Đề bài cho chúng ta một bài toán liên quan đến phản ứng oxi hóa – khử của CO và H2 với các oxit kim loại. Chúng ta sẽ cùng nhau đi từng bước để giải quyết bài toán này.

a. Viết PTHH xảy ra

Trước hết, chúng ta cần xác định xem những oxit nào trong hỗn hợp có khả năng phản ứng với CO và H2. Các oxit kim loại đứng sau Al trong dãy hoạt động hóa học có thể bị CO và H2 khử.

Trong hỗn hợp có CuO, Fe3O4, Al2O3.
– CuO là oxit kim loại đứng sau Al, nên sẽ phản ứng với CO và H2.
– Fe3O4 là oxit kim loại, có thể bị CO và H2 khử.
– Al2O3 là oxit kim loại đứng trước Al trong dãy hoạt động hóa học, nên sẽ không phản ứng với CO và H2.

Vậy, các phản ứng xảy ra là:

1. Phản ứng của CuO với CO:
CuO + CO \(\xrightarrow{t^0}\) Cu + CO2

2. Phản ứng của CuO với H2:
CuO + H2 \(\xrightarrow{t^0}\) Cu + H2O

3. Phản ứng của Fe3O4 với CO:
Fe3O4 + 4CO \(\xrightarrow{t^0}\) 3Fe + 4CO2

4. Phản ứng của Fe3O4 với H2:
Fe3O4 + 4H2 \(\xrightarrow{t^0}\) 3Fe + 4H2O

Lưu ý: Phản ứng của Fe3O4 có thể coi là một phản ứng tổng quát hơn, đưa về Fe.

5. Phản ứng của Al2O3: Al2O3 không phản ứng với CO và H2 ở điều kiện này.

Như vậy, chúng ta đã viết xong các phương trình hóa học có thể xảy ra.

b. Tính V và m

Để tính được V và m, chúng ta cần phân tích thông tin đề bài cho.

Đề bài cho:
– Thể tích hỗn hợp khí ban đầu là V lít (đktc), gồm CO và H2.
– Khối lượng hỗn hợp 3 oxit ban đầu là 18,2 gam, gồm CuO, Fe3O4, Al2O3.
– Sau phản ứng, thu được m gam chất rắn.
– Khối lượng hỗn hợp khí sau phản ứng nặng hơn khối lượng hỗn hợp V lít CO và H2 ban đầu là 0,48 gam.

Chúng ta biết rằng khối lượng của hỗn hợp khí ban đầu (CO và H2) sẽ thay đổi như thế nào sau phản ứng?
Khi CO và H2 phản ứng với các oxit kim loại, chúng sẽ bị oxi hóa, còn các oxit kim loại bị khử. Khối lượng của khí thay đổi là do nguyên tử oxi đã tách ra khỏi oxit kim loại để kết hợp với CO tạo thành CO2 hoặc kết hợp với H2 tạo thành H2O.

Nói cách khác, khối lượng tăng lên của hỗn hợp khí chính là khối lượng của nguyên tử oxi đã bị lấy ra khỏi các oxit kim loại.

Do đó, khối lượng nguyên tử oxi bị mất đi từ các oxit kim loại = 0,48 gam.

Bây giờ, chúng ta sẽ xét các oxit kim loại có khả năng phản ứng: CuO và Fe3O4. Al2O3 không phản ứng nên không ảnh hưởng đến khối lượng oxi bị mất đi.

Gọi số mol của CuO là \(n_{CuO}\) và số mol của Fe3O4 là \(n_{Fe_3O_4}\).
Ta có khối lượng mol của CuO là 64 + 16 = 80 g/mol.
Khối lượng mol của Fe3O4 là 3*56 + 4*16 = 168 + 64 = 232 g/mol.

Ta có phương trình: \(n_{CuO} \cdot M_{CuO} + n_{Fe_3O_4} \cdot M_{Fe_3O_4} + n_{Al_2O_3} \cdot M_{Al_2O_3} = 18,2\)
\(n_{CuO} \cdot 80 + n_{Fe_3O_4} \cdot 232 + n_{Al_2O_3} \cdot 102 = 18,2\)

Bây giờ, chúng ta quay lại với khối lượng oxi bị mất đi là 0,48 gam.
– Trong CuO, 1 mol CuO chứa 1 mol nguyên tử oxi.
– Trong Fe3O4, 1 mol Fe3O4 chứa 4 mol nguyên tử oxi.

Vậy, khối lượng oxi bị mất đi có thể tính theo số mol của CuO và Fe3O4:
Khối lượng oxi = \(n_{CuO} \cdot 16 + n_{Fe_3O_4} \cdot 4 \cdot 16 = 0,48\) gam.
Hay: \(16n_{CuO} + 64n_{Fe_3O_4} = 0,48\)

Chúng ta cần tìm thêm một mối liên hệ nữa để giải hệ phương trình. Đề bài cho chúng ta khối lượng của 3 oxit là 18,2g. Tuy nhiên, đề bài không cho rõ tỉ lệ hay khối lượng riêng lẻ của từng oxit, mà chỉ cho tổng khối lượng. Điều này có nghĩa là chúng ta cần xem xét lại xem có thể có cách giải khác hoặc có thông tin nào chúng ta chưa khai thác hết.

Trong đề bài, ta có: “thổi từ từ V lít hh khí (đktc) gồm CO và H2 đi qua một ống đựng 18,2g hh 3 oxit: CuO, Fe3O4, Al2O3 nung nóng. Sau khi phản ứng kết thúc thu được m gam chất rắn và một hh khí nặng hơn khối lượng của hh V (lít) CO và H2 ban đầu là 0,48 gam.”

Thông tin về khối lượng chất rắn “m gam” là phần còn lại sau khi các oxit đã phản ứng. Chất rắn đó sẽ bao gồm kim loại (Cu, Fe) và oxit không phản ứng (Al2O3).

Hãy xem xét lại mối liên hệ giữa khối lượng khí tăng và khối lượng oxit ban đầu.
Khối lượng chất rắn “m” là khối lượng của Al2O3 cộng với khối lượng kim loại Cu và Fe thu được sau phản ứng.
Khối lượng oxit ban đầu = khối lượng chất rắn cuối cùng + khối lượng oxi đã bị mất đi.
18,2 gam = m + 0,48 gam

Từ đây, ta có thể tính được khối lượng chất rắn m:
m = 18,2 – 0,48 = 17,72 gam.

Vậy là chúng ta đã tính được m. Bây giờ còn V.

Để tính V, chúng ta cần biết tổng số mol CO và H2 đã phản ứng. Số mol của CO và H2 phản ứng chính bằng số mol oxi đã bị lấy đi từ các oxit.

Từ phương trình phản ứng:
– CuO + CO \(\xrightarrow{t^0}\) Cu + CO2
– CuO + H2 \(\xrightarrow{t^0}\) Cu + H2O
– Fe3O4 + 4CO \(\xrightarrow{t^0}\) 3Fe + 4CO2
– Fe3O4 + 4H2 \(\xrightarrow{t^0}\) 3Fe + 4H2O

Mỗi mol CO phản ứng lấy đi 1 mol oxi.
Mỗi mol H2 phản ứng lấy đi 1 mol oxi.

Tuy nhiên, đây là cách hiểu đơn giản. Trong phản ứng với Fe3O4, 4 mol CO phản ứng với 1 mol Fe3O4 (chứa 4 mol O), vậy tỉ lệ là 1:1 về oxi. Tương tự với H2.

Vì vậy, tổng số mol CO và H2 phản ứng bằng tổng số mol nguyên tử oxi đã bị lấy ra khỏi các oxit.
Số mol O bị mất đi = khối lượng O / khối lượng mol của O = 0,48 gam / 16 g/mol = 0,03 mol.

Điều này có nghĩa là tổng số mol của CO và H2 đã phản ứng là 0,03 mol.
Do hỗn hợp khí ban đầu là CO và H2, và chúng ta cho rằng toàn bộ CO và H2 đã phản ứng hết vì đề bài nói “thổi từ từ V lít hh khí … đi qua … nung nóng. Sau khi phản ứng kết thúc”, ngụ ý là phản ứng đã xảy ra. Nếu có khí dư, đề bài sẽ nói rõ hơn.

Do đó, tổng số mol của hỗn hợp khí CO và H2 ban đầu là 0,03 mol.
Ta có V là thể tích hỗn hợp khí ở điều kiện tiêu chuẩn (đktc).
Ở đktc, 1 mol khí chiếm thể tích 22,4 lít.
Vậy, V = số mol hỗn hợp khí * 22,4 lít/mol
V = 0,03 mol * 22,4 lít/mol = 0,672 lít.

Vậy là chúng ta đã tính được cả V và m.

Tóm lại các bước giải:
1. Xác định các oxit có khả năng phản ứng với CO và H2.
2. Viết phương trình hóa học.
3. Dựa vào thông tin khối lượng khí tăng lên, suy ra khối lượng nguyên tử oxi bị mất đi.
4. Sử dụng mối quan hệ: Khối lượng oxit ban đầu = Khối lượng chất rắn cuối cùng + Khối lượng oxi bị mất đi để tính m.
5. Tính số mol nguyên tử oxi đã bị mất đi.
6. Dựa vào phương trình phản ứng, suy ra tổng số mol CO và H2 đã phản ứng bằng số mol oxi bị mất đi.
7. Tính thể tích V của hỗn hợp khí ở đktc.

Kiểm tra lại các bước tính toán:
– Khối lượng oxi bị mất đi = 0,48 gam.
– m = 18,2 – 0,48 = 17,72 gam.
– Số mol O = 0,48 / 16 = 0,03 mol.
– Tổng số mol CO + H2 = 0,03 mol.
– V = 0,03 * 22,4 = 0,672 lít.

Các kết quả đều hợp lý.

Đáp số:
a. Các phương trình hóa học:
CuO + CO \(\xrightarrow{t^0}\) Cu + CO2
CuO + H2 \(\xrightarrow{t^0}\) Cu + H2O
Fe3O4 + 4CO \(\xrightarrow{t^0}\) 3Fe + 4CO2
Fe3O4 + 4H2 \(\xrightarrow{t^0}\) 3Fe + 4H2O

b. V = 0,672 lít
m = 17,72 gam.

Các em có câu hỏi nào không? Nếu không, chúng ta sẽ chuyển sang bài tập tiếp theo nhé.