MỘT SỐ BÀI TOÁN VỀ SẮT VÀ CÁC OXIT SẮT I - Một số điểm cần chú ý: 1) Hóa trị của sắt : - Nếu đặt CTTQ của oxit sắt : Fe x O y ⇒ hóa trị Fe : t = 2y x ( t = 2,3, hoặc 8 3 ). - Hóa trị Fe trong Fe 3 O 4 là hóa trị TB của 2 ng.tử Fe(III) và 1ng.tử Fe(II). 2) Phương pháp qui đổi . * Để giải bài toán hỗn hợp nhiều oxit sắt thì nên quy đổi: +) Fe 3 O 4 ⇔ hỗn hợp (FeO + Fe 2 O 3 ) tỷ lệ mol 1 : 1 ( đúng cả 2 chiều ). +) Hỗn hợp FeO , Fe 2 O 3 với tỷ lệ mol ≠ 1 : 1 thì không thể quy đổi thành Fe 3 O 4 . 3) Phương pháp bảo toàn nguyên tố: Thường gặp 2 trường hợp sau đây: * Trường hợp 1: Fe O 2 + → 3 3 2 x y HNO 3 Fe Fe(NO ) H O (NO, Fe O + → + + hoặc NO 2 ↑ .) ⇒ 3 3 Fe(NO ) n = Fe n ( bđ ) 3 HNO N n n= ( muối) + N n ( các sp khí ) = Fe N 3 n n× + ( các sp khí ). H O HNO 2 3 1 n n 2 = × * Trường hợp 2 : Fe O 2 + → 2 4 3 2 2 x y H SO 2 4 Fe Fe (SO ) H O (SO .) Fe O + → + + ↑ ⇒ Fe (SO ) 2 4 3 n = Fe 1 n 2 × ( bđ ) H SO S 2 4 n n= ( muối) + S n ( các sp khí ) = Fe S 1,5 n n× + ( các sp khí ). H O H SO 2 2 4 n n= .v.v. ( còn nhiều trường hợp khác) Nhận xét: Nếu biết khối lượng của các khí sản phẩm và hỗn hợp A ( hoặc muối Fe) thì có thể áp dụng định luật BTKL. Ví dụ : Trường hợp 1 : giả sử biết m 1 (g) ( Fe + Fe x O y ) ; biết b (mol) khí NO sinh ra. Áp dụng định luật BTKL ta có : 1 3a b m + 63 (3a + b)= 242a + 18 b.30 2 + × × + ( trong đó : Fe n a mol= ) II- Một số bài toán minh họa 1) Để hòa tan hoàn toàn 34,8 gam hỗn hợp gồm Fe 3 O 4 , FeO, Fe 2 O 3 ( số mol FeO = số mol Fe 2 O 3 ) thì phải dùng một lượng vừa đủ dung dịch H 2 SO 4 4,9 % ( loãng). a) Tính khối lượng của dung dịch H 2 SO 4 4,9% . b) Tính nồng độ % của các chất trong dung dịch thu được. Hướng dẫn: Vì số mol FeO = số mol Fe 2 O 3 nên xem như Fe 3 O 4 . Vậy hỗn hợp được coi như chỉ có một oxit là Fe 3 O 4 h.h 34,8 n 0,15 mol 232 = = 1 Fe 3 O 4 + 4H 2 SO 4 → Fe 2 (SO 4 ) 3 + FeSO 4 + 4H 2 O 0,15 0,6 0,15 0,15 mol Khối lượng dung dịch H 2 SO 4 4,9% : 0,6 98 100 1200 (g) 4,9 × × = Khối lượng dung dịch thu được : 1200 + 34,8 = 1234,8 gam ( dễ dàng tìm được C% của mỗi muối trong dung dịch thu được) 2) Cho m(g) hỗn hợp FeO, Fe 3 O 4 , Fe 2 O 3 tan vừa hết trong V (lít) dung dịch H 2 SO 4 loãng thì thu được một dung dịch A. Chia đung dịch A làm 2 phần bằng nhau. Phần 1: tác dụng với dung dịch NaOH dư, lọc lấy kết tủa nung nóng trong không khí đến khối lượng không đổi thu được 8,8 gam chất rắn. Phần 2: làm mất màu vừa đúng 100ml dung dịch KMnO 4 0,1M trong môi trường H 2 SO 4 loãng dư. a) Viết các phương trình hóa học xảy ra. b) Tính m , V ( nếu dung dịch H 2 SO 4 có nồng độ 0,5M). Hướng dẫn: Xem Fe 3 O 4 như hỗn hợp FeO và Fe 2 O 3 Vậy hỗn hợp xem như chỉ có FeO và Fe 2 O 3 : số mol lần lượt x,y. Các phương trình hóa học xảy ra: FeO + H 2 SO 4 → FeSO 4 + H 2 O x x x (mol) Fe 2 O 3 + 3H 2 SO 4 → Fe 2 (SO 4 ) 3 + 3H 2 O y 3y y (mol) dung dịch A ( ) 4 2 4 3 FeSO : x (mol) Fe SO : y (mol) Pư phần 1: FeSO 4 + 2NaOH → Fe(OH) 2 ↓ + Na 2 SO 4 0,5x 0,5x (mol) Fe 2 (SO 4 ) 3 + 6NaOH → 2Fe(OH) 3 ↓ + 3Na 2 SO 4 0,5y y (mol) 2Fe(OH) 2 + ½ O 2 0 t → Fe 2 O 3 + 2H 2 O 0,5x 0,25x (mol) 2Fe(OH) 3 0 t → Fe 2 O 3 + 3H 2 O y 0,5y (mol) Ta có : 0,25x + 0,5y = 8,8 0,055 (1) 160 = Pư phần 2: 10FeSO 4 + 2KMnO 4 + 8 H 2 SO 4 → 5Fe 2 (SO 4 ) 3 + K 2 SO 4 + 2MnSO 4 + 8 H 2 O 0,5x → 0,1x (mol) Ta có : 0,1x = 0,01 ⇒ x = 0,1 ( mol) (2) Thay (2) vào (1) ta được : y = 0,06 (mol) Vậy khối lượng hỗn hợp oxit sắt : m = (0,1× 72 + 0,06 × 160 ) = 16,8 ( gam ) Thể tích dung dịch H 2 SO 4 0,5M : V = 0,1 0,06 3 0,56 (lít) 0,5 + × = 2 * Có thể giải theo phương pháp bảo toàn nguyên tố Fe. Fe n ( các oxit ) = 2 × 0,055 = 0,11 mol Fe n ( FeO ) = FeSO 4 0, 05 mol KMnO 4 n 5 n = = × ⇒ Fe n ( Fe 2 O 3 ) = 0,11 0, 05 =0,06 mol− Vậy khối lượng hỗn hợp đầu : m = 2( 0,05 × 72 + 0,06 160 2 × ) = 16,8 gam. Số mol H 2 SO 4 = 0,1 + (3 × 0,06) = 0,28 mol. ⇒ thể tích V = 0,56 lít. 3) Hỗn hợp A gồm FeO, Fe 3 O 4 , Fe 2 O 3 ( với số mol bằng nhau). Cho m 1 (g) A vào ống sứ nung nóng rồi dẫn dòng khí CO đi qua ( CO pư hết ), thấy khí bay ra và trong ống còn lại 19,2 (g) rắn B (gồm Fe, FeO, Fe 3 O 4 ) . Hấp thụ khí vào dung dịch Ba(OH) 2 dư thì thu được m 2 (g) kết tủa trắng. Hòa tan hết rắn B trong HNO 3 nóng thì thấy bay ra 2,24 lít khí NO duy nhất ( đktc). a) Viết phương trình hóa học. b) Tính m 1 , m 2 và số mol HNO 3 đã phản ứng. Hướng dẫn: Xem phần FeO + Fe 2 O 3 ( đồng mol) như Fe 3 O 4 Vậy hỗn hợp chỉ gồm có Fe 3 O 4 Fe 3 O 4 + 4CO 0 t → 3Fe + 4CO 2 (1) Fe 3 O 4 + CO 0 t → 3FeO + CO 2 (2) rắn B 3 4 FeO Fe Fe O Phản ứng của rắn B với HNO 3 : Fe + 4HNO 3 → Fe(NO 3 ) 3 + 2H 2 O + NO ↑ (3) 3FeO + 10HNO 3 → 3Fe(NO 3 ) 3 + 5H 2 O + NO ↑ (4) 3Fe 3 O 4 + 28HNO 3 → 3Fe(NO 3 ) 3 + 14H 2 O + NO ↑ (5) Đặt : ( ) Fe NO 3 3 n a (mol) = = Fe n ( của hỗn hợp A ) HNO H O 3 2 3a 0,1 n 3a 0,1 ; n 2 + = + = ; NO 2,24 n 0,1 (mol) 22,4 = = Áp dụng ĐLBTKL cho (3),(4),(5) ta có: C + HNO H O NO Fe(NO ) 3 2 3 3 m m m m m+ = + Suy ra ta có : 19,2 + 63(3a + 0,1) = 242a + 3a 0,1 18 + 30 0,1 2 + × × Giải ra được : a = 0,27 ⇒ HNO 3 n = 0,91 mol. Khối lượng của hỗn hợp đầu : m 1 = 0,27 0,27 232 20,88 ( gam ) 3 × = Theo pư (1) và (2) ta có : CO 2 20,88 19,2 n 0,105 mol 44 28 − = = − CO 2 + Ba(OH) 2 → BaCO 3 ↓ + H 2 O 0,105 0,105 (mol) BaCO 3 m = m 2 = 0,105 × 197 = 20,685 gam. * Cách 2 : Vì rắn C gồm Fe, FeO, Fe 3 O 4 tác dụng với HNO 3 cho sản phẩm như nhau, nên đặt CTPT trung bình của rắn C: Fe x O y. 3 Gọi a là số mol mỗi oxit trong A ⇒ qui đổi A chỉ gồm Fe 3 O 4 : 2a (mol) xFe 3 O 4 + (4x – 3y)CO 0 t → 3Fe x O y + (4x – 3y)CO 2 (1) 2a 6a x (mol) Fe x O y + (12x–2y) HNO 3 → 3Fe(NO 3 ) 3 + (3x–2y)NO ↑ + (6x-y)H 2 O (2) 6a x (12x–2y) 2a x × (3x–2y) 2a x × (mol) Ta có hệ phương trình : 6a (56x 16y) 19,2 x 2a (3x 2y) 0,1 x + × = − × = ⇔ 2ay 7a 0,4 (I) x 2ay 3a 0,05 (II) x + = − = Giải hệ (I) và (II) ⇒ a = 0,045 ; ay x = 0,0425 m 1 = 0,045× 2× 232 = 20,88 gam. Áp dụng định luật BTKL cho pư (1) ta có : 2 A CO B CO m m m m+ = + 20,88 + 28b = 19,2 + 44b giải ra b = 0,105 mol ( b là số mol CO 2 ). 4) Đốt x (mol) Fe bởi O 2 thu được 5,04 gam hỗn hợp A gồm các oxit của sắt. Hòa tan A trong HNO 3 nóng dư thì thu được một dung dịch X và 0,035 mol khí Y ( gồm NO và NO 2 ), biết 2 Y/ H d = 19. Tính x. Hướng dẫn: Xem các oxit sắt chỉ gồm Fe 2 O 3 và FeO ( vì Fe 3 O 4 coi như FeO và Fe 2 O 3 ) 4Fe + 3O 2 o t → 2Fe 2 O 3 (1) 2Fe + 3O 2 o t → 2FeO (2) Phản ứng của rắn A với HNO 3 : Fe 2 O 3 + 6HNO 3 → 2Fe(NO 3 ) 3 + 3H 2 O (3) 3FeO + 10HNO 3 → 3Fe(NO 3 ) 3 + 5H 2 O + NO ↑ (4) FeO + 4HNO 3 → Fe(NO 3 ) 3 + 2H 2 O + NO 2 ↑ (5) Theo (3),(4),(5) ta có : Fe HNO (NO NO ) 3 2 n 3n n 3x 0,035 + = + = + ; H O 2 3x 0,035 n 2 + = Áp dụng định luật BTKL ta có : ( ) m A HNO H O (NO+NO ) Fe NO 2 3 2 3 3 m m m m =+ + + ⇔ 5,04 + 63(3x + 0,035) = 242x + (0,035× 2× 19) + 3x 0,035 2 + × 18 Giải ra x = 0,07 mol 5) Muối A là muối cacbonat của kim loại R hóa trị n ( R chiếm 48,28% theo khối lượng ). Nếu đem 58 gam A cho vào bình kín chứa sẵn lượng O 2 vừa đủ rồi nung nóng. Phản ứng xong thu được 39,2 gam rắn B gồm Fe 2 O 3 và Fe 3 O 4 . a) Xác định CTPT của A. b) Nếu hòa tan B vào HNO 3 đặc nóng, thu được khí NO 2 duy nhất. Trộn lượng NO 2 này với 0,0175 mol khí O 2 rồi sục vào lượng nước rất dư thì thu được 2 lít dung dịch X. Xác định nồng độ mol của các chất trong dung dịch X. Hướng dẫn: 4 a) Ta có 2R 48,28 60n 51,72 = ⇒ R = 28x chỉ có x = 2 , R = 56 là thỏa mãn ( Fe) CTPT của chất A là : FeCO 3 b) gọi x, y lần lượt là số mol Fe 2 O 3 và Fe 3 O 4 trong rắn B. 2FeCO 3 + ½ O 2 0 t → Fe 2 O 3 + 2CO 2 2x x (mol) 3FeCO 3 + ½ O 2 0 t → Fe 3 O 4 + 3CO 2 3y y (mol) Ta có: 58 2x 3y 0,5 (1) 116 160x 232y 39,2 (2) + = = + = giải ra được : x = y = 0,1 mol. Phản ứng của B với HNO 3 : Fe 2 O 3 + 6HNO 3 → 2Fe(NO 3 ) 3 + 3H 2 O Fe 3 O 4 + 10HNO 3 → 3Fe(NO 3 ) 3 + 3H 2 O + NO 2 ↑ 0,1 mol → 0,1 mol 2NO 2 + ½ O 2 + H 2 O → 2HNO 3 Bđ: 0,1 0,0175 (mol) Pư: 0,07 0,0175 0,07 (mol) Spư: 0,03 0 0,07 (mol) 2NO 2 + H 2 O → HNO 3 + HNO 2 0,03 → 0,015 0,015 (mol) Dung dịch X 2 3 HNO : 0,015 mol HNO : 0,085 mol ⇒ M HNO 2 C 0,0075M= ; M HNO 3 C 0,0425M= . 6) Hòa tan a gam một oxit sắt Fe x O y vào trong dung dịch H 2 SO 4 đặc nóng dư thì thu được khí SO 2 duy nhất.Mặt khác, nếu khử hoàn toàn a gam oxit sắt trên bằng khí CO, hòa tan lượng sắt tạo thành trong dung dịch H 2 SO 4 đặc nóng (dư) thu được lượng SO 2 gấp 9 lần lượng SO 2 ở thí nghiệm trên. a) Viết các phương trình phản ứng xảy ra trong hai thí nghiệm trên. b) Xác định định công thức hóa học của oxit sắt. Hướng dẫn : 2Fe x O y + (6x -2y )H 2 SO 4 ( đặc) 0 t → xFe 2 (SO 4 ) 3 + (3x-2y) SO 2 ↑ + (6x -2y ) H 2 O (1) a (mol) → ( ) a 3x 2y 2 − (mol) Fe x O y + yH 2 0 t → xFe + yH 2 O (2) a (mol) → ax (mol) 2Fe + 6H 2 SO 4 ( đặc) 0 t → Fe 2 (SO 4 ) 3 + 3SO 2 ↑ + 6H 2 O (3) ax (mol) → 1,5 ax ( mol) Theo đề bài : SO SO 2 2 n (3) 9 n (1)= × nên ta có : 1,5ax 2 9 a(3x 2y) × = − ⇒ x 18 3 y 24 4 = = ⇒ CTPT của oxit sắt là : Fe 3 O 4 . 7) Hòa tan một lượng oxit sắt Fe x O y vào dung dịch HNO 3 loãng, dư thì thu được một dung dịch A và khí NO duy nhất. Mặt khác nếu khử lượng oxit sắt trên bằng lượng CO dư rồi lấy toàn bộ kim loại sinh ra hòa tan hoàn toàn trong dung dịch HNO 3 đặc, nóng 5 thì thu được dung dịch B và khí NO 2 duy nhất. Biết thể tích khí NO 2 sinh ra gấp 9 lần thể tích khí NO sinh ra ( cùng nhiệt độ, áp suất). a) Viết các phương trình hóa học. b) Xác định công thức hóa học của oxit sắt. Hướng dẫn : 3Fe x O y + (12x -2y )HNO 3 → 3xFe(NO 3 ) 3 + (3x - 2y)NO ↑ + (6x-y) H 2 O (1) a (mol) → (3x 2y) a 3 − × (mol) Fe x O y + yCO 0 t → xFe + yCO 2 (2) a (mol) → ax (mol) Fe + 6HNO 3 0 t → Fe(NO 3 ) 3 + 3NO 2 ↑ + 3H 2 O (3) ax (mol) → 3ax ( mol) Theo đề bài ta có : (3x 2y) a 3ax 9 x = y 3 − × = × ⇒ Vậy CTPT của oxit sắt là: FeO. 8) Để một phoi 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 HNO 3 thấy giải phóng ra 2,24 lít khí NO duy nhất ( đo ở đktc). a) Viết các phương trình hoá học xảy ra. b) Tính khối lượng m của phoi bào sắt ban đầu. ( ĐS : 10,08 gam Fe ) 9.Dùng 1,568 lít khí H 2 phản ứng đủ với 4 gam hỗn hợp 2 oxit thu được m gam hai kim loại A, B. Cho m gam A, B phản ứng hết với H 2 SO 4 đặc nóng thu được 0,224 lít khí SO 2 . Biết thể tích khí đo ở đktc và A hóa trị II. a/ Tìm m? b/ Tìm công thức hóa học của hai oxit đem dùng. 10. Hỗn hợp khí SO 2 và O 2 có tỉ khối đối với hidro bằng 24, sau khi đun nóng hỗn hợp đó với chẩt xúc tác thu được hỗn hợp khí mới có tỉ khối đối với hidro bằng 30. a/ Xác định thành phần phần trăm về thể tích của hỗn hợp trước và sau phản ứng. b/ Tính thành phần mỗi khí tham gia phản ứng. 11.Hỗn hợp X gồm 3 kim loại ở trạng thái bột là K, Al, Fe được chia làm 3 phần bằng nhau: - Phần 1: Tác dụng với nước dư tạo ra 4,48 lít khí (đktc) - Phần 2: Tác dụng với dung dịch KOH dư tạo ra 7,84 lít khí (đktc). - Phần 3: Hòa tan hoàn toàn trong 0,5 lít dung dịch H 2 SO 4 1,2M tạo ra 10,08 lít khí (đktc) và dung dịch Y. a/ Tính khối lượng mỗi kim loại trong hỗn hợp X b/ Cho dung dịch Y tác dụng với dung dịch NaOH dư thu được kết tủa, lọc kết tủa, rửa sạch rồi nung kết tủa trong không khí đến khối lượng không đổi được m gam chất rắn. Tìm m? (Giả thiết các phản ứng xảy ra hoàn toàn). 6 . H 2 SO 4 4 ,9% : 0,6 98 100 1200 (g) 4 ,9 × × = Khối lượng dung dịch thu được : 1200 + 34,8 = 1234,8 gam ( dễ dàng tìm được C% của mỗi muối trong dung dịch. vừa đủ dung dịch H 2 SO 4 4 ,9 % ( loãng). a) Tính khối lượng của dung dịch H 2 SO 4 4 ,9% . b) Tính nồng độ % của các chất trong dung dịch thu được. Hướng