Muối X đốt cháy cho ngọn lửa màu tím. Đun nóng KMnO4 với…

Chào các em học sinh yêu quý! Thầy/cô rất vui được đồng hành cùng các em trong chuyên đề Hóa học lớp 10 hôm nay. Bài toán này là một bài tập tổng hợp rất hay, giúp chúng ta ôn lại kiến thức về tính chất hóa học của các nguyên tố halogen (đặc biệt là clo và hợp chất của chúng). Chúng ta hãy cùng nhau phân tích và giải quyết từng câu hỏi một cách chi tiết nhé.

a. Xác định X, Y và viết các phương trình hóa học xảy ra:

Dựa vào các dữ kiện của đề bài, chúng ta suy luận từng bước như sau:

• Muối X đốt cháy cho ngọn lửa màu tím: Đây là dấu hiệu đặc trưng của hợp chất chứa ion kali (K).
• Đun nóng muối X với kali pemandaganat (KMnO4) và axit sunfuric đặc tạo ra khí Y có màu vàng lục: Khí có màu vàng lục, mùi xốc chính là khí clo (Cl2).
• Từ khí Y cho tác dụng với dung dịch natri hidroxit (NaOH) ở điều kiện thường tạo ra hợp chất chính trong nước tẩy trắng Javel, đó chính là natri hipoclorit (NaClO).

Từ những suy luận trên, ta xác định được:

• Muối X: Kali clorua (KCl).
• Khí Y: Clo (Cl2).

Các phương trình hóa học xảy ra:

• Phản ứng điều chế khí clo trong phòng thí nghiệm:
  2KMnO4 + 10KCl + 8H2SO4 (đặc) -> 5Cl2 (khí Y) + 2MnSO4 + 6K2S04 + 8H2O
• Phản ứng điều chế nước Javel trong phòng thí nghiệm:
  Cl2 + 2NaOH -> NaCl + NaClO + H2O
• Phản ứng sản xuất nước Javel trong công nghiệp (điện phân dung dịch muối ăn không màng ngăn):
  2NaCl + 2H2O –(điện phân dung dịch không màng ngăn)–> NaClO + H2 (bay lên)

b. Giải thích tại sao bình nước Javel để mở nắp một thời gian sẽ làm giảm hoặc mất hoàn toàn công dụng tẩy trắng:

Nước Javel là hỗn hợp gồm NaCl, NaClO và nước. Trong đó, NaClO là muối của axit yếu (axit hipoclorơ – HClO). Khi để bình nước Javel mở nắp trong không khí một thời gian:

• Khí cacbonic (CO2) có trong không khí sẽ hòa tan vào dung dịch nước Javel và tác dụng với nước tạo thành axit yếu là axit cacbonic (H2CO3).
• Axit H2CO3 mạnh hơn axit HClO nên sẽ đẩy axit HClO ra khỏi muối của nó. Axit HClO sinh ra không bền, dễ dàng bị phân hủy dưới ánh sáng hoặc tự phân hủy tạo thành khí clo hoặc oxi, làm giảm hàm lượng chất có tính oxi hóa mạnh là NaClO.
• Phương trình hóa học minh họa:
  NaClO + CO2 + H2O -> NaHCO3 + HClO
  2HClO –(ánh sáng)–> 2HCl + O2 (hoặc tạo ra khí Cl2 bay lên)

Chính vì nguyên nhân này, nước Javel để hở sẽ bị mất dần nồng độ chất hoạt động, dẫn đến giảm hoặc mất hoàn toàn công dụng tẩy trắng.

c. Tính khối lượng NaCl nguyên chất và thể tích nước cần dùng để sản xuất 1000 chai nước Javel:

Để giải câu hỏi này, các em cần thực hiện các bước tính toán theo đúng trình tự sau:

• Bước 1: Tính khối lượng của 1 chai nước Javel.
  Thể tích 1 chai = 1 Lít = 1000 mL.
  Khối lượng riêng d = 1,1 g/mL.
  Khối lượng dung dịch 1 chai nước Javel là: m(dd) = V x d = 1000 x 1,1 = 1100 gam.
• Bước 2: Tính khối lượng của NaCl và NaClO trong 1 chai nước Javel.
  Khối lượng NaClO trong 1 chai (6%): m(NaClO) = 1100 x 6 / 100 = 66 gam.
  Khối lượng NaCl trong 1 chai (5%): m(NaCl) trong chai = 1100 x 5 / 100 = 55 gam.
• Bước 3: Tính tổng khối lượng các chất trong 1000 chai nước Javel.
  Tổng khối lượng NaClO sản xuất cho 1000 chai là: 66 x 1000 = 66000 gam = 66 kg.
  Tổng khối lượng NaCl có sẵn trong 1000 chai là: 55 x 1000 = 55000 gam = 55 kg.
• Bước 4: Tính lượng NaCl cần dùng để sản xuất lượng NaClO và lượng NaCl có trong 1000 chai dựa vào phương trình hóa học.
  Phương trình điện phân dung dịch NaCl không màng ngăn tạo nước Javel:
  NaCl + H2O -> NaClO + H2
  Dựa vào phương trình, số mol NaCl phản ứng để tạo ra NaClO bằng số mol NaClO.
  Số mol NaClO = 66000 / 74,5 (khoảng 885,88 mol).
  Vậy số mol NaCl cần dùng để tạo ra lượng NaClO là 885,88 mol.
  Khối lượng NaCl dùng để tạo NaClO là: 885,88 x 58,5 = 51824 gam = 51,824 kg.
  Mặt khác, trong nước Javel thành phẩm vẫn còn chứa 55 kg NaCl (lượng NaCl ban đầu không bị biến đổi trong quá trình điện phân không hoàn toàn).
  Tổng khối lượng NaCl nguyên chất cần dùng để sản xuất 1000 chai nước Javel là: 51,824 + 55 = 106,824 kg.
• Bước 5: Tính thể tích nước cần dùng.
  Theo đề bài, nồng độ dung dịch muối ăn (NaCl) đưa vào điện phân là từ 15% – 20%. Tuy nhiên, để bài toán có một đáp án chuẩn xác nhất theo định hướng THPT, ta thường sử dụng mức nồng độ trung bình hoặc xét tổng khối lượng dung dịch. Ở đây, giả sử ta pha dung dịch NaCl với nồng độ an toàn hoặc theo dữ liệu chuẩn, khối lượng dung dịch muối cần dùng là:
  m(dd muối) = (m(NaCl tổng) x 100) / C%
  Nếu xét theo lượng NaCl nguyên chất cần cung cấp để vừa tạo NaClO vừa giữ lại NaCl trong dung dịch (với nồng độ trung bình khoảng 15-20%, ta lấy mốc tính toán cơ bản): Khối lượng dung dịch nước muối pha chế tương ứng với tổng khối lượng dung dịch 1000 chai nước Javel trừ đi các thành phần hao hụt hoặc tính trực tiếp từ khối lượng chất tan.
  Cụ thể, tổng khối lượng dung dịch 1000 chai nước Javel là: 1100 gam x 1000 = 1.100.000 gam = 1100 kg.
  Khối lượng nước cần dùng để pha chế 1100 kg dung dịch nước Javel (với khối lượng riêng của nước là 1 kg/L) được tính bằng tổng khối lượng dung dịch trừ đi tổng khối lượng chất tan (NaCl và NaClO):
  Tổng chất tan = 66 kg (NaClO) + 106,824 kg (NaCl tổng) = 172,824 kg.
  Khối lượng nước cần dùng: m(nước) = 1100 – 172,824 = 927,176 kg.
  Vì khối lượng riêng của nước là 1 g/mL (tương đương 1 kg/L), nên thể tích nước cần dùng là: 927,176 Lít.

Hy vọng qua lời giải chi tiết trên, các em đã nắm vững cách tư duy và giải quyết các bài toán hóa học vô cơ lớp 10. Chúc các em học tập thật tốt!