Bài toán: Cho m gam bột Fe vào 800ml dung dịch hỗn hợp gồm Cu(NO3)2 0,2M và H2SO4 0,25M. Sau khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn, thu được 0,6m gam hỗn hợp bột kim loại và V lít khí NO (sản phẩm khử duy nhất, ở đktc). Tìm giá trị của m và V.
Phân tích bài toán và hướng giải:
Đây là một bài toán hóa học phức tạp liên quan đến phản ứng oxi hóa khử của Fe với nhiều chất oxi hóa khác nhau trong dung dịch. Để giải quyết bài toán này, chúng ta cần xác định thứ tự phản ứng, viết các phương trình ion rút gọn, và sử dụng định luật bảo toàn electron để thiết lập mối quan hệ giữa các chất phản ứng và sản phẩm.
Các phản ứng xảy ra:
-
Phản ứng của Fe với Cu(NO3)2:
Fe + Cu2+ → Fe2+ + Cu
-
Phản ứng của Fe với H+ (từ H2SO4):
Fe + 2H+ → Fe2+ + H2
-
Phản ứng của Fe với NO3- trong môi trường axit:
3Fe + 8H+ + 2NO3- → 3Fe2+ + 2NO + 4H2O
Lưu ý quan trọng: Các phản ứng xảy ra theo thứ tự ưu tiên. Fe sẽ phản ứng với Cu2+ trước, sau đó đến H+, và cuối cùng là NO3- trong môi trường axit. Do sau phản ứng vẫn còn hỗn hợp kim loại, suy ra Fe còn dư sau phản ứng với Cu(NO3)2 và H2SO4.
Tính toán:
-
Số mol các chất ban đầu:
- nCu(NO3)2 = 0,2 * 0,8 = 0,16 mol
- nH2SO4 = 0,25 * 0,8 = 0,2 mol => nH+ = 0,4 mol
-
Phản ứng của Fe với Cu2+:
Fe + Cu2+ → Fe2+ + Cu
0,16 -> 0,16 -> 0,16 -> 0,16 (mol)
-
Phản ứng của Fe với H+:
Fe + 2H+ → Fe2+ + H2
0,2 <- 0,4 -> 0,2 -> 0,2 (mol)
Sau hai phản ứng trên, số mol Fe đã phản ứng là 0,16 + 0,2 = 0,36 mol.
Vì sau phản ứng vẫn còn hỗn hợp kim loại, nên Cu tạo thành sẽ bám vào Fe chưa phản ứng. Khối lượng chất rắn giảm đi so với ban đầu chính là lượng Fe tan vào dung dịch trừ đi lượng Cu tạo ra.
Gọi số mol Fe còn dư là x (mol). Ta có: m – 0.6m = mFe – mCu <=> 0.4m = 56(0.16+0.2+x) – 64*0.16 => 0.4m = 20.16 + 56x
-
Phản ứng của Fe với NO3-:
3Fe + 8H+ + 2NO3- → 3Fe2+ + 2NO + 4H2O
Vì H+ đã hết ở phản ứng trước nên Fe không phản ứng với NO3-. Do đó, chỉ có Fe dư sau phản ứng với Cu2+ và H+ kết tủa lại.
Xác định giá trị m:
Hỗn hợp kim loại thu được sau phản ứng là Cu và Fe dư. Ta có:
mCu + mFe dư = 0.6m
64 0.16 + (m – 56 0.36) = 0.6m
10.24 + m – 20.16 = 0.6m
0.4m = 9.92
=> m = 24.8 (gam)
Tính giá trị V:
Vì không có phản ứng của Fe với NO3- nên V = 0 lít.
Kết luận:
Giá trị của m là 24.8 gam và giá trị của V là 0 lít.
Trong các bài toán hóa học liên quan đến phản ứng của Fe với hỗn hợp các chất oxi hóa, việc xác định đúng thứ tự phản ứng và áp dụng các định luật bảo toàn là rất quan trọng để giải quyết bài toán một cách chính xác.
Alt text: Sơ đồ minh họa phản ứng hóa học giữa Fe, dung dịch Cu(NO3)2 và H2SO4, thể hiện quá trình oxi hóa khử và tạo thành sản phẩm, giúp hình dung rõ ràng các giai đoạn phản ứng “Cho M Gam Fe”.
