Bảo toàn khối lượng và electron: 15 ví dụ điển hình – Mẹo giải nhanh Hóa học THPT

Lưu ý: Nội dung mang tính hướng dẫn phương pháp. Khi làm bài thi chính thức, luôn dựa vào đề bài và quy định hiện hành của kỳ thi tốt nghiệp THPT.

1. Giới thiệu

Trong Hóa học phổ thông, rất nhiều bài tập yêu cầu tìm khối lượng, số mol, nồng độ hoặc viết phương trình phản ứng oxi hóa – khử. Hai công cụ mạnh và nhanh nhất là:

Bảo toàn khối lượng: Tổng khối lượng chất phản ứng = tổng khối lượng sản phẩm (trong hệ kín).
Bảo toàn electron: Tổng số electron nhường = tổng số electron nhận (trong phản ứng oxi hóa – khử).

Hai nguyên tắc này giúp giải quyết bài toán mà không cần viết đầy đủ mọi phương trình chi tiết, đặc biệt hữu ích khi đề cho hỗn hợp nhiều chất hoặc phản ứng phức tạp.

2. Nguyên tắc bảo toàn khối lượng

Theo định luật bảo toàn khối lượng (Lavoisier): Trong một phản ứng hóa học xảy ra trong hệ kín, tổng khối lượng các chất trước phản ứng bằng tổng khối lượng các chất sau phản ứng.

Công thức tổng quát:

m_{chất phản ứng} = m_{sản phẩm}

Hoặc viết theo các thành phần:

m_A + m_B + … = m_C + m_D + …

Khi nào dùng?

Đề cho khối lượng hỗn hợp trước và sau phản ứng.
Có chất bay hơi (khí) hoặc chất kết tủa, cần tìm khối lượng chất còn lại.
Phản ứng đốt cháy, nhiệt phân, phản ứng với axit/kiềm tạo khí.
Bài toán hỗn hợp kim loại, oxit, muối… khi viết phương trình đầy đủ quá dài.

Lưu ý quan trọng: Chỉ áp dụng khi hệ kín hoặc đã tính đến khối lượng chất thoát ra/đi vào hệ.

3. Nguyên tắc bảo toàn electron

Trong mọi phản ứng oxi hóa – khử, số electron mà chất khử nhường phải bằng số electron mà chất oxi hóa nhận.

n_{e nhường} = n_{e nhận}

Cách viết nhanh:

Xác định số oxi hóa của các nguyên tố thay đổi.
Tính số e nhường/nhận cho 1 mol chất.
Nhân với số mol thực tế rồi cho tổng nhường = tổng nhận.

Ưu điểm lớn: Không cần viết phương trình ion – electron đầy đủ hay cân bằng từng bước khi chỉ cần tìm số mol hoặc khối lượng.

4. Khi nào nên dùng từng nguyên tắc?

Tình huống	Ưu tiên dùng
Tìm khối lượng hỗn hợp, chất còn lại, khí thoát ra	Bảo toàn khối lượng
Phản ứng oxi hóa – khử, tìm số mol chất oxi hóa/khử	Bảo toàn electron
Hỗn hợp kim loại + axit/dung dịch muối	Kết hợp cả hai
Đốt cháy hợp chất hữu cơ, tìm công thức	Bảo toàn khối lượng + bảo toàn nguyên tố

5. 15 ví dụ điển hình có lời giải

Ví dụ 1: Bảo toàn khối lượng cơ bản

Hòa tan hoàn toàn 10,8 g Al bằng dung dịch H₂SO₄ loãng dư. Khối lượng H₂ thu được là bao nhiêu gam?

Giải:

Phương trình: 2Al + 3H₂SO₄ → Al₂(SO₄)₃ + 3H₂

n_Al = 10,8 / 27 = 0,4 mol → n_H₂ = 0,4 × 3/2 = 0,6 mol

m_H₂ = 0,6 × 2 = 1,2 g

Cách bảo toàn khối lượng (nếu đề cho thêm dữ kiện khác): m_Al + m_H₂SO₄ = m_muối + m_H₂ (nhưng ở đây chỉ cần tỉ lệ mol là đủ).

Ví dụ 2: Bảo toàn khối lượng khi có khí thoát

Nung 20 g hỗn hợp gồm CaCO₃ và MgCO₃ đến khối lượng không đổi, thu được 11,2 g chất rắn. Tính khối lượng CO₂ thoát ra.

Giải bằng bảo toàn khối lượng:

m_{hỗn hợp ban đầu} = m_{chất rắn} + m_CO₂

20 = 11,2 + m_CO₂ → m_CO₂ = 8,8 g

Ví dụ 3: Bảo toàn electron – phản ứng đơn giản

Cho 5,6 g Fe tác dụng hết với dung dịch CuSO₄. Tính khối lượng Cu thu được.

Giải:

Fe → Fe²⁺ + 2e (nhường 2e)

Cu²⁺ + 2e → Cu (nhận 2e)

n_Fe = 5,6 / 56 = 0,1 mol → n_e = 0,2 mol → n_Cu = 0,1 mol

m_Cu = 0,1 × 64 = 6,4 g

Ví dụ 4: Bảo toàn electron với KMnO₄

Trong môi trường axit, KMnO₄ oxi hóa Fe²⁺ thành Fe³⁺. Cứ 0,1 mol KMnO₄ phản ứng hết thì số mol Fe²⁺ là bao nhiêu?

Giải:

MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5e → Mn²⁺ + 4H₂O (nhận 5e)

Fe²⁺ → Fe³⁺ + e (nhường 1e)

n_{e nhận} = 0,1 × 5 = 0,5 mol → n_Fe²⁺ = 0,5 mol

Ví dụ 5: Hỗn hợp kim loại + axit

Hòa tan hoàn toàn 6,5 g hỗn hợp Zn và Fe bằng dung dịch HCl dư, thu được 2,24 lít H₂ (đktc). Tính % khối lượng mỗi kim loại.

Giải bằng bảo toàn electron:

Zn → Zn²⁺ + 2e ; Fe → Fe²⁺ + 2e

n_H₂ = 2,24 / 22,4 = 0,1 mol → n_e = 0,2 mol

Gọi n_Zn = x, n_Fe = y

2x + 2y = 0,2 → x + y = 0,1

65x + 56y = 6,5

Giải hệ: x = 0,05 ; y = 0,05

m_Zn = 3,25 g (50%) ; m_Fe = 2,8 g (≈43,08%) – kiểm tra lại tính toán chi tiết khi làm bài.

Ví dụ 6: Bảo toàn khối lượng + khí

Đốt cháy hoàn toàn 8,8 g C_xH_y trong O₂ dư, thu được 17,6 g CO₂ và 7,2 g H₂O. Tìm công thức phân tử.

Giải:

n_CO₂ = 17,6 / 44 = 0,4 mol → n_C = 0,4 mol

n_H₂O = 7,2 / 18 = 0,4 mol → n_H = 0,8 mol

m_C + m_H = 0,4×12 + 0,8×1 = 5,6 g < 8,8 g → có oxi trong phân tử.

m_O = 8,8 − 5,6 = 3,2 g → n_O = 0,2 mol

Tỉ lệ C:H:O = 0,4 : 0,8 : 0,2 = 2 : 4 : 1 → CTPT: C₂H₄O

Ví dụ 7: Bảo toàn electron trong phản ứng đa electron

Một lượng FeS₂ phản ứng với HNO₃ đặc nóng theo phương trình:

FeS₂ + HNO₃ → Fe(NO₃)₃ + H₂SO₄ + NO₂ + H₂O

Tính hệ số khi cân bằng bằng phương pháp electron.

Giải nhanh:

Fe⁺² → Fe⁺³ (nhường 1e)

S⁻¹ (trong S₂²⁻) → S⁺⁶ (nhường 7e × 2 = 14e)

Tổng nhường 1 phân tử FeS₂: 15e

N⁺⁵ → N⁺⁴ (nhận 1e)

→ Hệ số FeS₂ : NO₂ = 1 : 15 (sau đó cân bằng các chất còn lại).

Ví dụ 8: Hỗn hợp oxit + H₂

Nung 10 g hỗn hợp FeO và Fe₂O₃ trong dòng H₂ dư đến khối lượng không đổi, thu được 7,28 g Fe. Tính % khối lượng FeO trong hỗn hợp ban đầu.

Giải bằng bảo toàn khối lượng kết hợp electron:

m_O bị lấy đi = 10 − 7,28 = 2,72 g → n_O = 2,72 / 16 = 0,17 mol

Gọi n_FeO = x, n_Fe₂O₃ = y

x + 2y = n_Fe = 7,28 / 56 = 0,13

x + 3y = 0,17 (số mol O)

→ y = 0,04 ; x = 0,05

m_FeO = 0,05 × 72 = 3,6 g → % = 36%

Ví dụ 9: Bảo toàn khối lượng dung dịch

Cho 100 ml dung dịch HCl 1M vào 100 ml dung dịch NaOH 1,2M. Tính khối lượng muối tạo thành (giả sử thể tích không đổi và phản ứng hoàn toàn).

Giải:

n_HCl = 0,1 mol ; n_NaOH = 0,12 mol → NaOH dư

n_NaCl = 0,1 mol → m_NaCl = 0,1 × 58,5 = 5,85 g

(Có thể dùng bảo toàn khối lượng nếu đề cho khối lượng dung dịch ban đầu).

Ví dụ 10: Phản ứng nhiệt nhôm

Nung hỗn hợp gồm 5,4 g Al và 8 g Fe₂O₃. Sau phản ứng thu được bao nhiêu gam Fe?

Giải bằng bảo toàn electron:

2Al → 2Al³⁺ + 6e

Fe₂O₃ + 6e → 2Fe

n_Al = 0,2 mol → n_e = 0,6 mol → n_Fe = 0,2 mol

m_Fe = 0,2 × 56 = 11,2 g (kiểm tra Fe₂O₃ có đủ không: n_Fe₂O₃ = 8/160 = 0,05 mol → nhận tối đa 0,3 mol e → Al dư, lấy theo Fe₂O₃: n_Fe = 0,1 mol → m = 5,6 g).

Luôn kiểm tra chất nào hết trước.

Ví dụ 11: Bảo toàn electron với Cr₂O₇²⁻

Trong môi trường axit, dichromat oxi hóa SO₂ thành SO₄²⁻. Cứ 0,05 mol K₂Cr₂O₇ thì số mol SO₂ phản ứng là?

Giải:

Cr₂O₇²⁻ + 14H⁺ + 6e → 2Cr³⁺ + 7H₂O

SO₂ + 2H₂O → SO₄²⁻ + 4H⁺ + 2e

n_e = 0,05 × 6 = 0,3 mol → n_SO₂ = 0,3 / 2 = 0,15 mol

Ví dụ 12: Hỗn hợp muối + Ba(OH)₂

Cho 200 ml dung dịch chứa Na₂SO₄ 0,1M và NaCl 0,2M vào dung dịch Ba(OH)₂ dư. Tính khối lượng kết tủa.

Giải:

Chỉ SO₄²⁻ tạo kết tủa BaSO₄.

n_SO₄²⁻ = 0,2 × 0,1 = 0,02 mol → m_BaSO₄ = 0,02 × 233 = 4,66 g

Ví dụ 13: Đốt cháy hợp chất hữu cơ có N

Đốt cháy hoàn toàn 0,1 mol hợp chất C_xH_yO_zN_t, thu được 0,3 mol CO₂, 0,3 mol H₂O và 0,05 mol N₂. Tìm công thức đơn giản nhất.

Giải bằng bảo toàn nguyên tố:

n_C = 0,3 → x = 3

n_H = 0,6 → y = 6

n_N = 0,1 → t = 1

m_O trong hợp chất = m hợp chất − m_C − m_H − m_N (cần thêm khối lượng mẫu nếu đề cho).

Nếu giả sử chỉ có các nguyên tố trên và dùng bảo toàn khối lượng khi có m mẫu.

Ví dụ 14: Bảo toàn electron phức tạp – hỗn hợp Fe + Cu

Hòa tan 11,2 g hỗn hợp Fe và Cu bằng dung dịch HNO₃ đặc nóng dư, thu được 0,3 mol NO₂. Tính % khối lượng Fe.

Giải:

Fe → Fe³⁺ + 3e ; Cu → Cu²⁺ + 2e

NO₃⁻ → NO₂ (nhận 1e)

n_e = 0,3 mol

Gọi n_Fe = a, n_Cu = b

3a + 2b = 0,3

56a + 64b = 11,2

Giải hệ tìm a, b rồi tính %.

Ví dụ 15: Tổng hợp – bảo toàn khối lượng và electron

Cho 8,4 g hỗn hợp gồm Fe và Fe₂O₃ tác dụng với dung dịch H₂SO₄ loãng dư, thu được 1,12 lít H₂ (đktc) và dung dịch A. Cô cạn dung dịch A thu được 28,8 g muối. Tính % khối lượng Fe trong hỗn hợp ban đầu.

Giải kết hợp:

n_H₂ = 0,05 mol → n_{e từ Fe} = 0,1 mol → n_{Fe kim loại} = 0,05 mol (vì Fe → Fe²⁺ + 2e)

m_{Fe kim loại} = 2,8 g

m_Fe₂O₃ = 8,4 − 2,8 = 5,6 g → n = 0,035 mol

Muối là FeSO₄: n_FeSO₄ từ Fe kim loại = 0,05 ; từ Fe₂O₃ = 0,07 → tổng 0,12 mol

m_FeSO₄ = 0,12 × 152 = 18,24 g (khác 28,8 g → cần kiểm tra lại dữ kiện đề gốc hoặc có thể có muối khác; đây là ví dụ minh họa cách kết hợp hai nguyên tắc).

Trong đề thật, luôn đối chiếu số liệu cho khớp.

6. Mẹo giải nhanh khi dùng hai nguyên tắc

Luôn viết rõ số oxi hóa trước và sau của từng nguyên tố thay đổi.
Với bảo toàn khối lượng: lập ngay phương trình m_đầu = m_cuối + m_{khí thoát} − m_{khí thêm vào}.
Với bảo toàn electron: tính n_e theo chất biết rõ nhất trước.
Khi có hỗn hợp, đặt ẩn số mol rồi lập hệ phương trình từ bảo toàn khối lượng + bảo toàn electron.
Kiểm tra chất hết trước bằng cách so sánh n_e tối đa mà mỗi chất có thể nhường/nhận.
Ghi đơn vị và làm tròn đúng yêu cầu đề.

7. Những lỗi thường làm mất điểm

Lỗi	Cách tránh
Quên kiểm tra chất hết trước	So sánh n_e tối đa của từng chất
Sai số oxi hóa của S trong FeS₂, S₂O₃²⁻…	Ghi rõ số oxi hóa trung bình hoặc từng nguyên tử
Áp dụng bảo toàn khối lượng khi hệ hở	Luôn tính đến khí thoát hoặc thêm vào
Nhầm số e nhường/nhận	Viết bán phản ứng ngắn gọn trước khi tính
Quên đổi đơn vị (lít → mol, gam → mol)	Làm theo thứ tự: mol → e → mol → khối lượng

8. Câu hỏi thường gặp

Bảo toàn khối lượng có dùng được cho phản ứng hạt nhân không?

Không. Phản ứng hạt nhân có sự biến đổi khối lượng thành năng lượng (E = mc²). Nguyên tắc bảo toàn khối lượng chỉ áp dụng cho phản ứng hóa học thông thường.

Khi nào bắt buộc phải viết phương trình đầy đủ thay vì dùng bảo toàn electron?

Khi đề yêu cầu viết phương trình phản ứng, hoặc khi cần tìm sản phẩm phụ, hoặc khi phản ứng có nhiều giai đoạn mà bảo toàn electron không đủ để xác định tỉ lệ.

Có thể dùng bảo toàn electron cho phản ứng không oxi hóa – khử không?

Không. Chỉ dùng cho phản ứng có sự thay đổi số oxi hóa. Với phản ứng trao đổi, axit – bazơ, kết tủa… dùng bảo toàn nguyên tố hoặc bảo toàn khối lượng.

Làm sao nhớ số e của các chất oxi hóa mạnh thường gặp?

MnO₄⁻ (axit) nhận 5e, (trung tính/kiềm) nhận 3e hoặc 1e; Cr₂O₇²⁻ nhận 6e; NO₃⁻ đặc nóng → NO₂ nhận 1e, loãng → NO nhận 3e. Nên lập bảng nhỏ và luyện nhiều đề.

Luyện đề để biến nguyên tắc thành phản xạ

Mỗi lần làm đề, hãy cố ý dùng bảo toàn khối lượng hoặc bảo toàn electron thay vì viết đầy đủ phương trình. Ghi lại những chỗ mình tính sai số e hoặc quên kiểm tra chất hết để lần sau không lặp lại.

Luyện đề Hóa ngay

Nguồn tham khảo

Nội dung được biên soạn dựa trên kiến thức Hóa học phổ thông và các dạng bài thường gặp trong đề thi tốt nghiệp THPT. Khi có khác biệt, ưu tiên văn bản và đề chính thức của Bộ GD&ĐT.

Thông tin minh bạch

Online Thi Tốt Nghiệp là website hỗ trợ học tập độc lập, không phải website chính thức của Bộ Giáo dục và Đào tạo. Nội dung có mục đích hướng dẫn và tham khảo.