Bài toán hóa học liên quan đến hỗn hợp nhiều chất, phản ứng phức tạp luôn là thử thách lớn. Dưới đây là phương pháp giải chi tiết bài toán “Cho m gam hỗn hợp X gồm FeS2, FeCO3, CuO và Fe2O3…” thường gặp trong các đề thi.
Cho m gam hỗn hợp X gồm FeS2, FeCO3, CuO và Fe2O3 (trong X nguyên tố oxi chiếm 15,2% về khối lượng) vào bình kín (thể tích không đổi) chứa 1,08 mol O2 (dư). Nung nóng bình đến khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn rồi đưa về nhiệt độ ban đầu thì áp suất trong bình giảm 10% so với áp suất ban đầu (coi thể tích chất rắn thay đổi không đáng kể). Mặt khác, hòa tan hết m gam X bằng dung dịch H2SO4 đặc nóng, thu được dung dịch Y chứa 1,8m gam hỗn hợp muối (gồm Fe2(SO4)3, CuSO4) và 2,16 mol hỗn hợp khí gồm CO2, SO2. Giá trị của m là?
Lời giải chi tiết:
Để giải quyết bài toán này, ta cần áp dụng một loạt các kỹ năng và kiến thức hóa học, bao gồm:
- Đặt ẩn và thiết lập phương trình: Đây là bước quan trọng để chuyển bài toán từ dạng định tính sang định lượng.
- Bảo toàn electron (BTE): Kỹ thuật này giúp thiết lập mối quan hệ giữa số mol các chất phản ứng và sản phẩm, đặc biệt trong các phản ứng oxi hóa khử.
- Sử dụng dữ kiện bài toán: Khai thác triệt để các thông tin như phần trăm khối lượng oxi, số mol khí thu được, khối lượng muối tạo thành…
- Giải hệ phương trình: Giải hệ phương trình để tìm ra giá trị các ẩn số, từ đó tính được giá trị m cần tìm.
Đặt a, b lần lượt là số mol FeS2, FeCO3
Chất khí sau phản ứng nung gồm SO2 (2a mol), CO2 (b mol) và O2 dư
Áp suất giảm 10% là một dữ kiện quan trọng, cho thấy số mol khí trong bình đã giảm sau phản ứng. Từ đó ta có thể tính được lượng khí đã phản ứng.
Áp suất giảm 10% Þ số mol khí giảm là 1,08.10% = 0,108 mol
Bảo toàn e: 4nO2 phản ứng = 11a + b Þ nO2 phản ứng = 2,75a + 0,25b
Số mol khí sau pư: 2a + b + (1,08 – 2,75a – 0,25b) = 1,08 – 0,108 Þ 0,75a – 0,75b = 0,108 (1)
Phương trình (1) thiết lập mối quan hệ giữa số mol FeS2 và FeCO3, giúp ta giảm số ẩn trong bài toán.
Alt: Sơ đồ tư duy tóm tắt phương pháp giải bài toán hỗn hợp FeS2 FeCO3 CuO Fe2O3, nhấn mạnh vai trò của bảo toàn electron và mối liên hệ giữa các chất tham gia phản ứng.
Khi cho X tác dụng với H2SO4 đặc nóng, bảo toàn electron: nSO2 = (15a + b)/2
Theo mol hỗn hợp CO2, SO2 ta có: ((15a + b)/2) + b = 2,16 (2)
Phương trình (2) dựa vào dữ kiện số mol khí CO2 và SO2 tạo thành khi cho X tác dụng với H2SO4 đặc nóng.
Từ (1), (2) Þ a = 0,264; b = 0,12
Giải hệ phương trình (1) và (2) ta tìm được số mol của FeS2 và FeCO3.
Đặt x, y là số mol CuO và Fe2O3 Þ m = 80x + 160y + 0,264.120 + 0,12.116
Theo mol: nO = x + 3y + 3.0,12 = (0,152m)/16
mmuối = 160x + 400.(2y + 0,264 + 0,12)/2 = 1,8m
Từ các dữ kiện về khối lượng oxi trong hỗn hợp X và khối lượng muối tạo thành, ta thiết lập thêm các phương trình để tìm số mol của CuO và Fe2O3.
Kết luận: x = 0,12; y = 0,03; m = 60g
Cuối cùng, giải hệ phương trình ta tìm được giá trị của x, y và tính được m = 60g.
Alt: Hình ảnh biểu diễn kết quả cuối cùng của bài toán, m=60g, sau khi áp dụng các phương pháp giải hóa học.
Lưu ý: Đây là một bài toán phức tạp, đòi hỏi người giải phải nắm vững kiến thức hóa học và có kỹ năng giải toán tốt. Việc luyện tập thường xuyên các dạng bài tương tự sẽ giúp nâng cao khả năng giải quyết các bài toán hóa học phức tạp.
