Bài tập hỗn hợp gồm sắt và oxit sắt là một trong những dạng bài tập mà học sinh hay gặp trong các kỳ thi mà đặc biệt là thi Đại Học. Thông thường những bài tập về sắt và các oxit thường khá phức tạp và xảy ra theo nhiều phương trình phản ứng khác nhau. Để giúp học sinh giải quyết tốt các bài toán về hỗn hợp sắt một cách nhanh chóng tôi thường giới thiệu phương pháp vận dụng các định luật bảo toàn. Đó là nội dung mà bài viết này tôi muốn đề cập....
Chuyên đề Phương pháp giải tập hỗn hợp sắt oxit sắt [B].k PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP HỖN HỢP SẮT VÀ OXIT SẮT A ĐẶT VẤN ĐỀ: Bài tập hỗn hợp gồm sắt oxit sắt dạng tập mà học sinh hay gặp kỳ thi mà đặc biệt thi Đại Học Thông thường tập sắt oxit thường phức tạp xảy theo nhiều phương trình phản ứng khác Để giúp học sinh giải tốt toán hỗn hợp sắt cách nhanh chóng tơi thường giới thiệu phương pháp vận dụng định luật bảo tồn Đó nội dung mà viết muốn đề cập B NỘI DUNG I CÁC ĐỊNH LUẬT CẦN VẬN DỤNG Định luật bảo toàn khối lượng: Nội dung: Khối lượng chất tham gia phản ứng khối lượng chất tạo thành sau phản ứng Trong cần vận dụng hệ Hệ quả1: Gọi mT tổng khối lượng chất trước phản ứng, m s khối lượng chất sau phản ứng Dù phản ứng xảy với hiệu suất ta có: mT = mS Hệ 2: Khi cation kim loại kết hợp với anion phi kim để tạo hợp chất ta ln có: Khối lượng chất = khối lượng cation+khối lượng anion Khối lượng cation anion ta coi khối lượng nguyên tử cấu tạo thành Định luật bảo toàn nguyên tố Nội dung định luật: Tổng khối lượng nguyên tố trước phản ứng tổng khối lượng nguyên tố sau phản ứng Nội dung định luật hiểu tổng số mol nguyên tố bảo toàn phản ứng Định luật bảo tồn electron Trong phản ứng oxi hóa khử: Số mol electron mà chất khử cho số mol electron mà chất oxi hóa nhận Khi vận dụng định luật bảo tồn electron vào dạng tốn cần lưu ý: - Trong phản ứng hệ phản ứng cần quan tâm đến trạng thái đầu trạng thái cuối mà không cần quan tâm đến trạng thái trung gian - Nếu có nhiều chất oxi hóa chất khử số mol electron trao đổi tổng số mol tất chất nhường nhận electron GV Nguyễn Quốc Tuấn Trang Chuyên đề Phương pháp giải tập hỗn hợp sắt oxit sắt [B].k II TỔNG QUAN VỀ BÀI TẬP HỖN HỢP SẮT VÀ OXIT SẮT: Bài tập Fe hỗn hợp oxit sắt thường có dạng cho khối lượng cho phản ứng với chất oxi hóa H2SO4 đặc nóng HNO3 chí axit thường HCl Giải toán: Với giả thiết cho m gam hỗn hợp gồm Fe oxit FeO, Fe3O4, Fe2O3 tác dụng với HNO3 thu khí NO2 : Ta coi hỗn hợp có x mol Fe, y mol O ta xét phản ứng có chất nhường electron Fe cịn chất nhận electron O chất oxi hóa HNO3 sản phẩm V lít NO2 (đktc) Fe3+ ta có: Theo định luật bảo tồn khối lượng: 56x + 16y = m (1) Theo định luật bảo tồn electron Chất khử Chất oxi hóa 3 Fe Fe 3e x 3x Tổng electron nhường: 3x mol O 2e O y 2y 5 y 4 N 1e N O2 V V 22, 22, Tổng electron nhận: Áp dụng định luật bảo tồn electron ta có: 3x = 2y + (2) 2y + V 22, V 22, 56 x 16 y m Từ (1) (2) ta có hệ V 3 x y 22, Việc giải hệ biết số yếu tố giải yêu cầu toán Sau tơi xin gửi đến số dạng tốn hóa mà hay gặp III MỘT SỐ DẠNG BÀI TẬP VẬN DỤNG Dạng hỗn hợp sắt oxit phản ứng với chất oxi hóa mạnh: Đề bài: Cho 11,36 gam hỗn hợp gồm Fe, FeO, Fe2O3 Fe3O4 phản ứng hết với dung dịch HNO3 loãng (dư), thu 1,344 lít khí NO (sản phẩm khử nhất, đktc) dung dịch X Cô cạn dung dịch X thu m gam muối khan Tính m ? Phân tích đề: Ta coi hỗn hợp X ban đầu gồm Fe O Như xét trình chất nhường e Fe chất nhận e O NO3 Nếu biết số tổng số mol Fe X GV Nguyễn Quốc Tuấn Trang Chuyên đề Phương pháp giải tập hỗn hợp sắt oxit sắt [B].k biết số mol muối Fe(NO3)3 dung dịch sau phản ứng Do giải tốn sau: Giải: Số mol NO = 0,06 mol Gọi số mol Fe O tương ứng X x y ta có: 56x + 16y = 11,36 (1) Quá trình nhường nhận e: Chất khử Chất oxi hóa Fe Fe3 3e O 2e O 2 x y 2y 5 y 2 N 3e N O 3x 0,18 Tổng electron nhường: 3x (mol) Tổng electron nhận: Áp dụng định luật bảo tồn electron ta có: 3x = 2y + 0,06 2y + (mol) 0,18 (2) 0,18 Từ (1) (2) ta có hệ 56 x 16 y 11,36 3x y 0,18 Giải hệ ta có x = 0,16 y = 0,15 Như nFe nFe ( NO3 )3 0,16 mol m = 38,72 gam Với toán ta quy tốn kinh điển: Đốt m gam sắt sau phản ứng sinh 11,36 gam hỗn hợp gồm Fe, FeO, Fe2O3 Fe3O4 Hỗn hợp phản ứng hết với dung dịch HNO3 loãng (dư), thu 1,344 lít khí NO (sản phẩm khử nhất, đktc) Chúng ta tính m từ suy số mol Fe từ tính số mol sắt Phát triển toán: Trường hợp 1: Cho nhiều sản phẩm sản phẩm khử NO2, NO ta có đặt hệ bình thường nhiên chất nhận e HNO3 cho sản phẩm Trường hợp 2: Nếu đề yêu cầu tính thể tích khối lượng HNO3 ta tính số mol dựa vào bảo tồn ngun tố N ta có: mi Khí nHNO3 nNO n 3nFe nNO (nNO2 ) NO 3 Dạng đốt cháy Sắt khơng khí cho sản phẩm phản ứng với chất oxi hóa Đề 1: Nung nóng 12,6 gam Fe ngồi khơng khí sau thời gian thu m gam hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe2O3 Fe3O4 Hỗn hợp phản ứng hết với dung dịch H2SO4 đặc nóng (dư), thu 4,2 lít khí SO2 (sản phẩm khử nhất, đktc) Tính m? Phân tích đề: Sơ đồ phản ứng GV Nguyễn Quốc Tuấn Trang Chuyên đề Phương pháp giải tập hỗn hợp sắt oxit sắt [B].k FeO, Fe3O4 SO O2 ( kk ) H SO4 dn Fe Fe2O3và Fe du Fe2 ( SO4 )3 Fe phản ứng với Oxi cho sản phẩm oxit lượng sắt dư, sau hỗn hợp oxit phản ứng với H2SO4 đặc nóng đưa lên sắt +3 Trong trình Oxi nhận e để đưa O2- có oxit H2SO4(+6) nhận e để đưa SO2 (+4) Như vậy: + Khối lượng oxit tổng khối lượng sắt oxi + Cả trình chất nhường e Fe chất nhận O H2SO4 Giải:Ta có n SO2 = 0,1875 mol , nFe = 0,225 mol Gọi số mol oxi oxit x ta có: Chất khử Chất oxi hóa O 2e O2 Fe Fe3 3e 0,225 2x 2 0,225 x x SO4 2e SO2 0,1875x Tổng electron nhường: 0,675 mol Tổng electron nhận: 0,1875 2x + 0,375 (mol) Áp dụng định luật bảo tồn electron ta có: 0,675 = 2x + 0,375 x = 0,15 Mặt khác ta có: m mFe mO 2 nên: m = 12,6 + 0,15x16 = 15 (gam) ĐS: 15 gam Đề Bài 2: Nung nóng m gam bột sắt ngồi khơng khí, sau phản ứng thu 20 gam hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe2O3 Fe3O4 Hòa tan hết X dung dịch HNO3 loãng thu 5,6 lít hỗn hợp khí Y gồm NO NO2 có tỉ khối so với H2 19 Tính m thể tích HNO3 1M dùng? Phân tích đề: sơ đồ phản ứng NO2 FeO, Fe3O4 HNO3 Fe NO Fe2O3và Fe du Fe( NO ) 3 O2 ( kk ) + Hỗn hợp X gồm Fe O oxit + Xét trình ta thấy có Fe nhường e, Chất nhận e Oxi HNO3 + HNO3 nhận e NO NO2 + Số mol HNO3 ban đầu số mol HNO3 muối chuyển khí Giải: Theo đề ta có: nNO nNO2 0,125mol Gọi số mol Fe O tương ứng X x y ta có: 56x + 16y = 20 (1) Quá trình nhường nhận e: Chất khử GV Nguyễn Quốc Tuấn Chất oxi hóa Trang Chuyên đề Phương pháp giải tập hỗn hợp sắt oxit sắt [B].k O 2e O y 3 Fe Fe 3e x 2y 5 y 4 N 1e N O2 0,125 0,125 3x 5 2 N 3e N O 0,125x3 Tổng electron nhường: 3x mol 0,125 Tổng electron nhận: 2y + 0,125+ 0,125x3 (mol) Áp dụng định luật bảo tồn electron ta có: 3x = 2y + 0,5 (2) Từ (1) (2) ta có hệ 56 x 16 y 20 3x y 0,5 Giải hệ ta có x = 0,3 y = 0,2 Như nFe = 0,3 mol m = 16,8 gam Theo định luật bảo toàn nguyên tố ta có: mi Khí nHNO3 nNO nNO 3nFe nNO nNO2 3 nên nHNO3 0,3 x3 0,125 0,125 1,15 mol Vậy VHNO3 1,15 1,15(lít) Dạng khử khơng hồn tồn Fe2O3 sau cho sản phẩm phản ứng với chất oxi hóa mạnh HNO3 H2SO4 đặc nóng: Đề ra: Cho luồng khí CO qua ống sứ đựng m gam Fe2O3 nung nóng Sau thời gian thu 10,44 gam chất rắn X gồm Fe, FeO, Fe2O3 Fe3O4 Hòa tan hết X dung dịch HNO3 đặc, nóng thu 4,368 lít NO2 (sản phẩm khử đktc) Tính m ? Phân tích đề: Sơ đồ phản ứng FeO, Fe3O4 HNO3dn NO2 CO Fe2O3 o t Fe( NO2 )3 Fe2 O3 , Fe Trong trường hợp xét trình đầu cuối ta thấy chất nhường e CO, chất nhận e HNO3 Nhưng biết tổng số mol Fe oxit ta biết số mol Fe2O3 Bởi ta dùng kiện tốn hịa tan x HNO3 đề tính tổng số mol Fe Giải: Theo đề ta có: nNO2 0,195mol GV Nguyễn Quốc Tuấn Trang Chuyên đề Phương pháp giải tập hỗn hợp sắt oxit sắt [B].k Gọi số mol Fe O tương ứng X x y ta có: 56x + 16y = 10,44 (1) Quá trình nhường nhận e: Chất khử Chất oxi hóa O 2e O 3 Fe Fe 3e y 2y 5 x y 4 N 1e N O2 0,195 0,195 3x Áp dụng định luật bảo tồn electron ta có: 3x = 2y + 0,195 (2) Từ (1) (2) ta có hệ 56 x 16 y 10, 44 3x y 0,195 Giải hệ ta có x = 0,15 y = 0,1275 m = 12 gam Như nFe = 0,15 mol nên nFe2O3 0, 075mol Nhận xét: Dĩ nhiên tốn ta giải theo cách tính số mol O bị CO lấy theo phương trình: 4 CO O 2 2e CO2 N 5 1e N O2 Sau dựa vào định luật bảo tồn khối lượng ta có: m = 10,44 + mO Dạng hỗn hợp oxit sắt phản ứng với axit thường: H+ Tổng quan dạng này: Đây phản ứng oxi hóa khử mà phản ứng trao đổi Trong phản ứng ta coi phản ứng của: 2H O 2 H 2O tạo muối Fe2+ Fe3+ dung dịch Như biết số mol H+ ta biết khối lượng oxi hỗn hợp oxit từ tính tổng số mol sắt hỗn hợp ban đầu Đề ra: Cho 7,68 gam hỗn hợp gồm FeO, Fe3O4, Fe2O3 tác dụng vừa hết với 260 ml HCl 1M thu dung dịch X Cho X phản ứng với dung dịch NaOH dư thu kết tủa Y Nung Y ngồi khơng khí đến khối lượng khơng đổi thu đến khối lượng khơng đổi m(g) chất rắn Tính m GV Nguyễn Quốc Tuấn Trang Chuyên đề Phương pháp giải tập hỗn hợp sắt oxit sắt [B].k FeO FeCl2 NaOH Fe(OH )2 nungtrongkk HCl Phân tích đề: Sơ đồ Fe2 O3 Fe2O3 Fe(OH )3 FeCl3 Fe O + Ta coi H+ axit phản ứng với O2- oxit + Toàn Fe oxit chuyển Fe2O3 + Từ số mol H+ ta tính số mol O oxit từ tính lượng Fe có oxit + Nung kết tủa ngồi khơng khí thu Fe2O3 Giải: Ta có nH nHCl 0, 26mol Theo phương trình: 2H O 2 H 2O O2- oxi hỗn hợp oxit 0,26 nO2 0,13mol 0,13 mà theo định luật bảo toàn khối lượng ta có: mFe + mO =7,68 Nên mFe = 7.68 – 0,13x16 =5,6(gam) nFe = 0,1 mol Fe2O3 Ta lại có 2Fe 0,1 0,05 Vậy m = 0,05x160 = gam Nhận xét: Ngoài cách giải ta quy hỗn hợp cịn FeO Fe2O3 Fe3O4 coi hỗn hợp FeO.Fe2O3 với số mol Dạng sắt hỗn hợp oxit sắt phản ứng với axit thường: H+ Tổng quan dạng này: Dạng giống dạng thứ nhiên sản phẩm phản ứng ngồi H2O cịn có H2 Fe phản ứng Như liên quan đến H+ có phản ứng sau: H 2e H2 H O H 2O Như dựa vào tổng số mol H+ số mol H2 để tìm số mol O2- từ tính tổng số mol Fe Đề ra: Cho 20 gam hỗn hợp gồm Fe, FeO, Fe3O4, Fe2O3 tác dụng vừa hết với 700 ml HCl 1M thu dung dịch X 3,36 lít khí H2 (đktc) Cho X phản ứng với dung dịch NaOH dư thu kết tủa Y Nung Y ngồi khơng khí đến khối lượng khơng đổi thu đến khối lượng không đổi m(g) chất rắn Tính m GV Nguyễn Quốc Tuấn Trang Chuyên đề Phương pháp giải tập hỗn hợp sắt oxit sắt [B].k Fe H2 FeO Fe(OH )2 nungtrongkk HCl NaOH Phân tích đề: Sơ đồ FeCl2 Fe2O3 Fe(OH )3 Fe2 O3 FeCl Fe3O4 + Ta coi H+ axit vừa nhận electron để thành H2 phản ứng với O2- oxit + Toàn Fe oxit cuối chuyển Fe2O3 + Từ tổng số mol H+ số mol H2 ta tính số mol O oxit từ tính lượng Fe có oxit Giải: Ta có nH nHCl 0, mol , nH 0,15mol Ta có phương trình phản ứng theo H+ H 2e H (1) H O H 2O(2) Từ (1) ta có nH 0,3mol (vì số mol H2=0,15mol) số mol H+ phản ứng theo phản ứng (2) 0,4 mol( tổng 0,7 mol) Vậy số mol O2- là: 0,2 mol mà theo định luật bảo tồn khối lượng ta có: mFe + mO =7,68 Nên mFe = 20 – 0,2x16 =16,8 (gam) nFe = 0,3 mol Fe2O3 Ta lại có 2Fe 0,3 0,15 Vậy m = 0,15x160 = 24 gam Dạng chuyển đổi hỗn hợp tương đương: Tổng quan: Trong số oxit sắt ta coi Fe3O4 hỗn hợp FeO Fe2O3 có số mol Như có hai dạng chuyển đổi Khi đề cho số mol FeO Fe2O3 có số mol ta coi hỗn hợp Fe3O4 cịn khơng có kiện ta coi hỗn hợp FeO Fe2O3 Như hỗn hợp từ chất ta chuyển thành hỗn hợp chất chất tương đương Bài 1: Hỗn hợp A gồm FeO, Fe2O3, Fe 3O4 (trong số mol FeO số mol Fe2O3) Hịa tan 4,64 gam dung dịch H2SO4 lỗng dư 200 ml dung dịch X Tính thể tích dung dịch KMnO4 0,1M cần thiết để chuẩn độ hết 100 ml dung dịch X? Phân tích đề: Theo để số mol FeO số mol Fe2O3 nên ta coi hỗn hợp có Fe3O4 Sau phản ứng với H2SO4 thu muối FeSO4 Fe2(SO4)3 Dung dịch KMnO4 tác dụng với FeSO4 H2SO4 dư Như từ số số mol Fe3O4 ta tính số mol FeSO4 từ tính số mol KMnO4 theo phương trình phản ứng phương pháp bảo toàn electron GV Nguyễn Quốc Tuấn Trang Chuyên đề Phương pháp giải tập hỗn hợp sắt oxit sắt [B].k Giải: Vì số mol FeO số mol Fe2O3 nên ta coi hỗn hợp Ta có nFe3O4 4, 64 0,02mol 232 Ptpư: Fe3O4 + 4H2SO4 FeSO4 + Fe 2(SO4)3 + 4H2O 0,02 0,02 Trong 100 ml X có 0,01 mol FeSO4 nên: 10FeSO4 + 2KMnO4 +8H2SO4 5Fe2(SO4)3 + K2SO4+2MnSO4+8H2O 0,01 0,002 Như ta có VKMnO4 0, 002 0, 02(lit ) hay 20 ml 0,1 Bài tập 2: Cho m gam hỗn hợp oxit sắt gồm FeO, Fe3O4 Fe2O3 tan vừa hết dung dịch H2SO4 tạo thành dung dịch X Cô cạn dung dịch X thu 70,4 gam muối, mặt khác cho Clo dư qua X cô cạn thu 77,5 gam muối Tính m? Phân tích đề: Cho oxit tác dụng với H2SO4 ta thu muối FeSO4 Fe2(SO4)3 Do ta coi hỗn hợp ban đầu gồm hai oxit FeO Fe2O3 Ta thấy khối lượng muối tăng lên phản ứng: 2Fe2+ + Cl2 2Fe3+ + 2Cl- Như khối lượng tăng lên khối lượng Clo Vậy từ khối lượng Clo ta tính số mol Fe2+ từ tính số mol FeO, mặt khác ta có tổng khối lượng muối FeSO4 Fe2(SO4)3 mà biết FeSO4 từ ta tính Fe2(SO4)3 biết số mol Fe2O3 Giải: Coi hỗn hợp gồm FeO Fe2O3 ta có phương trình phản ứng: FeO + H2SO4 FeSO4 + H2O Fe2O3 + 3H2SO4 Fe2(SO4)3 + 3H2O Khối lượng tăng lên khối lượng Cl- có muối theo phương trình: 2Fe2+ + Cl2 2Fe3+ + 2Cl- Vậy nCl 77,5 70, 0, 2mol Như số nFe2 nFeSO4 nFeO 0, 2mol 35,5 Mà mFeSO4 mFe2 ( SO4 )3 70, nFe2 ( SO4 )3 70, 0, x152 0,1mol 400 Nên nFe2 ( SO4 )3 nFe2O3 0,1mol Do m mFeO mFe2O3 0, x72 0,1x160 30, 4( gam) Vậy m = 30,4 gam GV Nguyễn Quốc Tuấn Trang Chuyên đề Phương pháp giải tập hỗn hợp sắt oxit sắt [B].k IV MỘT SỐ BÀI TẬP VẬN DỤNG: Bài 1: Để m g sắt ngồi khơng khí thời gian hỗn hợp rắn gồm Fe, FeO, Fe2O3, Fe3O4 có tổng khối lượng 30g Cho hh tan HNO3 dư 5.6 lít NO (đktc) Tính m? Bài Hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe2O3 Cho luồng khí CO qua ống sử dụng mg hh X đun nóng Sau kết thúc thí nghiệm thu 64g chất rắn 11.2 lít khí B(đktc)có tỉ khối so với H2 20.4 Tính m ? Bài Để khử hồn tồn 3,04 gam hỗn hợp Y (gồm FeO, Fe3O4, Fe2O3) thí cần 0,05 mol H2 Mặt khác hoà tan hoàn toàn 3,04 gam hỗn hợp Y dung dịch H2SO4 đặc thu khí SO2 (sản phẩm khử nhất) Tính thể tích SO2 (đktc)? Bài Đốt cháy m gam sắt ngồi khơng khí sau thời gian thu 5,04 gam hỗn hợp X gồm sắt oxit sắt Hòa tan hỗn hợp X HNO3 lỗng dư thu 0,784 lít khí(đktc) gồm NO NO2 có tỉ khối so với H2 19 Tính m? Bài Đốt cháy 16,8 gam bột sắt khơng khí, sau thời gian thu hỗn hợp X gồm sắt oxit Cho hòa tan hết X dung dịch H2SO4 đặc nóng thu 5,6 lít khí SO2 (sản phẩm khử nhât đktc) Tính m Nếu thay H2SO4 HNO3 đặc nóng thể tích NO2 (đktc) bao nhiêu? Bài Cho luồng khí CO qua ống sứ đựng m gam Fe2O3 nung nóng Sau thời gian thu hỗn hợp X nặng 44,64 gam gồm Fe, FeO, Fe3O4, Fe2O3 Hịa tan X HNO3 lỗng dư thu 3,136 lít khí NO (đktc) Tính m? Bài Cho luồng khí CO qua ống sứ đựng 18,08 gam Fe2O3 nung nóng Sau thời gian thu hỗn hợp X nặng 13,92 gam gồm Fe, FeO, Fe3O4, Fe2O3 Hòa tan X HNO3 đặc nóng thu V lít khí NO2 (đktc) Tính V? C KẾT LUẬN Trong giảng dạy bồi dưỡng học sinh giỏi ơn thi đại học tơi có nhiều trăn trở dạy phần hỗn hợp sắt hợp chất sắt Tôi nhận thấy kể đề thi học sinh giỏi đề thi đại học số lượng câu hỏi sắt hợp chất sắt chiếm tỉ lệ định đặc biệt toán kinh điển Trên thực tế mạnh dạn đưa phương pháp giải tập vào qua giảng dạy thấy học sinh nắm vấn đề tương đối nhẹ nhàng có hiệu rõ rệt định hướng thời gian giải tập Đó động lực để tơi hồn thành đề tài này, rât mong nhận quan tâm góp ý bạn đồng nghiệp./ GV Nguyễn Quốc Tuấn Trang 10 ...Chuyên đề Phương pháp giải tập hỗn hợp sắt oxit sắt [B].k II TỔNG QUAN VỀ BÀI TẬP HỖN HỢP SẮT VÀ OXIT SẮT: Bài tập Fe hỗn hợp oxit sắt thường có dạng cho khối lượng cho... GV Nguyễn Quốc Tuấn Trang Chuyên đề Phương pháp giải tập hỗn hợp sắt oxit sắt [B].k IV MỘT SỐ BÀI TẬP VẬN DỤNG: Bài 1: Để m g sắt ngồi khơng khí thời gian hỗn hợp rắn gồm Fe, FeO, Fe2O3, Fe3O4... trình phản ứng phương pháp bảo tồn electron GV Nguyễn Quốc Tuấn Trang Chuyên đề Phương pháp giải tập hỗn hợp sắt oxit sắt [B].k Giải: Vì số mol FeO số mol Fe2O3 nên ta coi hỗn hợp Ta có nFe3O4