✓ phương pháp bảo toàn e là gì? định luật bảo toàn electron

Tìm hiểu định luật bảo toàn e là gì?

• mol electron mà chất oxi hoá nhận. 

  Trong một phản ứng oxi hoá – khử, số mol electron mà chất khử cho sẽ bằng sốelectron mà chất oxi hoá nhận.

\(\sum ne\, cho = \sum ne\, nhan\)

• phản ứng nhiệt nhôm, đốt cháy.

  Ta sử dụng tính chất này để thiết lập các phương trình liên hệ cũng như giải các bài toán theo phương pháp bảo toàn e. Những dạng toán thường gặp nhất là kim loại phản ứng với HNO3, H2SO4 đặc, nóng và phản ứng nhiệt phân,, đốt cháy.

• Tổng số mol e nhường = tổng số mol e nhận.

• Định luật bảo toàn e có thể được áp dụng với các phản ứng riêng hoặc tổng hợp nhiều phản ứng.

• Định luật bảo toàn e chủ yếu áp dụng cho bài toán oxi hóa khử các chất vô cơ.

• Có thể áp dụng bảo toàn electron cho một phương trình, nhiều phương trình hoặc toàn bộ quá trình.

• Xác định chính xác chất nhường và nhận electron. Nếu xét cho một quá trình, chỉ cần xác định trạng thái đầu và trạng thái cuối số oxi hóa của nguyên tố, thường không quan tâm đến trạng thái trung gian số oxi hóa của nguyên tố.

• Khi áp dụng phương pháp bảo toàn e thường sử dụng kèm các phương pháp bảo toàn khác (bảo toàn khối lượng, bảo toàn nguyên tố).

• Khi cho kim loại tác dụng với dung dịch \(HNO_{3}\)  và dung dịch sau phản ứng không chứa muối amoni.

• Một số công thức cần ghi nhớ

  khi ta  cho chất khử phản ứng với dung dịch HNO3 hoặc H2SO4 đặc, nóng như sau:

Cách giải các bài toán bằng định luật bảo toàn e

• Bước 1:

  Xác định chất khử và chất oxi hoá.

• Bước 2:

  Viết các quá trình khử và quá trình oxi hoá.

• Bước 3:

  Sử dụng biểu thức của định luật bảo toàn e: \(n_{e\, cho} = n_{e\, nhan}\) để giải.

Ví dụ 1:  Cho m(g) Al vào 100ml dung dịch \(Cu(NO_{3})_{2}\) 2M và \(AgNO_{3}\) 2M thu được dung dịch A và chất rắn B. Nếu cho B phản ứng với dung dịch HCl dư thì được 3,36 lit \(H_{2}\) (đktc). Tìm m?

Nhận thấy trong bài toán trên, Al đóng vai trò chất khử, \(Ag^{+}, H^{+},Cu^{2+}\) đóng vai trò chất oxi hóa.

Các quá trình nhường và nhận e đã xảy ra:

\(Al \rightarrow Al^{3+} + 3e\)

\(Ag^{+} + 1e \rightarrow Ag\)

\(Cu^{2+} + 2e \rightarrow Cu\)

\(H^{+} + 1e \rightarrow \frac{1}{2}H_{2}\)

Vận dụng định luật bảo toàn e cho các quá trình trên ta thấy:

\(\frac{3m}{27} = 0,1.2.2 + 0,1.2.1 + \frac{3,36.2}{22,4}\)

\(\rightarrow m = 9\, (g)\)

Ví dụ 2: Cho 15,8 gam \(KMnO_{4}\) tác dụng với dung dịch HCl đậm đặc. Thể tích khí \(Cl_{2}\) thu được ở điều kiện tiêu chuẩn là:

Ta có: \(Mn^{+7} – 5e \rightarrow Mn^{+2}\)

\(Cl^{-} + 2e \rightarrow Cl_{2}\)

Áp dụng định luật bảo toàn e ta có :

\(5n_{KMnO_{4}} = 2n_{Cl_{2}}\)

\(n_{Cl_{2}} = \frac{5}{2}n_{KMnO_{4}} = 0,25\, (mol)\)

\(V_{Cl_{2}} = 0,25.22,4 = 0,56\, (l)\)

Ví dụ 3: Hòa tan hoàn toàn 19,2 gam Cu qua dung dịch HNO3 loãng dư thu được V lít khí NO là sản phẩm khử duy nhất. Tiếp đó lấy V lít NO để điều chế HNO3. Hãy tính thể tích khí O2 đã tham gia vào quá trình trên.

Trước và sau toàn bộ quá trình chỉ có Cu và Oxi là có sự thay đổi số oxi hóa, do đó, áp dụng bảo toàn e cho hai chất này ta được:

Ví dụ 4: Lấy 9,6 gam Mg cho vào dung dịch chứa 49 gam H2SO4 vừa đủ thu được sản phẩm khử X. 

Ví dụ 1: Lấy m gam hỗn hợp X gồm FeO, Fe2O3 và Fe3O4 tác dụng vừa đủ với dung dịch H2SO4 loãng dư thu được dung dịch B có chứa 55,2 gam muối khan. Nếu như cho dung dịch B tác dụng với Cl2 dư thu được 58,75 gam muối. Như vậy thì giá trị của m là bao nhiêu?.

Ví dụ 2: Cho m gam X bao gồm FeO, Fe3O4 và Fe2O3. Khử hoàn toàn 3,04 gam hỗn hợp X cần vừa đủ 0,1 gam H2. Để hòa tan hết 3,04 gam hỗn hợp X bằng dung dịch H2SO4 đặc nóng thì thể tích khí SO2 (sản phẩm khử duy nhất) thu được ở đktc là bao nhiêu?.

Cách giải

Phương pháp giải: Chỉ cần quan tâm đến số oxi hóa của các chất đầu và chất cuối mà không quan tâm đến các quá trình trung gian.

Ví dụ 1: Trộn 15,2 gam hỗn hợp Fe và Cu với 4,8 gam S thu được một hỗn hợp X. Nung X trong bình kín không có không khí, sau một khoảng thời gian thu được hỗn hợp Y. Sau đó hòa tan hết Y trong dung dịch HNO3 loãng thu được 11,2 lít NO duy nhất (trong đktc). Tính số mol Cu trong hỗn hợp ban đầu.

Cách giải

Ta gọi x là số mol Fe và y là số mol Cu. Ta có hệ phương trình giải sau:

Phương trình khối lượng: 56x + 64y = 15,2

Bảo toàn e là: 3x + 2y +  6nS = 3nNO

=> x = 0,1 và y = 0,15

Ví dụ 2: Ta hoà tan hoàn toàn 12 gam hỗn hợp Fe, Cu (tỉ lệ mol 1:1 bằng axit HNO3 thu được V lít (ở đktc) hỗn hợp khí X (gồm NO và NO2 và dung dịch Y (chỉ chứa hai muối và axit dư). Biết tỉ khối của X đối với H2 bằng 19. Tính giá trị của V.

Cách giải

Các dạng bài tập bảo toàn electron khó và hay

Một số chú ý:

• Khi cho một Kim loại hoặc hỗn hợp kim loại tác dụng với hỗn hợp axit HCl, \(H_{2}SO_{4}\) loãng  hoặc hỗn hợp các axit loãng (\(H^{+}\) đóng vai trò là chất oxy hóa) thì tạo ra muối có số oxi hóa thấp và giải phóng \(H_{2}\).

• Chỉ những kim loại đứng trước \(H_{2}\) trong dãy hoạt động hóa học mới tác dụng với ion \(H^{+}\).

Như vậy ta thấy kim loại nhường đi n.e và hiđrô thu về 2.e

Công thức: Tính khối lượng muối trong dung dịch

\(m_{m} = m_{KL} + m_{goc\, axit}\)

Trong đó, số mol gốc acid được cho bởi công thức:

\(n_{goc\, axit} = \sum e_{td}\): điện tích của gốc acid

• Với \(H_{2}SO_{4}: m_{m} = m_{KL} + 96\).

• Với \(HCl: m_{m} = m_{KL} + 71\).

• Với \(HBr: m_{m} = m_{KL} + 160\)

Ví dụ 3: Hoà tan 7,8 g hỗn hợp bột Al và Mg trong dung dịch HCl dư. Sau phản ứng khối lượng dung dịch axit tăng thêm 7,0 g. Khối lượng nhôm và magie trong hỗn hợp đầu là bao nhiêu?

Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng ta có:

\(m_{H_{2}} = 7,8 – 7,0 =0,8\, gam\)

Mặt khác theo đề ta có hệ phương trình:

(Khi tham gia phản ứng nhôm nhường 3e, magie nhường 2e và \(H_{2}\) thu về 2 e)

\(\left\{\begin{matrix} 3n_{Al} + 2n_{Mg} =2n_{H_{2}} = \frac{2.0.8}{2}\\ 27n_{Al} +24n_{Mg} =7,8 \end{matrix}\right.\)

\(\left\{\begin{matrix} n_{Al} = 0,2\\ n_{Mg} = 0,1 \end{matrix}\right.\)

Từ đó ta tính được:

\(m_{Al} = 27.0,2 = 5,4\, gam\)

\(m_{Mg} = 24.0,1 = 2,4\)

Ví dụ 4:  Hòa tan hết 7,74 gam hỗn hợp bột Mg, Al bằng 500ml dung dịch hỗn hợp HCl 1M và \(H_{2}SO_{4}\) 0,28M thu được dung dịch X và 8,736 lít khí \(H_{2}\) (đktc). Cô cạn dung dịch X thu được lượng muối khan là:

  A. 38,93 g                  B. 25,95 g               C. 103,85 g             D.77,86 g

Tổng số mol \(H^{+}\) là: 0,5.(1+2.0,28) = 0,78 mol

Số mol \(H_{2}\) là: \(n_{H_{2}} = \frac{8,736}{22,4} = 0,39\, mol\)

\(\begin{matrix} 2H^{+} + 2e \rightarrow H_{2}\\ 0,78\, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, 0,39 \end{matrix}\)

Lượng \(H^{+}\) tham gia phản ứng vừa đủ.

Áp dụng công thức 2 tính khối lượng muối:

\(m_{m} = m_{KL} + m_{goc\, axit}\)

\(m_{m} = 7,74 + 1.0,5.35,5 + 0,28.0,5.96 =38,3\, g\)

Xét bài toán:  Cho một kim loại (hoặc hỗn hợp các kim loại) tác dụng với dung dịch axit \(HNO_{3}\) loãng, dung dịch axit \(HNO_{3}\) đặc nóng cho ra hỗn hợp khí hợp chất của nitơ như \(NO_{2}, NO, N_{2}O, N_{2}\), hoặc \(NH_{3}\) (tồn tại dạng muối \(NH_{4}NO_{3}\) trong dung dịch).

Khi gặp bài tập dạng này cần lưu ý:

• Kim loại có nhiều số oxy hóa khác nhau khi phản ứng với dung dịch axit \(HNO_{3}\) loãng, dung dịch axit \(HNO_{3}\) đặc nóng sẽ đạt số oxy hóa cao nhất .

• Hầu hết các kim loại phản ứng được với \(HNO_{3}\) đặc nóng (trừ Pt, Au) và \(HNO_{3}\) đặc nguội (trừ Pt, Au, Fe, Al, Cr…), khi đó \(N^{+5}\) trong \(HNO_{3}\) bị khử về các mức oxy hóa thấp hơn trong những hơn chất khí tương ứng.

• Các kim loại tác dụng với ion  trong môi trường axit \(H^{+}\) xem như tác dụng với \(HNO_{3}\). Các kim loại Zn, Al tác dụng với ion  trong môi trường kiềm \(OH^{-}\)

  giải phóng \(NH_{3}\).

Xét bài toán:  Cho một kim loại (hoặc hỗn hợp các kim loại) tác dụng với một dung dịch axit \(H_{2}SO_{4}\) đặc nóng cho sản phẩm là khí \(SO_{2}\) (khí mùi sốc), S (kết tủa màu vàng), hoặc khí \(H_{2}S\) (khí mùi trứng thối).

Khi gặp bài tập dạng này cần lưu ý:

• Kim loại có nhiều số oxy hóa khác nhau khi phản ứng với dung dịch axit \(H_{2}SO_{4}\) đặc nóng sẽ đạt số oxy hóa cao nhất.

• Hầu hết các kim loại phản ứng được với axit \(H_{2}SO_{4}\) đặc nóng (trừ Pt, Au) khi đó \(S^{+6}\) trong \(H_{2}SO_{4}\)

   

  đặc nóng bị khử về các mức oxy hóa thấp hơn trong những  sản phẩm như là khí \(SO_{2}, H_{2}S\) hoặc S.

• Mốt số kim loại như Al, Fe, Cr, …thụ động trong \(H_{2}SO_{4}\)

  đặc nguội.

Sản phẩm gồm:

\(M + H_{2}SO_{4} \rightarrow M_{2}(SO_{4})_{n} + \left\{\begin{matrix} H_{2}S\\ S\\ SO_{2} \end{matrix}\right. + H_{2}O\)

Tính khối lượng muối sunfat thu được khi hoà tan hết hỗn hợp các kim loại bằng \(H_{2}SO_{4}\) đặc, nóng giải phóng khí \(SO_{2}, S, H_{2}S\) thì:

\(m_{m} = m_{KL} + 96n_{goc\, axit}\)

\(n_{SO_{4}} = \frac{\sum n_{e\, cho}}{2} = \frac{\sum n_{e\, nhan}}{2}\)

Ví dụ 5:  Cho 5,94g Al tác dụng vừa đủ với dung dịch \(H_{2}SO_{4}\) đặc nóng thu được 1,848 lít sản phẩm (X) có  lưu huỳnh (đktc), muối sunfat và nước. Cho biết ( X ) là khí gì trong hai khí \(SO_{2}, S, H_{2}S\)?

                              

\(n_{Al} = \frac{5,94}{27} = 0,22\, (mol)\)

\(n_{X} = \frac{1,848}{22,4} = 0,0825\, (mol)\)

Quá trình oxy hóa Al : 

\(\begin{matrix} Al – 3e \rightarrow Al^{3+}\\ 0,22\, \, \, \, \, 0,66 \, \, \, \, 0,22 \end{matrix}\)

\(n_{e\, cho} = 0,22.3 = 0,66\)

Quá trình khử \(S^{6+}\):

\(\begin{matrix} S^{6+} + (6-x)e \rightarrow S^{x}\\ \, \, \, \, 0,0825(6-x)\, \, \, 0,0825 \end{matrix}\)

\(n_{e\, nhan} = 0,0825(6-x)\, mol\)

( x là số oxy hóa của S trong khí X )

Áp dụng định luật bảo toàn e, ta có : 

\(0,0825(6-x) = 0,66 \Rightarrow x = -2\)

Vậy X là \(H_{2}S\) ( trong đó S có số oxy hóa là -2).

Ví dụ 6: Hoà tan hết 16,3 gam hỗn hợp kim loại gồm Mg, Al và Fe trong dung dịch \(H_{2}SO_{4}\) đặc, nóng thu được 0,55 mol \(SO_{2}\). Cô cạn dung dịch sau phản ứng, khối lượng chất rắn khan thu được là bao nhiêu?

1. 51,8 gam                

   B. 55,2 gam                 C. 69,1 gam

   D. 82,9 gam

Sử dụng phương pháp bảo toàn e với chất khử là các kim loại Mg, Al, Fe,  chất oxy hoá \(H_{2}SO_{4}\).

Ta có:

\(\begin{matrix} S^{+6} + 2e \rightarrow S^{+4}\\ \, \, \, \, \, \, \, \, 0,55.2\, \, \, \, \, 0,55 \end{matrix}\)

Khối lượng muối khan là: 

\(m_{m} = m_{KL} + 96n_{goc\, axit}\)

\(\Rightarrow m_{m} = 16,3 + 96.0,55 = 69,1\, (gam)\)

Công thức tính nhanh khối lượng muối tạo thành trong phản ứng oxy hóa khử:

• Trong các phản ứng oxi hóa khử, sản phẩm tạo thành có chứa các muối mà ta thường gặp như muối sunfat \(SO_{4}^{2-}\) (có điện tích là -2), muối nitrat \(NO_{3}^{-}\), ( có điện tích là -1), muối halogen \(X^{-}\) (có điện tích là -1),… Thành phần của muối gồm cation kim loại (hoặc cation \(NH_{4}^{+}\)),và anion gốc axit. Muốn tính khối lượng muối tạo thành trong dung dịch ta tính như sau:

\(m_{m} = m_{KL} + m_{goc\, axit}\)

Ví dụ 7: Cho 6,3 g hỗn hợp Mg và Zn tác dụng hết với dung dịch HCl thấy thoát ra 3,36 lít \(H_{2}\) (đktc). Khối lượng muối tạo ra trong dung dịch là bao nhiêu? 

Áp dụng định luật bảo toàn e ta có khối lượng muối trong dung dịch là:

\(m_{m} = m_{KL} + m_{goc\, axit}\)

\(\Rightarrow m_{m} = 6,3+35,5.0,3 = 16,95\, g.\)

Xem chi tiết qua video của thầy Phạm Thắng:

Xem thêm:

1

/

5

(

1

bình chọn

)

Please follow and like us: