Phương pháp giải bài tập phản ứng tạo hỗn hợp muối sắt

Chuyên đề: Phương pháp giải bài tập phản ứng tạo hỗn hợp muối sắtNêu phương pháp các dạng bài tập phản ứng tạo hỗn hợp muối sắt, chuyên đề dùng để bồi dưỡng học sinh giỏi môn hóa các lớp 8;9 trung học cơ sở; trong chuyên đề có một số bài tập có kết hợp dữ kiện bài toán với các định luật bảo toàn để lập hệ phương trình.

THÔNG TIN CHUNG VỀ CHUYÊN ĐỀ

1 Tên chuyên đề: “Phương pháp giải bài tập phản ứng tạo hỗn hợp muối sắt”

2 Tác giả:

- Họ và tên: Đoàn Mạnh Hùng

- Chức vụ: Giáo viên

- Đơn vị công tác: Trường THCS Tam Dương – Tam Dương – Vĩnh Phúc

3 Đối tượng học sinh bồi dưỡng:

- Học sinh giỏi lớp 9 tham gia kì thi HSG cấp huyện và cấp tỉnh

4 Thời gian bồi dưỡng: 8 tiết

NỘI DUNG CHUYÊN ĐỀ

PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP PHẢN ỨNG TẠO HỖN HỢP MUỐI SẮT Dạng 1: Hỗn hợp muối sắt được tạo ra từ phản ứng của các dung dịch HCl, H 2 SO 4

loãng

I Phương pháp

- Hỗn hợp 3 oxit FeO, Fe2O3 và Fe3O4 khi tác dụng với dung dịch HCl hoặc H2SO4

loãng có thể xem tương đương hỗn hợp gồm 2 oxit là FeO và Fe2O3 Đặc biệt nếu hỗn hợp này có

2 3 FeO Fe O

n n (hoặc hỗn hợp 3 oxit này tác dụng với dung dịch HCl hoặc

H2SO4 loãng tạo thành dung dịch có nFe 3  2nFe 2  ) thì có thể xem hỗn hợp tương

đương chỉ là một oxit Fe3O4

- Đối với một số bài tập khác có thể kết hợp dữ kiện bài toán với các định luật bảo toàn

để lập hệ phương trình Giải hệ phương trình ta sẽ giải quyết được yêu cầu của bài toán

II Các ví dụ minh họa

Ví dụ 1: Hòa tan hết 57,6 gam hỗn hợp rắn X gồm FeO; Fe2O3 và Fe3O4 bằng dung dịch

H2SO4 loãng được dung dịch chứa m gam FeSO4 và 90 gam Fe2(SO4)3 Tính m

Giải:

X tương đương với

2 3 2 4 3

2 3 Fe O Fe (SO )

FeO

90

400

57, 6 160.0, 225

72





Vậy n n 0, 3(mol) m 0, 3.15245, 6 gam

Nhận xét:

Bài toán giải nhanh nhờ cách chuyển hỗn hợp X về hỗn hợp tương đương chỉ gồm 2 oxit FeO và Fe2O3, trong đó đã biết tổng khối lượng hỗn hợp X và khối lượng của muối Fe2(SO4)3 sau phản ứng, từ đó tính được m (khối lượng của muối FeSO4) một cách dễ dàng

Nếu không xem hỗn hợp X tương đương với hỗn hợp chỉ gồm 2 oxit FeO và

Fe2O3, ta có thể giải bài toán trên bằng phương pháp ghép ẩn số như sau:

Gọi a, b, c lần lượt là số mol của FeO; Fe2O3 và Fe3O4 trong 57,6 gam hỗn hợp X Khi đó: 72a + 160b + 232c = 57,6 (I)

FeO + H2SO4   FeSO4 + H2O

a a (mol)

Fe2O3 + 3H2SO4   Fe2(SO4)3 + 3H2O

b b (mol)

Fe3O4 + 4H2SO4   FeSO4 + Fe2(SO4)3 + 4H2O

c c c (mol)

 b + c = 90 0, 225

Từ (I)  72a + 72c + 160b + 160c = 57,6

 72(a + c) + 160(b + c) = 57,6 (III)

Thay (II) vào (III)  72(a + c) + 160.0,225 = 57,6  a + c = 0,3

Từ đó: m = mFeSO4= 152(a + c) = 152.0,3 = 45,6 gam

Ví dụ 2: Cho 13,68 gam hỗn hợp gồm FeO; Fe2O3 và Fe3O4 tác dụng với dung dịch HCl

dư Sau khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn thu được dung dịch Y, cô cạn dung dịch Y được 11,43 gam FeCl2 và m gam FeCl3 Tính m

Giải:

Hỗn hợp đã cho tương đương với

2

2 3

FeO FeCl

2 3 Fe O

11, 43

127

13, 68 72.0, 09

160





Vậy

FeCl Fe O

n 2n 2.0, 0450, 09 (mol) m 0, 09.162, 514, 625 gam

Nhận xét:

Bài toán giải nhanh nhờ cách chuyển hỗn hợp X về hỗn hợp tương đương chỉ gồm 2 oxit FeO và Fe , trong đó đã biết tổng khối lượng hỗn hợp và khối lượng của

muối FeCl2 sau phản ứng, từ đó tính được m (khối lượng của muối FeCl3) một cách dễ dàng

Nếu không xem hỗn hợp X tương đương với hỗn hợp chỉ gồm 2 oxit FeO và

Fe2O3, ta có thể giải bài toán trên bằng phương pháp ghép ẩn số như sau:

Gọi a, b, c lần lượt là số mol của FeO; Fe2O3 và Fe3O4 trong 13,68 gam hỗn hợp Khi đó: 72a + 160b + 232c = 13,68 (I)

FeO + 2HCl   FeCl2 + H2O

a a (mol)

Fe2O3 + 6HCl   2FeCl3 + 3H2O

b 2b (mol)

Fe3O4 + 8HCl   FeCl2 + 2FeCl3 + 4H2O

c c 2c (mol)

 a + c = 11, 43 0, 09

Từ (I)  72a + 72c + 160b + 160c = 13,68

 72(a + c) + 160(b + c) = 13,68 (III)

Thay (II) vào (III)  72.0,09 + 160(b + c) = 13,68 b + c = 0,045

Từ đó: m = mFeCl3  162,5(2b + 2c) = 162,5.2.0,045 = 14,625 gam

Ví dụ 3: Để hòa tan hết 2,32 gam hỗn hợp gồm FeO; Fe2O3 và Fe3O4 (trong đó số mol FeO bằng số mol Fe2O3), cần dùng vừa đủ V lít dung dịch HCl 1M Tính V

Giải:

Vì nFeO nFe O2 3 nên hỗn hợp tương đương chỉ là một oxit Fe3O4

2, 32

 nH  2nO 2  0, 08(mol) nHCl nH 0, 08(mol)

Vậy V = 0,08 (lít)

(Hoặc: Fe3O4 + 8HCl   FeCl2 + 2FeCl3 + 4H2O

0,01 0,08 (mol)

 V = 0, 08

1 = 0,08 (lít.))

Nhận xét:

Bài toán có thể giải bằng cách khác như sau:

Đặt nFeO nFe O2 3 x (mol); nFe O3 4 y (mol)

Khi đó: 72x + 160x + 232y = 2,32  232x + 232y = 2,32  x + y = 0,01 (I)

FeO + 2HCl   FeCl2 + H2O

x 2x (mol)

Fe2O3 + 6HCl   2FeCl3 + 3H2O

x 6x (mol)

Fe3O4 + 8HCl   FeCl2 + 2FeCl3 + 4H2O

y 8y (mol)

Tổng số mol HCl cần dùng: nHCl 2x 6x 8y 8(x   y) (II)

Thay (I) vào (II)  nHCl 8(xy)8.0, 01 0, 08(mol)

Vậy V = 0, 08

1 = 0,08 (lít)

Ví dụ 4: Cho m gam hỗn hợp X gồm FeO; Fe2O3 và Fe3O4 vào một lượng vừa đủ dung dịch HCl 2M, thu được dung dịch Y có tỉ lệ số mol FeCl2 và FeCl3 là 1:2 Chia dung dịch Y thành hai phần bằng nhau Cô cạn phần một thu được m1 gam muối khan Sục khí clo dư vào phần hai, cô cạn dung dịch sau phản ứng thu được m2 gam muối khan Biết m2 – m1 = 0,71 Tính thể tích dung dịch HCl đã dùng

Giải:

Vì dung dịch thu được có tỉ lệ số mol FeCl2 và FeCl3 là 1:2 nên hỗn hợp X tương đương chỉ là một oxit Fe3O4 (a mol)

Fe3O4 + 8HCl   FeCl2 + 2FeCl3 + 4H2O

a 8a a 2a (mol)

 m1 gam muối khan là hỗn hợp gồm 0,5a mol FeCl2 và a mol FeCl3

2FeCl2 + Cl2   2FeCl3

0,5a 0,5a (mol)

 m2 gam muối khan là 0,5a + a = 1,5a mol FeCl3

Do đó: 162,5.1,5a – (127.0,5a + 162,5a) = 0,71  a = 0,04

 nHCl = 8a = 0,32 mol  V 0, 32 0,16 (lít) 160 ml

2

Nhận xét:

- Bài toán được giải nhanh nhờ nhận xét tỉ lệ số mol FeCl2 và FeCl3 là 1:2, từ đó hỗn hợp X được xem tương đương chỉ là một oxit Fe3O4

- Bài toán có thể giải bằng cách khác như sau:

Gọi x, y, z lần lượt là số mol của FeO; Fe2O3 và Fe3O4 trong m gam hỗn hợp Khi đó:

FeO + 2HCl   FeCl2 + H2O

x 2x x (mol)

Fe2O3 + 6HCl   2FeCl3 + 3H2O

y 6y 2y (mol)

Fe3O4 + 8HCl   FeCl2 + 2FeCl3 + 4H2O

z 8z z 2z (mol)

Theo đề bài ta có: 2(y + z) = 2(x + z)  y = x (I)

 m1 gam muối khan là hỗn hợp gồm 0,5(x + z) mol FeCl2 và (y + z) mol FeCl3

2FeCl2 + Cl2   2FeCl3

0,5(x + z) 0,5(x + z) (mol)

 m2 gam muối khan là 0,5(x + z) + (y + z) mol FeCl3

Do đó: 162,5 [0,5(x + z) + (y + z)] – [127 0,5(x + z) + 162,5(y + z)]= 0,71 (II) Thay (I) vào (II)  162,5 [0,5(x + z) + (x + z)] – [127 0,5(x + z) + 162,5(x + z)]= 0,71

 x + z = 0,04

 nHCl = 2x + 6y + 8z = 8(x + z) = 8.0,04 = 0,32 mol  V 0, 32 0,16 (lít) 160 ml

2

Ví dụ 5: (Chuyên Vĩnh phúc 2014-2015)

Oxi hóa 1,12 gam bột sắt thu được 1,36 gam hỗn hợp A gồm 4 chất rắn Hòa tan hết hỗn hợp A vào 100 ml dung dịch HCl vừa đủ thu được 168 ml H2 (đktc) Tính nồng độ mol của các chất có trong dung dịch sau phản ứng

Giải:

Fe

1,12

56

2 H

0,168

22, 4

Hỗn hợp A chứa Fe, FeO, Fe3O4, Fe2O3

Theo định luật bảo toàn khối lượng ta có:

2 O

m 1, 36 1,12 0, 24 (gam) 

2

O

0, 24

32

Fe + 2HCl   FeCl2 + H2 

FeO + 2HCl   FeCl2 + H2O

Fe2O3 + 6HCl   2FeCl3 + 3H2O

Fe3O4 + 8HCl   FeCl2 + 2FeCl3 + 4H2O Hòa tan hết hỗn hợp A vào dung dịch HCl vừa đủ thì dung dịch thu được sau phản ứng chứa 2 muối FeCl2 (x mol) và FeCl3 (y mol)

Các quá trình cho và nhận electron:

2

2

Theo định luật bảo toàn electron, ta có: 2x + 3y = 0,03 + 0,015 = 0,045 (I)

Theo định luật bảo toàn nguyên tố Fe, ta có: x + y = 0,02 (II)

Từ (I) và (II)  x = 0,015 và y = 0,005

Nồng độ mol của các chất có trong dung dịch sau phản ứng:

Nhận xét:

- Cách giải trên đã kết hợp định luật bảo toàn electron và bảo toàn nguyên tố để xác định số mol các muối trong dung dịch sau phản ứng Tuy nhiên ta có thể chuyển hỗn hợp các oxit sắt trong hỗn hợp A thành hỗn hợp chỉ chứa FeO, Fe2O3 và trình bày cách

giải bài toán như sau:

Hỗn hợp A chứa Fe, FeO, Fe3O4, Fe2O3

Fe + 2HCl   FeCl2 + H2 

Theo PTHH: nFe  nFeCl2  nH2  0, 0075 (mol)

 Khối lượng sắt đơn chất có trong A: mFe = 0,0075.56 = 0,42 gam

 Khối lượng hỗn hợp các oxit sắt FeO, Fe2O3, Fe3O4 trong A:

mhỗn hợp oxit = 1,36 – 0,42 = 0,94 gam

(phản ứng)

Hỗn hợp các oxit sắt tương đương với hỗn hợp chỉ chứa FeO (x mol) và Fe2O3 (y mol)

 72x + 160y = 0,94 (I)

Theo định luật BTNT sắt, ta có: x + 2y = 1,12 0, 42 0, 0125

56



Từ (I) và (II)  x = 0,0075 và y = 0,0025

 Dung dịch sau phản ứng chứa: n FeCl2  0, 0075  0, 0075 0, 015 (mol) 

nFeCl3  2nFe O2 3  2.0, 0025 0, 005 (mol) 

Dạng 2: Hỗn hợp muối sắt được tạo ra từ phản ứng của các dung dịch HNO 3 ,

H 2 SO 4 đặc, nóng

I Phương pháp

- Đặc điểm các bài toán thuộc dạng này là dung dịch HNO3 hoặc H2SO4 đặc, nóng không cho dư Khi đó xảy ra phản ứng: Fe + 2Fe3+   3Fe2+

- Điểm mấu chốt là cần lập luận để xác định trong dung dịch thu được chứa hỗn hợp các muối sắt

- Phương pháp thường được sử dụng là xét các trường hợp dung dịch thu được chỉ chứa một muối sắt, từ đó lập luận và tính toán dẫn đến mâu thuẫn với dữ kiện của bài toán 

dung dịch thu được phải chứa hỗn hợp các muối sắt

Áp dụng các định luật bảo toàn để xác định số mol mỗi muối có trong dung dịch:

+ Dựa vào định luật bảo toàn nguyên tố: “ Trong các phản ứng hóa học thông

thường, các nguyên tố luôn được bảo toàn”

Điều này có nghĩa là: “Tổng số mol nguyên tử của một nguyên tố X bất kỳ trước và sau

phản ứng là luôn bằng nhau”

+ Dựa vào định luật bảo toàn electron:

Trong phản ứng oxi hóa khử:  số electron nhường =  số electron nhận

 số mol electron nhường =  số mol electron nhận

II Các ví dụ minh họa

Ví dụ 1:

Cho 5,6 gam Fe vào dung dịch HNO3, sau khi phản ứng hoàn toàn thu được khí NO và

dung dịch A, cô cạn dung dịch A thu được 22,34 gam chất rắn khan B (B không chứa muối amoni)

Tính thể tích khí NO (đktc) thu được và số mol HNO3 đã phản ứng

Giải:

Fe

5, 6

56

 

- Nếu chỉ thu được muối Fe(NO3)3, ta có:

0,1 mol Fe  0,1 mol Fe(NO3)3  m = 0,1 242 = 24,2 (gam) > 22,34 (gam)

- Nếu chỉ thu được muối Fe(NO3)2, ta có:

0,1 mol Fe  0,1 mol Fe(NO3)2  m = 0,1.180 = 18 (gam) < 22,34 (gam)

Ta thấy: 18 (gam) < 22,34 (gam) < 24,2 (gam)

 B gồm hỗn hợp Fe(NO3)2 (x mol) và Fe(NO3)3 (y mol)

Ta có: 180x + 242y = 22,34 (I)

Theo định luật bảo toàn nguyên tố Fe, ta có: x + y = 0,1 (II)

Từ (I) và (II)  x = 0,03 và y = 0,07

- Sơ đồ cho – nhận electron:



 

 3a = 0,06 + 0,21a = nNO = 0,09 (mol) Thể tích NO (đktc) = 0,09.22,4 = 2,016 (lít)

Fe + 4HNO3   Fe(NO3)3 + NO + 2H2O

- Số mol HNO3 phản ứng = 4nNO = 0,36 (mol)

Nhận xét:

- Bài toán đã kết hợp dữ kiện của đề bài với định luật bảo toàn nguyên tố và bảo toàn electron để tìm số mol các muối trong dung dịch và số mol NO thu được sau phản ứng

- Ngoài ra, để tìm số mol HNO3 phản ứng ta có thể sử dụng định luật bảo toàn nguyên

tố Nitơ:

HNO N Fe( NO ) Fe( NO ) NO

Ví dụ 2: (HSG tỉnh Vĩnh Phúc 2010-2011)

Hòa tan hết 5,6 gam Fe trong dung dịch H2SO4 đặc, nóng thu được dung dịch A Thêm NaOH dư vào A thu được kết tủa B Nung B trong điều kiện không có oxi đến khối

lượng không đổi được chất rắn D còn nung B trong không khí đến khối lượng không đổi thu được chất rắn E Biết mE – mD = 0,48 gam Tính số mol mỗi chất trong A

Giải:

Fe

5, 6

56

 

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

- Nếu A chỉ có Fe2(SO4)3 thì B chỉ có Fe(OH)3  khi nung B trong điều kiện không có oxi và trong không khí đều thu được Fe2O3  mE = mD không phù hợp với giả thiết

Do đó A phải có FeSO4 do có phản ứng: Fe + Fe2(SO4)3 → 3FeSO4

- Nếu sau phản ứng trên mà cả Fe và Fe2(SO4)3 đều phản ứng hết thì A chỉ có FeSO4

Fe   FeSO4   Fe(OH)2   FeO 0,1 0,1 (mol)

Fe   FeSO4   Fe(OH)2   Fe2O3

0,1 0,05 (mol)

Khi đó: mD = 0,1.72 = 7,2 gam và mE = 0,05.160 = 8 gam

Dễ thấy: mE – mD = 0,8 gam  0,48 gam Vậy A phải chứa 2 muối FeSO4 và Fe2(SO4)3

- Đặt x, y lần lượt là số mol FeSO4 và Fe2(SO4)3 có trong A ta có:

0,1 mol Fe 4

2 4 3

FeSO : x mol

Fe (SO ) : y mol





- Áp dụng định luật bảo toàn nguyên tố Fe, ta có: x + 2y = 0,1 (I)

- Khi A + NaOH ta có:

FeSO4 + 2NaOH → Fe(OH)2↓ + Na2SO4

x x

Fe2(SO4)3 + 6NaOH → 2Fe(OH)3↓ + 3Na2SO4

y 2y

 Kết tủa B có: x mol Fe(OH)2 và 2y mol Fe(OH)3

- Khi nung B trong điều kiện không có oxi ta có:

Fe(OH)2

0

t

 FeO + H2O

x x

2Fe(OH)3

0

t

 Fe2O3 + 3H2O 2y y

 mD = 72x + 160y

- Khi nung B trong không khí ta có:

2Fe(OH)2 + 1

2 O2

0

t

 Fe2O3 + 2H2O

x 0,5x

2Fe(OH)3

0

t

 Fe2O3 + 3H2O 2y y

 mE = 80x + 160y

Theo đề bài: mE – mD = 0,48 gam  (80x+160y) – (72x+160y) = 0,48  x = 0,06 Thay x = 0,06 vào (I)  y = 0,02

Vậy A có 0,06 mol FeSO4 và 0,02 mol Fe2(SO4)3

Ví dụ 3: (HSG tỉnh Vĩnh Phúc 2012-2013)

Cho x (mol) Fe tác dụng vừa hết với dung dịch chứa y (mol) H2SO4 thu được khí A (nguyên chất) và dung dịch B chứa 8,28 gam muối Tính khối lượng Fe đã dùng Biết x

= 0,375y

Giải:

* TH1: H2SO4 loãng  khí A là H2

Fe + H2SO4   FeSO4 + H2  (1)

Theo đề bài: x 37,5 3

y  100  8 (*)

nhưng theo PTHH: x 1 3

y   1 8  loại

*TH2: H2SO4 đặc, nóng  khí A là SO2

2Fe + 6H2SO4 (đặc)  to Fe2(SO4)3 + 3SO2  + 3H2O (2)

y

3 y y

6 (mol)

theo phản ứng (2)  x 2 3

y   6 8  Fe dư

 xảy ra phản ứng: Fe + Fe2(SO4)3   3FeSO4

Ban đầu: (x y

3

 ) y

6 (mol)

Phản ứng: (x y

3

 ) (x y

3

 ) (3x – y) (mol)

Do x 3 x 3y x y 3y y y y

y    8 8    3 8   3 24  6  Fe hết, Fe2(SO4)3 dư

 dung dịch B gồm: (3x – y) mol FeSO4

y (x y) (y x) mol

Ta có: mmuối = 152(3x – y) + 400( y x

2  ) = 8,28 (**)

Giải (*) và (**) ta được: x = 0,045 mol; y = 0,12 mol

Vậy mFe = 0,045.56 = 2,52 gam

Ví dụ 4: (HSG tỉnh Vĩnh Phúc 2013-2014)

Để 2,52 gam bột sắt trong không khí, sau một thời gian thu được 2,84 gam hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe2O3, Fe3O4 Để hòa tan hết X cần 500 ml dung dịch HNO3 a (mol/l), sau phản ứng sinh ra 0,56 lít NO (sản phẩm khử duy nhất, đktc) và dung dịch Y Tính giá trị của a và khối lượng chất tan trong Y

Giải:

Ta có: nFe = 0,045 (mol); nNO = 0,025 (mol)

Theo ĐLBT khối lượng: mO2  2,84 2, 52   0, 32 (gam)

2 O

 

Giả sử dung dịch Y chỉ chứa muối Fe(NO3)3, áp dụng ĐLBT electron ta có:

2

Fe O NO

nhưng 3nFe = 0,045.3 = 0,135 (mol) > 4n O2  3n NO  4.0, 01 3.0, 025   0,115 (mol)

Giả sử dung dịch Y chỉ chứa muối Fe(NO3)2, áp dụng ĐLBT electron ta có:

2

2n  4n  3n

nhưng 2nFe = 0,045.2 = 0,09 (mol) < 4n O2  3n NO  4.0, 01 3.0, 025   0,115 (mol)

 dung dịch Y chứa 2 muối Fe(NO3)2 (x mol); Fe(NO3)3 (y mol) và HNO3 đã phản ứng hết

Theo ĐLBT nguyên tố Fe: x + y = 0,045 (I)

Theo ĐLBT electron:

2

3

Fe Fe + 2e

Fe Fe + 3e

















2 2

O + 4e 2O

0, 01 0, 04

0, 075 0, 025













