A. Đặt vân đê
I. Lý do chọn đê tài
Giúp học sinh nắm vững kiến thức hoá học, biết khai thác, vận dụng để
giải quyết các vấn đề gặp phải trong thực tiễn cũng như trong khi học tập bộ
môn là nhiệm vụ thường xuyên và quan trọng trong quá trình giảng dạy môn
hoá ở bậc phổ thông trung học. Bên cạnh việc khắc sâu kiến thức, nó còn giúp
học sinh tiếp cận với quy luật tự nhiên và thực tiễn khách quan, có cách nhìn
khoa học hơn để nhận biết sự việc, hiên tượng .
Nhằm mục đích này, đồng thời để giúp học sinh có thể tự nghiên cứu,
tự học tập và áp dụng cho những trường hợp khác, khi giảng dạy cả ở những
giờ chính khoá cũng như bồi dưỡng học sinh khá, giỏi, tôi đã tìm hiểu các
dạng bài tập thường gây khó khăn cho học sinh để ngiên cứu phương pháp thể
hiện một cách đơn giản và hiệu quả nhất.
Trong số các nguyên tố và hợp chất được học trong chương trình
THPT, Sắt và hợp chất của sắt là phần kiến thức rất phong phú, đa dạng. Bài
tập về sắt là một phần quan trọng trong chương trình THPT, đặc biệt là
chương trình lớp 12. Nghiên cứu kỹ bài tập về sắt có thể vận dụng hiệu quả
cho bài tập về crôm do điểm tương đồng là hai kim loại có nhiều số oxi hoá.
Bài tập về sắt thường xuyên gặp phải các trường hợp biến đổi giữa 3 số oxi
hoá. Sự biến đổi các số oxi hóa của Sắt là dạng phản ứng mà học sinh thường
rất lúng túng khi xét các trường hợp xảy ra.
Vì vậy tôi đã tập trung tìm hiểu các dạng bài tập về Sắt và hợp chất,
phân loại theo nhóm bài tập phổ biến thường gặp trong chương trình học cũng
như trong các đề thi, hệ thống lại các dạng bài tập trên và đưa ra phương pháp
giải loại bài tập này nhằm giúp học sinh dễ hiểu, giải quyết vấn đề nhanh,
chính xác, đầy đủ và gọn gàng hơn. Đồng thời giúp học sinh có khả năng tư
duy độc lập để vận dụng trong những trường hợp khác.
II. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu.
- Tìm hiểu cơ sở lí luận của đề tài.
Bài tập về Sắt và hợp chất của Sắt
Trang 1
- Phân tích tính chất của sắt và các hợp chất, phân loại các bài toán trên
cơ sở sự thay đổi số oxi hóa của sắt và hợp chất.
- Hệ thống các dạng bài toán hoá học tương ứng với mỗi dạng phản
ứng, phân tích các sai lầm có thể có của học sinh và đưa ra cách giải hợp lý,
đơn giản.
- Hình thành kĩ năng tư duy cho học sinh, giúp học sinh tự nghiên cứu,
thao tác với dạng bài tập ứng với phản ứng khác và rút ra cách xét các trường
hợp phản ứng dạng tương tự.
III. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
- Các trường hợp phản ứng của Sắt và hợp chất, sự thay đổi số oxi hóa .
- Các dạng bài toán về Sắt và hợp chất, sự thay đổi số oxihóa trong
chương trình hoá học bậc THPT và thi tuyển sinh vào các trường Đại học
hàng năm.
- Phạm vi nghiên cứu: Quá trình dạy học Hoá học ở trường THPT .
IV. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu lí thuyết về Sắt và hợp chất, sự thay đổi số oxi hóa
- Tìm hiểu chương trình Hóa học phổ thông, các tài liệu hướng dẫn giải
các bài tập Hoá học, các đề thi tuyển sinh ...
- Hệ thống, sắp xếp các dạng bài tập theo đặc điểm chung, đưa ra cách
giải chung cho từng dạng.
B. Giải quyết vấn đê
1- Sự chuyển hóa các số oxi hóa của Sắt
Trong chương trình hoá học bậc THPT, Sắt là nguyên tố xuất hiện
nhiều nhất trong các dạng bài toán do có nhiều số oxi hóa, sự biến đổi các số
oxi hóa phong phú, đa dạng khiến bài tập về Sắt và hợp chất có nhiều trường
hợp phản ứng xảy ra.
Sự biến đổi các số oxi hoá của Sắt tập trung theo sơ đồ chuyển hóa
Bài tập về Sắt và hợp chất của Sắt
Trang 2
Fe
Fe2+
Fe3+
1.1- Phản ứng khử hợp chất Sắt (III):
1.1.1- Đặc điểm chuyển hóa:
Khi hợp chất sắt (III) tác dụng với chất khử yếu có thể tạo hợp chất sắt (II).
Khi hợp chất sắt (III) tác dụng với các chất khử mạnh có thể tạo hợp chất
sắt (II) hoặc tạo ra đơn chất sắt.
1.1.2- Các phản ứng thường gặp
1.1.2.1- Hợp chất sắt (III) tác dụng với chất khử yếu:
- Các kim loại từ Fe đến Cu
1.1.2.2- Hợp chất sắt (III) tác dụng với các chất khử mạnh :
- Phản ứng của dung dịch muối Fe3+ với các kim loại từ Mg đến Zn.
- Phản ứng khử Fe2O3 bằng các chất khử như C, CO, H2, Al ...
1.2- Phản ứng oxi hóa Sắt:
1.2.1- Đặc điểm chuyển hóa:
Khi sắt tác dụng với chất oxi hóa yếu tạo hợp chất sắt (II)
Khi sắt tác dụng với chất oxi hóa mạnh có thể tạo hợp chất sắt (II) hoặc
hợp chất sắt (III).
1.2.2- Các phản ứng thường gặp
1.2.2.1- Sắt tác dụng với chất oxi hóa yếu:
Phản ứng với phi kim: lưu huỳnh, Iot
Phản ứng với dung dịch muối của các kim loại: từ sau Fe đến Cu
Bài tập về Sắt và hợp chất của Sắt
Trang 3
1.1.2.2- Sắt tác dụng với chất oxi hóa mạnh:
- Phản ứng của Fe với các chất có tính oxi hoá mạnh (Các halogen từ
Flo đến Brom, dung dịch HNO3, H2SO4 đặc nóng, Hg(NO3)2, AgNO3).
- Phản ứng của Fe với oxi.
1.3- Phản ứng của hợp chất Sắt (II)
1.3.1- Đặc điểm chuyển hóa:
Hợp chất sắt (II) có số oxi hoá trung gian nên có thể hiện tính khử khi
gặp chất oxi hoá mạnh, thể hiện tính oxi hoá khi gặp chất khử mạnh.
1.3.2- Các phản ứng thường gặp
1.3.2.1- Phản ứng thể hiện tính khử của Fe2+ với chất có tính oxi hoá mạnh:
Dung dịch HNO3, H2SO4 đặc nóng, Hg(NO3)2, AgNO3; F2, Cl2, Br2 ...; (H2O +
O2)
1.3.2.2- Phản ứng thể hiện tính oxi hoá của hợp chất Fe 2+ với các chất khử
mạnh: Kim loại mạnh, CO, C, H2, ...
Các trường hợp phản ứng trên được sử dụng, phân loại theo nhiều cách,
tuỳ thuộc nguyên tắc phân chia và mục đích vận dụng trong các dạng bài tập.
Có thể phân loại theo các cách cơ bản sau:
2- Phân loại bài tập vê sắt và hợp chất của sắt:
2.1- Bài toán về phản ứng của Fe với dung dịch các chất có tính oxi hoá
mạnh (HNO3, H2SO4 đặc nóng, AgNO3).
2.2- Bài toán về phản ứng của dung dịch muối Fe3+ với các kim loại từ
Mg đến Zn.
2.3- Bài toán về hỗn hợp của sắt và các oxit
2.4- Bài toán xác định công thức của oxit.
3- Các phương pháp thường được áp dụng trong bài toán vê sắt và hợp
chất của sắt:
3.1- Phương pháp bảo toàn khối lượng các chất
Bài tập về Sắt và hợp chất của Sắt
Trang 4
3.2- Phương pháp bảo toàn electron.
3.3- Phương pháp bảo toàn số mol nguyên tử các nguyên tố
3.4- Phương pháp bán phản ứng (phương trình ion-electron.
3.5- Phương pháp tăng giảm khối lượng
4- Phân tích đặc điểm một số phản ứng thường gặp
4.1- Phản ứng của Fe với dung dịch các axit có tính oxi hoá mạnh.
Thí nghiệm 1: Cho bột sắt tác dụng với dung dịch HNO3 loãng.
Phản ứng, hiện tượng:
Khi cho từ từ bột sắt vào dung dịch HNO3 đầu tiên có khí thoát ra do:
Fe
+
4HNO3
Fe(NO3)3
+
NO
+
2H2O
Khi HNO3 hết, dung dịch thu được vẫn hoà tan thêm một lượng bột sắt do:
Fe
+
2Fe(NO3)3
3Fe(NO3)2
Phản ứng của Fe với H2SO4 đặc nóng được xét tương tự như trên.
Thí nghiệm 2: Cho bột sắt tác dụng với dung dịch AgNO3.
Phản ứng, hiện tượng: Khi cho bột sắt vào dung dịch AgNO3 có kết tủa thoát
ra:
Fe
+
2AgNO3
Fe(NO3)2
+
2Ag
+
Ag
khi Fe hết khối lượng kết tủa vẫn tiếp tục tăng, do:
AgNO3 + Fe(NO3)2
Fe(NO3)3
Đặc điểm bài toán:
Khi sắt tác dụng với dung dịch chất có tính oxi hoá mạnh, sản phẩm thu
được có thể gồm hợp chất sắt (II), hợp chất sắt (III).
4.2- Phản ứng của dung dịch muối Fe3+ với kim loại.
4.2.1- Phản ứng của dung dịch muối Fe3+ với các kim loại từ Mg đến Zn.
Thí nghiệm: Cho bột Mg tác dụng với dung dịch Fe(NO3)3.
Bài tập về Sắt và hợp chất của Sắt
Trang 5
Phản ứng, hiện tượng: Khi cho từ từ bột kim loại (từ Mg đến Zn) dung dịch
muối Fe3+, đầu tiên không có chất rắn thoát ra do:
Mg
+
2Fe3+
Mg2+ +
2Fe2+
Sau khi Fe3+ phản ứng hết, tiếp tục thêm bột Mg sẽ tạo ra chất rắn mới do:
Mg
+
Fe2+
Mg2+ +
Fe
Đặc điểm:
Các kim loại không tác dụng với H 2O, mạnh hơn Fe trong dãy điện hoá
đều có thể tham gia phản ứng với dung dịch muối Fe3+ như trên.
Khi các kim loại không tác dụng với H 2O, mạnh hơn Fe trong dãy điện
hoá phản ứng với dung dịch muối Fe 3+ có thể có chất rắn thu được hoặc chỉ có
phản ứng hòa tan chất rắn.
4.2.2- Phản ứng của dung dịch muối Fe3+ với các kim loại từ Fe đến Cu.
Phản ứng, hiện tượng: Khi cho bột kim loại (từ Fe đến Cu) dung dịch muối
Fe3+, không có chất rắn thoát ra do:
Cu
+
2Fe3+
Cu2+ +
2Fe2+
Đặc điểm:
Các kim loại yếu hơn Fe trong dãy điện hoá vẫn có thể tham gia phản
ứng với dung dịch muối Fe3+ như trên.
Khi các kim loại yếu hơn Fe trong dãy điện hoá phản ứng với dung
dịch muối Fe3+ chỉ có phản ứng hòa tan chất rắn.
4.3- Phản ứng của Fe với O2.
Phản ứng:
2Fe
+
O2
2FeO
3Fe
+
2O2
Fe3O4
2Fe
+
3O2
2Fe2O3
Đặc điểm:
Khi cho Fe tác dụng với O2, hỗn hợp thu được có thể gồm 4 chất.
4.4- Phản ứng của Fe2O3 với chất khử (CO).
Bài tập về Sắt và hợp chất của Sắt
Trang 6
Phản ứng:
3Fe2O3 +
CO
2Fe3O4 +
CO2
Fe3O4 +
CO
3FeO
+
CO2
FeO
CO
Fe
+
CO2
+
Đặc điểm: Khi cho Fe2O3 tác dụng với chất khử, hỗn hợp thu được có thể
gồm 4 chất.
4.5- Phản ứng của hỗn hợp sắt và các oxit với dung dịch axit.
Phản ứng:
Cho hỗn hợp X gồm sắt và 3 oxit của sắt tác dụng với dung dịch HCl.
Fe2O3 +
6HCl
2FeCl3 +
3H2O
Fe3O4 +
8HCl
2FeCl3 +
FeCl2 + 4H2O
FeO
+
2HCl
FeCl2
+
H2O
Fe
+
2HCl
FeCl2
+
H2
Fe
+
2FeCl3
3FeCl2
Đặc điểm:
- Thứ tự ưu tiên các phản ứng: axit hòa tan các oxit, chất phản ứng cuối
cùng là Fe. Nếu có chất rắn còn dư sẽ là sắt, có thể có các oxit.
- Nếu có chất rắn dư, chắc chắn sẽ có phản ứng của Fe với Fe3+.
- Nếu chất rắn tan hết, tùy yêu cầu của đề: Nếu đề cho tính ôxi hóa của
Fe3+ mạnh hơn của H+ hoặc tính khử của hydro mới sinh mạnh hơn của Fe 2+
thì có phản ứng của Fe với Fe3+.
4.6- Phản ứng của hợp chất sắt (II)
- Khác với nhiều hợp chất khác của kim loại chỉ có tính ôxi hóa, hợp
chất sắt (II) thể hiện cả tính ôxi hóa và tính khử tùy chất phản ứng.
4.6.1- Tính ôxi hóa
- Nếu gặp chất khử mạnh, hợp chất sắt (II) thể hiện tính ôxi hóa:
FeO
+
CO
Bài tập về Sắt và hợp chất của Sắt
Fe
+
CO2
Trang 7
Mg
Fe2+
+
Mg2+
+
Fe
4.6.2- Tính khử
- Nếu gặp chất ôxi hóa mạnh, hợp chất sắt (II) thể hiện tính khử:
AgNO3 + Fe(NO3)2
3FeO
+
10HNO3
4Fe(OH)2
Fe(NO3)3
+
3Fe(NO3)3 + NO
+ O2 + 2H2O
Ag
+ 5H2O
4Fe(OH)3
5- Các bài tập áp dụng
5.1- Bài toán phản ứng của sắt với dung dịch các chất oxi hoá mạnh
Ví dụ 1: Một dung dịch chứa b mol H 2SO4 hoà tan hết a mol Fe thu được khí
A và 42,8 gam muối khan. Nung lượng muối khan ở nhiệt độ cao trong điều
kiện không có không khí đến khối lượng không đổi được hỗn hợp khí B.
a 2,5
).
6
b
1- Tính giá trị của a, b (biết
2- Tính dA/B.
Bài giải:
Khi Fe phản ứng với H2SO4 thu được khí A , A có thể là H2 hoặc SO2 .
Nếu A là H2 , phản ứng tạo FeSO4:
Fe
+
H2SO4
a
FeSO4
+
H2
(*).
b
Theo phản ứng (*):
nFe
a 1
;
a 1
nH 2SO4
Theo đề:
n Fe
nH 2 SO4
a 2,5
b
6
Không phù hợp
Nếu A là SO2, phản ứng tạo Fe2(SO4)3:
2Fe
+ 6H2SO4
a
Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O
(**)
3a
Theo phản ứng (**):
Theo đề:
n Fe
nH 2 SO4
nFe
nH 2SO4
a 2,5
b
6
a 1
3a 3
Không phù hợp
Bài tập về Sắt và hợp chất của Sắt
Trang 8
Vậy, trường hợp xảy ra là Fe tác dụng với H 2SO4 tạo Fe2(SO4)3 và SO2, còn
dư Fe tác dụng với Fe2(SO4)3.
2Fe
+
6H2SO4
Fe2(SO4)3 +
3SO2 +
6H2O
Fe
+
Fe2(SO4)3
3FeSO4
Fe
+
2H2SO4
FeSO4
+ SO2 +
2H2O
Có thể coi như một phần Fe tác dụng tạo thành x mol Fe2(SO4)3 :
2Fe
+
6H2SO4
2x
Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O (1).
6x
x
Một phần Fe tác dụng tạo thành y mol FeSO4:
Fe
+
2H2SO4
y
FeSO4
2y
+
SO2
+
2H2O (2)
y
Số mol Fe phản ứng là: 2x + y = a
Số mol H2SO4 phản ứng là: 6x + 2y = b
2 x y a
6 x 2 y b
Kết hợp ta được hệ : a 2,5
b
6
Giải hệ ta được: x = 0,2a ;
y = 0,6a
Theo đề tổng khối lượng muối thu được nặng 42,8 gam
400x + 152y = 42,8
Thay giá trị của x và y theo a vào ta được a = 0,25; b = 0,6.
Muối gồm 0,05 mol Fe2(SO4)3 và 0,15 mol FeSO4. khi nung trong không khí:
2Fe2(SO4)3
2Fe2O3
0,05
4FeSO4
+
6SO2
0,15
2Fe2O3
0,15
+
3O2
(3)
O2
(4)
0,075
+
4SO2
0,15
+
0,0375
Khí B gồm 0,3 mol SO2 và 0,1125 mol O2.
dB
KK
0,3.64 0,1125.32
1,91
(0,3 0,1125).29
Ví dụ 2. Cho hỗn hợp bột gồm 2,7 gam Al và 5,6 gam Fe vào 550 ml dung dịch
AgNO3 1M. Sau khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn, thu được m gam chất rắn.
Bài tập về Sắt và hợp chất của Sắt
Trang 9
Tính giá trị của m là (biết thứ tự trong dãy thế điện hoá: Fe3+/Fe2+ đứng trước
Ag+/Ag)
Bài giải:
Ta có: nAl = 2,7:27 = 0,1 mol; nFe= 5,6:56 = 0,1 mol; n AgNO 3 = 0,55 mol
Al
+
0,1
Fe
3AgNO3
�
Al(NO3)3 +
0,3
+
0,1
Fe(NO3)2 +
2AgNO3 �
0,3
Fe(NO3)2 +
0,2
AgNO3 �
3Ag
2Ag
0,2
Fe(NO3)3 +
0,05
Ag
0,05
Chất rắn thu được là Ag. � m = 108.(0,2 + 0,3 + 0,05) = 59,4g
Nhận xét: Do sắt có khả năng thể hiện số ôxi hóa +2 hoặc +3, nên dạng bài
tập phản ứng của Fe với các chất oxi hóa mạnh khá phức tạp. Với dạng bài
tập này, cần chú ý khả năng phản ứng tạo sắt (II) hay sắt (III).
5.2- Bài toán phản ứng của kim loại với dung dịch muối của Fe3+.
Phân tích trường hợp: cho hỗn hợp X gồm Zn và Al tác dụng với dung dịch
Y chứa FeCl3. Xác định các phản ứng có thể xảy ra.
Lưu ý: Ta có thể có các trường hợp
- Chỉ có Al tác dụng với FeCl3, có 1 bước phản ứng, tạo Fe2+.
- Chỉ có Al tác dụng với FeCl3, có 2 bước phản ứng, tạo Fe2+ và Fe.
- Có Al và Zn tác dụng với FeCl3, có 1 bước phản ứng, tạo Fe2+.
- Có Al và Zn tác dụng với FeCl3, có 2 bước phản ứng, tạo Fe2+ và Fe,
trong đó lại có thể có các trường hợp nhỏ:
+ Chỉ có Al tác dụng với FeCl3, tạo Fe2+.
+ Có Al và Zn tác dụng với FeCl3, tạo Fe2+.
Ví dụ 1: Cho 18,5 gam hỗn hợp X gồm Fe, Fe3O4 tác dụng với 200 ml dung
dịch HNO3 loãng, đun nóng và khuấy đều. Sau khi phản ứng xảy ra hoàn toàn
Bài tập về Sắt và hợp chất của Sắt
Trang 10
thu được 2,24 lít khí NO duy nhất ở điều kiện tiêu chuẩn, dung dịch Y và còn
lại 1,46 gam kim loại.
1. Viết các phương trình phản ứng xảy ra.
2. Tính nồng độ mol/l của dung dịch HNO3 .
3. Tính khối lượng muối trong dung dịch Y.
Bài giải:
Gọi x là số mol Fe tác dụng với dung dịch HNO3, y là số mol Fe2O3. (x, y > 0)
Fe
+
4HNO3
Fe(NO3)3 + NO + 2H2O
x
x
3Fe3O4 + 28HNO3
9Fe(NO3)3 + NO + 14H2O
28 y
3
y
2Fe
y
3
3y
+ Fe(NO3)3
x 3y
2
Theo đề:
x
3Fe(NO3)2
(x + 3y)
n NO
2,24
0,1
22,4
x+
Số mol sắt đã phản ứng là: (x +
56(x +
x 3y
2
y
3
= 0,1 (*)
x 3y
2
); lượng sắt còn dư là 1,46 gam.
) + 232y = 18,5 – 1,46 = 17,04. (**)
Kết hợp 2 phương trình (*) và (**), giải hệ ta được x = 0,09 ; y = 0,03.
Từ kết quả trên ta tính được: C M ( HNO ) = 3,2M ; m Fe ( NO ) = 48,6 gam.
3
3 2
Ví dụ 2: Cho 7,7 gam hỗn hợp X gồm Mg và Zn tác dụng với dung dịch HCl
dư thu được 3,36 lít khí (đo ở điều kiện tiêu chuẩn). Cho 7,7 gam X tác dụng
với 500 ml dung dịch FeCl3 0,4M thu được chất rắn Y. Tính khối lượng Y.
Bài giải:
Gọi số mol của Mg và Zn tương ứng trong 7,7 gam X là x, y. (x, y > 0).
Theo đề: 24x + 65y = 7,7.
Mg
+
2HCl
x
Bài tập về Sắt và hợp chất của Sắt
(*)
MgCl2
+
H2
(1)
x
Trang 11
Zn
+
2HCl
ZnCl2
+
H2
y
(1)
y
Theo đề: số mol H2= 0,15
x + y = 0,15
Kết hợp (*) và (**) ta có hệ :
(**)
24 x 65 y 7,7
x y 0,15
Giải hệ ta có: x = 0,05; y= 0,1.
Khi cho X tác dụng với dung dịch FeCl3: nFeCl 0,5.0,4 0,2
3
Mg
+
2FeCl3
0,05
Zn
MgCl2
+
2FeCl2
0,1
+
0,1
2FeCl3
0,05
(3)
ZnCl2
+
2FeCl2
0,1
(4)
0,1
Sau khi FeCl3 phản ứng hết, còn 0,05 mol Zn tác dụng với FeCl2.
Zn
+
FeCl2
0,05
ZnCl2
+
Fe
0,05
(5)
0,05
Chất rắn Y chỉ gồm 0,05 mol Fe. mY = 0,05. 56 = 2,8 gam.
Ví dụ 3. Tính thể tích dung dịch HNO3 1M (loãng) ít nhất cần dùng để hòa tan
hoàn toàn hỗn hợp gồm 0,15 mol Fe và 0,15 mol Cu là (biết phản ứng tạo chất
khử duy nhất là NO)
Bài giải
Ta có:
Fe
+
0,15
4HNO3
�
0,6
Fe(NO3)3
+
NO
+
2H2O
0,15
Để VddHNO3 nhỏ nhất thì 1 phần Cu sẽ phản ứng với Fe(NO3)3
3Cu
0,075
Cu
0,075
+
8HNO3
�
3Cu(NO3)2
+ 2NO
�
2Fe(NO3)2
+
+
4H2O
0,2
+ 2Fe(NO3)3
Cu(NO3)2
0,15
Bài tập về Sắt và hợp chất của Sắt
Trang 12
� n HNO3 = 0,6 + 0,2 = 0,8 (mol)
� VHNO3 = 0,8 : 1 = 0,8(l)
Nhận xét: Thường bài toán kim loại tác dụng với dung dich muối sắt (III)
thường đi cùng với sắt tác dụng với dung dịch chất có tính oxi hóa mạnh do
bản thân Fe3+ là chất oxi hóa mạnh. Với dạng bài tập này, cần chú ý khả năng
phản ứng tạo sắt (II) hay sắt đơn chất tùy thuộc tỉ lệ mol giữa các chất được
lấy.
5.3- Bài toán xác định ôxit của sắt
5.3.1- Nguyên tắc:
Xác định công thức FexOy:
- Nếu
x
y
=1
- Nếu
x
y
=3
- Nếu
x
y
=4
2
3
FexOy là: FeO
FexOy là: Fe2O3
FexOy là: Fe3O4
- Nếu oxit sắt (FexOy) tác dụng với H2SO4 đặc, HNO3 đặc không giải phóng
khí đó là Fe2O3.
5.3.2- Bài toán minh họa:
Ví dụ 1. Đốt cháy hoàn toàn 16,8 gam Fe trong khí O 2 cần vừa đủ 4,48 lít O2
(điều kiện tiêu chuẩn) tạo thành một ôxit sắt. Xác định công thức phân tử của
oxit đó.
Bài giải:
Ta có: nFe = 16,8 : 56 = 0,3 mol; n O2 = 4,48 : 22,4 = 0,2 mol
Gọi oxit sắt cần tìm là FexOy
2xFe + yO2 � 2FexOy
0,3
�
0,2
2x 0,3 3
x
3
�
� CT cần tìm là: Fe3O4
=
=
=
y
0, 2 2
y
4
Bài tập về Sắt và hợp chất của Sắt
Trang 13
Ví dụ 2: Hòa tan hoàn toàn y gam một oxit sắt bằng H 2SO4 đặc nóng thấy thoát
ra khí SO2 duy nhất. Trong thí nghiệm khác, sau khi khử hoàn toàn cũng y
gam oxit đó bằng CO ở nhiệt độ cao rồi hòa tan lượng sắt tạo thành bằng
H2SO4 đặc nóng thì thu được lượng khí SO2 nhiều gấp 9 lần lượng khí SO2 ở
thí nghiệm trên. Xác định công thức của oxit sắt.
Bài giải.
2FemOn + (6m-2n) H2SO4 � mFe2(SO4)3 + (6m-2n)H2O+ (3m-2n)SO2
y (3m 2n)
2(56m 16n)
y
56m 16n
nFe =
my
56m 16n
Số mol sắt được bảo toàn trong phản ứng khử nên ta có:
2Fe
+
6H2SO4
�
Fe2(SO4)3 + 6H2O +
3SO2
3my
2(56m 16n)
my
56m 16 n
y (3m 2n)
3my
Theo đề bài ta có: 2(56m 16n) = 9 2(56m 16n)
� m = 3(3m-2n)
�
m 6 3
= =
n 8 4
� Công thức oxit sắt là Fe3O4
Nhận xét:
Ôxit của sắt có thể là 1 trong 3 trường trường hợp, hóa trị của sắt trong
oxit có thể không phải số nguyên
Khi xác định oxit của sắt cần xét tỉ lệ mol giữa sắt và oxi, chọn tỷ lệ
thích hợp với ôxit đề cho
Với bài toán xác định oxit của sắt, thường gặp phản ứng thể hiện tính
khử của oxit khi tác dụng với chất ôxi hóa mạnh, khi ấy phải viết dưới dạng
công thức tổng quát của oxit.
5.4- Bài toán vê hỗn hợp sắt và các oxit của sắt
Bài tập về Sắt và hợp chất của Sắt
Trang 14
5.4.1- Đặc điểm bài toán:
Thường các bài toán về hỗn hợp sắt và các oxit của sắt với yêu cầu tổng
quát, các yêu cầu của đề thường không đòi hỏi tính thành phần của các chất
trong hỗn hợp mà tính khối lượng hỗn hợp, khối lượng sắt, số mol chất oxi
hóa, số mol sản phẩm khử khi hỗn hợp phản ứng.
5.4.2- Phương pháp thường dùng
+ Phương pháp bảo toàn electron.
+ Phương pháp bảo toàn số mol nguyên tử các nguyên tố.
+ Phương pháp bán phản ứng (phương trình ion-electron).
+ Phương pháp quy đổi.
5.4.3- Các dạng bài toán
5.4.3.1- Bài toán phản ứng của Fe với O2.
* Ví dụ sử dụng phương pháp bảo toàn electron:
Ví dụ 1. Đốt cháy x mol Fe bởi oxi thu được 5,04 gam hỗn hợp (A) gồm các
oxit sắt. Hòa tan hoàn toàn (A) trong dung dịch HNO 3 thu được 0,035 mol
hỗn hợp (Y) gồm NO và NO2. Tỷ khối hơi của Y đối với H2 là 19. Tính x.
Bài giải
Gọi z, t lần lượt là số mol NO và NO2. Theo đề ta có hệ phương trình:
�z t 0, 035
�z t 0, 035
�
� �
�
�30 z 46t
z
t
0
38
�
�
� z t
�z 0, 0175
�
t 0, 0175
�
Ta có sơ đồ biểu diễn các quá trình nhường nhận e:
Quá trình ôxi hóa:
Fe - 3e
x
Fe+3
3x
Các quá trình khử:
O +
2e
y
2y
N+5 + e
O-2
N+4
Bài tập về Sắt và hợp chất của Sắt
Trang 15
0,0175
N+5 + 3e
0,0175
N+2
0,0525
0,0175
Vì tổng số mol e nhường bằng tổng số mol e nhận nên ta có:
0,0525 + 0,0175 + 2y = 3x � 3x - 2y = 0,07
Lại có: mhh = 56z + 16t = 5,04
3 x 2 y 0, 07
�
�x 0, 07
��
�
56 x 16 y 5, 04
�
�y 0, 07
* Ví dụ dùng phương pháp quy đổi
Các chú ý khi dùng phương pháp quy đổi
- Khi quy đổi hỗn hợp nhiều chất (hỗn hợp X - từ ba chất trở lên) thành
hỗn hợp hai chất hay một chất ta phải bảo toàn số mol nguyên tố và bảo toàn
khối lượng hỗn hợp.
- Có thể quy đổi hỗn hợp X về bất kì cặp chất nào thậm chí có thể quy
đổi về một chất. Tuy nhiên nên chọn cặp chất nào có phản ứng oxi hoá khử là
ít nhất để đơn giản trong tính toán.
- Trong quá trình tính toán theo phương pháp quy đổi đôi ta gặp số âm
đó là do sự bù trừ về khối lượng của các chất trong hỗn hợp. Trong trường
hợp này ta vẫn tính toán bình thường và kết quả cuối cùng vẫn thoả mãn.
- Khi quy đổi hỗn hợp X về một chất Fe xOy thì oxit FexOy tìm được chỉ
là oxit giả định không có thực.
Ví dụ 2: Nung 8,4 gam Fe trong không khí sau phản ứng ta thu được m gam
chất rắn X gồm Fe, FeO, Fe 3O4, Fe2O3. Hoà tan m gam hỗn hợp X trong dưng
dịch HNO3 dư thu được 2,24 lít khí NO2 (điều kiện tiêu chuẩn) là sản phẩm
khử duy nhất. Tính giá trị của m?
Cách quy đổi 1: Quy hỗn hợp X về hai chất FeO và Fe 2O3. Ta có các phương
trình phản ứng.
FeO
+
4HNO3
Fe(NO3)3 + NO2 + 2H2O
(1)
Fe2O3 +
6HNO3
2Fe(NO3)3 + 3H2O
(2)
Bài tập về Sắt và hợp chất của Sắt
Trang 16
Ta có nFe = 0,15 mol, nNO2 = 0,1 mol nFeO = nNO2 = 0,1 mol
Ta có 0,15 mol của Fe thì
2Fe
+
O2
2FeO
0,1 mol
4Fe
+
0,1 mol
3O2
2Fe2O3
0,05 mol
0,025 mol
Do đó mx = 0,1x72 + 0,05x160 = 11,2 gam.
Cách quy đổi 2: Quy hỗn hợp chất rắn X về hai chất Fe và FeO có số mol
trong hỗn hợp tương ứng là x và y. áp dụng định luật bảo toàn electron và bảo
toàn nguyên tố ta có: x + y = 0,15
3x + y = 0,1 giải hệ ta có x = -0,025 mol và y = 0,175 mol
Vậy m = 56x(-0,025) + 72x0,175 = 11,2 gam.
Cách quy đổi 3: Quy hỗn hợp X về một chất FexOy.
FexOy + (6x–2y)HNO3
0.1
3x 2 y
xFe(NO3)3 + (3x–2y)NO2 + (3x–y)H2O
mol
Ta có nFe = 0,15 =
Vậy m =
0,15.448
6
0,1 mol
0.1
3x 2 y
x
y
=
6
7
Công thức quy đổi là Fe6O7
= 11,2 gam.
5.4.3.2- Bài toán khử Fe2O3.
Ví dụ 1:
A là ôxit của kim loại M (hoá trị n) có chứa 30% oxy theo khối lượng.
Xác định công thức phân tử của A .
Cho luồng khí CO đi qua ống sứ đựng m gam oxit A (ở ý 1) ở nhiệt độ
cao một thời gian người ta thu được 6,72 gam hỗn hợp gồm 4 chất rắn khác
nhau .
Đem hoà tan hoàn toàn hỗn hợp này bằng dung dịch HNO 3 dư thấy tạo thành
0,448 lít khí B duy nhất có tỉ khối hơi so với H2 là 15. Tính m .
Bài giải
Bài tập về Sắt và hợp chất của Sắt
Trang 17
Xác định công thức phân tử của A:
Gọi công thức phân tử của A là M2On ta có:
16n 3
2M
7
M=
56n
3
Chỉ có cặp nghiệm n = 3 và M = 56 hợp lý . Vậy A là Fe2O3 .
Tính m:
Phản ứng khử Fe2O3 :
3Fe2O3 + CO
2Fe3O4 +
CO2
(1)
Fe2O3 + CO
2FeO
+
CO2
(2)
Fe2O3 + 3CO
2Fe
+ 3 CO2
(3)
Chất rắn thu được gồm Fe, FeO, Fe3O4 và Fe2O3.
Hoà tan chất rắn bằng HNO3 thu được B .
Theo đề MB = 2.15 = 30. Vậy B là NO
Fe2O3 + 6HNO3
2Fe(NO3)3 + 3H2O
3Fe3O4 + 28HNO3
9Fe(NO3)3 +
NO
+ 14H2O
(5)
3FeO
+ 10HNO3
3Fe(NO3)3 +
NO
+ 5H2O
(6)
Fe
+ 4HNO3
Fe(NO3)3 +
NO
+ 2H2O
(7)
Theo đề
n NO
(4)
0,448
0,02
22,4
CO
Quá trình phản ứng:
A
hỗn hợp X
HNO3
Fe3+
Giai đoạn 1: Từ A (là Fe2O3 sắt có số oxi hoá +3) bị khử thành hỗn hợp X (4
chất rắn). Số mol e mà Fe+3 nhận là a (mol)
Giai đoạn 2: Từ hỗn hợp X (gồm 4 chất rắn) bị oxi hoá trở lại thành Fe3+:
Số mol e mà X nhường là b (mol)
Do từ A (sắt có số ôxihoá +3) bị CO khử thành hỗn hợp X (4 chất rắn). Từ
hỗn hợp X (chất rắn) bị HNO3 oxi hoá trở lại thành Fe3+, trong hai quá trình
này số electron được bảo toàn. Vì vậy a = b
ở giai đoạn 2:
NO3- +
4H+
+
3e
NO +
2H2O
ne = 3 nNO = 3.0.02 = 0,06
Vậy ở giai đoạn 1, số mol electron mà Fe2O3 đã nhận là 0,06 .
Bài tập về Sắt và hợp chất của Sắt
Trang 18
Quá trình bị khử của Fe2O3:
O -2 - 2e = O
Số mol O-2 bị khử: nO-2 = 0,5 ne = 0,5.0,06 = 0,03
Lượng oxy mất đi (tham gia phản ứng biến đổi CO thành CO2)
bằng 0,03.16 = 0,48. Vậy lượng Fe2O3 ban đầu là:
m = mX + 0,48 = 6,72 + 0,48 = 7,2 ( gam )
Ví dụ 2: Cho một luồng khí CO đi qua ống sứ đựng m gam Fe 2O3 nung nóng.
Sau một thời gian thu được 10,44 gam chất rắn X gồm Fe, FeO, Fe 2O3 và
Fe3O4 . Hòa tan hết X trong dung dịch HNO 3 đặc, nóng thu được 4,368 lít
NO2 (sản phẩm khử duy nhất ở điều kiện tiêu chuẩn). Tính m ?
Bài giải:
Sơ đồ phản ứng
�FeO, Fe3O4 HNO3dn �NO2 �
CO
Fe2O3 ��
����
��
o ��
t
Fe
O
,
Fe
�Fe( NO2 )3
� 2 3
Trong trường hợp này xét quá trình đầu và cuối ta thấy chất nhường e
là CO, chất nhận e là HNO3. Nhưng nếu biết tổng số mol Fe trong oxit ta sẽ
biết được số mol Fe2O3. Bởi vậy ta dùng chính dữ kiện bài toán hòa tan x
trong HNO3 đề tính tổng số mol Fe.
Theo đề ra ta có: nNO 0,195mol
2
Gọi số mol Fe và O tương ứng trong X là x và y
ta có: 56x + 16y = 10,44 (1).
Quá trình nhường và nhận e:
Quá trình ôxi hóa:
Fe
–
x
Các quá trình khử:
O
3e
Fe3+
3x
+
2e
y
2y
N+5 +
1e
0,195
O2y
N+4
0,195
Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: 3x = 2y + 0,195
Bài tập về Sắt và hợp chất của Sắt
(2)
Trang 19
Từ (1) và (2) ta có hệ
56 x 16 y 10,44
3x 2 y 0,195
Giải hệ trên ta có x = 0,15 và y = 0,1275
Như vậy nFe = 0,15 mol nên nFe O 0, 075mol m = 12 gam.
2 3
5.4.3.3- Bài toán khác về hỗn hợp sắt và các oxit.
Ví dụ 1: Hòa tan hết m gam hỗn hợp X gồm FeO, Fe 2O3, Fe3O4 bằng dd
HNO3 đặc nóng thu được 4,48 lít khí NO2 (điều kiện tiêu chuẩn). Cô cạn dd
sau phản ứng thu được 145,2 gam muối khan. Tính m.
Bài giải:
Số mol NO2 = 0,2 mol;
Số mol Fe(NO3)3 =
145, 2
= 0,6 mol
242
Quy hỗn hợp X về hỗn hợp 2 chất FeO và Fe2O3 ta có:
FeO + 4HNO3 → Fe(NO3)3 + NO2 + 2H2O
0,2
0,2
0,2
Fe2O3 + 6HNO3 → 2Fe(NO3)3 + 3H2O
0,2
0,4
mX = 0,2(72 + 160) = 46,4(g)
Ví dụ 2: Cho hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe3O4 có khối lượng 4,04g phản ứng
hết với dd HNO3 dư thu được 336ml khí NO (điều kiện tiêu chuẩn) là sản
phẩm khử duy nhất. Tính số mol HNO3.
Bài giải: Quy hỗn hợp X về 2 chất FeO và Fe2O3, ta có:
Số mol NO = 0,015 mol
Khí NO được tạo thành chỉ do FeO:
3FeO + 10HNO3 → 3Fe(NO3)3 + NO + 5H2O
0,045
0,15
0,015
mFeO= 0,015 x 72 = 3,24(g); m Fe O = 0,8(g); n Fe O = 0,005 mol
2
3
2
3
Fe2O3 + 6HNO3 → 2Fe(NO3)3 + 3H2O
Bài tập về Sắt và hợp chất của Sắt
Trang 20
- Xem thêm -