CHUYÊN ĐỀ: IRON (SẮT) VÀ HỢP CHẤT CỦA IRON. HỢP KIM CỦA IRON
PHẦN A: LÍ THUYẾT
I – VỊ TRÍ VÀ CẤU TẠO
- Vị trí : Sắt là nguyên tố kim loại chuyển tiếp, thuộc nhóm VIIIB, chu kì 4, số hiệu nguyên tử là 26.
- Cấu hình electron nguyên tử : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2 ; hoặc viết gọn là [Ar] 3d6 4s2.
- Cấu hình electron của ion Fe2+ : [Ar] 3d6
- Cấu hình electron của ion Fe3+ : [Ar] 3d5
- Số oxi hóa : Trong các hợp chất, sắt có các số oxi hóa là +2, +3.
* Cấu tạo đơn chất : Tùy thuộc vào nhiệt, kim loại Fe có thể tồn tại ở mạng tinh thể lập phương tâm khối () hoặc lập phương tâm diện ()
* Năng lượng ion hóa : I1 = 760 (KJ/mol) ; I2 = 1560 (KJ/mol) ; I3 = 2960 (KJ/mol).
* Bán kính nguyên tử và ion : R(Fe) = 0,162 (nm) ; = 0,076 (nm) ; = 0,064 (nm).
* Thế điện cực chuẩn : = –0,44V ; = –0,036V ; = +0,77V.
II – TRẠNG THÁI TỰ NHIÊN
Sắt chiếm khoảng 5% khối lượng vỏ Trái Đất, đứng hàng thứ hai trong các kim loại (sau nhôm). Trong tự nhiên, sắt tồn tại chủ yếu ở dạng hợp chất trong các loại quặng, sắt tự do chỉ tìm thấy trong các mảnh thiên thạch.
Quặng sắt quan trọng là : quặng hematit đỏ (Fe2O3 khan), quặng hematit nâu (Fe2O3.nH2O), quặng manhetit (Fe3O4), quặng xiderit (FeCO3), quặng pirit sắt (FeS2).
III – TÍNH CHẤT VẬT LÍ
Sắt là kim loại màu trắng hơi xám, dẻo, dễ rèn, nóng chảy ở nhiệt độ 1540oC, có khối lượng riêng 7,9 g/cm3. Sắt có tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, đặc biệt có tính nhiễm từ.
IV – TÍNH CHẤT HÓA HỌC
Sắt là kim loại có tính khử trung bình. Khi tác dụng với chất oxi hóa yếu Fe bị oxi hóa thành Fe2+, với chất oxi hóa mạnh Fe bị oxi hóa thành Fe3+.
Fe Fe2+ + 2e
Fe Fe3+ + 3e
1. Tác dụng với phi kim
- Sắt khử nhiều phi kim thành ion âm, trong khi đó Fe bị oxi hóa thành Fe2+ hoặc Fe3+.
Thí dụ : Fe + S FeS (xám đen)
3Fe + 2O2 Fe3O4 (nâu đen) FeO.Fe2O3
2Fe + 3Cl2 2FeCl3 (nâu đỏ)
2. Tác dụng với acid
a) Với acid HCl, H2SO4 loãng
Fe khử dễ dàng ion H+ trong acid HCl, H2SO4 loãng thành khí H2, đồng thời Fe bị oxi hóa thành Fe2+.
Fe + 2H+ Fe2+ + H2
Fe + H2SO4 FeSO4 + H2
b) Với acid HNO3, H2SO4 đặc
* Sắt bị thụ động hóa trong acid HNO3 đặc, nguội và H2SO4 đặc, nguội.
* Với acid HNO3 loãng, HNO3 đặc nóng và H2SO4 đặc nóng, Fe bị oxi hóa mạnh thành Fe3+.
2Fe + 6H2SO4 (đặc) Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O
Fe + 6HNO3 (đặc) Fe(NO3)3 + 3NO2 + 3H2O
Fe + 4HNO3 (loãng) Fe(NO3)3 + NO + 2H2O
3. Tác dụng với nước
- Ở nhiệt độ cao, sắt khử được hơi nước :
3Fe + 4H2O Fe3O4 + 4H2
Fe + H2O FeO + H2
4. Tác dụng với dung dịch muối
- Sắt khử được những ion của kim loại yếu hơn trong dung dịch muối thành kim loại tự do.
Fe + CuSO4 FeSO4 + Cu
Fe + 3AgNO3 (dư) Fe(NO3)3 + 3Ag
BÀI 2: HỢP CHẤT CỦA SẮT
I – HỢP CHẤT SẮT (II)
- Trong các phản ứng hóa học, ion Fe2+ dễ nhường 1 electron để trở thành ion Fe3+ :
Fe2+ Fe3+ + e
Như vậy, tính chất hóa học đặc trưng của hợp chất sắt (II) là tính khử.
1. Sắt (II) oxide, FeO
- FeO là chất rắn, màu đen, không tan trong nước và không có trong tự nhiên.
- FeO là oxide bazơ, tác dụng với acid HCl, H2SO4,... tạo ra muối Fe2+.
Thí dụ : FeO + 2HCl FeCl2 + H2O
- FeO có tính khử, tác dụng với chất oxi hóa như acid HNO3, H2SO4 đặc,... tạo thành muối Fe3+.
Thí dụ : 2FeO + 4H2SO4 (đặc) Fe2(SO4)3 + SO2 + 4H2O
3FeO + 10HNO3 (loãng) 3Fe(NO3)3 + NO + 5H2O
- FeO có tính oxi hóa, tác dụng với chất khử mạnh như Al, CO, H2,... tạo thành Fe.
Thí dụ : FeO + H2 Fe + H2O
- Điều chế : Nhiệt phân Fe(OH)2, khử Fe2O3, dùng Fe khử H2O ở to > 570oC,...
Thí dụ : Fe(OH)2 FeO + H2O
Fe2O3 + CO 2FeO + CO2
2. Sắt (II) hydroxide, Fe(OH)2
- Fe(OH)2 là chất rắn, màu trắng xanh, không tan trong nước. Trong không khí ẩm, Fe(OH)2 dễ bị oxi hóa trong thành Fe(OH)3 màu nâu đỏ.
4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O 4Fe(OH)3
- Fe(OH)2 là hydroxide kém bền, dễ bị phân hủy bởi nhiệt.
- Nhiệt phân Fe(OH)2 không có không khí (không có O2) : Fe(OH)2 FeO + H2O
- Nhiệt phân Fe(OH)2 trong không khí (có O2) : 4Fe(OH)2 + O2 2Fe2O3 + 4H2O
- Fe(OH)2 là một bazơ, tác dụng với acid HCl, H2SO4 loãng,... tạo ra muối Fe2+.
Thí dụ : Fe(OH)2 + H2SO4 (loãng) FeSO4 + 2H2O
- Fe(OH)2 có tính khử, tác dụng với chất oxi hóa như acid HNO3, H2SO4 đặc,... tạo thành muối Fe3+.
Thí dụ : 2Fe(OH)2 + 4H2SO4 (đặc) Fe2(SO4)3 + SO2 + 6H2O
3Fe(OH)2 + 10HNO3 (loãng) 3Fe(NO3)3 + NO + 8H2O
- Điều chế Fe(OH)2 bằng cách cho muối sắt (II) tác dụng với dung dịch bazơ trong điều kiện không có không khí.
Thí dụ : FeCl2 + 2NaOH Fe(OH)2 + 2NaCl
3. Muối sắt (II)
- Đa số muối sắt (II) tan trong nước, khi kết tinh thường ở dạng ngậm nước như FeSO4.7H2O, FeCl2.4H2O,...
- Muối sắt (II) có tính khử, bị các chất oxi hóa mạnh oxi hóa thành muối sắt (III).
Thí dụ : 2FeCl2 + Cl2 2FeCl3
(dd màu lục nhạt) (dd màu vàng nâu)
10FeSO4 + 2KMnO4 + 8H2SO4 5Fe2(SO4)3 + K2SO4 + 2MnSO4 + 8H2O
(dd màu tím hồng) (dd màu vàng nâu)
- Điều chế muối sắt (II) bằng cách cho Fe hoặc các hợp chất sắt (II) như FeO Fe(OH)2,... tác dụng với acid HCl, H2SO4 loãng (không có không khí). Dung dịch muối sắt (II) thu được có màu lục nhạt.
4. Ứng dụng của hợp chất sắt (II)
Muối FeSO4 được dùng làm chất diệt sâu bọ có hại cho thực vật, pha chế sơn, mực và dùng trong kĩ nghệ nhuộm vải.
II – HỢP CHẤT SẮT (III)
- Trong các phản ứng hóa học, tùy thuộc vào chất khử mạnh hay yếu, ion Fe3+ có khả năng nhận 1 hoặc 3 electron :
Fe3+ + 1e Fe2+
Fe3+ + 3e Fe
- Như vậy, tính chất hóa học đặc trưng của hợp chất sắt (III) là tính oxi hóa.
1. Sắt (III) oxide, Fe2O3
- Fe2O3 là chất rắn, màu đỏ nâu, không tan trong nước.
- Fe2O3 là oxide bazơ, tan trong các dung dịch acid mạnh như HCl, H2SO4, HNO3,... tạo ra muối Fe3+.
Thí dụ : Fe2O3 + 6HNO3 2Fe(NO3)3 + 3H2O
- Fe2O3 có tính oxi hóa, tác dụng với chất khử như Al, C, CO, H2,... ở nhiệt độ cao.
Thí dụ : Fe2O3 + 2Al Al2O3 + Fe
Fe2O3 + 3CO 2Fe + 3CO2
- Điều chế Fe2O3 bằng cách nhiệt phân Fe(OH)3 ở nhiệt độ cao.
2Fe(OH)3 Fe2O3 + 3H2O
2. Sắt (III) hydroxide, Fe(OH)3
- Fe(OH)3 là chất rắn, màu nâu đỏ, không tan trong nước.
- Fe(OH)3 là một bazơ, dễ tan trong các dung dịch acid như HCl, H2SO4, HNO3,... tạo ra muối Fe3+.
Thí dụ : 2Fe(OH)3 + 3H2SO4 Fe2(SO4)3 + 3H2O
- Điều chế Fe(OH)3 bằng cách cho muối sắt (III) tác dụng với dung dịch bazơ.
Thí dụ : FeCl3 + 3NaOH Fe(OH)3 + 3NaCl
3. Muối sắt (III)
- Đa số muối sắt (III) tan trong nươc, khi kết tinh thường ở dạng ngậm nước như Fe2(SO4)3.9H2O, FeCl3.6H2O,...
- Muối sắt (III) có oxi hóa, dễ bị khử thành muối sắt (II).
Thí dụ : Fe + 2FeCl3 3FeCl2
(dd màu vàng) (dd màu xanh nhạt)
Cu + 2FeCl3 CuCl2 + 2FeCl2
(dd màu vàng) (dd màu xanh)
2FeCl3 + 2KI 2FeCl2 + 2KCl + I2
- Điều chế : Cho Fe tác dụng với các chất oxi hóa mạnh như Cl2, HNO3, H2SO4 đặc,... hoặc các hợp chất sắt (III) tác dụng với acid HCl, H2SO4 loãng,... Dung dịch muối sắt (III) thu được có màu vàng nâu.
- Nhận biết muối sắt (III) nhờ tác dụng với dung dịch muối kali hoặc muối amoni sunfoxianua (KSCN, NH4SCN) để tạo muối sắt (III) sunfoxianua màu đỏ máu:
FeCl3 + 3KSCN Fe(SCN)3 + 3KCl
Đối với Fe2+ và Fe3+ thì có thể nhận biết qua phức cyanide:
Fe2+ + 6CN- [Fe(CN)6]4- Fe4[Fe(CN)6]3
Feroxianua xanh Prusse
Fe3+ + 6CN- [Fe(CN)6]3- Fe3[Fe(CN)6]2
Feroxianua xanh Turn bull
4. Ứng dụng của hợp chất sắt (III)
Muối FeCl3 được dùng làm chất xúc tác trong một số phản ứng hữu cơ. Fe2(SO4)3 có trong phèn sắt–amoni (NH4)2SO4.Fe2(SO4)3.24H2O. Fe2O3 được dùng để pha chế sơn chống gỉ
BÀI 3: SẢN XUẤT GANG - THÉP
I. SẢN XUẤT GANG
1. Nguyên liệu
Quặng sắt (không chứa hoặc chứa rất ít S, P), chất chảy
2. Nguyên tắc
Dùng CO để khử dần dần Fe2O3 thành Fe
3. Các phản ứng xảy ra trong quá trình sản xuất gang
- Phản ứng tạo chất khử CO
C + O2 CO2
CO2 + C 2CO
- Phần trên thân lò ở 4000C đến 12000C
3Fe3O3 + CO 2Fe3O4 + CO2
- Phần giữa của thân lò nhiệt độ (5000C - 6000C)
Fe3O4 + CO 3FeO + CO2
- Phần dưới thân lò nhiệt độ (700 - 8000C)
FeO + CO Fe + CO2
- Sắt chảy qua C xuống dưới thu được sản phẩm gang lỏng ở 1200oC và xảy ra các phản ứng phụ:
3Fe + C Fe3C
3Fe + 2CO Fe3C + CO2
(xementit)
- Ngoài ra còn thu được xỉ từ các phản ứng phụ sau:
CaCO3 CaO + CO2
CaO + SiO2(cát) CaSiO3 (xỉ)
Và khí lò cao gồm CO, H2, CH4, .... dùng làm nhiên liệu.
II. SẢN XUẤT THÉP
1. Nguyên liệu
Gang trắng, gang xám, sắt phế liệu
Không khí hoặc oxi
Nhiên liệu: dầu madút hoặc khí đốt
Chất chảy: canxi oxide
2. Nguyên tắc
Oxi hóa các tạp chất trong gang (Si, Mn, S, P, C) thành oxide nhằm làm giảm hàm lượng của chúng trong thép.
3. Những phản ứng hóa học xảy ra
a. Phản ứng tạo thép
- Oxi không khí sẽ oxi hóa các tạp chất trong gang
Trước hết Si + O2 SiO2
2Mn + O2 2MnO
- Tiếp đến C bị oxi hóa thành CO (1.2000C)
2C + O2 2CO
- Sau đó S + O2 SO2
4P + 5O2 2P2O5
- Một phần Fe bị oxi hóa
2Fe + O2 2FeO
- Sau khi cho thêm lượng gang giàu Mangan Mn là chất khử mạnh hơn Fe sẽ khử ion sắt trong FeO thành sắt.
FeO + Mn Fe + MnO
b. Phản ứng tạo xỉ
- Ở nhiệt độ cao SiO2, P2O5 tác dụng với CaO tạo xỉ dễ nóng chảy, có tỉ khối nhỏ nổi trên thép.
3CaO + P2O5 Ca3(PO4)2
CaO + SiO2 CaSiO3
Ngày nay có một số phương pháp luyện thép chủ yếu sau đây:
1.Phương pháp Bessemer: Thổi không khí vào trong gang lỏng để đốt cháy các tạp chất trong gang:
2Mn + O2 2MnO
Si + O2 SiO2
C + O2 CO2
2Fe + O2 2FeO
FeO + SiO2 FeSiO3
MnO + SiO2 MnSiO3 xỉ
* Đặc điểm:
- Xảy ra nhanh (15 – 20 phút), không cho phép điều chỉnh được thành phần của thép.
- Không loại bỏ được P, S do đó không luyện được thép nếu gang có chứa những tạp chất đó.
2. Phương pháp Bessemer cải tiến:
a) Phương pháp Thomas: Lót bằng gạch chứa MgO và CaO để loại bỏ P:
4P + 5O2 2P2O5
P2O5 + 3CaO Ca3(PO4)2
* Đặc điểm: Cho phép loại được P nhưng không loại được lưu huỳnh.
b) Phương pháp thổi Oxi: thay không khí bằng O2 tinh khiết có áp suất cao (khoảng 10atm) để oxi hóa hoàn toàn các tạp chất. Đây là phương pháp hiện đại nhất hiện nay.
* Đặc điểm:
- Nâng cao chất lượng và chủng loại thép
- Dùng được quặng sắt và sắt thép gỉ để làm phối liệu
- Khí O2 có tốc độ lớn xuyên qua phế liệu nóng chảy và oxi hóa các tạp chất một cách nhanh chóng. Nhiệt lượng tỏa ra trong phản ứng oxi hóa giữ cho phối liệu trong lò luôn ở thể lỏng.
- Công suất tối ưu.
3. Phương pháp Martin: chất oxi hóa là oxi không khí và cả sắt oxide của quặng sắt.
* Đặc điểm: - tốn nhiên liệu để đốt lò
- Xảy ra chậm (6 – 8h) nên kiểm soát được chất lượng thép theo ý muốn.
4. Phương pháp hồ quang điện: nhờ nhiệt độ trong lò điện cao (> 3000oC) nên có thể luyện được các loại thép đặc biệt chứa những kim loại khó nóng chảy như Mo, W, ...
PHẦN B: BÀI TẬP ĐƯỢC PHÂN DẠNG
DẠNG 1: GIẢI TOÁN BẰNG PHƯƠNG PHÁP BẢO TOÀN NGUYÊN TỐ.
Ü ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NGUYÊN TỐ
Ü Cách tính số mol nguyên tố trong hợp chất và ngược lại:
- Nếu ta có hợp chất AxBy ;
- Nếu ta có số mol nguyên tố A trong AxBy
Ü Nếu ta có hỗn hợp các oxide tác dụng với HCl / H2SO4 thì:
O2- + 2H+ ® H2O
x/2--------x
Câu 1: Hòa tan hết hỗn hợp gồm 6,96g Fe3O4 ; 1,6g Fe2O3 ; 1,02g Al2O3 vào Vml dung dịch chứa HCl 0,5M và H2SO4 0,25M. Giá trị của V là bao nhiêu?
Hướng dẫn giải
nHCl = 0,5V mol; nH2SO4 = 0,25V Þ nH+trong 2 acid = 0,5V + 2.0,25V = V mol
Fe3O4 + 8H+ ® Fe2+ + 2Fe3+ + 4H2O
0,03--------0,24
Fe2O3 + 6H+ ® 2Fe3+ + 3H2O
0,01-------0,06
Al2O3 + 6H+ ® 2Al3+ + 3H2O
0,01-------0,06
Þ nH+ = 0,24 + 0,06 + 0,06 = 0,36 mol = V Þ V = 360 ml
Câu 2: Hòa tan hết 18g hỗn hợp gồm Fe3O4 và Fe2O3 vào Vml dung dịch chứa HCl 0,5M và H2SO4 0,25M. Khối lượng muối khan trong dd là 21,375g. Giá trị của V là bao nhiêu?
Hướng dẫn giải
nHCl = 0,5V mol; nH2SO4 = 0,25V mol;
BTNT H: nH/HCl + nH/H2SO4 = nH/H2O ® nHCl + 2.nH2SO4 = 2.nH2O ® 0,5V + 2.0,25V = 2.nH2O
® nH2O = 0,5V mol
BTKL: mhh oxide + mhh acid = mhh muối khan + mH2O Þ 18 + 0,5V.36,5 + 0,25V.98 = 21,375 + 0,5V.18
Þ V =0,1= 100ml
Câu 3: Để hòa tan hết 5,24g hỗn hợp Fe3O4; Fe2O3; FeO cần dùng 160ml dd HCl 0,5M. Nếu khử hoàn toàn 5,24g hỗn hợp trên bằng khí H2 ở nhiệt độ cao thì thu được khối lượng Fe là bao nhiêu?
Hướng dẫn giải
nHCl = CM.V = 0,5.0,16 = 0,08 mol
Fe3O4; Fe2O3; FeO + 160ml dd HCl 0,5M ® FeCl2 + FeCl3 + H2O
BTNT H: nH/HCl = nH/H2O Þ nHCl = 2.nH2O Þ nH2O = nHCl/2 = 0,08/2 = 0,04 mol
BTNT O: nO trong hh oxide = nO/H2O = nH2O = 0,04 mol Þ mO trong hh oxide = 0,04.16 = 0,64 gam
Þ mFe = mhh oxide sắt – mO trong hh oxide = 5,24 – 0,64 = 4,6g
Câu 4: Cho 7,68 gam hỗn hợp gồm FeO, Fe3O4, Fe2O3 tác dụng vừa hết với 260 ml HCl 1M thu được dung dịch X. Cho X phản ứng với dung dịch NaOH dư thu được kết tủa Y. Nung Y ngoài không khí đến khối lượng không đổi thu được đến khối lượng không đổi được m(g) chất rắn. Tính m.
Hướng dẫn giải
nHCl = 0,26.1 = 0,26 mol = nH+ FeCl2 + 2NaOH ® Fe(OH)2¯ + 2NaCl; Fe(OH)3 –t0® Fe2O3 + H2O
O2-trong hh oxide + 2H+ ® H2O FeCl3 + 3NaOH ® Fe(OH)3¯ + 3NaCl 2Fe(OH)2 + O2 –t0® Fe2O3 + H2O
0,13 0,26 ® mO trong hh oxide = 0,13.16 = 2,08g
Þ mFe trong hh oxide = mhh oxide – mO trong oxide = 7,68 – 2,08 = 5,6 g Þ nFe trong hh oxide = 5,6/56 = 0,1 mol
BTNT Fe: nFe trong hh oxide = nFe trong Fe2O3 Þ 0,1 = 2.nFe2O3 Þ nFe2O3 = 0,1/2 = 0,05 mol
Þ mFe2O3 = 0,05.160 = 8g
Câu 5: Một hỗn hợp X gồm 10,88 g các oxide Fe3O4 , FeO, Fe2O3 đun nóng với CO, sau phản ứng thu được a gam hỗn hợp rắn Y và 2,9748 lít khí (đkc). Giá trị của a là bao nhiêu?
Hướng dẫn giải
nCO2 = 2,9748/22,4 = 0,12 mol = nCO pứ (BTNT C)
BTKL: mhh oxide + mCO pứ = mhh chất rắn Y + mCO2 Þ 10,88 + 0,12.28 = mhh chất rắn Y + 0,12.44
Þ mhh chất rắn Y = 8,96g
Câu 6: Khử hết m gam Fe3O4 bằng CO thu được hỗn hợp A gồm FeO và Fe. A tan vừa đủ trong 0,3 lít dung dịch H2SO4 1M cho ra 4,958 lít khí (đkc). Tính m.
Hướng dẫn giải
nH2SO4 = CM.V = 1.0,3 = 0,3 mol; nH2 = 4,958/22,4 = 0,2 mol
Fe + H2SO4 ® FeSO4 + H2
0,2-----0,2----------------------0,2
FeO + H2SO4 ® FeSO4 + H2O
0,1------0,3-0,2
BTNT Fe: nFe/Fe3O4 = nFe/FeO + nFe Þ 3.nFe3O4 = nFeO + nFe
Þ 3.nFe3O4 = 0,1 + 0,2 = 0,3 Þ nFe3O4 = 0,3/3 = 0,1 mol Þ mFe3O4 = 0,1.232 = 23,2 gam
Câu 7: Để hoà tan hoàn toàn 2,32 gam hỗn hợp gồm FeO, Fe3O4 và Fe2O3 (trong đó số mol FeO bằng số mol Fe2O3), cần dùng vừa đủ V lít dung dịch HCl 1M. Giá trị của V là bao nhiêu?
Hướng dẫn giải
Quy đổi hỗn hợp FeO, Fe3O4, Fe2O3 thành Fe3O4 Þ nFe3O4 = 2,32/232 = 0,01 mol
Fe3O4 + 8HCl ® FeCl2 + 2FeCl3 + 4H2O
0,01-------0,08
Þ VHCl = n/CM = 0,08/1 = 0,08 mol
Câu 8: Cho 2,13 gam hỗn hợp X gồm ba kim loại Mg, Cu và Al ở dạng bột tác dụng hoàn toàn với oxi thu được hỗn hợp Y gồm các oxide có khối lượng 3,33 gam. Thể tích dung dịch HCl 2M vừa đủ để phản ứng hết với Y là bao nhiêu?
Hướng dẫn giải
BTKL: mhh 3 KL + mO2 = mhh oxide Þ mO2 = 3,33 – 2,13 = 1,2 gam
Þ nO/O2 = 2.1,2/32 = 0,075 mol = nO trong oxide (BTNT O)
O2-trong hh oxide + 2H+ ® H2O
0,075------------0,15
Þ VHCl = n/CM = 0,15/2 = 0,075 lít = 75 ml
Câu 9: Đốt cháy hoàn toàn 4,04 gam một hỗn hợp bột kim loại gồm Al, Fe, Cu trong không khí thu được 5,96 gam hỗn hợp 3 oxide. Hòa tan hết hỗn hợp 3 oxide bằng dung dịch HCl 2M. Tính thể tích dung dịch HCl cần dùng.
Hướng dẫn giải
BTKL: mhh 3 KL + mO2 = mhh oxide Þ mO2 = 5,96 – 4,04 = 1,92 gam Þ nO/O2 = 2.1,92/32 = 0,12 mol = nO trong oxide (BTNT O)
O2-trong hh oxide + 2H+ ® H2O
0,12-------------0,24
Þ VHCl = n/CM = 0,24/2 = 0,12 lít
Câu 10: Cho một luồng khí CO đi qua m gam hỗn hợp Fe2O3, CuO và Al2O3 Trong đó số mol của Fe2O3 bằng 3 lần số mol CuO, số mol CuO bằng 2 lần số mol Al2O3. Sau phản ứng thu được 30 gam chất rắn và chất khí. Cho hỗn hợp khí thoát ra tác dụng hết với vào 150ml dung dịch Ba(OH)2 1M, sau phản ứng thu được 19,7 gam kết tủa. Giá trị m là bao nhiêu?
Hướng dẫn giải
Đặt số mol của Al2O3: x mol; CuO: 2x mol; Fe2O3: 6x mol
nBa(OH)2 = CM.V = 1.0,15 = 0,15 mol; nBaCO3 = 19,7/197 = 0,1 mol
CO2 + Ba(OH)2 ® BaCO3¯ + H2O
0,1----------0,1-------------0,1
2CO2 + Ba(OH)2 ® Ba(HCO3)2
0,1 0,15 – 0,1 = 0,05
nCO2 = 0,1 + 0,1 = 0,2 mol = nCO pứ = nO trong oxide
BTKL: mhh oxide + mCO pứ = mhh chất rắn + mCO2 ® mhh oxide + 0,2.28 = 30 + 0,2.44 ® mhh oxide = 33,2g
DẠNG 2: XÁC ĐỊNH CÔNG THỨC CỦA OXIDE SẮT
Ü Xác định công thức FexOy:
- Nếu = 1 _ FexOy là: FeO
- Nếu = _ FexOy là: Fe2O3
- Nếu = _ FexOy là: Fe3O4
Ü Thông thường ta xác định tỷ lệ
ÜĐể xác định tỷ lệ này có thể dựa vào: Định luật bảo toàn nguyên tố, Định luật bảo toàn số mol electron, phản ứng với acid, với chất khử mạnh C, CO, H2, Al,…
Ü Nếu oxide sắt (FexOy) tác dụng với H2SO4 đặc, HNO3 đặc không giải phóng khí đó là Fe2O3.
Câu 1: Khử a gam một oxide sắt bằng carbon oxide ở nhiệt độ cao, người ta thu được 0,84 gam sắt và 0,88 gam khí CO2. Xác định công thức oxide sắt.
Hướng dẫn giải
Đặt CTHH của oxide sắt là FexOy
FexOy + yCO ---t0® xFe + yCO2
BTNT C ® nCO pứ = nCO2 = nO trong oxide FexOy = 0,88/44 = 0,02 mol
nFe = m/M = 0,84/56 = 0,015 mol Þ x : y = nFe : nO = 0,015/0,02 = ¾ Þ CTHH của oxide sắt là Fe3O4
Câu 2: Khử a gam một oxide sắt bằng cacbon oxide ở nhiệt độ cao, người ta thu được 14,56 gam sắt và 9,6681 lít khí CO2. Xác định công thức oxide sắt.
Hướng dẫn giải
Đặt CTHH của oxide sắt là FexOy
FexOy + yCO ---t0® xFe + yCO2
BTNT C ® nCO pứ = nCO2 = nO trong oxide FexOy = 9,6681/24,79 = 0,39 mol
nFe = m/M = 14,56/56 = 0,26 mol Þ x : y = nFe : nO = 0,26/0,39 = 2/3
Þ CTHH của oxide sắt là Fe2O3
Câu 3: Hòa tan hết 34,8g FexOy bằng dd HNO3 loãng, thu được dd A. Cho dd NaOH dư vào dd A. Kết tủa thu được đem nung ở nhiệt độ cao cho đến khối lượng không đổi. Dùng H2 để khử hết lượng oxide tạo thành sau khi nung thu được 25,2g chất rắn. Xác định công thức FexOy.
Hướng dẫn giải
34,8g FexOy + HNO3 loãng ® ddA + NaOH ® Fe(OH)3 --t0® Fe2O3 + H2 ® 25,2g Fe
BTNT Fe: mFe trong oxide FexOy = mFe chất rắn = 25,2g Þ nFe = 25,2/56 = 0,45 mol
Þ mO trong FexOy = mFexOy – mFe trong oxide = 34,8 – 25,2 = 9,6g Þ nO trong oxide = 9,6/16 = 0,6 mol
Lập tỉ lệ: x : y = 0,45 : 0,6 = 3 : 4 Þ CTHH của oxide sắt là Fe3O4
Câu 4: Khử một lượng oxide kim loại ở nhiệt độ cao thì cần 2,2311 lít H2. Kim loại thu được đem hòa tan hoàn toàn trong dd HCl, thu được 1,4874 lít H2. công thức phân tử của oxide kim loại là? (biết các khí đo ở đkc)
Hướng dẫn giải
nH2 (1) = 2,2311/24,79 = 0,09 mol; nH2 (2) = 1,4874/24,79 = 0,06 mol = 0,09xn/2y
MxOy + yH2 ---t0® xM + yH2O Þ 0,045nx/y = 0,06 Þ x/y = 0,06/0,045n
0,09---------0,09x/y Với n = 1 Þ x/y = 4 : 3
2M + 2nHCl ® 2MCln + nH2 n = 2 Þ x/y = 2 : 3 Þ M2O3 (Fe2O3)
0,09x/y--------------------------0,09xn/2y n = 3 Þ x/y = 4 : 9
Câu 5: Để hòa tan 4 gam FexOy cần 52,14 ml dd HCl 10% (D = 1,05 g/ml). Xác định công thức phân tử FexOy.
Hướng dẫn giải
DHCl = mdd/Vdd Þ mdd HCl = D.V = 1,05.52,14 = 54,747g Þ mct HCl = 54,747.10/100 = 5,4747g Þ nHCl = 0,15 mol
FexOy + 2yHCl ® xFeCl2y/x + yH2O mFexOy = 0,15/2y.(56x + 16y) = 4g ® 4,2x/y + 1,2 = 4
0,15/2y 0,15 Þ x/y = (4 – 1,2)/4,2 = 2 : 3 Þ Fe2O3
Câu 6: Dùng CO dư để khử hoàn tòan m gam bột sắt oxide (FexOy) dẫn tòan bộ lượng khí sinh ra đi thật chậm qua 1 lít dung dịch Ba(OH)2 0,1M thì vừa đủ và thu được 9,85gam kết tủa. Mặt khác hòa tan tòan bộ m gam bột sắt oxide trên bằng dd HCl dư rồi cô cạn thì thu được 16,25 gam muối khan. Giá trị của m và công thức oxide (FexOy)?
Hướng dẫn giải
nBa(OH)2 = CM.V = 0,1.1 = 0,1 mol; nBaCO3 = 9,85/197 = 0,05 mol
CO2 + Ba(OH)2 ® BaCO3¯ + H2O FexOy + 2yHCl ® xFeCl2y/x + yH2O
0,05 0,05 0,05 a--------------------------ax
2CO2 + Ba(OH)2 ® Ba(HCO3)2
0,1 0,05
nCO2 = 0,05 + 0,1 = 0,15 mol = nO/FexOy
nO/FexOy = ay mol; nCl trong muối = ax.2y/x = 2ay Þ nCl trong muối = 2nO/FexOy Þ nCl trong muối = 2.0,15 = 0,3 mol Þ mCl trong muối = 0,3.35,5 = 10,65g mFe trong muối = mFeCl2y/x – mCl trong muối = 16,25 – 10,65 = 5,6g
Þ nFe = 0,1 mol
Lập tỉ lệ: x : y = nFe : nO = 0,1 : 0,15 = 2 : 3 Þ CTHH của oxide sắt là Fe2O3
Câu 7: Hòa tan hoàn toàn 1 khối lượng FexOy bằng dung dịch H2SO4 đặc nóng thu được khí A và dung dịch B. Cho khí A hấp thụ hòan toàn bởi dung dịch NaOH dư tạo ra 12,6 gam muối. Mặt khác cô cạn dung dịch B thì thu được 120 gam muối khan. Xác định FexOy
Hướng dẫn giải
nNa2SO3 = 12,6/126 = 0,1 mol Quy đổi FexOy về 2 nguyên tố Fe và O
SO2 + 2NaOH ® Na2SO3 + H2O Fe0 - 3e ® Fe+3 S+6 + 2e ® S+4
0,1 0,1 0,6------1,8 0,2----0,1
Dung dịch B là Fe2(SO4)3 Þ nFe2(SO4)3 =120/400 = 0,3 mol O0 + 2e ® O-2 BT e: 1,8 = 0,2 + 2a
BTNT Fe: nFe/FexOy = nFe/Fe2(SO4)3 = 2.0,3 = 0,6 mol a-------2a Þ a = (1,8 – 0,2)/2 = 0,8 mol
Lập tỉ lệ: x : y = nFe : nO = 0,6 : 0,8 = 3 : 4 Þ CTHH của oxide sắt là Fe3O4
Câu 8: Hòa tan 10 gam hỗn hợp gồm Fe và FexOy bằng HCl được 1,2395 lít H2(đkc). Cũng lượng hỗn hợp này nếu hòa tan hết bằng HNO3 đặc nóng được 6,1975 lít NO2(đkc). Tìm công thức FexOy.
Hướng dẫn giải
nH2 = 1,2395/24,79 = 0,05 mol Fe0 - 3e ® Fe+3 N+5 + 1e ® N+4
Fe + 2HCl ® FeCl2 + H2 x------3x 0,25----0,25
0,05-------------------------0,05 O0 + 2e ® O-2 BT mol electron: 3x = 0,25 + 2y
Quy đổi hh về 2 nguyên tố Fe và O y-------2y Þ 3x – 2y = 0,25 (1)
nNO2 = 6,1975/24,79 = 0,25 mol mhh = mFe + mO = 56x + 16y = 10g (2)
Giải (1), (2) Þ x = 0,15 mol; y = 0,1 mol Þ nFe/FexOy = 0,15 – 0,05 = 0,1 mol
Lập tỉ lệ: x : y = nFe : nO = 0,1 : 0,1 = 1 : 1 Þ CTHH của oxide sắt là FeO
Câu 9: Cho một luồng khí CO đi qua 29 gam một oxide sắt. Sau khi phản ứng xảy ra hoàn toàn người ta thu được một chất rắn có khối lượng 21 gam. Xác định công thức oxide sắt.
Hướng dẫn giải
nFe = 21/56 = 0,375 mol; nO trong FexOy = mFexOy – mFe = 29 – 21 = 8g Þ nO trong oxide = 8/16 = 0,5 mol
Lập tỉ lệ: x : y = nFe : nO = 0,375 : 0,5 = 3 : 4 Þ CTHH của oxide sắt là Fe3O4
Câu 10: Khử hoàn toàn m gam oxide MxOy cần vừa đủ 19,832 lít khí CO (đkc), thu được a gam kim loại M. Hòa tan hết a gam M bằng dd H2SO4 đặc, nóng, dư, thu được 22,311 lít khí SO2 (đkc). Oxide M là gì?
Hướng dẫn giải
nCO = 19,832/24,79 = 0,8 mol; nSO2 = 22,311/24,79 = 0,9 mol BT mol electron: an = 1,8 Þ a = 1,8/n
BTNT C: nO trong oxide = nCO pứ = nCO2 = 0,8 mol n = 1Þ a = 1,8 Þ x : y = 1,8 : 0,8 = 9 : 4 (loại)
M0 - ne ® M+n n = 2 Þ a = 1,8/2 = 0,9 Þ x : y = 0,9 : 0,8 = 9 : 8 (loại)
a------an n = 3 Þ a = 1,8/3 = 0,6 Þ x : y = 0,6 : 0,8 = 3 : 4
S+6 + 2e ® S+4 Þ CTHH của MxOy là Fe3O4
1,8 0,9
Câu 11: Khử hoàn toàn một oxide sắt ở nhiệt độ cao cần vừa đủ V lít khí CO (đkc), sau phản ứng thu được 0,84g Fe và 0,02 mol khí CO2. Công thức của X và giá trị của V lần lượt là bao nhiêu?
Hướng dẫn giải
Đặt CTHH của oxide sắt là FexOy
nFe = 0,84/56 = 0,015 mol
BTNT C: nO trong oxide = nCO pứ = nCO2 = 0,02 mol Þ VCO pứ = 0,02.24,79 = 0,4958 lít
Lập tỉ lệ: x : y = nFe : nO = 0,015 : 0,02 = 3 : 4 Þ CTHH của oxide sắt là Fe3O4
DẠNG 3: BÀI TOÁN OXI HÓA 2 LẦN
Fe + O2 Ò hỗn hợp A (FeO, Fe2O3, Fe3O4, Fe dư) Fe(NO3)3 + SPK + H2O
Hoặc: Fe + O2 Ò hỗn hợp A (FeO, Fe2O3, Fe3O4, Fe dư) Fe2(SO4)3 + SPK + H2O
Hỗn hợp chất rắn X gồm FeO; Fe2O3; Fe3O4 hoặc Fe dư
Quy đổi hỗn hợp X thành Fe: x mol và O: y mol
Bảo toàn mol electron và giải hệ phương trình
Câu 1. Nung m gam bột sắt trong oxi, thu được 3 gam hỗn hợp chất rắn X. Hòa tan hết hỗn hợp X trong dung dịch HNO3 (dư), thoát ra 0,61975 (ở đkc) NO (là sản phẩm khử duy nhất). Giá trị của m là?
Hướng dẫn giải
Hỗn hợp chất rắn X gồm FeO; Fe2O3; Fe3O4 hoặc Fe dư
Quy đổi hỗn hợp X thành Fe: x mol và O: y mol ---HNO3® 0,61975 lít khí NO: 0,025 mol
Fe ® Fe+3 + 3e BT mol electron: Tổng ne cho = Tổng ne nhận
x-----------------3x 3x = 2y + 0,075
O + 2e ® O-2 Þ 3x – 2y = 0,075 (1)
y-----2y mchất rắn X = mFe + mO = 3 gam
N+5 + 3e ® N+2 Û 56x + 16y = 3 (2)
0,075 0,025 Giải (1),(2) Þ x = 0,045 mol; y = 0,03 mol Þ mFe = 0,045.56 = 2,52 gam
Câu 2: Để m gam bột Fe trong không khí sau một thời gian thu được 19,2 gam hỗn hợp B gồm Fe, FeO, Fe2O3, Fe3O4. Cho B vào dd HNO3 loãng khuấy kỹ để phản ứng hoàn toàn thấy B tan hết thu được dd X chứa 1 muối và 2,24 lit NO (đktc). Hỏi m có giá trị nào sau đây?
Hướng dẫn giải
Hỗn hợp chất rắn X gồm FeO; Fe2O3; Fe3O4 hoặc Fe dư
Quy đổi hỗn hợp X thành Fe: x mol và O: y mol ---HNO3® 2,24 lít khí NO: 0,1 mol
Fe ® Fe+3 + 3e BT mol electron: Tổng ne cho = Tổng ne nhận
x-----------------3x 3x = 2y + 0,3
O + 2e ® O-2 Þ 3x – 2y = 0,3 (1)
y-----2y mchất rắn B = mFe + mO = 19,2 gam
N+5 + 3e ® N+2 Û 56x + 16y = 19,2 (2)
0,3 0,1 Giải (1),(2) Þ x = 0,27 mol; y = 0,255 mol Þ mFe = 0,27.56 = 15,12 gam
Câu 3: Để a gam Fe ngoài không khí sau một thời gian sẽ chuyển thành hỗn hợp A có khối lượng 75,2 gam gồm FeO, Fe2O3, Fe3O4 và Fe. Cho A tác dụng với H2SO4 đặc, nóng dư thu được 7,347 lít khí SO2 (đkc). Tính a?
Hướng dẫn giải
Hỗn hợp chất rắn A gồm FeO; Fe2O3; Fe3O4 hoặc Fe dư
Quy đổi hỗn hợp A thành Fe: x mol và O: y mol ---H2SO4® 7,347 lít khí SO2: 0,3 mol
Fe ® Fe+3 + 3e BT mol electron: Tổng ne cho = Tổng ne nhận
x-----------------3x 3x = 2y + 0,6
O + 2e ® O-2 Þ 3x – 2y = 0,6 (1)
y-----2y mchất rắn A = mFe + mO = 75,2 gam
S+6 + 2e ® S+4 Û 56x + 16y = 75,2 (2)
0,6 0,3 Giải (1),(2) Þ x = 1 mol; y = 1,2 mol Þ BTNT Fe: mFe = 1.56 = 56g
Câu 4: Đốt cháy x mol Fe bằng oxi thu được 5,04g hỗn hợp A. Hòa tan A bằng dd HNO3 dư thu được 0,035 mol hỗn hợp Y gồm NO và NO2 (sản phẩm khử duy nhất). Tỉ khối hơi của Y đối với H2 bằng 19. giá trị của x là?
Hướng dẫn giải
NO: x mol 30 8 Þ x : y = 8 : 8 = 1 : 1 Þ x = y
19.2 Mà nhh NO và NO2 = 0,035 Þ x = y = 0,035/2 = 0,0175 mol
NO2: y mol 46 8
Quy đổi hỗn hợp A thành Fe: x mol và O: y mol ---HNO3® 0,0175 mol NO + 0,0175 mol NO2
Fe ® Fe+3 + 3e BT mol electron: Tổng ne cho = Tổng ne nhận
x-----------------3x 3x = 2y + 0,0525 + 0,0175
O + 2e ® O-2 Þ 3x – 2y = 0,07 (1)
y-----2y mchất rắn A = mFe + mO = 5,04 gam
N+5 + 2e ® N+2 Û 56x + 16y = 5,04 (2)
0,0525 0,0175 Giải (1),(2) Þ x = 0,07 mol; y = 0,07 mol Þ BTNT Fe: nFe = 0,07 mol
N+5 + 1e ® N+4
0,0175 0,0175
Câu 5: Nung nóng m gam bột sắt ngoài không khí, sau phản ứng thu được 20 gam hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe2O3 và Fe3O4. Hòa tan hết X trong dung dịch HNO3 loãng thu được 5,6 lít hỗn hợp khí Y gồm NO và NO2 có tỉ khối so với H2 là 19. Tính m và thể tích HNO3 1M đã dùng.
Hướng dẫn giải
NO: a mol 30 8 Þ a : b = 8 : 8 = 1 : 1 Þ a = b
19.2 Mà nhh NO và NO2 = 0,25 Þ a = b = 0,25/2 = 0,125 mol
NO2: b mol 46 8
Quy đổi hỗn hợp X thành Fe: x mol và O: y mol ---HNO3® 0,125 mol NO + 0,125 mol NO2
Fe ® Fe+3 + 3e BT mol electron: Tổng ne cho = Tổng ne nhận
x-----------------3x 3x = 2y + 0,25 + 0,125
O + 2e ® O-2 Þ 3x – 2y = 0,375 (1)
y-----2y mchất rắn X = mFe + mO = 20 gam
N+5 + 2e ® N+2 Û 56x + 16y = 20 (2)
0,25 0,125 Giải (1),(2) Þ x = 0,3 mol; y = 0,2 molÞ BTNT Fe: mFe = 0,3.56 = 16,8g
N+5 + 1e ® N+4 BTNT N: nN/HNO3 = nN/Fe(NO3)3 + nN/NO + nN/NO2
0,125 0,125 nHNO3 = 3.nFe(NO3)3 + nNO + nNO2 = 3.0,3 + 0,125 + 0,125 = 1,15 mol
Þ VHNO3 = n/CM = 1,15/1 = 1,15 lít
Câu 6: Cho một luồng khí CO đi qua ống sứ đựng m gam Fe2O3 nung nóng. Sau một thời gian thu được 10,44 gam chất rắn X gồm Fe, FeO, Fe2O3 và Fe3O4 . Hòa tan hết X trong dung dịch HNO3 đặc, nóng thu được 4,368 lít NO2 (sản phẩm khử duy nhất ở đktc). Tính m ?
Hướng dẫn giải
Hỗn hợp chất rắn X gồm FeO; Fe2O3; Fe3O4 hoặc Fe dư
Quy đổi hỗn hợp X thành Fe: x mol và O: y mol ---HNO3® 4,368 lít khí NO2: 0,195 mol
Fe ® Fe+3 + 3e BT mol electron: Tổng ne cho = Tổng ne nhận
x-----------------3x 3x = 2y + 0,195
O + 2e ® O-2 Þ 3x – 2y = 0,195 (1)
y-----2y mchất rắn X = mFe + mO = 10,44 gam
N+5 + 1e ® N+4 Û 56x + 16y = 10,44 (2)
0,195 0,195 Giải (1),(2) Þ x = 0,15 mol; y = 0,1275mol
BTNT Fe: nFe/X = mFe/Fe2O3 Þ 0,15 = 2.nFe2O3 Þ nFe2O3 = 0,15/2 = 0,075 mol
Þ mFe2O3 = 0,075.160 = 12g
Câu 7: Trộn bột Al với bột Fe2O3 (tỉ lệ mol 1 : 1) thu được m gam hỗn hợp X. Thực hiện phản ứng nhiệt nhôm hỗn hợp X trong điều kiện không có không khí sau một thời gian thu được hỗn hợp rắn Y. Hòa tan hết Y bằng nitric acid loãng dư , thấy giải phóng 0,4958 lít khí NO (đkc – sản phẩm khử duy nhất ). Tính m.
Hướng dẫn giải
Đặt nFe2O3 = nAl = x mol Hỗn hợp chất rắn Y gồm Fe, Fe2O3 dư, FeO, Al2O3 hoặc Fe3O4
2Al + Fe2O3 ---t0® 2Fe + Al2O3 hhY + HNO3 ® Fe(NO3)3 + NO + H2O
Bđ x x Fe không thay đổi số oxh mà chỉ có Al và N thay đổi số oxh
Pứ x--------x/2--------------x--------x/2

onthicaptoc.com Chuyen de 5 IRON SAT VA HOP CHAT CUA IRON. HOP KIM CUA IRON