§33. ĐIỀU CHẾ KHÍ HIĐRO-PHẢN ỨNG THỂ

A. KIẾN THỨC CẦN NHỚ

1. Điều chế khí hiđro

a) Trong phòng thí nghiệm: Cho axit (HCl hoặc $H_{2}SO_{4}$ loãng) tác dụng với kim loại. Ví dụ:

b) Trong công nghiệp: Điện phân nước hoặc dùng than (C) khử oxi của nước trong lò khí than:

2. Phản ứng thế: Là phản ứng hóa học giữa đơn chất và hợp chất trong đó nguyên tử của đơn chất thay thế nguyên tử của một nguyên tố khác trong hợp chất.

Ví dụ:

(Nguyên tử Zn thay thế nguyên tử H trong hợp chất HCl để tạo thành $ZnCl_{2}$).

B. BÀI GIẢI CHI TIẾT CÁC CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP

1. Một học sinh làm thí nghiệm sau:

1. Cho dung dịch axit HCl tác dụng với định Fe sạch.

2. Đun sôi nước.

3. Đốt một mẫu cacbon.

Hỏi:

a) Trong những thí nghiệm nào có sản phẩm mới xuất hiện, chất đó là chất gì?

b) Trong thí nghiệm nào có sự biểu hiện của thay đổi trạng thái.

c) Trong thí nghiệm nào có sự tiêu hao oxi.

Trả lời:

a) Các thí nghiệm có sản phẩm mới xuất hiện là:

- Sản phẩm mới: Ở thí nghiệm 1 là $FeCl_{2}$ và $H_{2}$ ; ở thí nghiệm 3 là khí $CO_{2}$.

b) Trong thí nghiệm 2, nước có sự thay đổi trạng thái: từ lỏng thành hơi.

c) Thí nghiệm 3 có sự tiêu hao oxi, do sự cháy.

2. a) Viết phương trình phản ứng điều chế hiđro trong phòng thí nghiệm.

b) Nguyên liệu nào được dùng để điều chế $H_{2}$ trong phòng thí nghiệm, trong công nghiệp.

Trả lời:

a) Phương trình phản ứng điều chế hiđro trong phòng thí nghiệm là:

Kim loại + Axit HCl (hoặc axit $H_{2}SO_{4}$ loãng) → Muối + $H_{2}$

b) - Nguyên liệu để điều chế $H_{2}$ trong phòng thí nghiệm:

+ Các kim loại thích hợp như: Fe, Zn, Al, Mg.

+ Các axit thích hợp như: HCl, $H_{2}SO_{4}$ loãng (không dùng axit nitric $HNO_{3}$).

- Nguyên liệu để điều chế $H_{2}$ trong công nghiệp:

+ Các khí thiên nhiên: Khí này chủ yếu chứa metan có lẫn $O_{2}$ và hơi nước.

+ Tách khí hiđro từ khi than cốc hoặc từ khí chế biến dầu mỏ, được thực hiện bằng cách làm lạnh, ở đó tất cả các khí trừ hiđro, đều bị hóa lỏng.

3. Một em học sinh tự làm thí nghiệm ở nhà, cho đinh sắt sạch vào giấm ăn (dung dịch axit axetic $CH_{3}COOH$). Thí nghiệm trên và thí nghiệm điều chế hiđro trong sách giáo khoa có những hiện tượng gì khác nhau, em hãy so sánh. Cho biết khí thoát ra là khí gì? Cách nhận biết.

Trả lời:

- So sánh: So với thí nghiệm trong sách giáo khoa, thí nghiệm này có ít bọt khí xuất hiện trên bề mặt mảnh sắt, khí thoát ra khỏi dung dịch giấm ăn chậm, mảnh sắt tan dần chậm hơn mảnh Zn.

- Khí thoát ra là khí hiđro.

- Cách nhận biết:

+ Đưa que đóm còn tàn đỏ vào đầu ống dẫn khí, khí thoát ra không làm cho than hồng bùng cháy.

+ Đưa que đóm còn tàn đỏ vào đầu ống dẫn khí, khí thoát ra sẽ cháy được trong không khí với ngọn lửa màu xanh nhạt, đó là khí hiđro.

4. Trong phòng thí nghiệm có các kim loại kẽm và magie, các dung dịch axit sunfuric loãng $H_{2}SO_{4}$ và axit clohiđric HCl.

a) Hãy viết các phương trình phản ứng để điều chế khí $H_{2}$.

b) Muốn điều chế được 1,12 lít khí hiđro (đktc) phải dùng kim loại nào, axit nào để chỉ cần một khối lượng nhỏ nhất?

Trả lời:

a) Các phương trình phản ứng điều chế $H_{2}$:

b) - Số mol khí $H_{2}$ điều chế được là: $n_{H_{2}}$ = $\large \frac{1,12}{22,4}$ = 0,05mol.

- Muốn điều chế 1,12 lít khí hiđro với khối lượng kim loại và axit nhỏ nhất cần phải dùng kim loại magie và axit clohiđric (vì $M_{Mg}$ = 24; $M_{Zn}$ = 65; $M_{HCl}$ = 36,5; $M_{H_{2}SO_{4}}$ = 98).

5. Trong giờ thực hành hóa học, học sinh A cho 32,5g kẽm vào dung dịch $H_{2}SO_{4}$ loãng, học sinh B cho 32,5g sắt cũng vào dung dịch $H_{2}SO_{4}$ loãng ở trên. Hãy cho biết học sinh nào thu được khí hiđro nhiều hơn? (đo ở cùng điều kiện nhiệt độ, áp suất).

Trả lời:

- Với thí nghiệm của học sinh A thì:

$n_{Zn}$ = $\large \frac{32,5}{65}$ = 0,5mol

- Với thí nghiệm của học sinh B thì:

$n_{Fe}$ = $\large \frac{32,5}{56}$ = 0,58mol

- Các phương trình phản ứng:

Từ hai phương trình trên ta thấy: Học sinh B thu được khí $H_{2}$ nhiều hơn học sinh A.

6. Trong giờ học thực hành hóa học, một học sinh nhúng một đinh sắt vào dung dịch muối đồng sunfat $CuSO_{4}$. Sau một thời gian, lấy đinh sắt ra khỏi dung dịch muối. Thanh sắt bị phủ một lớp màu đỏ gạch và dung dịch muối sắt (II) sunfat $FeSO_{4}$

a) Hãy viết phương trình phản ứng.

b) Hãy cho biết phản ứng trên thuộc loại phản ứng nào?

Trả lời:

a) Phương trình phản ứng:

b) Phản ứng trên là phản ứng thế, nguyên tử Fe đã thế chỗ nguyên tử Cu trong $CuSO_{4}$.

7. Cho 6,5g kẽm vào bình dung dịch chứa 0,25mol axit clohiđric.

a) Tính thể tích khí hiđro thu được ở đktc.

b) Sau phản ứng còn dư chất nào? Khối lượng là bao nhiêu gam?

Trả lời:

a) Số mol Zn là: $n_{Zn}$ = $\large \frac{6,5}{65}$ = 0,1mol; số mol HCl là: $n_{HCl}$ = 0,25mol.

- Phương trình phản ứng là:

- Thể tích khí $H_{2}$ thu được là: $V_{H_{2}}$ = 0,1.22,4 = 2,24 lít.

b) Từ phương trình trên ta thấy, chất dư là HCl.

- Số mol HCl dư là: $n'_{HCl}$ = 0,25 – 0,2 = 0,05mol.

- Khối lượng HCl dư là: $m_{HCl}$ = 0,05.36,5 = 1,825g.

8. Cho mạt sắt vào một dung dịch chứa 0,2mol $H_{2}SO_{4}$ loãng. Sau một thời gian, bột sắt tan hoàn toàn và người ta thu được 1,68 lít khí hiđro (đktc).

a) Viết phương trình phản ứng.

b) Tính khối lượng mạt sắt đã phản ứng.

c) Để có lượng sắt tham gia phản ứng trên, người ta phải dùng bao nhiêu gam sắt (III) oxit tác dụng với khí hiđro.

Trả lời:

a) Phương trình phản ứng:

b)- Số mol $H_{2}$ thu được là: $n_{H_{2}}$ = $\large \frac{1,68}{22,4}$ = 0,075mol

- Khối lượng mạt sắt đã phản ứng:

- Từ phương trình phản ứng trên ta nhận thấy axit dư, số mol axit đã phản ứng là 0,075mol và khối lượng mạt sắt đã tham gia phản ứng là:

$m_{Fe}$ = 0,075.56 = 4,2g

c) Phương trình phản ứng điều chế sắt từ sắt (III) oxit và hiđro là:

- Số mol $Fe_{2}O_{3}$ cần dùng là: x = $\large \frac{0,075}{2}$ = 0,0375mol.

- Khối lượng $Fe_{2}O_{3}$ cần dùng để điều chế lượng sắt trên là:

$m_{Fe_{2}O_{3}}$ = 0,0375.160 = 6g.

9. Người ta cho kẽm hoặc sắt tác dụng với dung dịch axit clohiđric HCl để điều chế khí hiđro. Nếu muốn điều chế 2,24 lít khí hiđro (đktc) thì phải dùng số gam kẽm hoặc sắt lần lượt là:

A. 6,5g và 5,6g;

B. 16g và 8g;

C. 13g và 11,2g;

D. 9,75g và 8,4g.

Trả lời: Chọn A.

- Số mol $H_{2}$ cần điều chế là: $n_{H_{2}}$ = $\large \frac{2,24}{22,4}$ = 0,1mol

- Phương trình phản ứng điều chế $H_{2}$ từ Zn và HCl là:

- Khối lượng Zn cần dùng là: $m_{Zn}$ = 0,1.65 = 6,5g.

- Khối lượng Fe cần dùng là: $m_{Fe}$ = 0,1.56 = 5,6g.

10. Điện phân hoàn toàn 2 lít nước ở trạng thái lỏng (biết khối lượng riêng D của nước là 1 kg/l), thể tích khí hiđro và thể tích khí oxi thu được (ở đktc) lần lượt là:

A. 1244,4 lit và 622,2 lit ;

B. 3733,2 lit và 1866,6 lit ;

C. 4977,6 lit và 2488,8 lit ;

D. 2488,8 lit và 1244,4 lit.

Trả lời:

Chọn D.

- Phương trình phản ứng điện phân nước:

Suy ra

x = $\large \frac{2.2.1000}{18.2}$ = 111,11mol

y = $\large \frac{2.1000}{18.2}$ = 55,55mol

- Thể tích $H_{2}$ sinh ra là: $V_{H_{2}}$ = 111,11.22,4 = 2488,8 lít.

- Thể tích $O_{2}$ sinh ra là: $V_{O_{2}}$ = 55,55.22,4 = 1244,4 lít.

11. So sánh thể tích khí hiđro (đktc) thu được trong mỗi trường hợp sau:

a) 0,1 mol Zn tác dụng với dung dịch $H_{2}SO_{4}$ loãng, dư.

0,1 mol Al tác dụng với dung dịch $H_{2}SO_{4}$ loãng, dư.

b) 0,2 mol Zn tác dụng với dung dịch HCl dư.

0,2 mol Al tác dụng với dung dịch HCl dư.

Trả lời:

a) Các phương trình phản ứng là:

Suy ra x = $\large \frac{0,1.3}{2}$ = 0,15mol

- Vì nên thể tích khí hiđro do 0,1mol nhôm sinh ra nhiều hơn 0,1mol kẽm sinh ra.

b) Các phương trình phản ứng là:

Suy ra y = $\large \frac{0,2.3}{2}$ = 0,3mol.

- Vì nên thể tích khí hiđro do 0,2mol nhôm sinh ra nhiều hơn 0,2mol kẽm sinh ra.