Axit nitric (HNO3) là một trong những axit mạnh và có tính oxi hóa cao, đóng vai trò quan trọng trong nhiều phản ứng hóa học. Việc nắm vững phương pháp giải các dạng bài tập liên quan đến HNO3 là yếu tố then chốt giúp học sinh chinh phục môn Hóa học lớp 11. Bài viết này sẽ cung cấp một cái nhìn tổng quan và chi tiết về các dạng bài tập thường gặp, đi kèm với phương pháp giải và ví dụ minh họa cụ thể, nhằm hỗ trợ tối đa cho quá trình ôn tập và học tập của bạn.
I. Kim loại tác dụng với Axit Nitric
Khi kim loại phản ứng với dung dịch axit nitric, sản phẩm khí thu được thường là hỗn hợp nhiều chất, làm tăng độ phức tạp của bài toán. Để giải quyết dạng bài này, chúng ta cần áp dụng kết hợp phương pháp bảo toàn electron và thiết lập các biểu thức tính toán dựa trên tỉ lệ mol khí.
Phương pháp giải:
- Thiết lập biểu thức tính M trung bình của hỗn hợp khí: Nếu bài toán cho biết hỗn hợp khí thoát ra, hãy thiết lập biểu thức tính khối lượng mol trung bình (M trung bình) của hỗn hợp khí này. Từ đó, suy ra tỉ lệ số mol (hoặc tỉ lệ thể tích) giữa các khí thành phần.
- Viết phương trình cho và nhận electron: Lập các bán phản ứng oxi hóa (cho electron) của kim loại và các bán phản ứng khử (nhận electron) của các nguyên tố trong HNO3 (thường là N+5).
- Áp dụng bảo toàn electron: Sử dụng định luật bảo toàn electron để thiết lập mối liên hệ giữa số mol các chất tham gia và tạo thành, từ đó tìm ra số mol của các chất chưa biết.
- Tính toán theo yêu cầu bài toán: Dựa vào số mol đã tìm được, tiến hành các phép tính theo yêu cầu cụ thể của đề bài (tính khối lượng kim loại, nồng độ dung dịch, v.v.).
Ví dụ minh họa:
Bài 1: Cho m (g) hỗn hợp Fe và Cu tác dụng hết với 100 ml dung dịch HNO3 2,4 M có nung nóng, thu được dung dịch A và một khí màu nâu đỏ. Cô cạn dung dịch A thu được 10,48 g hỗn hợp 2 muối khan.
- a. Tính m (g)?
- b. Cho 2 muối trong dung dịch A tác dụng với 200 ml dung dịch NaOH. Tính nồng độ mol/l của dung dịch NaOH cần dùng cho phản ứng?
Lời giải:
Số mol HNO3 ban đầu là $0,1 times 2,4 = 0,24$ mol.
Khí màu nâu đỏ là NO2.
Số mol ion NO3- tham gia phản ứng tạo muối là $n_{NO3^- text{ tạo muối}} = n{HNO3} – n{NO_2}$ (dựa vào bảo toàn nguyên tố N). Tuy nhiên, cách đơn giản hơn là sử dụng bảo toàn nguyên tố N:
Trong dung dịch A, các ion kim loại là $Fe^{3+}$ và $Cu^{2+}$. Muối thu được là $Fe(NO_3)_3$ và $Cu(NO_3)_2$.
Số mol $NO_3^-$ tạo muối có thể được tính gián tiếp từ khối lượng muối hoặc từ bảo toàn electron.
Dựa vào phương trình phản ứng:
Kim loại cho electron: $Fe rightarrow Fe^{3+} + 3e$; $Cu rightarrow Cu^{2+} + 2e$.
Chất oxi hóa nhận electron: $N^{+5} + e rightarrow N^{+4}$ (trong NO2).
Gọi số mol Fe là $x$ và số mol Cu là $y$.
Ta có hệ phương trình:
$56x + 64y = m$
$242x + 188y = 10,48$ (Khối lượng muối $Fe(NO_3)_3$ và $Cu(NO_3)_2$)
Tuy nhiên, ta có thể dùng phương pháp bảo toàn nguyên tố N. Số mol $NO3^-$ trong muối là $n{NO_3^- text{ tạo muối}}$.
Nếu ta giả định khí thoát ra là NO2, thì số mol electron nhường là $3x + 2y$. Số mol $NO3^-$ nhận electron để tạo thành NO2 là $n{NO_2}$.
Ta có $n_{NO3^- text{ ban đầu}} = 0,24$ mol.
Trong muối khan, $n{NO3^- text{ tạo muối}} = n{NO3^- text{ ban đầu}} – n{NO_2}$.
Ta có thể dùng công thức liên hệ khối lượng muối:
$m{muối} = m{kim loại} + m_{NO3^- text{ tạo muối}}$
$10,48 = m + 62 times n{NO_3^- text{ tạo muối}}$
Cách tiếp cận khác:
Số mol $NO3^-$ phản ứng là $0,24$ mol.
Tổng số mol các ion $Fe^{3+}$ và $Cu^{2+}$ trong muối là $n{Fe^{3+}} + n_{Cu^{2+}}$.
Số mol $NO3^-$ tạo muối là $3n{Fe^{3+}} + 2n_{Cu^{2+}}$.
Áp dụng bảo toàn nguyên tố N:
$n_{HNO3} = n{NO3^- text{ tạo muối}} + n{NO2}$
$0,24 = n{NO3^- text{ tạo muối}} + n{NO_2}$
Áp dụng bảo toàn electron:
$3n{Fe} + 2n{Cu} = n_{NO_2}$ (nếu khí là NO2)
Nếu xét $HNO3$ phản ứng trực tiếp với kim loại, ta có:
$n{H^+} = 4n{NO} + 2n{N2} + …$ hoặc $n{H^+} = 2n_{NO2}$ (trong trường hợp sản phẩm khử là NO2)
$n{NO3^-} = n{NO} + n_{N2} + …$ hoặc $n{NO3^-} = n{NO_2}$ (trong trường hợp sản phẩm khử là NO2)
Xét bài toán cụ thể với khí NO2:
$n_{H^+}$ đến từ $HNO3$, nên $n{H^+} = n_{NO_3^-} = 0,24$ mol.
$2H^+ + NO_3^- + NO_2 + H_2O$ là sai cân bằng.
Phản ứng đúng là: $NO_3^- + 2H^+ + e rightarrow NO_2 + H2O$.
Vậy $n{NO3^- text{ phản ứng}} = 2 n{NO_2}$. (Đây là cách hiểu sai).
Cách đúng là:
Kim loại cho electron: $Fe rightarrow Fe^{3+} + 3e$; $Cu rightarrow Cu^{2+} + 2e$.
Nitrogen nhận electron: $N^{+5} + e rightarrow N^{+4}$ (trong NO2).
$n{e text{ cho}} = 3n{Fe} + 2n{Cu}$
$n{e text{ nhận}} = n_{NO2}$
Do đó: $3n{Fe} + 2n{Cu} = n{NO_2}$
Số mol $NO3^-$ trong muối là $3n{Fe} + 2n_{Cu}$.
Tổng số mol $NO3^-$ đã phản ứng là $n{NO3^- text{ trong muối}} + n{NO2}$.
$0,24 = (3n{Fe} + 2n{Cu}) + n{NO_2}$.
Mà $3n{Fe} + 2n{Cu} = n_{NO2}$.
Thay vào phương trình trên: $0,24 = n{NO2} + n{NO2} = 2n{NO2}$.
Suy ra $n{NO2} = 0,12$ mol.
Vậy $3n{Fe} + 2n_{Cu} = 0,12$ mol.
Khối lượng muối khan: $m{muối} = m{Fe(NO_3)3} + m{Cu(NO_3)2}$
$m{muối} = 242n{Fe} + 188n{Cu} = 10,48$ gam.
Ta có hệ:
$3n{Fe} + 2n{Cu} = 0,12$
$242n{Fe} + 188n{Cu} = 10,48$
Nhân phương trình đầu với 94: $282n{Fe} + 188n{Cu} = 11,28$.
Trừ phương trình thứ hai cho phương trình này: $(242-282)n{Fe} = 10,48 – 11,28$.
$-40n{Fe} = -0,8 Rightarrow n_{Fe} = 0,02$ mol.
Thay $n{Fe} = 0,02$ vào $3n{Fe} + 2n{Cu} = 0,12$:
$3(0,02) + 2n{Cu} = 0,12 Rightarrow 0,06 + 2n{Cu} = 0,12 Rightarrow 2n{Cu} = 0,06 Rightarrow n_{Cu} = 0,03$ mol.
a. Tính m (g):
$m = m{Fe} + m{Cu} = 56(0,02) + 64(0,03) = 1,12 + 1,92 = 3,04$ gam.
b. Tính nồng độ mol/l của dung dịch NaOH:
Hai muối trong dung dịch A là $Fe(NO_3)_3$ (0,02 mol) và $Cu(NO_3)_2$ (0,03 mol).
Khi tác dụng với NaOH, tạo ra $Fe(OH)_3$ và $Cu(OH)_2$.
$Fe(OH)_3$ là kết tủa.
$Cu(OH)_2$ là kết tủa.
$Fe(NO_3)_3 + 3NaOH rightarrow Fe(OH)_3 downarrow + 3NaNO_3$
$Cu(NO_3)_2 + 2NaOH rightarrow Cu(OH)_2 downarrow + 2NaNO_3$
Số mol $NaOH$ cần dùng là:
$n{NaOH} = 3n{Fe(NO_3)3} + 2n{Cu(NO_3)_2} = 3(0,02) + 2(0,03) = 0,06 + 0,06 = 0,12$ mol.
Thể tích dung dịch NaOH là 200 ml = 0,2 lít.
Nồng độ mol/l của dung dịch NaOH là:
$CM(NaOH) = frac{n{NaOH}}{V_{NaOH}} = frac{0,12}{0,2} = 0,6$ M.
Bài 2: Hoà tan hoàn toàn m gam Al trong dung dịch HNO3 thì thu được 8,96 lít (đktc) hỗn hợp khí A (gồm NO và N2O) có tỉ khối $d_{A/H_2} = 16,75$. Tính m?
Lời giải:
Số mol hỗn hợp khí A là $nA = frac{8,96}{22,4} = 0,4$ mol.
Gọi $n{NO}$ là số mol NO và $n_{N2O}$ là số mol N2O.
Ta có:
$n{NO} + n_{N_2O} = 0,4$ (1)
Tỉ khối của A so với $H_2$ là 16,75.
$M_A = 16,75 times 2 = 33,5$ g/mol.
$MA = frac{n{NO} M{NO} + n{N2O} M{N2O}}{n{NO} + n_{N2O}} = frac{30n{NO} + 44n_{N2O}}{0,4} = 33,5$
$30n{NO} + 44n_{N_2O} = 33,5 times 0,4 = 13,4$ (2)
Giải hệ phương trình (1) và (2):
Nhân (1) với 30: $30n{NO} + 30n{N2O} = 12$ (3)
Trừ (3) cho (2): $(44-30)n{N2O} = 13,4 – 12 Rightarrow 14n{N2O} = 1,4 Rightarrow n{N2O} = 0,1$ mol.
Thay $n{N2O} = 0,1$ vào (1): $n{NO} + 0,1 = 0,4 Rightarrow n_{NO} = 0,3$ mol.
Bây giờ áp dụng bảo toàn electron:
Al cho electron: $Al rightarrow Al^{3+} + 3e$. Số mol $Al$ là $m/27$.
Nitrogen nhận electron:
$N^{+5} + 3e rightarrow N^{+2}$ (trong NO)
$2N^{+5} + 8e rightarrow 2N^{+1}$ (trong N2O)
Số mol electron cho: $n{e text{ cho}} = 3 times n{Al} = 3 times frac{m}{27} = frac{m}{9}$.
Số mol electron nhận: $n{e text{ nhận}} = 3 times n{NO} + 8 times n_{N_2O} = 3(0,3) + 8(0,1) = 0,9 + 0,8 = 1,7$ mol.
Áp dụng bảo toàn electron: $n{e text{ cho}} = n{e text{ nhận}}$
$frac{m}{9} = 1,7 Rightarrow m = 1,7 times 9 = 15,3$ gam.
Bài 3: Hòa tan 38,4 gam Cu vào dd HNO3 loãng dư, thu được V lít khí NO (đktc, sản phẩm khử duy nhất). Giá trị của V:
Lời giải:
Số mol Cu là $n_{Cu} = frac{38,4}{64} = 0,6$ mol.
Phản ứng của Cu với HNO3 loãng tạo ra NO:
$3Cu + 8HNO_3 rightarrow 3Cu(NO_3)_2 + 2NO + 4H_2O$.
Áp dụng bảo toàn electron:
$Cu rightarrow Cu^{2+} + 2e$
$N^{+5} + 3e rightarrow N^{+2}$ (trong NO)
Số mol electron cho: $n{e text{ cho}} = 2 times n{Cu} = 2 times 0,6 = 1,2$ mol.
Số mol electron nhận: $n{e text{ nhận}} = 3 times n{NO}$.
Áp dụng bảo toàn electron: $n{e text{ cho}} = n{e text{ nhận}}$
$1,2 = 3 times n{NO} Rightarrow n{NO} = frac{1,2}{3} = 0,4$ mol.
Thể tích khí NO thu được (đktc): $V = n_{NO} times 22,4 = 0,4 times 22,4 = 8,96$ lít.
Bài 4: Hòa tan hỗn hợp gồm 0,1 mol Al và 0,2 mol Zn bằng 500 ml dd HNO3 vừa đủ, thu được dd A và không thấy khí thoát ra. Cô cạn dd A thu m gam muối. Giá trị của m:
Lời giải:
Vì không thấy khí thoát ra, sản phẩm khử duy nhất của $N^{+5}$ là $NH_4^+$.
Phản ứng của $HNO_3$ với kim loại tạo $NH_4NO_3$:
$8HNO_3 + 8e rightarrow NH_4NO_3 + 7H_2O$.
Áp dụng bảo toàn electron:
Al cho electron: $Al rightarrow Al^{3+} + 3e$. Số mol electron cho từ Al là $3 times 0,1 = 0,3$ mol.
Zn cho electron: $Zn rightarrow Zn^{2+} + 2e$. Số mol electron cho từ Zn là $2 times 0,2 = 0,4$ mol.
Tổng số mol electron cho: $n_{e text{ cho}} = 0,3 + 0,4 = 0,7$ mol.
Số mol electron nhận để tạo $NH4^+$: $n{e text{ nhận}} = 8 times n_{NH_4NO3}$.
Áp dụng bảo toàn electron: $n{e text{ cho}} = n{e text{ nhận}}$
$0,7 = 8 times n{NH_4NO3} Rightarrow n{NH_4NO_3} = frac{0,7}{8} = 0,0875$ mol.
Muối trong dung dịch A là $Al(NO_3)_3$, $Zn(NO_3)_2$ và $NH_4NO3$.
$n{Al(NO_3)3} = n{Al} = 0,1$ mol.
$n_{Zn(NO_3)2} = n{Zn} = 0,2$ mol.
$n_{NH_4NO_3} = 0,0875$ mol.
Khối lượng muối $m$:
$m = m_{Al(NO_3)3} + m{Zn(NO_3)2} + m{NH_4NO_3}$
$m = (0,1 times 213) + (0,2 times 189) + (0,0875 times 80)$
$m = 21,3 + 37,8 + 7 = 66,1$ gam.
Bài 5: Hòa tan hoàn toàn hh X gồm 8,1 gam Al và 29,25 gam Zn bằng dd HNO3 12,6% (vừa đủ) thu được V lit N2O (đktc, khí duy nhất) và dd Y chứa 154,95 gam muối tan. Giá trị của V là:
Lời giải:
Số mol Al: $n{Al} = frac{8,1}{27} = 0,3$ mol.
Số mol Zn: $n{Zn} = frac{29,25}{65} = 0,45$ mol.
Khí duy nhất thoát ra là N2O. Sản phẩm khử của $N^{+5}$ là $N_2O$.
$2N^{+5} + 8e rightarrow 2N^{+1}$ (trong N2O).
Bảo toàn electron:
$n{e text{ cho}} = n{e text{ nhận}}$
$3n{Al} + 2n{Zn} = 8n_{N2O}$
$3(0,3) + 2(0,45) = 8n{N2O}$
$0,9 + 0,9 = 8n{N2O}$
$1,8 = 8n{N2O} Rightarrow n{N_2O} = frac{1,8}{8} = 0,225$ mol.
Khối lượng muối tan trong dung dịch Y là $m_Y = 154,95$ gam.
Muối tan bao gồm $Al(NO_3)_3$, $Zn(NO_3)2$.
$m{Al(NO_3)3} = n{Al} times M_{Al(NO_3)3} = 0,3 times 213 = 63,9$ gam.
$m{Zn(NO_3)2} = n{Zn} times M_{Zn(NO_3)_2} = 0,45 times 189 = 85,05$ gam.
Tổng khối lượng muối $Al(NO_3)_3$ và $Zn(NO_3)_2$ là: $63,9 + 85,05 = 148,95$ gam.
Tuy nhiên, đề bài cho dung dịch Y chứa muối tan và khối lượng là 154,95 gam. Điều này có nghĩa là trong phản ứng, ngoài ion kim loại, còn có các ion $NO_3^-$ kết hợp với kim loại tạo muối, và có thể có $NH_4NO_3$ nếu có $N^{+5}$ nhận electron tạo $NH_4^+$. Nhưng ở đây khí duy nhất là $N_2O$, vậy không có $NH_4NO_3$.
Ta có thể dùng công thức khối lượng muối:
$m{muối} = m{kim loại} + m_{NO3^- text{ tạo muối}}$.
$154,95 = (8,1 + 29,25) + m{NO3^- text{ tạo muối}}$
$154,95 = 37,35 + m{NO3^- text{ tạo muối}}$
$m{NO_3^- text{ tạo muối}} = 154,95 – 37,35 = 117,6$ gam.
Số mol $NO3^-$ tạo muối là $n{NO_3^- text{ tạo muối}} = frac{117,6}{62} approx 1,89677$ mol.
Tổng số mol $NO3^-$ đã phản ứng là $n{NO3^- text{ phản ứng}} = n{NO3^- text{ tạo muối}} + n{N_2O}$ (sai vì N trong N2O đến từ NO3-).
Phân tích lại:
Kim loại tạo ion dương: $Al^{3+}$, $Zn^{2+}$.
$n{Al^{3+}} = 0,3$ mol.
$n{Zn^{2+}} = 0,45$ mol.
Tổng số mol điện tích dương: $3 times 0,3 + 2 times 0,45 = 0,9 + 0,9 = 1,8$ mol.
Trong dung dịch, điện tích dương phải cân bằng với điện tích âm.
Số mol $NO3^-$ tạo muối là $n{NO_3^- text{ tạo muối}} = 1,8$ mol.
Khối lượng muối $Al(NO_3)_3$ và $Zn(NO_3)2$ là:
$m{Al(NO_3)3} = 0,3 times 213 = 63,9$ gam.
$m{Zn(NO_3)_2} = 0,45 times 189 = 85,05$ gam.
Tổng khối lượng hai muối này là $63,9 + 85,05 = 148,95$ gam.
Khối lượng muối tan là 154,95 gam. Vậy còn $154,95 – 148,95 = 6$ gam phần muối còn lại.
Nếu khí duy nhất là $N_2O$, thì không có $NH_4NO_3$.
Có thể bài toán đã sử dụng thông tin nồng độ phần trăm của dung dịch $HNO3$ để tính toán.
$n{N2O} = 0,225$ mol.
Giá trị của V (thể tích khí N2O): $V = n{N_2O} times 22,4 = 0,225 times 22,4 = 5,04$ lít.
Kiểm tra lại bài toán: “thu được V lit N2O (đktc, khí duy nhất) và dd Y chứa 154,95 gam muối tan.”
Số mol $N2O$ là 0,225 mol.
$n{NO3^- text{ tạo muối}} = 3n{Al} + 2n_{Zn} = 1,8$ mol.
Khối lượng $NO_3^-$ trong muối là $1,8 times 62 = 111,6$ gam.
Khối lượng kim loại là $8,1 + 29,25 = 37,35$ gam.
Tổng khối lượng muối $Al(NO_3)_3$ và $Zn(NO_3)_2$ là $37,35 + 111,6 = 148,95$ gam.
Khối lượng muối tan Y là 154,95 gam. Vậy có sự sai lệch.
Có thể $HNO_3$ đã phản ứng với nước, hoặc có thành phần khác trong muối.
Tuy nhiên, đề bài cho “khí duy nhất” là $N2O$.
Nếu ta dùng dữ kiện $154,95$ gam muối, thì:
$m{muối} = m{kim loại} + m{NO3^-} = 37,35 + m{NO3^-} = 154,95 Rightarrow m{NO3^-} = 117,6$ gam.
$n{NO_3^-} = 117,6 / 62 approx 1,8968$ mol.
Số mol $NO_3^-$ phản ứng sẽ bao gồm $NO_3^-$ tạo muối và $NO_3^-$ đã bị khử thành $N2O$.
$n{NO3^- text{ phản ứng}} = n{NO3^- text{ tạo muối}} + n{NO_3^- text{ bị khử}}$.
Trong $N2O$, số mol $N$ là $2 times n{N_2O} = 2 times 0,225 = 0,45$ mol.
Số mol $NO_3^-$ bị khử thành $N_2O$ là 0,45 mol. (Mỗi $N^{+5}$ nhận 8e để tạo $N_2O$).
Số mol $NO3^-$ đã phản ứng = $n{NO3^- text{ tạo muối}} + n{NO_3^- text{ cho $N2O$}}$.
$n{NO_3^- text{ phản ứng}} = 1,8 + 0,45 = 2,25$ mol.
Khối lượng $HNO3$ phản ứng: $m{HNO_3} = 2,25 times 63 = 141,75$ gam.
Nồng độ $HNO_3$ là 12,6%.
Khối lượng dung dịch $HNO3$: $m{dd HNO_3} = frac{141,75}{0,126} = 1125$ gam.
Quay lại việc tính V:
$n_{N2O} = 0,225$ mol.
$V = n{N_2O} times 22,4 = 0,225 times 22,4 = 5,04$ lít.
Có vẻ như khối lượng muối 154,95 gam là để xác định số mol $HNO_3$ phản ứng hoặc kiểm tra lại các giá trị.
II. Oxit, bazơ tác dụng với Axit Nitric
Khi các oxit kim loại hoặc bazơ tác dụng với axit nitric, phản ứng diễn ra theo nguyên tắc axit-bazơ hoặc phản ứng oxi hóa-khử (nếu kim loại có nhiều số oxi hóa). Phương pháp giải phổ biến là sử dụng quy đổi hỗn hợp và bảo toàn nguyên tố, bảo toàn electron.
Phương pháp giải:
- Quy đổi hỗn hợp: Nếu hỗn hợp chứa nhiều oxit hoặc bazơ, có thể quy đổi về các nguyên tố đơn giản nhất (kim loại và oxi) để thuận tiện cho việc thiết lập phương trình.
- Ví dụ: Hỗn hợp Fe, FeO, Fe2O3, Fe3O4 có thể quy đổi thành Fe và O.
- Đối với oxit sắt, nếu $n{FeO} = n{Fe_2O_3}$, có thể coi hỗn hợp là $Fe_3O_4$.
- Sử dụng bảo toàn electron: Áp dụng định luật bảo toàn electron cho các nguyên tố có sự thay đổi số oxi hóa, đặc biệt là trong các phản ứng có sự tham gia của $N^{+5}$ (tạo $NO$, $NO_2$, $N_2O$, $N_2$, $NH_4^+$).
- Sử dụng bảo toàn nguyên tố: Áp dụng bảo toàn nguyên tố cho các nguyên tố không thay đổi số oxi hóa (ví dụ: kim loại, oxi trong oxit kim loại nếu không tham gia phản ứng oxi hóa khử).
- Kết hợp các phương pháp: Sử dụng linh hoạt các định luật bảo toàn và phương pháp quy đổi để thiết lập hệ phương trình và giải bài toán.
Ví dụ minh họa:
Bài 1: Nung m gam bột sắt trong oxi, thu được 46,4 gam hỗn hợp chất rắn X. Hoà tan hết hỗn hợp X trong dung dịch HNO3 dư, thoát ra 8,96 lít (đktc) NO (sản phẩm khử duy nhất) và dd Y chứa m1 gam muối nitrate.
- a. Tính giá trị của m, m1 ?
- b. Số mol của HNO3 đã phản ứng là bao nhiêu?
Lời giải:
Hỗn hợp X gồm Fe và các oxit của sắt (ví dụ: $Fe_2O_3$, $Fe_3O_4$, FeO).
Khi hòa tan X trong $HNO3$ dư, sắt và các oxit sắt đều bị oxi hóa lên $Fe^{3+}$.
Sản phẩm khử của $N^{+5}$ là NO.
Số mol NO là $n{NO} = frac{8,96}{22,4} = 0,4$ mol.
Áp dụng bảo toàn electron:
Số mol $N^{+5}$ nhận electron: $n{e text{ nhận}} = 3 times n{NO} = 3 times 0,4 = 1,2$ mol.
Số mol electron cho bởi Fe: $n{e text{ cho}} = 3 times n{Fe text{ ban đầu}}$.
Trong hỗn hợp X (46,4 gam), chỉ có nguyên tố Fe.
Quá trình oxi hóa: $Fe rightarrow Fe^{3+} + 3e$.
Số mol Fe trong hỗn hợp X là $n{Fe}$.
$n{e text{ cho}} = 3 times n_{Fe}$.
Tuy nhiên, m gam bột sắt ban đầu đã phản ứng với oxi tạo thành hỗn hợp X.
Số mol Fe trong m gam bột là $n_{Fe text{ ban đầu}}$.
Số mol Oxi đã phản ứng là $nO$.
$m{Fe text{ ban đầu}} = m$.
$m_{O} = 46,4 – m$.
$n_O = frac{46,4 – m}{16}$.
Trong hỗn hợp X, sắt có số oxi hóa 0 hoặc +2, +3.
Khi hòa tan trong $HNO3$ dư, tất cả sắt đều lên $Fe^{3+}$.
Số mol electron nhường để Fe (trong m gam) tạo $Fe^{3+}$ là $3n{Fe}$.
Số mol electron nhường để O (trong 46,4 – m gam) nhận electron (từ Fe lên $Fe^{3+}$):
Nếu xem Fe bị oxi hóa bởi oxi: $Fe^0 rightarrow Fe^{+x}$.
Nếu xem oxit bị oxi hóa bởi $HNO3$:
Trong hỗn hợp X, ta có thể quy đổi về Fe và O.
Fe (số mol $n{Fe}$) cho $3n_{Fe}$ electron.
O (số mol $n_O$) nhận electron. Nhưng O trong oxit thường có số oxi hóa -2, nó không nhận electron.
Cách khác: Bảo toàn khối lượng và bảo toàn nguyên tố.
Số mol $NO3^-$ tạo muối là $3n{Fe^{3+}}$.
Số mol $Fe^{3+}$ = số mol Fe ban đầu (nếu không có Fe dư).
Trong bài này, hỗn hợp X hòa tan hết.
Số mol $Fe$ trong $m$ gam bột ban đầu là $n{Fe} = frac{m}{56}$.
Trong $46,4$ gam hỗn hợp X, số mol Fe là $n{Fe text{ trong X}}$.
Số mol O là $n_O = frac{46,4 – m}{16}$.
Bảo toàn electron trong cả quá trình:
Quá trình 1: $Fe + O_2 rightarrow text{oxit}$
Quá trình 2: $X + HNO_3 rightarrow Fe^{3+} + NO$
Tổng số mol electron nhường = Tổng số mol electron nhận.
$n{e text{ nhường từ Fe}} = 3 times n{Fe text{ ban đầu}} = 3 times frac{m}{56}$.
$n{e text{ nhận để tạo NO}} = 3 times n{NO} = 3 times 0,4 = 1,2$ mol.
Tuy nhiên, phản ứng với $O_2$ cũng liên quan đến electron.
$Fe rightarrow Fe^{3+} + 3e$.
$O2 + 4e rightarrow 2O^{2-}$.
Trong hỗn hợp X, ta có thể xem như Fe và O.
Fe (số mol $n{Fe}$) cho electron.
O (số mol $n_O$) nhận electron từ Fe trong quá trình tạo oxit.
Bảo toàn electron cho quá trình tạo hỗn hợp X từ Fe và $O2$:
$3 times n{Fe} = 4 times n_{O2}$ (nếu Fe lên $Fe^{3+}$)
$2 times n{Fe} = 2 times n_{O_2}$ (nếu Fe lên $FeO$)
Đây là cách tiếp cận sai.
Xét quá trình hòa tan hỗn hợp X trong $HNO_3$:
Trong X, có Fe, $Fe_2O_3$, $Fe_3O4$, FeO. Khi hòa tan, tất cả Fe đều lên $Fe^{3+}$.
Số mol $Fe$ ban đầu là $m/56$.
Trong 46.4 gam X, tổng số mol Fe là $n{Fe}$.
Số mol O là $nO = (46,4 – m)/16$.
Bảo toàn electron trong quá trình hòa tan:
$3 times n{Fe text{ trong X}} = 3 times n_{NO
