Định luật bảo toàn nguyên tố là gì? Ứng dụng tiềm năng của nó trong công nghiệp

Định luật bảo toàn nguyên tố là gì?

Để giải quyết những bài toán hóa học lạ và khó, hay giải quyết nhanh những bài toán hóa học đơn giản, chúng ta cần áp dụng định luật bảo toàn nguyên tố. Phương pháp này được sử dụng chủ yếu để giải các bài toán có nhiều phản ứng hóa học xảy ra cùng lúc hoặc xảy ra theo nhiều giai đoạn.

Theo định luật bảo toàn nguyên tố, trong các phản ứng hóa học thông thường, các nguyên tố luôn được bảo toàn. Điều này có nghĩa là tổng số mol nguyên tử của một nguyên tố X bất kỳ trước và sau phản ứng luôn bằng nhau. Nếu mở rộng ra, tổng khối lượng các nguyên tố tạo thành hợp chất bằng khối lượng của hợp chất đó.

Phương pháp bảo toàn nguyên tố

Để áp dụng tốt phương pháp này, ta nên hạn chế viết phương trình phản ứng mà thay vào đó nên viết sơ đồ phản ứng (sơ đồ hợp thức, có chú ý hệ số), biểu diễn các biến đổi cơ bản của chất (nguyên tố) quan tâm. Nên quy về số mol nguyên tố (nguyên tử).

Các dạng bài thường gặp và phương pháp giải

1. Bài toán bảo toàn khối lượng:

Để giải bài toán này, ta cần áp dụng định luật bảo toàn khối lượng. Theo đó, khối lượng sản phẩm phản ứng luôn bằng khối lượng các chất tham gia phản ứng.

2. Bài toán bảo toàn nguyên tử:

Để giải bài toán này, ta cần áp dụng định luật bảo toàn nguyên tử. Theo đó, tổng số mol nguyên tử của một nguyên tố X bất kỳ trước và sau phản ứng luôn bằng nhau.

3. Bài toán bảo toàn điện tích:

Để giải bài toán này, ta cần áp dụng định luật bảo toàn điện tích. Theo đó,

Phương pháp giải các dạng bài oxit kim loại tác dụng với chất khử

Kiến thức cần nhớ

Các chất khử (CO, H₂, Al, C) lấy nguyên tử Oxi trong Oxit kim loại tạo thành sản phẩm khử theo các sơ đồ phản ứng sau:

• CO + O → CO₂
• H₂ + O → H₂O
• 2Al + 3O → Al₂O₃
• C + O → CO

Theo định luật bảo toàn khối lượng ta có:

Khối lượng oxit = khối lượng kim loại + khối lượng nguyên tử oxi

Nếu sản phẩm khử là chất khí như CO, CO₂, H₂ thì khối lượng chất rắn thu được giảm chính bằng khối lượng nguyên tử oxi đã tham gia phản ứng.

Kim loại tác dụng với dung dịch axit

Khi hỗn hợp kim loại tác dụng với dung dịch axit HCl hoặc H2SO4 loãng, sẽ tạo thành hỗn hợp muối và khí H2. Số mol khí H2 tạo ra sẽ cho biết số mol axit đã phản ứng. Từ đó, có thể tính được khối lượng muối tạo ra bằng công thức:

Công thức tính khối lượng muối tạo ra

mmuối = mkim loại + mgốc axit

Ví dụ:

Hòa tan hoàn toàn 3,22 gam hỗn hợp X gồm Fe, Mg và Zn bằng một dịch H2SO4 loãng, thu được 1,344 lít hiđro (ở đktc) và dung dịch chứa m gam muối. Tìm giá trị của m.

Đầu tiên, tính số mol hiđro:

Tính số mol hiđro

nH2 = V * (P / R) * (T / 273) = 1,344 * (1 / 0,0821) * (273 / 298) = 0,0569 mol

Theo định luật bảo toàn khối lượng, khối lượng hỗn hợp X ban đầu bằng khối lượng muối tạo ra sau phản ứng. Ta có thể tính khối lượng muối m bằng công thức:

Tính khối lượng muối

m = mmuối – mkim loại = (nH2SO4 – nFeSO4) * MFeSO4 = (0,016 – 0,004) * 151,9 = 1,014 (gam)

Vậy giá trị của m là 1,014 gam.

Đốt cháy hợp chất hữu cơ

Đề bài cho biết phản ứng cháy hoàn toàn hợp chất hữu cơ sẽ sinh ra sản phẩm CO2 và H2O theo phương trình C + O2 → CO2 và 4H + O2 → 2H2O. Để tính toán khối lượng chất hữu cơ bị đốt cháy, ta sử dụng các công thức tính khối lượng nguyên tử trung bình của C, H và N trong hợp chất hữu cơ.

Công thức tính khối lượng chất hữu cơ bị đốt cháy

Khối lượng chất hữu cơ = (số nguyên tử C trung bình * MC + số nguyên tử H trung bình * MH + số nguyên tử N trung bình * MN) / 1000

Trong đó:

• số nguyên tử C trung bình = số lượng CO2 sản xuất / số lượng O2 tiêu thụ
• số nguyên tử H trung bình = (số lượng H2O sản xuất / số lượng O2 tiêu thụ) * 2
• số nguyên tử N trung bình = số lượng N2 sản xuất / số lượng O2 tiêu thụ (trong trường hợp có chứa N)
• MC, MH, MN lần lượt là khối lượng nguyên tử trung bình của C, H, N (đơn vị: g/mol)

Ví dụ, để tìm CTPT của hiđrocacbon X trong bài toán đốt cháy hoàn toàn 1 lít hỗn hợp khí, ta áp dụng công thức trên để tính khối lượng chất hữu cơ bị đốt cháy. Sau đó, ta so sánh khối lượng này với khối lượng ban đầu của hỗn hợp khí để tính được số mol của X, từ đó tìm ra CTPT của X.

Định luật bảo toàn khối lượng khẳng định rằng trong một hệ thống kín, khối lượng tổng các chất tham gia phản ứng bằng khối lượng tổng các sản phẩm phản ứng. Ví dụ, trong phản ứng đốt cháy, khối lượng chất hữu cơ đốt cháy bằng tổng khối lượng CO2 và H2O sản xuất.

Bài tập vận dụng

Câu 1:

Dẫn từ từ V lít khí CO (ở đktc) đi qua một ống sứ đựng lượng dư hỗn hợp rắn gồm CuO, Fe₂O₃ (ở nhiệt độ cao). Sau khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn, thu được khí X. Dẫn toàn bộ khí X ở trên vào lượng dư dung dịch Ca(OH)₂ thì tạo thành 4 gam kết tủa. Giá trị của V là

Ta có sơ đồ phản ứng:

CO + CuO → Cu + CO₂

CO + Fe₂O₃ → 2FeO + CO₂

Ta tính khối lượng Oxit kim loại:

m_oxit = n_oxit x M_oxit

Ta tính khối lượng kim loại:

m_{kim loại} = m_oxit – m_Oxi

Trong đó:

• m_Oxi = n_Oxi x M_Oxi
• n_Oxi = V_CO x P / R / T

Giá trị của V được tính theo công thức:

V = (4 x M_k

Câu 2:

Dung dịch thu được khi tác dụng với NaOH dư

Đầu tiên, ta cần tách chất rắn bằng cách lọc kết tủa và nung trong không khí đến lượng không đổi. Sau đó, ta thu được chất rắn nặng m gam.

Theo phương trình phản ứng, ta biết rằng Fe tác dụng với HCl sẽ tạo thành FeCl2 và H2:

Fe + 2HCl → FeCl2 + H2

Từ đó, ta có thể tính được khối lượng Fe:

mFe = 0,05 x 56 = 2,8g

Từ khối lượng Fe, ta có thể tính được khối lượng FeO:

mFeO = 10 – 2,8 = 7,2g

Sử dụng công thức nFe = m/M để tính số mol của Fe và FeO:

nFe = 0,05/56 = 0,000893 mol

nFeO = 7,2/72 = 0,1 mol

Tổng số mol của Fe và FeO là:

nFe + nFeO = 0,000893 + 0,1 = 0,100893 mol

Do đó, số mol của Fe2O3 là:

nFe2O3 = 1/2 x (nFe + nFeO) = 0,0504465 mol

Sử dụng công thức m = nM để tính khối lượng của Fe2O3:

mFe2O3 = nFe2O3 x M = 0,0504465 x 160 = 8,07144g

Vậy, khối lượng của chất rắn thu được là 12 gam (Đáp án D).

Câu 3:

Phản ứng của kim loại với oxi và axit

Kim loại sẽ tác dụng với oxi để tạo thành oxit kim loại, và sau đó có thể cho oxit này tác dụng với dung dịch axit để tạo muối và nước. Ví dụ, trong trường hợp đốt cháy hỗn hợp bột kim loại Al, Fe, Cu, ta có thể biểu diễn phản ứng như sau:

Al + O2 → Al2O3

4Fe + 3O2 → 2Fe2O3

2Cu + O2 → 2CuO

Sau đó, ta có thể cho hỗn hợp 3 oxit Al2O3, Fe2O3 và CuO tác dụng với dung dịch HCl 2M để tạo muối và nước:

Al2O3 + 6HCl → 2AlCl3 + 3

Câu 4:

Tính thể tích dung dịch HCl cần dùng

Cho hỗn hợp ba oxit với khối lượng moxi là 5,96 gam và khối lượng kim loại là 4,04 gam. Ta tính được khối lượng oxit còn lại:

m_O = moxi – mkim loại = 5,96 – 4,04 = 1,92 gam

Từ đó suy ra số mol oxit:

n_O = 1.92/16 = 0.12 mol

Cho phản ứng:

2H⁺ + O^2- → H₂O

Thấy rằng mỗi mol oxit tạo ra nửa mol H₂, nên số mol H₂ tạo ra là:

0.12/2 = 0.06 mol

Vì dung dịch HCl là dư, nên số mol H⁺ dư sẽ là:

0.06 mol

Vậy thể tích dung dịch HCl cần dùng:

V_HCl = n_HCl x V_m = 0.06 x 2 = 0.12 lít (đáp án C)

Nguồn tham khảo: https://vi.wikipedia.org/wiki/%C4%90%E1%BB%8Bnh_lu%E1%BA%ADt_b%E1%BA%A3o_to%C3%A0n_kh%E1%BB%91i_l%C6%B0%E1%BB%A3ng