Tài liệu Lý thuyết sắt và các hợp chất của sắt pptx

Là chất sắt từ, dễ bị nam châm hóa nên ñược dùng làm lõi của ñộng cơ ñiện 5.. Sắt kĩ thuật gang ựược ựiều chế bằng phương pháp nhiệt luyện : dùng than cốc ựể ựiều chế CO ựể khử sắt oxi

Phạm Huy Quang Sắt và hợp chất

Phạm Huy Quang

Bài Giảng SẮT VÀ HỢP CHẤT CỦA SẮT

Fe

26

56

Phạm Huy Quang Sắt và hợp chất

A SẮT – Cấu tạo và tính chất

Cần chú ý những ñiểm chính về sắt như sau:

1 Cấu hình electron: Z = 26

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2

2 Fe có các số oxi hóa +2, +3, +6 (ñặc trưng là +2 và +3)

3 Fe nguyên chất có màu trắng bạc, tương ñối nặng, dẫn ñiện và dẫn

nhiệt tốt (nhưng kém hơn ðồng và Nhôm) Sắt có tính dẻo, dễ dát mỏng

và kéo sợi

4 Là chất sắt từ, dễ bị nam châm hóa nên ñược dùng làm lõi của ñộng

cơ ñiện

5 Hợp chất sắt (II) có màu lục lục nhạt, muối sắt (III) có màu nâu

6 Fe có khả năng tạo nhiều phức chất như [Fe(H2O)6]2+, [Fe(H2O)6]3+, [Fe(CN)6]4-, [Fe(CN)6]3- …

7 Fe là một kim loại hoạt ñộng trung bình

8 Fe có tác dụng với hầu hết các phi kim khi ñun nóng Với phi kim là

những chất oxi hóa mạnh (Cl2, O2,…) sẽ thu ñược các hợp chất trong ñó sắt có số oxi hóa +3, phản ứng tỏa nhiệt mạnh:

2Fe + 3Cl2 2FeCl3

3Fe + 2O2 2Fe3O4 (Fe3O4 – oxit sắt từ là một hợp chất ion, tinh thể ñược tạo nên bởi các ion Fe2+, Fe3+ và O2- Trung bình trong chất rắn cứ có 1 ion Fe2+ sẽ có 2 ion Fe3+ và 4 ion O2-)

9 Trong không khí ẩm, sắt dễ bị gỉ theo phản ứng:

4Fe + 3O2 + nH2O 2Fe2O3.nH2O

10 Với phi kim hoạt ñộng yếu như S thì sắt sẽ tạo hợp chất có số oxi

hóa +2:

t o

to

Phạm Huy Quang Sắt và hợp chất

Fe + S FeS

11 Sắt chỉ phản ứng với nước ở nhiệt ựộ cao:

Fe + H2O FeO + H2

3Fe +4H2O Fe3O4 + 4H2

12 Sắt có tác dụng với HCl và H2SO4 loãng tạo ra Fe2+:

Fe + 2HCl FeCl2 + H2

Fe + H2SO4 FeSO4 + H2

(Fe + 2H+ Fe+ + H2)

13 Sắt bị thụ ựộng hóa trong H2SO4 ựặc nguội và HNO3 ựặc nguội

14 Sắt tác dụng với H2SO4 ựặc nóng, HNO3 ựặc nóng và HNO3 lõng

cho muối sắt (III):

2Fe + 6H2SO4(ự) Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 3H2O

Fe + 6HNO3(ự) Fe(NO3)3 + 2NO2 + 3H2O

Fe + 4HNO3(l) Fe(NO3)3 + NO + 2H2O

15 Sắt có thể ựẩy ựược kim loại hoạt ựộng yếu hơn ra khỏi dung dịch

muối của chúng:

Fe + CuSO4 FeSO4 + Cu

16 điều chế Sắt: Sắt tinh khiết ựược ựiều chế bằng cách ựiện phân dung

dịch muối sắt (II) hoặc dùng H2 hay Al khử Fe2O3:

2FeSO4 + 2H2O 2Fe + O2 + 2H2SO4

Fe2O3 + 3H2 2Fe + 3H2O

Fe2O3 + 2Al 2Fe + Al2O3

17 Sắt kĩ thuật (gang) ựược ựiều chế bằng phương pháp nhiệt luyện :

dùng than cốc ựể ựiều chế CO ựể khử sắt oxit trong lò cao Thứ tự các

phản ứng:

C + O2 CO2

CO2 + C 2CO

to > 570oC

t o < 570 o C

to

t o

t o

t o

to ựpdd

to

to

Phạm Huy Quang Sắt và hợp chất

3Fe2O3 + CO 2Fe3O4 + CO2

Fe3O4 + CO FeO + CO2

FeO + CO2 Fe + CO2

Sắt chảy qua C xuống dưới thu ựược 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 ựược xỉ từ các phản ứng phụ sau:

CaCO3 CaO + CO2 CaO + SiO2(cát) CaSiO3 (xỉ)

Và khắ lò cao gồm CO, H2, CH4, dùng làm nhiên liệu

18 Luyện thép:

Khoảng 90% lượng gang sản xuất ựược trong lò cao ựược dùng và mục ựắch luyện thép đó là quá trình oxi hóa ựể loại bỏ các tạp chất có trong gang như C, S, P, Si, Mn, dưới dạng khắ như CO, CO2, SO2 hoặc chuyển thành xỉ (dùng sản xuất xi măng)

Ngày nay có một số phương pháp luyện thép chủ yếu sau ựây:

1 Phương pháp Bessemer: thổi không khắ vào trong gang lỏng ựể

ựốt 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 ựiểm:

- Xảy ra nhanh (15 Ờ 20 phút), không cho phép ựiều chỉnh ựược thành phần của thép

to

to

t o

to

to

to

t o

to

to

to

t o

to

to

Phạm Huy Quang Sắt và hợp chất

- Không loại bỏ ñược P, S do ñó không luyện ñược thép nếu gang có

chứa những tạp chất ñó

2 Phương pháp Bessemer cải tiến:

a) Phương pháp Thomas : Lót bằng gạch chứa MgO và CaO ñể loại bỏ P:

4P + 5O2 2P2O5

P2O5 + 3CaO Ca3(PO4)2

* ðặc ñiểm: Cho phép loại ñược P nhưng không loại ñược lưu huỳnh

b) Phương pháp thổi Oxi: thay không khí bằng O2 tinh khiết có áp suất

cao (khoảng 10atm) ñể oxi hóa hoàn toàn các tạp chất ðây là phương

pháp hiện ñại nhất hiện nay

* ðặc ñiểm:

- Nâng cao chất lượng và chủng loại thép

- Dùng ñược quặng sắt và sắt thép gỉ ñể làm phối liệu

- Khí O2 có tốc ñộ 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 oxit của

quặng sắt

* ðặc ñiểm: - tốn nhiên liệu ñể ñốt lò

- Xảy ra chậm (6 – 8h) nên kiểm soát ñược chất lượng thép theo ý muốn

4 Phương pháp hồ quang ñiện: nhờ nhiệt ñộ trong lò ñiện cao (>

3000oC) nên có thể luyện ñược các loại thép ñặc biệt chứa những kim

loại khó nóng chảy như Mo, W,

* ðặc ñiểm: luyện ñược thép chuyên dụng với chất lượng cao

B HỢP CHẤT CỦA SẮT (II, III, VI)

I HỢP CHẤT SẮT (II)

1 Sắt (II) oxit: FeO

• FeO là chất rắn màu ñen, không tan trong nước

• FeO là oxit bazo, tác dụng dễ dàng với dung dịch axit:

to

to

Phạm Huy Quang Sắt và hợp chất

FeO + 2H+ Fe2+ + H2O

• FeO thể hiện tính khử: tác dụng ñược với các chất oxi hóa mạnh như H2SO4 ñặc, nóng, HNO3 ñặc nóng, HNO3 loãng:

2FeO + 4H2SO4(ñ) Fe2(SO4)3 + SO2 + 4H2O 3FeO + 10HNO3(l) 3Fe(NO3)3 + NO + 5H2O FeO + 4HNO3(ñ) Fe(NO3)3 + NO2 + 2H2O

• FeO có tính oxi hóa: tác dụng ñược với các chất khử như Al, CO, H2, 3FeO + 2Al Al2O3 + 3Fe

FeO + CO CO2 + Fe FeO + H2 Fe + H2O

• ðiều chế FeO bằng cách Oxi hóa Fe hoặc khử Fe2O3:

Fe + H2O FeO + H2

Fe2O3 + H2 2FeO + H2O

Fe2O3 + CO 2FeO + CO2

2 Sắt (II) hiddroxxit: Fe(OH) 2

• Fe(OH)2 là chất kết tủa màu trắng, không bền, dễ bị oxi hóa từ từ trong không khí ẩm chuyển về Fe(OH)3, màu nâu ñỏ:

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O 4Fe(OH)3

• Phản ứng nhiệt phân Fe(OH)2: + không có không khí:

Fe(OH)2 FeO + H2O + có không khí:

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O 4Fe(OH)3

2x 2Fe(OH)3 Fe2O3 + 3H2O 4Fe(OH)2 + O2 2Fe2O3 + 3H2O

• Fe(OH)2 thể hiện tính bazo :tác dụng với dung dịch axit

Fe(OH)2 + 2H+ Fe2+ + 2H2O

t o > 570 o C

to

to

t o

t o

to

500 o C

t o

t o

500 o C

t o

to

to

t o

to

to

Phạm Huy Quang Sắt và hợp chất

• Fe(OH)2 có tính khử khi tác dụng với oxi không khí, H2SO4 ñặc,

HNO3,

2Fe(OH)2 + 4H2SO4(ñặc) Fe2(SO4)3 + SO2 +6H2O

3Fe(OH)2 +10HNO3(loãng) 3Fe(NO3)3 + NO + 8H2O

Fe(OH)2 + 4HNO3(ñặc) Fe(NO3)3 + NO2 + 3H2O

• ðiều chế Fe(OH)2 bằng cách cho muối sắt (II) tác dụng với dung

dịch kiềm mạnh:

FeSO4 +2KOH Fe(OH)2 +K2SO4

• Kết tủa Fe(OH)2 tinh khiết chỉ ñược tạo nên ở dạng khí quyển và

dung dịch hoàn toàn không có oxi

3 Muối sắt (II)

• Muối sắt (II) kết tinh từ dung dịch thường ở dưới dạng tinh thể

hidrat(ngậm nước) như: FeSO4.7H2O, FeCl2.6H2O,

Fe(ClO4)2.6H2O,

• Muối sắt (II) dễ bị oxi hóa bởi không khí và các châ oxi hóa

mạnh ñể chuyển thành muối sắt (III):

4FeSO4 + O2 +2H2O 4Fe(OH)SO4

2FeCl2 +Cl2 2FeCl3

6FeSO4 +K2Cr2O7 +7H2SO4 3Fe(SO4)3 +Cr(SO4)3 +K2SO4 +7H2O

• Dùng dung dịch KMnO4 trong mối trường axit ñể chuẩn ñộ dung

dịch muối sắt (II) :

10FeSO4 +2KMnO4 +8H2SO4 5Fe2(SO4)3 +2MnSO4 +K2SO4 +8H2O

• Trong môi trường trung tính và kiềm:

6FeSO4 +2KMnO4 +H2O Fe2O3 +2Fe2(SO4)3 + 2MnO2 +2KOH

FeSO4 +KMnO4 +3KOH Fe(OH)3 +K2MnO4 + K2SO4

• Sắt (II) cacbonat FeCO3

FeCO3 +2HCl FeCl2 +CO2 +H2O

FeCO3 +H2SO4 (loãng) FeSO4 + CO2 +H2O

2FeCO3 +4H2SO4(ñặc) Fe2(SO4)3 +SO2 + 2CO2 + 4H2O

3FeCO3 +10HNO3 (loãng) 3Fe(NO3)3 + NO + 3CO2 + 5H2O

to

t o

t o

Phạm Huy Quang Sắt và hợp chất

FeCO3 + 4HNO3 (ñặc) Fe(NO3)3 +NO2 + CO2 +2H2O

• Nung FeCO3:

+ Trong không khí:

FeCO3 FeO +CO2

2FeO + 1\2 O2 Fe2O3

+ Trong chân không:

FeCO3 FeO +CO2

• Nung FeSO4: 2FeSO4 Fe2O3 +SO2 +SO3

Tính oxi hóa:Ag>Fe Tính khử :Fe>Ag Nên có phản ứng: Fe(NO3)2 +AgNO3 Fe(NO3)3 +Ag

II HỢP CHẤT SẮT(III)

1 Sắt (III) oxit Fe 2 O 3

• Fe2O3 là chất rắn màu ñỏ nâu, không tan trong nước, bị nhiệt phân chuyển thành oxit sắt rừ Fe3O4:

6Fe2O3 4Fe3O4 + O2

• Fe2O3 có tính bazo :tác dụng với dung dịch axit

Fe2O3 + 6H+ 2Fe3+ + 3H2O

• Fe2O3 có tính axit yếu:tan ñược trong xút rắn nóng chảy hoặc cacbonat kim loại kiềm nóng chảy, tạo muối ferit:

Fe2O3 +2NaOH 2NaFeO2 + H2O (rắn)

Fe2O3 +2Na2CO3 2NaFeO2 + CO2

(rắn) (màu vàng)

• Chú ý : Oxit sắt từ Fe3O4 cũng ñược coi là sắt (II) ferit Fe(FeO2)2 trong ñó tỉ lệ Fe+2 : Fe+3 = 1:2

to

to

to

to

t o

nc

tonc

Phạm Huy Quang Sắt và hợp chất

• Fe2O3 có tính oxi hóa yếu :tác dụng ñược với các chất khử

như Al, H2,CO, ở nhiệt ñộ cao

Fe2O3 +2Al 2Fe +Al2O3

Fe2O3 Fe3O4 FeO Fe

• Fe2O3 có sẵn trong thiên nhiên dưới dạng quặng hematit,

Fe2O3 ñược ñiều chế bằng cách nhiệt phân Fe(OH)3:

2Fe(OH)3 Fe2O3 +3H20

2 Sắt (III) Hidroxit: Fe(OH) 3

• Fe(OH)3 kết tủa màu nâu ñỏ, không tan trong nước và có tính

lưỡng tính: tan dễ trong dung dịch axit và tan ñược trong

dung dịch kiềm ñặc nóng hoặc Na2CO3 hay K2CO3 nóng

chảy:

Fe(OH)3 + 3HCl FeCl3 + 3H2O

Fe(OH)3 + NaOH(ñ) NaFeO2 + 2H2O

2Fe(OH)3 + K2CO3 2K2FeO2 + CO2 + 3H2O

• Fe(OH)3 ñược ñiều chế bằng cách cho muối sắt (III) phản ứng

với dung dịch kiềm:

Fe3+ + 3OH- Fe(OH)3

3.Muối Sắt (III)

• Muối Sắt (III) kết tinh từ dung dịch thường ở dạng tinh thể

hidrat: Fe(OH)3.6H2O, Fe2(SO4)3.9H2O,…

• Muối Sắt (III) dễ bị thủy phân tương tự muối Nhôm (III) và muối

Crom (III):

Fe3+ + H2O Fe(OH)2+ + H+

Fe(OH)2+ + H2O Fe(OH)2 + + H+

Fe(OH)2+ + H2O Fe(OH)3 + H+

Sự thủy phân tạo nên các ion Fe(OH)2+, Fe(OH)2+, Fe(OH)3 làm cho

dung dịch muối sắt (III) có màu vàng nâu

tonc

t o

to

nc

Phạm Huy Quang Sắt và hợp chất

• Dung dịch muối Fe2(CO3)3 không tồn tại do bị thủy phân:

Fe2(CO3)3 + 3H2O 2Fe(OH)3 + 3CO2

• Muối sắt (III) thể hiện tính oxy hóa:

2FeCl3 + Fe 3FeCl2

3FeCl3 + Cu FeCl2 + CuCl2

2FeCl3 + 2KI 2FeCl2 + I2 + 2KCl 2FeCl3 + H2S 2FeCl2 + S + 2HCl

• Nhận biết muối sắt (III) nhờ tác dụng với dung dịch muối kali hoặc muối amoni sunfoxianua (KSCN, NH4SCN) ñể tạo muối sắt (III) sunfoxianua màu ñỏ máu:

FeCl3 + 3KSCN Fe(SCN)3 + 3KCl

• ðối với Fe2+ và Fe3+ thì có thể nhận biết qua phức xyanua:

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

• Các muối Fe3+ ñược ñiều chế bằng cách oxi hóa các muối sắt (II) hoặc sắt (II) hiddroxxit bằng các axit tương ứng:

3Fe(OH)2 + 10HNO3 3Fe(NO3)3 + NO + 8H2O

6FeSO 4 + K 2 Cr 2 O 7 + 7H 2 SO 4 3Fe 2 (SO 4 ) 3 + K 2 SO 4 + Cr 2 (SO 4 ) 3 + 7H 2 O

HỢP CHẤT SẮT (VI)

• ðiều chế: Oxi hóa Fe(OH)3 hoặc Fe2O3 trong môi trường kiềm mạnh

Fe2O3 + 3KNO3 + 4KOH 2K2FeO4 + 3KNO2 + 2H2O 2Fe(OH)3 + 3Br2 + 10KOH 2K2FeO4 + 6KBr + 8H2O

(sắt tetraoxoferat)

• Hợp chất sắt (VI) màu ñỏ, không bền, khi ñun nóng nhẹ bị phân hủy giải phóng oxi:

4K2FeO4 4K2FeO2 + 2K2O + 3O2

(kali ferit)

• Thể hiện tính oxi hóa mạnh:

Fe +3

Fe +3

tonc

t o

Phạm Huy Quang Sắt và hợp chất

2K2FeO4 + 2NH3 2K2FeO2 + N2 + 2KOH + 2H2O

• Ferat chỉ bền trong môi trường kiềm mạnh, khi tan trong nước giải phóng oxi:

4K2FeO2 + 10H2O 4Fe(OH)3 + 3O2 + 8KOH

• Những năm gần ñây ñã có thong báo về việc ñiều chế ñược sắt tetraoxit FeO4 là hợp chất tương tự OsO4 Oxit FeO4 ñược tạo nên khi ñun nóng ferat trong dung dịch kiềm mạnh (nồng ñộ FeO4 tạo nên trong dung dịch khoảng 10%có thể chiết ñược bằng dung môi CCl4, tuy nhiên, kém bền và dễ phân hủy trong nước

và dung môi hữu cơ giải phóng oxi)

+H2O+===rong môi trường axường ở dưới dạng