I. Tổng quan về bài toán kim loại tác dụng với nước.
+ Một số kim loại tác dụng được với nước ở điều kiện
thường tạo thành dung dịch kiềm: Kim loại nhóm IA (Li, Na, K, Rb, Cs) một số kim loại nhóm IIA (Ca, Sr, Ba).
VD1:
Khi cho hỗn hợp gồm Na, Ca vào nước ta có các phương trình phản ứng sau đây:
Na + H2O à NaOH + ½ H2
Ca + 2H2O à Ca(OH)2 + H2
Tổng quát: M + nH2O à M(OH)2 + n/2H2
-
Nếu nhìn từ khía cạnh phản ứng oxi hóa
khử:
Kim loại M nhường ne: M à Mn+ + ne
H2O là chất nhận e: H2O + 2e à
2OH- + H2
Bài
toán thường cho biết trước số mol của H2 khi đó ta có thể tính nhanh
số mol của kim loại cũng như lượng OH- được sinh ra trong dung dịch.
+ Số mol của kim loại: n.nKL
= 2nH2 (n
số e kim loại nhường)
+ Số mol của ion OH-: nOH- = 2nH2
VD2:
Khi cho 7,9 gam hỗn hợp gồm K và Ca vào nước thu được dung dịch X và 3,36 lít
khí H2. Tính khối lượng của mỗi kim loại có trong hỗn hợp?
Giải:
Gọi số mol của K, Ca có trong hỗn hợp lần lượt là x,
y bằng phương pháp nhẩm ta có ngay hệ (chỉ việc bấm máy tính): 39x + 40y = 7,9
(1) và 1.x + 2.y = 2. 3,36/22,4 (2). Tìm được x=y=0,1.
mK
= 3,9 ; mCa = 40
Qua ví dụ trên ta thấy, việc nắm rõ bản chất của phản ứng và các công thức
nhẩm nhanh sẽ cho kết quả nhanh mà không cần tính toán nhiều.
+ Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng:
-
Một là với phản ứng: M + nH2O à M(OH)2 + n/2H2
mM + mH2O
pứ = mM(OH)n + mH2
-
Hai là với dung dịch: mdd
sau = mH2O đẫ lấy + mkim loại – mH2
-
Khối lượng của dung dịch tăng: mtăng = mM - mH2
-
Mối quan hệ số mol: nM
= nM(OH)n và 2nH2 = nH2O = nOH-
VD
3:
Hòa tan hoàn toàn 2,3 gam Na vào 120 gam H2O, sau phản ứng thu được
dung dịch X và V lít khí H2 (đktc).
a) Tính V?
b) Tính nồng dộ phần trăm của dung dịch thu được?
Giải:
a) Áp dụng công thức đã được tính nhanh ở trên: 1.nNa
= 2nH2 à
nH2 = 0,05 ; VH2 =
1,12 (lít)
b) Để tính nồng dộ phần trăm dung dịch thu được,
chúng ta phải hiểu rõ nồng độ của chất nào, sau phản ứng tạo ra NaOH, nên nồng
độ phần trăm của NaOH.
CT tính phần trăm khối lượng: C%(NaoH) =
[mNaOH/mdd].100%
Một là khối lượng của NaOH:
Áp dụng định luật bảo toàn nguyên tố: nNaOH
= nNa = 0,1 à
mNaOH = 4 gam
Nếu áp dụng định luật bảo toàn khối lượng cho phản ứng:
Na + H2O à NaOH + ½ H2
mNa
+ mH2O = mNaOH + mH2
2,3 + 18.2.nH2 = mNaOH + 2.nH2
Kết quả cũng ra mNaOH = 4 (gam).
Hai là khối lượng của dung dịch sau phản ứng: mdd
sau = 2,3 + 120 – 0,05.2 = 122,2 gam.
Thay vào biểu thức tính nồng độ phần trăm ta có C%(NaoH)
= 3,273%
Trên đây là các ví dụ đơn giản về việc áp dụng việc
nắm rõ bản chất của phản ứng, vận dụng các định luật vào giải bài tập hóa học
nói chung và dạng toán này nói riêng. Có thể thấy một kinh nghiệm nữa là khi
chúng ta áp dụng định luật bảo toàn khối lượng vào giải bài tập, ngoài vấn đề
xác định đúng áp dụng để tính cái gì, còn cần chú ý đến mối quan hệ về số mol giữa các chất
trong phản ứng (ví dụ nH2O = 2nH2).
+
Chú ý là các kim loại tác dụng được với nước thì oxit tương ứng của chúng cũng
tác dụng được với nước tạo ra dung dịch kiềm.
M2On + nH2O à 2M(OH)n
+
Nếu bài toán cho hỗn hợp hai kim loại X và Y liên tiếp trong cùng 1 nhóm A tác
dụng với H2O, thường sử dụng phương pháp trung bình để tìm ra hai
kim loại.
Coi hai kim loại là kim loại M nào đó: M = m/n và MX
< MM < MY
Ví
Dụ:
Hòa tan hết 10,1 gam hai kim loại kiềm thuộc hai chu kì liên tiếp vào nước thu
được 3 lít dung dịch có pH=13. Hai kim loại đó là?
Giải:
Gọi CT chung của hai kim loại là M (M1
< M < M2)
pH = 13 à
[H+] = 10-13 à
[OH-] = 10-1 =0,1 à
nOH- = 0,3
M + H2O à MOH + 1/2H2
Ta có: nOH-
= nMOH = nM = 0,3
Nguyên tử khối trung bình: M = 10,1/0,3 = 33,7 à Hia kim loại là Na và K
II.
Một số bài toán liên quan.
-
Có thể thấy đề thi đại học không chỉ chú
trọng tới một dạng toán đơn lẻ, mà chúng thường là sự kết hợp nhiều bài toán
đơn lẻ lại với nhau, do đó cần nắm vững từng tính chất một.
-
Sau đây là một số dạng liên quan tới dạng
bài tập chúng ta đang học.
(1)
pH của dung dịch.
Các công thức cần nhớ: pH = -lg[H+] và pOH = -lg[OH-]
Trong một dung dịch ta
luôn có: pH + pOH = 14 hay [H+].[OH-]=10-14
Trong đó [H+]
; [OH-] là nồng độ mol/lít của ion H+ và OH-.
-
pH < 7: dung dịch có môi trường axit.
-
pH = 7: dung dịch có môi trường trung
tính.
-
pH > 7: dung dịch có môi trường bazơ.
VD
4:
Hòa tan hoàn toàn 7,8 gam K vào nước thu được 400 ml dung dịch KOH. Hãy tính pH
của dung dịch thu được?
Giải: nK = 0,2
K + H2O à
KOH + ½ H2
0,2 0,2
KOH điện li tạo thành K+ + OH- khi đó áp dụng bảo toàn nhóm
OH ta có : nOH- = nKOH = 0,2
Nồng dộ của ion OH- trong dung dịch là: [OH-] = 0,2/0,4 = 0,5M
Có hai cách tính pH
Một là tính pOH = -lg[OH-] = -lg(0,5) =
0,3 à pH = 14 – pOH =
14 -0,3 = 13,7
Hai là tính nồng dộ mol của H+: [H+].[OH-]=10-14 à
[H+] = 2.10-14 à
pH = -lg(2.10-14) = 13,7
Chú
ý: Dung dịch chứa hỗn hợp NaOH, Ba(OH)2 … nOH- = nNaOH
+ 2nBa(OH)2
VD
5:
Hòa tan hoàn toàn m gam hỗn hợp gồm Na, K, Ca vào nước dư được 400 ml dung dịch
X và 3,36 lít khí H2 (đktc). Tính pH của dung dịch thu được?
Giải:
Áp dụng công thức ở phần (I) ta có: nOH- = 2.nH2
= 2.0,15 = 0,3
Nồng dộ của ion OH- trong dung dịch là: [OH-] = 0,3/0,4 = 0,75M à
pOH = 0,125
pH của dung dịch X: pH
= 14 – pOH = 13,875
(2)
Phản ứng với dung dịch axit.
+ Dung dịch kiềm tạo thành có thể được cho tác dụng
với dung dịch axit (phản ứng trung hòa).
+ VD: NaOH + HCl
à NaCl + H2O
+ Bản chất của phản ứng này : H+ + OH- à H2O
Theo phản ứng này thì số mol H+ luôn luôn
bằng số mol OH-: nH+
= nOH-
VD
6:
Hòa tan hoàn toàn m gam hỗn hợp gồm Na, Ba, Ca vào nước thu được 300 ml dung dịch
A và có 6,72 lít khí (đktc) thoát ra. Tính thể tích của dung dịch sau đây cần
dùng để trung hòa hết dung dịch A.
a) V ml dung dịch HCl 2M
b) V’ ml dung dịch hỗn hợp gồm HCl 1M và H2SO4
1,5M.
Giải:
Áp dụng công thức tính nhanh ở trên ta có: nOH-
= 2nH2 = 0,6 (mol)
a) Số mol H+ cần dùng là: 2V à
2V = 0,6 hay V = 300 ml
b) Số mol H+ cần dùng là: 1.V’ + 1,5.2.V’
= 4V’ à 4V’ = 0,6 hay V’ = 150 ml
(3)
Một số kim loại như Al, Zn không tan trong nước nhưng có khả năng tan trong
dung dịch kiềm.
2Al + 2OH- + 2H2O à 2NaAlO2 + 3H2
Zn + 2OH- à ZnO22- + H2
a) Như vậy nếu có một hỗn hợp gồm M( Li, Na, K, Rb,
Ca, Ba, Sr) – x mol và M’(Al, Zn) – y mol cho tác dụng với nước, thì ban đầu
kim loại M tác dụng với H2O tạo thành OH- , sau đó M’ bị
hòa tan bởi OH-, lượng kim loại bị hòa tan phụ thuộc vào lượng ion
OH- được sinh ra. Lượng H2 sinh ra do cả kim loại M và M’
tan.
Trong các bài toán dạng này, quan trọng nhất là xem
xét xem Al đã tan hết hay chưa?
(+) Khi đã biết số mol của OH- và số mol
của Al
-
nOH- ≥ nAl : Al
tan hết.
-
nOH- < nAl : Al
tan một phần, sau phản ứng còn một phần kim loại chưa tan.
(+) Khi chưa biết số mol của OH- và Al,
phải xét hai trường hợp.
-
TH1: OH- dư, Al tan hết.
-
TH2: OH- thiếu, Al tan một phần.
b) Cũng hỗn hợp trên nếu như tác dụng với dung dịch
kiềm dư, lúc này kim loại Al sẽ tan hết mà không phụ thuộc vào lượng OH-
được sinh ra khi kim loại M tan, lúc này ta chỉ cần viết các phương trình phản ứng
xảy ra:
M + nH2O à
M(OH)n + n/2H2
y x nx/2 (OH- :nx)
2Al + 2OH- + 6H2O à
2[Al(OH)4]- + 3H2
y y 1,5y
c) Thường gặp bài toán có cả trường hợp ở b) và c).
Khi cho hỗn hợp gồm Al và M (M là: Kim loại nhóm IA,
Ca, Ba) tác dụng với nước dư thu được V1 lít khí H2
(đktc).
Ban đầu: 2M +
2nH2O à 2M(OH)n + nH2
Sau đó: 2Al + 2OH- + 6H2O à
2[Al(OH)4]- + 3H2
Sau phản ứng Al có thể dư hoặc hết.
Khi cho hỗn hợp gồm Al và M (M là: Kim loại nhóm IA,
Ca, Ba) tác dụng với kiềm dư thu được V2 lít khí H2
(đktc).
2M +
2nH2O à 2M(OH)n + nH2
2Al + 2OH- + 6H2O à
2[Al(OH)4]- + 3H2
Vẫn có các phản ứng như trên, nhưng trong trường hợp
này Al luôn tan hết nên V2 ≥ V1
Nếu: V2
= V1 : Trong cả hai trường hợp Al hết.
V2
> V1: Trong trường hợp ban đầu, Al đã dư.
d) Hỗn hợp gồm oxit kim loại M2On
(M là kim loại nhóm IA, Ca, Ba) và Al, Al2O3, Al(OH)3
tác dụng với nước.
Trong trường hợp này Al2O3,
Al(OH)3 có tan hoàn toàn hay không phụ thược vào lượng OH-
sinh ra sau phản ứng:
M2On + 2nH2O à
2M(OH)n + nH2
Al2O3 + 2OH- à
2AlO2- + H2O
Al(OH)3 + OH- à
Al(OH)4-
2Al + 2OH- + 6H2O à
2[Al(OH)4]- + 3H2
VD
7:
Hòa tan hoàn toàn m gam kim loại Al vào dung dịch NaOH dư, thu được 3,36 lít
khí thoát ra ở điều kiện tiêu chuẩn. Giá trị của m là:
A.
2,7 gam B. 5,4 gam C. 3,6 gam D. 4,05 gam
Giải: H2 : 0,15 mol
Khi
kiềm dư, Al tan hết theo phương trình phản ứng:
2Al + 2OH- + 6H2O à 2[Al(OH)4]- + 3H2
Từ
phương trình phản ứng, suy ra số mol của Al là 0,1
Giá
trị của m là: 2,7 gam
VD
8:
Cho hỗn hợp gồm Na và Al có tỉ lệ số mol tương ứng là 1:2 vào nước dư. Sau khi
các phản ứng xảy ra hoàn toàn thu được 8,96 lít H2 (đktc) và m gam
chất rắn không tan. Giá trị của m là:
A. 10,8 B.
5,4 C. 7,8 D. 43,2
Giải: H2 : 0,4 mol Na
: x mol Al: 2x mol
Các
phương trình phản ứng xảy ra:
2Na + 2H2O à 2NaOH + H2
x x 0,5x
Lượng
Al tan phụ thuộc vào lượng NaOH được sinh ra.
2Al + 2OH- + 6H2O à 2[Al(OH)4]- + 3H2
Ban
đầu: 2x x
Phản
ứng: x x 1,5x
Sau: x - 1,5x
Sau
phản ứng Al dư x mol. Tổng số mol H2 thu được là 0,5x + 1,5x =
0,4 à x = 0,2
Khối
lượng rắn sau phản ứng: m = 0,2.27 = 5,4 gam
VD
9:
Hòa tan hoàn toàn m gam hỗn hợp gồm K và Al có tỉ lệ số mol tương ứng là 2:3
vào dung dịch NaOH dư thu được 12,32 lít khí H2 (đktc). Giá trị của
m là:
A. 6,6 gam B. 9,9 gam C. 15,9 gam D. 12,7 gam
Giải: H2 : 0,55 mol K : 2x mol Al : 3x mol
Khi
hòa tan hỗn hợp trên vào NaOH dư, thì kim loại Al sẽ tan hết mà không phụ thuộc
vào lượng KOH được sinh ra.
2K + 2H2O à 2KOH + H2
2x x
2Al + 2OH- + 6H2O à 2[Al(OH)4]- + 3H2
3x 4,5x
Tổng
số mol H2 sinh ra: x + 4,5x = 0,55 à x = 0,1
Khối
lượng của hỗn hợp là: m =
39.2.0,1 + 27.3.0,1 = 15,9 gam
VD
10:
Hỗn hợp X gồm K và Al:
-
m
gam X tác dụng với nước dư thu được 0,4 mol khí H2.
-
m
gam X tác dụng với dung dịch KOH dư thu được 0,475 mol H2. Giá trị của
m là:
A. 14,55 gam B. 14,45 gam C. 15,55 gam D.
15,45 gam
Giải:
Vì
khi cho hỗn hợp X vào nước thu được số mol khí H2 nhỏ hơn số mol H2
thu được khi cho X vào KOH dư, nên X tác dụng với nước Al dư một phần, lượng Al
tan phụ thuộc vào lượng KOH được sinh ra khi K tan.
Gọi
số mol của K và Al lần lượt là x, y.
-
Khi
cho X tác dụng với H2O.
2K + 2H2O à 2KOH + H2
x x 0,5x
2Al + 2OH- + 6H2O à 2[Al(OH)4]- + 3H2
x x 1,5x
à 2x = 0,4 hay x
= 0,2
-
Khi
X tác dụng với KOH dư, Al tan hết.
2K + 2H2O à 2KOH + H2
x x 0,5x
2Al + 2OH- + 6H2O à 2[Al(OH)4]- + 3H2
y 1,5y
à 0,5x + 1,5y =
0,475 à y = 0,25
Vậy : m =
0,2.39 +
0,25.27 = 14,55 gam
Kinh nghiệm: Khi cho hỗn hợp X gồm Al –
b mol và M – a mol (M là Li, K, Na).
-
Vào nước dư: nH2
= 2nM = 2a
-
Vào kiềm dư: nH2 = 0,5nM + 1,5nAl
= 0,5a + 1,5b
VD
11:
Hỗn hợp X gồm Na và Al. Cho m gam X vào nước dư thì thoát ra V lít khí. Nếu
cũng m gam X này cho tác dụng với dung dịch NaOH dư thì thu được 1,75V lít khí
(các khí đo ở đktc). Thành phần phần trăm theo khối lượng của Na trong X là:
A. 39,87% B. 77,315% C.
49,87% D. 29,87%
Giải:
Gọi
a, b lần lượt là số mol của Na và Al có trong m gam hỗn hợp. Để đơn giản ta chọn
V = 22,4
Khi
cho X tác dụng với nước: nH2
=1 = 2nNa = 2a à a = 0,5 mol
Khi
cho X tác dụng với NaOH dư: nH2 = 0,5.a +
1,5.b = 1,75 à b = 1 mol
Từ
đó tính được phần trăm khối lượng của Na là: 29,87%
VD
12:
Hòa tan hoàn toàn m gam hỗn hợp gồm Na2O và Al2O3
vào nước thu được 200ml dung dịch X trong suốt chỉ chứa một chất tan duy nhất
có nồng độ 0,5M. Thổi khí CO2 dư vào X thu được a gam kết tủa. Giá
trị của m và a lần lượt là:
A. 8,2 gam và 78 gam B. 8,2 gam và 7,8 gam
C. 82 gam và 7,8 gam D.
82 gam và 78 gam
Giải: Các phương
trình phản ứng: Na2O + H2O à 2NaOH
Al2O3 + 2NaOH à 2NaAlO2 + H2O
0,05 0,1 0,1
CO2 + H2O + NaAlO2
à
Al(OH)3 + NaHCO3
0,1 0,1
Khối
lượn kết tủa thu được là = 0,1.78 = 7,8
Khối
lượng hỗn hợp ban đầu là: 0,05.102 + 0,05.62 = 8,2 gam
0 comments:
Post a Comment