Mg + H2SO4 | Phương trình, cách cân bằng với acid loãng và đặc

Phản ứng Mg + H2SO4 tạo muối magnesium sulfate (MgSO₄) và sản phẩm khử tùy điều kiện. Với H₂SO₄ loãng, magnesium giải phóng khí hydrogen (H₂); với H₂SO₄ đặc, sản phẩm khử có thể là SO₂, sulfur (S) màu vàng hoặc H₂S. Học sinh cần phân biệt nồng độ, nhiệt độ và dữ kiện về sản phẩm để viết đúng phương trình.

Bài viết hướng dẫn cân bằng Mg + H2SO4 bằng phương pháp electron, giải thích hiện tượng và phân biệt các trường hợp acid loãng, đặc, bao gồm Mg + H2SO4 đặc nóng tạo S và Mg + H2SO4 đặc tạo H2S khi đề bài cho sản phẩm khử tương ứng.

Phản ứng Mg + H2SO4: phân biệt dung dịch loãng và dung dịch đặc nóng

Trong Bài 8: Sulfuric acid và muối sulfate – Hóa học 11 (Kết nối tri thức), tính chất của sulfuric acid được phân biệt theo nồng độ: dung dịch loãng thể hiện tính acid, còn dung dịch đặc có tính oxi hóa mạnh và tính háo nước. [1]

• H2SO4 loãng: Trong phản ứng với Mg, ion H⁺ nhận electron, tạo khí H2 và muối MgSO4.

• H2SO4 đặc: Khi sulfur trong acid bị khử, số oxi hóa của S giảm từ +6 xuống +4, 0 hoặc −2, tương ứng với SO2, S hoặc H2S.

Mg là chất khử: số oxi hóa tăng từ 0 lên +2 trong MgSO4. Với acid loãng, H có số oxi hóa +1 bị khử thành H2; trong các phương trình với acid đặc dưới đây, sulfur có số oxi hóa +6 bị khử. Không thể chỉ dựa vào hai chữ “đặc, nóng” để khẳng định duy nhất sản phẩm khử.

Lưu ý an toàn hóa chất: Sulfuric acid đặc là hóa chất cực kỳ nguy hiểm, gây bỏng nặng khi tiếp xúc với da và có tính háo nước mãnh liệt. Khi cần pha loãng H2SO4 đặc, chỉ được rót từ từ acid vào nước và khuấy nhẹ bằng đũa thủy tinh, tuyệt đối không làm ngược lại (không đổ nước vào acid) vì nước sẽ sôi đột ngột và bắn acid ra ngoài gây nguy hiểm.

Mg + H2SO4 loãng: phương trình, hiện tượng và cách tính

Mg đứng trước hydrogen trong dãy hoạt động hóa học nên phản ứng với H2SO4 loãng tạo muối magnesium sulfate và khí hydrogen. Cu không phản ứng với H2SO4 loãng trong điều kiện thông thường khi không có chất oxi hóa khác. Tương tự phản ứng Mg + HCl, bản chất là Mg khử ion H⁺. [1]

\[\text{Mg} + \text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{MgSO}_4 + \text{H}_2\uparrow\]

Hiện tượng Mg + H2SO4 loãng: Mg tan dần, xuất hiện bọt khí H2 không màu và phản ứng tỏa nhiệt. Nếu Mg phản ứng hết, dung dịch MgSO4 thu được không màu. Mức độ sủi bọt phụ thuộc nồng độ acid, nhiệt độ và bề mặt kim loại.

Nhận biết khí H2: Trong thí nghiệm do giáo viên kiểm soát, hydrogen có thể được nhận biết bằng tiếng “pốp” khi thử cháy một lượng khí nhỏ. Phương trình ion rút gọn:

\[\mathrm{Mg}+2\mathrm{H}^{+}\rightarrow\mathrm{Mg}^{2+}+\mathrm{H}_{2}\uparrow\]

Ví dụ tính toán minh họa: Cho 2,4 gam Mg tác dụng với dung dịch H2SO4 loãng dư. Tính thể tích khí thoát ra ở điều kiện chuẩn (25 °C, 1 bar) và khối lượng muối tạo thành.

• Số mol Mg: nMg = 2,4 / 24 = 0,1 mol.

• Theo phương trình, nH2 = nMg = 0,1 mol.

• Thể tích khí H2 ở điều kiện chuẩn: VH2 = 0,1 × 24,79 = 2,479 lít.

• Số mol muối MgSO4 = nMg = 0,1 mol.

• Khối lượng muối thu được: mMgSO4 = 0,1 × (24 + 32 + 16×4) = 12 gam.

Mg + H2SO4 đặc nóng ra SO2, S hay H2S?

H2SO4 đặc, nóng có tính oxi hóa mạnh, có thể phản ứng với nhiều kim loại, kể cả Cu. Trong các trường hợp đang xét, sulfur của H2SO4 nhận electron; sản phẩm khử có thể là SO2, S hoặc H2S theo giả thiết cụ thể của bài toán. [1]

Lưu ý về phạm vi: Các phương trình tạo S và H2S dưới đây là những trường hợp mở rộng dùng trong bài tập oxi hóa – khử, với giả thiết sản phẩm khử đã được xác định. Không coi chúng là quy trình thực nghiệm bảo đảm thu riêng từng chất; sản phẩm thực tế còn chịu ảnh hưởng của điều kiện phản ứng và các phản ứng tiếp theo. Các mức số oxi hóa +4, 0, −2 tương ứng với sulfur nhận 2, 6, 8 electron. [2]

Mg + H2SO4 đặc nóng tạo SO2

Khi đề bài cho SO2 là sản phẩm khử duy nhất, phương trình Mg + H2SO4 được cân bằng như sau:

\[\begin{aligned}\text{Mg} + 2\text{H}_2\text{SO}_4 &\rightarrow\\& \text{MgSO}_4 + \text{SO}_2\uparrow + 2\text{H}_2\text{O}\end{aligned}\]

Hiện tượng theo giả thiết: Mg tan dần, sinh khí SO2 không màu, có mùi hắc và gây kích ứng. Không dùng việc ngửi trực tiếp để nhận biết khí.

Mg + H2SO4 đặc nóng tạo S

Với bài toán Mg + H2SO4 đặc nóng ra S, đề cần cho biết sulfur là sản phẩm khử hoặc cung cấp dữ kiện đủ để suy ra. Khi đó S giảm số oxi hóa từ +6 xuống 0; không suy luận “acid vừa đủ” hoặc “acid loãng dần” là điều kiện chắc chắn tạo S.

\[\begin{aligned}3\text{Mg} + 4\text{H}_2\text{SO}_4 &\rightarrow\\& 3\text{MgSO}_4 + \text{S}\downarrow + 4\text{H}_2\text{O}\end{aligned}\]

Hiện tượng theo giả thiết: Mg tan dần và xuất hiện chất rắn sulfur màu vàng, làm hỗn hợp vẩn đục.

Mg + H2SO4 đặc nóng tạo H2S

Với bài toán Mg + H2SO4 đặc ra H2S, sulfur giảm số oxi hóa từ +6 xuống −2 và nhận 8 electron cho mỗi nguyên tử S bị khử. Nếu H2S là sản phẩm khử duy nhất, phương trình là:

\[\begin{aligned}4\text{Mg} + 5\text{H}_2\text{SO}_4 &\rightarrow\\& 4\text{MgSO}_4 + \text{H}_2\text{S}\uparrow + 4\text{H}_2\text{O}\end{aligned}\]

Hiện tượng theo giả thiết: Mg tan dần, sinh khí H2S không màu. H2S có mùi trứng thối và rất độc; không nhận biết bằng cách ngửi trực tiếp.

Cách chọn phương trình: Đọc sản phẩm khử, hiện tượng hoặc dữ kiện định lượng đề bài cung cấp. Nếu chưa đủ dữ kiện thì chưa thể kết luận duy nhất SO2, S hay H2S; không mặc định phản ứng luôn tạo SO2.

Bảng tỉ lệ mol trong các trường hợp Mg + H2SO4:

Cân bằng phương trình Mg + H2SO4 bằng thăng bằng electron

Để cân bằng Mg + H2SO4 đặc, có thể dùng phương pháp thăng bằng electron: tổng electron nhường bằng tổng electron nhận. Ví dụ sau xét trường hợp H2S là sản phẩm khử duy nhất.

Bước 1: Xác định sự thay đổi số oxi hóa

• Mg từ mức 0 tăng lên +2 trong MgSO4 (Mg đóng vai trò chất khử).

• S từ mức +6 trong H2SO4 giảm xuống -2 trong H2S (H2SO4 đóng vai trò chất oxi hóa).

Bước 2: Viết quá trình oxi hóa và quá trình khử

Quá trình oxi hóa:

\[\overset{0}{\mathrm{Mg}}\rightarrow\overset{+2}{\mathrm{Mg}}+2e^{-}\]

Quá trình khử:

\[\overset{+6}{\mathrm{S}}+8e^{-}\rightarrow\overset{-2}{\mathrm{S}}\]

Các số ghi phía trên nguyên tố là số oxi hóa, không phải điện tích của ion S⁶⁺ hay S²⁻ tự do trong dung dịch.

Bước 3: Thăng bằng electron (đảm bảo tổng e nhường = tổng e nhận)

Mỗi nguyên tử Mg nhường 2 electron, mỗi nguyên tử S bị khử nhận 8 electron. Vì vậy cần 4 nguyên tử Mg cho 1 nguyên tử S tạo H2S.

\[4\times2=1\times8=8\quad\text{electron}\]

Bước 4: Đặt hệ số vào phương trình và cân bằng các nguyên tố còn lại

Đặt hệ số 4 trước Mg và MgSO4, hệ số 1 trước H2S; sau đó cân bằng tổng số nguyên tử S, H và O.

Vế phải có 4 nguyên tử S trong 4 đơn vị công thức MgSO4 và 1 nguyên tử S trong H2S, nên cần hệ số 5 trước H2SO4.

Vế trái có 10 nguyên tử H; vế phải có 2 nguyên tử H trong H2S, nên đặt hệ số 4 trước H2O. Khi đó hai vế đều có 20 nguyên tử O.

Phương trình hoàn chỉnh:

\[\begin{aligned}4\text{Mg} + 5\text{H}_2\text{SO}_4 &\rightarrow\\& 4\text{MgSO}_4 + \text{H}_2\text{S} + 4\text{H}_2\text{O}\end{aligned}\]

Theo hệ số, trong 5 mol H2SO4 đã phản ứng, 1 mol có sulfur bị khử thành H2S; 4 mol còn lại cung cấp sulfate tạo MgSO4, sulfur vẫn giữ số oxi hóa +6. Không tính toàn bộ 5 mol acid là lượng sulfur nhận electron.

Bài tập Mg + H2SO4 có đáp án và chiến thuật làm bài

Các bài tập sau dùng M(Mg) = 24, M(S) = 32, M(MgSO4) = 120 g/mol. Mọi thể tích khí đều tính ở 25 °C, 1 bar, với thể tích mol 24,79 L/mol. Bài về acid đặc giả thiết sản phẩm khử duy nhất như đề cho và không xét phản ứng tiếp theo.

Dạng 1: Viết phương trình hóa học và nêu hiện tượng

Bài 1: Hoàn thành các phương trình phản ứng sau (ghi rõ điều kiện nếu có):
a) Mg + H2SO4 (loãng) → ?
b) Mg + H2SO4 (đặc, nóng) → SO2 + ?
c) Cu + H2SO4 (loãng) → ?

Phân tích đề bài: Đây là dạng bài kiểm tra lý thuyết cơ bản. Cần đặc biệt chú ý đến trạng thái "loãng" hay "đặc nóng" và độ hoạt động của kim loại (Cu không phản ứng với acid loãng).

Lời giải:
a) Mg + H2SO4 (loãng) → MgSO4 + H2↑
b) Mg + 2H2SO4 (đặc, nóng) → MgSO4 + SO2↑ + 2H2O
c) Cu + H2SO4 (loãng) → Không phản ứng (Cu đứng sau H trong dãy hoạt động hóa học).

Bài 2: Nêu hiện tượng xảy ra khi cho mẩu kim loại Mg vào dung dịch H2SO4 đặc nóng, biết phản ứng sinh ra sản phẩm khử là một chất rắn.

Lời giải:
Hiện tượng: Mẩu kim loại Mg tan dần, xuất hiện vẩn đục màu vàng trong dung dịch. (Chất rắn vàng đó chính là lưu huỳnh S).
Phương trình: 3Mg + 4H2SO4 (đặc, nóng) → 3MgSO4 + S↓ + 4H2O

Bài 3: So sánh chất oxi hóa trong hai trường hợp: Mg tác dụng với H2SO4 loãng sinh H2 và Mg tác dụng với H2SO4 đặc sinh SO2. Trong mỗi trường hợp, nguyên tố nào nhận electron?

Lời giải: Với acid loãng, H⁺ là chất oxi hóa: H giảm số oxi hóa từ +1 xuống 0. Với trường hợp tạo SO2, H2SO4 là chất oxi hóa: S giảm số oxi hóa từ +6 xuống +4. Mg đều là chất khử, tăng số oxi hóa từ 0 lên +2.

Dạng 2: Tính thể tích khí và khối lượng muối với H2SO4 loãng

Bài 4: Hòa tan hoàn toàn 4,8 gam Mg bằng dung dịch H2SO4 loãng, dư. Tính thể tích khí sinh ra ở điều kiện chuẩn (25 °C, 1 bar).

Lời giải:
- Tính số mol Mg: nMg = 4,8 / 24 = 0,2 mol.
- Phương trình: Mg + H2SO4 → MgSO4 + H2↑
- Từ phương trình: nH2 = nMg = 0,2 mol.
- Thể tích khí sinh ra: VH2 = 0,2 × 24,79 = 4,958 (lít).

Bài 5: Cho m gam Mg phản ứng vừa đủ với 150 mL dung dịch H2SO4 loãng 0,8 M. Tính m và khối lượng muối thu được.

Lời giải:
Số mol H2SO4 = 0,8 × 0,150 = 0,12 mol.
Theo phương trình Mg + H2SO4 → MgSO4 + H2↑, n(Mg) = n(MgSO4) = 0,12 mol.
m(Mg) = 0,12 × 24 = 2,88 g.
m(MgSO4) = 0,12 × 120 = 14,4 g.

Bài 6: Cho 7,2 gam kim loại X hóa trị II tác dụng với dung dịch H2SO4 loãng sinh ra 7,437 lít khí H2 (điều kiện chuẩn). Xác định kim loại X.

Lời giải:
- Số mol H2 = 7,437 / 24,79 = 0,3 mol.
- Phương trình: X + H2SO4 → XSO4 + H2↑
- Theo phương trình: nX = nH2 = 0,3 mol.
- Khối lượng mol của kim loại X: MX = m / n = 7,2 / 0,3 = 24 (g/mol).
- Kết luận: Kim loại X là Magnesium (Mg).

Vận dụng xác định chất dư: Cho 3,6 g Mg tác dụng với 100 mL H2SO4 loãng 1 M. Có n(Mg) = 0,15 mol và n(H2SO4) = 0,10 mol. Do tỉ lệ phản ứng là 1 : 1, acid hết, Mg dư 0,05 mol, tương ứng 1,2 g. Thu được 0,10 mol H2, tức 2,479 L (25 °C, 1 bar), và 12 g MgSO4.

Dạng 3: Tính toán với H2SO4 đặc nóng (Sử dụng bảo toàn electron)

Bài 7: Cho 3,6 gam Mg tác dụng hoàn toàn với dung dịch H2SO4 đặc, nóng, dư thu được V lít khí SO2 (sản phẩm khử duy nhất, ở đkc). Tính V.

Lời giải:
n(Mg) = 3,6 : 24 = 0,15 mol.
Mg tăng số oxi hóa từ 0 lên +2, nhường 0,15 × 2 = 0,30 mol electron.
S giảm số oxi hóa từ +6 xuống +4 trong SO2, nhận 2 electron/nguyên tử S.
Bảo toàn electron: n(SO2) = 0,30 : 2 = 0,15 mol.
V(SO2) = 0,15 × 24,79 = 3,7185 L.

Bài 8: Cho m gam Mg phản ứng hoàn toàn với H2SO4 đặc, thu được 0,7437 L H2S là sản phẩm khử duy nhất (25 °C, 1 bar). Tìm m.

Lời giải:
n(H2S) = 0,7437 : 24,79 = 0,03 mol.
S giảm số oxi hóa từ +6 xuống −2, nhận 8 electron/nguyên tử S.
Số mol electron nhận = 8 × 0,03 = 0,24 mol.
Mg nhường 2 electron/nguyên tử, nên n(Mg) = 0,24 : 2 = 0,12 mol.
m(Mg) = 0,12 × 24 = 2,88 g.

Bài 9: Hòa tan hoàn toàn hỗn hợp gồm 0,1 mol Mg và 0,1 mol Cu trong dung dịch H2SO4 đặc, nóng, dư. Tính thể tích khí SO2 (sản phẩm khử duy nhất, đkc) thu được.

Lời giải:
Mg và Cu đều tăng số oxi hóa từ 0 lên +2.
Tổng số mol electron nhường = 2 × (0,1 + 0,1) = 0,4 mol.
S trong H2SO4 giảm số oxi hóa từ +6 xuống +4 trong SO2, nhận 2 electron/nguyên tử S.
n(SO2) = 0,4 : 2 = 0,2 mol.
V(SO2) = 0,2 × 24,79 = 4,958 L.

Dạng 4: Xác định sản phẩm khử

Bài 10: Cho 3,84 g Mg phản ứng hoàn toàn với H2SO4 đặc, thu được dung dịch X và 0,9916 L khí Y (25 °C, 1 bar). Biết Y là SO2 hoặc H2S và là sản phẩm khử duy nhất. Xác định Y.

Phân tích đề bài: Dựa vào số mol electron nhường và nhận để tìm số electron lưu huỳnh đã nhận, từ đó suy ra trạng thái số oxi hóa của S trong Y.

Lời giải:
n(Mg) = 3,84 : 24 = 0,16 mol; số mol electron nhường = 2 × 0,16 = 0,32 mol.
n(Y) = 0,9916 : 24,79 = 0,04 mol.
SO2 và H2S đều chứa một nguyên tử S trong mỗi phân tử. Số electron mỗi nguyên tử S nhận là 0,32 : 0,04 = 8.
S giảm số oxi hóa từ +6 xuống −2, nên Y là H2S.

Bài 11: Cho 5,76 g Mg phản ứng hoàn toàn với H2SO4 đặc, thu được m gam chất rắn Z màu vàng là sản phẩm khử duy nhất. Tìm m.

Lời giải:
Z là sulfur (S).
n(Mg) = 5,76 : 24 = 0,24 mol; số mol electron nhường = 2 × 0,24 = 0,48 mol.
S giảm số oxi hóa từ +6 xuống 0, nhận 6 electron/nguyên tử.
n(S) = 0,48 : 6 = 0,08 mol.
m(S) = 0,08 × 32 = 2,56 g.

Chiến thuật làm bài nhanh gọn

• Đọc kỹ nồng độ acid, sản phẩm khử và điều kiện đo thể tích khí trước khi chọn phương trình.

• Với acid loãng, dùng tỉ lệ mol 1 : 1 : 1 : 1; nếu biết lượng cả Mg và H2SO4, xác định chất hết trước khi tính sản phẩm.

• Với acid đặc, cân bằng phương trình hoặc dùng bảo toàn electron phù hợp với dữ kiện. Luôn kiểm tra tổng số nguyên tử S trong muối và sản phẩm khử.

Những lỗi thường gặp

• Chọn sai sản phẩm: Không mặc định mọi phản ứng Mg + H2SO4 đều sinh H2 hoặc acid đặc luôn sinh SO2. Bám sát giả thiết và dữ kiện của bài.

• Quên sulfur trong muối: Ngoài sulfur bị khử, phải tính sulfur còn ở số oxi hóa +6 trong MgSO4 khi cân bằng H2SO4.

• Nhầm số oxi hóa với điện tích ion: Ký hiệu S có số oxi hóa +6 không có nghĩa dung dịch chứa ion S⁶⁺ tự do.

• Nhầm điều kiện khí và khối lượng mol: Ở 25 °C, 1 bar dùng 24,79 L/mol; M(SO2) = 64 và M(H2S) = 34 g/mol.

Phản ứng Mg + H2SO4 loãng tạo muối MgSO4 và khí H2 theo tỉ lệ mol 1 : 1. Với H2SO4 đặc, sulfur có số oxi hóa +6 có thể bị khử thành SO2, S hoặc H2S; cần dựa vào sản phẩm và dữ kiện đề bài để chọn phương trình, không chỉ căn cứ vào nồng độ và nhiệt độ.

Khi cân bằng và giải bài tập Mg + H2SO4, học sinh cần xác định đúng chất oxi hóa, áp dụng thăng bằng electron hoặc bảo toàn electron, đồng thời kiểm tra lượng sulfur trong cả muối và sản phẩm khử. Hệ thống kiến thức về sulfuric acid trong chương trình Hóa học 11 sẽ giúp người học củng cố cách viết phương trình và tính toán theo từng trường hợp.