Bài tập về sắt và hợp chất của sắt trong chương trình THPT

Bài tập về sắt và hợp chất của sắt trong chương trình THPT

A Đặt vân đề

I Lý do chọn đề 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

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

- 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

Fe Fe 2+ Fe 3+

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

giải chung cho từng dạng

B Giải quyết vấn đề

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

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 :

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

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

- 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

Dung dịch HNO3, H2SO4 đặc nóng, Hg(NO3)2, AgNO3; F2, Cl2, Br2 ; (H2O +

O2)

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 về sắt và hợp chất của sắt:

2.1- Bài toán về phản ứng của Fe với dung dịch các chất có tính oxi hoá

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 về sắt và hợp chất của sắt:

3.1- Phương pháp bảo toàn khối lượng các chất

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:

Fe + 2Fe(NO3)3   3Fe(NO3)2

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:

khi Fe hết khối lượng kết tủa vẫn tiếp tục tăng, do:

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 Fe 3+ với kim loại.

4.2.1- Phản ứng của dung dịch muối Fe 3+ với các kim loại từ Mg đến Zn.

Thí nghiệm: Cho bột Mg tác dụng với dung dịch Fe(NO3)3

Phản ứng, hiện tượng: Khi cho từ từ bột kim loại (từ Mg đến Zn) dung dịch

Đặc điểm:

phản ứng hòa tan chất rắn

4.2.2- Phản ứng của dung dịch muối Fe 3+ 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:



Đặc điểm:

Các kim loại yếu hơn Fe trong dãy điện hoá vẫn có thể tham gia phản

Khi các kim loại yếu hơn Fe trong dãy điện hoá phản ứng với dung

4.3- Phản ứng của Fe với O 2

Phản ứng:

Đặc điểm:

4.4- Phản ứng của Fe 2 O 3 với chất khử (CO).

Phản ứng:

3Fe2O3 + CO   2Fe3O4 + 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

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 chất rắn tan hết, tùy yêu cầu của đề: Nếu đề cho tính ôxi hóa của

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:

4.6.2- Tính khử

- Nếu gặp chất ôxi hóa mạnh, hợp chất sắt (II) thể hiện tính khử:

3FeO + 10HNO3   3Fe(NO3)3 + NO + 5H2O

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O   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 H2SO4 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

1- Tính giá trị của a, b (biết 

b

a

6

5 , 2 )

2- Tính dA/B

Bài giải:

Nếu A là H 2 , phản ứng tạo FeSO 4 :

Fe + H2SO4   FeSO4 + H2 (*)

a b

4 2





a

a n

n

SO H

Fe

4 2





b

a n

n

SO H

Fe

Không phù hợp

Nếu A là SO2 , phản ứng tạo Fe 2 (SO 4 ) 3 :

2Fe + 6H2SO4   Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O (**)

a 3a

4 2





a

a n

n

SO H

Fe

4 2





b

a n

n

SO H

Fe

Không phù hợp Vậy, trường hợp xảy ra là Fe tác dụng với H2SO4 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

2Fe + 6H2SO4   Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O (1)

2x 6x x

Fe + 2H2SO4   FeSO4 + SO2 + 2H2O (2)

y 2y y

Số mol Fe phản ứng là: 2x + y = a

Kết hợp ta được hệ :























6

5 , 2

2 6 2

b a

b y x

a y x

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

2Fe2(SO4)3   2Fe2O3 + 6SO2 + 3O2 (3)

0,05 0,15 0,075

4FeSO4   2Fe2O3 + 4SO2 + O2 (4)

0,15 0,15 0,0375

Khí B gồm 0,3 mol SO 2 và 0,1125 mol O 2

1 , 91

29 ).

1125 , 0 3 , 0 (

32 1125 , 0 64 3 , 0









KK B

d

Ví dụ 2 Cho hỗn hợp bột gồm 2,7 gam Al và 5,6 gam Fe vào 550 ml dung dịch

Ag+/Ag)

Bài giải:

Ta có: nAl = 2,7:27 = 0,1 mol; nFe= 5,6:56 = 0,1 mol;

3 AgNO

Al + 3AgNO3  Al(NO3)3 + 3Ag

0,1 0,3 0,3

Fe + 2AgNO3  Fe(NO3)2 + 2Ag

Fe(NO3)2 + AgNO3  Fe(NO3)3 + Ag

0,05 0,05

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 Fe 3+

Phân tích trường hợp: cho hỗn hợp X gồm Zn và Al tác dụng với dung dịch

Lưu ý: Ta có thể có các trường hợp

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

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

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 x

3Fe3O4 + 28HNO3   9Fe(NO3)3 + NO + 14H2O

y 28 y3 3y 3y

2Fe + Fe(NO3)3   3Fe(NO3)2

x 23y (x + 3y)

4 , 22

24 , 2





NO

2

3y

x 

) + 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(HNO3) = 3,2M ; m Fe ( NO3 ) 2 = 48,6 gam

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

Bài giải:

Gọi số mol của Mg và Zn tương ứng trong 7,7 gam X là x, y (x, y > 0)









 15 , 0

7 , 7 65 24

y x

y x

Giải hệ ta có: x = 0,05; y= 0,1

FeCl

n

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 + 4HNO3  Fe(NO3)3 + NO + 2H2O

0,15 0,6 0,15

3Cu + 8HNO3  3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O

0,075 0,2

Cu + 2Fe(NO3)3  2Fe(NO3)2 + Cu(NO3)2

0,075 0,15



3

HNO

3 HNO

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

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  FexOy là: FeO

- Nếu x y =32  FexOy là: Fe2O3

- Nếu x y =43  FexOy là: Fe3O4

khí đó là Fe2O3

5.3.2- Bài toán minh họa:

Ví dụ 1 Đốt cháy hoàn toàn 16,8 gam Fe trong khí O2 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

0,3 0,2

 2x

y = 0, 20,3= 3

x

y = 3

4  CT cần tìm là: Fe3O4

Ví dụ 2: Hòa tan hoàn toàn y gam một oxit sắt bằng H2SO4 đặc nóng thấy thoát

gam oxit đó bằng CO ở nhiệt độ cao rồi hòa tan lượng sắt tạo thành bằng

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

56m y16n 2(56y m(3m16 )2 )n n

nFe =

my

m n

Số mol sắt được bảo toàn trong phản ứng khử nên ta có:

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

2(563m my16 )n



Theo đề bài ta có: 2(563m my16 )n

 = 92(56y m(3m16 )2 )n n



n =6

8=3

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 về hỗn hợp sắt và các oxit của sắt

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 O 2

* 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

Bài giải

0,035

38

z t

z t

z t

 













 z t z t 0,0350



0,0175

z t











Ta có sơ đồ biểu diễn các quá trình nhường nhận e:

Quá trình ôxi hóa:

56 16

my

m n

Fe - 3e   Fe+3

x 3x

Các quá trình khử:

O + 2e   O-2

y 2y

N+5 + e   N+4

0,0175 0,0175

N+5 + 3e   N+2

0,0525 0,0175

Vì tổng số mol e nhường bằng tổng số mol e nhận nên ta có:

Lại có: mhh = 56z + 16t = 5,04

x y







0,07

x y









* 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

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

khử duy nhất Tính giá trị của m?

Cách quy đổi 1: Quy hỗn hợp X về hai chất FeO và Fe2O3 Ta có các phương trình phản ứng

Fe2O3 + 6HNO3 2Fe(NO3)3 + 3H2O (2)

Ta có nFe = 0,15 mol, nNO2 = 0,1 mol  nFeO = nNO2 = 0,1 mol

Ta có 0,15 mol của Fe thì