Đồng thau là hợp kim của đồng và kẽm – Giải chi tiết 60,0

Câu hỏi: Đồng thau là hợp kim của đồng và kẽm. Phản ứng sau đây có thể được sử dụng để xác định lượng đồng trong một mẫu đồng thau: 2Cu²⁺(aq) + 4I⁻(aq) → 2CuI(s) + I₂(aq). Quy trình được thực hiện như sau: hòa tan 1,50 g mẫu đồng thau trên trong axit sunfuric đặc, rồi pha loãng với nước được dung dịch Cu²⁺; thêm dung dịch I⁻ đến dư; thêm dần dung dịch S₂O₃²⁻ 0,50 M để phản ứng với iốt theo phản ứng sau: I₂(aq) + 2S₂O₃²⁻(aq) → 2I⁻(aq) + S₄O₆²⁻(aq). Thể tích dung dịch S₂O₃²⁻ cần dùng để phản ứng trên xảy ra vừa đủ là 28,35 mL. Phần trăm khối lượng của đồng trong mẫu đồng thau trên là a%. Giá trị của a bằng bao nhiêu? (Kết quả làm tròn đến hàng phần mười)

Đáp án đúng là a = 60,0. Từ 28,35 mL dung dịch S₂O₃²⁻ 0,50 M, lần ngược qua hai phản ứng chuẩn độ iốt suy ra khối lượng đồng là 0,900 g trong mẫu 1,50 g, tương ứng 60,0% khối lượng.

Vì sao a = 60,0 là kết quả đúng?

Bài toán được giải bằng cách đi ngược từ lượng S₂O₃²⁻ đã dùng về lượng Cu²⁺ ban đầu, với I₂ đóng vai trò chất cầu nối giữa hai phản ứng.

1. Tính số mol S₂O₃²⁻: n(S₂O₃²⁻) = 0,50 mol/L × 0,02835 L = 0,014175 mol. Chú ý phải đổi 28,35 mL thành lít trước khi nhân với nồng độ mol.
2. Tính số mol I₂: Phương trình I₂(aq) + 2S₂O₃²⁻(aq) → 2I⁻(aq) + S₄O₆²⁻(aq) cho thấy I₂ và S₂O₃²⁻ phản ứng theo tỉ lệ mol 1 : 2. Vậy n(I₂) = 0,014175 / 2 = 0,0070875 mol.
3. Tính số mol Cu²⁺: Phương trình 2Cu²⁺(aq) + 4I⁻(aq) → 2CuI(s) + I₂(aq) cho thấy Cu²⁺ và I₂ có tỉ lệ mol 2 : 1. Suy ra n(Cu²⁺) = 2 × 0,0070875 = 0,014175 mol. Toàn bộ đồng trong mẫu đã hòa tan thành Cu²⁺ nên n(Cu) = n(Cu²⁺).
4. Tính khối lượng đồng: m(Cu) = 0,014175 mol × 63,55 g/mol = 0,900 g.
5. Tính phần trăm khối lượng: %Cu = (0,900 / 1,50) × 100% = 60,0%. Vậy a = 60,0.

Điểm mấu chốt là nhận ra lượng I₂ sinh ra ở phản ứng giữa Cu²⁺ và I⁻ chính là lượng I₂ bị S₂O₃²⁻ chuẩn độ ở bước sau, khiến hai phản ứng nối thành một chuỗi tính toán liên tục.

Những lỗi thường gặp khiến kết quả sai

Đề không có phương án chọn, nhưng có bốn đường tính sai học sinh hay mắc:

• Quên đổi mL sang L, lấy 0,50 × 28,35 = 14,175 mol S₂O₃²⁻ — số mol lớn vượt xa khối lượng mẫu, vô lý rõ ràng.
• Nhầm tỉ lệ I₂ : S₂O₃²⁻ là 1 : 1, khi đó n(Cu) gấp đôi giá trị đúng và cho a = 120 — vượt 100%, mâu thuẫn vì mẫu còn chứa kẽm.
• Nhầm tỉ lệ Cu²⁺ : I₂ là 1 : 1 thay vì 2 : 1, cho a = 30,0 — chỉ bằng nửa đáp án đúng. Đây là lỗi dễ mắc nhất vì cả hai vế phương trình đều mang hệ số 2.
• Làm tròn số mol quá sớm hoặc dùng sai khối lượng mol đồng, khiến kết quả lệch ở đúng hàng phần mười mà đề yêu cầu làm tròn.

Cách kiểm tra nhanh: phần còn lại của mẫu là kẽm chiếm 40,0%, con số hợp lý với thành phần đồng thau thông thường.

Hệ thống kiến thức liên quan

Bài tập thuộc dạng hóa học định lượng, dùng phương pháp chuẩn độ để xác định thành phần phần trăm của một kim loại trong hợp kim.

• Đồng thau là hợp kim của đồng và kẽm; muốn định lượng một kim loại trong hợp kim, người ta hòa tan mẫu rồi xác định lượng ion kim loại trong dung dịch thu được.
• Phản ứng định lượng Cu²⁺ bằng I⁻: Cu²⁺ có tính oxi hóa, oxi hóa I⁻ thành I₂ còn bản thân bị khử thành Cu⁺, kết tủa dưới dạng CuI. Đây là phản ứng nền tảng của phương pháp chuẩn độ iốt.
• Phản ứng chuẩn độ I₂ bằng ion thiosunfat: I₂ oxi hóa S₂O₃²⁻ thành S₄O₆²⁻ theo tỉ lệ mol 1 : 2; trong thực nghiệm, điểm kết thúc thường được nhận biết nhờ chất chỉ thị hồ tinh bột chuyển xanh tím rồi mất màu.
• Nguyên tắc liên kết các phản ứng: từ thể tích và nồng độ chất chuẩn độ tính số mol S₂O₃²⁻, suy ra số mol I₂, rồi theo tỉ lệ của phản ứng đầu tính số mol Cu²⁺; cuối cùng quy đổi thành khối lượng và phần trăm khối lượng so với 1,50 g mẫu ban đầu. Đây chính là kỹ năng thiết lập mối liên hệ giữa các phản ứng hóa học theo nguyên tắc bảo toàn số mol.

Mẹo ghi nhớ và nhận diện nhanh

Với chuỗi phản ứng nối tiếp, luôn quy mọi lượng về chất cầu nối — ở bài này là I₂ — theo đúng tỉ lệ phương trình.

Một đường tắt đáng nhớ: vì Cu²⁺ : I₂ = 2 : 1 và I₂ : S₂O₃²⁻ = 1 : 2 nên tỉ lệ tổng Cu²⁺ : S₂O₃²⁻ = 1 : 1, nghĩa là n(Cu) = n(S₂O₃²⁻) = 0,014175 mol, có thể bỏ qua bước tính I₂ mà vẫn ra m(Cu) = 0,900 g. Dấu hiệu nhận dạng dạng bài: đề cho thể tích và nồng độ chất chuẩn độ, hỏi phần trăm khối lượng — hãy giải ngược dòng từ chất chuẩn độ về chất phân tích.