Chuyên đề Phương pháp ion-Electron

PHƯƠNG PHÁP ION-ELECTRON:
 Áp dụng giải các bài toán phản ứng oxi hóa –khử có môi trường ;cân bằng các phản ứng oxi hóa –khử có môi trường phức tạp; tính lượng môi trường H+ tham gia phản ứng và ngược lại ; biết lượng sản phẩm khử,tính lượng H+. Chỉ áp dụng cho dạng toán kim loại hoặc hỗn hợp các kim loại tác dụng với axit có tính oxi hóa mạnh H2SO4 đặc , HNO3 là tối ưu nhất .
 Nếu học sinh không biết phương pháp ion-electron này mà sử dụng phương pháp khác để giải những bài toán hóa dạng trên , sẽ mất thời gian và có thể không tìm ra kết quả của bài toán .
 Đối với bài toán oxit kim loại hoặc hỗn hợp oxit kim loại tác dụng với axit theo phản ứng oxi hóa khử , khi sử dụng phương pháp ion – electron thì ngoài số mol H+ tính theo bán phản ứng ion – electron còn có số mol H+ lấy oxi của oxit để tạo H2O .
*PHƯƠNG PHÁP: 
 Cân bằng theo phương pháp ion-electron áp dụng cho các phản ứng oxi hóa – khử xẩy ra trong dung dịch có sự tham gia của môi trường : axit , bazơ , nước . Khi cân bằng cũng sử dụng theo 4 bước như phương pháp thăng bằng electron nhưng chất oxi hóa , chất khử được viết đúng dạng mà nó tồn tại trong dung dịch theo nguyên tắc sau :
1. Nếu phản ứng có axit tham gia : 
+ Vế nào thiếu bao nhiêu O thêm bấy nhiêu H2O để tạo ra H+ ở vế kia và ngược lại .
 Ví dụ : NO3- NO 
 Vế phải thiếu 2 O , thêm vế phải 2H2O để tạo vế trái 4 H+ sau đó cân bằng điện tích của bán phản ứng . NO3- + 4H+ + 3e NO +2H2O
2. Nếu phản ứng có bazơ tham gia :
+ Vế nào thiếu bao nhiêu O thêm lượng OH- gấp đôi để tạo H2O ở vế kia và ngược lại .
 Ví dụ : Cr2O3 2CrO42-
Vế trái thiếu 5 O thêm vế trái 10 OH- để tạo 5H2O ở vế phải , sau đó cân bằng điện tích bán phản ứng . Cr2O3 +10 OH- 2CrO42- + 5H2O + 6e
Ngoài ra học sinh cần phải linh hoạt trong các trường hợp ngoài lệ .
3. Nếu phản ứng có H2O tham gia : * Sản phẩm phản ứng tạo ra axit , theo nguyên tắc 1.
 * Sản phẩm phản ứng tạo ra bazơ , theo nguyên tắc 2. 
 MnO4- + 2H2O +3e MnO2 + 4OH- 
***Chú ý sự thay đổi số oxi hóa của một số chất theo môi trường :
 Trong môi trường bazơ : tạo K2MnO4 
KMnO4 Trong môi trường trung tính và kiềm yếu : tạo MnO2 , KOH
 Trong môi trường axit :tạo Mn2+
* BÀI TẬP VẬN DỤNG:
Dạng 1 : Cân bằng phản ứng oxi hóa khử có môi trường.
 1.Bổ túc và cân bằng các phản ứng sau theo phương pháp ion-electron :
a. FeSO4+KMnO4 +H2SO4 ... +  +  + 
b. SO2 + KMnO4 + H2O ... +  + 
c. CH2=CH2 + KMnO4 +H2O HOCH2-CH2OH +  + 
d. Cu + NaNO3 +HCl 
e. FeS + HNO3đ 
Bài làm:
a.Ta có : FeSO4+KMnO4 +H2SO4 Fe2(SO4)3 + MnSO4 +K2SO4 +H2O 
 2Fe2+ 2Fe3+ + 2e x 5
 MnO4- + 8H+ + 5e Mn2+ + 4H2O x 2 
10FeSO4+2KMnO4 +8H2SO4 5Fe2(SO4)3 +2MnSO4 +K2SO4 +8H2O
 b. Ta có : SO2 + KMnO4 +H2O K2SO4 +MnSO4 +H2SO4
 SO2 + 2H2O SO42- + 4H+ +2e x 5
 MnO4- +8H+ +5e Mn2+ + 4H2O x 2
 ____________________________________
 5SO2 + 2MnO42- +2H2O 5SO42- + 4H+ +2Mn2+
 5SO2 + 2KMnO4 +2H2O K2SO4 +2MnSO4 +2H2SO4
c. Ta có: CH2=CH2 + KMnO4 +H2O HOCH2-CH2OH + MnO2 + KOH
 MnO4- + 2H2O +3e MnO2 + 4OH- x 2
 CH2=CH2 + 2OH- HOCH2-CH2OH +2e x 3
 3 CH2=CH2 + 2KMnO4 +4H2O 3HOCH2-CH2OH + 2MnO2 + 2KOH
d. Cu + NaNO3 +HCl Cu2+ + NO +  
 Cu Cu2+ +2e x 3
 NO3- +4H+ +3e NO+ 2H2O x 2 
 ___________________________________
 3Cu + 8H+ + 2NO3- 3Cu2+ + 2NO + 4H2O
Có 2 phương trình phân tử phù hợp :
 3Cu + 8NaNO3 + 8HCl 3Cu(NO3)2 + 8NaCl + 2NO + 4H2O 
 3Cu + 2NaNO3 + 8HCl 3CuCl2 + 2NaCl + 2NO + 4H2O
e. . FeS + HNO3đ 
 FeS +4H2O Fe3+ + SO42- + 8H+ + 9e x 1
 NO3- +2H+ +1e NO2+ H2O x 9 
 ___________________________________
FeS + 9NO3- + 10H+ Fe3+ + SO42- + 9NO2 + 5H2O ; Có 2 phương trình phân tử phù hợp :
 FeS + 12HNO3đ Fe(NO3)3 + H2SO4 + 9NO2 + 5H2O
 3FeS + 30HNO3đ Fe(NO3)3 + Fe2(SO4)3+ 27NO2 + 15H2O
Dạng 2 : Kim loại hoặc hỗn hợp kim loại tác dụng với axit có tính oxi hóa 
2. Hỗn hợp A gồm nhiều kim loại chưa biết hóa trị hòa tan vừa vặn trong 800ml dung dịch HNO3 sinh ra hỗn hợp gồm 0,2 mol N2 + 0,1 mol NO .Tính nồng độ CM của dung dịch HNO3 đã dùng ?
A. 1,5M B. 2,5M C.3,5M D.4,5M
Bài làm:
Ta có : 2NO3- +12H+ +10e N2 + 6H2O (1)
 2,4 0,2 mol
 NO3- +4H+ +3e NO+ 2H2O (2)
 0,4 0,1 mol
Từ (1), (2) n HNO3 = nH+ = 2,4 +0,4 = 2,8 mol ; [HNO3] = 2,8 : 0,8 = 3,5M Chọn 2C
3. Cho m gam hỗn hợp X gồm Fe , Al , Mg tác dụng với dung dịch HCl dư thu được 6,72 lit hiđro ở (đktc) . Tính thể tích dung dịch HNO3 2M đã dùng để hòa tan hết cũng m gam hỗn hợp X trên ? Biết lượng HNO3 đã dùng dư 20% so với lượng cần thiết và NO là sản phẩm khử duy nhất .
Bài làm:
 Vì cũng m gam hỗn hợp X tác dụng với dung dịch HCl dư hoặc dung dịch HNO3 dư nên tổng số mol electron nhận trong 2 trường hợp này phải bằng nhau . 
 Ta có : 2H+ +2e H2 (1)
 mol 0,6 6,72/22,4 
 NO3- + 4H+ + 3e NO + 2H2O (2)
 mol 0.8 0,6 
Từ (1), (2) suy ra số mol H+=số mol HNO3 phản ứng = 0,8 mol 
Vì lượng HNO3 đã dùng dư 20% so với lượng cần thiết nên :
 Số mol HNO3 đã dùng =0,8 + 20%.0,8 = 0,96 mol 
 V dd HNO3 = 0,96 : 2 = 0,48 lit 
Dạng 3 : Oxit kim loại hoặc hỗn hợp oxit kim loại tác dụng với axit theo phản ứng oxi hóa khử .
 4. Hòa tan m gam hỗn hợp Y gồm FeO , Fe2O3 , Fe3O4 
(với nFeO : n Fe2O3 = 1 : 1 ) cần 200ml dung dịch HNO3 1,5M thu được x lit khí NO (đktc) là sản phẩm khử duy nhất . Giá trị của m,x lần lượt là :
A. 7,46 gam ; 0,24 lit B. 52,2gam ; 1,68 lit C. 52gam ; 0.07 lit D. 51,2gam ; 1,68 lit
Bài làm:
Vì hỗn hợp Y gồm FeO , Fe2O3 , Fe3O4 có tỉ lệ mol FeO và Fe2O3 là 1:1 , nên ta xem hỗn hợp Y chỉ có Fe3O4 . Số mol H+=số mol HNO3 = 0,2 . 1,5 = 0,3 mol 
 Cách 1 (Fe3O4) 3Fe+8/3 3Fe3+ +1e (1) x 3
 3. 0,3/28 3. 0,3/28 
 Ta có : NO3- + 4H+ + 3e NO + 2H2O (2) x 1 
 3. 0,3/28 0,3/28 mol
Từ (1) , (2) để tạo 1 mol NO phải cần 
3 mol Fe3O4 12 mol O 12 mol H2O 24 mol H+ (3)
Từ (2) , (3) Để tạo 1 mol NO cần 4 mol H+ tham gia vào quá trình khử 
 và 24 mol H+ tạo môi trường 
 ____________________________
 Cần 28 mol H+ 
Vậy: 28 mol H+ tạo 1mol NO
 0,3 mol H+ tạo số mol NO là :0,3/28 mol 
VNO =22,4 . 0,3/28 = 0,24 lit Từ (1) , (2) 232. 3. 0,3/28 = 7,46 gam
Cách 2 : 3Fe3O4 + 28 HNO3 9 Fe(NO3)3 + NO + 14 H2O
Mol : 3. 0,3/28 0,3 0,3/28
Suy ra kết quả như trên. Chọn A 
Nếu HS giải theo cách sau :
 (Fe3O4) 3Fe+8/3 3Fe3+ +1e (1)
 Mol : 0,225 0,225
 Ta có : NO3- + 4H+ + 3e NO + 2H2O (2) 
 mol 0,3 0,225 0,075
Từ (1) , (2) m= 0,225 . 232 = 52,2gam ; x = 0,075. 22,4 = 1,68 lit
Chọn B là sai .Vì còn có H+ lấy oxi của oxit tạo nước. Đối với dạng này khi giải HS phải cẩn thận!
III. BÀI TẬP TỰ LUYỆN :
1. Bổ túc và cân bằng phản ứng sau theo phương pháp ion-electron :
 FeS2 + HNO3 đặc ¾¾® 
 2 . Hòa tan 3,085 gam hỗn hợp gồm Al , Zn , Fe trong 0,04 lit dung dịch H2SO4đăcnong x mol/lit vừa đủ thu được dung dịch A ; 1,792 lit ( đktc) khí SO2 và 0,32gam S . Cô cạn dung dịch A thu được m gam muối khan . Giá trị của m và x là : 
 A. 13,645g và 10M B. 13,645 g và 5M C. 13,55g và 12M D. 13,55g và 22M
3. Để m gam bột Fe trong không khí thu được 3g hỗn hợp chất rắn X . Hòa tan vừa hết 3g hỗn hợp X này cần 500ml dung dịch HNO3 a mol/lit thu được 0,56 lit NO sản phẩm khử duy nhất . Giá trị của m và a lần lượt là : A. 0,4M ; 2,152g B. 0,3M ; 2,152g C. 0,32 M ; 2,52g D. 0,2M; 2,52g
4. Có 2 dung dịch X , Y thỏa mãn :
X + Y không phản ứng ; Cu + X ® không phản ứng 
Cu + Y ® không phản ứng ; Cu + X + Y Cu2+ + NO + 
X , Y là : A. NaNO3 ; K2SO4 B. Na3PO4 ; KNO3 C. NaNO3 ; KHSO4 D. NaCl ; AgNO3 
5. Cho hỗn hợp Al , Zn vào dung dịch NaOH , NaNO3 thấy thoát ra 2 khí X , Y . X , Y là :
A. H2 ; NO B. H2 ; N2O C. H2 ; NO2 D. H2 ; NH3
6. Hòa tan 10,71gam hỗn hợp gồm Al , Zn , Fe trong 4 lit dung dịch HNO3 x mol/lit vừa đủ thu được dung dịch A và 1,792 lit ( đktc) hỗn hợp khí gồm N2 và N2O có tỉ khối so với heli là 9 . Cô cạn dung dịch A thu được m gam muối khan .Giá trị của m và x là :
A. 55,35g và 2,2M B. 55,35g và 0,22M C. 53,55g và 2,2M D. 53,55g và 0,22M
7. Cho m gam bột Fe tác dụng với dung dịch chứa 1 mol HNO3 đun nóng khuấy đều , phản ứng toàn , giải phóng ra 0,25 mol khí NO là sản phẩm khử duy nhất của HNO3 , sau phản ứng còn lại 1 g kim loại . Tính m ? A. 14g B. 15g C. 22g D. 29g
8. Cho 13,4g hỗn hợp Fe , Al , Mg tác dụng hết với một lượng dung dịch HNO3 2M (lấy dư 10% ) thu được 4,48 lit hỗn hợp NO và N2O có tỉ khối so với hiđro bằng 18,5 và dung dịch không chứa muối amoni . Thể tích dung dịch HNO3 đã dùng và khối lượng muối có trong dung dịch sau phản ứng lần lượt là : A. 15,4 lit và 81g B. 0,77 lit và 81,6g C. 1,4 lit và 86g D. 0,7 lit và 80,6g 
9. Hòa tan hoàn hỗn hợp X gồm 2 kim loại A và B trong dung dịch HNO3loãng . Kết thúc phản ứng thu dược hỗn hợp khí Y gồm 0,1mol NO ; 0,15mol NO2 ; 0,05 mol N2O . Biết rằng không có phản ứng tạo NH4NO3 . Số mol HNO3 phản ứng là : A. 0,75mol B. 0,9mol C. 1,2mol D. 1,05mol
10. Hòa tan 1,68 g kim loại M trong dung dịch HNO3 3,5M lấy dư 10% thu được sản phẩm khử gồm 0,03mol NO2 và 0,02mol NO . Thể dung dịch HNO3 đã dùng và kim loại M là : 
 A. 40ml , Fe B. 44ml , Fe C. 40ml , Al D. 44ml , Al 
 2B 3C 4C 5D 6B 7C 8B 9C 10B