Bài toán hỗn hợp kim loại tác dụng với axit hay, chi tiết - Hoá học lớp 12

Bài toán hỗn hợp kim loại tác dụng với axit hay, chi tiết

Với Bài toán hỗn hợp kim loại tác dụng với axit hay, chi tiết Hoá học lớp 12 gồm đầy đủ phương pháp giải, ví dụ minh họa và bài tập trắc nghiệm có lời giải chi tiết sẽ giúp học sinh ôn tập, biết cách làm dạng bài tập hỗn hợp kim loại tác dụng với axit từ đó đạt điểm cao trong bài thi môn Hoá học lớp 12.

I. Phương pháp

1. Với các axit không có tính oxi hóa:

Phương trình tổng quát :

2M + 2nHCl → 2MCl_n + nH₂

2M + nH₂SO₄ → M₂(SO₄)_n + nH₂

Điều kiện: Kim loại là kim loại đứng trước H trong dãy hoạt động hóa học.

K, Na, Ba, Ca, Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, H, Cu, Hg, Ag, Pt, Au

Đặc điểm:

- Muối thu được có hóa trị thấp (đối với kim loại có nhiều hóa trị)

- Sau phản ứng sinh ra khí H₂

Ví dụ: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂

      Cu không phản ứng HCl

* Phương pháp chung

- Bảo toàn nguyên tố: n_Cl = n_HCl = 2n_H2 ; n_SO4 = n_H2SO4 = n_H2

- Bảo toàn khối lượng: m_{kim loại} + m_HCl = m_muối + m_H2 hoặc m_muối = m_{kim loại} + m_{gốc axit}

- Bảo toàn electron: n_{e kim loại cho} = n_{e H nhận}

- Khối lượng dung dịch tăng = khối lượng kim loại phản ứng – khối lượng khí H₂

• Bài toán hỗn hợp kim loại tan hết trong 1 axit (HCl hoặc H₂SO₄) tạo khí H₂

• Bài toán hỗn hợp kim loại tan hết trong hỗn hợp HCl và H₂SO₄ tạo khí H₂

Nếu cho hỗn hợp kim loại kiềm, kiềm thổ tan hết trong hỗn hợp HCl và H₂SO₄

+) Kim loại tan trong axit trước, nếu axit hết kim loại mới tác dụng với nước

+) Khí H₂ sinh ra có thể do kim loại tác dụng với axit và H₂O

2. Với các axit có tính oxi hóa:

Kim loại + HNO₃/H₂SO_{4 đặc} → muối + sản phẩm khử + H₂O

- Kim loại tác dụng với HNO₃ và H₂SO₄ đặc sinh ra muối có số oxi hóa cao nhất

- Hầu hết các kim loại đều tác dụng (trừ Au, Pt)

- Al, Fe, Cr bị thụ động hóa trong HNO₃ đặc nguội và H₂SO₄ đặc nguội

a. Kim loại tác dụng với dung dịch HNO₃

Sản phẩm khử :

+ NO₂: khí màu nâu

+ NO: khí không màu, hóa nâu trong không khí

+ N₂O: khí không màu, gây cười

+ N₂: khí không màu

+ NH₄NO₃: muối tan trong dung dịch

Sản phẩm khử của N⁺⁵ tùy thuộc vào độ mạnh của kim loại và nồng độ của dung dịch axit. Thông thường thì dung dịch đặc tạo NO₂, loãng tạo NO, kim loại có tính khử càng mạnh thì N bị khử xuống mức càng sâu.

Phương pháp giải:

n_NO3 - tạo muối = n_{e cho}

m_muối = m_{kim loại} + m_NO3 = m_{kim loại} + 62. n_{e cho}

- Bảo toàn nguyên tố H: n_H⁺ = 2n_H2 hay n_H⁺ = 4n_NH4⁺ +2nH₂O

- Bảo toàn nguyên tố N: n_HNO3 = n_NO3 − trong muối + n_{N trong sản phẩm khử}

n_HNO3 phản ứng = 2n_NO2 + 4n_NO + 10n_N2O + 12n_N2 + 10n_NH4NO3

- Nếu có hỗn hợp kim loại chứa Fe phản ứng với axit, sau phản ứng còn dư kim loại thì muối sắt thu được là muối Fe(II)

- Dung dịch chứa đồng thời ion H⁺ và NO^3- có tính oxi hóa tương tự dung dịch axit HNO₃

b. Kim loại tác dụng với dung dịch H₂SO₄

Sản phẩm khử :

   + SO₂: khí mùi sốc (mùi hắc)

   + S: kết tủa vàng

   + H₂S: khí mùi trứng thối

Phương pháp giải: sử dụng các định luật bảo toàn

Các công thức cần nhớ

2n_SO4^2- = n_{e cho}

m_muối = m_{kim loại} + mSO₄ = m_{kim loại} + 96n_SO2

- Bảo toàn nguyên tố S: n_H2SO4 = n_{SO4^2- trong muối} + n_{S trong sản phẩm khử}

II. Ví dụ minh họa

Ví dụ 1: Đun nóng m gam hỗn hợp Cu và Fe có tỉ lệ khối lượng tương ứng 7:3 với một lượng dung dịch HNO₃. Khi các phản ứng kết thúc, thu được 0,75m gam chất rắn, dung dịch X và 5,6 lít hỗn hợp khí (đktc) gồm NO và NO₂ (không có sản phẩm khử khác của N⁺⁵). Biết lượng HNO₃ đã phản ứng là 44,1 gam. Giá trị của m là:

   A. 448

   B. 40,5

   C. 33,6

   D. 50,4

Lời giải:

Chọn đáp án: D

Giải thích:

Khối lượng Fe = 0,3m gam và khối lượng Cu = 0,7m gam

Sau phản ứng còn 0,75m gam → Fe chỉ phản ứng 0,25m gam; Fe dư vậy sau phản ứng chỉ thu được muối Fe²⁺.

Ta có: n_HNO3 = 0,7; n_NO + n_NO2 = 0,25 mol; số mol của Fe(NO₃)₂ = 0,25m/56

Sơ đồ phản ứng:

Fe + HNO₃ → Fe(NO₃)₂ + NO + NO₂

0,25m/56 0,7      0,25m/56      0,25

Áp dụng ĐLBT nguyên tố N ta có:

0,7 = 2. 0,25m/56 + 0,25 → m =50,4 (g)

Ví dụ 2: Hòa tan 14,8 gam hỗn hợp gồm Fe và Cu vào lượng dư dung dịch hỗn hợp HNO₃ và H₂SO₄ đặc nóng. Sau phản ứng thu được 10,08 lít NO₂ (đktc) và 2,24 lít SO₂ (đktc). Khối lượng Fe trong hỗn hợp ban đầu là:

   A. 5,6

   B. 8,4

   C. 18

   D. 18,2

Lời giải:

Chọn đáp án: B

Giải thích:

Gọi a, b lần lượt là số mol của Fe, Cu

56a + 64b = 14,8   (1)

- Quá trình nhường electron:

Fe - 3e → Fe

a    3a

Cu - 2e → Cu

b    2b

⇒ ∑n_{e nhường} = (3a + 2b) mol

- Quá trinh nhận electron:

N⁺⁵ + 1e → N⁺⁴ (NO₂)

         0,45    0,45

S⁺⁶ + 2e → S⁺⁴

         0,2    0,1

⇒ ∑n_{e nhận} = 0,45 + 0,2 = 0,65 mol

Áp dụng định luật bảo toàn electron:

3a + 2b = 0,65 → a = 0,15 và b = 0,1 → m_Fe = 8,4 g

III. Bài tập vận dụng

Câu 1: Hòa tan hỗn hợp gồm 0,1 mol Fe và a mol Cu vào dung dịch HNO₃ loãng dư thu được 5,6 lít hỗn hợp NO và N₂ (đktc) có tỷ khối hơi so với H₂ là 14,5. Vậy a có giá trị là:

   A. 0,6625

   B. 0,6225

   C. 0,0325

   D. 0,165

Lời giải:

Chọn đáp án: A

Giải thích:

Gọi x, y là số mol của N₂ và NO trong hỗn hợp.

Ta có:

Quá trình cho electron

Fe - 3e → Fe³⁺

0,1    0,3

Cu - 2e → Cu²⁺

a    2a

Quá trình nhận electron:

2N⁺⁵ + 10e → N2

         1,25    0,125

N⁺⁵+ 3e → N⁺²

      0,375    0,125

Ta có: ∑n_{e cho} = ∑n_{e nhận} → 0,3 + 2a = 1,25 + 0,375

a = 0,6625 mol

Câu 2: Nung nóng 16,8 gam hỗn hợp Au, Ag, Cu, Fe, Zn với một lượng dư khí O₂, đến khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn, thu được 23,2 gam chất rắn X. Thể tích dung dịch HCl 2M vừa đủ để phản ứng với chất rắn X là:

   A. 600ml

   B. 200ml

   C. 800ml

   D. 400ml

Lời giải:

Chọn đáp án: D

Giải thích:

Theo ĐL bảo toàn khối lượng:

m_O2 = 23,2 - 16,8 = 6,4 (g) → n_O = 6,4/16 = 0,4 mol

Phản ứng của HCl với chất rắn X có thể được biểu diễn với sơ đồ:

O^2- + 2H⁺ → H₂O

0,4    0,8

V_HCl = 0,8: 2 = 0,4 (lít) = 400ml

Câu 3: Hòa tan hoàn toàn hỗn hợp gồm 0,01 mol Al; 0,05 mol Zn và 0,03 mol Fe cần vừa đủ 200ml dung dịch HCl 0,1M và H₂SO₄ a mol/l. Giá trị của a là?

   A. 0,425

   B. 0,5

   C. 0,625

   D. 0,75

Lời giải:

Chọn đáp án: A

Giải thích:

∑n_H⁺ = 0,2. 0,2 + 0,2. 2a = 0,02 + 0,4a (mol)

∑n_{e cho} = 0,01. 3 + 0,05. 2 + 0,03. 2 = 0,19 (mol)

Ta có: n_{e cho} = n_{e nhận} = n_H⁺

0,02 + 0,4a = 0,19 → a = 0,425

Câu 4: Đốt cháy hoàn toàn 3,86g hỗn hợp gồm Fe, Al, Cu thu được 4,66g oxit. Cho toàn bộ lượng oxit này tác dụng với dung dịch axit H₂SO₄ 20% (d = 1,14 g/ml). Vậy thể tích H₂SO₄ cần dùng tối thiểu là:

   A. 21,1 ml

   B. 21,5 ml

   C. 23,4 ml

   D. 19,6 ml

Lời giải:

Chọn đáp án: B

Giải thích:

m_O = m_oxit - m_{kim loại} = 4,66 - 3,86 = 0,8g

n_O = 0,8/16 = 0,05 mol

n_O = 2n_H⁺ = n_H2SO4 = 0,05 mol

=> V = (0,05. 98. 100)/(20. 1,14) = 21,5 ml

Câu 5: Cho tan hoàn toàn 58 gam hỗn hợp gồm Fe, Cu, Ag trong dung dịch HNO₃ 2M thu được 0,15 mol NO; 0,05 mol N₂O và dung dịch D. Cô cạn dung dịch D, khối lượng muối khan thu được là:

   A. 120,4 gam

   B. 89,8 gam

   C. 116,9 gam

   D. 110,7 gam

Lời giải:

Chọn đáp án: D

Giải thích:

m_{muối khan} = m_{Fe, Cu, Ag} + m_NO3^-

Có: n_NO3^- = 3.n_NO + 8.n_N2O = 3. 0,15 + 8. 0,05 = 0,85 mol

m_{muối khan} = 58 + 0,95. 62 = 110,7 (g)

Câu 6: Khi cho 100 g hợp kim gồm có Fe, Cr và Al tác dụng với lượng dư dung dịch NaOH thu được 6,72 lít khí. Lấy bã rắn không tan cho tác dụng với một lượng dư dung dịch HCl (khi không có không khí) thu được 38,08 lít khí. Các thể tích đo ở đktc. Xác định thành phần % của hợp kim.

Lời giải:

Giải thích:

Các phương trình hóa học:

2Al + 2NaOH → 2NaAlO₂ + 3H₂   (1)

z                                          3z/2

Phần không tan là Fe và Cr

Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂   (2)

x                                 x

Cr + 2HCl → CrCl₂ + H₂   (3)

y                                 y

n_{H2 (1)} = 6,72/22,4 = 0,3 mol

Số mol H₂ (2), (3): n_{H2 (2), (3)} = 38,08/22,4 = 1,7 mol

Gọi x, y, z lần lượt là số mol của Fe, Cr, Al

Theo bài ra ta có hệ phương trình.

Thành phần % theo khối lượng của hỗn hợp là:

%m_Fe = (1,55.56)/100. 100% = 86,8%

%m_Cr = (0,15.52)/100. 100% = 7,8%

%m_Al = 100% - (86,8% + 7,8%) = 5,4%

Câu 7: Cho 13,33 gam hỗn hợp Al, Cu, Mg tác dụng với dung dịch H₂SO₄ loãng dư thu được dung dịch A, 7,728 lít khí (đktc) và 6,4 gam chất rắn không tan. Cô cạn dung dịch A thu được bao nhiêu gam muối khan?

   A. 40,05 gam

   B. 42,25 gam

   C. 25,35 gam

   D. 46,65 gam

Lời giải:

Chọn đáp án: A

Giải thích:

n_H2SO4 = n_H2 = 0,345 mol

m_Al + m_Mg = 13,33 – 6,4 = 6,93g

=> m_muối = m_Al + m_Mg + m_SO4^2- = 40,05 gam

Câu 8: Cho 29 gam hỗn hợp Mg, Zn, Fe tác dụng hết với dung dịch H₂SO₄ loãng thấy thoát ra V lít khí (đktc). Cô cạn dung dịch sau phản ứng thu được 86,6 gam muối khan. Gía trị của V là:

   A. 6,72 lít

   B. 13,44 lít

   C. 22,4 lít

   D. 4,48 lít

Lời giải:

Chọn đáp án: B

Giải thích:

H₂SO₄ loãng nên khí thoát ra là H₂

n_H2SO4 = n_H2 = x mol

Bảo toàn khối lượng:

29 + 98x = 86,6 + 2x

=> x = 0,6

=> V = 13,44 lít