Trang 1 CHUYÊN ĐỀ 3: SẮT VÀ HỢP CHẤT CỦA SẮT KIẾN THỨC LÝ THUYẾT A. SẮT I. VỊ TRÍ 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: 2 2 6 2 6 6 2 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s ; hoặc viết gọn là 62 Ar3d 4s . Cấu hình electron của ion 26 Fe :Ar3d Cấu hình electron của ion 35 Fe :Ar3d 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 (Fe ) hoặc lập phương tâm diện (Fe ). Năng lượng ion hóa: 1 2 3 I 760 (KJmol); I 1560 (KJmol); I 2960 (KJmol). Bán kính nguyên tử và ion: 23 (Fe) (Fe ) (Fe ) R 0,162 (nm);R 0,076 (nm);R 0,064 (nm). Thế điện cực chuẩn: 2 3 3 2 O O O (Fe Fe) (Fe Fe) (Fe Fe ) E 0,44V; E 0,036V; E +0,77V. II. TÍNH CHẤT VẬT LÝ Sắt là kim loại màu trắng hơi xám, dẻo, dễ rèn, nóng chảy ở nhiệt độ o 1540 C, có khối lượng riêng là 3 7,9gcm . Sắt có tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, đặc biệt có tính nhiễm từ. III. 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 2 Fe , với chất oxi hóa mạnh Fe bị oxi hóa thành 3 Fe . Fe 2 Fe 2e Fe 3 Fe 3e 1. Tác dụng với phi kim Sắt khử nhiều phi kim thành ion âm, trong khi đó Fe bị oxi hóa thành 2 Fe hoặc 3 Fe . 0 t Fe + S FeS 0 t 2 3 4 3Fe + 2O Fe O 0 t 23 2Fe + 3Cl 2FeCl 2. Tác dụng với axit a) Với axit HCl, H2SO4 loãng Fe khử dễ dàng ion H trong axit HCl, 24 H SO loãng thành khí 2 H, đồng thời Fe bị oxi hóa thành 2 Fe . Trang 2 2 2 Fe 2H Fe H 2 4 4 2 Fe H SO FeSO H b) Với axit HNO3, H2SO4 đặc Sắt bị thụ động hóa trong axit 3 HNO đặc, nguội và 24 H SO đặc, nguội. Với axit 3 HNO loãng, 3 HNO đặc nóng và 24 H SO đặc nóng, Fe bị oxi hóa mạnh thành 3 Fe . 24 2Fe 6H SO (đặc) 0 t 2 4 3 2 2 Fe (SO ) + 3SO + 6H O 3 Fe 6HNO (đặc) 0 t 3 3 2 2 Fe(NO ) + 3NO + 3H O 3 Fe 4HNO (loãng) 0 t 3 3 2 Fe(NO ) + NO + 2H O 3. Tác dụng với nước Ở nhiệt độ cao, sắt khử được hơi nước: 0 t 570 C 2 3 4 2 3Fe 4H O Fe O 4H 0 t 570 C 22 Fe H O FeO H 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. 44 Fe CuSO FeSO Cu 3 Fe 3AgNO (dư) 33 Fe(NO ) 3Ag 5. Hiện tượng ăn mòn điện hóa Ăn mòn điện hóa học hợp kim của sắt (gang, thép) trong không khí ẩm: Gang, thép là hợp kim Fe C gồm những tinh thể Fe tiếp xúc trực tiếp với tinh thể C (graphit) Không khí ẩm có chứa 2 2 2 H O,CO ,O ... tạo ra lớp dung dịch chất điện li phủ lên bề mặt gang, thép làm xuất hiện vô số pin điện hóa mà Fe là cực âm, C là cực dương. Ở cực âm xảy ra sự oxi hóa: 2 Fe Fe 2e Ở cực dương xảy ra sự khử: 2 2H 2e H và 22 O 2H O 4e 4OH Tiếp theo: 2 2 Fe 2OH Fe(OH) 2 2(kk) 2 3 4Fe(OH) O 2H O 4Fe(OH) Theo thời gian 3 Fe(OH) sẽ bị mất nước tạo ra gỉ sắt có thành phần chủ yếu là 2 3 2 Fe O .xH O IV. ỨNG DỤNG Sắt là kim loại được sử dụng nhiều nhất, chiếm khoảng 95% tổng khối lượng kim loại sản xuất trên toàn thế giới. Sự kết hợp của giá thành thấp và các đặc tính tốt về chịu lực, độ dẻo, độ cứng làm cho nó trở thành không thể thay thế được, đặc biệt trong các ứng dụng như sản xuất ô tô, thân tàu thủy lớn, các Trang 3 bộ khung cho các công trình xây dựng. Thép là hợp kim nổi tiếng nhất của sắt, ngoài ra còn có một số hình thức tồn tại khác của sắt như: Gang thô (gang lợn) chứa 4% 5% cacbon và chứa một loạt các chất khác như lưu huỳnh, silic, phốt pho. Đặc trưng duy nhất của nó: nó là bước trung gian từ quặng sắt sang thép cũng như các loại gang đúc (gang trắng và gang xám). Gang đúc chứa 2% 3,5% cacbon và một lượng nhỏ mangan. Các chất có trong gang thô có ảnh hưởng xấu đến các thuộc tính của vật liệu, như lưu huỳnh và phốt pho chẳng hạn sẽ bị khử đến mức chấp nhận được. Nó có điểm nóng chảy trong khoảng 14201470 K, thấp hơn so với cả hai thành phần chính của nó, làm cho nó là sản phẩm đầu tiên bị nóng chảy khi cacbon và sắt được nung nóng cùng nhau. Nó rất rắn, cứng và dễ vỡ. Làm việc với đồ vật bằng gang, thậm chí khi nóng trắng, nó có xu hướng phá vỡ hình dạng của vật. Thép carbon chứa từ 0,5% đến 1,5% cacbon, với một lượng nhỏ mangan, lưu huỳnh, phốt pho và silic. Sắt non chứa ít hơn 0,5% cacbon. Nó là sản phẩm dai, dễ uốn, không dễ nóng chảy như gang thô. Nó có rất ít cacbon. Nếu mài nó thành lưỡi sắc, nó đánh mất tính chất này rất nhanh. Các loại thép hợp kim chứa các lượng khác nhau của cacbon cũng như các kim loại khác, như crom, vanađi, môlipđen, niken, vonfram, v.v. V. SẢN XUẤT 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 ( 23 Fe O khan), quặng hematit nâu ( 2 3 2 Fe O .nH O ), quặng manhetit 34 (Fe O ), quặng xiđerit 3 (FeCO ), quặng pirit sắt 2 (FeS ). Trong công nghiệp, sắt được trích xuất ra từ các quặng của nó, chủ yếu là từ hêmatit 23 (Fe O ) và manhetit 34 (Fe O ) bằng cách khử với cacbon trong lò luyện kim sử dụng luồng không khí nóng ở nhiệt độ khoảng o 2000 C. Trong lò luyện, quặng sắt, cacbon trong dạng than cốc, và các chất tẩy tạp chất như đá vôi được xếp ở phía trên của lò, luồng không khí nóng được đưa vào lò từ phía dưới. Than cốc phản ứng với 2 O trong luồng không khí tạo ra CO: 2 2 C + O 2 CO CO khử quặng sắt (trong phương trình dưới đây là hematit) thành sắt nóng chảy, và nó trở thành 2 CO : 2 3 2 3 CO + Fe O 2 Fe + 3 CO Chất khử tạp chất được thêm vào để khử các tạp chất có trong quặng (chủ yếu là đioxit silic cát và các silicat khác). Các chất khử tạp chất chính là đá vôi 3 (CaCO ) và đôlômit 3 (MgCO ). Các chất khử tạp chất Trang 4 khác có thể cho vào tùy theo các tạp chất có trong quặng. Trong sức nóng của lò luyện đá vôi bị chuyển thành vôi sống (CaO): 32 CaCO CaO CO Sau đó CaO kết hợp với 2 SiO tạo ra sỉ. 23 CaO SiO CaSiO Xỉ nóng chảy trong lò luyện ( 2 SiO thì không). Ở phần dưới của lò luyện, sỉ nóng chảy do nhẹ hơn nên nổi lên phía trên sắt nóng chảy. Các cửa lò có thể được mở để tháo sỉ hay sắt nóng chảy. Sắt khi nguội đi, tạo ra gang thô, còn xỉ có thể được sử dụng để làm đường hay để cải thiện các loại đất nông nghiệp nghèo khoáng chất B. HỢP KIM CỦA SẮT I. GANG: LÀ HỢP KIM SẮT CACBON VÀ MỘT SỐ NGUYÊN TỐ KHÁC: HÀM LƯỢNG C TỪ 2% 5% Sản xuất gang: Nguyên tắc: Khử Fe trong oxit bằng CO ở nhiệt độ cao (phương pháp nhiệt luyện). Và quá trình này diễn ra nhiều giai đoạn: 2 3 3 4 Fe O Fe O FeO CO. Các giai đoạn sản xuất gang: Giai đoạn 1: Phản ứng tạo chất khử. Than cốc được đốt cháy hoàn toàn: 22 C O CO 0 t 2 CO C CO. Giai đoạn 2: Oxit Fe bị khử bởi CO về Fe. 0 t 2 3 3 4 2 CO 3Fe O 2Fe O CO 0 t 3 4 2 CO Fe O FeO CO 0 t 2 CO FeO Fe CO . Phản ứng tạo sỉ: (tạo chất chảy chất bảo vệ không cho Fe bị oxi hóa). 0 t 32 CaCO CaO CO 0 t 23 CaO SiO CaSiO Giai đoạn 3: Sự tạo thành gang: Fe có khối lượng riêng lớn nên chảy xuống phần đáy. Sỉ nổi trên bề mặt của gang có tác dụng bảo vệ Fe (Không cho Fe bị oxi hóa bởi oxi nén vào lò). Trang 5 Ở trạng thái nóng chảy: Fe có khả năng hòa tan được C và lượng nhỏ các nguyên tố Mn, Si… tạo thành gang. II. THÉP: THÉP LÀ HỢP KIM FE C (HÀM LƯỢNG C: 0,1 – 2%). Sản xuất thép: Trong một số ứng dụng: Tính chất vật lí của gang không phù hợp khi sản xuất các vật dụng như dòn, độ cứng cao, dễ bị gãy… Nguyên nhân chính là do tỉ lệ C, Mn, S, P… trong gang cao vì vậy cần phải giảm hàm lượng của chúng bằng cách oxi hóa C, Mn, P, S… thành dạng hợp chất. Khi hàm lượng của các tạp chất này thấp thì tính chất vật lí được thay đổi phù hợp mới mục đích sản xuất, hợp chất mới được gọi là thép. Nguyên tắc: Oxi hóa các tạp chất có trong gang (Si, Mn, C, S, P) thành oxit nhằm làm giảm hàm lượng của chúng. Các giai đoạn sản xuất thép: Nén oxi vào lò sản xuất (Gang, sắt thép phế liệu) ở trạng thái nóng chảy. Giai đoạn 1: Oxi cho vào oxi hóa các tạp chất có trong gang theo thứ tự sau: 0 t 22 Si O SiO 0 t 22 Mn O MnO 0 t Mn FeO MnO Fe 0 t 2 2C O 2CO 0 t 23 CaO SiO CaSiO 0 t 22 S O SO 0 t 2 5 3 4 2 3CaO P O Ca (PO ) 0 t 2 2 5 4P 5O 2P O . Phản ứng tạo sỉ: Bảo vệ Fe không bị oxi hóa 23 CaO SiO CaSiO 2 5 3 4 2 3CaO P O Ca (PO ) Khi có phản ứng 2 2Fe O 2FeO thì dừng việc nén khí. Giai đoạn 2: Cho tiếp gang có giàu Mn vào. Lượng FeO vừa mới tạo ra sẽ bị khử theo phản ứng: 0 t Mn FeO MnO Fe. Mục đích: hạ đến mức thấp nhất hàm lượng FeO trong thép. Giai đoạn 3: Điều chỉnh lượng C vào thép để được loại thép theo đúng ý muốn. Trang 6 C. HỢP CHẤT CỦA SẮT I. HỢP CHẤT SẮT (II) Trong các phản ứng hóa học, ion 2 Fe dễ nhường 1 electron để trở thành ion 3 Fe : 23 Fe Fe e Như vậy, tính chất hóa học đặc trưng của hợp chất sắt (II) là tính khử. 1. Sắt (II) oxit, FeO FeO là chất rắn, màu đen, không tan trong nước và không có trong tự nhiên. FeO là oxit bazơ, tác dụng với axit HCl, 24 H SO ,... tạo ra muối 2 Fe . Ví dụ: 22 FeO 2HCl FeCl H O FeO có tính khử, tác dụng với chất oxi hóa như axit 3 2 4 HNO ,H SO đặc,… tạo thành muối 3 Fe . Ví dụ: 24 2FeO 4H SO (đặc) 0 t 2 4 3 2 2 Fe (SO ) SO 4H O 3 3FeO + 10HNO (loãng) 0 t 3 3 2 3Fe(NO ) NO 5H O FeO có tính oxi hóa, tác dụng với chất khử mạnh như Al, CO, 2 H ,... tạo thành Fe. Ví dụ: 0 t 22 FeO H Fe H O Điều chế: Nhiệt phân 2 Fe(OH) , khử 23 Fe O , dùng Fe khử 2 HO ở oo t 570 C,... Ví dụ: 0 t 22 Fe(OH) FeO + H O 0 500 600 C 2 3 2 Fe O CO 2FeO CO 2. Sắt (II) hiđroxit, Fe(OH)2 2 Fe(OH) là chất rắn, màu trắng xanh, không tan trong nước. Trong không khí ẩm, 2 Fe(OH) dễ bị oxi hóa trong thành 3 Fe(OH) màu nâu đỏ. 2 2 2 3 4Fe(OH) O 2H O 4Fe(OH) 2 Fe(OH) là hiđroxit kém bền, dễ bị phân hủy bởi nhiệt. Nhiệt phân 2 Fe(OH) không có không khí (không có 2 O ) : 0 t 22 Fe(OH) FeO H O Nhiệt phân 2 Fe(OH) trong không khí (có 2 O ) : 0 t 2 2 2 3 2 4Fe(OH) O 2Fe O 4H O 2 Fe(OH) là một bazơ, tác dụng với axit HCl, 24 H SO loãng,… tạo ra muối 2 Fe . 2 2 4 Fe(OH) H SO (loãng) 42 FeSO 2H O 2 Fe(OH) có tính khử, tác dụng với chất oxi hóa như axit 3 2 4 HNO ,H SO đặc,… tạo thành muối 3 Fe . Trang 7 2 2 4 2Fe(OH) 4H SO (đặc) 0 t 2 4 3 2 2 Fe (SO ) SO 6H O 23 3Fe(OH) 10HNO (loãng) 0 t 3 3 2 3Fe(NO ) NO 8H O Điều chế 2 Fe(OH) bằng cách cho muối sắt (II) tác dụng với dung dịch bazơ trong điều kiện không có không khí. 22 FeCl 2NaOH Fe(OH) 2NaCl 3. Muối sắt (II) Đa số muối sắt (II) tan trong nước, khi kết tinh thường ở dạng ngậm nước như 42 FeSO .7H O, 22 FeCl .4H O,... Muối sắt (II) có tính khử, bị các chất oxi hóa mạnh oxi hóa thành muối sắt (III). Ví dụ: 2 2 3 2FeCl Cl 2FeCl (dung dịch màu lục nhạt) (dung dịch màu vàng nâu) 4 4 2 4 2 4 3 2 4 4 2 10FeSO 2KMnO 8H SO 5Fe (SO ) K SO 2MnSO 8H O (dung dịch màu tím hồng) (dung dịch màu vàng) Điều chế muối sắt (II) bằng cách cho Fe hoặc các hợp chất sắt (II) như FeO, 2 Fe(OH) ,... tác dụng với axit HCl, 24 H SO 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 4 FeSO 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 3 Fe có khả năng nhận 1 hoặc 3 electron: 32 Fe 1e Fe 3 Fe 3e Fe Như vậy, tính chất hóa học đặc trưng của hợp chất sắt (III) là tính oxi hóa. 1. Sắt (III) oxit, Fe2O3 23 Fe O là chất rắn, màu đỏ nâu, không tan trong nước. 23 Fe O là oxit bazơ, tan trong các dung dịch axit mạnh như HCl, 2 4 3 H SO ,HNO ,... tạo ra muối 3 Fe . Ví dụ: 2 3 3 3 3 2 Fe O 6HNO 2Fe(NO ) 3H O 23 Fe O có tính oxi hóa, tác dụng với chất khử như Al, C, CO, 2 H ,... ở nhiệt độ cao. Ví dụ: 0 t 2 3 2 3 Fe O 2Al Al O Fe Trang 8 0 t 2 3 2 Fe O 3CO 2Fe 3CO Điều chế 23 Fe O bằng cách nhiệt phân 3 Fe(OH) ở nhiệt độ cao. 0 t 3 2 3 2 2Fe(OH) Fe O 3H O 2. Sắt (III) hiđroxit, Fe(OH)3 3 Fe(OH) là chất rắn, màu nâu đỏ, không tan trong nước. 3 Fe(OH) là một bazơ, dễ tan trong các dung dịch axit như HCl, 2 4 3 H SO ,HNO ,... tạo ra muối 3 Fe . Ví dụ: 3 2 4 2 4 3 2 2Fe(OH) 3H SO Fe (SO ) 3H O Điều chế 3 Fe(OH) bằng cách cho muối sắt (III) tác dụng với dung dịch bazơ. Ví dụ: 33 FeCl 3NaOH Fe(OH) 3NaCl 3. Muối sắt (III) Đa số muối sắt (III) tan trong nước, khi kết tinh thường ở dạng ngậm nước như 2 4 3 2 3 2 Fe (SO ) .9H O, FeCl .6H O,... Muối sắt (III) có tính oxi hóa, dễ bị khử thành muối sắt (II). Ví dụ: 32 Fe 2FeCl 3FeCl (dung dịch màu vàng) (dung dịch màu xanh nhạt) 3 2 2 Cu 2FeCl CuCl 2FeCl (dung dịch màu vàng) (dung dịch màu xanh) 3 2 2 2FeCl + 2KI 2FeCl 2KCl I Điều chế: Cho Fe tác dụng với các chất oxi hóa mạnh như 2 3 2 4 Cl ,HNO ,H SO đặc,… hoặc các hợp chất sắt (III) tác dụng với axit HCl, 24 H SO loãng,… Dung dịch muối sắt (III) thu được có màu vàng nâu. 4. Ứng dụng của hợp chất sắt (III) Muối 3 FeCl được dùng làm chất xúc tác trong một số phản ứng hữu cơ. 2 4 3 Fe (SO ) có trong phèn sắtamoni 4 2 4 2 4 3 2 2 3 (NH ) SO .Fe (SO ) .24H O.Fe O được dùng để pha chế sơn chống gỉ. Oxit sắt (III) được sử dụng để sản xuất các bộ lưu từ tính trong máy tính. Chúng thường được trộn lẫn với các hợp chất khác, và bảo tồn thuộc tính từ trong hỗn hợp này. CÁC DẠNG BÀI TẬP DẠNG 1: DẠNG SẮT VÀ HỢP CHẤT CỦA SẮT PHẢN ỨNG VỚI CHẤT OXI HÓA MẠNH A. KHỞI ĐỘNG: NHẬN BIẾT Trang 9 Bài 1: Cho 11,36 gam hỗn hợp gồm Fe, FeO, 23 Fe O và 34 Fe O phản ứng hết với dung dịch 3 HNO loãng (dư), thu được 1,344 lít khí NO (sản phẩm khử duy nhất, ở đktc) và dung dịch X. Cô cạn dung dịch X thu được m gam muối khan. Giá trị của m là? A. 38,72 B. 35,50 C. 49,09 D. 34,36 Bài 2: Hòa tan hoàn toàn 3,58 gam hỗn hợp 3 kim loại Al, Fe, Cu bằng dung dịch 3 HNO thu được hỗn hợp sản phẩm gồm 0,04 mol NO và 0,06 mol 2 NO . Khối lượng muối có trong dung dịch sau phản ứng (không chứa muối amoni) là: A. 16,58 gam B. 15,32 gam C. 14,74 gam D. 18,22 gam Bài 3: Đốt cháy hoàn toàn 0,1 mol mỗi chất 2 FeS và CuS trong không khí rồi cho sản phẩm cháy tác dụng vừa đủ V ml dung dịch 4 KMnO 1M. Giá trị V (ml) là: A. 120 ml B. 160 ml C. 80 ml D. 300 ml. Bài 4: Hòa tan 6,96g 34 Fe O vào dung dịch 3 HNO dư thu được 0,224 lít xy NO (đktc) là sản phẩm khử duy nhất. Khí xy NO có công thức là? A. 2 NO B. NO C. 2 NO D. 23 NO Bài 5: Hòa toàn hoàn toàn hỗn hợp gồm x mol 2 Hg S và 0,04 mol 2 FeS bằng dung dịch 3 HNO đặc, đun nóng, chỉ thu các muối sunfat kim loại có hóa trị cao nhất và có khí 2 NO thoát ra. Trị số của x là A. 0,01 B. 0,02 C. 0,08 D. 0,12 Bài 6: Ion đicromat 2 27 Cr O , trong môi trường axit, oxi hóa được muối 2 Fe tạo muối 3 Fe , còn đicromat bị khử tạo muối 3 Cr . Cho biết 10 ml dung dịch 4 FeSO phản ứng vừa đủ với 12 ml dung dịch 2 2 7 K Cr O 0,1M trong môi trường axit 24 H SO loãng. Nồng độ mol của dung dịch 4 FeSO là
CHUYÊN ĐỀ 3: SẮT VÀ HỢP CHẤT CỦA SẮT KIẾN THỨC LÝ THUYẾT A SẮT I VỊ TRÍ CẤU TẠO Vị trí: Sắt nguyên tố kim loại chuyển tiếp, thuộc nhóm VIIIB, chu kì 4, số hiệu ngun tử 26 Cấu hình electron nguyên tử: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2 ; viết gọn [Ar]3d6 4s2 Cấu hình electron ion Fe2 :[Ar]3d6 Cấu hình electron ion Fe3 :[Ar]3d5 Số oxi hóa: Trong hợp chất, sắt có số oxi hóa 2, 3 Cấu tạo đơn chất: Tùy thuộc vào nhiệt, kim loại Fe tồn mạng tinh thể lập phương tâm khối (Fe ) lập phương tâm diện (Fe ) Năng lượng ion hóa: I1 760 (KJ/mol); I2 1560 (KJ/mol); I3 2960 (KJ/mol) Bán kính nguyên tử ion: R (Fe) 0,162 (nm);R (Fe2 ) 0,076 (nm);R (Fe3 ) 0,064 (nm) O O -0,036V; E (Fe +0,77V Thế điện cực chuẩn: E O(Fe2 /Fe) -0, 44V; E (Fe 3 3 /Fe) /Fe 2 ) II TÍNH CHẤT VẬT LÝ Sắt kim loại màu trắng xám, dẻo, dễ rèn, nóng chảy nhiệt độ 1540o C, có khối lượng riêng 7,9g/cm3 Sắt có tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, đặc biệt có tính nhiễm từ III TÍNH CHẤT HĨA HỌC Sắt 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 Tác dụng với phi kim Sắt khử nhiều phi kim thành ion âm, Fe bị oxi hóa thành Fe2 Fe3 t Fe + S FeS t 3Fe + 2O2 Fe3O4 t 2Fe + 3Cl2 2FeCl3 Tác dụng với axit a) Với axit HCl, H2SO4 loãng Fe khử dễ dàng ion H axit HCl, H2SO4 lỗng thành khí H , đồng thời Fe bị oxi hóa thành Fe2 Trang Fe 2H Fe 2 H 2 Fe H 2SO FeSO H 2 b) Với axit HNO3, H2SO4 đặc Sắt bị thụ động hóa axit HNO3 đặc, nguội H2SO4 đặc, nguội Với axit HNO3 lỗng, HNO3 đặc nóng H2SO4 đặc nóng, Fe bị oxi hóa mạnh thành Fe3 t Fe2 (SO4 )3 + 3SO2 + 6H2O 2Fe 6H2SO4 (đặc) t Fe(NO3 )3 + 3NO2 + 3H2O Fe 6HNO3 (đặc) t Fe(NO3 )3 + NO + 2H2O Fe 4HNO3 (loãng) Tác dụng với nước Ở nhiệt độ cao, sắt khử nước: t 570 C 3Fe 4H2O Fe3O4 4H2 t 570 C Fe H2O FeO H2 Tác dụng với dung dịch muối Sắt khử ion kim loại yếu dung dịch muối thành kim loại tự Fe CuSO FeSO Cu Fe(NO3 )3 3Ag Fe 3AgNO3 (dư) Hiện tượng ăn mịn điện hóa Ăn mịn điện hóa học hợp kim sắt (gang, thép) khơng khí ẩm: - Gang, thép hợp kim Fe - C gồm tinh thể Fe tiếp xúc trực tiếp với tinh thể C (graphit) - Khơng khí ẩm có chứa H2O,CO2 ,O2 tạo lớp dung dịch chất điện li phủ lên bề mặt gang, thép làm xuất vơ số pin điện hóa mà Fe cực âm, C cực dương - Ở cực âm xảy oxi hóa: Fe Fe2 2e - Ở cực dương xảy khử: 2H 2e H O2 2H 2O 4e 4OH - Tiếp theo: Fe2 2OH Fe(OH)2 4Fe(OH)2 O2(kk) 2H2O 4Fe(OH)3 - Theo thời gian Fe(OH)3 bị nước tạo gỉ sắt có thành phần chủ yếu Fe2O3.xH2O IV ỨNG DỤNG - Sắt kim loại sử dụng nhiều nhất, chiếm khoảng 95% tổng khối lượng kim loại sản xuất toàn giới Sự kết hợp giá thành thấp đặc tính tốt chịu lực, độ dẻo, độ cứng làm cho trở thành thay được, đặc biệt ứng dụng sản xuất ô tô, thân tàu thủy lớn, Trang khung cho công trình xây dựng Thép hợp kim tiếng sắt, ngồi cịn có số hình thức tồn khác sắt như: - Gang thô (gang lợn) chứa 4% - 5% cacbon chứa loạt chất khác lưu huỳnh, silic, phốt Đặc trưng nó: bước trung gian từ quặng sắt sang thép loại gang đúc (gang trắng gang xám) - Gang đúc chứa 2% - 3,5% cacbon lượng nhỏ mangan Các chất có gang thơ có ảnh hưởng xấu đến thuộc tính vật liệu, lưu huỳnh phốt chẳng hạn bị khử đến mức chấp nhận Nó có điểm nóng chảy khoảng 1420-1470 K, thấp so với hai thành phần nó, làm cho sản phẩm bị nóng chảy cacbon sắt nung nóng Nó rắn, cứng dễ vỡ Làm việc với đồ vật gang, chí nóng trắng, có xu hướng phá vỡ hình dạng vật - Thép carbon chứa từ 0,5% đến 1,5% cacbon, với lượng nhỏ mangan, lưu huỳnh, phốt silic - Sắt non chứa 0,5% cacbon Nó sản phẩm dai, dễ uốn, khơng dễ nóng chảy gang thơ Nó có cacbon Nếu mài thành lưỡi sắc, đánh tính chất nhanh - Các loại thép hợp kim chứa lượng khác cacbon kim loại khác, crom, vanađi, môlipđen, niken, vonfram, v.v V SẢN XUẤT Sắt chiếm khoảng 5% khối lượng vỏ Trái Đất, đứng hàng thứ hai kim loại (sau nhôm) Trong tự nhiên, sắt tồn chủ yếu dạng hợp chất loại quặng, sắt tự tìm thấy mảnh thiên thạch Quặng sắt quan trọng là: quặng hematit đỏ ( Fe2O3 khan), quặng hematit nâu ( Fe2O3 nH2O ), quặng manhetit (Fe3O4 ), quặng xiđerit (FeCO3 ), quặng pirit sắt (FeS2 ) Trong công nghiệp, sắt trích xuất từ quặng nó, chủ yếu từ hêmatit (Fe2O3 ) manhetit (Fe3O4 ) cách khử với cacbon lò luyện kim sử dụng luồng khơng khí nóng nhiệt độ khoảng 2000o C Trong lò luyện, quặng sắt, cacbon dạng than cốc, chất tẩy tạp chất đá vơi xếp phía lị, luồng khơng khí nóng đưa vào lị từ phía Than cốc phản ứng với O luồng không khí tạo CO: C + O2 CO CO khử quặng sắt (trong phương trình hematit) thành sắt nóng chảy, trở thành CO2 : CO + Fe2O3 Fe + CO2 Chất khử tạp chất thêm vào để khử tạp chất có quặng (chủ yếu đioxit silic cát silicat khác) Các chất khử tạp chất đá vơi (CaCO3 ) đơlơmit (MgCO3 ) Các chất khử tạp chất Trang khác cho vào tùy theo tạp chất có quặng Trong sức nóng lị luyện đá vơi bị chuyển thành vôi sống (CaO): CaCO3 CaO CO2 Sau CaO kết hợp với SiO2 tạo sỉ CaO SiO2 CaSiO3 Xỉ nóng chảy lị luyện ( SiO2 khơng) Ở phần lị luyện, sỉ nóng chảy nhẹ nên lên phía sắt nóng chảy Các cửa lị mở để tháo sỉ hay sắt nóng chảy Sắt nguội đi, tạo gang thơ, cịn xỉ sử dụng để làm đường hay để cải thiện loại đất nơng nghiệp nghèo khống chất B HỢP KIM CỦA SẮT I GANG: LÀ HỢP KIM SẮT - CACBON VÀ MỘT SỐ NGUYÊN TỐ KHÁC: HÀM LƯỢNG C TỪ 2% - 5% Sản xuất gang: Nguyên tắc: Khử Fe oxit CO nhiệt độ cao (phương pháp nhiệt luyện) Và trình diễn nhiều giai đoạn: Fe2O3 Fe3O4 FeO CO Các giai đoạn sản xuất gang: Giai đoạn 1: Phản ứng tạo chất khử Than cốc đốt cháy hoàn toàn: C O2 CO2 t CO2 C CO Giai đoạn 2: Oxit Fe bị khử CO Fe t CO 3Fe2O3 2Fe3O4 CO2 t CO Fe3O4 FeO CO2 t CO FeO Fe CO2 Phản ứng tạo sỉ: (tạo chất chảy - chất bảo vệ khơng cho Fe bị oxi hóa) t CaCO3 CaO CO2 t CaO SiO2 CaSiO3 Giai đoạn 3: Sự tạo thành gang: Fe có khối lượng riêng lớn nên chảy xuống phần đáy Sỉ bề mặt gang có tác dụng bảo vệ Fe (Khơng cho Fe bị oxi hóa oxi nén vào lị) Trang Ở trạng thái nóng chảy: Fe có khả hịa tan C lượng nhỏ nguyên tố Mn, Si… tạo thành gang II THÉP: THÉP LÀ HỢP KIM FE - C (HÀM LƯỢNG C: 0,1 – 2%) Sản xuất thép: Trong số ứng dụng: Tính chất vật lí gang không phù hợp sản xuất vật dụng dịn, độ cứng cao, dễ bị gãy… Ngun nhân tỉ lệ C, Mn, S, P… gang cao cần phải giảm hàm lượng chúng cách oxi hóa C, Mn, P, S… thành dạng hợp chất Khi hàm lượng tạp chất thấp tính chất vật lí thay đổi phù hợp mục đích sản xuất, hợp chất gọi thép Nguyên tắc: Oxi hóa tạp chất có gang (Si, Mn, C, S, P) thành oxit nhằm làm giảm hàm lượng chúng Các giai đoạn sản xuất thép: Nén oxi vào lò sản xuất (Gang, sắt thép phế liệu) trạng thái nóng chảy Giai đoạn 1: Oxi cho vào oxi hóa tạp chất có gang theo thứ tự sau: t Si O2 SiO2 t Mn O2 MnO2 t Mn FeO MnO Fe t 2C O2 2CO t CaO SiO2 CaSiO3 t S O2 SO2 t 3CaO P2O5 Ca (PO4 )2 t 4P 5O2 2P2O5 Phản ứng tạo sỉ: Bảo vệ Fe khơng bị oxi hóa CaO SiO2 CaSiO3 3CaO P2O5 Ca (PO4 )2 Khi có phản ứng 2Fe O2 2FeO dừng việc nén khí Giai đoạn 2: Cho tiếp gang có giàu Mn vào Lượng FeO vừa tạo bị khử theo phản ứng: t Mn FeO MnO Fe Mục đích: hạ đến mức thấp hàm lượng FeO thép Giai đoạn 3: Điều chỉnh lượng C vào thép để loại thép theo ý muốn Trang C HỢP CHẤT CỦA SẮT I HỢP CHẤT SẮT (II) Trong phản ứng hóa học, ion Fe2 dễ nhường electron để trở thành ion Fe3 : Fe2 Fe3 e Như vậy, tính chất hóa học đặc trưng hợp chất sắt (II) tính khử Sắt (II) oxit, FeO FeO chất rắn, màu đen, khơng tan nước khơng có tự nhiên FeO oxit bazơ, tác dụng với axit HCl, H2SO4 , tạo muối Fe2 Ví dụ: FeO 2HCl FeCl2 H 2O FeO có tính khử, tác dụng với chất oxi hóa axit HNO3 , H2SO4 đặc,… tạo thành muối Fe3 t Ví dụ: 2FeO 4H2SO4 (đặc) Fe2 (SO4 )3 SO2 4H2O t 3Fe(NO3 )3 NO 5H2O 3FeO + 10HNO3 (lỗng) FeO có tính oxi hóa, tác dụng với chất khử mạnh Al, CO, H2 , tạo thành Fe t Ví dụ: FeO H2 Fe H 2O Điều chế: Nhiệt phân Fe(OH)2 , khử Fe2O3 , dùng Fe khử H2O t o 570o C, t Ví dụ: Fe(OH)2 FeO + H2O 500600 C Fe2O3 CO 2FeO CO2 Sắt (II) hiđroxit, Fe(OH)2 Fe(OH)2 chất rắn, màu trắng xanh, khơng tan nước Trong khơng khí ẩm, Fe(OH)2 dễ bị oxi hóa thành Fe(OH)3 màu nâu đỏ 4Fe(OH)2 O2 2H2O 4Fe(OH)3 Fe(OH)2 hiđroxit bền, dễ bị phân hủy nhiệt Nhiệt phân Fe(OH)2 khơng có khơng khí (khơng có O2 ) : t Fe(OH)2 FeO H2O Nhiệt phân Fe(OH)2 khơng khí (có O2 ) : t 4Fe(OH)2 O2 2Fe2O3 4H 2O Fe(OH)2 bazơ, tác dụng với axit HCl, H2SO4 loãng,… tạo muối Fe2 FeSO4 2H 2O Fe(OH)2 H2SO4 (lỗng) Fe(OH)2 có tính khử, tác dụng với chất oxi hóa axit HNO3 , H2SO4 đặc,… tạo thành muối Fe3 Trang t Fe2 (SO4 )3 SO2 6H2O 2Fe(OH)2 4H2SO4 (đặc) t 3Fe(NO3 )3 NO 8H2O 3Fe(OH)2 10HNO3 (loãng) Điều chế Fe(OH)2 cách cho muối sắt (II) tác dụng với dung dịch bazơ điều kiện khơng có khơng khí FeCl2 2NaOH Fe(OH) 2 2NaCl Muối sắt (II) Đa số muối sắt (II) tan nước, kết tinh thường dạng ngậm nước FeSO4 7H2O, FeCl2 4H2O, Muối sắt (II) có tính khử, bị chất oxi hóa mạnh oxi hóa thành muối sắt (III) Ví dụ: 2FeCl2 Cl2 2FeCl3 (dung dịch màu lục nhạt) (dung dịch màu vàng nâu) 10FeSO4 2KMnO4 8H2SO4 5Fe2 (SO4 )3 K2SO4 2MnSO4 8H2O (dung dịch màu tím hồng) (dung dịch màu vàng) Điều chế muối sắt (II) cách cho Fe hợp chất sắt (II) FeO, Fe(OH)2 , tác dụng với axit HCl, H2SO4 lỗng (khơng có khơng khí) Dung dịch muối sắt (II) thu có màu lục nhạt Ứng dụng hợp chất sắt (II) Muối FeSO4 dùng làm chất diệt sâu bọ có hại cho thực vật, pha chế sơn, mực dùng kĩ nghệ nhuộm vải II HỢP CHẤT SẮT (III) Trong phản ứng hóa học, tùy thuộc vào chất khử mạnh hay yếu, ion Fe3 có khả nhận electron: Fe3 1e Fe2 Fe3 3e Fe Như vậy, tính chất hóa học đặc trưng hợp chất sắt (III) tính oxi hóa Sắt (III) oxit, Fe2O3 Fe2O3 chất rắn, màu đỏ nâu, không tan nước Fe2O3 oxit bazơ, tan dung dịch axit mạnh HCl, H2SO4 , HNO3 , tạo muối Fe3 2Fe(NO3 )3 3H2O Ví dụ: Fe2O3 6HNO3 Fe2O3 có tính oxi hóa, tác dụng với chất khử Al, C, CO, H2 , nhiệt độ cao t Ví dụ: Fe2O3 2Al Al2O3 Fe Trang t Fe2O3 3CO 2Fe 3CO2 Điều chế Fe2O3 cách nhiệt phân Fe(OH)3 nhiệt độ cao t 2Fe(OH)3 Fe2O3 3H 2O Sắt (III) hiđroxit, Fe(OH)3 Fe(OH)3 chất rắn, màu nâu đỏ, không tan nước Fe(OH)3 bazơ, dễ tan dung dịch axit HCl, H2SO4 , HNO3 , tạo muối Fe3 Ví dụ: 2Fe(OH)3 3H 2SO4 Fe2 (SO4 )3 3H 2O Điều chế Fe(OH)3 cách cho muối sắt (III) tác dụng với dung dịch bazơ Ví dụ: FeCl3 3NaOH Fe(OH)3 3NaCl Muối sắt (III) Đa số muối sắt (III) tan nước, kết tinh thường dạng ngậm nước Fe2 (SO4 )3.9H2O, FeCl3.6H2O, Muối sắt (III) có tính oxi hóa, dễ bị khử thành muối sắt (II) Ví dụ: Fe 2FeCl3 3FeCl2 (dung dịch màu vàng) (dung dịch màu xanh nhạt) Cu 2FeCl3 CuCl2 2FeCl2 (dung dịch màu vàng) (dung dịch màu xanh) 2FeCl3 + 2KI 2FeCl2 2KCl I2 Điều chế: Cho Fe tác dụng với chất oxi hóa mạnh Cl2 , HNO3 , H2SO4 đặc,… hợp chất sắt (III) tác dụng với axit HCl, H2SO4 loãng,… Dung dịch muối sắt (III) thu có màu vàng nâu Ứng dụng hợp chất sắt (III) Muối FeCl3 dùng làm chất xúc tác số phản ứng hữu Fe2 (SO4 )3 có phèn sắt-amoni (NH4 )2 SO4 Fe2 (SO4 )3.24H2O.Fe2O3 dùng để pha chế sơn chống gỉ Oxit sắt (III) sử dụng để sản xuất lưu từ tính máy tính Chúng thường trộn lẫn với hợp chất khác, bảo tồn thuộc tính từ hỗn hợp CÁC DẠNG BÀI TẬP DẠNG 1: DẠNG SẮT VÀ HỢP CHẤT CỦA SẮT PHẢN ỨNG VỚI CHẤT OXI HÓA MẠNH A KHỞI ĐỘNG: NHẬN BIẾT Trang Bài 1: Cho 11,36 gam hỗn hợp gồm Fe, FeO, Fe2O3 Fe3O4 phản ứng hết với dung dịch HNO3 lỗng (dư), thu 1,344 lít khí NO (sản phẩm khử nhất, đktc) dung dịch X Cô cạn dung dịch X thu m gam muối khan Giá trị m là? A 38,72 B 35,50 C 49,09 D 34,36 Bài 2: Hịa tan hồn toàn 3,58 gam hỗn hợp kim loại Al, Fe, Cu dung dịch HNO3 thu hỗn hợp sản phẩm gồm 0,04 mol NO 0,06 mol NO2 Khối lượng muối có dung dịch sau phản ứng (không chứa muối amoni) là: A 16,58 gam B 15,32 gam C 14,74 gam D 18,22 gam Bài 3: Đốt cháy hoàn toàn 0,1 mol chất FeS2 CuS khơng khí cho sản phẩm cháy tác dụng vừa đủ V ml dung dịch KMnO4 1M Giá trị V (ml) là: A 120 ml B 160 ml C 80 ml D 300 ml Bài 4: Hòa tan 6,96g Fe3O4 vào dung dịch HNO3 dư thu 0,224 lít N x O y (đktc) sản phẩm khử Khí N x O y có cơng thức là? A NO2 B NO C N2O D N 2O3 Bài 5: Hịa tồn hồn tồn hỗn hợp gồm x mol Hg2S 0,04 mol FeS2 dung dịch HNO3 đặc, đun nóng, thu muối sunfat kim loại có hóa trị cao có khí NO2 Trị số x A 0,01 B 0,02 C 0,08 D 0,12 Bài 6: Ion đicromat Cr2O72 , mơi trường axit, oxi hóa muối Fe2 tạo muối Fe3 , đicromat bị khử tạo muối Cr3 Cho biết 10 ml dung dịch FeSO4 phản ứng vừa đủ với 12 ml dung dịch K2Cr2O7 0,1M môi trường axit H2SO4 loãng Nồng độ mol dung dịch FeSO4 Trang