Phương pháp bảo toàn nguyên tố hóa học

PHƯƠNG PHÁP BẢO TOÀN NGUYÊN TỐ

I. PHƯƠNG PHÁP GIẢI

- Nguyên tắc chung của phương pháp là dựa vào định luật bảo toàn nguyên tố (BTNT); “ Trong các phản ứng hóa học thông thường, các nguyên tố luôn được bảo toàn”

Điều này có nghĩa là: “Tổng số mol nguyên tử của một nguyên tố X bất kỳ trước và sau phản ứng là luôn bằng nhau”

- Điểm mấu chốt của phương pháp là phải xác định được đúng các hợp phần có chứa nguyên tố X ở trước và sau phản ứng, áp dụng ĐLBT nguyên tố với X để rút ra mối quan hệ giữa các hợp phần từ đó đưa ra kết luận chính.

II. CÁC DẠNG BÀI TẬP THƯỜNG GẶP

Phương pháp bảo toàn nguyên tố có thể áp dụng cho hầu hết các dạng bài tập, đặc biệt là các dạng bài hỗn hợp nhiều chất, xảy ra nhiều biến đổi phức tạp. Dưới đây là một số dạng bài tập điển hình.

Dạng 1. Từ nhiều chất ban đầu tạo thành một sản phẩm.

Từ dữ kiện đề bài → số mol của nguyên tố X trong các chất đầu → tổng số mol trong sản phẩm tạo thành → số mol sản phẩm.

- Hỗn hợp kim loại và oxit kim loại → hyđroxit kim loại → oxit

- Al và Al₂O₃ + các oxit sắt hỗn hợp rắn → hyđroxit → Al₂O₃ + Fe₂O₃

⇒ _(cuối) = _(đầu)

Dạng 2. Từ một chất ban đầu tạo thành hỗn hợp nhiều sản phẩm

Từ dữ kiện đề bài → tổng số mol ban đầu, số mol của các hợp phần đã cho → số mol của chất cần xác

- Axit có tính oxi hóa (HNO₃, H₂SO₄ đặc, nóng) → Muối + khí

⇒ n_{X (axit)} = n_{X (muối)} + n_{X (khí)} (X: N hoặc S)

- Khí CO₂ (hoặc SO₂) hấp thụ vào dung dịch kiềm:

CO₂ → CO₃²^- + HCO₃^- SO₂ → SO₃²^- + HSO₃^-

⇒ \[{{n}_{C{{O}_{2}}}}\] = \[{{n}_{C{{O}_{3}}^{2-}}}\] + ${{n}_{HC{{O}_{3}}^{-}}}$ ⇒ \[{{n}_{S{{O}_{2}}}}\] = \[{{n}_{S{{O}_{3}}^{2-}}}\] + ${{n}_{HS{{O}_{3}}^{-}}}$

- Tính lưỡng tính của Al(OH)₃

Trường hợp 1 Trường hợp 2

Al^{3+$\xrightarrow{O{{H}^{-}}}$} Al(OH)₃ + [Al(OH)₄]^- [Al(OH)₄]^- $\xrightarrow{{{H}^{+}}}$ Al(OH)₃ + Al³⁺

⇒ $\sum{{{n}_{A{{l}^{3+}}}}}$= ${{n}_{{{\text{ }\!\![\!\!\text{ }Al{{(OH)}_{3}}\text{ }\!\!]\!\!\text{ }}^{-}}}}$ + ${{n}_{Al{{(OH)}_{3}}}}$ ⇒ $\sum{{{n}_{{{\text{ }\!\![\!\!\text{ }Al{{(OH)}_{4}}\text{ }\!\!]\!\!\text{ }}^{-}}}}}$= ${{n}_{A{{l}^{3+}}}}$ + ${{n}_{Al{{(OH)}_{3}}}}$

- Hỗn hợp các oxit kim loại + CO (H₂) $\xrightarrow{{{t}^{0}}}$ hỗn hợp chất rắn + CO₂ (H₂O)

Theo định luật bảo toàn nguyên tố với O:

* Khi H = 100%: n_{O (oxit)} = n_{O (rắn)} + n_{hỗn hợp khí sau} = n_{O (rắn)} + n_{hỗn hợp khí trước}

- Bài toán cracking ankan:

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 H₂), 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.

Dạng 3. Từ nhiều chất ban đầu tạo thành hỗn hợp nhiều sản phẩm

Trong trường hợp này không cần thiết phải tìm chính xác số mol của từng chất, mà chỉ quan tâm đến hệ thức :

Tức là chỉ quan tâm đến tổng số mol của nguyên tố trước và sau phản ứng. Nếu biết
và ngược lại

Với dạng này, đề bài thường yêu cầu thiết lập một hệ thức dưới dạng tổng quát về số mol các chất.

Dạng 4. Bài toán điốt cháy trong hóa hữu cơ

Xét bài đốt cháy tổng quát: C_xH_yO_zN_t + O₂ → CO₂ + H₂O + N₂

Phương pháp bảo toàn khối lượng nguyên tố với O được sử dụng rất phổ biến trong các bài toán hóa hữu cơ.

* Chú ý: Đối với trường hợp đốt cháy hợp chất hữu cơ chứa Nitơ bằng không khí, lượng nitơ thu được sau phản ứng là: ${{n}_{{{N}_{2}}}}$₍_{sau phản ứng)} = ${{n}_{{{N}_{2}}}}$₍_{từ phản ứng đốt cháy)} + ${{n}_{{{N}_{2}}}}$₍_{từ không khí)}

Để áp dụng tốt phương pháp BTNT, cần chú ý một số điểm sau:

* Hạn chế viết phương trình phản ứng mà thay vào đó nên viết sơ đồ phản ứng (sơ đồ hợp thức, có chú ý hệ số) biểu diễn các biến đổi cơ bản của các nguyên tố quan tâm.

* Đề bài thường cho (hoặc qua dữ kiện bài toán sẽ tính được) số mol của nguyên tố quan tâm, từ đó xác định được lượng (mol, khối lượng) của các chất.

III. CÁC VÍ DỤ

Ví dụ 1: Hoà tan hỗn hợp X gồm 0,2 mol Fe và 0,1 mol Fe₂O₃ 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 trong không khí đến khối lượng không đổi thu được m gam chất rắn Y. Giá tri của m là

A. 16,0. B. 30,4. C. 32,0. D. 48,0.

Giải:

Theo BTNT với Fe: nFe₂O_3(Y)= \[\frac{{{\text{n}}_{\text{Fe}}}}{\text{2}}+{{\text{n}}_{\text{F}{{\text{e}}_{\text{2}}}{{\text{O}}_{\text{3}}}\text{(X)}}}=\frac{\text{0,2}}{\text{2}}+\text{0,1}=\text{0,2 mol}\]

m = 0,2.160 = 32,0 Đáp án C

Ví dụ 2: Đun nóng hỗn hợp bột X gồm 0,06 mol Al, 0,01 mol Fe₃O₄, 0,015 mol Fe₂O₃ và 0,02 mol FeO một thời gian. Hỗn hợp Y thu được sau phản ứng được hoà tan hoàn toàn vào dung dịch HCl dư, thu được dung dịch Z. Thêm NH₃ vào Z cho đến dư, lọc kết tủa T, đem nung ngoài không khí đến khối lượng không đổi thu được m gam chất rắn. Giá trị của m là

A. 6,16. B. 6,40. C. 7,78. D. 9.46

Giải:

Theo BTNT với Al: \[{{\text{n}}_{\text{A}{{\text{l}}_{\text{2}}}{{\text{O}}_{\text{3}}}}}\] = \[\frac{\text{n}{}_{\text{Al}}}{\text{2}}\] = 0,03 mol

Theo BTNT với Fe: \[\sum{{{\text{n}}_{\text{F}{{\text{e}}_{\text{2}}}{{\text{O}}_{\text{3}}}}}}\]= \[\frac{{{\text{n}}_{\text{Fe}}}}{\text{2}}+\frac{\text{3}{{\text{n}}_{\text{F}{{\text{e}}_{\text{3}}}{{\text{O}}_{\text{4}}}\text{(X)}}}}{\text{2}}+{{\text{n}}_{\text{F}{{\text{e}}_{\text{2}}}{{\text{O}}_{\text{3}}}\text{(X)}}}=\text{0,04 mol}\]

\[\Rightarrow \] m = \[{{\text{n}}_{\text{A}{{\text{l}}_{\text{2}}}{{\text{O}}_{\text{3}}}}}+{{\text{n}}_{\text{F}{{\text{e}}_{\text{2}}}{{\text{O}}_{\text{3}}}}}=\text{0,06}\text{.102}+\text{0,04}\text{.160}=\text{9,46}\Rightarrow \]Đáp án D

Ví dụ 3: Đốt cháy 9,8 gam bột Fe trong không khí thu được hỗn hợp rắn X gồm FeO, Fe₃O₄ và Fe₂O₃. Để hoà tan X cần dùng vừa hết 500ml dung dịch HNO₃ 1,6M, thu được V lít khí NO (sản phẩm khử duy nhất, do ở đktc). Giá trị của V là

A. 6,16. B. 10,08. C. 11,76. D. 14,0.

Giải:

Theo BNTN với Fe: \[{{\text{n}}_{\text{Fe(N}{{\text{O}}_{\text{3}}}{{\text{)}}_{\text{3}}}}}\]= n_Fe = 0,175mol

Theo BNTN với N: n_NO= \[{{\text{n}}_{\text{HN}{{\text{O}}_{\text{3}}}}}\] – 3\[{{\text{n}}_{\text{Fe(N}{{\text{O}}_{\text{3}}}{{\text{)}}_{\text{3}}}}}\] = 0,5.1,6 – 3.0,175 = 0,275 mol

\[\Rightarrow \] V = 0,275. 22,4 = 6,16 \[\Rightarrow \] Đáp án A

Ví dụ 4: Lấy a mol NaOH hấp thụ hoàn toàn 2,64 gam khí CO₂, thu được đúng 200ml dung dịch X. Trong dung dịch X không còn NaOH và nồng độ của ion \[\text{CO}_{\text{3}}^{\text{2}-}\] là 0,2M. a có giá trị là :

A. 0,06. B. 0,08. C. 0,10. D. 0,12.

Giải:

Sơ đồ phản ứng :

CO₂+ NaOH → Na₂co₃+ Nahco₃

Theo BNTN với C : \[{{\text{n}}_{\text{NaHC}{{\text{O}}_{\text{3}}}}}={{\text{n}}_{\text{C}{{\text{O}}_{\text{2}}}}}-{{\text{n}}_{\text{N}{{\text{a}}_{\text{2}}}\text{C}{{\text{O}}_{\text{3}}}}}=\frac{\text{2,64}}{\text{44}}-\text{0,2}\text{.0,2}=\text{0,02mol}\]

Theo BNTN với Na: a = 2\[{{\text{n}}_{\text{N}{{\text{a}}_{\text{2}}}\text{C}{{\text{O}}_{\text{3}}}}}\] +\[{{\text{n}}_{\text{NaHC}{{\text{O}}_{\text{3}}}}}\]= 2. 0,04 + 0,02 = 0,1 \[\Rightarrow \] Đáp án C

Ví dụ 5: Hoà tan hoàn toàn hỗn hợp gồm x mol FeS₂ và y mol Cu₂S vào axit HNO₃ (vừa đủ), thu được dung dịch X (chỉ chứa hai muối sunfat) và khí duy nhất NO. Tỉ số x/y là

A. 6/5. B. 2/1. C. 1/2. D. 5/6.

Giải:

X chỉ chứa 2 muối sunfat, khí NO là duy nhất S đã chuyển hết thành \[\text{SO}_{\text{4}}^{\text{2}-}\]

Theo BTNT với S: 2x + y = 3.0,5x + 2y 0,5x = y x/y = 2/1 Đáp án B

Ví dụ 6: Đốt cháy hoàn toàn m gam hỗn hợp X gồm C₃H₈, C₄H₆, C₅H₁₀ và C₆H₆ thu được 7,92 gam CO₂ và 2,7 gam H₂O, m có giá trị là

A. 2,82. B. 2,67. C. 2,46. D. 2,31.

Giải:

Theo BTNT với C và H: m = m_c+ m_H= \[\frac{\text{7,92}}{\text{44}}\text{x12}+\frac{\text{2,7}}{\text{9}}=\text{2,46 }\Rightarrow \] Đáp án C

Ví dụ 7: Tiến hành cracking ở nhiệt độ cao 5,8 gam butan. Sau một thời gian thu được hỗn hợp khí X gồm CH₄, C₂H₆, C₂H₄, C₃H₆ và C₄H₁₀. Đốt cháy hoàn toàn X trong khí oxi dư, rồi dẫn toàn bộ sản phẩm sinh ra qua bình đựng H₂SO₄ đặc. Độ tăng khối lượng của bình H₂SO₄ đặc là

A. 9,0 gam. B. 4,5 gam. C. 18,0 gam. D. 13,5 gam.

Giải:

Khối lượng bình H₂SO₄ đặc tăng lên là khối lượng của H₂Obị hấp thụ

Theo BTNT với H: : \[{{\text{n}}_{{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O}}}=\frac{{{\text{n}}_{\text{H}}}}{\text{2}}=\frac{\text{10}{{\text{n}}_{{{\text{C}}_{\text{4}}}{{\text{H}}_{\text{10}}}}}}{\text{2}}=\text{5}\text{.}\frac{\text{5,8}}{\text{58}}=\text{0,5 mol}\]

\[\Rightarrow \] \[{{\text{n}}_{{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O}}}\]= 0,5.18 = 9,0 gam Đáp án A

Ví dụ 8: Đốt cháy hoàn toản 0,1 mol anđehit đơn chức X cần dùng vừa đủ 12,32 lít khí O₂ (đktc), thu được 17,6 gam CO₂, X là anđehit nào dưới đây?

A. CH=C-CH₂-CHO. B. CH₃-CH₂-CH₂-CHO.

C. CH₂=CH-CH₂-CHO. D. CH₂=C=CH-CHO.

Giải:

\[{{\text{n}}_{{{\text{O}}_{\text{2}}}}}\]= = 0,55 mol; \[{{\text{n}}_{\text{C}{{\text{O}}_{\text{2}}}}}\]= 0,4 mol

Nhận xét: X là anđehit đơn chức n_O(X) = n_X = 0,1 mol

Theo ĐLBT nguyên tố với O :

\[{{\text{n}}_{{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O}}}\]= \[{{\text{n}}_{\text{O(}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O)}}}\] = n_X+ 2\[{{\text{n}}_{{{\text{O}}_{\text{2}}}}}\]- 2\[{{\text{n}}_{\text{C}{{\text{O}}_{\text{2}}}}}\]= 0,1+2.0,55-2.0,4 = 0,4 mol

IV. BÀI TẬP TỰ LUYỆN

Câu 1 : Hỗn hợp chất rắn X gồm 0,1 mol Fe₂O₃ và 0,1 mol Fe₃O₄. Hoà tan hoàn toàn X bằng dung dịch HCl dư, thu được dung dịch Y. Cho NaOH dư vào Y, thu được kết tủa Z. Lọc lấy kết tủa, rửa sạch rồi đem nung trong không khí đến khối lượng không đổi thì thu được chất rắn có khối lượng là

A. 32,0 gam. B. 16,0 gam. C. 39,2 gam. D. 40,0 gam.

Câu 2 : Cho 4,48 lít khí CO (ở đktc) từ từ đi qua ống sứ nung nóng đựng 8 gam một oxit sắt đến khi phản ứng xảy ra hoàn toàn. Khí thu được sau phản ứng có tỉ khối so với hiđro bằng 20. Công thức của oxit sắt và phần trăm thể tích của khí CO₂ trong hỗn hợp khí sau phản ứng lần lượt là:

A. FeO; 75%. B. Fe₂O₃; 75%. C. Fe₂O₃; 65%. D. Fe₃O₄; 75%.

Câu 3 : Hỗn hợp A gồm etan, etilen, axetilen và butađien-1,3. Đốt cháy hết m gam hỗn hợp A. Cho sản phẩm cháy hấp thụ vào dung dịch nước vôi dư, thu được 100 gam kết tủa và khối lượng dung dịch nước vôi sau phản ứng giảm 39,8 gam. Trị số của m là

A. 13,8 gam. B. 37,4 gam. C. 58,75 gam. D. 60,2 gam.

Câu 4 : Hoà tan hoàn toàn hỗn hợp gồm 0,12 mol FeS₂ và a mol Cu₂S vào axit HNO₃ (vừa đủ), thu được dung dịch X (chỉ chứa hai muối sunfat) và khí duy nhất NO. Giá trị của m là

A. 0,06. B. 0,04. C. 0,12. D. 0,075.

Câu 5 : Đốt cháy hoàn toàn một thể tích khí thiên nhiên gồm metan, etan, propan bằng oxi không khí (trong không khí, oxi chiếm 20% thể tích), thu được 7,84 lít khí CO₂ (ở đktc) và 9,9 gam nước. Thể tích không khí (ở đktc) nhỏ nhất cần dùng để đốt cháy hoàn toàn lượng khí thiên nhiên trên là

A. 70,0 lít B. 78,4 lít. C. 84,0 lít. D. 56,0 lít.

Câu 6 : Dẫn V lít (ở đktc) hỗn hợp X gồm axetilen và hiđro đi qua ống sứ đựng bột niken nung nóng, thu được khí Y. Dẫn Y vào lượng dư AgNO₃ (hoặc Ag₂O) trong dung dịch NH₃ thu được 12 gam kết tủa. Khí đi ra khỏi dung dịch phản ứng vừa đủ với 16 gam brom và còn lại khí Z. Đốt cháy hoàn toàn khí Z thu được 2,24 lít khí CO₂ (ở đktc) và 4,5 gam nước. Giá trị của V bằng

A. 5,6. B. 13,44. C. 11,2. D. 8,96.

Câu 7: Hoà tan hoàn toàn 0,3 mol hỗn hợp gồm Al và Al₄C₃ vào dung dịch KOH (dư), thu được x mol hỗn hợp khí và dung dịch X. Sục khí CO₂ (dư) vào dung dịch X, lượng kết tủa thu được là 46,8 gam. Giá trị của x là

A. 0,55. B. 0,60. C. 0,40. D. 0,45.

Câu 8 : Hoà tan hoàn toàn m gam oxit Fe_xO_y bằng dung dịch H₂SO₄ đặc nóng vừa đủ, có chứa 0,075 mol H₂SO₄, thu được z gam muối và thoát ra 168ml khí SO₂ (sản phẩm khử duy nhất, đo ở đktc). Oxit Fe_xO_y là

A. FeO. B. Fe₂O₃ C. Fe₃O₄ D. FeO hoặc Fe₃O₄

Câu 9: Hoà tan hoàn toàn hỗn hợp gồm 0,27 gam bột nhôm và 2,04 gam bột Al₂O₃ trong dung dịch NaOH dư thu được dung dịch X. Cho CO₂ dư tác dụng với dung dịch X thu được kết tủa Y, nung Y ở nhiệt độ cao đến khối lượng không đổi thu được chất rắn Z. Biết hiệu suất các phản ứng đều đạt 100%. Khối lượng của Z là

A. 2,04 gam B. 2,31 gam. C. 3,06 gam. D. 2,55 gam.

Câu 10 : Đun nóng 7,6 gam hỗn hợp A gồm C₂H₂, C₂H₄ và H₂ trong bình kín với xúc tác Ni thu được hỗn hợp khí B. Đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp B, dẫn sản phẩm cháy thu được lần lượt qua bình 1 đựng H₂SO₄ đặc, bình 2 đựng Ca(OH)₂ dư thấy khối lượng bình 1 tăng 14,4 gam. Khối lượng tăng lên ở bình 2 là

A. 6,0 gam B. 9,6 gam. C. 35,2 gam. D. 22,0 gam.

Câu 11 : Đốt cháy hoàn toàn m gam hỗn hợp hai ancol đơn chức cùng dãy đồng đẳng dùng vừa đủ V lít khí O₂ (đktc), thu được 10,08 lít CO₂ (đktc) và 12,6 gam H₂O. Giá trị của V là

A. 17,92 lít. B. 4,48 lít. C. 15,12 lít. D. 25,76 lít.

Câu 12 : Đốt cháy một hỗn hợp hidrocacbon X thu được 2,24 lít CO₂ (đktc) và 2,7 gam H₂O. Thể tích O₂ đã tham gia phản ứng cháy (đktc) là

A. 2,80 lít B. 3,92 lít. C. 4,48 lít. D. 5,60 lít.

Câu 13 : Dung dịch X gồm Na₂CO₃, K₂CO₃, NaHCO₃. Chia X thành hai phần bằng nhau :

- Phần 1: tác dụng với nước vôi trong dư được 20 gam kết tủa.

- Phần 2: tác dụng với dung dịch HCl dư được V lít khí CO₂ (đktc). Giá trị của V là:

A. 2,24. B. 4,48. C. 6,72. D. 3,36.

Câu 14 : Chia hỗn hợp gồm : C₃H₆, C₂H₄, C₂H₂ thành 2 phần bằng nhau:

- Đốt cháy phần 1 thu được 2,24 lít khí CO₂ (đktc).

- Hiđro hoá phần 2 rồi đốt cháy hết sản phẩm thì thể tích CO₂ (đktc) thu được là:

A. 2,24 lít. B. 1,12 lít. C. 3,36 lít. D. 4,48 lít.

ĐÁP ÁN