Axit sunfuric

Để pha loãng dung dịch H₂SO₄ đặc, người ta rót từ từ dung dịch H₂SO₄ đặc vào nước, khuấy đều.

Dãy kim loại phản ứng được với dung dịch H₂SO₄ loãng là K, Mg, Fe, Zn.

Loại A vì Cu không phản ứng

Loại C vì Ag không phản ứng

Loại D vì Au và Pt không phản ứng

Cặp kim loại thụ động trong H₂SO₄ đặc, nguội là Al và Fe

Dung dịch H₂SO₄ loãng tác dụng được với kim loại hoạt động (đứng trước H trong dãy điện hóa).

Mg, Al, Fe đứng trước H trong dãy điện hóa → A, B, C sai

Cu đứng sau H trong dãy điện hóa → D đúng

2FeS + 10H₂SO₄ → Fe₂(SO₄)₃ + 9SO₂ + 10H₂O

2FeCO₃ + 4H₂SO₄ → Fe₂(SO₄)₃ + SO₂ + 2CO₂ + 4H₂O

=> hỗn hợp A gồm SO₂ và CO₂

Dung dịch H₂SO₄ loãng phản ứng được với BaCl₂, Na₂CO₃, FeS.

BaCl₂ + Na₂CO₃ → BaCO₃ + 2NaCl

Na₂CO₃ + H₂SO₄  → Na₂SO₄ + H₂O + CO₂

FeS + H₂SO₄  → FeSO₄ + H₂S

Loại A vì Ag không phản ứng

Loại B vì NaCl không phản ứng

Loại C vì Cu không phản ứng

${n_{Mg}} = \,\,\frac{{7,2}}{{24}}\,\, = \,\,0,3\,\,mol$

Xét quá trình cho – nhận e:

$Mg\,\,\, \to \,\,\,\mathop {Mg}\limits^{ + 2} \,\, + \,\,2e\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\mathop S\limits^{ + 6} \,\, + \,\,8e\,\,\, \to \,\,\mathop {\,S}\limits^{ - 2} $

0,3            →            0,6 mol                      0,6 → 0,075 mol

→ ${n_{{H_2}S}}$ = 0,075 mol → V = 0,075.22,4 = 1,68 (L)

Áp dụng định luật bảo toàn nguyên tố với S:

${n_{{H_2}S{O_4}}} = \,\,{n_{Mg{\text{S}}{O_4}}} + \,\,{n_{{H_2}S}}$ = 0,3 + 0,075 = 0,375 mol

→${m_{{H_2}S{O_4}}}$ _{phản ứng}  = 0,375.98 = 36,75 gam

$\left\{ \begin{gathered}Al \hfill \\F{\text{e}} \hfill \\ \end{gathered} \right. + {H_2}S{O_4} \to \left\{ \begin{gathered}A{l_2}{(S{O_4})_3} \hfill \\F{\text{e}}S{O_4} \hfill \\ \end{gathered} \right.$$\xrightarrow{{ + Ba{{(OH)}_2}dư}}$$ \downarrow Y:BaS{O_4},F{\text{e}}{(OH)_2}$$\xrightarrow{{kk,{t^o}}}Z:BaS{O_4},F{{\text{e}}_2}{O_3}$

+) Quy đổi hỗn hợp A gồm Fe, Cu và O với số mol lần lượt là x, y, z mol

→ m_{hỗn hợp A} = 56x + 64y + 16z = 50,4  (1)

${n_{S{O_2}}} = \,\,\frac{{7,84}}{{22,4}}\,\, = \,\,0,35\,\,mol$

Xét quá trình cho – nhận e:

$Fe\,\,\,\, \to \,\,\,\,\mathop {Fe}\limits^{ + 3} \,\,\, + \,\,\,3e\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\mathop S\limits^{ + 6} \,\, + \,\,2e\,\,\, \to \,\,\,\,\mathop S\limits^{ + 4} $

$x\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\, \to \,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,3x\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,0,7\,\, \leftarrow \,0,35$

$Cu\,\,\,\, \to \,\,\,\,\mathop {Cu}\limits^{ + 2} \,\,\, + \,\,\,2e\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\mathop O\limits^0 \,\,\,\, + \,\,\,2e\,\,\, \to \,\,\mathop {\,O}\limits^{ - 2} $

$y\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\, \to \,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,2y\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,z\,\,\, \to \,\,\,2z$

+) Áp dụng định luật bảo toàn e: 3x + 2y - 2z = 0,7  (2)

+) 132 gam muối sunfat gồm Fe₂(SO₄)₃ $\frac{x}{2}$ mol và CuSO₄ y mol  → 400.$\frac{x}{2}$ + 160y = 132  (3)

Từ (1), (2) và (3) → x = 0,5; y = 0,2; z = 0,6

Khử hỗn hợp A bằng CO có phản ứng:

CO     +     [O]  →    CO₂

 0,6   ←   0,6 mol

→ V_CO = 0,6.22,4 = 13,44 (L) 

Đổi 1 mol O^2- lấy 1 mol SO₄^2- khối lượng tăng = 96 – 16 = 80 gam

=> 0,03 mol O^2- lấy 0,03 mol SO₄^2- khối lượng tăng = 0,03.80 = 2,4 gam

=> m_muối = 2,81 + 2,4 = 5,21 gam

${n_{HCl}} = 0,2.0,2 = 0,4\,mol;\,{n_{{H_2}S{O_4}}} = 0,2.0,1 = 0,02\,mol$

Fe    +  2HCl  →  FeCl₂  + H₂

0,02 ← 0,04        →          0,02

Fe    +   H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂

0,02 ← 0,02        →           0,02

→ ${n_{{H_2}}} = 0,02 + 0,02 = 0,04\,\to \,{V_{{H_2}}} = 0,04.22,4 = 0,896$  lít

n_H2SO4 = 0,05.18 = 0,9 mol; n_Fe(OH)3 = 21,4 : 107 = 0,2 mol

Quy đổi hỗn hợp ban đầu thành Fe (x mol) và O (y mol)

m_X = 56x + 16y = 19,2 (1)

BTe: 3n_Fe = 2n_O + 2n_SO2 => 3x = 2y + 2n_SO2 => n_SO2 = 1,5x - y (mol)

BTNT "Fe": n_Fe2(SO4)3 = 0,5n_Fe = 0,5x (mol)

Khi cho NaOH phản ứng với dd Y:

- Nếu NaOH hết: n_NaOH = n_H+ + 3n_Fe3+ = 2.n_{HS2O4 dư} + 3n_Fe(OH)3

=> 0,9 = 2.n_{H2SO4 dư} + 3.0,2 => n_{H2SO4 dư} = 0,15 mol => n_{H2SO4 pư} = 0,9 - 0,15 = 0,75 mol

BTNT "S": n_{H2SO4 pư} = 3n_Fe2(SO4)3 + n_SO2 => 0,75 = 3.0,5x + 1,5x - y (2)

Giải hệ (1) và (2) được x = 0,3 và y = 0,15

=> n_SO2 = 1,5x - y = 0,3 mol => V = 6,72 lít

- Nếu NaOH dư: HS tự xét

*Phần 1: Hòa tan 1 phần hỗn hợp vào HCl dư

Đặt n_H2 = a và n_CO2 = b (mol)

+ n _khí = a + b = 0,1 (1)

+ m _khí = n _khí.M _khí => 2a + 44b = 0,1.4,7.4 (2)

Giải hệ thu được a = 0,06 và b = 0,04

Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂

Fe₃O₄ + 8HCl → FeCl₂ + 2FeCl₃ + 4H₂O

Fe(OH)₃ + 3HCl → FeCl₃ + 3H₂O

FeCO₃ + 2HCl → FeCl₂ + CO₂ + H₂O

=> n_Fe = n_H2 = 0,06 mol; n_FeCO3 = n_CO2 = 0,04 mol

*Phần 2: Hòa tan 1 phần vào dung dịch H₂SO₄ đặc dư

n_SO2 = n _khí - n_CO2 = 0,2075 - 0,04 = 0,1675 mol

Quá trình cho và nhận e:

Fe⁰ → Fe⁺³ + 3e                                                                S⁺⁶ + 2e → S⁺⁴

3Fe^+8/3 → 3Fe⁺³ + 1e

Fe⁺² → Fe⁺³ + 1e

Áp dụng định luật bảo toàn electron:

3n_Fe + n_Fe3O4 + n_FeCO3 = 2n_SO2 => 3.0,06 + n_Fe3O4 + 0,04 = 2.0,1675

=> n_Fe3O4 = 0,115 mol

Như vậy, dựa theo các PTHH ở phần 1 ta có:

n_FeCl2 = n_Fe + n_Fe3O4 + n_FeCO3 = 0,06 + 0,115 + 0,04 = 0,215 mol

=> m_FeCl2 = 0,215.127 = 27,305 gam

PTHH

BaCl₂ + H₂SO₄ → BaSO₄ ↓ + 2HCl                  (1)

BaCO₃ + H₂SO₄ → BaSO₄ ↓ + CO₂ + H₂O      (2)

${n_{BaS{O_4}}} = \frac{m}{M} = \frac{{58,25}}{{233}} = 0,25\,\,mol$

Từ (1) và (2) ta thấy: ${n_{{H_2}S{O_4}}} = {n_{BaS{O_4}}} = 0,25\,\,mol$ → ${m_{{H_2}S{O_4}}} = n.M = 0,25.98 = 24,5\,\,g$  

$C\% = \frac{{{m_{ct}}}}{{{m_{{\text{dd}}}}}}.100\% $ → $m = \frac{{{m_{{H_2}S{O_4}}}.100\% }}{{C\% }} = \frac{{24,5.100\% }}{{4,9\% }} = 500\,\,g$ 

Tóm tắt bài toán:

\(20,8\,(g)\,A\left\{ \begin{array}{l}Cu\\CuO\end{array} \right. + 73,5\,g\,dd\,\underbrace {{H_2}S{O_4}}_{0,6\,(mol)} \to \left\langle \begin{array}{l}S{O_2}:\\\left. {X\left\{ \begin{array}{l}CuS{O_4}:\\{H_2}S{O_4}\,du\end{array} \right.} \right\} + \underbrace {NaOH}_{0,9\,(mol)} \to \left\{ \begin{array}{l} \downarrow Cu{(OH)_2}\\60,8\,(g)\,Z\left\{ \begin{array}{l}N{a_2}S{O_4}:a\,(mol)\\NaOH\,du:\,b(mol)\end{array} \right.\end{array} \right.\end{array} \right.\)

Đặt trong Z số mol Na₂SO₄ và NaOH dư lần lượt là a và b (mol)

Ta có hệ phương trình: \(\left\{ \begin{array}{l}{m_{N{a_2}S{O_4}}} + {m_{NaOH\,du}} = {m_Z}\\BT:Na =  > 2{n_{N{a_2}S{O_4}}} + {n_{NaOHdu}} = {n_{NaOH\,bd}}\end{array} \right. \Rightarrow \left\{ \begin{array}{l}142a + 40b = 60,8\\2a + b = 0,9\end{array} \right. \Rightarrow \left\{ \begin{array}{l}a = 0,4\\b = 0,1\end{array} \right.\)

BTNT “S”: n_H2SO4 bđ = n_SO2 + n_Na2SO4

⟹ 0,6 = n_SO2 + 0,4

⟹ n_SO2 = 0,6 – 0,4 = 0,2 (mol)

BT e ta có: n_Cu = n_SO2 = 0,2 (mol) (Do Cu từ số oxh 0 lên +2, còn S từ số oxi hóa +6 xuống +4)

⟹ m_Cu = 0,2.64 = 12,8 (g)

⟹ m_CuO = m_A – m_Cu = 20,8 – 12,8 = 8 (g)

⟹ n_CuO = m_CuO : M_CuO = 8 : 80 = 0,1 (mol)

BTNT “Cu”: n_CuSO4 = n_Cu + n_CuO = 0,2 + 0,1 = 0,3 (mol)

⟹ m_CuSO4 = n_CuSO4×M_CuSO4 = 0,3×160 = 48 (g)

Ta có: m_A + m_{dd H2SO4} = m_{dd X} + m_SO2

⟹ m_dd X = m_A + m_{dd H2SO4} - m_SO2 = 20,8 + 73,5 – 0,2.64 = 81,5 (g)

Phần trăm khối lượng CuSO₄ có trong dd X là:

\(C\%  = \frac{{{m_{CuS{O_4}}}}}{{{m_{dd\,X}}}}.100\%  = \frac{{48}}{{81,5}}.100\%  = 58,90\% \)

Đặt số mol Fe = a (mol); FeO = b (mol)

Cho hh X tác dụng với HCl dư chỉ có Fe tạo ra khí H₂

BT e: 2n_Fe = 2n_H2 ⟹ n_Fe = n_H2 = 0,3 (mol) ⟹ a = 0,3 (mol)

Cho hh X tác dụng với H₂SO₄ đặc, nóng dư cả Fe và FeO cùng tạo khí

n_SO2(đktc) = 11,2/22,4 = 0,5 (mol)

quá trình nhường e

Fe⁰ → Fe⁺³ + 3e

Fe⁺² (FeO) →Fe⁺³ + 1e

quá trình nhận e

S⁺⁶ + 2e → S⁺⁴ (SO₂)

bảo toàn e ta có: n_{e nhường} = n_{e nhận}

⟹ 3n_Fe + n_FeO = 2n_SO2

⟹ 3a + b = 2.0,5

Thay a = 0,3 vào ⟹ 3.0,3 + b = 2.0,5 ⟹ b = 0,1 (mol)

Vậy hh X gồm: Fe: 0,3 (mol) và FeO: 0,1 (mol)

⟹ m = m­_Fe + m_FeO = 0,3.56 + 0,1.72 = 24 (g)

BTNT “Fe”: n_Fe2(SO4)3 = 1/2(n_Fe + n_FeO) = 1/2.(0,3 + 0,1) = 0,2 (mol)

n_H2SO4 pư = n_{SO42-(muối)} + n_SO2 = 3.0,2 + 0,5 = 1,1 (mol) ⟹ m_H2SO4 = 1,1.98 = 107,8 (g)

n_SO2(đktc) = 6,72/22,4 = 0,3 (mol); n_S = 5,76/32 = 0,18 (mol)

Đặt số mol Fe = a (mol) và M = b (mol)

BTNT “Fe”: n_Fe2(SO4)3 = 1/2 n_Fe = 0,5a (mol)

BTNT “M”: n_MSO4 = n_M = b (mol)

Xét hh X tác dụng với H₂SO₄ đặc, nóng

Hệ phương trình: \(\left\{ \begin{array}{l}BTe:3{n_{Fe}} + 2{n_M} = 2{n_{S{O_2}}} + 6{n_S}\\m\,muoi:{m_{F{e_2}{{(SO4)}_3}}} + {m_{MS{O_4}}} = {m_{\,muoi}}\end{array} \right. \Rightarrow \left\{ \begin{array}{l}3a + 2b = 2.03 + 6.0,18\\400.0,5a + (M + 96)b = 105,6\end{array} \right. \Rightarrow \left\{ \begin{array}{l}3a + 2b = 1,68\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,(1)\\200a + (M + 96)b = 105,6\,\,(2)\end{array} \right.\)

Xét hh tác dụng với HCl dư; n_H2(đktc) = 16,128/22,4 = 0,72 (mol)

TH₁: Chỉ có Fe tác dụng, M đứng sau H trong dãy điện hóa học nên không phản ứng

BTe ta có: 2n_Fe = 2n_H2 ⟹ n_Fe = n_H2 = 0,72 (mol) ⟹ a = 0,72 (mol) ⟹ thay a vào (1) ⟹ b = -0,24 ⟹ loại

TH₂: Cả Fe và M cùng tác dụng với dd HCl

BT e ta có: 2n_Fe + 2n_M = 2n_H2

⟹ a + b = 0,72 (3)

giải hệ (2) và (3) ta được a = 0,24 và b = 0,48

Thay a, b vào (2) ta có: 200.0,24 + (M+96).0,48 = 105,6 ⟹ M = 24 (g/mol)

Vậy M là Mg

Giả sử số mol của H₂SO₄ = 1 (mol) => khối lượng dung dịch HCl = 98 :0,2 = 490 gam

X phản ứng vừa đủ với 1 mol H₂SO₄ sinh ra 1 mol H₂

Đặt số mol Zn = x (mol) và số mol Mg = y (mol)

→ ∑ khối lượng kim loại = 65x + 24y

Bảo toàn electron ta có: 2x + 2y = 2n_H2 = 2 (I)

Khối lượng dung dịch sau phản ứng là:

m_{dd sau} = m_{hh X} + m_{dd H2SO4} - m_H2

=> m_{dd sau} = 65x + 24y + 490 - 1.2 = 488 + 65x + 24y

Nồng độ phần trăm của MgSO₄ là:

\(C\% MgS{O_4} = \frac{{{m_{MgS{O_4}}}}}{{{m_{ddsau}}}}.100\%  = \frac{{y(24 + 96)}}{{488 + 65x + 24y}}.100\%  = 15,22\% (II)\)

Giải hệ (I) và (II) => x = 0,333 và y = 0,667

\( \Rightarrow C\% ZnS{O_4} = {{0,333.(65 + 96)} \over {488 + 65.0,333 + 24.0,667}}.100\%  = 10,2\% \) 

\({n_{S{O_2}(dktc)}} = \frac{{13,44}}{{22,4}} = 0,6\,(mol)\)

PTHH: 2Al + 6H₂SO₄ đặc, nóng → Al₂(SO₄)₃ + 3SO₂↑ + 6H₂O

Theo PTHH: \({n_{Al}} = \frac{2}{3}{n_{S{O_2}}} = \frac{2}{3}.0,6\, = 0,4(mol) \Rightarrow {m_{Al}} = 0,4.27 = 10,8\,(g)\)

Cách 2: Bảo toàn e ta có: n_e (Al nhường) = n_e (S⁺⁶ nhận)

→ 3n_Al = 2n_SO2 → n_Al = 2. 0,6 : 3 = 0,4 (mol)

→ m_Al = 0,4. 27 = 10,8 (g)