Chuyên đề Phương pháp áp dụng bảo toàn nguyên tố

PHƯƠNG PHÁP ÁP DỤNG BẢO TOÀN NGUYÊN TỐ
2.1. Nguyên tắc: 
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 bất kì trước và sau phản ứng luôn bằng nhau”.
Phương pháp này thường áp dụng cho các bài toán xảy ra nhiều phản ứng và để giải nhanh ta chỉ cần thiết lập sơ đồ mối quan hệ giữa các chất.
2.2. Ví dụ minh họa:
Ví dụ 1: Khử hoàn toàn 20,6 gam hỗn hợp gồm Fe, FeO, Fe2O3 cần dùng 2,24 lít khí CO (đktc). Khối lượng sắt m thu được sau phản ứng là:
A. 18g B. 19g C. 19,5g D. 20g
 Giải:
FeO + CO = Fe + CO2
Fe2O3 +3CO =2Fe + 3CO2
Theo bài: CO lấy oxi của oxit tạo thành CO2
Theo định luật bảo toàn nguyên tố:nO của oxit= nCO = 0,1 (mol)
→ mO của oxit = 0,1 . 16 = 1,6 (gam)
→ Khối lượng sắt thu được sau phản ứng là: 20,6 – 1,6 = 19 (gam)
Đáp án B.
Ví dụ 2: Khử hết m gam Fe3O4 bằng CO thu được hỗn hợp A gồm FeO và Fe. A tan vừa đủ trong 0,3 lít dung dịch H2SO4 1M. Giá trị của m là:
A. 23,2 gam. B. 46,4 gam. C. 11,2 gam. D. 16,04 gam.
Giải:
Fe3O4 → (FeO, Fe) → 3 Fe2+ 
n mol 3n
Áp dụng định luật bảo toàn nguyên tố, ta có:
 nFe trong Fe3O4 = nFe trong FeSO4 = nSO4 2- = nH2SO4 = 0,3 . 1 = 0,3
→ 3 n = 0,3 .1 → n = 0,1 → mFe3O4 = 23,2 gam.
Đáp án A.
Ví dụ 3: Khử hoàn toàn 24 gam hỗn hợp CuO và FexOy bằng H2 dư ở nhiệt độ cao thu được 17,6 gam hỗn hợp kim loại. Khối lượng H2O tạo thành là: 
1,8gam. B. 5,4 gam. C.7,2gam. D. 3,6gam.
Giải:
CuO + H2 = Cu + H2O 
FexOy + H2 = x Fe + y H2O
Áp dụng định luật bảo toàn nguyên tố :
nO trong H2O = nO trong oxit
 = (moxit - mkim loại) : 16 = (24 – 17,6) : 16 = 0,4 (mol)
 = nH2O
 Vậy mH2O = 0,4 . 18 = 7,2 gam
Đáp án C.
Ví dụ 4: Hỗn hợp rắn A gồm 0,1 mol Fe2O3 và 0,1 mol Fe3O4. Hòa tan hoàn toàn A bằng dung dịch HCl dư được dung dịch B. Cho dung dịch NaOH dư vào B được kết tủa C. Lọc lấy kết tủa C, rửa sạch rồi nung trong không khí đến khối lượng không đổi được m gam chất rắn D. Tính m:
A. 40 gam. B. 39 gam. C. 39,8 gam. D. 35 gam.
Giải:
 Các phương trình phản ứng xảy ra:
Fe2O3 + 6 HCl → 2 FeCl3 + 3 H2O
Fe3O4 + 8 HCl → FeCl2 + 2FeCl3 + 4H2O
FeCl2 + 2NaOH → Fe(OH)2 + 2NaCl
FeCl3 + 3NaOH → Fe(OH)3 + 3NaCl
4Fe(OH)2 + O2 + 2 H2O → 4Fe(OH)3 
2 Fe(OH)3 → Fe2O3 + 3H2O
Fe2O3 (0,1 mol) và Fe3O4 (0,1 mol) → chất rắn D là Fe2O3 (a mol)
Bảo toàn nguyên tố Fe ta có:
0,1 . 2 + 0,1 . 3 = a . 2 
→ a = 0,25 → m = 40 gam.
Đáp án A.
Ví dụ 5: Cho 11,2 gam Fe và 2,4 gam Mg tác dụng hết với dung dịch H2SO4 loãng dư sau phản ứng thu được dung dịch A và V lít khí H2 (đktc). Cho dung dịch NaOH dư vào dung dịch A thu được kết tủa B. Lọc B nung trong không khí đến khối lượng không đổi được m gam chất rắn. m có giá trị
A. 18 gam B. 20 gam. C. 24 gam. D. 36 gam.
Giải:
Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2
Mg + H2SO4 → MgSO4 + H2
Dung dịch A: FeSO4 và MgSO4
FeSO4 +2NaOH → Fe(OH)2 ↓+ Na2SO4
MgSO4 + 2NaOH → Mg(OH)2 ↓+ Na2SO4
4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3 ↓
2Fe(OH)3 → Fe2O3 + 3H2O
Mg(OH)2 → MgO + H2O
Từ các phương trình phản ứng trên, ta có:
2 Fe → Fe2O3
0,2 mol 0,1 mol
Mg → MgO
0,1 mol 0,1 mol
Áp dụng định luật bảo toàn nguyên tố Fe và Mg ta có:
M = 0,1 . 160 + 0, 1 . 40 = 20 (gam)
Đáp án B.
Ví dụ 6: 7,68 gam hỗn hợp gồm FeO, Fe3O4 và Fe2O3 tác dụng vừa đủ với 260 ml dung dịch HCl 1M thu được dung dịch X. Cho X tác dụng với dung dịch NaOH dư, lọc lấy kết tủa đem nung trong không khí đến khối lượng không đổi được m gam chất rắn. m có giá trị là:
A. 7 gam B. 7,5 gam C. 8 gam. D. 9 gam
Giải:
7,65 gam hỗn hợp FeO, Fe3O4, Fe2O3→ m gam chất rắn Fe2O3 (a mol)
Áp dụng định luật bảo toàn nguyên tố Fe, ta có:
nFe trong oxit = nFe trong Fe2O3
→ nFe trong oxit = (7,68 – 0,13 . 16) : 56 = 0,1 (mol)
→ nFe trong Fe2O3 = 0,1 mol = 2 a
Vậy a = 0,05 mol → m = 0,05 . 160 = 8 (gam)
Đáp án C.
Ví dụ 7: Đốt cháy hoàn toàn 4,04 gam một hỗn hợp bột kim loại gồm Al, Fe, Cu trong không khí thu được thu được 5,96 gam hỗn hợp 3 oxit. Hòa tan hết hỗn hợp 3 oxit bằng dung dịch HCl 2M thì phải dùng bao nhiêu lít?
A. 0,5 lít. B. 0,7 lít. C. 0,12 lít. D. 1 lít
Giải: 
M + O2 → MxOy + HCl → muối + H2O
Theo phản ứng MxOy + 2y HCl → MxCl2y + y H2O
Nhận thấy nO trong oxit = 1/2 nHCl 
Mà nO trong oxit = (5,96 – 4,04) : 16 = 0,12
→ nHCl = 0,24 
→ Vdd HCl = 0,24 : 2 = 0,12 (lit)
Đáp án C.
Ví dụ 8: 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 lít. B. 11,2 lít. C. 6,72 lít. D. 4,48 lít
Giải:
Phân tử cacboxylic đơn chức có 2 nguyên tử O nên có thể đặt CTPT của axit là RO2.
Định luật bảo toàn nguyên tố O:
nO trong RO2 + nO trong O2 = nO trong CO2 + nO trong H2O 
→ 0,1 . 3 + nO trong O2 = 0,3 .2 + 0,2 . 1
→ nO trong O2 = 0,6 mol
Vậy nO2 = 0,6 : 2 = 0,3 (mol)
V = 0,3 . 22,4 = 6,72 (lít)
Đáp án C.
Ví dụ 9: Tiến hành crackinh ở nhiệt độ cao 5,8 gam C4H10. sau một thời gian thu được hỗn hợp khí X gồm CH4, C2H6, C2H4, C3H6 và C4H10. Đốt cháy hoàn toàn X trong khí oxi dư, rồi dẫn toàn bộ sản phẩm sinh ra qua bình đựng H2SO4 đặc. Tính độ tăng khối lượng của bình H2SO4 đặc:
A. 10 gam. B. 15 gam. C. 7 gam D. 9 gam.
Giải: 
Sơ đồ : 0,1 mol C4H10 → hỗn hợp X → CO2 + a mol H2O
Bảo toàn nguyên tố H: nH trong C4H10 = nH trong H2O
→ 0,1 . 10 = a . 2 
→ a = 0,5 (mol)
Vậy khối lượng của bình H2SO4 tăng lên = mH2O = 0,5 . 18 = 9 (gam)
Đáp án D.
Ví dụ 10: Cho m gam một ancol no đơn chức X qua bình đựng CuO (dư) nung nóng. Sau khi phản ứng hoàn toàn, khối lượng chất rắn trong bình giảm 0,32 gam. Hỗn hợp hơi thu được có tỉ khối đối với hidro là 15,5. Giá trị của m là:
0,92 gam. B. 0,32 gam. C. 0,64 gam. D. 0,46 gam.
Giải:
CnH2n+1CH2OH + CuO → CnH2n+1CHO + Cu + H2O
Theo định luật bảo toàn nguyên tố: Ta có khối lượng chất rắn trong bình phản ứng giảm chính là số gam nguyên tử O trong phản ứng.
Do đó: mO = 0,32 gam → nO = 032 : 16 = 0,02 (mol).
→ nCuO = 0,02 mol
Vậy hỗn hợp hơi gồm CnH2n+1CHO (0,2 mol) và H2O (0,02 mol)
→ mhh hơi = (15,5 . 2) : ( 0,02 + 0,02) = 1,24 (gam)
Theo định luật bảo toàn khối lượng: 
m = mhh hơi + mCu - mCuO
 = 1,24 – 0,32 = 0,92 (gam)
Đáp án A.