Trong hóa học, việc xác định một kim loại dựa trên sản phẩm phản ứng là một bài toán phổ biến. Bài viết này sẽ đi sâu vào việc phân tích một trường hợp cụ thể: cho 2,34 gam kim loại M (có hóa trị không đổi là n) tác dụng với dung dịch H2SO4 đặc nóng dư, thu được 3,2227 lít khí SO2 ở điều kiện tiêu chuẩn. Qua đó, chúng ta sẽ tìm ra kim loại M là gì.
Phân tích bài toán và các bước giải
Để giải bài toán này, chúng ta cần áp dụng kiến thức về định luật bảo toàn electron trong các phản ứng oxi hóa – khử.
1. Tính số mol SO2
Đầu tiên, ta tính số mol của khí SO2 thu được:
Số mol SO2 = Thể tích SO2 / 24,79 (lít/mol) = 3,2227 / 24,79 ≈ 0,13 mol.
2. Thiết lập quá trình oxi hóa – khử
Ta xét các quá trình oxi hóa và khử diễn ra trong phản ứng:
-
Quá trình oxi hóa kim loại M:
Kim loại M ban đầu có số oxi hóa 0, sau phản ứng chuyển thành ion M với số oxi hóa +n. Mỗi nguyên tử M nhường đi ‘n’ electron.
Ta có biểu thức: $M^0 rightarrow M^{+n} + ne$
Số mol M là $frac{2,34}{M}$, vậy tổng số mol electron nhường là $frac{2,34}{M} times n$. -
Quá trình khử lưu huỳnh trong H2SO4:
Trong dung dịch H2SO4 đặc nóng, lưu huỳnh có số oxi hóa +6 bị khử thành lưu huỳnh trong SO2 có số oxi hóa +4. Mỗi nguyên tử S nhận 2 electron.
Ta có biểu thức: $S^{+6} + 2e rightarrow S^{+4}$
Số mol SO2 thu được là 0,13 mol, do đó tổng số mol electron nhận là $0,13 times 2 = 0,26$ mol.
3. Áp dụng định luật bảo toàn electron
Theo định luật bảo toàn electron, tổng số mol electron nhường phải bằng tổng số mol electron nhận.
Ta có phương trình: $n times frac{2,34}{M} = 0,26$
4. Tìm kim loại M
Từ phương trình trên, ta rút ra: $M = frac{2,34 times n}{0,26} = 9n$.
Bây giờ, ta lần lượt thử các giá trị hóa trị có thể của kim loại (n = 1, 2, 3,…):
- Nếu n = 1, M = 9 × 1 = 9 (g/mol). Nguyên tố có M=9 là Beri (Be) có hóa trị không cố định và thường không phải là kim loại kiềm hay kiềm thổ.
- Nếu n = 2, M = 9 × 2 = 18 (g/mol). Không có kim loại nào có khối lượng mol này.
- Nếu n = 3, M = 9 × 3 = 27 (g/mol). Đây là khối lượng mol của nhôm (Al). Nhôm là kim loại có hóa trị phổ biến là 3.
Kết quả cho thấy, khi n = 3, M = 27, phù hợp với kim loại Nhôm (Al).
Kết luận
Dựa trên các phép tính và áp dụng định luật bảo toàn electron, kim loại M thỏa mãn các điều kiện của đề bài là Nhôm (Al). Phản ứng xảy ra là:
$2Al + 6H_2SO_4 xrightarrow{đặc, nóng} Al_2(SO_4)_3 + 3SO_2 + 6H_2O$
