Phản ứng giữa KMnO4 và HCl là một phản ứng oxi hóa khử quan trọng, thường được sử dụng để điều chế khí Cl2 trong phòng thí nghiệm. Bài viết này sẽ cung cấp thông tin chi tiết về phản ứng này, bao gồm phương trình hóa học, cơ chế phản ứng, điều kiện thực hiện, ứng dụng, và các bài tập vận dụng.
Phương trình hóa học của phản ứng KMnO4 và HCl
Phương trình hóa học cân bằng của phản ứng giữa KMnO4 và HCl như sau:
2KMnO4 + 16HCl → 2KCl + 2MnCl2 + 5Cl2↑ + 8H2O
Phản ứng này thuộc loại phản ứng oxi hóa khử, trong đó KMnO4 đóng vai trò là chất oxi hóa, còn HCl đóng vai trò là chất khử.
Lập phương trình hóa học bằng phương pháp thăng bằng electron
Để hiểu rõ hơn về quá trình oxi hóa khử, ta có thể lập phương trình hóa học bằng phương pháp thăng bằng electron:
Bước 1: Xác định các nguyên tử có sự thay đổi số oxi hóa, từ đó xác định chất oxi hóa – chất khử:
KMnO+74+HCl-1→ KCl +MnCl+22+Cl02+H2O
Chất khử: HCl; chất oxi hóa: KMnO4
Bước 2: Biểu diễn quá trình oxi hóa, quá trình khử
- Quá trình oxi hóa: 2Cl−1→Cl02+2e
- Quá trình khử: Mn+7+5e→Mn+2
Bước 3: Tìm hệ số thích hợp cho chất khử và chất oxi hóa
5×2×2Cl−1→Cl02+2e
Mn+7+5e→Mn+2
Bước 4: Điền hệ số của các chất có mặt trong phương trình hóa học. Kiểm tra sự cân bằng số nguyên tử của các nguyên tố ở hai vế.
2KMnO4 + 16HCl → 2KCl + 2MnCl2 + 5Cl2 + 8H2O
Điều kiện để KMnO4 tác dụng với HCl
Để phản ứng xảy ra hiệu quả, cần sử dụng HCl đặc ở điều kiện thường.
Cách tiến hành thí nghiệm điều chế Cl2 từ KMnO4 và HCl
Để điều chế khí Cl2 trong phòng thí nghiệm, ta có thể thực hiện theo các bước sau:
- Cho một vài tinh thể KMnO4 vào ống nghiệm khô.
- Nhỏ từ từ dung dịch HCl đậm đặc vào ống nghiệm.
- Đậy kín ống nghiệm bằng nút bông tẩm dung dịch NaOH (để hấp thụ khí Cl2 dư thừa, tránh gây ô nhiễm).
Hiện tượng phản ứng
Trong quá trình phản ứng, ta sẽ quan sát thấy khí màu vàng lục thoát ra. Đây chính là khí Cl2.
Sơ đồ thí nghiệm điều chế khí clo (Cl2) từ kali pemanganat (KMnO4) và axit clohidric (HCl) trong phòng thí nghiệm, sản phẩm tạo thành gồm KCl, MnCl2, Cl2 và H2O
Mở rộng kiến thức về HCl
Tính chất vật lý của HCl
- Hiđro clorua tan vào nước tạo thành dung dịch axit clohiđric.
- Axit clohiđric là chất lỏng, không màu, mùi xốc.
- Dung dịch HCl đặc nhất (ở 20oC) đạt tới nồng độ 37% và có khối lượng riêng D = 1,19 g/cm3.
- Dung dịch HCl đặc “bốc khói” trong không khí ẩm. Đó là do hiđro clorua thoát ra tạo với hơi nước trong không khí thành những hạt dung dịch nhỏ như sương mù.
Tính chất hóa học của HCl
Axit clohiđric là một axit mạnh, mang đầy đủ tính chất hóa học của một axit:
- Làm quỳ tím chuyển sang màu đỏ.
- Tác dụng với kim loại đứng trước H trong dãy hoạt động hóa học của kim loại. Ví dụ:
Mg + 2HCl → MgCl2 + H2
2Al + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2
Lưu ý: Kim loại có nhiều hóa trị tác dụng với dung dịch HCl thu được muối trong đó kim loại ở mức hóa trị thấp. Ví dụ:
Fe + 2HCl → FeCl2 + H2
- Tác dụng với oxit bazơ và bazơ tạo thành muối và nước. Ví dụ:
CuO + 2HCl →t0 CuCl2 + H2O
Fe2O3 + 6HCl →t0 2FeCl3 + 3H2O
NaOH + HCl → NaCl + H2O
Cu(OH)2 + 2HCl → CuCl2 + 2H2O
- Tác dụng với muối của axit yếu hơn tạo thành muối mới và axit mới. Ví dụ:
CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + H2O + CO2 ↑
AgNO3 + HCl → AgCl↓ + HNO3
Ngoài tính chất đặc trưng là tính axit, dung dịch axit HCl đặc còn thể hiện tính khử khi tác dụng chất oxi hoá mạnh như KMnO4, MnO2, K2Cr2O7, KClO3…
4HCl−1+MnO2→toMnCl2+Cl02+2H2O
K2Cr2O7+14HCl−1→3Cl02+2KCl+2CrCl3+7H2O
Điều chế HCl
Trong phòng thí nghiệm
- Điều chế hiđro clorua bằng cách cho tinh thể NaCl vào dung dịch H2SO4 đậm đặc và đun nóng (phương pháp sunfat) rồi hấp thụ vào nước để được axit clohiđric.
- Phương trình hóa học minh họa:
2NaCltt + H2SO4 đặc →t0≥400o Na2SO4 + 2HCl ↑
NaCltt + H2SO4 đặc →t0≤250o NaHSO4 + HCl ↑
Trong công nghiệp
- Phương pháp tổng hợp: Đốt H2 trong khí quyển Cl2
H2 + Cl2 →t0 2HCl
- Phương pháp sunfat: Công nghệ sản xuất từ NaCl rắn và H2SO4 đặc:
2NaCltt + H2SO4 đặc →t0≥400o Na2SO4 + 2HCl ↑
- Ngoài ra một lượng lớn HCl thu được trong công nghiệp từ quá trình clo hóa các hợp chất hữu cơ.
Bài tập vận dụng liên quan đến phản ứng KMnO4 và HCl
Câu 1: Cho m gam KMnO4 tác dụng với dung dịch HCl đặc dư thu được dung dịch X chứa HCl dư và 28,07 gam hai muối và V lít khí Cl2 (đktc). Lượng khí Cl2 sinh ra oxi hóa vừa đủ 7,5 gam hỗn hợp gồm Al và kim loại M có có tỉ lệ mol Al : M = 1: 2. Kim loại M là
A. Ca
B. Mg
C. Fe
D. Cu
Hướng dẫn giải:
Đáp án B
16 HCl + 2 KMnO4 → 2 KCl + 2 MnCl2 + 8 H2O + 5 Cl2
Theo PTHH: nKCl=nMnCl2=xmol
Khối lượng muối là 28,07 →mKCl+mMnCl2=28,07
→ x.74,5 + x.126 = 28,07
→ x = 0,14 mol
→nKCl=nMnCl2=0,14mol
Theo PTHH nCl2=52nKCl=0,35mol
Theo định luật bảo toàn e:
n M . x + n Al. 3 = nCl2. 2 = 0,7 mol
Có tỉ lệ mol Al: M = 1: 2 → n Al = a thì n M = 2 a
→ 2a. x + a. 3 = 0,7 mol
→ Với x = 1 → a = 0,175 mol → m Al = 0,175. 27 = 4,725 g
→ m M = 7,5 – 4,725 = 2,775 g
→MM=2,7750,175.2=7,9(loại)
→ Với x = 2 → a = 0,1 mol → m Al = 27. 0,1 = 2,7 g → m M = 7,5 – 2,7 = 4,8 g
→MM=4,80,1.2=24(Mg , chọn)
Vậy kim loại cần tìm là Mg
Câu 2: Cho chuỗi phản ứng:
KMnO4 + (A) → X2 ↑+ (B) + (C) + H2O
(C) + H2O →dpmn X2 ↑ + (D) + (I)
X2 + (D) → (A)
X2 + (I) → (C) + (E) + H2O
Các chất A, X2, C, D, E lần lượt là:
A. HF, F2, KF, H2, KFO.
B. HCl, Cl2, MnCl2, H2, KCl
C. HCl, Cl2, KCl, H2, KClO
D. HBr, Br2, KBr, H2, KBrO
Hướng dẫn giải:
Đáp án C
2KMnO4 + 16HClđặc (A) → 5Cl2(X2) + 2MnCl2 (B) +2KCl (C) + 8H2O
2KCl + 2H2O →dpnccmn Cl2 + 2KOH(I) + H2(D)
Cl2 + H2 →as2HCl
Cl2 + 2KOH → KCl + KClO (E) + H2O
Câu 3: Cho 8,7 gam MnO2 tác dụng với dung dịch HCl đậm đặc sinh ra V lít khí Cl2 (ở đktc). Hiệu suất phản ứng là 85%. V có giá trị là
A. 2 lít
B. 1,904 lít
C. 1,82 lít
D. 2,905 lít
Hướng dẫn giải:
Đáp án B
nMnO2=0,1mol
Phương trình hóa học:
MnO2 + 4HCl →to MCl2 + Cl2 + 2H2O
Theo PTHH: nCl2(lt)=nMnO2=0,1mol(số mol lý thuyết tính theo PTHH)
H%=nttnlt.100% → 85%=ntt0,1.100% → n clo thực tế = 0,085 mol
→VCl2=0,085.22,4=1,904lít
Câu 4: Điều chế Cl2 từ HCl và MnO2. Cho toàn bộ khí Cl2 điều chế được qua dung dịch NaI, sau phản ứng thấy có 12,7 gam I2 sinh ra. Khối lượng HCl có trong dung dịch đã dùng là:
A. 9,1 gam
B. 8,3 gam
C. 7,3 gam
D. 12,5 gam
Hướng dẫn giải:
Đáp án C
nI2=0,05mol
Theo PTHH: Cl2 + 2 NaI → 2 NaCl + I2
nCl2=nI2=0,05mol
Theo PTHH: MnO2 + 4HCl →to MnCl2 + 2H2O +Cl2
→nHCl=4nCl2= 0,05.4 = 0,2 mol
→ m HCl = 0,2. 36,5 = 7,3 g
Câu 5: Hiện tượng xảy ra trong thí nghiệm là:
Hình ảnh minh họa quá trình phản ứng giữa mangan đioxit (MnO2) và axit clohidric (HCl) đặc, cho thấy sự hòa tan của MnO2 và sự hình thành khí clo (Cl2) màu vàng lục.
A. Chỉ có khí màu vàng thoát ra
B. Có khí màu vàng sinh ra, đồng thời có kết tủa
C. Chất rắn MnO2 tan dần
D. Có khí màu vàng sinh ra, đồng thời MnO2 tan dần
Hướng dẫn giải:
Đáp án D
Phản ứng: MnO2 + 4HClđ →t0 MnCl2 + Cl2↑ + 2H2O
→ Hiện tượng của phản ứng: Có khí màu vàng thoát ra, MnO2 tan dần.
Câu 6. Để trung hòa 20 ml dung dịch HCl 0,1M cần 10 ml dung dịch NaOH nồng độ x mol/l. Giá trị của x là
A. 0,3.
B. 0,4.
C. 0,2.
D. 0,1.
Hướng dẫn giải:
Đáp án C
nHCl = 0,1.0,02 = 0,002 mol
HCl + NaOH → NaCl + H2O
0,002 → 0,002 mol
x=0,0020,01=0,2M
Câu 7: Cho 36 gam FeO phản ứng vừa đủ với dung dịch chứa a mol HCl. Giá trị của a là
A. 1,00.
B. 0,50.
C. 0,75.
D. 1,25.
Hướng dẫn giải:
Đáp án A
nFeO=3672=0,5mol
2HCl + FeO → FeCl2 + H2O
Theo PTHH: nHCl = 2nFeO = 1 mol
Câu 8. Cần dùng 300 gam dung dịch HCl 3,65% để hòa tan vừa hết x gam Al2O3. Giá trị của x là
A. 51.
B. 5,1.
C. 153.
D. 15,3.
Hướng dẫn giải:
Đáp án B
nHCl=300.3,65100.36,5=0,3mol
6HCl + Al2O3 → 2AlCl3 + 3H2O
0,3 → 0,05 mol
mAl2O3= 0,05.102 = 5,1 gam
Câu 9. Cho 5,6 gam một oxit kim loại tác dụng vừa đủ với HCl cho 11,1 gam muối clorua của kim loại đó. Cho biết công thức oxit kim loại?
A. Al2O3.
B. CaO.
C. CuO.
D. FeO.
Hướng dẫn giải:
Đáp án B
Gọi công thức oxit là M2Oa
2aHCl + M2Oa → 2MCla + aH2O
Gọi số mol H2O là x (mol) ⇒ nHCl = 2x (mol)
Bảo toàn khối lượng: 36,5.2x + 5,6 = 11,1 + 18.x
⇒ x = 0,1 mol
⇒nM2Oa=0,1a⇒M2Oa=5,60,1a=56a⇒M=20a
| a | 1 | 2 | 3 |
|---|---|---|---|
| M | 20 | 40 | 60 |
| Kết luận | Loại | Ca | Loại |
Câu 10. Cho 30,00 gam hỗn hợp X gồm Fe và FeO phản ứng với dung dịch HCl dư, đến khi phản ứng xảy ra hoàn toàn thu được 6,72 lít khí H2 (đktc). Khối lượng của FeO trong 30,00 gam hỗn hợp X là
A. 13,2 gam.
B. 46,8 gam.
C. 16,8 gam.
D. 5,6 gam.
Hướng dẫn giải:
Đáp án A
2HCl + FeO → FeCl2 + H2O
2HCl + Fe → FeCl2 + H2
Theo PTHH:
nFe = nkhí = 0,3 mol ⇒ mFeO = 30 – 0,3.56 = 13,2 gam.
Câu 11. Để hoà tan hết hỗn hợp Zn và ZnO phải dùng 100,8 ml dung dịch HCl 36,5% (D = 1,19g/ml) thu được 0,4 mol khí. Phần trăm về khối lượng hỗn hợp Zn và ZnO ban đầu lần lượt là
A. 40% và 60%..
B. 45% và 55%.
C. 50% và 50%
D. 61,6% và 38,4%.
Hướng dẫn giải:
Đáp án D
nHCl=100,8.1,19.36,5100.36,5=1,2mol
2HCl + ZnO → ZnCl2 + H2O (1)
2HCl + Zn → ZnCl2 + H2 (2)
Theo PTHH (2):
nZn=nH2=0,4mol
nHCl (2) = 2.nZn = 0,8 mol ⇒ nHCl (1) = 1,2 – 0,8 = 0,4 mol
⇒nZnO=0,42=0,2mol
mhỗn hợp = 0,4.65 + 0,2.81 = 42,2 gam
%mZn=0,4.6542,2.100%=61,6%.
Câu 12. Cho 36,5 gam dung dịch HCl 10% vào một cốc đựng NaHCO3 dư thì thu được V lit khí ở đktc. Giá trị của x là
A. 44,8.
B. 4,48.
C. 22,4.
D. 2,24.
Hướng dẫn giải:
Đáp án D
nHCl=36,5.10100.36,5=0,1mol
NaHCO3 + HCl → NaCl + H2O + CO2
0,1 0,1 mol
⇒ V = 0,1.22,4 = 2,24 lít.
Câu 13. Cho 50 gam CaCO3 tác dụng vừa đủ với dung dịch HCl 20% (D =1,2g/ml). Khối lượng dung dịch HCl đã dùng là
A. 152,08 gam.
B. 55,0 gam.
C. 180,0 gam.
D. 182,5 gam.
Hướng dẫn giải:
Đáp án D
CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + H2O + CO2
0,5 → 1 mol
⇒mddHCl=1.36,520.100=182,5gam.
