Kim loại gặp hỗn hợp acid: đếm H+, đọc muối, hợp kim trung bình
Đếm ion H+ thay vì đọc tên acid, so hai kho electron và proton, đọc khối lượng muối bằng sổ ion, xem hợp kim như một kim loại trung bình: bốn phòng thí…
LUKATO AI · CHUYÊN ĐỀ HÓA HỌC 9
KIM LOẠI · ACID HỖN HỢP · MUỐI · HỢP KIM
Kim loại gặp hỗn hợp acid
Đừng đọc tên acid, hãy đếm ion H + . Đừng viết từng phương trình, hãy mở hai cuốn sổ: kho electron của kim loại và kho proton của acid. Kho nhỏ hơn quyết định lượng khí, gốc acid đứng yên quyết định khối lượng muối, và một hợp kim cư xử như một kim loại trung bình.
- 1 và 2 H + từ HCl và H 2 SO 4
- 0,5 mol H 2 cho mỗi mol H +
- Al 9 · Mg 12 · Fe 28 · Zn 32,5 g cho 1 mol e -
- 4 phòng thí nghiệm
H + mỗi H 2 SO 4 loãng khi gặp kim loại
2,7%
H + thứ hai tách sẵn trong hỗn hợp mẫu, vẫn phản ứng hết
24,79
L/mol khí ở 25 độ C, 1 bar
9 g
nhôm nhường đủ 1 mol electron
01
Bản chất · tiền tệ của phản ứng
Thứ "ăn" kim loại là ion H + , không phải cái tên của acid
Thả một viên kẽm vào hydrochloric acid loãng hay vào sulfuric acid loãng, bạn thấy cùng một cảnh: bọt khí H 2 sủi lên, kim loại mòn dần. Hai acid khác tên, khác gốc, nhưng cùng một "người nhận electron": ion H + . Nắm được điều này, mọi tình huống hỗn hợp acid thu về một phép đếm.
1 · KIM LOẠI Nguyên tử kim loại đứng trước H nhường electron và rời mạng tinh thể thành ion dương.
2 · BỀ MẶT Electron chuyển cho ion H + đang chạm vào bề mặt kim loại.
3 · KHÍ Hai H + nhận hai e - ghép thành một phân tử H 2 , thoát thành bọt.
4 · MUỐI Ion kim loại vào dung dịch, gốc acid (Cl - , SO 4 2- ) giữ nguyên: muối là cation mới cộng anion cũ.
A. Trong cốc acid loãng thực sự có gì?
Khi tan trong nước, phân tử HCl tách gần như hoàn toàn: HCl → H + + Cl - . Mỗi đơn vị HCl góp một ion H + . Sulfuric acid tách theo hai nấc. Nấc 1 hoàn toàn: H 2 SO 4 → H + + HSO 4 - . Nấc 2 là quá trình thuận nghịch: HSO 4 - thuận nghịch H + + SO 4 2- . Khi phản ứng với kim loại đến cùng, mỗi H 2 SO 4 góp hai ion H + .
Hình 1. Mô hình minh họa ở mức hạt: nguyên tử Zn để lại hai electron trong kim loại và rời đi thành Zn 2+ ; tại bề mặt, hai H + lấy hai electron ấy thành H 2 . Ion Cl - có mặt suốt từ đầu đến cuối mà không đổi: nó chỉ là "người đi kèm" để dung dịch trung hòa điện.
B. Đồng tiền chung: đếm H +
Vì người nhận electron là H + , câu hỏi "có bao nhiêu acid?" phải đổi thành "có bao nhiêu H + có thể phản ứng?" . Với hỗn hợp hai acid loãng:
n(H + ) = n(HCl) + 2 · n(H 2 SO 4 )
Ví dụ (số minh họa): 0,20 mol HCl trộn với 0,15 mol H 2 SO 4 cho 0,20 + 2 · 0,15 = 0,50 mol H + , trong đó 60% đến từ sulfuric acid dù số mol của nó ít hơn. Gốc acid đếm riêng: 0,20 mol Cl - và 0,15 mol SO 4 2- , tổng điện tích âm 0,20 + 2 · 0,15 = 0,50, đúng bằng điện tích dương của H + . Hai con số trùng nhau không phải ngẫu nhiên: dung dịch luôn trung hòa điện.
Góc nhìn sâu 1 · H + thứ hai "ẩn mình" nhưng không mất
Nấc 2 của H 2 SO 4 chỉ tách một phần. Trong dung dịch H 2 SO 4 0,1 mol/L chỉ khoảng 8,4% ion HSO 4 - tách tiếp, nên nồng độ H + tự do khoảng 0,108 mol/L chứ không phải 0,2. Trộn thêm HCl, lượng H + sẵn có càng đẩy nấc 2 lùi lại: trong hỗn hợp mẫu ở trên (1 lít) chỉ 2,7% HSO 4 - tách, lúc đầu chỉ có 0,354 mol H + tự do trên 0,50 mol trong kho.
Vậy vì sao vẫn đếm 2? Vì nấc 2 là thuận nghịch. Kim loại lấy dần H + đi, cân bằng bị phá và HSO 4 - tách tiếp để bù, cứ thế cho đến khi kim loại đủ nhiều thì toàn bộ H + trong kho đều đi vào phản ứng. Tính acid mạnh hay yếu quyết định tốc độ lúc đầu; tổng số H + trong kho quyết định tổng lượng khí. (Số tính với hằng số phân li nấc 2 xấp xỉ 0,01 ở 25 độ C, mô hình minh họa bỏ qua tương tác giữa các ion.)
C. Sổ electron: kim loại trả bằng hóa trị
Mỗi nguyên tử kim loại nhường số electron bằng hóa trị của nó trong muối tạo thành với acid loãng: Mg, Zn, Fe nhường 2, Al nhường 3. Như vậy n(e - ) = n(kim loại) · hóa trị. Ví dụ 6,5 g Zn là 0,10 mol, nhường 0,20 mol electron.
2H + + 2e - → H 2 nên n(H 2 ) = n(H + đã phản ứng) : 2 = n(e - đã nhường) : 2
Vì sao sắt chỉ lên Fe 2+ trong acid loãng?
H + là chất nhận electron yếu, chỉ đủ sức kéo sắt lên Fe 2+ . Hơn nữa, nếu có Fe 3+ xuất hiện thì chính sắt kim loại còn dư lại khử nó về: Fe + 2Fe 3+ → 3Fe 2+ . Vì vậy với acid loãng không có tính oxi hóa mạnh, sắt luôn được tính hóa trị II: FeCl 2 , FeSO 4 .
Phòng thí nghiệm 1: Tiền tệ H + KHO VÀ ẢNH CHỤP
HCl: mol
H 2 SO 4 : mol
H + trong kho
Điện tích âm
H 2 tối đa
Thể tích tối đa
H + tự do lúc đầu
Nấc 2 đã tách
Mô hình minh họa. "Ảnh chụp" giả định hỗn hợp nằm trong 1 lít dung dịch, hằng số nấc 2 xấp xỉ 0,01. Thể tích khí tính ở 25 độ C, 1 bar (24,79 L/mol).
Giới hạn của mô hình "H + là tiền tệ"
Mô hình chỉ đúng khi H + là chất nhận electron duy nhất. Với sulfuric acid đặc, nóng , chất nhận electron là lưu huỳnh số oxi hóa +6 trong gốc acid, sản phẩm khí là SO 2 chứ không phải H 2 , và cả đồng cũng tan. Khi đó gốc acid không còn "đứng ngoài", và phép đếm H + ở trên không áp dụng. Bài này chỉ bàn acid loãng.
02
Phòng thí nghiệm chính · hai kho dự trữ
Kho electron gặp kho proton: kho nhỏ hơn quyết định, kho lớn hơn là "dư"
Mỗi phân tử H 2 cần đồng thời hai thứ: 2 electron do kim loại nhường và 2 ion H + do acid cung cấp. Giống như làm bánh cần cả bột lẫn trứng: số bánh do nguyên liệu ít hơn quyết định, phần còn lại là dư. Câu hỏi "chất nào dư" chỉ là so sánh hai con số.
A. Hai cuốn sổ, một phép so sánh
KHO ELECTRON
Kim loại có thể nhường bao nhiêu?
n(e - ) = tổng n(kim loại) · hóa trị, chỉ tính các kim loại đứng trước H . Ví dụ 3,6 g Mg cho 0,30 mol e - , 5,6 g Fe cho 0,20 mol e - : kho electron 0,50 mol.
KHO PROTON
Acid có thể nhận bao nhiêu?
n(H + ) = n(HCl) + 2 · n(H 2 SO 4 ). Ví dụ 0,20 mol HCl và 0,10 mol H 2 SO 4 cho kho proton 0,40 mol.
n(H + phản ứng) = n(e - nhường) = số nhỏ hơn trong hai kho → n(H 2 ) = số đó : 2
Với ví dụ trên, kho proton (0,40) nhỏ hơn kho electron (0,50): acid hết, kim loại dư, n(H 2 ) = 0,20 mol, tức 4,96 L ở 25 độ C, 1 bar. Không cần biết Mg hay Fe tan bao nhiêu mới tính được khí.
Hình 2. Một đoạn của dãy hoạt động hóa học. Ranh giới H tách kim loại thành hai nhóm: nhóm trái góp vào kho electron, nhóm phải đóng góp 0 dù khối lượng bao nhiêu.
Vì sao đồng đứng yên trong acid loãng?
Đồng giữ electron chặt hơn mức H + có thể kéo đi: phản ứng Cu + 2H + không xảy ra. Bằng chứng trực tiếp: để một lá đồng trong hydrochloric acid loãng rất lâu, không có bọt khí và khối lượng đồng không đổi, trong khi lá kẽm trong cùng cốc sủi bọt ngay. Trong hỗn hợp có Cu, phần đồng chỉ "ngồi xem": nó cộng vào khối lượng chất rắn còn lại, không cộng vào kho electron. Ranh giới phạm vi: sulfuric acid đặc, nóng hòa tan được đồng vì chất nhận electron đã đổi sang lưu huỳnh +6, sinh SO 2 . Đó là một chất oxi hóa khác, không thuộc sổ cái H + .
B. Đọc muối mà không viết phương trình
Gốc acid không nhận electron nên đi qua phản ứng nguyên vẹn. Khi acid đã phản ứng hết, mọi gốc acid ban đầu đều nằm trong muối, đi cùng các ion kim loại vừa sinh ra. Hai định luật cùng lúc làm việc: bảo toàn khối lượng (không có gì mất đi ngoài H 2 ) và bảo toàn điện tích (tổng điện tích cation bằng tổng điện tích anion).
m(muối) = m(kim loại đã phản ứng) + 35,5 · n(Cl - ) + 96 · n(SO 4 2- )
đồng thời n(Cl - ) + 2 · n(SO 4 2- ) = n(H + đã phản ứng) = n(e - đã nhường)
Với ví dụ đang theo dõi: kim loại hoạt động hơn là Mg tan hết (0,30 mol e - ), phần H + còn lại hòa tan 2,8 g Fe. Khối lượng kim loại đã phản ứng là 6,4 g, và
SỔ ION
m(muối) = 6,4 + 7,1 + 9,6 = 23,1 g
(7,1 = 35,5 · 0,20; 9,6 = 96 · 0,10)
SỔ KHỐI LƯỢNG
m(muối) = m(kim loại) + m(acid) - m(H 2 ) = 6,4 + 7,3 + 9,8 - 0,4 = 23,1 g
Hai con đường khác nhau cho cùng một số. Còn dung dịch nặng thêm bao nhiêu? Kim loại đi vào, khí H 2 bay ra: m(dung dịch tăng) = 6,4 - 0,4 = 6,0 g .
Góc nhìn sâu 2 · Một công thức cho mọi muối
Chia mọi thứ theo "một điện tích". Mỗi mol electron ứng với 12 g Mg, 9 g Al, 32,5 g Zn hay 28 g Fe; mỗi điện tích âm ứng với 35,5 g Cl - hoặc 48 g SO 4 2- (96 : 2). Khi đó m(muối) = n(e - ) · (khối lượng kim loại cho một e - + khối lượng gốc cho một điện tích) . Thử lại: MgCl 2 = 2 · (12 + 35,5) = 95; Al 2 (SO 4 ) 3 = 6 · (9 + 48) = 342. Công thức muối chỉ là cách viết gọn của sổ điện tích.
Khi acid dư: "khối lượng muối" không còn là một con số
Nếu kim loại hết trước, dung dịch còn H + dư cùng cả Cl - lẫn SO 4 2- . Ion kim loại "đi với" gốc nào? Dung dịch không trả lời. Sổ cái chỉ cho một khoảng : ví dụ 2,4 g Mg và 3,9 g Zn (kho e - 0,32) gặp 0,20 mol HCl và 0,15 mol H 2 SO 4 (kho H + 0,50), muối nằm trong khoảng 19,16 đến 21,41 g tùy gốc nào ghép với ion kim loại. Cô cạn đến khô thì HCl bay đi trước, còn H 2 SO 4 khó bay hơi ở lại, nên muối nghiêng về đầu trên (21,41 g); khoảng này là giới hạn của sổ cái, không phải kết quả của mọi cách cô cạn. Vì vậy "khối lượng muối" khi acid dư phải đi kèm cách cô cạn.
Phòng thí nghiệm 2: Hai kho dự trữ MÔ HÌNH MINH HỌA
Kim loại 1
Khối lượng kim loại 1: g
Kim loại 2
Khối lượng kim loại 2: g
HCl: mol
H 2 SO 4 : mol
Tiến độ:
Kho electron
Kho proton
n(H 2 ) cuối
V(H 2 ) cuối
Chất dư
Kim loại còn lại
Muối · sổ ion
Muối · sổ khối lượng
Dung dịch nặng thêm
Mô hình minh họa ở trạng thái cuối: kim loại hoạt động hơn được tính tan trước (lý do ở khung dưới). Thể tích ở 25 độ C, 1 bar. Thang đo hai kho tự co giãn theo kho lớn hơn.
Ba điều nên tự thử
1. Ở tình huống "Acid thiếu", đổi Fe thành Zn cùng khối lượng: khí không đổi chút nào, vì kho proton quyết định. Chỉ khối lượng kim loại còn lại thay đổi. 2. Chọn "Có đồng" rồi kéo khối lượng Cu lên 12 g: kho electron đứng yên. 3. Chọn "Kim loại thiếu": hai đường sổ muối nhường chỗ cho một khoảng, đúng như khung cảnh báo ở trên.
Góc nhìn sâu 3 · Ai tan trước? Câu trả lời đến từ trạng thái cuối, không phải từ cuộc đua
Thực ra Mg và Fe cùng bắt đầu tan ngay khi chạm acid. Nhưng chừng nào Mg còn, mọi ion Fe 2+ đã vào dung dịch đều bị Mg đẩy ra trở lại: Mg + Fe 2+ → Mg 2+ + Fe. Vì vậy khi acid thiếu, trạng thái cuối luôn là kim loại hoạt động hơn tan trước, kim loại kém hơn còn lại. Và điều quan trọng nhất: lượng khí không phụ thuộc thứ tự ấy, vì mỗi electron dù đến từ Mg hay Fe cũng chỉ đổi lấy đúng một H + .
03
Đoán trước khi xem lời giải thích
Bốn câu hỏi trực giác: chọn trước, hiểu sau
Đừng tính vội. Hãy chọn theo cảm giác, rồi đọc lời giải thích của chính phương án bạn chọn. Mỗi phương án sai đều là một lối nghĩ phổ biến, và lời giải thích chỉ ra nó gãy ở đâu.
1. Hai cốc: một cốc chứa 0,1 mol HCl, cốc kia chứa 0,1 mol H 2 SO 4 (đều loãng). Thả kẽm dư vào cả hai. Cốc nào sinh nhiều H 2 hơn?
2. Thả 1 g Mg vào một cốc acid dư và 1 g Al vào một cốc acid dư khác. Cốc nào sinh nhiều khí hơn?
3. Một hỗn hợp Mg và Cu tác dụng với HCl dư. Nếu giữ nguyên Mg nhưng tăng gấp đôi lượng Cu, lượng khí thay đổi thế nào?
4. Hỗn hợp Mg và Fe dư cho vào 0,20 mol HCl và 0,10 mol H 2 SO 4 . Thay Fe bằng cùng khối lượng Zn (vẫn dư). Lượng khí thay đổi thế nào?
04
Công cụ khái niệm
Tám bí quyết
Mỗi bí quyết là một công cụ tư duy gồm ba phần: quy tắc, lý do ở cấp ion và electron, và nơi nó hỏng. Biết nơi hỏng quan trọng ngang biết quy tắc, vì đó là chỗ người giỏi khác người thuộc lòng.
BÍ QUYẾT 1
Đếm H + , đừng đếm tên acid
Quy tắc n(H + ) = n(HCl) + 2 · n(H 2 SO 4 ). Mọi phép tính khí và muối bắt đầu từ con số này.
Vì sao Trong acid loãng, chỉ ion H + nhận electron của kim loại. Cl - và SO 4 2- không đổi số oxi hóa, nên tên acid chỉ cho biết mỗi đơn vị góp mấy H + .
Khi nào hỏng Với acid đặc có gốc oxi hóa mạnh (sulfuric acid đặc, nóng): gốc acid nhận electron, khí không còn là H 2 . Và với acid có nhiều H nhưng không phải H nào cũng tách được: acetic acid CH 3 COOH có 4 nguyên tử H nhưng chỉ 1 H + .
BÍ QUYẾT 2
Một H 2 cần hai H + và hai electron
Quy tắc n(H 2 ) = n(H + đã phản ứng) : 2 = n(e - đã nhường) : 2, với n(e - ) = n(kim loại) · hóa trị.
Vì sao 2H + + 2e - → H 2 . Electron không tự sinh ra hay mất đi: kim loại nhường bao nhiêu, H + nhận bấy nhiêu.
Khi nào hỏng Khi có chất nhận electron khác cạnh tranh với H + : ion Cu 2+ hay Fe 3+ trong dung dịch, oxygen hòa tan. Electron đi đến đó thì không thành H 2 , nên khí thu được ít hơn sổ electron dự đoán.
BÍ QUYẾT 3
Kho nhỏ hơn quyết định
Quy tắc So kho electron với kho proton. n(H 2 ) = (kho nhỏ hơn) : 2; kho lớn hơn còn dư đúng bằng hiệu hai kho.
Vì sao Mỗi H 2 tiêu đồng thời một cặp electron và một cặp H + ; khi một kho cạn, phản ứng hết nguyên liệu dù kho kia còn đầy.
Khi nào hỏng Sổ cái chỉ cho giới hạn trên. Phản ứng có thể dừng sớm vì lý do động học: lớp oxide trên nhôm làm chậm lúc đầu, lớp muối ít tan bám trên chì chặn bề mặt. Khi đó cả hai kho đều còn mà khí đã ngừng.