Phương pháp bảo toàn nguyên tố PHƯƠNG PHÁP BẢO TOÀN NGUYÊN TỐ I. Nguyên tắc của phương pháp: [2], [6] Dựa vào định luật bảo toàn nguyên tố: “Trong các phản ứng hóa học, các nguyên tố luôn luôn được bảo toàn”. Có thể hiểu định luật như sau: tổng số mol nguyên tử của một nguyên tố A trước phản ứng hóa học luôn bằng tổng số mol nguyên tử của một nguyên tố A đó sau phản ứng. • Chú ý: Định luật được xem như nguyên nhân của định luật bảo toàn khối lượng. II. Vận dụng phương pháp bảo toàn nguyên tố trong giải toán : Các dạng toán thường sử dụng bảo toàn nguyên tố: - Nguyên tử của nguyên tố tồn tại trong nhiều hợp chất trong cùng một hỗn hợp hoặc dung dịch . thì khối lượng của nguyên tử (hay ion) đó bằng tổng khối lượng của nguyên tử của nguyên tố đó trong các dạng tồn tại. - Tính toán khối lượng sản phẩm sau một quá trình phản ứng thì chỉ cần căn cứ vào chất đầu và chất cuối, bỏ qua các phản ứng trung gian vì các nguyên tố luôn được bảo toàn. II.1. Khối lượng nguyên tử của nguyên tố ban đầu bằng tổng khối lượng các dạng tồn tại của nguyên tố đó trong hỗn hợp hoặc trong dung dịch. Thường gặp trong phản ứng nhiệt nhôm hoặc khử oxit sắt vì sắt có nhiều trạng thái oxi hóa nên thường tồn tại trong nhiều hợp chất. Chẳng hạn: hỗn hợp A 2 3 FeO : a(mol) Fe O : b(mol)    bị khử bởi CO cho hỗn hợp chất rắn B gồm Fe 2 O 3 (còn dư): x mol Fe 3 O 4 : y mol FeO (còn dư) : z mol Fe : t mol Khi đó ta có: Fe(trongA) Fe(trongB) n n= ∑ ∑ hay a +2b = 2x + 3y +z +t Phương pháp bảo toàn nguyên tố Ví dụ 1: [tự ra] Khử hết m (g) Fe 3 O 4 bằng khí CO thu được hỗn hợp A gồm FeO và Fe. A tan vừa đủ trong 300ml dung dịch H 2 SO 4 1M tạo dung dịch B. Tính m và khối lượng muối sunfat thu được khi cô cạn B. A. 23,2g và 45,6g B. 23,2g và 54,6g C. 2,32g và 4,56g D. 69,6g và 45,6g Cách giải: Fe 3 O 4 → (FeO, Fe)→ FeSO 4 x mol 2 4 4 Fe(trongFeSO ) SO n n 0,3(mol) − = = Áp dụng ĐLBTNT Fe: 3 4 4 Fe(trongFe O ) Fe(trongFeSO ) n n= ↔ 3x = 0,3 → x = 0,1 (mol) 4 B FeSO m m 0,3 152 45,6(g)= = × = Chọn đáp án A. Ví dụ 2: [12] Khử 39,2g một hỗn hợp A gồm Fe 2 O 3 và FeO bằng khí CO thu được hỗn hợp B gồm FeO và Fe. B tan vừa đủ trong 2,5 lít dung dịch H 2 SO 4 0,2M cho ra 4,48 lít khí (đktc). Tính khối lượng Fe 2 O 3 và FeO trong hỗn hợp A. A. 32g Fe 2 O 3 ; 7,2g FeO B. 16g Fe 2 O 3 ; 23,2g FeO C. 18g Fe 2 O 3 ; 21,2g FeO D. 20g Fe 2 O 3 ; 19,2g FeO Cách giải: Gọi hỗn hợp A 2 3 Fe O : x(mol) FeO: y(mol)    ↔ 160x + 72y = 39,2 (1) Hỗn hợp B + H 2 SO 4 : FeO + H 2 SO 4 → FeSO 4 + H 2 O (2) Fe + H 2 SO 4 → FeSO 4 + H 2 ↑ (3) Phương pháp bảo toàn nguyên tố 2 3 Fe O FeO m 0,2x160 32(g) m 0,1x72 7,2(g) = = = = ; 2 4 H SO n 0,2x2,5 0,5(mol);= = 2 H 4,48 n 0,2(mol) 22,4 = = Fe(3) n 0,2mol;⇒ = 2 4 FeO H SO Fe(3) n n n 0,5 0,2 0,3(mol)= − = − = Áp dụng ĐLBTNT Fe trong hai hỗn hợp A và B ta có: 2x + y = 0,5 (4) Từ (1), (4) ⇒ x 0,2 y 0,1 =   =  ⇒ 2 3 Fe O m 0,2x160 32(g)= = ; FeO m 0,1x72 7, 2(g)= = . Vậy đáp án đúng là A. II.2. Chất tham gia trải qua một số giai đoạn phản ứng để tạo sản phẩm: Ví dụ 3: [tự ra] Hòa tan hoàn toàn hỗn hợp A gồm 0,1 mol Fe và 0,2 mol Cu vào một lượng vừa đủ dung dịch H 2 SO 4 98% (đặc , nóng) thu được khí SO 2 (đktc) và dung dịch B.Cho ddB tác dụng với NaOH dư, được kết tủa C, nung C đến khối lượng không đổi được hỗn hợp chất rắn E. Cho E tác dụng với lượng dư CO, đun nóng thu được hỗn hợp chất rắn F. Khối lượng của hỗn hợp chất rắn F là: A. 24g B. 18,4g C. 15,6g D. 16,5g Cách giải 0 0 NaOH t CO 2 4 3 3 2 3 t 4 2 Fe (SO ) Fe(OH) Fe O Fe Fe hhA ddB C E F Cu Cu CuSO Cu(OH) CuO      → → ↓ → →           Áp dụng ĐLBTNT, ta có: hhA hhF m m 0,1x56 0,2x64 18, 4(g)= = + = Chọn đáp án B.  Nhận xét: với dạng toán này, HS thường viết phương trình phản ứng, cân bằng sau đó tính toán theo phương trình hóa học. Nhưng với HS nắm vững định luật BTNT thì giải quyết bài toán chỉ trong vài giây. Ví dụ 4: [4] Đi từ 120 gam quặng pirit sắt (chứa 80% là FeS 2 ) sẽ điều chế được (hiệu suất 100%) một lượng H 2 SO 4 là: A. 196g B. 147g C. 156,8g D. 245g Phương pháp bảo toàn nguyên tố Cách giải: để sản xuất H 2 SO 4 đi từ quặng pirit sắt phải qua nhiều giai đoạn, song trong tính toán với giả sử hiệu suất 100% cho mọi quá trình, có thể áp dụng ĐLBTNT đối với nguyên tố S: 2 2 4 FeS 2H SO→ 120g 196g 120x80 96g 100 = → xg Lượng H 2 SO 4 điều chế được là: 96x196 x 156,8(g) 120 = = . Đáp án đúng là C.  Nhận xét: đối với dạng toán tính toán từ thực tế sản xuất: chất phản ứng không chỉ trải qua mà là cả một chuỗi các phản ứng thì việc áp dụng ĐLBTNT cho một nguyên tố (chính) sẽ dễ dàng cho việc tính toán hơn. III. Một số bài tập tương tự được giải theo phương pháp BTNT: Bài tập 1: [1] Hòa tan a gam hh gồm FeO và Fe 3 O 4 hết 300ml ddHCl 2M được ddX. Cho X tác dụng với một lượng ddNH 3 dư được kết tủa. Nung kết tủa trong không khí đến khối lượng không đổi được a +1,2 g chất rắn. Phần trăm khối lượng của FeO trong hh trên là: A. 28,4% B. 24,6% C. 38,3% D. 40,2% Hướng dẫn: 0 3d ddNH HCl t trongkk 2 2 2 3 3 4 3 3 FeCl Fe(OH) FeO Fe O Fe O FeCl Fe(OH)    → → →       Vì trong hh ban đầu đã có một lượng Fe 2 O 3 và coi Fe 3 O 4 = FeO. Fe 2 O 3 ) nên chỉ xét sự chuyển hóa quá trình: 2FeO → Fe 2 O 3 Độ tăng khối lượng của Fe 2 O 3 so với hh đầu là khối lượng oxi mà FeO lấy để tạo Fe 2 O 3 ⇒ n O cần = 1,2 0,075(mol) 16 = ⇒ n FeO = 0,15 (mol) Gọi hh 3 4 2 3 FeO : x(mol) x y 0,15 Fe O (FeO.Fe O ) : y(mol)  ⇒ + =   (1) Phương pháp bảo toàn nguyên tố n HCl = 0,6 (mol) ⇒ n O trong oxit = 0,3 (mol) ↔ x + 4y = 0,3 (2) Từ (1), (2) ⇒ FeO x 0,1 m 38,3% y 0,05 =  ⇒ =  =  Bài tập 2: [4] Cần bao nhiêu tấn quặng phôtphorit chứa 80% Ca 3 (PO 4 ) 2 để thu được 1 tấn photpho, cho rằng sự hao hụt trong quá trình sản xuất bằng 5%. A. 6,58 tấn B. 6,29 tấn C. 5,86 tấn D. Kết quả khác Bài tập 3: [12] Cho 21,52g hhX gồm kim loại M có hóa trị 2 và muối nitrat của kim loại ấy vào 1 bình kín và nung cho đến khi muối nitrat bị nhiệt phân hoàn toàn. Chất rắn thu được sau phản ứng được chia làm 2 phần bằng nhau: - Phần 1: phản ứng vừa đủ với 2/3 lit dd HNO 3 0,38M cho ra khí NO. - Phần 2: phản ứng vừa hết với 0,3l dd H 2 SO 4 0,2M để lại 1 chất rắn không tan. Xác định kim loại M, khối lượng M và nitrat kim loại M trong hỗn hợp X. A. Cu; 12,8g Cu; 8,72g Cu(NO 3 ) 2 B. Cu; 10,24g Cu; 11,28g Cu(NO 3 ) 2 C. Zn; 68g Cu; 14,72g Zn(NO 3 ) 2 D. Zn; 10,2g Cu; 11,32g Zn(NO 3 ) 2 Hướng dẫn: HhX gồm kim loại M và M(NO 3 ) 2 . Khi nung: 0 t 3 2 2 2 1 M(NO ) MO 2NO O 2 → + + (1) 2 1 M O MO 2 + → (2) Chất rắn còn lại gồm MO và M dư (vì khi cho chất rắn phản ứng với HNO 3 có khí thoát ra). Gọi M : x(mol) MO : y(mol)    trong 1/2 chất rắn. Phương pháp bảo toàn nguyên tố Phần 1: 2 3 3 2 3M 8HNO 3M(NO ) 2NO 4H O+ → + + x 8/3x M + 2HNO 3 → M(NO 3 ) 2 + H 2 O y 2y 3 HNO 8 2 0,76 n x 2y .0,38 3 3 3 = + = = (3) Phần 2: tác dụng với H 2 SO 4 loãng tạo ra chất rắn (M) nên M đứng sau H trong dãy Bêkêtop MO + H 2 SO 4 → MSO 4 + H 2 O y y 2 4 MO H SO n n y 0,06(mol)= = = ⇒ x = 0,05(mol) Vì bình kín nên O 2 dùng cho phản ứng (2) là O 2 tạo ra từ phản ứng (1): 3 2 3 2 MO(1) MO(2) M(NO ) MO(1) MO(2) M(NO ) n n n n n 2n 0,12(mol)= = ⇒ + = = ⇒ 3 2 M(NO ) n 0,12(mol)= Áp dụng ĐLBTNT: n M (trong X) = n M (chất rắn) ↔ n M đầu + 0,06 = n M (trong MO) + n M dư ⇒ n M đầu = 0,16(mol) 3 2 3 2 X M M(NO ) Cu Cu(NO ) m m m 0,16M 0,06(M 124) 21,52 M 64(Cu) m 0,16.64 10,24(g);m 21,52 10,24 11,28(g) = + = + + = ⇒ = ⇒ = = = − = Bài tập 4: [10] Dùng a gam Al để khử hết 0,8g Fe 2 O 3 . Sản phẩm sau phản ứng tác dụng với lượng dư dd NaOH tạo 0,336l khí (đktc). Giá trị của a là: A. 1,08g B.0,56g C. 0,54g D. 0,45g Phương pháp bảo toàn nguyên tố Bài tập 5: [7] Cho oxit sắt X hòa tan hoàn toàn trong dd HCl thu được dd Y chứa 1,625g muối sắt clorua. Cho ddY tác dụng hết với ddAgNO 3 thu được 4,3025g AgCl. X có công thức phân tử là: A. Fe 2 O 3 B. Fe 2 O 3 C. FeO D. FeO 2 . Phương pháp bảo toàn nguyên tố PHƯƠNG PHÁP BẢO TOÀN NGUYÊN TỐ I. Nguyên tắc của phương pháp: [2], [6] Dựa vào định luật bảo toàn nguyên tố: “Trong. Vận dụng phương pháp bảo toàn nguyên tố trong giải toán : Các dạng toán thường sử dụng bảo toàn nguyên tố: - Nguyên tử của nguyên tố tồn tại trong nhiều