Phương pháp giải một số dạng bài tập về phản ứng trao đổi ion trong dung dịch

Lý thuyết về phản ứng trao đổi ion trong dung dịch

* Một số lưu ý cần nhớ:

- Phản ứng xảy ra trong dung dịch các chất điện li là phản ứng giữa các ion

- Phản ứng trao đổi ion trong dung dịch chất điện li chỉ xảy ra khi các ion kết hợp với nhau tạo thành ít nhất một trong các chất sau: Chất kết tủa, chất khí hay chất điện li yếu

- Một số đặc điểm về phản ứng thủy phân muối:

 + Muối của kim loại mạnh và gốc axit mạnh là muối có môi trường trung tính (pH = 7)

VD: NaCl, BaCl₂, K₂SO₄...

+ Muối của kim loại mạnh và gốc axit yếu là muối có môi trường bazo (pH > 7)

VD: Na₂CO₃,K₂S, CH₃COONa...

+ Muối của kim loại yếu và gốc axit mạnh là muối có môi trường axit (pH < 7)

VD: NH₄Cl , ZnCl₂, Al₂(SO₄)₃...

* Một số ví dụ điển hình:

Ví dụ 1: Cho phản ứng NaOH + HCl → NaCl + H₂O. Phản ứng hóa học nào sau đây có cùng phương trình ion thu gọn với phản ứng trên?

A. 2KOH + FeCl₂ → Fe(OH)₂ + 2KCl.  

B. NaOH + NH₄Cl → NaCl + NH₃ + H₂O.

C. KOH + HNO₃ → KNO₃ + H₂O. 

D. NaOH + NaHCO₃ → Na₂CO₃ + H₂O.     

Hướng dẫn giải chi tiết:

Phương trình ion rút gọn của phản ứng NaOH + HCl → NaCl + H₂O là:

OH^- + H⁺ → H₂O

A. 2OH^- + Fe²⁺ → Fe(OH)₂

B. OH^- + NH₄⁺ → NH₃ + H₂O

C. OH^- + H⁺ → H₂O

D. OH^- + HCO₃^- → CO₃^2- + H₂O

Đáp án C.

Ví dụ 2: Phản ứng trao đổi ion trong dung dịch các chất điện li chỉ xảy ra khi

A. các chất phản ứng phải là chất điện li mạnh. 

B. một số ion trong dung dịch kết hợp được với nhau làm giảm nồng độ ion của chúng.

C. các chất phản ứng phải là những chất dễ tan.

D. phản ứng phải là thuận nghịch.

Hướng dẫn giải chi tiết:

Phản ứng trao đổi ion trong dung dịch các chất điện li chỉ xảy ra khi một số ion trong dung dịch kết hợp được với nhau làm giảm nồng độ ion của chúng.

Đáp án B.

Ví dụ 3: Trong các cặp chất cho dưới đây, cặp chất nào có thể cùng tồn tại trong một dung dịch?

A. AlCl₃ và CuSO₄.      

B. NH₃ và AgNO₃.             

C. Na₂ZnO₂ và HCl.    

D. NaHSO₄ và NaHCO₃. 

Hướng dẫn giải chi tiết:

B. AgNO₃ + H₂O + 3NH₃ → NH₄NO₃ + (Ag(NH₃)₂)OH

C. Na₂ZnO₂ + 2HCl → 2NaCl + Zn(OH)₂

Nếu HCl dư : Zn(OH)₂ + 2HCl → ZnCl₂ + 2H₂O

D. NaHCO₃ + NaHSO₄ → H₂O + Na₂SO₄ + CO₂

Đáp án A

Ví dụ 4: Cặp chất nào sau đây không thể tồn tại trong một dung dịch?

A. NaClO và AlCl₃.

B. NaOH và KCl.

C. KNO₃ và  HCl.

D. Ba(OH)₂ và AlCl₃.

Hướng dẫn giải chi tiết:

Ba(OH)₂ và AlCl₃ không thể cùng tồn tại trong một dung dịch vì chúng phản ứng với nhau:

3Ba(OH)₂ + 2AlCl₃ → 3BaCl₂ + 2Al(OH)₃↓

Đáp án D

Ví dụ 5: Cho các phản ứng hoá học sau:

(1) (NH₄)₂SO₄ + BaCl₂

 (2) CuSO₄ + Ba(NO₃)₂ 

(3) Na₂SO₄ + BaCl₂

(4) H₂SO₄ + BaSO₃

(5) (NH₄)₂SO₄ + Ba(OH)₂

(6) Fe₂(SO₄)₃ + Ba(NO₃)₂ 

Các phản ứng đều có cùng phương trình ion rút gọn là

A. (1), (2), (3), (6).

B. (1), (3), (5), (6).  

C. (2), (3), (4), (6).

D. (3), (4), (5), (6).

Hướng dẫn giải chi tiết:

(1) SO₄^2- + Ba²⁺ → BaSO₄                             

(2) SO₄^2- + Ba²⁺ → BaSO₄                             

(3) SO₄^2- + Ba²⁺ → BaSO₄                            

(4) 2H⁺ + SO₄^2- + BaSO₃ → BaSO₄ + SO₂ + H₂O

(5) 2NH₄⁺ + SO₄^2- + Ba²⁺ + OH^- → BaSO₄ + NH₃ + H₂O

(6) SO₄^2- + Ba²⁺ → BaSO₄     

=> Các phản ứng có cùng phương trình ion rút gọn là: (1), (2), (3), (6).

Đáp án A

Bài toán về bảo toàn điện tích để tính lượng chất có trong dung dịch

* Một số lưu ý cần nhớ:

- Nội dung định luật bảo toàn điện tích: Trong một dung dịch, tổng giá trị điện tích âm bằng tổng giá trị điện tích dương

=> Tổng số mol ion dương . giá trị điện tích dương = Tổng số mol ion âm . giá trị điện tích âm.

VD: Xét dung dịch có chứa 0,1 mol MgCl₂

Xét 0,1 mol MgCl₂ có chứa 0,1 mol Mg²⁺ và 0,2 mol Cl^- thỏa mãn định luật bảo toàn điện tích.

Ta có:  n Mg²⁺ . giá trị điện tích ion Mg²⁺ = 0,1 . 2

 n Cl^- . giá trị điện tích ion Cl^- = 0,2 . 1

=> n Mg²⁺ . giá trị điện tích ion Mg²⁺ = n Cl^- . giá trị điện tích ion Cl^-

* Một số ví dụ điển hình:

Ví dụ 1: Một cốc nước có chứa a mol Ca²⁺, b mol Mg²⁺, c mol Cl^-, d mol HCO₃^-. Hệ thức liên hệ giữa a, b, c, d là :

A. 2a+2b=c-d.

B. a+b=c+d.

C. 2a+2b=c+d.

D. a+b=2c+2d.

Hướng dẫn giải chi tiết:

Áp dụng định luật bảo toàn điện tích ta có:\(2{n_{C{a^{2 + }}}} + 2{n_{M{g^{2 + }}}} = n{}_{C{l^ - }} + {n_{HC{O_3}^ - }} \Rightarrow 2{\rm{a}} + 2{\rm{b}} = {\rm{c}} + {\rm{d}}\)

Đáp án C.

Ví dụ 2: Một dung dịch chứa 0,02 mol Cu²⁺, 0,03 mol K⁺, x mol Cl^– và y mol SO₄^2–. Tổng khối lượng các muối tan có trong dung dịch là 5,435 gam. Giá trị của x và y lần lượt là :

A. 0,01 và 0,03.

B. 0,02 và 0,05.

C. 0,05 và 0,01.

D. 0,03 và 0,02.

Hướng dẫn giải chi tiết:

Áp dụng định luật bảo toàn điện tích, tổng giá trị điện tích âm bằng tổng giá trị điện tích dương

=> 0,02 . 2 + 0,03 . 1 = x .1 + y . 2 (I)

Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng ta có:

m Cu + m K + m Cl + m SO4 = 5,435

=> 0,02 . 64 + 0,03 . 39 ++ 35,5x + 96y = 5,435 (II)

Từ (I) và (II) => x = 0,03; y = 0,02

Đáp án D

Ví dụ 3: Cho 22,4 gam hỗn hợp Na₂CO₃, K₂CO₃ tác dụng vừa đủ với dung dịch BaCl₂. Sau phản ứng thu được 39,4 gam kết tủa. Lọc tách kết tủa, cô cạn dung dịch thì thu được bao nhiêu gam muối clorua khan?     

Hướng dẫn giải chi tiết:

- Muối thu được chứa: Na⁺; K⁺; Cl⁻

\(- {n_{BaC{O_3} \downarrow }} = {\text{ }}0,2(mol){\text{ }} = > {n_{B{a^{2 + }}}} = {\text{ }}{n_{C{O_3}^{2 - }}} = {\text{ }}0,2{\text{ }}(mol)\)

\(= > {n_{C{l^ - }}} = {\text{ }}2{n_{B{a^{2 + }}}} = {\text{ }}0,4{\text{ }}(mol)\)

\(-{m_{hh}} = {m_{N{a^ + }}} + {\text{ }}{m_{{K^ + }}}{\text{ }} + {\text{ }}{m_{C{O_3}^{2 - }}}\)

\(= > {m_{N{a^ + }}} + {m_{{K^ + }}} = {\text{ }}2,24 - 0,2.60{\text{ }} = {\text{ }}10,4{\text{ }}(g)\)

\(= > {m_{muối{\text{ }}clorua}} = {\text{ }}10,4 + 0,4.35,5{\text{ }} = {\text{ }}24,6{\text{ }}(g)\)

Sử dụng phương trình ion rút gọn để tính toán lượng chất trong dung dịch

* Một số lưu ý cần nhớ:

Để làm được loại bài tập này, các em chỉ cần viết phương trình ion rút gọn

=> Từ phương trình ion, áp dụng thêm định luật bảo toàn điện tích, bảo toàn nguyên tố, …..

=> lượng các ion theo yêu cầu của đề bài

* Một số ví dụ điển hình:

Ví dụ 1: Trộn 250 ml dung dịch chứa hỗn hợp HCl 0,08M và H₂SO₄ 0,01M với 250 ml dung  dịch NaOH aM thu được 500 ml dung dịch có pH = 12. Giá trị a là :

A. 0,13M.

B. 0,12M.

C. 0,14M.

D. 0.10M.

Hướng dẫn giải chi tiết:

Tổng số mol ion H⁺ trong dung dịch axit là :

\({n_{{H^ + }}} = {n_{HCl}} + 2{n_{{H_2}S{O_4}}} = 0,25.0,08 + 2.0,01.0,25 = 0,025\,\,mol.\)

Tổng số mol ion OH^- trong dung dịch bazơ là :

\({n_{O{H^ - }}} = {n_{NaOH}} = 0,25a\,\,mol.\)

 Dung dịch sau phản ứng có pH = 12, suy ra có pOH = 2, suy ra dung dịch sau phản ứng còn bazơ dư, [OH^- _dư] = 10^-2M = 0,01M.

 Phương trình phản ứng :

\({H^ + }\,\,\,\,\,\,\,\,\, + \,\,\,\,\,\,\,\,\,\,O{H^ - }\,\,\,\,\,\,\,\, \to \,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,{H_2}O\)                    (1)

mol:   0,025   →     0,025

Theo (1) và giả thiết ta thấy sau phản ứng số mol OH^- dư là (0,25a – 0,025) mol.

Nồng độ OH^- dư là : \(\frac{{0,25a - 0,025}}{{0,25 + 0,25}} = 0,01 \Rightarrow a = 0,12.\)

Ví dụ 2: Dung dịch X chứa các ion: Fe³⁺ ; SO₄² ; NH₄⁺; Cl⁻. Chia dung dịch thành 2 phần bằng nhau:

- Phần 1: Cho tác dụng với lượng dư dung dịch NaOH , đun nóng thu được 0,672 lít khí ở đktc và 1,07 gam kết tủa.

- Phần 2: Tác dụng với lượng dư dung dịch BaCl₂ thu được 4,66 gam kết tủa.

Tổng khối lượng các muối khan thu được khi cô cạn dung dịch X là (quá trình cô cạn chỉ có nước bay hơi)

Hướng dẫn giải chi tiết:

- Phần 1: n_NH3 = 0,03 mol; n_Fe(OH)3 = 0,01 mol => n_Fe3+ = 0,01 mol

NH₄⁺ + OH^- → NH₃ + H₂O

n_NH4+ = n_NH3 = 0,03 mol

Phần 2: n_BaSO4 = 0,02 mol => n_SO4 = 0,02 mol

- Bảo toàn điện tích:

\(3.{n_{F{e^{3 + }}}} + {\text{ }}1.{n_{NH_4^ + }}\)\(= {\text{ }}2.{n_{SO_4^{2 - }}} + {\text{ }}1.{n_{C{l^ - }}}\) 

=> 3.0,01 + 1.0,03 = 2.0,02 + n_Cl- => n_Cl- = 0,02 mol

- Bảo toàn khối lượng (trong 1 phần)

\({m_{F{e^{3 + }}}} + {\text{ }}{{\text{m}}_{NH_4^ + }}{\text{ + }}{{\text{m}}_{SO_4^{2 - }}} + {\text{ }}{{\text{m}}_{C{l^ - }}}\)

\(= 0,01.56 + 0,03.18 + 0,02.96 + 0,02.35,5 = 3,73\,\,gam\)

=> cô cạn dung dịch X thu được:

m_muối = 2.3,73 = 7,46 gam

Ví dụ 3: Trộn dung dịch chứa Ba²⁺ ; OH⁻ 0,06 mol và Na⁺ 0,02 mol với dung dịch HCO₃⁻ 0,04 mol; CO₃²⁻ 0,03 mol và Na⁺. Khối lượng kết tủa thu được sau khi trộn là:

Hướng dẫn giải chi tiết:

- \(BTDT:2{n_{B{a^{2 + }}}} + {n_{N{a^ + }}} = {n_{O{H^ - }}}\)

\( = > {\text{2}}{\text{.}}{{\text{n}}_{B{a^{2 + }}}}{\text{ + 1}}{\text{.0}}{\text{,02 = 1}}.{\text{0}},{\text{06 = }} > {{\text{n}}_{B{a^{2 + }}}}{\text{ }} = {\text{ }}0,02(mol)\)

\(- {\text{ HCO}}_3^ - {\text{ }} + {\text{ }}O{H^ - }{\text{ }}\xrightarrow{{}}{\text{ }}C{O_3}^{2 - }{\text{ }} + {\text{ }}{H_2}O\)

=> \({n_{C{O_3}^{2 - }}}=0,07\) => \({n_{C{O_3}^{2 - }}}\) > nBa²⁺

\({n_{Ba}}_{C{O_3}} = {n_{B{a^{2 + }}}} = 0,02mol\)

\(= > {m_{BaC{O_3} \downarrow }}{\text{ }} = {\text{ }}0,02.197{\text{ }} = 3,94(g)\)