Bài học

Bài toán tổng hợp: mol, dung dịch và phản ứng

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em giải được một bài toán ba tầng: đổi khối lượng kim loại ra mol, dùng PTHH tìm khí thoát ra, rồi tính nồng độ chất còn dư trong dung dịch mà không tách rời từng bước như ba bài riêng lẻ.

Kiến thức cần có

Cần vững chuyển đổi m, n, M (Course 5 Foundation), tính theo PTHH (Course 6 Foundation), nồng độ mol CM (Course 7 Foundation) và cách xác định chất hết, chất dư khi hai chất cùng tham gia phản ứng.

Mở rộng dành cho HSG. Bài này không dạy kỹ thuật hóa học mới: nó ghép ba kỹ thuật đã học riêng lẻ (đổi mol, tính theo PTHH, nồng độ dung dịch) vào một bài toán liên hoàn. Kỹ năng vượt chuẩn YCCĐ là tự nhận ra thứ tự đi qua ba tầng đó khi đề không nói thẳng, và tự kiểm chất dư trước khi tính đại lượng đề hỏi.

Câu hỏi mở đầu

Cho một mẩu kẽm vào 200 mL dung dịch H2SO4 loãng. Nếu đề chỉ hỏi nồng độ acid còn lại sau phản ứng, em có cần tính khối lượng ZnSO4 tạo thành không?

Ba tầng của một bài toán tổng hợp

Một bài toán HSG hiếm khi dừng ở một phép tính theo PTHH. Đề thường ghép ba tầng: tầng mol (đổi khối lượng chất rắn ra số mol), tầng phản ứng (dùng PTHH và so sánh tỉ lệ để tìm chất dư), và tầng dung dịch (tính nồng độ chất còn lại sau phản ứng). Ba tầng dùng đúng công cụ em đã học ở Course 5 đến Course 7 Foundation; điều HSG đòi hỏi là tự nhận ra thứ tự đi qua ba tầng đó.

Khi kim loại phản ứng với acid dư, khí thoát ra tính trực tiếp theo mol kim loại, không cần biết acid dư bao nhiêu. Ngược lại, muốn biết acid còn lại bao nhiêu, em phải quay lại trừ đúng phần acid đã phản ứng khỏi lượng acid ban đầu, rồi chia cho thể tích dung dịch (coi thể tích không đổi khi trộn, trừ khi đề nói khác).

Mỗi bước dùng lại kết quả của bước trước, không tính lại từ đầu.

Điều kiện cần kiểm trước khi tính

Trước khi cộng trừ mol, phải xác định chất nào dư. Nếu đề chỉ nói 'dung dịch acid', em cần so sánh tỉ lệ mol thực tế với tỉ lệ PTHH; nếu đề đã nói rõ 'acid dư', em chỉ cần tính theo kim loại, nhưng vẫn nên kiểm bằng số để chắc chắn phép so sánh đúng chiều.

Một lỗi thường gặp là quên rằng thể tích dung dịch sau phản ứng không phải luôn bằng thể tích acid ban đầu cộng thêm gì đó: kim loại rắn không cộng thêm thể tích đáng kể vào dung dịch, nên với bài này ta vẫn dùng đúng 200 mL.

Chuẩn Hướng dẫn giải

Mỗi bài tổng hợp phải nêu: PTHH và số mol từng chất đã đổi, so sánh tỉ lệ để kết luận chất dư hay hết, tính đại lượng đề hỏi theo đúng chất đó, và nếu đề hỏi nồng độ thì quay lại trừ mol đã phản ứng khỏi mol ban đầu trước khi chia thể tích. Kết luận luôn kết bằng 'Vậy …' cùng đơn vị.

Ví dụ

Ví dụ 1 — Khí thoát ra và acid còn dư

1
Cho 6,5 g kẽm vào 200 mL dung dịch H2SO4 1M. Tính thể tích khí H2 thoát ra (đkc, Vm = 24,79 L/mol) và nồng độ mol của chất tan còn lại trong dung dịch sau phản ứng, giả sử thể tích dung dịch không đổi.
2
Đề hỏi hai đại lượng ở hai tầng khác nhau: khí thoát ra thuộc tầng phản ứng, nồng độ còn lại thuộc tầng dung dịch. Phải xác định chất dư trước khi làm tầng thứ hai.
3
So sánh tỉ lệ mol Zn và H2SO4 theo PTHH 1:1 để tìm chất hết, rồi trừ phần đã phản ứng khỏi acid ban đầu.
4
PTHH: $Zn+H_2SO_4\to ZnSO_4+H_2$ . Ta có $n(Zn)=6{,}5/65=0{,}1$ mol và $n(H_2SO_4)=0{,}2\cdot1=0{,}2$ mol. Xét tỉ lệ theo PTHH là 1:1, mà $n(Zn)<n(H_2SO_4)$ , nên Zn phản ứng hết, H2SO4 còn dư. Theo PTHH, $n(H_2)=n(Zn)=0{,}1$ mol, suy ra $V(H_2)=0{,}1\cdot24{,}79=2{,}479$ L. Mặt khác, $n(H_2SO_4)$ đã phản ứng $=n(Zn)=0{,}1$ mol, nên $n(H_2SO_4)$ dư $=0{,}2-0{,}1=0{,}1$ mol. Do thể tích dung dịch không đổi (0,2 L), $C_M(H_2SO_4\text{ dư})=0{,}1/0{,}2=0{,}5$ M. Vậy thể tích khí H2 thoát ra là 2,479 L và nồng độ H2SO4 còn dư là 0,5 M.
PTHH: $Zn+H_2SO_4\to ZnSO_4+H_2$. Ta có $n(Zn)=6{,}5/65=0{,}1$ mol và $n(H_2SO_4)=0{,}2\cdot1=0{,}2$ mol. Xét tỉ lệ theo PTHH là 1:1, mà $n(Zn)<n(H_2SO_4)$, nên Zn phản ứng hết, H2SO4 còn dư. Theo PTHH, $n(H_2)=n(Zn)=0{,}1$ mol, suy ra $V(H_2)=0{,}1\cdot24{,}79=2{,}479$ L. Mặt khác, $n(H_2SO_4)$ đã phản ứng $=n(Zn)=0{,}1$ mol, nên $n(H_2SO_4)$ dư $=0{,}2-0{,}1=0{,}1$ mol. Do thể tích dung dịch không đổi (0,2 L), $C_M(H_2SO_4\text{ dư})=0{,}1/0{,}2=0{,}5$ M. Vậy thể tích khí H2 thoát ra là 2,479 L và nồng độ H2SO4 còn dư là 0,5 M.
5
Zn hết đúng như giả thiết dùng để tính khí theo Zn; 0,1 mol acid dư nhỏ hơn 0,2 mol ban đầu nên hợp lý.
6
Nếu ban đầu chỉ có 100 mL dung dịch H2SO4 1M (0,1 mol), hai chất hết vừa đủ và không còn acid dư.

Ví dụ

Ví dụ 2 — Đổi vai trò chất dư

1
Cho 13 g kẽm vào 200 mL dung dịch H2SO4 1M. Tính khối lượng kim loại còn dư (nếu có) và thể tích khí H2 thoát ra ở đkc (Vm = 24,79 L/mol).
2
Lượng kim loại lần này nhiều hơn ví dụ 1, nên cần kiểm lại xem chất nào hết trước khi áp công thức cũ.
3
So sánh lại tỉ lệ mol; lần này hai chất có thể hết vừa đủ.
4
Ta có $n(Zn)=13/65=0{,}2$ mol và $n(H_2SO_4)=0{,}2$ mol. Xét tỉ lệ PTHH 1:1, hai chất có số mol bằng nhau nên phản ứng hết vừa đủ, không còn Zn dư và không còn H2SO4 dư. Theo PTHH, $n(H_2)=n(Zn)=0{,}2$ mol, suy ra $V(H_2)=0{,}2\cdot24{,}79=4{,}958$ L. Vậy phản ứng vừa đủ, khí H2 thoát ra là 4,958 L và không còn kim loại dư.
Ta có $n(Zn)=13/65=0{,}2$ mol và $n(H_2SO_4)=0{,}2$ mol. Xét tỉ lệ PTHH 1:1, hai chất có số mol bằng nhau nên phản ứng hết vừa đủ, không còn Zn dư và không còn H2SO4 dư. Theo PTHH, $n(H_2)=n(Zn)=0{,}2$ mol, suy ra $V(H_2)=0{,}2\cdot24{,}79=4{,}958$ L. Vậy phản ứng vừa đủ, khí H2 thoát ra là 4,958 L và không còn kim loại dư.
5
Hai mol bằng nhau đúng nghĩa 'vừa đủ' theo PTHH tỉ lệ 1:1.
6
Nếu tăng lên 19,5 g Zn (0,3 mol) với cùng 0,2 mol acid, Zn dư 0,1 mol, tương ứng 6,5 g kim loại chưa tan.

Luyện tập có hướng dẫn

Tự luyện và challenge checkpoint

Lỗi thường gặp

Tính khí theo tổng số mol kim loại ban đầu mà quên so sánh tỉ lệ; trừ nhầm số mol dư từ Zn khi đề hỏi acid dư; quên chia lại cho thể tích dung dịch khi tính nồng độ.

Chốt bài: Em vừa giải được bài toán ba tầng, mol, phản ứng, dung dịch, bằng cách luôn xác định chất dư trước khi tính đại lượng đề hỏi. Bài sau ghép thêm bảo toàn khối lượng vào một hỗn hợp hai kim loại, trong đó một kim loại không phản ứng với acid.