CHuyên đề 6 phương pháp giải toán hỗn hợp oxit sắt, sắt tác dụng với axit

Xác định công thức hóa học của oxit sắt và % khối lượng mỗi chất trong hỗn hợp A... 2.2-Dạng 2: Hỗn hợp Fe, oxit sắt tác dụng với axit oxi hóa mạnh HNO 3 , Tính: các đại lượng còn lại ho

Fe + 2Fe(NO3)3  3Fe(NO3)2

Fe + Fe2(SO4)3  3FeSO4

 Nếu Fe dư thì phản ứng giữa Fe với các Axit H2SO4 đặc hoặc HNO3, chỉ tạo

ra muối Fe2+:

3Fe dư + 8HNO3 loãng  3Fe(NO3)2 + 4H2O + 2NO 

Fedư + 4HNO3 đặc nóng  Fe(NO3)2 + 2H2O + 2NO2 

Fe dư + 2H2SO4 đặc nóng  FeSO4 + 2H2O + SO2 

 Nếu không biết kim loại Fe hay HNO3 (hoặc H2SO4 đặc) có dư hay không thì muối thu được có thể là muối Fe2+ hoặc muối Fe3+ hoặc cả 2 muối Fe2+ và Fe3+

 Các hợp chất FeO, Fe3O4, Fe(OH)2, muối Fe2+ bị oxi hóa trong HNO3hoặc

H2SO4 đặc tạo ra muối Fe3+ và các sản phẩm khử (NO2, NO, SO2) tương tự như Fe

4

Fe3O4 + 10HNO3 đặc nóng 3Fe(NO3)3 + 5H2O + NO2 

FeO + 4HNO3 đặc nóng Fe(NO3)3 + 2H2O + NO2 

2Fe(OH)2 + 4H2SO4 đặc nóng  Fe2(SO4)3 + 6H2O + SO2 

3Fe(NO3)2 + 4HNO3 loãng  3Fe(NO3)3 + 2H2O + NO 

2- Quy đổi trong giải toán hỗn hợp (Fe + oxit sắt) tác dụng với axit

 Sắt từ oxit (Fe3O4) được coi là hỗn tạp của 2 oxit: FeO và Fe2O3

 FeO + Fe2O3 (số mol hỗn hợp thay đổi)

 Khi tác dụng với axit có tính oxi hóa mạnh (HNO3, H2SO4 đặc): thường quy đổi về nguyên tố (Fe + O) hoặc hỗn hợp (Fe + Fe2O3) hoặc chất giả định FexOy 3mol FeO 1mol Fe + 1mol Fe2O3 (số mol hỗn hợp thay đổi)

3mol Fe3O4 1mol Fe + 4mol Fe2O3 (số mol hỗn hợp thay đổi)

2- Phân dạng bài tập và phương pháp giải (thường gặp)

2.1-Dạng 1: Hỗn hợp (Fe, oxit sắt) tác dụng axit thường (HCl, H 2 SO 4 loãng) a) Tổng quát:

Yêu cầu: Xác định lượng mỗi chất trong A (hoặc CTHH của oxit sắt) ?

Lưu ý: Có thể giải bài toán loại này theo bảo toàn mol nguyên tố hidro

 Bảo toàn mol H  H O H HX

n 2n 2n  nH O2 nO(oxit) nH O2

( 1)

Nếu phản ứng (I) tạo muối Fe3+

thì có thể có xảy ra phản ứng của Fe với Fe3+ (ít gặp)

c) Ví dụ minh họa:

Ví dụ 1: Hòa tan hoàn toàn 3,44 gam hỗn hợp A gồm Fe và một oxit sắt trong 150

ml dung dịch HCl 1M thu được dung dịch B và thoát ra 448 ml H2 (đktc) Để trung hòa lượng axit còn dư thì phải dùng hết 30 ml dung dịch Ba(OH)2 0,5M Xác định công thức hóa học của oxit sắt và % khối lượng mỗi chất trong hỗn hợp A



 mFe Ox y 3, 44 0, 02 56  2,32(gam)

Phân tích:

 Mấu chốt:

Để giải tốt bài toán này, ta cần chú ý một số thông tin sau đây:

6

-Phản ứng của Y với dung dịch NaOH: H 2 SO 4 tác dụng trước, nên khi kết tủa bắt đầu xuất hiện thì lượng kết tủa không đáng kể, phản ứng giữa NaOH với các muối Fe coi như chưa xảy ra

- Kết tủa lớn nhất khi toàn bộ lượng nguyên tố Fe chuyển hết vào trong hidroxit sắt Lúc này toàn bộ Na + của kiềm liên kết với nhóm SO 4 2- nên số mol NaOH gấp đôi tổng số mol SO 4 (hoặc bằng số mol H + trong axit ban đầu)

Đặt công thức chung của các muối Fe là Fe2(SO4)x

Fe2(SO4)x + 2xNaOH  2Fe(OH)x  + xNa2SO4

Lưu ý: Có thể sử dụng quy tắc hóa trị trong phản ứng trao đổi: "tích số mol và

hóa trị của ½ phân tử này bằng tích số mol và hóa trị của ½ phân tử kia" Kiến thức này ở cấp THPT gọi là bảo toàn điện tích

2.2-Dạng 2: Hỗn hợp (Fe, oxit sắt) tác dụng với axit oxi hóa mạnh (HNO 3 ,

Tính: các đại lượng còn lại (hoặc số mol axit phản ứng)

b) Phương pháp giải: (dưới đây là một số phương pháp thường dùng nhất)

 Cách 1: Bảo toàn mol nguyên tố và bảo toàn khối lượng

- Bước 1: Viết các phương trình hóa học xảy ra

- Bước 2: Bảo toàn số mol các nguyên tố

Gọi a là số mol Fe (nếu đề chưa cho biết giá trị của n1)

Thực hiện bảo toàn số mol các nguyên tố theo thứ tự: Fe  phi kim (S,N)  H

nFe( NO )3 3= nFe(ban đầu) = a (mol)

nHNO3(pư) = n (muối ) + N n (khí) N

= (3a + n2) (mol)

nH O2  ½ nHNO3= 3a n2

2

(mol)

Fe (SO )2 4 3

n =0,5nFe(ban đầu)= 0,5a

H SO2 4

n (pư) = n (muối ) + S n (khí) S = (1,5a + n2) (mol)

H O2

n  nH SO2 4= (1,5a + n2) (mol)

- Bước 3: Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng, giải tìm a

* Với axit HNO3:

 m1 + 98(1,5a + n2) = 200a + 18.(1,5a + n2) + n2.Mkhí  a = ?

- Bước 4: Tính toán, hoàn thành yêu cầu của đề bài

8

 Cách 2: Sử dụng Quy đổi hỗn hợp

- Bước 1: Viết đầy đủ các PTHH đốt cháy Fe trong O2

- Bước 2: Quy đổi rắn A thành 2 chất (Fe, Fe2O3) hoặc 1 chất giả định FexOy

(Đây là 2 cách quy đổi đơn giản và phù hợp với cấp THCS nhất)

 Nếu Quy đổi rắn A gồm (Fe, Fe 2 O 3 ):

Fe2O3 + HNO3 [hoặc H2SO4]  muối Fe2+ + H2O (1)

Fe + HNO3 [hoặc H2SO4 đặc] muối Fe3+ + H2O + SP khử (2)

 Nếu Quy đổi rắn A thành một chất giả định Fe x O y :

 mFe Ox y= m (thường đề cho biết A m hoặc biết A m ) O

Viết PTHH dạng tổng quát:

khíFexOy + Axit  muối Fe(III) + H2O + (3x-2y)SP khử

Phân tích hệ số giữa rắn A và sản phẩm khử (NO2,NO, SO2), ta có:

- Bước 1: Viết đầy đủ các phương trình phản ứng xảy ra

(Xem Fe3O4  (FeO và Fe2O3) để giảm bớt phương trình hóa học)

- Bước 2: Lập luận và áp dụng quy tắc hóa trị, như sau:

Xét cả quá trình thì Fe (hóa trị III) trao đổi hóa trị với O (hóa trị II) và khí NO (ht  ), hoặc NO3 2 (ht  ), hoặc SO1 2

ht

(  ) … 2

Theo quy tắc hóa trị ta có: nFe 3nO 2nkhí ht

Gọi a, b lần lượt là số mol Fe,O trong A

A

b ?56a 16b m

c) Ví dụ minh họa:

Ví dụ 3: Để một phôi bào Fe trong không khí sau một thời gian thu được 16,96

gam rắn A gồm sắt và các oxit của sắt Hòa tan hết A trong HNO3 dư thấy có 5,376 lít (đktc) hỗn hợp khí B gồm NO, NO2 có tỷ khối của B so với H2 bằng 19 Tính khối lượng của phôi bào Fe ban đầu

Fe

NOFeO

Nếu sử dụng cách 1 thì không cần tính số mol mỗi khí vì mỗi khí đều có chỉ số N bằng 1 nên số mol N trong hỗn hợp chính bằng số mol hỗn hợp khí

Khi viết phương trình hóa học ta có thể hợp thức lại theo tỷ lệ số mol 2 khí (hoặc đặt công thức chung của sản phẩm khử là NO x )

 2Fe2O3 (1) 3Fe + 2O2

0 t

 Fe3O4 (2) 2Fe + O2

0 t

 2FeO (3) Xem rắn A gồm Fe, FeO, Fe2O3

Fe2O3 + 6HNO3  2Fe(NO3)3 + 3H2O (4) 4FeO + 17HNO3  4Fe(NO3)3 + 7H2O + NO  + NO2  (5) 4Fe + 18HNO3  4Fe(NO3)3 + 9H2O + 3NO  + 3NO2  (6) Gọi x là số mol Fe ban đầu

Bảo toàn số mol Fe, N, H ta có:

nFe( NO )3 3= x (mol) ;

HNO3

n (pư) = (3x + 0,24) (mol)

 16,96 + 63(3x + 0,24) = 242x + 9(3x + 0,24) + 0,2438  x = 0,26 mol Vậy mFe(phôi bào) = 0,2656 = 14,56 gam

 Cách 2: Quy đổi về hỗn hợp A thành 2 chất bất kỳ

4Fe + 3O2

0 t

 2Fe2O3

3Fe + 2O2

0 t

 Fe3O4

2Fe + O2

0 t

 2FeO

Quy đổi A gồm: 2 3

Fe O : a(mol)Fe

m (phôi bào) = (0,04 + 0,12 + 2.0,05).56 = 14,56 gam

 Cách 3: Quy đổi về hỗn hợp A thành 1 chất giả định

Viết 3 PTHH của Fe tác dụng với O2 tạo thành FeO, Fe3O4, Fe2O3 (đánh số 1,2,3) Đặt công thức chung của rắn A là: FexOy

3FexOy + (12x–2y) HNO3  3xFe(NO3)3 + (6x–y)H2O + (3x – 2y) NO 

FexOy + (6x–2y) HNO3  xFe(NO3)3 + (3x–y)H2O + (3x – 2y) NO2 

Viết đầy đủ phương trình hóa học của các phản ứng

Xét cả quá trình: Fe(III) trao đổi hóa trị với O(II) và NO(   3), NO2 (   1)

Theo quy tắc hóa trị ta có: nFe 3 nO 2 nNO 3 nNO2 1

Gọi a,b lần lượt là số mol nguyên tố Fe và O trong hỗn hợp A

 Cách 5: Sử dụng ghép ẩn số

Viết các phản ứng oxi hóa sắt trong khí O2 (như các cách trên)

Đặt x, y, z lần lượt là số mol Fe2O3, FeO, Fe trong hỗn hợp A

 nFe(ban đầu) = (2x + y + z) mol

Fe2O3 + 6HNO3  2Fe(NO3)3 + 3H2O

x (mol)

4FeO + 17HNO3  4Fe(NO3)3 + 7H2O + NO  + NO2 

y  0,25y 0,25y (mol)

4Fe + 18HNO3  4Fe(NO3)3 + 9H2O + 3NO  + 3NO2 

Vậy mFe(ban đầu) = 0,2656 = 14,56 gam

 Cách 6: Tìm công thức của chất giả định

Đặt công thức chung của rắn A là: FexOy

3FexOy + (12x–2y) HNO3  3xFe(NO3)3 + (6x–y)H2O + (3x – 2y) NO 

FexOy + (6x–2y) HNO3  xFe(NO3)3 + (3x–y)H2O + (3x – 2y) NO2 

Vì

2 NO

NO

n n nên ta có sơ đồ hợp thức:

4FexOy  (3x–2y)NO + (3x–2y)NO2

Theo sơ đồ  4.(56x 16y) 16,96 x 26



Ngoài ra ta còn có thể giải bài toán trên bằng nhiều cách khác: Quy đổi tác

nhân oxi hóa (NO, NO 2 ) thành Oxi hoặc quy đổi hỗn hợp A thành 2 chất khác

( 2)

Nhân 8 vào PT số mol SP khử (hệ số phải nguyên, tối giản) rồi cộng PT khối lượng

+ BT mol kết hợp BTKL: Đặt Fe O

2 3

n  x BT nguyên tố Fe, S, H sau đó BTKL cho phản ứng giữa rắn A và H 2 SO 4 Cuối cùng xử lý phản ứng khử Fe 2 O 3 bằng CO: m + 28.nCO = 7,2 + 44.nCO

+ Sử dụng quy đổi: Quy A về Fe và Fe 2 O 3 hoặc quy về Fe x O y

+ Các cách khác: hoàn toàn áp dụng được như ví dụ 3 của chuyên đề này

 2Fe3O4 + CO2 (1)

Fe2O3 + CO

0 t

 2FeO + CO2 (2)

Fe2O3 + 3CO

0 t

 2Fe + 3CO2 (4) Xem rắn X gồm: FeO, Fe2O3, Fe dư

Fe2O3 + 3H2SO4 đặc

0 t

 Fe2(SO3)3 + 3H2O (5) 2FeO + 4H2SO4 đặc

0 t

 Fe2(SO4)3 + 4H2O + SO2  (6) 2Fe + 6H2SO4 đặc

0 t

 Fe2(SO4)3 + 6H2O + 3SO2  (7) Gọi x là số mol Fe2O3 ban đầu

Bảo toàn số mol Fe,S, H, ta có:

ph¶n øng

 7,2 + 98(3x+0,05) = 400x + 18(3x + 0,05) + 0,0564  x = 0,05 mol Vậy m = 0,05.160 = 8 gam

 Số mol O bị khử = số mol CO phản ứng = 0,05 mol

 m = 7,2 + 0,05.16 = 8 gam.(cách này chỉ nên dùng khi giải trắc nghiệm)

Cách 3: Quy đổi về một chất giả định kết hợp phân tích hệ số

Đặt công thức chung của X là FexOy

xFe2O3 + (3x – 2y)CO

0 t

 2FexOy + (3x – 2y) CO2  2FexOy + (6x–2y)H2SO4  xFe2(SO4)3 + (6x–2y)H2O + (3x–2y)SO2  Phân tích hệ số, ta có: nSO2 1,5nFenO

Lưu ý: Ở cách này nếu ta phân tích hệ số CO, SO 2 và Fe x O y trong 2 phản ứng thì

dễ dàng thấy được khi số mol Fe x O y ở 2 phản ứng bằng nhau thì số mol CO 2 và

Viết các PTHH xảy ra như cách 1

Xét cả quá trình thì Fe(III) trao đổi hóa tị với O (II) và SO2 ( = II) ht

Theo quy tắc hóa trị ta có: nFe 3 nO 2 nSO2  2

Gọi a,b lần lượt là số mol Fe, O trong hỗn hợp X

Ta có hệ phương trình: 3a 2b = 0,05 2 a= 0,1

56a + 16b = 7,2 b = 0,1

 Ngoài ra ta có thể giải bài toán trên theo các cách như ví dụ 1: Ghép ẩn, hoặc

quy đổi X theo hướng khác

Ví dụ 5: Đốt cháy 8,4 gam Fe trong khí O2 thu được hỗn hợp rắn A gồm (Fe, FeO,

Fe2O3, Fe3O4) Hòa tan hoàn toàn rắn A trong H2SO4 đặc, nóng dư thì thấy sinh ra 1,68 lít SO2 (duy nhất, ở 00C; 1,2atm) Tính khối lượng của rắn A và khối lượng muối sunfat tạo thành

Phân tích:

Điểm khó của bài toán nằm ở chỗ nhiệt độ và áp suất khác điều kiện tiệu chuẩn (0 o C, 1atm) Cần nhớ công thức tính số mol khí: n PV

 Thực hiện bảo toàn Fe, S, H như sơ đồ trên

 Để tính giá trị m ta thực hiện bảo toàn khối lượng:

 2FeO 3Fe + 2O2

0 t

 Fe3O44Fe + 3O2

0 t

 2Fe2O3Xem rắn A chỉ gồm Fe2O3, FeO, Fe dư

Fe2O3 + 3H2SO4 đặc

0 t

 Fe2(SO4)3 + 3H2O 2FeO + 4H2SO4 đặc

0 t

 Fe2(SO4)3 + 4H2O + SO2  2Fe + 6H2SO4 đặc

0 t

 Fe2(SO4)3 + 6H2O + 3SO2  Bảo toàn số mol Fe, S, H ta có:

Cách 2: Quy đổi hỗn hợp A về Fe, Fe 2 O 3

Viết 3 Phương trình hóa học của Fe với oxi (như cách 1)

 Fe2(SO4)3 + 3H2O

x  x(mol)

16

2Fe + 6H2SO4 đặc

0 t

 Fe2(SO4)3 + 6H2O + 3SO2  0,06 0,03 0,09 (mol)

Bảo toàn số mol Fe  2x + 0,06 = 0,15  x = 0,045 (mol)

m = 0,045160 + 0,0656 = 10,56 gam A

mFe (SO )2 4 3 (0, 045 0, 03) 400  30 (gam)

Cách 3: Quy đổi hỗn hợp A về 1 chất giả định Fe x O y

Viết 3 Phương trình hóa học của Fe với oxi (như cách 1)

Đặt công thức chung của hỗn hợp A là FexOy

2FexOy + (6x–2y)H2SO4  xFe2(SO4)3 + (6x–2y)H2O + (3x–2y)SO2 



  x 10

y  9 Công thức giả định của A: Fe10O9

Viết đầy đủ các phương trình hóa học (như cách 1)

Xét cả quá trình: Fe(III) trao đổi hóa trị với O (II) và SO2 ( ht 2)

Theo quy tắc hóa trị ta có: Fe O

 Lưu ý: Ngoài các cách trên, các em học sinh còn có thể sử dụng các cách khác

Ở đây thầy chỉ giới thiệu các cách giúp các em dễ tiếp cận và phù hợp với hình thức thi tự luận Nếu là bài tập trắc nghiệm thì cứ việc quy A thành Fe và O rồi sử dụng bảo toàn electron (như quy tắc hóa trị) là cách khuyên dùng

2.3- Dạng 3: Tìm công thức của oxit sắt khi cho hỗn hợp (1 kim loại và 1 oxit sắt) tác dụng với axit oxi hóa mạnh (HNO 3 , H 2 SO 4 đặc)

a) Tổng quát:

Hỏi: CTHH của oxit sắt ?

Cho biết: m1, m2, a(mol) khí ; kim loại M và hóa trị của nó

muối của M

m2 (gam) muối

hoặc H2SO4 đặc

b) Phương pháp giải và ví dụ minh họa:

Tương tự như dạng 2, đây là dạng toán có khá nhiều cách giải.Trong phạm vi của chuyên đề này, chúng tôi xin giới thiệu cùng bạn đọc một số cách sau:

 Cách 1: Kết hợp bảo toàn số mol nguyên tố và bảo toàn khối lượng

 Bước 1: Viết các phương trình hóa học của phản ứng xảy ra

 Bước 2: Thực hiện bảo toàn số mol và bảo toàn khối lượng

– Gọi n là số mol axit HNO3 (hoặc H2SO4) phản ứng

– Bảo toàn số mol H 

2 4 2

– Bảo toàn khối lượng ta có:

m1 + 98n = m2 + 18n + a.Mkhí  n = ? (Nếu axit là H 2 SO 4 đặc)

m1 + 63n = m2 + 9n + a.Mkhí  n = ? (Nếu axit là HNO 3)

– Bảo toàn nguyên tố phi kim (S hoặc N) và BTKL muối, ta có:

Gọi n1, n2 lần lượt là số mol muối M và muối Fe

2 1

y  n  Kết luận CTHH của oxit sắt

 Cách khác: Tương tự như dạng 2, các em có thể giải theo các cách sau:

+ Sử dụng đại số và quy tắc hóa trị: n nM  n 3Fe  nspk spk n 2O

+ Sử dụng đại số và quy đổi: Quy đổi hỗn hợp thành M, Fe, Fe2O3

(Giải hệ phương 3 ẩn của số mol M, Fe, Fe2O3)

+ Sử dụng đại số và phân tích hệ số hoặc đại số và ghép ẩn (xem ví dụ)

18

c) Các ví dụ minh họa

Ví dụ 6: Hòa tan hoàn toàn 36 gam hỗn hợp A gồm Cu và một oxit của sắt trong

dung dịch HNO3 đặc nóng dư, sau phản ứng hoàn toàn thu được 11,2 lít khí NO2

(đktc) và dung dịch chứa 110,2 gam hỗn hợp muối của 2 kim loại

Xác định công thức của oxit sắt và khối lượng của mỗi chất trong hỗn hợp A

Vận dụng các phương pháp đã nêu vào sơ đồ trên ta có các định hướng sau:

 Định hướng 1: Theo BT mol nguyên tố và BTKL

– BTKL  số mol HNO 3 phản ứng  số mol NO 3 trong muối

 Định hướng 2: Sử dụng quy tắc hóa trị

– Xét cả quá trình: Fe(III), Cu(II) trao đổi hóa trị với O(II) và NO 2 có độ lệch hóa trị là I  3nFe2nCu 2nO1nNO2

 gọi ẩn cho số mol của Fe, Cu, O trong hỗn hợp  hệ phương trình 3 ẩn

 Định hướng 3: Sử dụng phân tích hệ số

– Dựa theo các PTHH ta thấy: 1Cu  2NO 2 ; Fe x O y  (3x – 2y)NO 2

– Phân tích hệ số  hệ số NO 2 = 2hệ số Cu + 3hệ số Fe – 2hệ số O (oxit sắt) – Vì quan hệ của hệ số là quan hệ số mol nên  nNO2 2nCu 3nFe 2nO

 Định hướng 4: Sử dụng thuần đại số và ghép ẩn

– Gọi a,b lần lượt là số mol Cu và Fe x O y

 Lập hệ 3 phương trình với 3 ẩn là a, bx, by Giải tìm giá trị của a, bx, by

 Định hướng 5: Sử dụng quy đổi hỗn hợp

– Quy đổi A gồm: Cu, Fe, Fe 2 O 3

– Với hỗn hợp gồm 3 chất với 3 ẩn số mol là a, b, c ta đã biến bài toán trở nên đơn giản hơn rất nhiều, việc lập hệ phương trình và giải tìm nghiệm khá đơn giản

– Ở cách này ta cần chú ý: Fe Fe O2 3

Fe O2 3

n 2nx



Hướng dẫn:

Tính

NO2

n  0, 5 mol

 Cách 1: Kết hợp bảo toàn số mol nguyên tố và bảo toàn khối lượng

Cu + 4HNO3  Cu(NO3)2 + 2H2O + 2NO2 

FexOy + (6x – 2y)HNO3  xFe(NO3)3 + (3x – y)H2O + (3x – 2y)NO2  Gọi n là số mol HNO3 phản ứng  H O

2

n  0,5n(mol) Theo BTKL  36 + 63n = 110,2 + 0,5.46 + 18.0,5n  n = 1,8 mol

Gọi a, b lần lượt là số mol Cu(NO3)2 Fe(NO3)3

Bảo toàn mol N và BTKL muối  188a 242b 110, 2 a 0, 2

Viết các phương trình hóa học (như cách 1)

Xét cả quá trình: Fe (hóa trị III), Cu (hóa trị II) trao đổi với O (hóa trị II) và SO2

(có độ giảm hóa trị là II)

Theo quy tắc hóa trị ta có: Fe Cu O

20

 Cách 3: Sử dụng phân tích hệ số

Cu + 4HNO3  Cu(NO3)2 + 2H2O + 2NO2 

FexOy + (6x – 2y)HNO3  xFe(NO3)3 + (3x – y)H2O + (3x – 2y)NO2  Phân tích hệ số phản ứng  nNO2 2nCu 3nFe2nO

Gọi a,b,c lần lượt là số mol các nguyên tố Fe, Cu, O trong hỗn hợp A

Kết quả là ta lập được hệ phương trình giống như hệ phương trình ở cách 2

Quy đổi hỗn hợp A gồm: Fe2O3, Fe, Cu

Gọi a,b,c lần lượt là số mol các chất Fe2O3, Fe, Cu trong hỗn hợp

Nhận xét: Bài toán nhìn có vẻ phức tạp, tuy nhiên nếu ta hiểu bản chất phản ứng

và nắm vững các kỹ thuật bảo toàn, quy đổi, phân tích thì nó trở nên đơn giản

Ví dụ 7: Hòa tan hoàn toàn 15,6 gam hỗn hợp X gồm Mg và FexOy trong dung dịch H2SO4 đặc nóng, dư đến khi phản ứng xong thu được dung dịch Y và thoát ra 6,16 lít khí SO2 (đktc, sản phẩm khử duy nhất của S:VI) Cho dung dịch NaOH dư vào dung dịch B đến khi phản ứng hoàn toàn thì thu được 27,65 gam kết tủa Xác định công thức hóa học của FexOy

Phân tích:

Bài toán này có đôi chút khác với bài ở ví dụ 6: Ở ví dụ 6 cho biết tổng khối lượng muối và axit là HNO 3 Còn ở ví dụ 7 này đề cho biết khối lượng kết tủa nặng 27,6 gam Vì vậy kết tủa là Mg(OH) 2 và Fe(OH) 3 Bài toán kéo dài thêm một giai đoạn bằng 3 phản ứng hóa học của NaOH tác dụng lần lượt với H 2 SO 4 dư, MgSO 4

H2SO4 + 2NaOH  Na2SO4 + 2H2O (3)

MgSO4 +2NaOH  Na2SO4 + Mg(OH)2  (4)

Fe2(SO4)3 + 6NaOH  3Na2SO4 + 2Fe(OH)3  (5)

Gọi n là số mol SO4 trong muối  nOH(kÕt tña)  2n(mol)

Tăng giảm khối lượng  mmuèi 27,65 34n 96n(27,65 62n) gam Theo phản ứng (1,2)  H SO H O

n  n  (n  0, 275) mol Bảo toàn khối lượng, ta có:

y  0,15  1  Công thức của oxit sắt: FeO

 Nhận xét: Qua cách giải trên ta thấy: với cách ra đề như thế thì sử dụng cách 1

sẽ không hiệu quả bằng các cách khác như Quy đổi, phân tích hệ số, sử dụng quy tắc hóa trị, hoặc thuần đại số Mời bạn đọc tham khảo các cách giải tiếp theo

22

 Cách 2: Sử dụng quy tắc hóa trị

Viết các phương trình hóa học (như cách 1)

Xét cả quá trình: Mg(II), Fe(III) trao đổi hóa trị với O(II) và SO2 (ht 2)

Theo quy tắc hóa trị  2nMg 3nFe 2nO2nSO2

Gọi a,b,c lần lượt là số mol các nguyên tố Mg, Fe, O trong X

Bảo toàn số mol Mg, Fe  Mg(OH) Fe(OH)

MgSO4 +2NaOH  Na2SO4 + Mg(OH)2  (4)

Fe2(SO4)3 + 6NaOH  3Na2SO4 + 2Fe(OH)3  (5)

y0,15   Công thức của oxit sắt: FeO 1

 Nhận xét: Sử dụng phân tích hệ số thường cho các phương trình toán tương tự

như khi sử dụng quy tắc hóa trị

Fe2(SO4)3 + 6NaOH  3Na2SO4 + 2Fe(OH)3  (5) 0,5bx  bx (mol)

(Hoặc bảo toàn số mol nguyên tố Mg, Fe  số mol Mg(OH) 2 và Fe(OH) 3)

Quy đổi hỗn hợp X thành: Fe2O3, Fe, Mg

Gọi a,b,c lần lượt là số mol Fe2O3, Fe, Mg trong X

Fe2(SO4)3 + 6NaOH  3Na2SO4 + 2Fe(OH)3 

MgSO4 + 2NaOH  Na2SO4 + Mg(OH)2 

Bảo toàn nguyên tố Fe, Mg  Fe(OH) Mg(OH)

Bài 1: Để hòa tan hoàn toàn 34,8 gam hỗn hợp gồm Fe3O4, FeO, Fe2O3 (số mol FeO bằng số mol Fe2O3) thì phải dùng một lượng vừa đủ dung dịch H2SO4 4,9 % (loãng) thu được dung dịch X

a) Tính khối lượng của dung dịch H2SO4 4,9%

b) Tính nồng độ % của các chất trong dung dịch X

– Phần 1: cho tỏc dụng với dung dịch NaOH dư, lọc lấy kết tủa nung núng trong khụng khớ đến khối lượng khụng đổi thu được 8,8 gam chất rắn

– Phần 2: làm mất màu vừa đủ 100 ml dung dịch dịch KMnO4 0,1M trong mụi trường H2SO4 loóng dư

Viết cỏc phương trỡnh húa học của phản ứng xảy ra và tớnh giỏ trị m, V

(Biết cỏc phản ứng đều xảy ra hoàn toàn)

Phõn tớch:

Mấu chốt:

– Đề khụng yờu cầu tớnh lượng mỗi chất trong hỗn hợp ban đầu nờn ta cú thể

sử dụng quy đổi, nhằm giảm bớt số chất trong hỗn hợp

– 1Fe 3 O 4  1FeO + 1Fe 2 O 3 Do đú ta quy đổi Fe 3 O 4 thành FeO, Fe 2 O 3 Lỳc

này hỗn hợp xem như chỉ cú Fe 2 O 3 và FeO

– Kiến thức khú: KMnO 4 cú tớnh oxi húa (giảm húa trị) tựy theo mụi trường

môi trường axit)

M môi trường trung tính)

môi trường kiềm)

Vớ dụ: (theo đỳng trỡnh tự trong mụi trường axit, trung tớnh, kiềm)

10FeSO 4 + 2KMnO 4 + 8H 2 SO 4  K 2 SO 4 + 2MnSO 4 + 5Fe 2 (SO 4 ) 3 + 8H 2 O 3K 2 SO 3 + 2KMnO 4 + H 2 O  2MnO 2  + 3K 2 SO 4 + 2KOH

K 2 SO 3 + 2KMnO 4 + 2KOH  2K 2 MnO 4 + K 2 SO 4 + H 2 O

Hướng dẫn:

Vì 1mol Fe3O3 = 1mol FeO + 1mol Fe2O3, nên xem hỗn hợp chỉ có FeO, Fe2O3 Gọi a,b lần lượt là số mol FeO, Fe2O3 ban đầu

 Phản ứng của X với H2SO4 loãng:

FeO + H2SO4 loãng  FeSO4 + H2O

a  a a (mol)

Fe2O3 + 3H2SO4 loãng  Fe2(SO4)3 + 3H2O

b  3b b (mol)

½ dung dịch Y có: 0,5a (mol) FeSO4 và 0,5b (mol) Fe2(SO4)3

 Phần 1: Sản phẩm sau nung kết tủa là Fe2O3

Tính Fe O

2 3

n  0, 055 mol

FeSO4 + 2NaOH  Fe(OH)2  + Na2SO4

Fe2(SO4)3 + 6NaOH  2Fe(OH)3  + 3Na2SO4

2Fe(OH)2 + ½ O2

0 t

 Fe2O3 + 2H2O 2Fe(OH)3

0 t

 Fe2O3 + 3H2O Bảo toàn số mol Fe trong ½ Y  0,5a + 0,5b.2 = 0,055.2 = 0,11 (1)

Bài 3: Cho một luồng khí CO đi qua ống sứ đựng 0,04 mol hỗn hợp A gồm FeO và

Fe2O3 đốt nóng Sau một thời gian thí nghiệm thì thu được chất rắn B gồm 4 chất nặng 4,784 gam Khí đi ra khỏi ống sứ cho hấp thụ vào dung dịch Ba(OH)2 dư, thì thu được 9,062 gam kết tủa Mặt khác, hòa tan chất rắn B bằng dung dịch HCl dư thấy thoát ra 0,6272 lít khí hidro (ở điều kiện tiêu chuẩn)

a) Tính thành phần % khối lượng của mỗi oxit sắt trong hỗn hợp A

b) Tính thành phần % khối lượng mỗi chất trong B, biết rằng trong B số mol oxit sắt từ bằng 1/3 tổng số mol của sắt (II) oxit và sắt (III) oxit

(Trích đề thi học sinh giỏi lớp 9 tỉnh Gia Lai, năm học 2015-2016)

Phân tích:

Hỗn hợp A gồm 2 chất chỉ có một dữ kiện là số mol hỗn hợp, thiếu 1 dữ kiện Vì vậy ta cần tìm dữ kiện thứ 2 là khối lượng hỗn hợp A: m A = m B + 16n 

26

Hỗn hợp B gồm 4 chất và đã biết 4 dữ kiện là: m B , tổng số mol nguyên tố Fe, số mol H 2 và quan hệ số mol của 3 oxit Như vậy ở hỗn hợp B đã đủ các thông tin để lập hệ phương trình 3 ẩn (không đặt ẩn cho số mol đơn chất Fe, vì tính được qua

 Fe3O4 + CO2 (1)

Fe2O3 + CO

0 t

 Fe + CO2 (2) FeO + CO

0 t

 Fe + CO2 (3) Rắn B: FeO, Fe3O4, Fe, Fe2O3

Khí thoát ra: CO2, CO dư

Phân tích:

Mấu chốt:

– Nung kết tủa trong không khí nên sản phẩm sau nung là Fe 2 O 3

 Như vậy không cần thiết phải tìm lượng từng chất trong X mà chỉ cần biết số mol nguyên tố Fe trong X để làm nguồn bảo toàn nguyên tố  nZ= 0,5nFe

– Cần hiểu vai trò của HCl là lấy O tạo thành nước và oxi hóa Fe tạo H 2 :

0 t

 Fe2O3 + 2H2O (6) 2Fe(OH)3

0 t

 Fe2O3 + 3H2O (7) Theo các phản ứng (1,2) ta có:

 m Fe = m muối – m clo = 41,65 – 0,7.35,5 = 16,8 gam

Bảo toàn lượng nguyên tố Fe  m = 160

2- Bài toán thiết kế có xảy ra phản ứng Fe với muối FeCl 3 Do đó nếu quy đổi hỗn hợp X về Fe, FeO, Fe 2 O 3 thì không tìm được số mol mỗi chất Vì không xác định được lượng Fe tác dụng với FeCl 3 là bao nhiêu mol

Bài 5: Cho 46,8 (gam) hỗn hợp CuO, Fe3O4, FeO, Fe2O3 (số mol mỗi chất bằng nhau) tan trong lượng vừa đủ dung dich H2SO4 loãng, thu được dung dịch A Cho

m (gam) Mg vào A sau khi phản ứng kết thúc thu được dung dịch B Thêm dung dịch KOH dư vào B đến phản ứng hoàn toàn thì được kết tủa D Nung D trong không khí đến khối lượng không đổi thu được 45 (gam) chất rắn E Tính giá trị m

Phân tích:

– Các chất trong hỗn hợp có số mol bằng nhau nên quy đổi thành CuO, Fe 3 O 4 – Thứ tự phản ứng của Mg với các muối lần lượt là Fe 2 (SO 4 ) 3 , CuSO 4 , FeSO 4 – Phát hiện khối lượng E bé hơn khối lượng hỗn hợp đầu nên chắc chắn kim loại Cu đã bị giải phóng khỏi CuSO 4 một phần hoặc hết 0,15 mol

 đây là cơ sở để ta chia bài toán thành 2 trường hợp:

– Trường hợp 1: Rắn E có CuO ; Trường hợp 2: Rắn E không có CuO

Fe3O4 + 4H2SO4  FeSO4 + Fe2(SO4)3 + 4H2O (1)

0,15  0,15 0,15 mol

CuO + H2SO4  CuSO4 + H2O (2)

0,15  0,15 (mol)

Dung dịch A: 0,15 mol FeSO4; 0,15 mol CuSO4; 0,15 mol Fe2(SO4)3

Fe2(SO4)3 + Mg  MgSO4 + 2FeSO4 (3)

Dung dịch B có: MgSO4 và có thể chứa FeSO4, CuSO4, Fe2(SO4)3

Đặt công thức chung của các muối trong B là R2(SO4)n

R2(SO4)n + 2nKOH  2R(OH)n  + nK2SO4 (6) 2R(OH)n + m n

2



O2  R2Om + nH2O (7) Nếu chưa xảy ra (4) thì Cu và Fe đều chưa bị đẩy ra khỏi dung dịch A

 mE > 46,8 gam > 45 gam (loại)

Vậy CuSO4 đã phản ứng một phần hoặc hết  x = 0,15

Trường hợp 1: Nếu CuSO4 phản ứng một phần  z = 0

 160.(0,225 – 0,5z) + 40.(0,3 + z) = 45  z = 0,075 mol < 0,45 (thỏa mãn) Khối lượng Mg: m = (0,15 + 0,15 + 0,075).24 = 9 gam

Bài 6: Hỗn hợp A gồm các chất Fe, FeO, Fe2O3, Fe3O4, Fe(OH)2, Fe(OH)3, FeCO3

được chia làm 2 phần bằng nhau:

– Hòa tan hết phần 1 trong dung dịch HCl dư thu được dung dịch B và 2,688 lít (đktc) hỗn hợp khí D (dD/He= 5,75) Cô cạn B thu được m(gam) muối khan – Hòa tan hết phần 2 trong trong dung dịch HNO3 dư thu được dung dịch X chứa 96,8 gam một muối và 4,48 lít (đktc) gồm 2 khí, trong đó có một khí hóa nâu trong không khí

a) Viết phương trình hóa học của các phản ứng xảy ra

b) Tính thể tích mỗi khí trong hỗn hợp D

c) Tính giá trị của m

m(gam) ?

n CO2 0,06

NO HNO3

2

n 0, 060,12 (CO H )

n 0, 06.2 0,39.2 0,9 mol Vậy m = mFemCl = 0,4.56 + 0,9.35,5 = 54,35 gam

 Phần 1: Tính được số mol CO2 = số mol H2 = 0,06 mol

 Phần 2: Tính được số mol NO = 0,14 mol; số mol Fe(NO3)3 = 0,4 mol

Giả sử sục khí Cl2 vào dung dịch B thì theo quy tắc hóa trị ta có:

Lưu ý: Có thể giải bài toán theo cách khác, như quy đổi phần 2 gồm Fe, Fe 2 O 3

 số mol Fe = 0,14 mol ; số mol Fe 2 O 3 = (0,4 – 0,14):2 = 0,13 mol

32

Bài 7: Hòa tan hết 26,4 gam hỗn hợp X gồm Fe, CuO, FexOy trong 600ml dung dịch HCl 1,5M, thu được dung dịch Y và 1,12 lít H2 (đktc) Cho từ từ dung dịch KOH 0,25M vào Y đến khi kết tủa vừa xuất hiện thì hết 400ml dung dịch KOH Mặt khác, nếu sục khí Cl2 từ từ đến dư vào dung dịch Y rồi cô cạn dung dịch, thu được 52,75 gam muối khan Z Tìm công thức FexOy

Phân tích:

Đây là bài toán khá hay, sẽ có không ít học sinh lúng túng khi tiếp cận nó

 Mấu chốt bài toán:

– Khi cho KOH vào Y đến khi kết tủa bắt đầu xuất hiện thì xem như lượng KOH chỉ vừa đủ thực hiện phản ứng trung hòa axit HCl dư trong dung dịch

– Khi sục Cl 2 dư vào dung dịch thì muối FeCl 2 chuyển hết thành FeCl 3

Từ các dữ kiện đề bài cho ta xác định các hướng giải chính:

– Hướng 1: Sử dụng phương pháp thuần đại số:

+ Đặt số mol CuO, Fe x O y lần lượt là a,b

+ Lập các phương trình: khối lượng X, số mol HCl, khối lượng muối khan và giải tìm nghiệm a, bx, by  x: y = bx: by

– Hướng 2: Sử dụng phương pháp phân tích hệ số:

– Hướng 3: Sử dụng quy tắc hóa trị (bảo toàn electron ở cấp THPT)

+ Xét cả quá trình: Cu(II), Fe(III) trao đổi hóa trị với O(II), H 2 (II) và Cl 2 (II) + Theo quy tắc hóa trị  2nCu 3nFe  nHCl nKOH 2nCl2

+ Gọi ẩn cho số mol Fe, Cu, Cl 2 Lập hệ 3 phương trình (PT khối lượng X, PT khối lượng muối, PT biểu thức quy tắc hóa trị) Giải tìm ẩn, và hoàn thành yêu cầu của đề

FexOy + 2yHCl  xFeCl2y/x + yH2O

ay  y  0, 2  4 Vậy công thức của oxit là Fe3O4

 Cách 2: Sử dụng phương pháp thuần đại số

Vậy công thức hóa học của oxit sắt: Fe3O4

 Cách 4: Sử dụng bảo toàn khối lượng

Sơ đồ: X + HCl + Cl2  Muối Z + H2 + H2O

26,4(g) 0,8 mol a mol 52,75(g) 0,05 mol 0,35 mol

Theo bảo toàn khối lượng, ta có:

  công thức của oxit sắt: Fe3O4

Bài 8: Để một phôi bào sắt nặng m gam ngoài không khí, sau một thời gian thu

được 12 gam rắn X gồm sắt và các oxit của sắt Cho X tác dụng hoàn toàn với dung

dịch axit HNO3 loãng (dư), thấy giải phóng ra 2,24 lít (đktc) khí NO duy nhất a) Viết các phương trình hoá học xảy ra và tính giá trị m

b) Tính khối lượng m của phôi bào sắt ban đầu

 X(Fe, O) HNO :3 (3x + 0,1 mol)  Fe(NO 3 ) 3 + H 2 O + NO 

m = 56a(g) 12 gam a(mol) 3a 0,1

Hướng dẫn:

Tính số mol NO = 0,1 mol

Các phương trình hóa học:

2xFe + yO2  2FexOy (Công thức chung của rắn X: FexOy)

3FexOy + (12x–2y)HNO3  3xFe(NO3)3 + (6x–y)H2O + (3x–2y)NO 

 Cách 1: Sử dụng bảo toàn số mol và bảo toàn khối lượng

Gọi a là số mol Fe ban đầu

Theo bảo toàn số mol Fe, H, H ta có:

 Cách 1: Sử dụng quy đổi hỗn hợp thành 2 chất cụ thể

Viết 3 phương trình hóa học của Fe tác dụng với O2

(Mỗi phản ứng tạo ra một oxit)

56n 16n 12

n 0,18 2

36

Bài 9: Hòa tan hoàn toàn 6,48 gam hỗn hợp A gồm Fe và các oxit của sắt trong

dung dịch HNO3 dư Kết thúc phản ứng thu được dung dịch B và thoát ra 1,008 lít (đktc) hỗn hợp hai khí D gồm NO và NO2 (dD/H2=19) Cô cạn cẩn thận dung dịch

B thì thu được 36,36 gam muối E Xác định công thức của muối E

2

Y / H

53d