Chào các em học sinh yêu quý! Hôm nay, chúng ta sẽ cùng nhau chinh phục một bài toán Hóa học lớp 9 khá thú vị về phản ứng oxi hóa lưu huỳnh đioxit. Bài toán này đòi hỏi chúng ta phải kết hợp kiến thức về phương trình hóa học, tỉ lệ mol, khối lượng mol và đặc biệt là hiệu suất phản ứng.

Các em hãy chú ý lắng nghe và ghi chép thật cẩn thận nhé!

Bước 1: Phân tích đề bài và xác định các chất tham gia, sản phẩm

Đề bài cho chúng ta hỗn hợp X gồm SO2 và O2 với tỉ lệ số mol là 1 : 1.
Hỗn hợp X này đi qua V2O5 xúc tác, đun nóng. V2O5 ở đây đóng vai trò là chất xúc tác, giúp phản ứng xảy ra nhanh hơn nhưng bản thân nó không bị tiêu hao trong phản ứng.
Phản ứng này chính là phản ứng oxi hóa SO2 thành SO3:
2SO2 + O2 –(V2O5, t°)–> 2SO3

Hỗn hợp Y thu được sau phản ứng có khối lượng là 19,2 gam. Hỗn hợp Y này có thể chứa SO2 còn dư, O2 còn dư (nếu có) và sản phẩm SO3.
Sau đó, hỗn hợp Y được hòa tan vào nước. SO3 sẽ phản ứng với nước tạo thành axit sunfuric (H2SO4):
SO3 + H2O –> H2SO4

Cuối cùng, người ta thêm dung dịch Ba(NO3)2 dư vào dung dịch thu được. Ba(NO3)2 là thuốc thử để nhận biết ion sunfat (SO4^2-). Khi thêm Ba(NO3)2 vào dung dịch có chứa H2SO4 (hay ion SO4^2-), sẽ có kết tủa Bari sunfat (BaSO4) tạo thành:
H2SO4 + Ba(NO3)2 –> BaSO4 (kết tủa) + 2HNO3
Hoặc:
SO4^2- + Ba^2+ –> BaSO4 (kết tủa)

Khối lượng kết tủa thu được là 37,28 gam.

Yêu cầu của bài toán là tính hiệu suất của phản ứng SO2 + O2.

Bước 2: Thiết lập phương trình hóa học và biểu diễn các đại lượng theo ẩn

Gọi số mol của SO2 trong hỗn hợp X là x mol.
Vì tỉ lệ số mol SO2 : O2 là 1 : 1, nên số mol của O2 trong hỗn hợp X cũng là x mol.
Tổng số mol của hai khí trong hỗn hợp X là: x + x = 2x mol.

Phản ứng oxi hóa SO2 thành SO3:
2SO2 + O2 –(V2O5, t°)–> 2SO3

Giả sử hiệu suất của phản ứng là H%.
Theo phương trình hóa học, nếu có 2 mol SO2 phản ứng thì cần 1 mol O2 và tạo ra 2 mol SO3.

Số mol SO2 phản ứng là: x * (H/100) mol.
Số mol O2 phản ứng là: (1/2) x (H/100) mol.
Số mol SO3 tạo thành là: x * (H/100) mol.

Số mol SO2 còn dư là: x – x (H/100) = x (1 – H/100) mol.
Số mol O2 còn dư là: x – (1/2) x (H/100) = x (1 – (1/2) H/100) mol.
Tuy nhiên, đề bài cho tỷ lệ 1:1, nên khả năng O2 còn dư là thấp hơn SO2. Chúng ta cần xét trường hợp nào là chất phản ứng hết, chất nào còn dư.

Xét tỉ lệ mol ban đầu: SO2 : O2 = 1 : 1.
Theo phương trình phản ứng, tỉ lệ phản ứng là SO2 : O2 = 2 : 1.
Vì tỉ lệ mol ban đầu (1:1) nhỏ hơn tỉ lệ phản ứng cần thiết cho SO2 (2:1), nên SO2 sẽ hết trước hoặc cả hai hết cùng lúc nếu hiệu suất là 100% và tỉ lệ ban đầu là 2:1. Tuy nhiên, đề bài cho tỉ lệ 1:1, nên O2 sẽ là chất dư hoặc phản ứng vừa đủ.

Nếu SO2 phản ứng hết, thì số mol O2 cần thiết là (1/2) * số mol SO2.
Nếu số mol SO2 ban đầu là x, thì số mol O2 ban đầu là x.
Số mol O2 phản ứng = (1/2) * số mol SO2 phản ứng.
Vì tỉ lệ ban đầu là 1:1, nên O2 sẽ còn dư sau phản ứng (trừ trường hợp hiệu suất là 100% và tỉ lệ ban đầu là 2:1).

Chúng ta hãy gọi số mol SO2 phản ứng là 2a mol.
Khi đó, số mol O2 phản ứng là a mol.
Và số mol SO3 tạo thành là 2a mol.

Số mol SO2 ban đầu là x mol.
Số mol O2 ban đầu là x mol.

Số mol SO2 phản ứng = 2a.
Số mol O2 phản ứng = a.

Hiệu suất tính theo SO2 (thường là vậy):
H = (số mol SO2 phản ứng / số mol SO2 ban đầu) * 100%
H = (2a / x) * 100%

Số mol SO3 tạo thành là 2a mol.
Sau phản ứng, hỗn hợp Y gồm:
– SO2 còn dư: x – 2a mol.
– O2 còn dư: x – a mol.
– SO3 tạo thành: 2a mol.

Khối lượng mol của các chất:
M(SO2) = 32 + 2*16 = 64 g/mol
M(O2) = 2*16 = 32 g/mol
M(SO3) = 32 + 3*16 = 80 g/mol

Khối lượng của hỗn hợp Y là 19,2 gam.
Khối lượng Y = m(SO2 dư) + m(O2 dư) + m(SO3)
19,2 = (x – 2a) 64 + (x – a) 32 + 2a * 80
19,2 = 64x – 128a + 32x – 32a + 160a
19,2 = 96x + 0a
19,2 = 96x
x = 19,2 / 96 = 0,2 mol.

Vậy, ban đầu có 0,2 mol SO2 và 0,2 mol O2.

Bây giờ, chúng ta xét phản ứng sau đó:
SO3 + H2O –> H2SO4
H2SO4 + Ba(NO3)2 –> BaSO4 (kết tủa) + 2HNO3

Số mol kết tủa BaSO4 là 37,28 gam.
Khối lượng mol của BaSO4:
M(BaSO4) = 137 + 32 + 4*16 = 137 + 32 + 64 = 233 g/mol.

Số mol BaSO4 = khối lượng / khối lượng mol
Số mol BaSO4 = 37,28 / 233 = 0,16 mol.

Theo phương trình hóa học, số mol SO3 tạo thành đúng bằng số mol BaSO4 kết tủa.
Số mol SO3 = Số mol BaSO4 = 0,16 mol.

Từ các bước thiết lập ở trên, chúng ta có:
Số mol SO3 tạo thành = 2a mol.
Vậy, 2a = 0,16 mol.
Suy ra, a = 0,16 / 2 = 0,08 mol.

Bước 3: Tính hiệu suất phản ứng

Chúng ta đã có:
– Số mol SO2 ban đầu = x = 0,2 mol.
– Số mol SO2 phản ứng = 2a = 0,16 mol.

Hiệu suất của phản ứng SO2 + O2 là:
H = (Số mol SO2 phản ứng / Số mol SO2 ban đầu) * 100%
H = (0,16 / 0,2) * 100%
H = 0,8 * 100%
H = 80%

Vậy, hiệu suất của phản ứng SO2 + O2 là 80%.

Kiểm tra lại:

Số mol SO2 ban đầu = 0,2 mol
Số mol O2 ban đầu = 0,2 mol

Nếu hiệu suất là 80%, thì:
Số mol SO2 phản ứng = 0,2 * 0,8 = 0,16 mol.
Số mol O2 phản ứng = 0,16 / 2 = 0,08 mol.

Số mol SO3 tạo thành = 0,16 mol.
Khối lượng SO3 = 0,16 * 80 = 12,8 gam.

Số mol SO2 còn dư = 0,2 – 0,16 = 0,04 mol.
Khối lượng SO2 dư = 0,04 * 64 = 2,56 gam.

Số mol O2 còn dư = 0,2 – 0,08 = 0,12 mol.
Khối lượng O2 dư = 0,12 * 32 = 3,84 gam.

Tổng khối lượng hỗn hợp Y = m(SO2 dư) + m(O2 dư) + m(SO3)
= 2,56 + 3,84 + 12,8
= 19,2 gam. (Khớp với đề bài)

Số mol SO3 tạo thành là 0,16 mol. Khi hòa tan vào nước tạo thành H2SO4.
Số mol H2SO4 = 0,16 mol.
Khi thêm Ba(NO3)2, tạo ra kết tủa BaSO4.
Số mol BaSO4 = Số mol H2SO4 = 0,16 mol.
Khối lượng BaSO4 = 0,16 * 233 = 37,28 gam. (Khớp với đề bài)

Mọi thứ đều khớp với đề bài, vậy kết quả của chúng ta là chính xác.

Đáp án: Hiệu suất phản ứng SO2 + O2 là 80%.