẩm khử duy nhất]. Giá trị của m là :
A. 2,52. B. 2,22.
C. 2,62. D. 2,32.
Hướng dẫn giải chi tiết:
n NO = 0,56 : 22,4 = 0,025 mol
Xét 3 gam hỗn hợp chất rắn X. Đặt số mol Fe, O lần lượt là a, b
=> 56a + 16b = 3 [I]
Áp dụng định luật bảo toàn electron:
=> 3 * nFe = 2 * n O + 3 * n NO
=> 3a = 2*b + 3 * 0,025
=> 3a – 2b = 0,075 [II]
Từ [I] và [II] => a = 0,045; b = 0,03
=> m = n Fe * 56 = 0,045 * 56 = 2,52 [gam]
Đáp án A
Ví dụ 2: Nung hỗn hợp X gồm 13,44 gam Fe và 7,02 gam Al trong không khí một thời gian, thu được 28,46 gam chất rắn Y. Cho Y tác dụng với dung dịch H2SO4 đặc, nóng dư, thu được V lít khí SO2 [đktc]. Giá trị của V là :
A. 11,2. B. 22,4.
C. 5,6. D. 13,44.
Hướng dẫn giải chi tiết:
n Fe = 13,44 : 56 = 0,24 [mol]
n Al = 7,02 : 27 = 0,26 [mol]
Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng
=> m KL + m O = m Y
=> m O = 28,46 – 13,44 – 7,02 = 8 [gam]
=> n O = 8 : 16 = 0,5 [mol]
Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có:
3 * n Fe + 3 * n Al = 2 * n O + 2 * n SO2
=> n SO2 = 0,25 [mol]
=> V SO2 = 0,25 * 22,4 = 5,6 lít
Đáp án C
Loigiaihay.com