Kinh nghiệm dạy Bài tập về Sắt và hợp chất của Sắt

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 d

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

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

Fe Fe 2+ Fe 3+

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

1.2.1- 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

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

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

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

Mg + Fe2+  → Mg2+ + Fe

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

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 SO 2 , 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)

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)

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

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;

3 AgNO

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

24 ,

Từ kết quả trên ta tính được: C M(HNO3) = 3,2M ; m Fe ( NO) 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

= +

15 , 0

7 , 7 65 24

y x

y x

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

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

5.3.2- 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

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

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

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

2(563m my+16 )nTheo đề bài ta có: 2(563m my+16 )n = 92(56y m(3m−+16 )2 )n n

5.4- Bài toán về hỗn hợp sắt và các oxit của sắt

5.4.1- Đặc điểm bài toán:

my

m+ n

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

z t

=



 =



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

Quá trình ôxi hóa:

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

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  → xFe(NO3)3 + (3x–2y)NO2 + (3x–y)H2O

Bài giải

Xác định công thức phân tử của A:

7

3 2

16 =

M

Gọi công thức phân tử của A là M2On ta có: ⇒ M =

Chất rắn thu được gồm Fe, FeO, Fe3O4 và Fe2O3

Fe2O3 + 6HNO3  → 2Fe(NO3)3 + 3H2O (4) 3Fe3O4 + 28HNO3  → 9Fe(NO3)3 + NO + 14H2O (5) 3FeO + 10HNO3  → 3Fe(NO3)3 + NO + 5H2O (6)

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

này số electron được bảo toàn Vì vậy a = b

448 , 0

O -2 - 2e = O

Số mol O-2 bị khử: nO-2 = 0,5 ne = 0,5.0,06 = 0,03

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 Fe2O3 nung nóng

Trong trường hợp này xét quá trình đầu và cuối ta thấy chất nhường e

195 , 0 2 3

44 , 10 16 56

y x

y x

Giải hệ trên ta có x = 0,15 và y = 0,1275

Như vậy nFe = 0,15 mol nên n Fe O2 3 = 0, 075mol⇒ m = 12 gam

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, Fe2O3, Fe3O4 bằng dd

sau phản ứng thu được 145,2 gam muối khan Tính m

Ví dụ 2: Cho hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe3O4 có khối lượng 4,04g phản ứng

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:

0,045 0,15 0,015

⇒ mFeO= 0,015 x 72 = 3,24(g); ⇒ mFe O 2 3= 0,8(g); ⇒ nFe O 2 3= 0,005 mol

Fe2O3 + 6HNO3 → 2Fe(NO3)3 + 3H2O

0,005 0,03

⇒ Tổng số mol HNO3 = 0,08 mol

Nhận xét:

Bài toán về sắt và các ôxit của sắt thường không yêu cầu, không có dữ kiện để tính trực tiếp số mol các chất trong hỗn hợp, chỉ dựa trên khả năng phản ứng của toàn hỗn hợp và số mol sản phẩm Nếu đặt ẩn số là số mol các chất thành phần để tính thì việc giải bài toán sẽ rất khó khăn

Để giải các bài toán về sắt và oxit của sắt có thể sử dụng các phương pháp: phương pháp bảo toàn electron, phương pháp bảo toàn số mol nguyên

tử các nguyên tố, phương pháp quy đổi … Các phương pháp trên được sử dụng linh hoạt

5.5- Bài toán về phản ứng của hợp chất sắt (II).

Ví dụ 1:

dung dịch HCl 3M thu được dung dịch B và 11,2 lít (ở điều kiện tiêu chuẩn)

kết tủa khỏi dung dịch rồi them dung dịch NaOH dư vào phần nước lọc thu được 5,0 gam kết tủa Để trung hòa axit dư trong dung dịch B cần dùng 700

ml dung dịch NaOH 2M

1- Xác định tên kim loại M

E Cho dung dịch KOH dư vào dung dịch E thu được kết tủa X Nung X trong không khí đến khối lượng không đổi thấy khối lượng giảm đi 17% so với trước khi nung Tính nồng độ mol/l của các chất trong dung dịch E

Bài giải: