Chào các em! Hôm nay, chúng ta sẽ cùng nhau chinh phục một bài toán khá thú vị về hỗn hợp kim loại tác dụng với axit. Các em hãy mở sách giáo khoa trang … và xem kỹ đề bài này nhé.

Chúng ta có một hỗn hợp gồm nhôm (Al), kẽm (Zn) và sắt (Fe). Khi cho hỗn hợp này tác dụng với dung dịch axit sulfuric (H₂SO₄) loãng, chúng ta thu được khí hiđro (H₂) và một dung dịch muối sulfate. Sau khi cô cạn dung dịch này, ta thu được 50,3 gam muối sulfate khan. Nhiệm vụ của chúng ta là tìm thể tích khí hiđro (V) thoát ra ở điều kiện tiêu chuẩn (đkc).

Nào, chúng ta cùng nhau phân tích bài toán theo từng bước nhé!

Bước 1: Xác định các phản ứng hóa học xảy ra.

Khi cho các kim loại đứng trước hiđro trong dãy hoạt động hóa học tác dụng với dung dịch axit sulfuric loãng, các kim loại này sẽ bị oxi hóa và đẩy hiđro ra khỏi dung dịch. Các phản ứng cụ thể như sau:

Đối với nhôm (Al):
2Al + 3H₂SO₄ loãng → Al₂(SO₄)₃ + 3H₂↑

Đối với kẽm (Zn):
Zn + H₂SO₄ loãng → ZnSO₄ + H₂↑

Đối với sắt (Fe):
Fe + H₂SO₄ loãng → FeSO₄ + H₂↑

Các em lưu ý, trong trường hợp này, sắt chỉ có hóa trị II trong muối sulfate vì axit sulfuric ở đây là axit loãng. Nếu là axit sulfuric đặc nóng thì sắt có thể có hóa trị cao hơn.

Bước 2: Đặt ẩn và lập hệ phương trình dựa trên khối lượng và phương trình phản ứng.

Gọi số mol của Al, Zn, Fe trong hỗn hợp lần lượt là \(n_{Al}\), \(n_{Zn}\), \(n_{Fe}\) (mol).

Theo đề bài, khối lượng hỗn hợp kim loại là 11,9 gam. Ta có phương trình khối lượng:
\(27 \cdot n_{Al} + 65 \cdot n_{Zn} + 56 \cdot n_{Fe} = 11,9\) (1)

Bây giờ, chúng ta xem xét sản phẩm muối sulfate khan thu được. Các muối sulfate tạo thành là:
Nhôm sulfate: Al₂(SO₄)₃
Kẽm sulfate: ZnSO₄
Sắt(II) sulfate: FeSO₄

Khối lượng mol của các muối này là:
M(Al₂(SO₄)₃) = 2 27 + 3 (32 + 4 16) = 2 27 + 3 * 96 = 54 + 288 = 342 g/mol
M(ZnSO₄) = 65 + 32 + 4 * 16 = 65 + 96 = 161 g/mol
M(FeSO₄) = 56 + 32 + 4 * 16 = 56 + 96 = 152 g/mol

Dựa vào các phương trình phản ứng ở Bước 1, ta có số mol các muối sulfate tương ứng với số mol kim loại ban đầu:
Số mol Al₂(SO₄)₃ = \(n_{Al}\) / 2
Số mol ZnSO₄ = \(n_{Zn}\)
Số mol FeSO₄ = \(n_{Fe}\)

Tuy nhiên, cách này sẽ làm phức tạp thêm phương trình. Có một cách tiếp cận thông minh hơn mà chúng ta sẽ dùng ở đây.

Bước 3: Sử dụng định luật bảo toàn khối lượng cho dung dịch hoặc phương pháp “tăng giảm khối lượng”.

Chúng ta có thể xem xét sự thay đổi khối lượng trong quá trình phản ứng. Khối lượng dung dịch ban đầu là khối lượng dung dịch H₂SO₄ loãng. Sau phản ứng, các kim loại Al, Zn, Fe đã phản ứng và biến thành các ion kim loại trong dung dịch. Khí H₂ thoát ra.

Một cách tiếp cận hiệu quả là xét sự thay đổi khối lượng của “phần rắn” (kim loại ban đầu) và “phần tan” (muối sulfate).
Khối lượng hỗn hợp kim loại ban đầu = 11,9 gam.
Khối lượng muối sulfate khan thu được = 50,3 gam.

Sự chênh lệch khối lượng này đến từ đâu?
Khi kim loại phản ứng với axit, một phần khối lượng của kim loại đã chuyển thành ion kim loại trong dung dịch, và một phần đã được “thay thế” bởi nhóm sulfate (SO₄²⁻).

Ta có thể suy luận như sau:
Khối lượng muối sulfate = Khối lượng kim loại phản ứng + Khối lượng nhóm SO₄²⁻ kết hợp với kim loại.

Tuy nhiên, cách này vẫn hơi rắc rối. Một phương pháp khác mà các em cần nắm vững là sử dụng định luật bảo toàn nguyên tố hoặc quy về số mol gốc sulfate.

Xem xét các phương trình phản ứng ở Bước 1:
2Al + 3H₂SO₄ → Al₂(SO₄)₃ + 3H₂
Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂
Fe + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂

Ta thấy rằng, cứ mỗi mol H₂ thoát ra thì có:
– 2/3 mol Al phản ứng (tạo ra 1/3 mol Al₂(SO₄)₃)
– 1 mol Zn phản ứng (tạo ra 1 mol ZnSO₄)
– 1 mol Fe phản ứng (tạo ra 1 mol FeSO₄)

Quan trọng hơn, số mol gốc SO₄²⁻ trong muối sulfate khan thu được sẽ bằng số mol H₂SO₄ đã phản ứng.
Và số mol H₂SO₄ đã phản ứng lại liên quan trực tiếp đến số mol H₂ thoát ra.

Xét mối liên hệ giữa khối lượng muối sulfate và khối lượng kim loại:
Khối lượng muối sulfate khan = Khối lượng của các cation kim loại + Khối lượng của các gốc anion sulfate.
Khối lượng muối sulfate khan = (Khối lượng Al + Khối lượng Zn + Khối lượng Fe) + Khối lượng gốc SO₄²⁻
50,3 = 11,9 + Khối lượng gốc SO₄²⁻

Suy ra, khối lượng gốc SO₄²⁻ = 50,3 – 11,9 = 38,4 gam.

Bây giờ, chúng ta tính số mol của gốc SO₄²⁻. Khối lượng mol của gốc SO₄²⁻ là:
M(SO₄²⁻) = 32 + 4 * 16 = 32 + 64 = 96 g/mol.

Số mol gốc SO₄²⁻ = Khối lượng gốc SO₄²⁻ / M(SO₄²⁻) = 38,4 gam / 96 g/mol = 0,4 mol.

Bước 4: Liên hệ số mol gốc sulfate với số mol khí hiđro thoát ra.

Từ các phương trình phản ứng ở Bước 1, ta thấy:
– 3 mol H₂ tạo ra từ 3 mol H₂SO₄, tương ứng với 3 gốc SO₄²⁻. (Tỷ lệ 3:3)
– 1 mol H₂ tạo ra từ 1 mol H₂SO₄, tương ứng với 1 gốc SO₄²⁻. (Tỷ lệ 1:1)
– 1 mol H₂ tạo ra từ 1 mol H₂SO₄, tương ứng với 1 gốc SO₄²⁻. (Tỷ lệ 1:1)

Như vậy, trong tất cả các phản ứng, số mol H₂ thoát ra luôn bằng số mol gốc SO₄²⁻ đã tham gia phản ứng (hoặc có mặt trong muối sulfate).

Do đó, số mol khí H₂ thoát ra là 0,4 mol.
\(n_{H₂} = n_{SO₄²⁻} = 0,4\) mol.

Bước 5: Tính thể tích khí hiđro ở điều kiện tiêu chuẩn (đkc).

Ở điều kiện tiêu chuẩn (đkc), 1 mol khí chiếm thể tích 22,4 lít.
Vậy, thể tích khí H₂ thoát ra là:
V = Số mol H₂ * 22,4 lít/mol
V = 0,4 mol * 22,4 lít/mol = 8,96 lít.

Vậy, giá trị của V là 8,96 lít.

Kết luận:

Qua bài toán này, các em thấy được tầm quan trọng của việc phân tích đề bài, xác định đúng các phản ứng hóa học, và sử dụng các định luật bảo toàn một cách hiệu quả. Đặc biệt, phương pháp “tăng giảm khối lượng” hay “bảo toàn khối lượng gốc anion” là một công cụ rất mạnh để giải các bài toán về hỗn hợp kim loại tác dụng với axit.

Các em có câu hỏi nào không? Nếu không, chúng ta sẽ chuyển sang bài tập tiếp theo. Hãy ôn tập thật kỹ kiến thức này nhé!