Để giải quyết bài toán hóa học với nhiều phản ứng xảy ra cùng lúc hoặc theo nhiều giai đoạn thì chúng ta cần dùng phương pháp bảo toàn nguyên tố. Vậy khái niệm định luật bảo toàn nguyên tố là gì? Lý thuyết và bài tập về phương pháp bảo toàn nguyên tố? Một số dạng bài thường gặp và cách giải sử dụng phương pháp bảo toàn nguyên tố?… Nội dung bài viết dưới đây của Tip.edu.vn sẽ giúp bạn giải đáp những băn khoăn về chủ đề phương pháp bảo toàn nguyên tố, cùng tìm hiểu nhé!.
Định luật bảo toàn nguyên tố là gì?
- Trong các phản ứng hóa học xảy ra, ý nghĩa của các nguyên tố luôn được bảo toàn như sau: “Tổng số mol nguyên tử của một nguyên tố X bất kì luôn bằng nhau trước hay sau phản ứng.
- Ý nghĩa mở rộng của định luật bảo toàn nguyên tố: Tổng khối lượng các nguyên tố tạo thành hợp chất sẽ bằng với khối lượng của hợp chất đó.
Tìm hiểu phương pháp bảo toàn nguyên tố
- Nguyên tắc chung của phương pháp là dựa vào định luật bảo toàn nguyên tố.
- Điểm mấu chốt của phương pháp này chính là cần xác định được đúng các hợp phần có chứa nguyên tố X ở trước và sau phản ứng, từ đó áp dụng định luật bảo toàn nguyên tố X để rút ra mối quan hệ giữa các hợp phần, rồi đưa ra các kết luận chính.
Lưu ý về phương pháp bảo toàn nguyên tố
Để áp dụng tốt phương pháp bảo toàn nguyên tố, cần chú ý một số điểm như sau:
- Cần hạn chế viết phương trình phản ứng mà thay vào đó nên viết sơ đồ phản ứng (sơ đồ hợp thức, đặc biệt có chú ý hệ số), biểu diễn các biến đổi cơ bản của các nguyên tố quan tâm.
- Ta cần quy về số mol nguyên tố (nguyên tử) khi giải.
- Đề bài thường được cho (hoặc qua dữ kiện đề bài sẽ tính toán được) số mol của nguyên tố quan tâm từ đó xác định được lượng mol, khối lượng của các chất.
Một số dạng bài tập về phương pháp bảo toàn nguyên tố
Ta có thể sử dụng phương pháp bảo toàn nguyên tố để giải hầu hết với các dạng bài tập, nhất là với những dạng bài với hỗn hợp nhiều chất hay có nhiều phản ứng biến đổi phức tạp, cụ thể như sau.
Dạng 1: Từ nhiều chất ban đầu tạo thành một sản phẩm
Phương pháp giải
Từ dữ kiện đề bài (rightarrow) số mol của nguyên tố X trong các chất ban đầu (rightarrow) tổng số mol trong sản phẩm tạo thành (rightarrow) số mol sản phẩm.
- Hỗn hợp kim loại và oxit kim loại (rightarrow) hiđroxit kim loại (rightarrow) oxit
- Al và (Al_{2}O_{3}) + các oxit sắt (overset{t^{circ}}{rightarrow}) hỗn hợp rắn (rightarrow) hiđroxit (rightarrow) (Al_{2}O_{3} + Fe_{2}O_{3})
(Rightarrow n_{Al_{2}O_{3}}) (cuối) = (= frac{n_{Al}}{2} + n_{Al_{2}O_{3}}) (đầu)
(n_{Fe_{2}O_{3}}) (cuối) = (frac{sum n_{Fe}, (dau)}{2})
Ví dụ 1: Hòa tan hỗn hợp X gồm 0,2 mol Fe và 0,1 mol (Fe_{2}O_{3}) vào dung dịch HCl dư được dung dịch D. Cho dung dịch D tác dụng với NaOH dư thu được kết tủa. Lọc kết tủa, rửa sạch đem nung nóng trong không khí đến khối lượng không đổi thu được m gam chất rắn Y. Giá trị của m là bao nhiêu?
Cách giải:
Ta có sơ đồ:
(X begin{Bmatrix} Fe\ Fe_{2}O_{3} end{Bmatrix}overset{HCl}{rightarrow} begin{Bmatrix} FeCl_{2}\ FeCl_{3} end{Bmatrix}overset{NaOH}{rightarrow} begin{Bmatrix} Fe(OH)_{2}\ Fe(OH)_{3} end{Bmatrix}overset{t^{circ}}{rightarrow} Yleft { Fe_{2}O_{3} right })
Theo định luật bảo toàn nguyên tố với Fe ta có:
(n_{Fe_{2}O_{3}(Y)} = frac{n_{Fe}}{2} + n_{Fe_{2}O_{3}(X)} = frac{0,2}{2} + 0,1 = 0,2)
(Rightarrow m = 0,2.160 = 32, (gam))
Dạng 2: Từ một chất ban đầu tạo thành hỗn hợp nhiều sản phẩm
Phương pháp giải
Từ dữ kiện đề bài (rightarrow) tổng số mol ban đầu, số mol của các hợp phần đã cho (rightarrow) số mol của chất cần xác định.
- Axit có tính oxi hóa ((HNO_{3}, H_{2}SO_{4}) đặc, nóng) (overset{KL}{rightarrow}) Muối + Khí
(Rightarrow n_{X, (axit)} = n_{X, (m)} + n_{X, (k)}) (X: N hoặc S)
- Khí (CO_{2}) (hoặc (SO_{2})) hấp thụ vào dung dịch kiềm:
(begin{matrix} CO_{2} rightarrow CO_{3}^{2-} + HCO_{3}^{-}\ Rightarrow n_{CO_{2}} = n_{CO_{3}^{2-}} + n_{HCO_{3}^{-}} end{matrix})
(begin{matrix} SO_{2} rightarrow SO_{3}^{2-} + HSO_{3}^{-}\ Rightarrow n_{SO_{2}} = n_{SO_{3}^{2-}} + n_{HSO_{3}^{-}} end{matrix})
- Tính lưỡng tính của (Al(OH)_{3})
- Trường hợp 1:
(begin{matrix} Al^{3+} overset{OH^{-}}{rightarrow} Al(OH)_{3} + [Al(OH)_{4}]^{-}\ Rightarrow sum n_{Al^{3+}} = n_{[Al(OH)_{4}]^{-}} + n_{Al(OH)_{3}} end{matrix})
-
- Trường hợp 2:
(begin{matrix} [Al(OH)_{4}]^{-} overset{H^{+}}{rightarrow} Al(OH)_{3} + Al^{3+} \ Rightarrow sum n_{[Al(OH)_{4}]^{-}} = n_{Al^{3+}} + n_{Al(OH)_{3}} end{matrix})
- Hỗn hợp các kim loại + CO ((H_{2})) (overset{t^{circ}}{rightarrow} CO_{2}, (H_{2}O)) + hỗn hợp chất rắn
Theo định luật bảo toàn nguyên tố với O:
-
- Khi H = 100%
(n_{O, (oxit)} = n_{O, (r)} + n_{hh, khi, sau} = n_{O, {(r)}} + n_{hh, khi, truoc})
-
- Khi H < 100%
(n_{O, (oxit)} = m_{O, (r)} + frac{n_{hh, khi, sau} – m_{hh, khi, truoc}}{16})
- Bài toán cracking ankan
(Ankan, X overset{cracking}{rightarrow} hh, Y)
Mặc dù có những biến đổi hóa học xảy ra trong quá trình cracking và Y thường là hỗn hợp phức tạp (có thể có (H_{2})), do phản ứng cracking xảy ra theo nhiều hướng, với hiệu suất H < 100%. Nhưng ta chỉ quan tâm đến sự bảo toàn nguyên tố đối với C, H từ đó dễ dàng xác định được tổng lượng của 2 nguyên tố này.
Thông thường đề bài cho số mol ankan X (rightarrow left{begin{matrix} sum n_{C(Y)} = sum n_{C(X)}\ sum n_{H(Y)} = sum n_{H_{(X)}} end{matrix}right.)
Ví dụ 2: Đốt cháy 9,8 gam bột Fe trong không khí thu được hỗn hợp rắn X gồm FeO, (Fe_{3}O_{4}, Fe_{2}O_{3}). Để hòa tan X cần dùng vừa hết 500 ml dung dịch (HNO_{3}) 1,6M thu được V lít khí NO (sản phẩm khử duy nhất, do ở đktc). Giá trị của V là bao nhiêu?
Cách giải:
Sơ đồ phản ứng:
(Feoverset{+O_{2},t^{circ}}{rightarrow}Xoverset{+HNO_{3}}{rightarrow}Fe(NO_{3})_{3} + NO)
Theo định luật bảo toàn nguyên tố với Fe:
(n_{Fe(NO_{3})_{3}} = n_{Fe} = 0,175, mol)
Bảo toàn nguyên tố N:
(n_{NO} = n_{HNO_{3}} – 3n_{Fe(NO_{3})_{3}} = 0,5.1,6 – 3.0,175 = 0,275, mol)
(Rightarrow V = 0,275.22,4 = 6,16, l)
Ví dụ 3: Tiến hành cracking ở nhiệt độ cao 5,8 gam butan. Sau một thời gian thu được hỗn hợp khí X gồm (CH_{4}, C_{2}H_{6}, C_{2}H_{4}, C_{3}H_{6}, C_{4}H_{10}). Đốt cháy hoàn toàn X trong khí oxi dư, rồi dẫn toàn bộ sản phẩm sinh ra qua bình đựng (H_{2}SO_{4}) đặc. Độ tăng khối lượng của bình (H_{2}SO_{4}) là bao nhiêu?
Cách giải:
Sơ đồ phản ứng:
(C_{4}H_{10} overset{cracking}{rightarrow} X overset{+O_{2},t^{circ}}{rightarrow} H_{2}O)
Khối lượng bình (H_{2}SO_{4}) đặc tăng lên là khối lượng (H_{2}O) bị hấp thụ
Áp dụng định luật bảo toàn nguyên tố với H:
(n_{H_{2}O} = frac{n_{H}}{2} = frac{10n_{C_{4}H_{10}}}{2} = 5.frac{5,8}{58} = 0,5, (mol))
(Rightarrow n_{H_{2}O} = 0,5.18 = 9,0, gam)
Dạng 3: Từ nhiều chất ban đầu tạo thành hỗn hợp nhiều sản phẩm
Trong trường hợp này, ta không cần thiết phải tìm chính xác số mol của từng chất, mà chỉ quan tâm đến hệ thức sau:
(sum n_{X, (dau)} = sum n_{X, (cuoi)})
Tức là chỉ quan tâm đến tổng số mol của nguyên tố trước và sau phản ứng. Nếu biết (sum n_{X, (dau)} Rightarrow sum n_{X, (cuoi)}) và ngược lại.
Với dạng bài từ nhiều chất ban đầu để tạo thành hỗn hợp nhiều sản phẩm thì đề bài thường yêu cầu thiết lập một hệ thức dưới dạng tổng quát về số mol các chất.
Ví dụ 4: Hòa tan hoàn toàn hỗn hợp gồm x mol (FeS_{2}) và y mol (Cu_{2}S) vào axit (HNO_{3}) (vừa đủ), thu được dung dịch X (chỉ chứa hai muối sunfat) và khí duy nhất NO. Tỉ số x/y là bao nhiêu?
Cách giải:
X chỉ chứa 2 muối sunfat, khí NO là duy nhất (Rightarrow) S đã chuyển hết thành (SO_{4}^{2-})
Sơ đồ biến đổi:
(begin{matrix} 2FeS_{2} rightarrow Fe_{2}(SO_{4})_{3}\ x, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , 0,5x, , , , , end{matrix})
(begin{matrix} Cu_{2}S rightarrow 2CuSO_{4}\ y, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , 2y, , , , , end{matrix})
Theo định luật bảo toàn nguyên tố với S, ta có:
(2x + y =3.0,5x + 2y Rightarrow 0,5x = y)
(Rightarrow frac{x}{y} = frac{2}{1})
Dạng 4: Bài toán đốt cháy trong hóa hữu cơ
- Xét bài toán đốt cháy tổng quát như sau:
(C_{x}H_{y}O_{z}N_{t} + O_{2} overset{t^{circ}}{rightarrow} CO_{2} + H_{2}O + N_{2})
- Theo định luật bảo toàn nguyên tố, ta sẽ có:
(left{begin{matrix} n_{C} = n_{CO_{2}}\ n_{H} = 2n_{H_{2}O}\ n_{N} = 2n_{N_{2}} end{matrix}right. Rightarrow n_{O(C_{x}H_{y}O_{z}N_{t})} = 2n_{CO_{2}} + n_{H_{2}O} – 2n_{O_{2}})
- Phương pháp bảo toàn khối lượng nguyên tố với O thường được dùng phổ biến trong các bài toán hóa hữu cơ.
***Chú ý: Đối với những trường hợp đốt cháy hợp chất hữu cơ có chứa nitơ bằng không khí thì lượng nitơ thu được sau phản ứng sẽ là:
(n_{N_{2}, (spu)} = n_{N_{2}, (tu, phan, ung, dot, chay)} + n_{N_{2}, (tu, khong, khi)})
Ví dụ 5: X là một ancol no, mạch hở. Đốt cháy hoàn toàn 0,05 mol X cần 5,6 gam oxi, thu được hơi nước và 6,6 gam (CO_{2}). Công thức của X là ?
Cách giải:
Ta có:
(n_{O_{2}} = 0,175, (mol))
(n_{CO_{2}} = 0,15, (mol))
Vì X là ancol no, mạch hở
(Rightarrow n_{H_{2}O} = n_{X} + n_{CO_{2}} = 0,05 + 0,15 = 0,2 , (mol))
Theo định luật bảo toàn nguyên tố với O:
(n_{O(X)} = 2n_{CO_{2}} + n_{H_{2}O} – 2n_{O_{2}} = 2.0,15 + 0,2 – 2.0,175 = 0,15, (mol))
Nhận thấy: (left{begin{matrix} n_{CO_{2}} = 3n_{X}\ n_{O(X)} = 3n_{X} end{matrix}right. Rightarrow X : C_{3}H_{5}(OH)_{3})
Dạng 5: Oxit kim loại tác dụng với chất khử ((CO, H_{2}, Al, C)) tạo thành chất rắn mới
Phương pháp giải
- Các chất khử ((CO, H_{2}, Al, C)) lấy nguyên tử Oxi trong Oxit kim loại tạo thành sản phẩm khử theo các sơ đồ phản ứng sau:
(CO + O rightarrow CO_{2})
(H_{2} + O rightarrow H_{2}O)
(2Al + 3O rightarrow Al_{2}O_{3})
(C + O rightarrow CO)
- Theo định luật bảo toàn khối lượng ta có: Khối lượng oxit = khối lượng kim loại + khối lượng nguyên tử oxi
- Nếu sản phẩm khử là chất khí như (CO, CO_{2}, H_{2}) thì khối lượng chất rắn thu được giảm chính bằng khối lượng nguyên tử oxi đã tham gia phản ứng.
Ví dụ 6: Dẫn từ từ V lít khí CO (ở đktc) đi qua một ống sứ đựng lượng dư hỗn hợp rắn gồm (CuO, Fe_{2}O_{3}) (ở nhiệt độ cao). Sau khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn, thu được khí X. Dẫn toàn bộ khí X ở trên vào lượng dư dung dịch (Ca(OH)_{2}) thì tạo thành 4 gam kết tủa. Giá trị của V là ?
Cách giải:
Ta có:
(V_{CO} = 0,04.22,4 = 0,896, l)
Dạng 6: Hỗn hợp kim loại, oxit kim loại sau nhiều biến đổi hóa học cho ra sản phẩm cuối cùng là oxit kim loại.
Phương pháp giải
Ta không cần phải viết tất cả các phản ứng hoá học mà chỉ cần biết các hợp chất có chứa nguyên tố chính sau mỗi phản ứng. Để dễ hiểu hơn thì ta nên viết lại sơ đồ chuỗi phản ứng và quan tâm đến hệ số tỉ lượng để tính toán cho đúng.
Ví dụ 7: Hoà tan 10 gam hỗn hợp bột Fe và FeO bằng một lượng dung dịch HCl vừa đủ thấy thoát ra 1,12 lít khí (đktc). Dung dịch thu được cho tác dụng với dung dịch NaOH dư, lọc lấy kết tủa tách ra đem nung trong không khí đến lượng không đổi thu được chất rắn nặng m gam. Giá trị của m là?
Cách giải:
(begin{matrix} Fe + 2HCl rightarrow FeCl_{2} + H_{2}\ 0,05, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , 0,05 end{matrix})
(m_{Fe} = 0,05.56 = 2,8, gam)
(m_{FeO} = 10 – 2,8 = 7,2, gam)
(n_{FeO} = n_{Fe(FeO)} = frac{7,2}{72} = 0,1 mol)
(sum n_{Fe} = 0,05 + 0,1 = 0,15, mol)
(n_{Fe_{2}O_{3}} = frac{1}{2}n_{Fe} = 0,075, mol)
(Rightarrow m_{FeO} = 0,075.160 = 12g)
Dạng 7: Kim loại tác dụng với oxi tạo thành oxit kim loại, sau đó cho tác dụng với dung dịch axit
Phương pháp giải
Khi kim loại tác dụng với Oxi thì tạo thành oxit kim loại nên khối lượng sẽ tăng lên chính là khối lượng oxi tham gia phản ứng do đó ta có công thức:
(m_{O} = m_{oxit} – m_{KL})
Oxit kim loại tác dụng với dung dịch (HCl, H_{2}SO_{4}) loãng tạo thành muối và nước nên có thể biểu diễn bằng sơ đồ phản ứng sau:
(2H^{+} + O_{2}^{-} rightarrow H_{2}O)
Ví dụ 8: Đốt cháy hoàn toàn 4,04 gam một hỗn hợp bột kim loại gồm Al, Fe, Cu trong không khí thu được 5,96 gam hỗn hợp 3 oxit. Hòa tan hết hỗn hợp 3 oxit bằng dung dịch HCl 2M. Tính thể tích dung dịch HCl cần dùng.
Cách giải:
(m_{O} = m_{oxit} – m_{KL} = 5,96 – 4,04 = 1,92, gam.)
(n_{O} = frac{1.92}{16} = 0,12, mol)
Hòa tan hết hỗn hợp ba oxit bằng dung dịch HCl tạo thành (H_{2}O) như sau:
(Rightarrow V_{HCl} = frac{0,24}{2} = 0,12, l)
Dạng 8: Kim loại tác dụng với dung dịch axit
Phương pháp giải
Hỗn hợp kim loại tác dụng với dung dịch axit (HCl, H_{2}SO_{4}) loãng tạo thành hỗn hợp muối và khí (H_{2}). Từ số mol khí (H_{2}) ta suy ra số mol (HCl, H_{2}SO_{4}), số mol ion (Cl^{-}, SO). Đề bài thường yêu cầu tìm khối lượng muối khan nên ta áp dụng công thức sau:
(m_{m} = m_{KL} + m_{goc, axit})
Ví dụ 9: Hòa tan hoàn toàn 3,22 gam hỗn hợp X gồm Fe, Mg và Zn bằng một dịch (H_{2}SO_{4}) loãng, thu được 1,344 lít hiđro (ở đktc) và dung dịch chứa m gam muối. Giá trị của m là?
Cách giải:
Ta có:
(n_{H} = frac{1,344 }{22,4} = 0,06, mol)
(n_{SO_{4}^{2-}} = n_{H_{2}SO_{4}} = 0,06, mol)
(m_{m} = m_{KL} + m_{goc, axit} = 3,22 + 0,06.96 = 8,98, gam)
Cách giải bài tập với phương pháp bảo toàn nguyên tố
Từ lý thuyết phương pháp bảo toàn nguyên tố, dưới đây là cách giải các dạng bài tập khi sử dụng phương pháp này như sau:
- Bước 1: Ta viết sơ đồ phản ứng để biểu diễn sự biến đổi cơ bản của các nguyên tố được quan tâm.
- Bước 2: Ta đặt ẩn, từ đó dựa vào định luật bảo toàn nguyên tố để lập phương trình đại số.
- Bước 3: Ta giải hệ và xác định các đại lượng theo như yêu cầu của đề bài.
Như vậy, Tip.edu.vn đã giúp bạn tổng hợp các kiến thức về phương pháp bảo toàn nguyên tố, khái niệm định luật bảo toàn nguyên tố cũng như các dạng bài tập thường gặp cùng với cách giải. Hy vọng kiến thức trong bài viết của chúng tôi đã giúp ích cho bạn trong quá trình nghiên cứu và tìm hiểu về phương pháp bảo toàn nguyên tố. Chúc bạn luôn học tốt!.
Xem chi tiết qua video:
Xem thêm:
- Phương pháp bảo toàn e là gì? Định luật bảo toàn electron
- Điều chế khí oxi là gì? Phản ứng phân hủy là gì? – Hóa học 8 Bài 27
Tu khoa lien quan:
- phương pháp bảo toàn khối lượng
- định luật bảo toàn nguyên tố lớp 8
- chuyên đề định luật bảo toàn nguyên tố
- định luật bảo toàn nguyên tố oxi trong este
- lý thuyết phương pháp bảo toàn nguyên tố là gì
- bài tập trắc nghiệm phương pháp bảo toàn nguyên tố
Xem thêm nhiều bài viết hay về Hỏi Đáp Hóa Học