Lý thuyết trọng tâm

I. Sulfuric acid

1. Cấu tạo phân tử

Công thức phân tử: $\text{H}_2\text{SO}_4$

Công thức cấu tạo:

$$\text{HO} – \overset{\overset{\displaystyle ||}{\text{O}}}{\underset{\underset{\displaystyle ||}{\text{O}}}{\text{S}}} – \text{OH}$$

Số oxi hóa của S: +6

Đặc điểm cấu tạo:

• Phân tử có 2 nguyên tử hydrogen linh động → có khả năng cho 2 proton khi đóng vai trò là acid
• Các nguyên tử oxygen có độ âm điện lớn
• Giữa các phân tử sulfuric acid hình thành nhiều liên kết hydrogen → sulfuric acid là chất lỏng khó bay hơi

2. Tính chất vật lí

Cách pha loãng dung dịch sulfuric acid đặc:

Giải thích: Sulfuric acid tan trong nước tỏa rất nhiều nhiệt. Nếu đổ nước vào acid đặc, nước (nhẹ hơn, nổi lên trên) sẽ sôi đột ngột và kéo theo acid bắn ra ngoài.

3. Quy tắc an toàn

a) Bảo quản

• Sulfuric acid được bảo quản trong chai, lọ có nút đậy chặt, đặt ở vị trí chắc chắn
• Đặt cách xa các lọ chứa chất dễ gây cháy, nổ như chlorate, perchlorate, permanganate, dichromate

b) Sử dụng

Sulfuric acid gây bỏng nặng khi rơi vào da, do vậy khi sử dụng cần tuân thủ các nguyên tắc:

1. Sử dụng găng tay, đeo kính bảo hộ, mặc áo thí nghiệm
2. Cầm dụng cụ chắc chắn, thao tác cẩn thận
3. Không tì, đè chai đựng acid lên miệng cốc, ống đong khi rót acid
4. Sử dụng lượng acid vừa phải, lượng acid còn thừa phải thu hồi vào lọ đựng
5. Không được đổ nước vào dung dịch acid đặc

c) Sơ cứu khi bỏng acid

Lưu ý: Nếu acid bắn vào mắt thì úp mặt vào chậu nước sạch, mở mắt và chớp nhiều lần để rửa acid.

4. Tính chất hóa học

a) Dung dịch sulfuric acid loãng

Dung dịch sulfuric acid loãng có đầy đủ tính chất của một acid mạnh:

Tính chất 1: Tác dụng với kim loại (đứng trước H trong dãy hoạt động)

$$\text{Fe} + \text{H}_2\text{SO}_4 \text{(loãng)} \rightarrow \text{FeSO}_4 + \text{H}_2 \uparrow$$

$$\text{Zn} + \text{H}_2\text{SO}_4 \text{(loãng)} \rightarrow \text{ZnSO}_4 + \text{H}_2 \uparrow$$

Lưu ý:

• Kim loại đứng sau H (Cu, Ag, Hg, Pt, Au) không phản ứng với $\text{H}_2\text{SO}_4$ loãng
• Fe tác dụng với $\text{H}_2\text{SO}_4$ loãng tạo muối Fe(II), không phải Fe(III)

Tính chất 2: Tác dụng với oxide base

$$\text{MgO} + \text{H}_2\text{SO}_4 \text{(loãng)} \rightarrow \text{MgSO}_4 + \text{H}_2\text{O}$$

$$\text{CuO} + \text{H}_2\text{SO}_4 \text{(loãng)} \rightarrow \text{CuSO}_4 + \text{H}_2\text{O}$$

Tính chất 3: Tác dụng với base

$$\text{H}_2\text{SO}_4 \text{(loãng)} + 2\text{NaOH} \rightarrow \text{Na}_2\text{SO}_4 + 2\text{H}_2\text{O}$$

$$\text{H}_2\text{SO}_4 \text{(loãng)} + \text{Fe(OH)}_3 \rightarrow \text{Fe}_2(\text{SO}_4)_3 + \text{H}_2\text{O}$$

Tính chất 4: Tác dụng với muối (tạo kết tủa hoặc chất khí)

$$\text{Na}_2\text{CO}_3 + \text{H}_2\text{SO}_4 \text{(loãng)} \rightarrow \text{Na}_2\text{SO}_4 + \text{CO}_2 \uparrow + \text{H}_2\text{O}$$

$$\text{BaCl}_2 + \text{H}_2\text{SO}_4 \text{(loãng)} \rightarrow \text{BaSO}_4 \downarrow + 2\text{HCl}$$

$$\text{FeS} + \text{H}_2\text{SO}_4 \text{(loãng)} \rightarrow \text{FeSO}_4 + \text{H}_2\text{S} \uparrow$$

b) Dung dịch sulfuric acid đặc

● Tính acid

Dung dịch sulfuric acid đặc có tính acid mạnh và khó bay hơi, được sử dụng để điều chế một số acid dễ bay hơi.

Ví dụ: Điều chế HF từ quặng fluorite:

$$\text{CaF}_2 + \text{H}_2\text{SO}_4 \text{(đặc)} \xrightarrow{250^\circ\text{C}} \text{CaSO}_4 + 2\text{HF} \uparrow$$

● Tính oxi hóa mạnh

Dung dịch sulfuric acid đặc thể hiện tính oxi hóa mạnh, nhất là khi đun nóng, kèm theo sự giảm số oxi hóa của nguyên tử sulfur:

Phản ứng với kim loại:

Dung dịch $\text{H}_2\text{SO}_4$ đặc, nóng oxi hóa được hầu hết kim loại (kể cả Cu, Ag đứng sau H), trừ Au và Pt.

$$\text{Cu} + 2\text{H}_2\text{SO}_4 \text{(đặc)} \xrightarrow{t^\circ} \text{CuSO}_4 + \text{SO}_2 \uparrow + 2\text{H}_2\text{O}$$

Phản ứng với phi kim:

$$\text{C} + 2\text{H}_2\text{SO}_4 \text{(đặc)} \xrightarrow{t^\circ} \text{CO}_2 + 2\text{SO}_2 + 2\text{H}_2\text{O}$$

$$\text{S} + 2\text{H}_2\text{SO}_4 \text{(đặc)} \xrightarrow{t^\circ} 3\text{SO}_2 + 2\text{H}_2\text{O}$$

Phản ứng với hợp chất có tính khử:

$$2\text{KBr} + 2\text{H}_2\text{SO}_4 \text{(đặc)} \xrightarrow{t^\circ} \text{K}_2\text{SO}_4 + \text{Br}_2 + \text{SO}_2 + 2\text{H}_2\text{O}$$

Hiện tượng thụ động hóa:

Một số kim loại như Al, Fe, Cr bị thụ động hóa trong $\text{H}_2\text{SO}_4$ đặc, nguội (do tạo lớp màng oxide bền vững bảo vệ kim loại). Vì vậy, có thể dùng bình bằng Al để đựng $\text{H}_2\text{SO}_4$ đặc, nguội.

● Tính háo nước

Dung dịch sulfuric acid đặc có khả năng lấy nước từ hợp chất carbohydrate và khiến chúng hóa đen (hiện tượng than hóa).

$$\text{C}_{12}\text{H}_{22}\text{O}_{11} \xrightarrow{\text{H}_2\text{SO}_4 \text{ đặc}} 12\text{C} + 11\text{H}_2\text{O}$$

Sau đó, carbon sinh ra tiếp tục bị oxi hóa bởi $\text{H}_2\text{SO}_4$ đặc:

$$\text{C} + 2\text{H}_2\text{SO}_4 \text{(đặc)} \rightarrow \text{CO}_2 + 2\text{SO}_2 + 2\text{H}_2\text{O}$$

→ Khí sinh ra ($\text{CO}_2$, $\text{SO}_2$) làm khối carbon trào lên khỏi cốc.

Ứng dụng: $\text{H}_2\text{SO}_4$ đặc được dùng làm chất hút ẩm trong các bình hút ẩm, bình rửa khí.

Bảng so sánh $\text{H}_2\text{SO}_4$ loãng và $\text{H}_2\text{SO}_4$ đặc:

5. Ứng dụng

Sulfuric acid là hóa chất quan trọng hàng đầu trong công nghiệp:

6. Sản xuất (Phương pháp tiếp xúc)

Trong công nghiệp, sulfuric acid chủ yếu được sản xuất bằng phương pháp tiếp xúc, đi từ nguyên liệu chính là sulfur hoặc quặng pyrite (chứa $\text{FeS}_2$).

Giai đoạn 1: Sản xuất sulfur dioxide ($\text{SO}_2$)

Đốt cháy sulfur hoặc quặng pyrite trong không khí:

$$\text{S}(s) + \text{O}_2(g) \xrightarrow{t^\circ} \text{SO}_2(g)$$

$$4\text{FeS}_2(s) + 11\text{O}_2(g) \xrightarrow{t^\circ} 2\text{Fe}_2\text{O}_3(s) + 8\text{SO}_2(g)$$

Giai đoạn 2: Sản xuất sulfur trioxide ($\text{SO}_3$)

Oxi hóa $\text{SO}_2$ bằng không khí dư:

$$2\text{SO}_2(g) + \text{O}_2(g) \overset{450°C, 1-2 \text{ bar, V}_2\text{O}_5}{\rightleftharpoons} 2\text{SO}_3(g)$$

Điều kiện:

• Nhiệt độ: khoảng 450°C
• Áp suất: 1 – 2 bar
• Xúc tác: $\text{V}_2\text{O}_5$ (vanadium(V) oxide)
• Hiệu suất đạt trên 98%

Giai đoạn 3: Hấp thụ $\text{SO}_3$ tạo oleum

Hấp thụ $\text{SO}_3$ bằng $\text{H}_2\text{SO}_4$ đặc (không dùng nước vì phản ứng tỏa nhiều nhiệt, tạo sương mù acid nguy hiểm):

$$\text{SO}_3 + \text{H}_2\text{SO}_4 \text{(đặc)} \rightarrow \text{H}_2\text{SO}_4.\text{nSO}_3 \text{ (oleum)}$$

Sau đó, pha loãng oleum vào nước thu được dung dịch sulfuric acid:

$$\text{H}_2\text{SO}_4.\text{nSO}_3 + \text{nH}_2\text{O} \rightarrow (\text{n}+1)\text{H}_2\text{SO}_4$$

II. Muối sulfate

1. Ứng dụng

2. Nhận biết ion $\text{SO}_4^{2-}$

Thuốc thử: Dung dịch chứa ion $\text{Ba}^{2+}$ (như $\text{BaCl}_2$, $\text{Ba(NO}_3\text{)}_2$, $\text{Ba(OH)}_2$…)

Hiện tượng: Xuất hiện kết tủa trắng $\text{BaSO}_4$, kết tủa này không tan trong acid.

Phương trình phân tử:

$$\text{Na}_2\text{SO}_4 + \text{BaCl}_2 \rightarrow \text{BaSO}_4 \downarrow + 2\text{NaCl}$$

Phương trình ion rút gọn:

$$\text{Ba}^{2+} + \text{SO}_4^{2-} \rightarrow \text{BaSO}_4 \downarrow$$

Lưu ý:

• $\text{BaSO}_4$ không tan trong acid (khác với $\text{BaCO}_3$ tan trong acid tạo khí $\text{CO}_2$)
• Có thể dùng phản ứng này để nhận biết cả ion $\text{SO}_4^{2-}$ trong muối sulfate và trong dung dịch $\text{H}_2\text{SO}_4$

Phương pháp giải các dạng bài tập

Phần này chỉ trình bày các dạng bài tập tính toán. Điểm mấu chốt của bài là phải phân biệt được acid loãng và acid đặc, vì hai loại cho sản phẩm hoàn toàn khác nhau.

Khối lượng mol hay dùng (g/mol):

$$\text{H}_2\text{SO}_4 = 98 \quad \text{SO}_4^{2-} = 96 \quad \text{BaSO}_4 = 233 \quad \text{CuSO}_4 = 160 \quad \text{CuSO}_4\cdot 5\text{H}_2\text{O} = 250 \quad \text{FeS}_2 = 120$$

Lưu ý theo chương trình mới: Thể tích khí quy về điều kiện chuẩn (đkc): $25\ ^\circ\text{C}$, $1$ bar, $V_m = \mathbf{24{,}79}$ L/mol. Mốc $22{,}4$ L/mol của chương trình cũ không còn dùng.

Dạng 1: Kim loại tác dụng với $\text{H}_2\text{SO}_4$ loãng

Phương pháp giải

Bước 1: Xác định kim loại có phản ứng hay không. Chỉ kim loại đứng trước H mới tan; Cu, Ag, Hg, Pt, Au không phản ứng.

Bước 2: Viết phương trình, chú ý hoá trị kim loại trong muối:

$$\text{Mg} + \text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{MgSO}_4 + \text{H}_2\uparrow$$

$$2\text{Al} + 3\text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{Al}_2(\text{SO}_4)_3 + 3\text{H}_2\uparrow$$

$$\text{Fe} + \text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{FeSO}_4 + \text{H}_2\uparrow \quad (\text{muối Fe hoá trị II})$$

Bước 3: Dùng nhận xét bảo toàn để tính nhanh. Mỗi phân tử $\text{H}_2$ thoát ra ứng với một ion $\text{SO}_4^{2-}$ đi vào muối:

$$n_{\text{H}_2\text{SO}_4} = n_{\text{SO}_4^{2-}} = n_{\text{H}_2}$$

$$\boxed{\ m_{\text{muối}} = m_{\text{kim loại}} + 96\,n_{\text{H}_2}\ }$$

Bước 4: Với hỗn hợp hai kim loại, đặt hai ẩn và lập hệ: một phương trình theo khối lượng hỗn hợp, một theo số mol $\text{H}_2$.

Điểm hay sai: Số mol $\text{H}_2$ do mỗi kim loại sinh ra phụ thuộc hoá trị. Một mol Mg cho $1$ mol $\text{H}_2$, nhưng một mol Al cho $1{,}5$ mol $\text{H}_2$. Không được cộng gộp số mol kim loại.

Ví dụ mẫu

Đề bài: Hoà tan hoàn toàn $3{,}9$ gam hỗn hợp Mg và Al bằng dung dịch $\text{H}_2\text{SO}_4$ loãng, dư, thu được $4{,}958$ L khí $\text{H}_2$ (đkc).

a) Tính khối lượng muối sulfate thu được.

b) Tính phần trăm khối lượng mỗi kim loại trong hỗn hợp đầu.

Lời giải

$$n_{\text{H}_2} = \frac{4{,}958}{24{,}79} = 0{,}2\ \text{mol}$$

Câu a. Áp dụng công thức tính nhanh:

$$m_{\text{muối}} = m_{\text{kim loại}} + 96\,n_{\text{H}_2} = 3{,}9 + 96 \times 0{,}2 = 3{,}9 + 19{,}2 = 23{,}1\ \text{g}$$

Câu b. Gọi $a$, $b$ lần lượt là số mol Mg và Al.

Theo khối lượng hỗn hợp:

$$24a + 27b = 3{,}9 \qquad (1)$$

Theo số mol khí (Mg cho $1$ mol $\text{H}_2$, Al cho $1{,}5$ mol $\text{H}_2$):

$$a + 1{,}5b = 0{,}2 \qquad (2)$$

Từ $(2)$: $a = 0{,}2 – 1{,}5b$. Thay vào $(1)$:

$$24(0{,}2 – 1{,}5b) + 27b = 3{,}9 \Rightarrow 4{,}8 – 9b = 3{,}9 \Rightarrow b = 0{,}1 \Rightarrow a = 0{,}05$$

$$m_{\text{Mg}} = 0{,}05\times 24 = 1{,}2\ \text{g} \qquad m_{\text{Al}} = 0{,}1\times 27 = 2{,}7\ \text{g}$$

$$\%m_{\text{Mg}} = \frac{1{,}2}{3{,}9}\times 100\% \approx 30{,}77\% \qquad \%m_{\text{Al}} \approx 69{,}23\%$$

Kết luận: Khối lượng muối là $23{,}1$ g; hỗn hợp gồm $30{,}77\%$ Mg và $69{,}23\%$ Al.

Dạng 2: $\text{H}_2\text{SO}_4$ loãng tác dụng với oxide base, base và muối

Phương pháp giải

Bước 1: Chọn phương trình theo chất phản ứng:

Bước 2: Tính số mol chất đề cho, chú ý tỉ lệ mol trong phương trình (NaOH là $2 : 1$, các chất còn lại thường là $1 : 1$).

Bước 3: Khi đề cho nồng độ phần trăm, dùng:

$$C\% = \frac{m_{\text{chất tan}}}{m_{\text{dung dịch}}}\times 100\%$$

Ví dụ mẫu

Đề bài:

a) Cho $8$ gam CuO tan vừa đủ trong dung dịch $\text{H}_2\text{SO}_4$ loãng $20\%$. Tính khối lượng dung dịch acid đã dùng và khối lượng muối tạo thành.

b) Cho $10{,}6$ gam $\text{Na}_2\text{CO}_3$ tác dụng hết với dung dịch $\text{H}_2\text{SO}_4$ loãng dư. Tính thể tích khí thoát ra (đkc).

Lời giải

Câu a.

$$n_{\text{CuO}} = \frac{8}{80} = 0{,}1\ \text{mol}$$

$$\text{CuO} + \text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{CuSO}_4 + \text{H}_2\text{O}$$

$$n_{\text{H}_2\text{SO}_4} = 0{,}1\ \text{mol} \Rightarrow m_{\text{H}_2\text{SO}_4} = 0{,}1\times 98 = 9{,}8\ \text{g}$$

$$m_{\text{dung dịch}} = \frac{9{,}8}{20\%} = 49\ \text{g}$$

$$m_{\text{CuSO}_4} = 0{,}1 \times 160 = 16\ \text{g}$$

Câu b.

$$n_{\text{Na}_2\text{CO}_3} = \frac{10{,}6}{106} = 0{,}1\ \text{mol}$$

$$\text{Na}_2\text{CO}_3 + \text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{Na}_2\text{SO}_4 + \text{CO}_2\uparrow + \text{H}_2\text{O}$$

$$n_{\text{CO}_2} = 0{,}1\ \text{mol} \Rightarrow V = 0{,}1\times 24{,}79 = 2{,}479\ \text{L}$$

Kết luận: a) Cần $49$ g dung dịch acid, thu $16$ g $\text{CuSO}_4$; b) thu $2{,}479$ L khí $\text{CO}_2$.

Dạng 3: $\text{H}_2\text{SO}_4$ đặc, nóng — phương pháp bảo toàn electron

Phương pháp giải

Trong $\text{H}_2\text{SO}_4$ đặc, chất oxi hoá là nguyên tử $\overset{+6}{\text{S}}$. Tuỳ điều kiện, sản phẩm khử có thể là:

Bước 1: Viết quá trình cho electron của kim loại. Chú ý sắt lên hoá trị III:

$$\text{Cu} \rightarrow \text{Cu}^{2+} + 2e \qquad \text{Fe} \rightarrow \text{Fe}^{3+} + 3e \qquad \text{Al} \rightarrow \text{Al}^{3+} + 3e$$

Bước 2: Áp dụng định luật bảo toàn electron:

$$\sum n_{e\ \text{cho}} = \sum n_{e\ \text{nhận}} = 2n_{\text{SO}_2} + 6n_{\text{S}} + 8n_{\text{H}_2\text{S}}$$

Bước 3: Tính khối lượng muối. Số mol ion $\text{SO}_4^{2-}$ đi vào muối bằng một nửa số electron trao đổi:

$$n_{\text{SO}_4^{2-}\ \text{trong muối}} = \frac{n_{e}}{2} \Rightarrow m_{\text{muối}} = m_{\text{kim loại}} + 96 \times \frac{n_e}{2}$$

Bước 4: Nếu đề yêu cầu xác định kim loại, đặt hoá trị là $n$ rồi lập tỉ số:

$$n_{\text{M}} \times n = n_e \Rightarrow \frac{M}{n} = \frac{m_{\text{kim loại}}}{n_e}$$

Thử lần lượt $n = 1, 2, 3$ để tìm giá trị $M$ phù hợp với một kim loại thực.

Hai lưu ý quan trọng:

• Thụ động hoá: Al, Fe, Cr không phản ứng với $\text{H}_2\text{SO}_4$ đặc, nguội. Vì vậy có thể dùng bình nhôm để chuyên chở acid đặc nguội. Nếu đề nói “đặc, nguội” thì các kim loại này không tan.
• Fe tạo muối gì: với acid loãng cho $\text{FeSO}_4$, với acid đặc nóng cho $\text{Fe}_2(\text{SO}_4)_3$. Đây là chỗ học sinh nhầm nhiều nhất.

Ví dụ mẫu 1

Đề bài: Cho $6{,}4$ gam Cu tác dụng hoàn toàn với dung dịch $\text{H}_2\text{SO}_4$ đặc, nóng, dư. Tính thể tích khí $\text{SO}_2$ thu được (đkc) và khối lượng muối tạo thành.

Lời giải

$$n_{\text{Cu}} = \frac{6{,}4}{64} = 0{,}1\ \text{mol}$$

Quá trình cho electron: $\text{Cu} \rightarrow \text{Cu}^{2+} + 2e \Rightarrow n_e = 0{,}2\ \text{mol}$

Quá trình nhận electron: $\overset{+6}{\text{S}} + 2e \rightarrow \overset{+4}{\text{S}}$

$$n_{\text{SO}_2} = \frac{n_e}{2} = \frac{0{,}2}{2} = 0{,}1\ \text{mol} \Rightarrow V = 0{,}1\times 24{,}79 = 2{,}479\ \text{L}$$

Khối lượng muối:

$$m_{\text{CuSO}_4} = 0{,}1 \times 160 = 16\ \text{g}$$

Kiểm tra bằng phương trình: $\text{Cu} + 2\text{H}_2\text{SO}_4 \xrightarrow{t^\circ} \text{CuSO}_4 + \text{SO}_2\uparrow + 2\text{H}_2\text{O}$, tỉ lệ $\text{Cu} : \text{SO}_2 = 1 : 1$, phù hợp.

Ví dụ mẫu 2

Đề bài: Cho $18$ gam kim loại M tác dụng hết với dung dịch $\text{H}_2\text{SO}_4$ đặc, nóng, dư, thu được $3{,}7185$ L khí $\text{SO}_2$ (đkc) và $6{,}4$ gam S. Xác định kim loại M và tính khối lượng muối khan thu được.

Lời giải

Bước 1. Tính số mol các sản phẩm khử

$$n_{\text{SO}_2} = \frac{3{,}7185}{24{,}79} = 0{,}15\ \text{mol} \qquad n_{\text{S}} = \frac{6{,}4}{32} = 0{,}2\ \text{mol}$$

Bước 2. Tính tổng số electron trao đổi

$$n_e = 2n_{\text{SO}_2} + 6n_{\text{S}} = 2\times 0{,}15 + 6\times 0{,}2 = 0{,}3 + 1{,}2 = 1{,}5\ \text{mol}$$

Bước 3. Xác định kim loại

Gọi $n$ là hoá trị của M trong muối:

$$n_{\text{M}} \times n = 1{,}5 \Rightarrow \frac{18}{M}\times n = 1{,}5 \Rightarrow \frac{M}{n} = \frac{18}{1{,}5} = 12$$

Vậy M là Mg.

Bước 4. Tính khối lượng muối

$$n_{\text{Mg}} = \frac{18}{24} = 0{,}75\ \text{mol} \Rightarrow m_{\text{MgSO}_4} = 0{,}75 \times 120 = 90\ \text{g}$$

Cách khác: $m_{\text{muối}} = m_{\text{kim loại}} + 96\times\dfrac{n_e}{2} = 18 + 96\times 0{,}75 = 18 + 72 = 90$ g.

Kết luận: M là magnesium, thu được $90$ gam $\text{MgSO}_4$.

Dạng 4: Định lượng ion sulfate qua kết tủa $\text{BaSO}_4$

Phương pháp giải

Bước 1: Nhớ phương trình ion rút gọn dùng chung cho mọi bài:

$$\text{Ba}^{2+} + \text{SO}_4^{2-} \rightarrow \text{BaSO}_4\downarrow$$

Bước 2: Từ khối lượng kết tủa suy ra số mol ion sulfate:

$$n_{\text{SO}_4^{2-}} = n_{\text{BaSO}_4} = \frac{m}{233}$$

Bước 3: Quy về chất ban đầu, chú ý số ion sulfate mà mỗi chất phân li ra:

$$\text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow 1\ \text{ion}\ \text{SO}_4^{2-} \qquad \text{Na}_2\text{SO}_4 \rightarrow 1\ \text{ion} \qquad \text{Al}_2(\text{SO}_4)_3 \rightarrow 3\ \text{ion}$$

Bước 4: Tính nồng độ hoặc khối lượng theo yêu cầu đề bài.

Vì sao dùng được $\text{BaSO}_4$ để định lượng: kết tủa này không tan trong acid, khác với $\text{BaCO}_3$ tan trong acid và giải phóng khí $\text{CO}_2$. Nhờ vậy có thể lọc, sấy và cân chính xác lượng kết tủa.

Ví dụ mẫu

Đề bài: Cho dung dịch $\text{BaCl}_2$ dư vào $100$ mL dung dịch $\text{H}_2\text{SO}_4$ chưa biết nồng độ, thu được $23{,}3$ gam kết tủa trắng.

a) Tính nồng độ mol của dung dịch $\text{H}_2\text{SO}_4$.

b) Nếu thay dung dịch trên bằng $200$ mL dung dịch $\text{Al}_2(\text{SO}_4)_3$ $0{,}1$ M thì thu được bao nhiêu gam kết tủa?

Lời giải

Câu a.

$$n_{\text{BaSO}_4} = \frac{23{,}3}{233} = 0{,}1\ \text{mol}$$

Mỗi phân tử $\text{H}_2\text{SO}_4$ cho $1$ ion $\text{SO}_4^{2-}$:

$$n_{\text{H}_2\text{SO}_4} = 0{,}1\ \text{mol} \Rightarrow C_M = \frac{0{,}1}{0{,}1} = 1\ \text{M}$$

Câu b.

$$n_{\text{Al}_2(\text{SO}_4)_3} = 0{,}2\times 0{,}1 = 0{,}02\ \text{mol}$$

Mỗi phân tử $\text{Al}_2(\text{SO}_4)_3$ cho $3$ ion $\text{SO}_4^{2-}$:

$$n_{\text{SO}_4^{2-}} = 3\times 0{,}02 = 0{,}06\ \text{mol} \Rightarrow m_{\text{BaSO}_4} = 0{,}06\times 233 = 13{,}98\ \text{g}$$

Kết luận: a) Dung dịch $\text{H}_2\text{SO}_4$ có nồng độ $1$ M; b) thu được $13{,}98$ g kết tủa.

Dạng 5: Tính toán theo sơ đồ sản xuất sulfuric acid

Phương pháp giải

Bước 1: Viết sơ đồ hợp thức của phương pháp tiếp xúc, bỏ qua các chất trung gian:

$$\text{S} \rightarrow \text{SO}_2 \rightarrow \text{SO}_3 \rightarrow \text{H}_2\text{SO}_4$$

$$\text{FeS}_2 \rightarrow 2\text{SO}_2 \rightarrow 2\text{SO}_3 \rightarrow 2\text{H}_2\text{SO}_4$$

Nghĩa là mỗi nguyên tử S ban đầu cho $1$ phân tử $\text{H}_2\text{SO}_4$; riêng $\text{FeS}_2$ chứa $2$ nguyên tử S nên cho $2$ phân tử.

Bước 2: Tính lượng nguyên liệu thực sự tham gia nếu quặng có lẫn tạp chất:

$$m_{\text{FeS}_2} = m_{\text{quặng}} \times \%\text{FeS}_2$$

Bước 3: Nhân với hiệu suất chung của cả quá trình:

$$n_{\text{H}_2\text{SO}_4} = n_{\text{lí thuyết}} \times H$$

Bước 4: Nếu đề hỏi khối lượng dung dịch acid nồng độ $C\%$ thì chia thêm cho $C\%$:

$$m_{\text{dung dịch}} = \frac{m_{\text{H}_2\text{SO}_4}}{C\%}$$

Ví dụ mẫu

Đề bài: Từ $1$ tấn quặng pyrite chứa $60\%$ $\text{FeS}_2$ về khối lượng, người ta sản xuất sulfuric acid theo phương pháp tiếp xúc với hiệu suất của cả quá trình là $80\%$.

a) Tính khối lượng $\text{H}_2\text{SO}_4$ nguyên chất thu được.

b) Tính khối lượng dung dịch $\text{H}_2\text{SO}_4$ $98\%$ tương ứng.

Lời giải

Bước 1. Tính lượng $\text{FeS}_2$

$$m_{\text{FeS}_2} = 10^6 \times 60\% = 6\times 10^5\ \text{g} = 600\ \text{kg}$$

$$n_{\text{FeS}_2} = \frac{6\times 10^5}{120} = 5,000\ \text{mol}$$

Bước 2. Tính lượng acid theo lí thuyết

Theo sơ đồ $\text{FeS}_2 \rightarrow 2\text{H}_2\text{SO}_4$:

$$n_{\text{H}_2\text{SO}_4\ \text{lí thuyết}} = 2\times 5,000 = 10,000\ \text{mol}$$

Câu a. Tính lượng thực tế

$$n_{\text{H}_2\text{SO}_4} = 10,000 \times 80\% = 8,000\ \text{mol}$$

$$m = 8,000 \times 98 = 784,000\ \text{g} = 784\ \text{kg}$$

Câu b. Tính khối lượng dung dịch $98\%$

$$m_{\text{dung dịch}} = \frac{784}{0{,}98} = 800\ \text{kg}$$

Kết luận: Thu được $784$ kg $\text{H}_2\text{SO}_4$ nguyên chất, tương ứng $800$ kg dung dịch $98\%$.

Dạng 6: Bài toán nồng độ dung dịch và muối sulfate ngậm nước

Phương pháp giải

Bước 1: Với tinh thể ngậm nước, tính số mol theo khối lượng mol của cả tinh thể, nhưng khối lượng chất tan chỉ tính phần muối khan:

$$n_{\text{CuSO}_4\cdot 5\text{H}_2\text{O}} = \frac{m}{250} = n_{\text{CuSO}_4} \Rightarrow m_{\text{chất tan}} = n \times 160$$

Bước 2: Áp dụng công thức nồng độ phần trăm để tìm khối lượng dung dịch:

$$m_{\text{dung dịch}} = \frac{m_{\text{chất tan}}}{C\%}$$

Bước 3: Khi bài yêu cầu lấy thể tích dung dịch đặc, dùng khối lượng riêng:

$$m_{\text{dung dịch}} = V \times D \Rightarrow V = \frac{m}{D}$$

với dung dịch $\text{H}_2\text{SO}_4$ $98\%$ có $D = 1{,}84$ g/mL.

Quy tắc an toàn bắt buộc nhắc khi làm dạng này: Khi pha loãng, phải rót từ từ acid đặc vào nước và khuấy đều, tuyệt đối không làm ngược lại. Acid tan trong nước toả rất nhiều nhiệt; nếu rót nước vào acid đặc, nước nhẹ hơn nổi lên trên, sôi đột ngột và làm acid bắn ra ngoài gây bỏng.

Ví dụ mẫu

Đề bài:

a) Để trừ nấm cho cây trồng, người ta dùng dung dịch $\text{CuSO}_4$ $0{,}8\%$. Từ $60$ gam $\text{CuSO}_4\cdot 5\text{H}_2\text{O}$ pha chế được bao nhiêu gam dung dịch trên?

b) Cần lấy bao nhiêu mL dung dịch $\text{H}_2\text{SO}_4$ $98\%$ ($D = 1{,}84$ g/mL) để pha chế $500$ mL dung dịch $\text{H}_2\text{SO}_4$ $0{,}5$ M?

Lời giải

Câu a.

$$n_{\text{CuSO}_4\cdot 5\text{H}_2\text{O}} = \frac{60}{250} = 0{,}24\ \text{mol}$$

Số mol $\text{CuSO}_4$ cũng bằng $0{,}24$ mol, nên khối lượng chất tan là:

$$m_{\text{CuSO}_4} = 0{,}24 \times 160 = 38{,}4\ \text{g}$$

$$m_{\text{dung dịch}} = \frac{38{,}4}{0{,}008} = 4,800\ \text{g}$$

Câu b.

Số mol $\text{H}_2\text{SO}_4$ cần có:

$$n = C_M \cdot V = 0{,}5 \times 0{,}5 = 0{,}25\ \text{mol} \Rightarrow m = 0{,}25 \times 98 = 24{,}5\ \text{g}$$

Khối lượng dung dịch $98\%$ chứa lượng acid đó:

$$m_{\text{dd}} = \frac{24{,}5}{0{,}98} = 25\ \text{g} \Rightarrow V = \frac{25}{1{,}84} \approx 13{,}6\ \text{mL}$$

Kết luận:

a) Pha được $4,800$ g dung dịch $\text{CuSO}_4$ $0{,}8\%$;

b) cần lấy khoảng $13{,}6$ mL acid đặc, rót từ từ vào nước rồi định mức tới $500$ mL.

Bảng tra nhanh: chọn phương pháp theo dữ kiện đề bài

ThS. Lê Thị Mai Nhi

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Hoá Học THPT

Trình độ: Thạc sĩ Hóa học, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 10+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Chuyên Nguyễn Huệ