Phương pháp bảo toàn nguyên tố

CHUYÊN ĐỀ 1: PHƯƠNG PHÁP BẢO TOÀN NGUYÊN TỐ

I. Phương pháp bảo toàn nguyên tố

1. Nội dung phương pháp bảo toàn nguyên tố

– Cơ sở của phương pháp bảo toàn nguyên tố là định luật bảo toàn nguyên tố : Trong phản ứng hóa học, các nguyên tố được bảo toàn.

– Hệ quả của của định luật bảo toàn nguyên tố : Trong phản ứng hóa học, tổng số mol của một nguyên tố tham gia phản ứng bằng tổng số mol nguyên tố đó tạo thành sau phản ứng.

Ví dụ : Đốt cháy hoàn toàn 6 gam axit axetic cần vừa đủ V lít O₂ (đktc). Sản phẩm cháy hấp thụ hết vào bình đựng NaOH dư, thấy khối lượng bình tăng m gam. Tính V và m ?

Các hướng tư duy để tính V và m :

* Hướng 1 : Dựa vào số mol của axit axetic (CH₃COOH) và phương trình phản ứng để tính số mol của O₂ cần dùng, số mol CO₂ và số mol H₂O tạo thành. Từ đó suy ra thể tích O₂ và khối lượng bình NaOH tăng.

Theo giả thiết :

Phương trình phản ứng :

CH₃COOH + 2O₂ 2CO₂ + 2H₂O

mol: 0,1 0,2 0,2 0,2

Theo phương trình và giả thiết, ta có :

* Hướng 2 : Dựa vào hệ quả của định luật bảo toàn nguyên tố và số mol axit CH₃COOH (0,1 mol) để tính số mol CO₂ và số mol H₂O tạo thành; số mol O₂ tham gia phản ứng. Từ đó suy ra thể tích O₂ và khối lượng bình NaOH tăng.

Áp dụng bảo toàn nguyên tố đối với C và H, ta có :

Áp dụng bảo toàn nguyên tố O, ta có :

Suy ra :

– Phương pháp bảo toàn nguyên tố là phương pháp giải bài tập hóa học sử dụng hệ quả của định luật bảo toàn nguyên tố.

2. Ưu điểm của phương pháp bảo toàn nguyên tố

a. Xét các hướng giải bài tập sau :

Câu 25 – Mã đề 231: Dẫn V lít (đktc) hỗn hợp X gồm axetilen và hiđro có khối lượng là m gam đi qua ống sứ đựng bột niken nung nóng, thu được khí Y. Dẫn Y vào lượng dư AgNO₃ trong dung dịch NH₃ thu được 12 gam kết tủa. Khí đi ra khỏi dung dịch phản ứng vừa đủ với 16 gam brom và còn lại khí Z. Đốt cháy hoàn toàn khí Z được 2,24 lít khí CO₂ (đktc) và 4,5 gam H₂O. Giá trị của V là:

A. 11,2. B. 13,44. C. 5,60. D. 8,96.

(Đề thi tuyển sinh Cao đẳng khối A năm 2007)

Hướng dẫn giải

● Cách 1 : Phương pháp thông thường – Tính toán theo phương trình phản ứng

Theo giả thiết ta suy ra Y gồm H₂ dư, C₂H₂ dư, C₂H₄ và C₂H₆.

Số mol của các chất :

Phương trình phản ứng :

C₂H₂ + H₂ C₂H₄ (1)

mol: 0,1 0,1 0,1

C₂H₂ + 2H₂ C₂H₆ (2)

mol: 0,05 0,1 0,05

C₂H₂ + 2AgNO₃ + 2NH₃ C₂Ag₂ + 2NH₄NO₃ (3)

mol: 0,05 0,05

C₂H₆ + O₂ 2CO₂ + 3H₂O (4)

mol: 0,05 0,1 0,15

2H₂ + O₂ 2H₂O (5)

mol: 0,1 (0,25 – 0,15) = 0,1

Theo các phản ứng ta thấy :

● Cách 2 : Sử dụng phương pháp bảo toàn nguyên tố

Áp dụng bảo toàn nguyên tố đối với H, ta có :

b. Nhận xét :

Với cách 1 : Viết nhiều phản ứng, mối liên quan về số mol của các chất được tính toán dựa trên phản ứng. Tuy dễ hiểu nhưng phải trình bày dài dòng, mất nhiều thời gian, chỉ phù hợp với hình thức thi tự luận trước đây.

Với cách 2 : Mối liên quan về số mol của các chất được tính toán trực tiếp dựa vào sự bảo toàn các nguyên tố nên không phải viết phương trình phản ứng.

c. Kết luận :

So sánh 2 cách giải ở trên, ta thấy : Phương pháp bảo toàn nguyên tố có ưu điểm là trong quá trình làm bài tập học sinh không phải viết phương trình phản ứng, tính toán đơn giản dựa vào sự bảo toàn nguyên tố và cho kết quả nhanh hơn so với việc tính toán theo phương trình phản ứng.

Như vậy : Nếu sử dụng phương pháp bảo toàn nguyên tố một cách hiệu quả thì có thể tăng đáng kể tốc độ làm bài so với việc sử dụng phương pháp thông thường.

3. Phạm vi áp dụng :

Phương pháp bảo toàn nguyên tố có thể giải quyết được nhiều dạng bài tập liên quan đến phản ứng trong hóa vô cơ cũng như trong hóa hữu cơ.

Một số dạng bài tập thường dùng bảo toàn nguyên tố là :

+Ion Al³⁺, Zn²⁺ tác dụng với dung dịch kiềm (NaOH, Ba(OH)₂,…).

+ Khí CO₂ tác dụng với dung dịch kiềm.

+ Tính số mol HNO₃, H₂SO₄ tham gia phản ứng.

+ Đốt cháy hợp chất, thường là hợp chất hữu cơ.

+ Thủy phân không hoàn toàn peptit.

4. Bảng tính nhanh số mol nguyên tố, nhóm nguyên tố trong phản ứng

Từ ví dụ ở trên ta thấy : Có thể tính nhanh số mol nguyên tố, nhóm nguyên tố như sau :

Số mol nguyên tố X hoặc nhóm nguyên tố X = số nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử X trong đơn chất, hợp chất số mol chất đó.

Bảng tính nhanh số mol nguyên tố, nhóm nguyên tố

Chất	Số mol chất	Số mol nguyên tố, nhóm nguyên tố
Ba(OH)2
H2SO4
Fe2(SO4)3
Al2O3
CxHyOzNt
Ala-Ala-Ala
Ala-Gly-Ala-Val-Gly-Val

Đối với các chất khác ta tính tương tự.

II. Phân dạng bài tập và các ví dụ minh họa

1. Dạng 1: Tính lượng chất trong phản ứng

Phương pháp giải

– Bước 1 : Lập sơ đồ phản ứng biểu diễn quá trình chuyển hóa giữa các chất, để thấy rõ bản chất hóa học của bài toán.

– Bước 2 : Nhận dạng nhanh phương pháp giải bài tập : Khi gặp bài tập mà giữa lượng chất cần tính và lượng chất đề bài cho đều có chứa cùng 1 nguyên tố hay một nhóm nguyên tố thì ta nên dùng phương pháp bảo toàn nguyên tố.

– Bước 3 : Xác định áp dụng bảo toàn nguyên tố đối với nguyên tố, nhóm nguyên tố nào.

– Bước 4 : Thiết lập phương trình bảo toàn nguyên tố. Ngoài ra, kết hợp với các giả thiết khác để lập các phương trình toán học có liên quan. Từ đó suy ra lượng chất cần tính.

PS :

– Trong phương pháp bảo toàn nguyên tố, nếu xác định sai hoặc thiếu các chất chứa nguyên tố mà ta sử dụng để tính lượng chất thì bảo toàn nguyên tố không còn đúng nữa.

► Các ví dụ minh họa ◄

a. Phản ứng một giai đoạn

Ví dụ 1: Điện phân nóng chảy Al₂O₃ với các điện cực bằng than chì, thu được m kilogam Al ở catot và 89,6 m³ (đktc) hỗn hợp khí X ở anot. Tỉ khối của X so với H₂ bằng 16,7. Cho 1,12 lít X (đktc) phản ứng với dung dịch Ca(OH)₂ dư, thu được 1,5 gam kết tủa. Biết các phản ứng xảy ra hoàn toàn. Giá trị của m là

A. 115,2. B. 82,8 . C. 144,0. D. 104,4.

(Đề thi tuyển sinh Đại học khối B năm 2013)

Hướng dẫn giải

● Bước 1 : Lập sơ đồ phản ứng :

Trong phản ứng điện phân nóng chảy Al₂O₃ với các điện cực làm bằng than chì (C), Al sinh ra ở catot, O₂ sinh ra ở anot và như vậy anot sẽ bị O₂ oxi hóa thành CO, CO₂, ngoài ra vẫn có thể còn O₂ dư.

Sơ đồ phản ứng :

CO₂ + CaCO₃ CaCO₃ + H₂O

● Bước 2 : Nhận dạng nhanh phương pháp giải bài tập

Bài tập yêu cầu tính khối lượng của Al khi điện phân nóng chảy oxit Al₂O₃, trong khi lại cho thông qua thông tin về số mol của CO₂, CO, O₂. Nhận thấy : Giữa hỗn hợp (CO, CO₂, O₂) và Al₂O₃ đều có chứa nguyên tố O; Giữa Al và Al₂O₃ đều có nguyên tố Al. Đây là dấu hiệu chứng tỏ bài tập này sẽ sử dụng phương pháp bảo toàn nguyên tố.

● Bước 3 : Xác định áp dụng bảo toàn nguyên tố đối với nguyên tố, nhóm nguyên tố nào

Dựa vào giả thiết tính được số mol của CO₂, CO, O₂. Từ đó tính được số mol của Al₂O₃ dựa vào bảo toàn nguyên tố O. Biết được số mol của Al₂O₃ sẽ tính được số mol của Al dựa vào bảo toàn nguyên tố Al.

● Bước 4 : Thiết lập phương trình bảo toàn nguyên tố. Từ đó suy ra lượng chất cần tính.

Theo giả thiết, ta có :

Thay (3) vào (1), (2), ta được hệ hai phương trình hai ẩn. Giải hệ phương trình ta có :

Áp dụng bảo toàn nguyên tố đối với O và Al, ta có :

Ví dụ 2: Đốt 5,6 gam Fe trong không khí, thu được hỗn hợp chất rắn X. Cho toàn bộ X tác dụng với dung dịch HNO₃ loãng (dư), thu được khí NO (sản phẩm khử duy nhất) và dung dịch chứa m gam muối. Giá trị của m là:

A. 18,0. B. 22,4. C. 15,6. D. 24,2.

(Đề thi tuyển sinh Đại học khối B năm 2012)

Hướng dẫn giải

Vì dung dịch HNO₃ dư nên Fe phản ứng hết, muối sắt tạo thành là Fe(NO₃)₃.

Giữa lượng chất cần tính là khối lượng Fe(NO₃)₃ và lượng chất đã biết là Fe đều có nguyên tố Fe, nên áp dụng bảo toàn nguyên tố đối với Fe, ta có :

● Xét bài tập sau : Sục hoàn toàn khí CO₂ vào dung dịch Ba(OH)₂, tạo ra cả hai muối Ba(HCO₃)₂ và BaCO₃. Tìm mối quan hệ về số mol của CO₂, Ba(OH)₂ và BaCO₃.

Hướng dẫn giải

Theo bảo toàn nguyên tố đối với C và Ba, ta có :

Nếu thay bằng Ca(OH)₂ thì ta có :

● Bây giờ ta sẽ sử dụng kết quả trên để giải bài tập ở ví dụ 3 :

Ví dụ 3: Hấp thụ hoàn toàn 2,688 lít khí CO₂ (ở đktc) vào 2,5 lít dung dịch Ba(OH)₂ nồng độ a mol/l, thu được 15,76 gam kết tủa. Giá trị của a là:

A. 0,032. B. 0,048. C. 0,06. D. 0,04.

(Đề thi tuyển sinh Đại học khối A năm 2007)

Hướng dẫn giải

Vì nên phản ứng còn tạo ra cả muối Ba(HCO₃)₂ và BaCO₃.

Từ kết quả trên, ta có :

Ví dụ 4: Hấp thụ hoàn toàn V lít CO₂ (đktc) vào bình đựng 200 ml dung dịch X gồm NaOH 1M và Na₂CO₃ 0,5M, thu được dung dịch Y. Kết tinh dung dịch Y (chỉ làm bay hơi nước) thu được 19,9 gam chất rắn khan. Giá trị V là:

A. 2,24. B. 3,36. C. 5,6. D. 1,12.

(Đề thi thử đại học lần 5 – THPT Chuyên – Đại học SPHN, năm học 2011 – 2012)

Hướng dẫn giải

Áp dụng bảo toàn nguyên tố đối với Na ta thấy :

Nếu trong dung dịch Y chỉ có Na₂CO₃ thì số mol Na₂CO₃ là 0,2 mol, khi đó khối lượng chất rắn là 21,2 gam; nếu Y chỉ chứa NaHCO₃ thì số mol NaHCO₃ là 0,4 mol, khi đó khối lượng chất rắn là 33,6; còn nếu Y chứa cả hai muối thì khối lượng chất rắn thuộc khoảng (21,2 ; 33,6). Trên thực tế khối lượng chất rắn chỉ là 19,9 gam nên xảy ra trường hợp NaOH dư. Như vậy chất rắn gồm NaOH dư và Na₂CO₃.

Theo giả thiết và bảo toàn nguyên tố Na, ta có :

Áp dụng bảo toàn nguyên tố C, ta có :

● Xét bài tập sau : Cho dung dịch chứa ion vào dung dịch chứa ion Al³⁺, sau phản ứng thấy kết tủa Al(OH)₃ đã bị tan một phần. Tìm mối liên hệ về số mol giữa các ion , Al³⁺ và kết tủa Al(OH)₃.

Hướng dẫn giải

Áp dụng bảo toàn nguyên tố đối với Al và bảo toàn nhóm , ta có :

Nếu thay ion Al³⁺ bằng ion Zn²⁺, ta có :

● Bây giờ ta sẽ vận dụng kết quả trên để giải bài tập ở các ví dụ 5, 6 :

Ví dụ 5: Cho 200 ml dung dịch AlCl₃ 1,5M tác dụng với V lít dung dịch NaOH 0,5M, lượng kết tủa thu được là 15,6 gam. Giá trị lớn nhất của V là:

A. 1,2. B. 1,8. C. 2,4. D. 2.

(Đề thi tuyển sinh Đại học khối B năm 2007)

Hướng dẫn giải

Vì nên còn một phần ion nhôm nằm trong dung dịch sau phản ứng.

Phản ứng có thể xảy ra theo hai hướng khác nhau :

Theo hướng (1) : AlCl₃ dư, nên lượng NaOH dùng trong trường hợp này là ít nhất.

Theo hướng (2) : AlCl₃ chuyển hết vào kết tủa Al(OH)₃, sau đó kết tủa bị hòa tan một phần. Trường hợp này lượng NaOH dùng nhiều nhất. Vậy ta phải tính lượng NaOH theo hướng (2).

Từ kết quả trên, ta có :

PS : Ở bài này, nếu đề chỉ nói “Giá trị của V là : …” thì phản ứng có thể xảy ra theo hướng (1) hoặc (2). Khi đó sẽ có hai giá trị của V thỏa mãn là V_(min) ứng với hướng (1) và V_(max) ứng với hướng (2).

Ví dụ 6: Hoà tan hoàn toàn m gam ZnSO₄ vào nước được dung dịch X. Nếu cho 110 ml dung dịch KOH 2M vào X thì thu được 3a gam kết tủa. Mặt khác, nếu cho 140 ml dung dịch KOH 2M vào X thì thu được 2a gam kết tủa. Giá trị của m là:

A. 32,20. B. 24,15. C. 17,71. D. 16,10.

(Đề thi tuyển sinh Đại học khối A năm 2010)

Hướng dẫn giải

Bản chất phản ứng :

Cho 110 ml KOH 2M (0,22 mol) vào dung dịch X (TN1), thu được 3a gam Zn(OH)₂. Cho 140 ml dung dịch KOH 2M (0,28 mol) vào dung dịch X (TN2), thu được 2a gam kết tủa. Chứng tỏ ở trường hợp (TN2) kết tủa đã bị hòa tan một phần. Ở TN1 kết tủa có thể bị hòa tan một phần hoặc chưa bị hòa tan.

Nếu ở TN1 kết tủa chưa bị hòa tan, áp dụng bảo toàn nhóm ở TN1 và sử dụng kết quả ở trên cho TN2, ta có :

Trường hợp này không thỏa mãn vì ở TN1 : nên kết tủa đã bị hòa tan.

Vậy ở TN1 kết tủa đã bị hòa tan một phần, vận dụng kết quả ở trên, ta có :

Ví dụ 7: Hòa tan hết hỗn hợp chứa 10 gam CaCO₃ và 17,4 gam FeCO₃ bằng dung dịch HNO₃ loãng, nóng. Số mol HNO₃ đã tham gia phản ứng là:

A. 0,8 mol. B. 0,5 mol. C. 0,7 mol. D. 0,2 mol.

(Đề thi thử Đại học lần 1 – THPT Chuyên Hùng Vương – Phú Thọ, năm học 2011 – 2012)

Hướng dẫn giải

Sơ đồ phản ứng :

FeCO₃ + CaCO₃ + HNO₃ Fe(NO₃)₃ + Ca(NO₃)₂ + NO + CO₂ + H₂O

Áp dụng bảo toàn nguyên tố Ca, Fe và bảo toàn electron, ta tính được số mol của Ca(NO₃)₂, Fe(NO₃)₃ và NO. Sau đó áp dụng bảo toàn nguyên tố N, ta tính được số mol của HNO₃ :

Ví dụ 8: Hòa tan hoàn toàn hỗn hợp gồm 0,18 mol FeS₂ và a mol Cu₂S bằng dung dịch HNO₃ vừa đủ thu được dung dịch X chỉ chứa muối sunfat và V lít NO (đktc) là sản phẩm khử duy nhất. Giá trị của V là:

A. 44,8 lít. B. 22,4 lít. C. 26,88 lít. D. 33,6 lít.

(Đề thi thử đại học lần 3 – THPT Chuyên Nguyễn Huệ – Hà Nội, năm học 2010 – 2011)

Hướng dẫn giải

Vì phản ứng chỉ tạo ra muối sunfat nên suy ra trong X có hai muối là CuSO₄ và Fe₂(SO₄)₃.

Sơ đồ phản ứng :

Áp dụng bảo toàn nguyên tố đối với Cu, Fe, S, ta có :

Cu₂S + 2FeS₂ 2CuSO₄ + Fe₂(SO₄)₃

mol: 0,09 0,18 0,18 0,09

Áp dụng bảo toàn electron cho phản ứng của FeS₂ và Cu₂S với HNO₃, ta có :

Ví dụ 9: X là hỗn hợp 2 hiđrocacbon mạch hở, cùng dãy đồng đẳng. Để đốt cháy hết 2,8 gam X cần 6,72 lít O₂ (đktc). Hấp thụ toàn bộ sản phẩm cháy vào nước vôi trong dư được m gam kết tủa. Giá trị m là:

A. 30 gam. B. 20 gam. C. 25 gam. D. 15 gam.

Hướng dẫn giải

Sơ đồ phản ứng đốt cháy hai hiđrocacbon trong X :

Áp dụng bảo toàn khối lượng và bảo toàn nguyên tố O cho phản ứng (1), ta có :

Áp dụng bảo toàn nguyên tố C, ta có :

Ví dụ 10: Đốt cháy hoàn toàn 0,1 mol một axit cacboxylic đơn chức, cần vừa đủ V lít O₂ (ở đktc), thu được 0,3 mol CO₂ và 0,2 mol H₂O. Giá trị của V là:

A. 8,96. B. 11,2. C. 6,72. D. 4,48.

(Đề thi tuyển sinh Đại học khối B năm 2007)

Hướng dẫn giải

Công thức phân tử của axit cacboxylic đơn chức có dạng là C_xH_yO₂.

Sơ đồ phản ứng :

C_xH_yO₂ + O₂ CO₂ + H₂O (1)

Áp dụng bảo toàn nguyên tố O cho phản ứng (1), ta có :

 

O2 Education gửi các thầy cô link download file pdf đầy đủ

PP1 – BẢO TOÀN NGUYÊN TỐ

 

Xem thêm

Tổng hợp các phương pháp giải bài tập môn hoá học

Tổng hợp đề thi THPT QG 2021 file word có lời giải chi tiết