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

Sự biến đổi các số oxi hóa của Sắt là dạng phản ứng mà học sinh thường rất lúngtúng khi xét các trường hợp xảy ra.. Vì vậy tôi đã tập trung tìm hiểu các dạng bài tập về Sắt và hợp chất,

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

ĐỀ TÀI:

“BÀI TẬP VỀ SẮT VÀ HỢP CHẤT CỦA SẮT TRONG CHƯƠNG

TRÌNH THPT”

A Đặt vân đê

I Lý do chọn đê tài

Giúp học sinh nắm vững kiến thức hoá học, biết khai thác, vận dụng để giải quyết cácvấn đề gặp phải trong thực tiễn cũng như trong khi học tập bộ môn là nhiệm vụ thườngxuyên và quan trọng trong quá trình giảng dạy môn hoá ở bậc phổ thông trung học Bêncạnh việc khắc sâu kiến thức, nó còn giúp học sinh tiếp cận với quy luật tự nhiên và thựctiễn khách quan, có cách nhìn khoa học hơn để nhận biết sự việc, hiên tượng

Nhằm mục đích này, đồng thời để giúp học sinh có thể tự nghiên cứu, tự học tập và ápdụng cho những trường hợp khác, khi giảng dạy cả ở những giờ chính khoá cũng như bồidưỡng học sinh khá, giỏi, tôi đã tìm hiểu các dạng bài tập thường gây khó khăn cho họcsinh 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 chấtcủa sắt là phần kiến thức rất phong phú, đa dạng Bài tập về sắt là một phần quan trọngtrong 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 cónhiều số oxi hoá Bài tập về sắt thường xuyên gặp phải các trường hợp biến đổi giữa 3 sốoxi hoá Sự biến đổi các số oxi hóa của Sắt là dạng phản ứng mà học sinh thường rất lúngtúng 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 nhómbài tập phổ biến thường gặp trong chương trình học cũng như trong các đề thi, hệ thốnglại 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 họcsinh 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 sailầm 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 dạngbài 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 họcbậc 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 Hoáhọc, các đề thi tuyển sinh

Hệ thống, sắp xếp các dạng bài tập theo đặc điểm chung, đưa ra cách giải chung cho từngdạng

B Giải quyết vấn đê

Fe Fe 2+ Fe 3+

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 cácdạng bài toán do có nhiều số oxi hóa, sự biến đổi các số oxi hóa phong phú, đa dạngkhiến 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) hoặctạo 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 :

- Phản ứng của dung dịch muối Fe3+ với các kim loại từ Mg đến Zn

- Phản ứng khử Fe2O3 bằng các chất khử như C, CO, H2, Al

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 chấtsắt (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 Flo đến Brom, dungdịch HNO3, H2SO4 đặc nóng, Hg(NO3)2, AgNO3)

- 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 oxihoá mạnh, thể hiện tính oxi hoá khi gặp chất khử mạnh

1.3.2- Các phản ứng thường gặp

1.3.2.1- Phản ứng thể hiện tính khử của Fe2+ với chất có tính oxi hoá mạnh:

Dung dịch HNO3, H2SO4 đặc nóng, Hg(NO3)2, AgNO3; F2, Cl2, Br2 ; (H2O + O2)

1.3.2.2- Phản ứng thể hiện tính oxi hoá của hợp chất Fe2+ với các chất khử mạnh: Kimloại mạnh, CO, C, H2,

Các trường hợp phản ứng trên được sử dụng, phân loại theo nhiều cách, tuỳ thuộc nguyêntắc phân chia và mục đích vận dụng trong các dạng bài tập Có thể phân loại theo cáccách cơ bản sau:

2- Phân loại bài tập vê sắt và hợp chất của sắt:

2.1- Bài toán về phản ứng của Fe với dung dịch các chất có tính oxi hoá mạnh (HNO3,

H2SO4 đặc nóng, AgNO3)

2.2- Bài toán về phản ứng của dung dịch muối Fe3+ với các kim loại từ 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 vê 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 của Fe với H2SO4 đặc nóng được xét tương tự như trên

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:

Fe + 2AgNO3  → Fe(NO3)2 + 2Ag

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

AgNO3 + Fe(NO3)2  → Fe(NO3)3 + Ag

Đặc điểm bài toán:

Khi sắt tác dụng với dung dịch chất có tính oxi hoá mạnh, sản phẩm thu được cóthể 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 muối Fe3+,đầu tiên không có chất rắn thoát ra do:

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

4.3- Phản ứng của Fe với O 2

Khi cho Fe tác dụng với O2, hỗn hợp thu được có thể gồm 4 chất

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

Phản ứng:

3Fe2O3 + CO  → 2Fe3O4 + CO2

Fe3O4 + CO  → 3FeO + CO2

FeO + CO  → Fe + 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

Fe2O3 + 6HCl  → 2FeCl3 + 3H2O

Fe3O4 + 8HCl  → 2FeCl3 + FeCl2+ 4H2O

- Nếu có chất rắn dư, chắc chắn sẽ có phản ứng của Fe với Fe3+.

- Nếu chất rắn tan hết, tùy yêu cầu của đề: Nếu đề cho tính ôxi hóa của Fe3+ mạnhhơn của H+ hoặc tính khử của hydro mới sinh mạnh hơn của Fe2+ thì có phản ứng của Fevới Fe3+

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

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

AgNO3 + Fe(NO3)2  → Fe(NO3)3 + Ag

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 42,8gam muối khan Nung lượng muối khan ở nhiệt độ cao trong điều kiện không có khôngkhí 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:

Khi Fe phản ứng với H2SO4 thu được khí A , A có thể là H2 hoặc SO2

Nếu A là H 2 , phản ứng tạo FeSO 4 :

Fe + H2SO4  → FeSO4 + H2 (*)

a b

Theo phản ứng (*): 11

4 2

=

=

a

a n

n SO H

Fe

; Theo đề: 26,5

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

Theo phản ứng (**): 3 31

4 2

=

=

a

a n

n SO H

Fe

Theo đề: 26,5

4 2

=

=

b

a n

n

SO H

Có thể coi như một phần Fe tác dụng tạo thành x mol Fe2(SO4)3 :

2Fe + 6H2SO4  → Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O (1)

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.

Muối gồm 0,05 mol Fe2(SO4)3 và 0,15 mol FeSO4 khi nung trong không khí:

2Fe2(SO4)3  → 2Fe2O3 + 6SO2 + 3O2 (3)

1125 , 0 3 , 0 (

32 1125 , 0 64 3 , 0

= +

+

=

KK B

Ta có: nAl = 2,7:27 = 0,1 mol; nFe= 5,6:56 = 0,1 mol; n AgNO3= 0,55 mol

Al + 3AgNO3 → Al(NO3)3 + 3Ag

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 năngphản 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 Y chứa

FeCl3 Xác định các phản ứng có thể xảy ra

Lưu ý: Ta có thể có các trường hợp

- Chỉ có Al tác dụng với FeCl3, có 1 bước phản ứng, tạo Fe2+

- Chỉ có Al tác dụng với FeCl3, có 2 bước phản ứng, tạo Fe2+ và Fe

- Có Al và Zn tác dụng với FeCl3, có 1 bước phản ứng, tạo Fe2+

- Có Al và Zn tác dụng với FeCl3, có 2 bước phản ứng, tạo Fe2+ và Fe, 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 dịch HNO3loãng, đun nóng và khuấy đều Sau khi phản ứng xảy ra hoàn toàn 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

2 Tính nồng độ mol/l của dung dịch HNO3

3 Tính khối lượng muối trong dung dịch Y

24 ,

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 ( 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 với 500 ml dung dịchFeCl3 0,4M thu được chất rắn Y Tính khối lượng Y

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

Chất rắn Y chỉ gồm 0,05 mol Fe m Y = 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 toànhỗn 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

Để VddHNO3 nhỏ nhất thì 1 phần Cu sẽ phản ứng với Fe(NO3)3

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

⇒ n HNO3 = 0,6 + 0,2 = 0,8 (mol) ⇒ VHNO3 = 0,8 : 1 = 0,8(l)

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 bản thân Fe3+ là chất oxi hóamạnh Với dạng bài tập này, cần chú ý khả năng phản ứng tạo sắt (II) hay sắt đơn chất tùythuộc tỉ lệ mol giữa các chất được lấy

5.3- Bài toán xác định ôxit của sắt

- Nếu y x =43  FexOy là: Fe3O4

- Nếu oxit sắt (FexOy) tác dụng với H2SO4 đặc, HNO3 đặc không giải phóng 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 kiệntiêu chuẩn) tạo thành một ôxit sắt Xác định công thức phân tử của oxit đó

SO2 nhiều gấp 9 lần lượng khí SO2 ở 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

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

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

5.4- Bài toán vê 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, cácyêu cầu của đề thường không đòi hỏi tính thành phần của các chất trong hỗn hợp mà tính

56 16

my

m+ n

khối lượng hỗn hợp, khối lượng sắt, số mol chất oxi hóa, số mol sản phẩm khử khi hỗnhợp 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 oxit sắt Hòa

tan hoàn toàn (A) trong dung dịch HNO3 thu được 0,035 mol hỗn hợp (Y) gồm NO và

NO2 Tỷ khối hơi của Y đối với H2 là 19 Tính x

=



 =



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

Quá trình ôxi hóa:

Fe - 3e  → Fe+3

x 3x

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 chấthay 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 trongtính 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 bìnhthường và kết quả cuối cùng vẫn thoả mãn

- Khi quy đổi hỗn hợp X về một chất FexOy thì oxit FexOy tìm được chỉ là oxit giả địnhkhông có thực

Ví dụ 2: Nung 8,4 gam Fe trong không khí sau phản ứng ta thu được m gam chất rắn X

gồm Fe, FeO, Fe3O4, Fe2O3 Hoà tan m gam hỗn hợp X trong dưng dịch HNO3 dư thuđược 2,24 lít khí NO2 (điều kiện tiêu chuẩn) là sản phẩm khử duy nhất Tính giá trị củam?

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

FeO + 4HNO3 Fe(NO3)3 + NO2 + 2H2O (1)

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