Lý thuyết Sắt (bản Full)

Phạm Huy Quang Sắt và hợp chất Phạm Huy Quang Bài Giảng SẮT VÀ HỢP CHẤT CỦA SẮT 0935 984 375 Trang 1 Fe 26 56 Phạm Huy Quang Sắt và hợp chất A. SẮT – Cấu tạo và tính chất Cần chú ý những điểm chính về sắt như sau: 1. Cấu hình electron: Z = 26 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 2. Fe có các số oxi hóa +2, +3, +6 (đặc trưng là +2 và +3) 3. Fe nguyên chất có màu trắng bạc, tương đối nặng, dẫn điện và dẫn nhiệt tốt (nhưng kém hơn Đồng và Nhôm). Sắt có tính dẻo, dễ dát mỏng và kéo sợi. 4. Là chất sắt từ, dễ bị nam châm hóa nên được dùng làm lõi của động cơ điện 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(H 2 O) 6 ] 2+ , [Fe(H 2 O) 6 ] 3+ , [Fe(CN) 6 ] 4- , [Fe(CN) 6 ] 3- … 7. Fe là một kim loại hoạt động trung bình. 8. Fe có tác dụng với hầu hết các phi kim khi đun nóng. Với phi kim là những chất oxi hóa mạnh (Cl 2 , O 2 ,…) sẽ thu được các hợp chất trong đó sắt có số oxi hóa +3, phản ứng tỏa nhiệt mạnh: 2Fe + 3Cl 2 2FeCl 3 3Fe + 2O 2 2Fe 3 O 4 (Fe 3 O 4 – oxit sắt từ là một hợp chất ion, tinh thể được tạo nên bởi các ion Fe 2+ , Fe 3+ và O 2- . Trung bình trong chất rắn cứ có 1 ion Fe 2+ sẽ có 2 ion Fe 3+ và 4 ion O 2- ). 9. Trong không khí ẩm, sắt dễ bị gỉ theo phản ứng: 4Fe + 3O 2 + nH 2 O 2Fe 2 O 3 .nH 2 O 10. Với phi kim hoạt động yếu như S thì sắt sẽ tạo hợp chất có số oxi hóa +2: 0935 984 375 Trang 2 t o t o Phạm Huy Quang Sắt và hợp chất Fe + S FeS 11. Sắt chỉ phản ứng với nước ở nhiệt độ cao: Fe + H 2 O FeO + H 2 3Fe +4H 2 O Fe 3 O 4 + 4H 2 12. Sắt có tác dụng với HCl và H2SO4 loãng tạo ra Fe2+: Fe + 2HCl FeCl 2 + H 2 Fe + H 2 SO 4 FeSO 4 + H 2 (Fe + 2H + Fe + + H2) 13. Sắt bị thụ động hóa trong H 2 SO 4 đặc nguội và HNO 3 đặc nguội 14. Sắt tác dụng với H 2 SO 4 đặc nóng, HNO 3 đặc nóng và HNO 3 lõng cho muối sắt (III): 2Fe + 6H 2 SO 4 (đ) Fe 2 (SO 4 ) 3 + 3SO 2 + 3H 2 O Fe + 6HNO 3 (đ) Fe(NO 3 ) 3 + 2NO 2 + 3H 2 O Fe + 4HNO 3 (l) Fe(NO 3 ) 3 + NO + 2H 2 O 15. Sắt có thể đẩy được kim loại hoạt động yếu hơn ra khỏi dung dịch muối của chúng: Fe + CuSO 4 FeSO 4 + Cu 16. Điều chế Sắt: Sắt tinh khiết được điều chế bằng cách điện phân dung dịch muối sắt (II) hoặc dùng H 2 hay Al khử Fe 2 O 3 : 2FeSO 4 + 2H 2 O 2Fe + O 2 + 2H 2 SO 4 Fe 2 O 3 + 3H 2 2Fe + 3H 2 O Fe 2 O 3 + 2Al 2Fe + Al 2 O 3 17. Sắt kĩ thuật (gang) được điều chế bằng phương pháp nhiệt luyện : dùng than cốc để điều chế CO để khử sắt oxit trong lò cao. Thứ tự các phản ứng: C + O 2 CO 2 CO 2 + C 2CO 0935 984 375 Trang 3 t o > 570 o C t o < 570 o C t o t o t o t o t o đpdd t o t o Phạm Huy Quang Sắt và hợp chất 3Fe 2 O 3 + CO 2Fe 3 O 4 + CO 2 Fe 3 O 4 + CO FeO + CO 2 FeO + CO 2 Fe + CO 2 Sắt chảy qua C xuống dưới thu được sản phẩm gang lỏng ở 1200 o C và xảy ra các phản ứng phụ: 3Fe + C Fe 3 C 3Fe + 2CO Fe 3 C + CO 2 (xementit) Ngoài ra còn thu được xỉ từ các phản ứng phụ sau: CaCO 3 CaO + CO2 CaO + SiO 2(cát) CaSiO 3 (xỉ) Và khí lò cao gồm CO, H 2 , CH 4 , dùng làm nhiên liệu. 18. Luyện thép: Khoảng 90% lượng gang sản xuất được trong lò cao được dùng và mục đích luyện thép. Đó là quá trình oxi hóa để loại bỏ các tạp chất có trong gang như C, S, P, Si, Mn, dưới dạng khí như CO, CO 2 , SO 2 hoặc chuyển thành xỉ (dùng sản xuất xi măng) 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 + O 2 2MnO Si + O 2 SiO 2 C + O 2 CO 2 2Fe + O 2 2FeO FeO + SiO 2 FeSiO 3 MnO + SiO 2 MnSiO 3 xỉ * Đặc điểm: - Xảy ra nhanh (15 – 20 phút), không cho phép điều chỉnh được thành phần của thép. 0935 984 375 Trang 4 t o t o t o t o t o t o t o t o t o t o t o t o t o Phạm Huy Quang Sắt và hợp chất - 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 + 5O 2 2P 2 O 5 P 2 O 5 + 3CaO Ca 3 (PO 4 ) 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 O 2 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 oxit 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 (> 3000 o C) nên có thể luyện được các loại thép đặc biệt chứa những kim loại khó nóng chảy như Mo, W, * Đặc điểm: luyện được 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 đen, không tan trong nước • FeO là oxit bazo, tác dụng dễ dàng với dung dịch axit: 0935 984 375 Trang 5 t o t o Phạm Huy Quang Sắt và hợp chất FeO + 2H + Fe 2+ + H 2 O • FeO thể hiện tính khử: tác dụng được với các chất oxi hóa mạnh như H 2 SO 4 đặc, nóng, HNO 3 đặc nóng, HNO 3 loãng: 2FeO + 4H 2 SO 4 (đ) Fe 2 (SO 4 ) 3 + SO 2 + 4H 2 O 3FeO + 10HNO 3 (l) 3Fe(NO 3 ) 3 + NO + 5H 2 O FeO + 4HNO 3 (đ) Fe(NO 3 ) 3 + NO 2 + 2H 2 O • FeO có tính oxi hóa: tác dụng được với các chất khử như Al, CO, H 2 , 3FeO + 2Al Al 2 O 3 + 3Fe FeO + CO CO 2 + Fe FeO + H 2 Fe + H 2 O • Điều chế FeO bằng cách Oxi hóa Fe hoặc khử Fe 2 O 3 : Fe + H 2 O FeO + H 2 Fe 2 O 3 + H 2 2FeO + H 2 O Fe 2 O 3 + CO 2FeO + CO 2 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 đỏ: 4Fe(OH) 2 + O 2 + 2H 2 O 4Fe(OH) 3 • Phản ứng nhiệt phân Fe(OH) 2 : + không có không khí: Fe(OH) 2 FeO + H 2 O + có không khí: 4Fe(OH) 2 + O 2 + 2H 2 O 4Fe(OH) 3 2x 2Fe(OH) 3 Fe 2 O 3 + 3H 2 O 4Fe(OH) 2 + O 2 2Fe 2 O 3 + 3H 2 O • Fe(OH) 2 thể hiện tính bazo :tác dụng với dung dịch axit. 0935 984 375 Trang 6 t o > 570 o C t o t o t o t o t o 500 o C t o t o 500 o C t o t o t o t o t o Phạm Huy Quang Sắt và hợp chất Fe(OH) 2 + 2H + Fe 2+ + 2H 2 O • Fe(OH) 2 có tính khử khi tác dụng với oxi không khí, H 2 SO 4 đặc, HNO 3 , 2Fe(OH) 2 + 4H 2 SO 4 (đặc) Fe 2 (SO 4 ) 3 + SO 2 +6H 2 O 3Fe(OH) 2 +10HNO 3 (loãng) 3Fe(NO 3 ) 3 + NO + 8H 2 O Fe(OH) 2 + 4HNO 3 (đặc) Fe(NO 3 ) 3 + NO 2 + 3H 2 O • Điều chế Fe(OH) 2 bằng cách cho muối sắt (II) tác dụng với dung dịch kiềm mạnh: FeSO 4 +2KOH Fe(OH) 2 +K 2 SO 4 • Kết tủa Fe(OH) 2 tinh khiết chỉ được 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: FeSO 4 .7H 2 O, FeCl 2 .6H 2 O, Fe(ClO 4 ) 2 .6H 2 O, • Muối sắt (II) dễ bị oxi hóa bởi không khí và các châ oxi hóa mạnh để chuyển thành muối sắt (III): 4FeSO 4 + O 2 +2H 2 O 4Fe(OH)SO 4 2FeCl 2 +Cl 2 2FeCl 3 6FeSO 4 +K 2 Cr 2 O 7 +7H 2 SO 4 3Fe(SO 4 ) 3 +Cr(SO 4 ) 3 +K 2 SO 4 +7H 2 O • Dùng dung dịch KMnO4 trong mối trường axit để chuẩn độ dung dịch muối sắt (II) : 10FeSO 4 +2KMnO 4 +8H 2 SO4 5Fe 2 (SO 4 ) 3 +2MnSO 4 +K 2 SO 4 +8H 2 O • Trong môi trường trung tính và kiềm: 6FeSO 4 +2KMnO 4 +H 2 O Fe 2 O 3 +2Fe 2 (SO 4 ) 3 + 2MnO 2 +2KOH FeSO 4 +KMnO 4 +3KOH Fe(OH) 3 +K 2 MnO 4 + K 2 SO 4 • Sắt (II) cacbonat FeCO 3 FeCO 3 +2HCl FeCl 2 +CO 2 +H 2 O FeCO 3 +H 2 SO 4 (loãng) FeSO 4 + CO 2 +H 2 O 2FeCO 3 +4H 2 SO 4 (đặc) Fe 2 (SO 4 ) 3 +SO 2 + 2CO 2 + 4H 2 O 0935 984 375 Trang 7 t o t o t o t o Phạm Huy Quang Sắt và hợp chất 3FeCO 3 +10HNO 3 (loãng) 3Fe(NO 3 ) 3 + NO + 3CO 2 + 5H 2 O FeCO 3 + 4HNO 3 (đặc) Fe(NO 3 ) 3 +NO 2 + CO 2 +2H 2 O • Nung FeCO3: + Trong không khí: FeCO 3 FeO +CO 2 2FeO + 1\2 O 2 Fe 2 O 3 + Trong chân không: FeCO 3 FeO +CO 2 • Nung FeSO 4 : 2FeSO 4 Fe 2 O 3 +SO 2 +SO 3 Tính oxi hóa:Ag>Fe Tính khử :Fe>Ag Nên có phản ứng: Fe(NO 3 ) 2 +AgNO 3 Fe(NO 3 ) 3 +Ag II. HỢP CHẤT SẮT(III) 1. Sắt (III) oxit Fe 2 O 3 • Fe 2 O 3 là chất rắn màu đỏ nâu, không tan trong nước, bị nhiệt phân chuyển thành oxit sắt rừ Fe 3 O 4 : 6Fe 2 O 3 4Fe 3 O 4 + O 2 • Fe 2 O 3 có tính bazo :tác dụng với dung dịch axit Fe 2 O 3 + 6H + 2Fe 3+ + 3H 2 O • Fe 2 O 3 có tính axit yếu:tan được trong xút rắn nóng chảy hoặc cacbonat kim loại kiềm nóng chảy, tạo muối ferit: Fe 2 O 3 +2NaOH 2NaFeO 2 + H 2 O (rắn) Fe 2 O 3 +2Na 2 CO 3 2NaFeO 2 + CO 2 (rắn) (màu vàng) • Chú ý : Oxit sắt từ Fe 3 O 4 cũng được coi là sắt (II) ferit Fe(FeO 2 ) 2 trong đó tỉ lệ Fe +2 : Fe +3 = 1:2 0935 984 375 Trang 8 t o t o t o t o t o nc t o nc Phạm Huy Quang Sắt và hợp chất • Fe 2 O 3 có tính oxi hóa yếu :tác dụng được với các chất khử như Al, H 2 ,CO, ở nhiệt độ cao. Fe 2 O 3 +2Al 2Fe +Al 2 O 3 Fe 2 O 3 Fe 3 O 4 FeO Fe • Fe 2 O 3 có sẵn trong thiên nhiên dưới dạng quặng hematit, Fe 2 O 3 được điều chế bằng cách nhiệt phân Fe(OH) 3 : 2Fe(OH) 3 Fe 2 O 3 +3H 2 0 2. Sắt (III) Hidroxit: Fe(OH) 3 • Fe(OH) 3 kết tủa màu nâu đỏ, không tan trong nước và có tính lưỡng tính: tan dễ trong dung dịch axit và tan được trong dung dịch kiềm đặc nóng hoặc Na 2 CO 3 hay K 2 CO 3 nóng chảy: Fe(OH) 3 + 3HCl FeCl 3 + 3H 2 O Fe(OH) 3 + NaOH(đ) NaFeO 2 + 2H 2 O 2Fe(OH) 3 + K 2 CO 3 2K 2 FeO 2 + CO 2 + 3H 2 O • Fe(OH) 3 được điều chế bằng cách cho muối sắt (III) phản ứng với dung dịch kiềm: Fe 3+ + 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 .6H 2 O, Fe 2 (SO 4 ) 3 .9H 2 O,… • Muối Sắt (III) dễ bị thủy phân tương tự muối Nhôm (III) và muối Crom (III): Fe 3+ + H 2 O Fe(OH) 2+ + H + Fe(OH) 2+ + H 2 O Fe(OH) 2 + + H + Fe(OH) 2 + + H 2 O 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. • Dung dịch muối Fe 2 (CO 3 ) 3 không tồn tại do bị thủy phân: 0935 984 375 Trang 9 t o nc CO CO CO t o t o nc Phạm Huy Quang Sắt và hợp chất Fe 2 (CO 3 ) 3 + 3H 2 O 2Fe(OH) 3 + 3CO 2 • Muối sắt (III) thể hiện tính oxy hóa: 2FeCl 3 + Fe 3FeCl 2 3FeCl 3 + Cu FeCl2 + CuCl 2 2FeCl 3 + 2KI 2FeCl 2 + I 2 + 2KCl 2FeCl 3 + H 2 S 2FeCl 2 + S + 2HCl • Nhận biết muối sắt (III) nhờ tác dụng với dung dịch muối kali hoặc muối amoni sunfoxianua (KSCN, NH 4 SCN) để tạo muối sắt (III) sunfoxianua màu đỏ máu: FeCl 3 + 3KSCN Fe(SCN) 3 + 3KCl • Đối với Fe 2+ và Fe 3+ thì có thể nhận biết qua phức xyanua: Fe 2+ + 6CN - [Fe(CN) 6 ] 4- Fe 4 [Fe(CN) 6 ] 3 Feroxianua xanh Prusse Fe 3+ + 6CN - [Fe(CN) 6 ] 3- Fe 3 [Fe(CN) 6 ] 2 Feroxianua xanh Turn bull • Các muối Fe 3+ được điều chế bằng cách oxi hóa các muối sắt (II) hoặc sắt (II) hiddroxxit bằng các axit tương ứng: 3Fe(OH) 2 + 10HNO 3 3Fe(NO 3 ) 3 + NO + 8H 2 O 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) • Điều chế: Oxi hóa Fe(OH) 3 hoặc Fe 2 O 3 trong môi trường kiềm mạnh Fe 2 O 3 + 3KNO 3 + 4KOH 2K 2 FeO4 + 3KNO 2 + 2H 2 O 2Fe(OH) 3 + 3Br 2 + 10KOH 2K 2 FeO 4 + 6KBr + 8H 2 O (sắt tetraoxoferat) • Hợp chất sắt (VI) màu đỏ, không bền, khi đun nóng nhẹ bị phân hủy giải phóng oxi: 4K 2 FeO 4 4K 2 FeO 2 + 2K 2 O + 3O 2 (kali ferit) • Thể hiện tính oxi hóa mạnh: 2K 2 FeO 4 + 2NH 3 2K 2 FeO 2 + N 2 + 2KOH + 2H 2 O 0935 984 375 Trang 10 Fe +3 Fe +3 t o nc t o [...]...Phạm Huy Quang • • Sắt và hợp chất 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 đây đã có thong báo về việc điều chế được sắt tetraoxit FeO4 là hợp chất tương tự OsO4 Oxit FeO4 được tạo nên khi đun nóng ferat trong dung dịch kiềm . Phạm Huy Quang Sắt và hợp chất Phạm Huy Quang Bài Giảng SẮT VÀ HỢP CHẤT CỦA SẮT 0935 984 375 Trang 1 Fe 26 56 Phạm Huy Quang Sắt và hợp chất A. SẮT – Cấu tạo và tính chất Cần. Đồng và Nhôm). Sắt có tính dẻo, dễ dát mỏng và kéo sợi. 4. Là chất sắt từ, dễ bị nam châm hóa nên được dùng làm lõi của động cơ điện 5. Hợp chất sắt (II) có màu lục lục nhạt, muối sắt (III) có. Trang 2 t o t o Phạm Huy Quang Sắt và hợp chất Fe + S FeS 11. Sắt chỉ phản ứng với nước ở nhiệt độ cao: Fe + H 2 O FeO + H 2 3Fe +4H 2 O Fe 3 O 4 + 4H 2 12. Sắt có tác dụng với HCl và H2SO4