Chào các em học sinh lớp 8 thân mến! Hôm nay, cô và các em sẽ cùng nhau chinh phục một bài tập Hóa học khá thú vị về phản ứng của khí cacbon monoxit (CO) với các oxit kim loại. Các em hãy mở sách giáo khoa Hóa học lớp 8 trang [Trang_bài_tập_tương_ứng] ra để theo dõi nhé.

Bài tập của chúng ta như sau:
Cho luồng khí CO đi qua hỗn hợp X gồm các oxir Fe3O4,Al2O3,MgO,ZnO và CuO nung nóng,sau 1 thời gian thu được hh khí Y và 23,6 g chất rắn Z.Cho Y lội qua bình đựng nước vôi trong dư thấy có 40 g kết tủa.Xác định khối lượng của X.

Để giải bài tập này, chúng ta sẽ đi qua các bước sau đây.

Bước 1: Phân tích đề bài và xác định các phản ứng hóa học có thể xảy ra.

Trước hết, chúng ta cần xem xét hỗn hợp X gồm những chất gì: Fe₃O₄, Al₂O₃, MgO, ZnO, CuO.
Khí CO có tính khử, nó có thể phản ứng với một số oxit kim loại. Tuy nhiên, theo chương trình Hóa học lớp 8, chúng ta chỉ xét phản ứng khử của CO với các oxit kim loại đứng sau nhôm (Al) trong dãy hoạt động hóa học.
Cụ thể, CO có thể phản ứng với Fe₃O₄, ZnO, CuO.
Các oxit như Al₂O₃, MgO là oxit của kim loại kiềm thổ và kim loại mạnh, chúng khá bền và CO không khử được ở điều kiện thường hoặc nhiệt độ nung nóng thông thường trong chương trình lớp 8.
Vì vậy, các phản ứng hóa học có thể xảy ra là:
1. CO + Fe₃O₄ \(\xrightarrow{t^o}\) Fe + CO₂
2. CO + ZnO \(\xrightarrow{t^o}\) Zn + CO₂
3. CO + CuO \(\xrightarrow{t^o}\) Cu + CO₂

Phản ứng trên đều sinh ra khí CO₂.
Hỗn hợp khí Y gồm CO dư và CO₂ sinh ra từ phản ứng.
Chất rắn Z là hỗn hợp các oxit còn dư (nếu có) và các kim loại sinh ra từ phản ứng (Fe, Zn, Cu).

Bước 2: Xử lý thông tin từ thí nghiệm cho khí Y.

Đề bài cho biết “Cho Y lội qua bình đựng nước vôi trong dư thấy có 40 g kết tủa”.
Nước vôi trong là dung dịch Ca(OH)₂.
Khí CO₂ trong Y sẽ phản ứng với Ca(OH)₂ tạo thành kết tủa CaCO₃.
Phản ứng: CO₂ + Ca(OH)₂ \(\rightarrow\) CaCO₃ \(\downarrow\) + H₂O

Chúng ta có khối lượng kết tủa CaCO₃ là 40 g.
Trước tiên, chúng ta cần tính số mol của CaCO₃.
Nguyên tử khối của: Ca = 40; C = 12; O = 16.
Phân tử khối của CaCO₃ là: 40 + 12 + (16 \(\times\) 3) = 100 g/mol.
Số mol CaCO₃ là:
\(n_{CaCO_3} = \frac{m_{CaCO_3}}{M_{CaCO_3}} = \frac{40 \text{ g}}{100 \text{ g/mol}} = 0.4 \text{ mol}\)

Từ phương trình phản ứng: CO₂ + Ca(OH)₂ \(\rightarrow\) CaCO₃ \(\downarrow\) + H₂O
Theo tỉ lệ mol 1:1, số mol CO₂ đã phản ứng với nước vôi trong là:
\(n_{CO_2} = n_{CaCO_3} = 0.4 \text{ mol}\)

Số mol CO₂ này chính là tổng số mol CO₂ sinh ra từ các phản ứng khử oxit kim loại trong hỗn hợp X.

Bước 3: Tính khối lượng các oxit đã phản ứng và khối lượng kim loại sinh ra.

Chúng ta biết rằng, trong mỗi phản ứng khử oxit kim loại bằng CO, cứ 1 mol CO₂ sinh ra thì khối lượng oxit ban đầu đã giảm đi đúng bằng khối lượng nguyên tử của nguyên tố kim loại trong oxit đó. Hoặc chúng ta có thể hiểu là, 1 mol oxit bị khử sinh ra 1 mol CO₂ và 1 mol kim loại.

* Đối với Fe₃O₄:
Phản ứng: CO + Fe₃O₄ \(\rightarrow\) Fe + CO₂
Phương trình cân bằng: 4CO + Fe₃O₄ \(\xrightarrow{t^o}\) 3Fe + 4CO₂
Phân tử khối Fe₃O₄ = (56 \(\times\) 3) + (16 \(\times\) 4) = 168 + 64 = 232 g/mol
Nguyên tử khối Fe = 56 g/mol
Nếu 1 mol Fe₃O₄ phản ứng, sinh ra 4 mol CO₂ và 3 mol Fe. Khối lượng Fe sinh ra là 3 \(\times\) 56 = 168 g. Khối lượng Fe₃O₄ là 232 g.
Quan hệ giữa khối lượng Fe₃O₄ và CO₂:
Khi 232 g Fe₃O₄ phản ứng sinh ra 4 mol CO₂ (tương đương 4 \(\times\) 44 = 176 g CO₂).
Khi 1 mol Fe₃O₄ phản ứng sinh ra 4 mol CO₂.
Nếu \(n_{Fe_3O_4}\) mol Fe₃O₄ phản ứng, thì số mol CO₂ sinh ra là \(4 \times n_{Fe_3O_4}\).
Số mol Fe sinh ra là \(3 \times n_{Fe_3O_4}\).

* Đối với ZnO:
Phản ứng: CO + ZnO \(\xrightarrow{t^o}\) Zn + CO₂
Phương trình cân bằng: CO + ZnO \(\rightarrow\) Zn + CO₂
Phân tử khối ZnO = 65 + 16 = 81 g/mol
Nguyên tử khối Zn = 65 g/mol
Nếu 1 mol ZnO phản ứng, sinh ra 1 mol CO₂ và 1 mol Zn. Khối lượng Zn sinh ra là 65 g. Khối lượng ZnO là 81 g.
Quan hệ giữa khối lượng ZnO và CO₂:
Khi 81 g ZnO phản ứng sinh ra 1 mol CO₂ (44 g CO₂).
Khi 1 mol ZnO phản ứng sinh ra 1 mol CO₂.
Nếu \(n_{ZnO}\) mol ZnO phản ứng, thì số mol CO₂ sinh ra là \(n_{ZnO}\).
Số mol Zn sinh ra là \(n_{ZnO}\).

* Đối với CuO:
Phản ứng: CO + CuO \(\xrightarrow{t^o}\) Cu + CO₂
Phương trình cân bằng: CO + CuO \(\rightarrow\) Cu + CO₂
Phân tử khối CuO = 64 + 16 = 80 g/mol
Nguyên tử khối Cu = 64 g/mol
Nếu 1 mol CuO phản ứng, sinh ra 1 mol CO₂ và 1 mol Cu. Khối lượng Cu sinh ra là 64 g. Khối lượng CuO là 80 g.
Quan hệ giữa khối lượng CuO và CO₂:
Khi 80 g CuO phản ứng sinh ra 1 mol CO₂ (44 g CO₂).
Khi 1 mol CuO phản ứng sinh ra 1 mol CO₂.
Nếu \(n_{CuO}\) mol CuO phản ứng, thì số mol CO₂ sinh ra là \(n_{CuO}\).
Số mol Cu sinh ra là \(n_{CuO}\).

Chúng ta có tổng số mol CO₂ sinh ra là 0.4 mol.
Gọi \(n_{Fe_3O_4 \text{ phản ứng}}\), \(n_{ZnO \text{ phản ứng}}\), \(n_{CuO \text{ phản ứng}}\) lần lượt là số mol của các oxit Fe₃O₄, ZnO, CuO đã phản ứng.

Theo các phương trình phản ứng:
Số mol CO₂ từ Fe₃O₄ là \(4 \times n_{Fe_3O_4 \text{ phản ứng}}\).
Số mol CO₂ từ ZnO là \(1 \times n_{ZnO \text{ phản ứng}}\).
Số mol CO₂ từ CuO là \(1 \times n_{CuO \text{ phản ứng}}\).

Tổng số mol CO₂ là: \(4 \times n_{Fe_3O_4 \text{ phản ứng}} + n_{ZnO \text{ phản ứng}} + n_{CuO \text{ phản ứng}} = 0.4 \text{ mol}\) (1)

Chất rắn Z gồm các oxit còn dư (nếu có) và các kim loại sinh ra.
Khối lượng chất rắn Z là 23,6 g.
Chất rắn Z gồm: Fe₃O₄ (còn dư), Al₂O₃, MgO, ZnO (còn dư), CuO (còn dư) và Fe, Zn, Cu (sinh ra).

Tuy nhiên, có một cách xử lý nhanh hơn và phù hợp với chương trình lớp 8 hơn, đó là dựa vào sự thay đổi khối lượng.
Khi các oxit kim loại bị CO khử, khối lượng oxit giảm đi bằng khối lượng nguyên tử của nguyên tố kim loại. Ví dụ:
CuO \(\rightarrow\) Cu + O. Khối lượng O bị mất đi.
Fe₃O₄ \(\rightarrow\) Fe + O. Khối lượng O bị mất đi.
ZnO \(\rightarrow\) Zn + O. Khối lượng O bị mất đi.

Chúng ta có thể tính tổng khối lượng của nguyên tố O trong các oxit đã phản ứng.
Khối lượng của 1 mol CO₂ là 44 g.
Khối lượng của 1 mol CO là 28 g.
Phản ứng tổng quát có thể xem xét là CO + O \(\rightarrow\) CO₂. Tức là 1 mol CO kết hợp với 1 nguyên tử O (có trong oxit) để tạo thành 1 mol CO₂.
Số mol O bị mất đi từ các oxit là bằng số mol CO₂ sinh ra, tức là 0.4 mol.
Khối lượng của nguyên tố O đã bị mất đi là: \(m_O = n_O \times M_O = 0.4 \text{ mol} \times 16 \text{ g/mol} = 6.4 \text{ g}\).

Khối lượng chất rắn Z = Khối lượng ban đầu của hỗn hợp X – Khối lượng O đã bị tách ra.
Khối lượng Z = Khối lượng các oxit đã phản ứng + Khối lượng các oxit chưa phản ứng – Khối lượng O đã bị tách ra.

Hãy nhìn theo hướng khác:
Khối lượng chất rắn Z = Khối lượng của các oxit chưa phản ứng + Khối lượng của các kim loại sinh ra.
Khối lượng của hỗn hợp X = Khối lượng của các oxit đã phản ứng + Khối lượng của các oxit chưa phản ứng.

Ta có:
Khối lượng Z = 23.6 g
Khối lượng O bị tách ra = 6.4 g

Ta có mối quan hệ:
Khối lượng chất rắn Z = Khối lượng ban đầu của X – Khối lượng của O đã bị tách ra khỏi các oxit.
Điều này đúng khi tất cả các oxit trong X đều có thể bị CO khử. Tuy nhiên, Al₂O₃ và MgO không bị khử.
Vậy cách suy luận này cần cẩn thận hơn.

Chúng ta hãy tập trung vào sự chênh lệch khối lượng.
Khối lượng chất rắn Z = 23.6 g.
Khối lượng của nguyên tử O bị tách ra khỏi các oxit là 6.4 g.

Khối lượng của các oxit ban đầu đã phản ứng = Khối lượng của kim loại sinh ra + Khối lượng O đã bị tách ra.
Gọi \(m_{oxit \text{ phản ứng}}\) là tổng khối lượng các oxit Fe₃O₄, ZnO, CuO đã phản ứng.
Gọi \(m_{kim \text{ loại sinh ra}}\) là tổng khối lượng các kim loại Fe, Zn, Cu sinh ra.
Ta có: \(m_{oxit \text{ phản ứng}} = m_{kim \text{ loại sinh ra}} + m_O\).
\(m_O = 6.4 \text{ g}\).

Khối lượng chất rắn Z = Khối lượng các oxit chưa phản ứng + Khối lượng các kim loại sinh ra.
\(m_Z = m_{oxit \text{ chưa phản ứng}} + m_{kim \text{ loại sinh ra}}\)
\(23.6 = m_{oxit \text{ chưa phản ứng}} + m_{kim \text{ loại sinh ra}}\)

Ta biết khối lượng ban đầu của hỗn hợp X là:
\(m_X = m_{oxit \text{ đã phản ứng}} + m_{oxit \text{ chưa phản ứng}}\)

Thay \(m_{oxit \text{ đã phản ứng}} = m_{kim \text{ loại sinh ra}} + 6.4\) vào phương trình khối lượng X:
\(m_X = (m_{kim \text{ loại sinh ra}} + 6.4) + m_{oxit \text{ chưa phản ứng}}\)
\(m_X = (m_{oxit \text{ chưa phản ứng}} + m_{kim \text{ loại sinh ra}}) + 6.4\)

Nhận thấy rằng: \((m_{oxit \text{ chưa phản ứng}} + m_{kim \text{ loại sinh ra}})\) chính là khối lượng chất rắn Z.
Vậy: \(m_X = m_Z + 6.4\)

Bước 4: Tính khối lượng của X.

\(m_X = 23.6 \text{ g} + 6.4 \text{ g}\)
\(m_X = 30.0 \text{ g}\)

Vậy khối lượng của hỗn hợp X là 30,0 g.

Kiểm tra lại:

* Số mol CO₂ sinh ra = 0.4 mol. Khối lượng O bị mất đi = 6.4 g.
* Khối lượng chất rắn Z = 23.6 g.
* Khối lượng X = Khối lượng Z + Khối lượng O bị tách ra = 23.6 + 6.4 = 30.0 g.
Cách suy luận này dựa trên nguyên tắc bảo toàn khối lượng và sự thay đổi khối lượng trong phản ứng oxi hóa – khử.

Hy vọng các em đã hiểu rõ từng bước giải bài tập này. Nếu có bất kỳ thắc mắc nào, đừng ngần ngại hỏi cô nhé!