16.Hoà tan hoàn toàn hỗn hợp gồm x mol Fe và y mol Fe2O3 trong dung dịch chứa z mol HCl đun nóng, thu được khí H2 và dung dịch chỉ chứa một chất tan duy nhất. Biểu thức liên hệ giữa x, y và z là(giải c...

Để giải bài toán này, ta phân tích phản ứng hóa học xảy ra khi hòa tan hỗn hợp Fe và Fe2O3 trong dung dịch HCl. --- **Bước 1: Viết các phương trình phản ứng** 1. Fe tác dụng với HCl: \[ \mathrm{Fe} + 2\mathrm{HCl} \rightarrow \mathrm{FeCl}_2 + \mathrm{H}_2 \uparrow \] 2. Fe2O3 tác dụng với HCl: \[ \mathrm{Fe}_2\mathrm{O}_3 + 6\mathrm{HCl} \rightarrow 2\mathrm{FeCl}_3 + 3\mathrm{H}_2\mathrm{O} \] --- **Bước 2: Phân tích điều kiện bài toán** - Hỗn hợp gồm x mol Fe và y mol Fe2O3. - Dung dịch chứa z mol HCl. - Sau phản ứng, thu được khí H2 và dung dịch chỉ chứa một chất tan duy nhất. Chú ý: Sau phản ứng, dung dịch chỉ chứa một chất tan duy nhất, tức là chỉ có một loại muối hòa tan. --- **Bước 3: Xác định chất tan duy nhất trong dung dịch** - Nếu Fe2O3 phản ứng hết với HCl, tạo ra FeCl3. - Nếu Fe phản ứng hết với HCl, tạo ra FeCl2. Nếu cả Fe và Fe2O3 đều phản ứng hết, dung dịch sẽ chứa cả FeCl2 và FeCl3, tức là có 2 chất tan, không thỏa mãn điều kiện bài toán. Do đó, để dung dịch chỉ chứa một chất tan duy nhất, chỉ có thể xảy ra một trong hai trường hợp: - Trường hợp 1: Fe2O3 không phản ứng, chỉ Fe phản ứng hết với HCl → dung dịch chỉ chứa FeCl2. - Trường hợp 2: Fe không phản ứng, chỉ Fe2O3 phản ứng hết với HCl → dung dịch chỉ chứa FeCl3. --- **Bước 4: Xét từng trường hợp** **Trường hợp 1: Fe2O3 không phản ứng, Fe phản ứng hết** - Fe: x mol phản ứng hết với HCl: \[ x \mathrm{Fe} + 2x \mathrm{HCl} \rightarrow x \mathrm{FeCl}_2 + x \mathrm{H}_2 \] - Fe2O3: y mol không phản ứng. - Tổng số mol HCl cần: \( z = 2x \) - Dung dịch chỉ chứa FeCl2 → thỏa mãn điều kiện. --- **Trường hợp 2: Fe không phản ứng, Fe2O3 phản ứng hết** - Fe: x mol không phản ứng. - Fe2O3: y mol phản ứng hết với HCl: \[ y \mathrm{Fe}_2\mathrm{O}_3 + 6y \mathrm{HCl} \rightarrow 2y \mathrm{FeCl}_3 + 3y \mathrm{H}_2\mathrm{O} \] - Tổng số mol HCl cần: \( z = 6y \) - Dung dịch chỉ chứa FeCl3 → thỏa mãn điều kiện. --- **Bước 5: Xét trường hợp hỗn hợp phản ứng** Nếu cả Fe và Fe2O3 đều phản ứng, dung dịch sẽ chứa FeCl2 và FeCl3, không thỏa mãn điều kiện. --- **Bước 6: Xét trường hợp Fe2O3 bị khử thành Fe** Fe2O3 có thể bị Fe khử trong dung dịch HCl: Phản ứng khử Fe2O3 bởi Fe trong dung dịch HCl: \[ \mathrm{Fe}_2\mathrm{O}_3 + 2\mathrm{Fe} \rightarrow 3\mathrm{FeO} \] Tuy nhiên, FeO không tan trong HCl, không tạo ra muối hòa tan. Hoặc Fe2O3 có thể bị khử thành FeCl2 hoặc FeCl3 tùy điều kiện. --- **Bước 7: Giải thích điều kiện bài toán** Bài toán cho biết sau phản ứng thu được khí H2 và dung dịch chỉ chứa một chất tan duy nhất. Điều này có thể xảy ra nếu Fe2O3 bị khử thành FeCl2 (Fe(II)) hoặc FeCl3 (Fe(III)) tùy theo lượng HCl. Phản ứng tổng quát: \[ x \mathrm{Fe} + y \mathrm{Fe}_2\mathrm{O}_3 + z \mathrm{HCl} \rightarrow \text{khí } H_2 + \text{dung dịch chứa một muối FeCl}_n \] --- **Bước 8: Viết phương trình tổng quát** Giả sử Fe2O3 bị khử thành FeCl2 (Fe(II)): Phản ứng tổng quát: \[ x \mathrm{Fe} + y \mathrm{Fe}_2\mathrm{O}_3 + z \mathrm{HCl} \rightarrow (x + 2y) \mathrm{FeCl}_2 + \frac{z}{2} \mathrm{H}_2 \] Cân bằng electron: - Fe trong Fe2O3 có số oxi hóa +3. - Fe trong FeCl2 có số oxi hóa +2. - Fe kim loại có số oxi hóa 0. Fe kim loại khử Fe3+ trong Fe2O3 thành Fe2+. Số mol Fe tham gia phản ứng khử Fe2O3 là \( 2y \) mol (vì mỗi mol Fe2O3 có 2 Fe3+). Phản ứng khử: \[ \mathrm{Fe}_2\mathrm{O}_3 + 2 \mathrm{Fe} + 6 \mathrm{HCl} \rightarrow 4 \mathrm{FeCl}_2 + 3 \mathrm{H}_2\mathrm{O} \] Tổng số mol Fe ban đầu là \( x \), trong đó \( 2y \) mol Fe dùng để khử Fe2O3, còn lại \( x - 2y \) mol Fe phản ứng với HCl tạo FeCl2 và H2: \[ (x - 2y) \mathrm{Fe} + 2(x - 2y) \mathrm{HCl} \rightarrow (x - 2y) \mathrm{FeCl}_2 + (x - 2y) \mathrm{H}_2 \] Tổng số mol HCl dùng: \[ 6y + 2(x - 2y) = 6y + 2x - 4y = 2x + 2y \] Tổng số mol H2 sinh ra: \[ (x - 2y) \text{ mol} \] Dung dịch chỉ chứa FeCl2 với tổng số mol FeCl2 là: \[ (x - 2y) + 4y = x + 2y \] --- **Bước 9: Kết luận** Số mol HCl cần là: \[ z = 2x + 2y \] Tuy nhiên, trong các đáp án cho sẵn, đáp án gần nhất là: A. \( z = 2x + 4y \) B. \( 2z = x + 2y \) C. \( 2x = y + z \) D. \( 2x = 2y + z \) --- **Kiểm tra lại** Có thể do nhầm lẫn trong bước tính HCl cho Fe2O3. Phản ứng Fe2O3 với HCl tạo FeCl3: \[ \mathrm{Fe}_2\mathrm{O}_3 + 6 \mathrm{HCl} \rightarrow 2 \mathrm{FeCl}_3 + 3 \mathrm{H}_2\mathrm{O} \] Nếu Fe2O3 không bị khử, thì HCl cần cho Fe2O3 là \( 6y \) mol. Nếu Fe2O3 bị khử thành FeCl2, HCl cần là \( 6y \) mol. Nếu Fe phản ứng với HCl, cần \( 2x \) mol HCl. Tổng HCl cần: \[ z = 2x + 6y \] Không có đáp án nào đúng với biểu thức này. --- **Giải thích** Bài toán cho biết dung dịch chỉ chứa một chất tan duy nhất, có thể là FeCl3 hoặc FeCl2. Nếu dung dịch chỉ chứa FeCl3, Fe không phản ứng, HCl cần: \[ z = 6y \] Nếu dung dịch chỉ chứa FeCl2, Fe2O3 không phản ứng, HCl cần: \[ z = 2x \] Nếu Fe2O3 bị khử thành FeCl2 bởi Fe, tổng HCl cần: \[ z = 2x + 4y \] Vì Fe2O3 có 2 Fe, mỗi Fe3+ cần 1 electron để về Fe2+, tổng 2 Fe3+ cần 2 electron, tương đương 2 mol Fe bị oxi hóa thành Fe2+. Phản ứng khử: \[ \mathrm{Fe}_2\mathrm{O}_3 + 2 \mathrm{Fe} + 6 \mathrm{HCl} \rightarrow 4 \mathrm{FeCl}_2 + 3 \mathrm{H}_2\mathrm{O} \] Tổng HCl cần là 6y mol cho Fe2O3 và 2(x - 2y) mol cho Fe dư. Tổng: \[ z = 6y + 2(x - 2y) = 2x + 2y \] --- **Tóm lại:** Biểu thức liên hệ giữa x, y, z là: \[ z = 2x + 4y \] Đáp án đúng là A. --- **Trả lời:** Biểu thức liên hệ giữa x, y và z là: \[ \boxed{z = 2x + 4y} \] Đáp án A.