Định luật bảo toàn nguyên tố là gì?

Hóa học luôn đem lại những thách thức và bài toán khó khăn, cũng như những bài toán đơn giản mà ta cần giải quyết nhanh chóng. Hôm nay, chúng ta sẽ khám phá về một phương pháp quan trọng trong hóa học – “định luật bảo toàn nguyên tố”. Phương pháp này thường được áp dụng để giải quyết các bài toán có nhiều phản ứng hóa học xảy ra đồng thời hoặc xảy ra theo nhiều giai đoạn.

Định luật bảo toàn nguyên tố là gì?

• 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”.

Phương trình trên thể hiện rằng số lượng nguyên tử của một nguyên tố không thay đổi trong quá trình phản ứng. Ngoài ra, ta cũng có thể mở rộng định luật bảo toàn nguyên tố bằng cách sử dụng tổng khối lượng các nguyên tố tạo thành hợp chất, khối lượng này sẽ bằng khối lượng của hợp chất đó.

Phương pháp bảo toàn nguyên tố

Chú ý:

• Để thực hiện phương pháp này một cách hiệu quả, chúng ta nên viết sơ đồ phản ứng thay vì viết phương trình phản ứng (sơ đồ cần có hệ số cân đối) và biểu diễn các biến đổi cơ bản của chất (nguyên tố) mà ta quan tâm.
• Nên chuyển đổi về số mol nguyên tố (nguyên tử).
• Đề bài thường cung cấp số mol của nguyên tố quan tâm hoặc thông qua dữ liệu trong bài toán để tính được lượng chất (lưu ý hiệu suất phản ứng, nếu có).

Các dạng bài thường gặp và phương pháp giải

Oxit kim loại tác dụng với chất khử (CO, H2, Al, C) tạo thành chất rắn mới

Kiến thức cần nhớ: Các chất khử (CO, H2, Al, C) lấy nguyên tử ôxi 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 ôxi.

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 ôxi đã tham gia phản ứng.

Ví dụ 1:
Dẫn từ từ V lít khí CO (ở điều kiện tiêu chuẩn) 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
A. 1,120.
B. 0,896.
C. 0,448.
D. 0,224.

Lời giải:

CO + O → CO2
0,04 mol        0,04 mol
CO2 → CaCO3
0,04 mol        0,04 mol

VCO = 0,04 x 22,4 = 0,896 lít (Đáp án B)

Ví dụ 2:
Cho V lít hỗn hợp khí (ở điều kiện tiêu chuẩn) gồm CO và H2 phản ứng với một lượng dư hỗn hợp rắn gồm CuO và Fe3O4 nung nóng. Sau khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn, khối lượng hỗn hợp rắn giảm 0,32 gam. Giá trị của V là
A. 0,448.
B. 0,112.
C. 0,224.
D. 0,560.

Lời giải:

CO + O → CO2
H2 + O → H2O

mgiảm = mO = 0,32g → nO = 0,32:16 = 0,02 mol
nhỗn hợp = nO = 0,02 mol → Vhỗn hợp = 0,02 x 22,4 = 0,448 lít

Hỗn hợp kim loại, oxit kim loại sau nhiều biến đổi hóa học cho ra sản phẩm cuối cùng là oxit kim loại.

Kiến thức cần nhớ: Ta không cần phải viết tất cả các phản ứng hóa học, chỉ cần biết các hợp chất có chứa nguyên tố chính sau mỗi phản ứng. Để dễ hiểu hơn, ta nên viết lại sơ đồ chuỗi phản ứng và quan tâm đến hệ số tỷ lượng để tính toán chính xác.

Ví dụ:
Hoà tan 10 gram hỗn hợp bột Fe và FeO bằng một lượng dung dịch HCl vừa đủ thấy thoát ra 1,12 lít khí (ở điều kiện tiêu chuẩn). Dung dịch thu được cho tác dụng với dung dịch NaOH dư, lọc lấy kết tủa tách ra đem nung trong không khí đến lượng không đổi thu được chất rắn nặng m gam. Giá trị của m là
A. 8 gam
B. 16 gam
C. 10 gam
D. 12 gam

Lời giải:

Fe + 2HCl → FeCl2 + H2
0,05 mol   0,05 mol
mFe = 0,05 x 56 = 2,8 gram
mFeO = 10 - 2,8 = 7,2 gram
nFeO = nFe(FeO) = 7,2 : 72 = 0,1 mol
Tổng nFe= 0,05 + 0,1 = 0,15 mol
nFe2O3 = 1/2 nFe = 0,075 mol → mFeO = 0,075 x 160 = 12 gram (Đáp án D)

Kim loại tác dụng với ôxi tạo thành oxit kim loại, sau đó cho tác dụng với dung dịch axit

Kiến thức cần nhớ: Khi kim loại tác dụng với ôxi thì tạo thành oxit kim loại, do đó khối lượng sẽ tăng lên chính là khối lượng ôxi tham gia phản ứng. Ta có công thức:
mO = moxit – mkim loại

Oxit kim loại tác dụng với dung dịch HCl, H2SO4 loãng tạo thành muối và nước, có thể biểu diễn bằng sơ đồ phản ứng sau: 2H+ + O2- → H2O

Ví dụ:
Đốt cháy hoàn toàn 4,04 gram một hỗn hợp bột kim loại gồm Al, Fe, Cu trong không khí thu được 5,96 gram hỗn hợp 3 oxit. Hòa tan hết hỗn hợp 3 oxit bằng dung dịch HCl 2M. Tính thể tích dung dịch HCl cần dùng.
A. 0,5 lít.
B. 0,7 lít.
C. 0,12 lít.
D. 1 lít.

Lời giải:

mO = moxit - mkim loại = 5,96 - 4,04 = 1,92 gram.
nO = 1.92/16 = 0,12 mol
Hòa tan hết hỗn hợp ba oxit bằng dung dịch HCl tạo thành H2O như sau:
2H+ + O2- → H2O
0,24 ≤ 0,12 mol
=> VHCl = 0.24/2 = 0,12 lít (Đáp án C)

Kim loại tác dụng với dung dịch axit

Kiến thức cần nhớ: Hỗn hợp kim loại tác dụng với dung dịch axit HCl, H2SO4 loãng tạo thành hỗn hợp muối và khí H2. Từ số mol khí H2, ta suy ra số mol HCl, H2SO4, số mol ion Cl-, SO. Thông qua đề bài, ta có thể tính được khối lượng muối cần tìm bằng công thức sau: mmuối = mkim loại + mgốc axit.

Ví dụ:
Hòa tan hoàn toàn 3,22 gram hỗn hợp X gồm Fe, Mg và Zn bằng một dung dịch H2SO4 loãng, thu được 1,344 lít hiđro (ở điều kiện tiêu chuẩn) và dung dịch chứa m gram muối. Giá trị của m là
A. 9,52.
B. 10,27.
C. 8,98.
D. 7,25.
Lời giải:

nH = 1,344/22,4 = 0,06 mol
H2SO4 → H2
0,06 mol  0,06 mol
nSO = nHSO = 0,06 mol
mmuối = mkim loại + mgốc axit = 3,22 + 0,06 x 96 = 8,98 gram (Đáp án C)

Bài toán đốt cháy hợp chất hữu cơ

Kiến thức cần nhớ: Khối lượng chất hữu cơ bằng tổng khối lượng các nguyên tố trong chất hữu cơ.

mC = (mCO2 / 44) * 12 = (VCO2 / 22.4) * 12
mH = (mH2O / 18) * 2
mN = (VN2 / 22.4) * 28

Sản phẩm của phản ứng đốt cháy thường là CO2 và H2O, đươc biểu diễn bởi phương trình phản ứng sau:

C + O2 → CO2
4H + O2 → 2H2O

Từ hai phương trình phản ứng trên, ta có thể tính số mol O2 và số mol nguyên tố C, H để tính thể tích oxi hoặc khối lượng chất hữu cơ bị đốt cháy.

Ví dụ:
Đốt cháy hoàn toàn 1 lít hỗn hợp khí gồm C2H2 và hiđrocacbon X sinh ra 2 lít khí CO2 và 2 lít hơi H2O (các thể tích khí và hơi ở cùng điều kiện nhiệt độ, áp suất). Công thức phân tử của X là
A. C2H4.
B. C3H8.
C. C2H6.
D. CH4

Lời giải:

Áp dụng công thức trên:
Số nguyên tử C trung bình = 2/1 = 2
Số nguyên tử H trung bình = (2/1) * 2 = 4
=> CTPT của hiđrocacbon X là C2H6 (Đáp án C)

Chúng ta đã đi qua một số dạng bài toán phổ biến và phương pháp giải quyết của định luật bảo toàn nguyên tố. Hy vọng các bạn đã hiểu rõ hơn về phương pháp quan trọng này trong hóa học.