Chào các em học sinh thân mến! Hôm nay, cô trò chúng ta sẽ cùng nhau chinh phục một bài tập Hóa học rất hay và thực tế liên quan đến phản ứng của Hidro với Đồng(II) oxit. Các em hãy mở sách giáo khoa trang [số trang tương ứng] để cùng theo dõi nhé.

Chúng ta có đề bài: Cho luồng khí H2 đi qua 32g bột CuO nung nóng thu được 27,2g chất rắn X.
a. Xác định thành phần phần trăm các chất trong X.
b. Tính thể tích khí H2 (đktc) đã tham gia phản ứng.
c. Tính hiệu suất của quá trình phản ứng.

Đầu tiên, cô trò mình sẽ đi phân tích đề bài và các bước giải quyết.

Bước 1: Viết phương trình phản ứng hóa học.
Phản ứng giữa khí Hiđro (H2) và Đồng(II) oxit (CuO) khi nung nóng là phản ứng oxi hóa – khử. CuO là oxit bazơ có tính oxi hóa, còn H2 là chất khử.
Phương trình phản ứng như sau:
CuO + H2 –nung nóng–> Cu + H2O

Bước 2: Đổi đơn vị và tính số mol các chất đã biết.
Khối lượng CuO ban đầu là 32g.
Khối lượng mol của CuO là: M_CuO = 64 (Cu) + 16 (O) = 80 g/mol.
Số mol CuO ban đầu là:
n_CuO = \(\frac{m_{CuO}}{M_{CuO}}\) = \(\frac{32g}{80g/mol}\) = 0,4 mol.

Khối lượng chất rắn X thu được là 27,2g.

Bước 3: Xác định chất rắn X và lập sơ đồ phản ứng.
Trong phản ứng này, CuO có thể phản ứng hết hoặc dư, còn H2 cũng có thể phản ứng hết hoặc dư.
Tuy nhiên, đề bài cho biết thu được chất rắn X, vậy X có thể là Đồng kim loại (Cu) hoặc có thể là hỗn hợp Cu và CuO dư.
Chúng ta sẽ xét hai trường hợp để kiểm tra.

Trường hợp 1: CuO phản ứng hết.
Nếu CuO phản ứng hết, theo phương trình:
CuO + H2 –> Cu + H2O
1 mol 1 mol 1 mol
0,4 mol -> 0,4 mol -> 0,4 mol

Nếu 0,4 mol CuO phản ứng hết thì theo tỉ lệ mol, ta sẽ thu được 0,4 mol Cu.
Khối lượng Cu thu được sẽ là:
m_Cu = n_Cu M_Cu = 0,4 mol 64 g/mol = 25,6g.

Nhưng đề bài cho khối lượng chất rắn X là 27,2g. Khối lượng này lớn hơn 25,6g. Điều này chứng tỏ CuO chưa phản ứng hết, còn dư CuO trong chất rắn X, và chất rắn X là hỗn hợp gồm Cu và CuO dư.

Trường hợp 2: H2 phản ứng hết.
Nếu H2 phản ứng hết, ta chưa biết số mol H2.

Bước 4: Dựa vào khối lượng chất rắn X để tìm số mol Cu tạo thành.
Chất rắn X gồm Cu kim loại (sản phẩm) và CuO dư (chất tham gia chưa phản ứng hết).
Khối lượng chất rắn X = Khối lượng Cu + Khối lượng CuO dư
27,2g = m_Cu + m_{CuO dư}

Ta gọi số mol CuO phản ứng là x mol.
Theo phương trình:
CuO + H2 –> Cu + H2O
x mol x mol x mol

Số mol Cu tạo thành là x mol. Khối lượng Cu là: m_Cu = x M_Cu = x 64g.
Số mol CuO ban đầu là 0,4 mol. Số mol CuO dư là (0,4 – x) mol. Khối lượng CuO dư là: m_{CuO dư} = (0,4 – x) M_CuO = (0,4 – x) 80g.

Thay vào phương trình khối lượng chất rắn X:
27,2 = 64x + 80(0,4 – x)
27,2 = 64x + 32 – 80x
27,2 = 32 – 16x
16x = 32 – 27,2
16x = 4,8
x = \(\frac{4,8}{16}\) = 0,3 mol.

Vậy, số mol CuO đã phản ứng là 0,3 mol.
Số mol Cu tạo thành là 0,3 mol.
Khối lượng Cu tạo thành là: m_Cu = 0,3 mol * 64 g/mol = 19,2g.
Số mol CuO dư là: n_{CuO dư} = 0,4 mol – 0,3 mol = 0,1 mol.
Khối lượng CuO dư là: m_{CuO dư} = 0,1 mol * 80 g/mol = 8g.
Kiểm tra lại khối lượng chất rắn X: m_X = m_Cu + m_{CuO dư} = 19,2g + 8g = 27,2g (khớp với đề bài).

Bây giờ chúng ta sẽ giải quyết từng câu hỏi:

a. Xác định thành phần phần trăm các chất trong X.
Chất rắn X gồm Cu và CuO dư.
Khối lượng Cu trong X là 19,2g.
Khối lượng CuO dư trong X là 8g.
Tổng khối lượng X là 27,2g.

Phần trăm khối lượng Cu trong X là:
%Cu = \(\frac{m_{Cu}}{m_X}\) 100% = \(\frac{19,2g}{27,2g}\) 100% ≈ 70,59%

Phần trăm khối lượng CuO dư trong X là:
%CuO dư = \(\frac{m_{CuO dư}}{m_X}\) 100% = \(\frac{8g}{27,2g}\) 100% ≈ 29,41%

Hoặc ta có thể tính %CuO dư = 100% – %Cu ≈ 100% – 70,59% = 29,41%.

Vậy, thành phần phần trăm các chất trong X là: Cu chiếm khoảng 70,59%, CuO chiếm khoảng 29,41%.

b. Tính thể tích khí H2 (đktc) đã tham gia phản ứng.
Từ phương trình phản ứng:
CuO + H2 –> Cu + H2O
Ta thấy tỉ lệ mol giữa CuO phản ứng và H2 là 1:1.
Số mol CuO đã phản ứng là 0,3 mol.
Do đó, số mol H2 đã tham gia phản ứng là: n_H2 = n_{CuO phản ứng} = 0,3 mol.

Thể tích khí H2 ở điều kiện tiêu chuẩn (đktc) là:
V_H2 = n_H2 22,4 lít/mol = 0,3 mol 22,4 lít/mol = 6,72 lít.

Vậy, thể tích khí H2 (đktc) đã tham gia phản ứng là 6,72 lít.

c. Tính hiệu suất của quá trình phản ứng.
Hiệu suất phản ứng được tính theo công thức:
Hiệu suất (%) = \(\frac{\text{Lượng chất sản phẩm thực tế}}{\text{Lượng chất sản phẩm theo lý thuyết}}\) * 100%

Hoặc:
Hiệu suất (%) = \(\frac{\text{Lượng chất phản ứng đã dùng}}{\text{Lượng chất phản ứng ban đầu}}\) * 100%

Ở đây, chúng ta có thể tính hiệu suất theo CuO.
Lượng CuO đã dùng (phản ứng) là 0,3 mol.
Lượng CuO ban đầu là 0,4 mol.

Hiệu suất của quá trình phản ứng là:
H = \(\frac{n_{CuO \text{ phản ứng}}}{n_{CuO \text{ ban đầu}}}\) 100% = \(\frac{0,3 mol}{0,4 mol}\) 100% = 0,75 * 100% = 75%.

Vậy, hiệu suất của quá trình phản ứng là 75%.

Các em thấy đó, bài toán này đòi hỏi chúng ta phải suy luận cẩn thận dựa vào khối lượng chất rắn thu được để xác định xem chất nào còn dư. Sau khi đã xác định được chính xác các chất và lượng của chúng, việc tính toán các yêu cầu còn lại sẽ trở nên dễ dàng hơn.

Các em về nhà làm thêm các bài tập tương tự trong sách giáo khoa và sách bài tập để nắm vững hơn dạng toán này nhé. Nếu có bất kỳ thắc mắc nào, đừng ngần ngại hỏi cô hoặc các bạn. Chúc các em học tốt!