Câu 10. Hòa tan hoàn toàn m gam hỗn hợp X gồm Fe, Cu, Zn vào dung dịch HCl dư, thu được dung dịch Y và 3,36 lít khí H₂ (đktc). Cho dung dịch Y tác dụng với NaOH dư, lọc kết tủa, nung ngoài không khí đế...

1. Xác định số mol khí H₂:

• Ở điều kiện tiêu chuẩn (đktc), 1 mol khí chiếm thể tích 22,4 lít.
• Số mol khí H₂ thu được là: nH2​​=22,43,36​=0,15 mol

2. Xác định các phản ứng xảy ra khi hòa tan hỗn hợp X vào dung dịch HCl dư:

• Fe phản ứng với HCl tạo thành FeCl₂ và H₂: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂
• Zn phản ứng với HCl tạo thành ZnCl₂ và H₂: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂
• Cu không phản ứng với dung dịch HCl loãng.

3. Xác định số mol Fe và Zn trong hỗn hợp X:

• Gọi số mol Fe là nFe​ và số mol Zn là nZn​.
• Theo phương trình phản ứng, số mol H₂ tạo ra bằng tổng số mol Fe và Zn:nH2​​=nFe​+nZn​=0,15 mol

4. Xác định các phản ứng xảy ra khi cho dung dịch Y tác dụng với NaOH dư:

• Dung dịch Y chứa FeCl₂, ZnCl₂ và CuCl₂ (do Cu không phản ứng, nhưng sản phẩm giả định có thể bao gồm CuCl₂ nếu có phản ứng khác). Tuy nhiên, vì Cu không phản ứng với HCl loãng, nên dung dịch Y chỉ chứa FeCl₂ và ZnCl₂.
• FeCl₂ phản ứng với NaOH tạo thành Fe(OH)₂ kết tủa: FeCl₂ + 2NaOH → Fe(OH)₂↓ + 2NaCl
• ZnCl₂ phản ứng với NaOH tạo thành Zn(OH)₂ kết tủa, sau đó tan trong NaOH dư tạo thành dung dịch natri zincat (Na₂ZnO₂ hoặc [Zn(OH)₄]²⁻): ZnCl₂ + 2NaOH → Zn(OH)₂↓ + 2NaCl Zn(OH)₂ + 2NaOH → Na₂ZnO₂ + 2H₂O
• CuCl₂ (nếu có) phản ứng với NaOH tạo thành Cu(OH)₂ kết tủa: CuCl₂ + 2NaOH → Cu(OH)₂↓ + 2NaCl

5. Xác định kết tủa thu được và chất rắn sau khi nung:

• Kết tủa thu được sau khi cho NaOH dư vào dung dịch Y là Fe(OH)₂ và có thể có Cu(OH)₂ (nếu có CuCl₂). Zn(OH)₂ tan trong NaOH dư.
• Khi nung Fe(OH)₂ ngoài không khí, nó bị oxi hóa thành Fe₂O₃: 4Fe(OH)₂ + O₂ to 2Fe₂O₃ + 4H₂O
• Khi nung Cu(OH)₂ (nếu có) ngoài không khí, nó bị phân hủy thành CuO: Cu(OH)₂ to CuO + H₂O
• Chất rắn thu được sau khi nung có khối lượng 24 gam. Vì Zn(OH)₂ tan trong NaOH dư, chất rắn này chỉ có thể là Fe₂O₃ và CuO (nếu có Cu trong hỗn hợp X). Tuy nhiên, do Cu không phản ứng với HCl, nên trong dung dịch Y không có CuCl₂, và do đó không có Cu(OH)₂ kết tủa. Vậy chất rắn thu được chỉ là Fe₂O₃.

6. Tính số mol Fe trong hỗn hợp X:

• Khối lượng mol của Fe₂O₃ là: 2×56+3×16=112+48=160 g/mol
• Số mol Fe₂O₃ thu được là: nFe2​O3​​=16024​=0,15 mol
• Theo phương trình chuyển hóa Fe(OH)₂ thành Fe₂O₃, số mol Fe trong Fe₂O₃ gấp đôi số mol Fe₂O₃:nFe​=2×nFe2​O3​​=2×0,15=0,3 mol

7. Tính số mol Zn trong hỗn hợp X:

• Từ bước 3, ta có: nFe​+nZn​=0,15 mol
• Thay số mol Fe vừa tính được: 0,3+nZn​=0,15
• Suy ra: nZn​=0,15−0,3=−0,15 mol.
• Số mol không thể là giá trị âm. Điều này cho thấy có sự mâu thuẫn trong lập luận ở trên. Chúng ta cần xem xét lại quá trình phản ứng và kết tủa.

Phân tích lại quá trình kết tủa:

• Khi cho NaOH dư vào dung dịch Y chứa FeCl₂ và ZnCl₂:
  • FeCl₂ + 2NaOH → Fe(OH)₂↓ + 2NaCl
  • ZnCl₂ + 2NaOH → Zn(OH)₂↓ + 2NaCl
  • Zn(OH)₂ + 2NaOH → Na₂ZnO₂ (dung dịch) + 2H₂O
• Vậy kết tủa thu được chỉ là Fe(OH)₂.

Tính lại số mol Fe:

• Chất rắn sau khi nung là Fe₂O₃ có khối lượng 24 gam.
• Số mol Fe₂O₃ là nFe2​O3​​=16024​=0,15 mol.
• Số mol Fe trong Fe₂O₃ là nFe​=2×nFe2​O3​​=2×0,15=0,3 mol.

Tính số mol Zn:

• Từ số mol H₂ thu được: nH2​​=nFe​+nZn​=0,15 mol.
• Thay số mol Fe: 0,3+nZn​=0,15 mol.
• nZn​=0,15−0,3=−0,15 mol.