Giải bài tập Hóa 12 Bài 31: Sắt

Chương VII.
SẮT VÀ MỌT SÔ KIM LOẠI QUAN TRỌNG
§31. SẮT
A. TÓM TẮT LÍ THUYẾT
VỊ TRÍ, CẤU TẠO VÀ TÍNH CHAT VẬT LÍ
Sắt (Fc) là nguyên tố thuộc nhóm VIIIB, chu kì 4, có số’ hiệu nguycn tử là 26. Cấu hình electron cùa sắt ls22s22p63s23p63d64s2.
Sắt nguyên chất là kim loại có màu trắng hơi xám, dẻo, dễ rèn, nhiệt độ nóng chảy 154Ơ’C. Sắt có tính nhiễm từ, đây là tính chất vật lí đặc biệt chỉ có ở kim loại sắt.
TÍNH CHẤT HÓA HỌC
Tính chất hóa học cơ bản của Fc là tính khử. Nguyên tử Fe có thể bị oxi hóa • thành ion Fc2+ hoặc Fc3+ tùy thuộc vào chất oxi hóa đã tác dụng với sắt. Chất oxi hóa mạnh như Ch; HNO3; H2SO4 đặc nóng,... oxi hóa Fc thành Fe3+; chất oxi hóa
yếu hơn như HC1; H2SO4 loãng; một số dung dịch muối,... oxi hóa Fe thành Fe2+.
Tác dụng với 02: 3Fc + 2O2 -> FC3O4.
(Oxil sắt từ Fe,o4 có thể coi là oxil hỗn hợp sắt II và sắt III oxit với tỉ lệ mol 1:1. được viết là FCO.FC2O3).
Tác dụng với axit
Với HC1, H2SO4 loãng, sắt bị oxi hóa thành ion Fc2+.
Fe + 2HC1 -> FcCh + H2T; Fe + H2SO4 loãng -» FcSO4 + H2t.
Với HNO3, H2SO4 đặc nóng, sắt bị oxi hóa thành Fc3+.
Fc + 4HNO3 loãng —> Fe(NƠ3)3 + NOỲ+ 2H2O.
Fc + óHNOsđặc nóng —> Fc(NO3)3 + 3NO2T+ 3FFO.
2Fe + 6H2SO4đặc nóng -> Fc2(SO4)3 + 3SO2t+ 3H2O.
Cũng như Al, Fc không tác dụng với HNOì, H2SO4 đặc nguội. Người ta nói sắt bị thụ động trong HNO3 và H2SO4 đặc nguội.
Tác dụng với phi kim: ở nhiệt độ cao, sắt khử mạnh mẽ nguyên tử phi kim thành anion: Fc + s ———> FcS; 2Fc + 3Ck —'—> 2FeƠ3.
Tác dụng với dung dịch muôi của kim loại yếu hơn sắt
Fe + C11SO4 -> FcSƠ4 + Cuị.
Tác dụng với nước ở nhiệt độ cao: 3Fc + 4H2O —' c' > FC3O4 + 4H2T.
Fc + H2O >57()"c > FcO + H2t.
CÁC QUẶNG CHỨA SAT trong Tự NHIÊN
Quặng: Manhelit : Fe3O4; Hematic Fe2O3; Xiđerit: FeCO3; Pirit: FeS;
KIẾN THỨC BỔ SƯNG
Tương tác giữa Fe và HNO3 (hoặc H1SO4 đặc nóng)
Axit dư => Fe thiêu => dung dịch sau phàn ứng có Fe3+, H+ dư.
Axit thiếu => Fe dư sẽ xảy ra phản ứng Fe + 2Fc** -> 3Fe2+. Có 2 trường hợp xảy ra ở đây.
Trường hợp 1: Sau phản ứng Fc vẫn còn ưư => dung dịch sau phản ứng chỉ có duy nhất Fe2+.
Trường hợp 2: Sau phản ứng Fe đã tan hết => dung dịch thu được có thể là Fe2+ hoặc (Fe2+ + Fe',+).
Nhiệt phân muôi sắt Thông thường có 2 giai đoạn
Giai đoạn 1: Nhiệt phân.
Giai đoạn 2: Tương lác giữa các sản phẩm tạo thành (nếu có).
Ví dụ: Nhiệt phân Fe(NO3)2 đến khối lượng không đổi.
4Fe(NO3)2 ——> 4FeO + 20, t + 8NO2T.
4FeO + o2 —2Fe,O3.
4Fe(NO3)2 —2Fe2O3 + 0,T + 8NO2T.
Đặc biệt: Nung Fe(0H)2 trong không khí đốn khôi lưựng không đổi, la có:
4Fe(OH)2 + 0, + 2H,0 -> 4Fe(OH)3.
4Fe(OH)3 —2Fe,O3 + 6H2O.
4Fe(OH)2 + 02 —2Fc2O3 + 4H2O.
Xác định tên kim loại, oxit kim loại
Xác định tên kim loại
.	 f*n là hóa trị của kim loại (1 <11 <3)
Dựa vào hàm sô M - l(n), biện luận <	A , X.
(* M là nguyên lử khôi của kim loại
Ví dụ: M = 9n (1 < n < 3)
n
l
2
3
M
9
18
27
Kết luận
Loại
Loại
AI
Xác định tên oxit kim loại
• Oxit kim loại hóa trị n : M2On
4. Khử oxit sắt bởi khí co
Phản ứng hoàn toàn và co dư: Oxit sắt bị co khử hết thành Fc.
FexOy + yCO ——> xFe + yCO2.
(Với H2 ta có tương tự FcxOy + yH2 —» xFe + yH2O).
Phản ứng không hoàn toàn hoặc co thiếu
Quy luật: Fe2O3 bị khử theo quy luật sau đây :
Fe2O3	Fe3O4 co-1'1 > FcO co-1" -> Fe.
Ghi nhớ:
- E11 co - Enco,
• Oxit kim loại : MxOy. Với FexOy
* —= ị(FeO) y 1
*^ = |(Fe2O3) y 3
*ỉ=2(Fc304) y 4
mhhdẩu + mCo = mhh sau + mc0> hay mx + mco = mY + mCo2
Khí co hoặc H2 chỉ khử được oxit của kim loại đúng sau AI (tức là từ Zn trở về sau trong dãy điện hóa).
5. Phương pháp bảo toàn electron
íz) ứng dụng: Dùng để giải cho bài toán hóa có nhiều phản ứng hóa học dạng oxi hóa-khử như : Hỗn hợp kim loại tác dụng với dung dịch hỗn hợp. axit oxi hóa, hỗn hợp kim loại tác dụng với dung dịch hỗn hợp muối,....
b) Một số bán phản ứng thường dùng
♦ Quá trình nhường electron
Kim loại M hóa trị n: M - n.e —> M"+
Hợp chất của kim loại với lưu huỳnh
+3	+6
FeS2- 15e-> Fe + 2S
+2 +6 2Cu + s
+3	+6
FeS - 9e —> Fe + s
+3	+4
FeS2 - 1 Ịe -» Fe + 2S +3	+4
FeS - 7e —> Fe + s
Cu2S - lOe CuS - 8e -
+2	+4
+2 +6 Cu + s
Cu2S - 8e —> 2Cu + s
+2	+4
CuS - 6e —> .Cu + s
Quá trình nhận electron
HNO3: 2HNO3 + le -> NO2T + NO’ + H2O
4HNO3 + 3c -> NOt + 3 NO; + 2H2O IOHNO3 + 8c -> N2ot + 8 NO; + 5H2O 12HNO.3 + 10c -> N?t + 10 NO’ + 6H2O 9HNO3 + 8c -> NH3T + 8NO; + 3H2O
H2SO4 đặc nóng : 2H2SO4 + 2e -> so2t + SO4- + 2H2O
5H2SO4 + 8c -> H2ST + 4 so2’ + 4H2O
Cl2; O2: Cb + 2c -> 2C1-; 02 + 4c -> 2O2’
Cóc hước Ịỉiủi
Tóm tắt đề, khảo sát số oxi hóa của tất cả các nguyên tó” có sô” oxi hóa bị thay đổi trong toàn bài.
Tính sô” mol các sản phẩm khí sinh ra.
Thiết lập 2 quá trình:
Quá trình nhường electron => y nc nhườn„
Quá trình nhận electron => E nhận
—> ^ncnhường — °C nhận’ kết hợp với các giả thiết khác của đề thi
như : Định luật bảo toàn khôi lượng, khô”i lượng hỗn hợp...., rút ra hộ phương trình giải.
Chú ý:
Các sản phẩm khử (các khí) sinh ra đề thi có thể không báo rõ ràng, ta dựa vào tính chat của axil và khôi lượng mol phân tử trung bình M (MA <M<Mb) để tìm ra các sản phẩm khí này.
Vơi Fe, trải qua nhiều phản ứng nên chú ý đến sô” 0X1 hóa đầu và cuô”i.
Các bán phản ứng ở mục III.5.b chỉ dùng để tính sô mol HNO3, H2SO4 nhanh chóng trong trường hợp hỗn hợp đầu là kim loại. Nếu hỗn hợp đầu là oxit kim loại hoặc các hợp chất chứa s của các kim loại thì việc tính sô” mol axit trở nén khó khăn hơn. Trong trường hợp này phải dùng định luật bảo toàn nguyên tô” để tính sô” mol HNO;, H2SO4.
Vơi hỗn hợp 3 oxit (FeO. FC2O3, FC3O4) nên chuyển thành 2 oxil FcO, FC2O3 để thuận tiện việc tính toán.
B. MỘT SỐ VÍ DỤ MINH HỌA
Ví dụ 1. Hỗn hợp X gồm Fe và FeO có khối lượng 17,6 gam, được nghiền nhỏ, trộn đều và chia thành hai phần hằng nhau. Hòa tan hoàn toàn phan một vào 300 ml dung dịch H:SŨ4 loãnglM. sau khi phản ứng xay ra hoàn toàn thu được 1,792 lít H: (đktc) và dung dịch y.
ỉ. Tinh khối lượng mỗi chất trong hỗn hợp X.
Nhd từ từ dung dịch KM11O4 0,5M vào dung dịch Y cho đến khi dung dịch vừa xuất hiện màu hồng nhạt thì dừng. Tính thế' tích dung dịch KMnOj 0,5M dã dùng và sô'moi H:SŨ4 còn lại trong dung dịch sau cùng.
Cho phẩn hai tác dụng với 140 ml dung dịch HN0.1 aM, khuấy đều. Sau khi phản ứng xay ra hoàn toàn, thu được 0,896 lít khí NO duy nhất (đktc), dung dịch Zvà còn lại m gam kìm loại. Tính nì và a.
Giải
Đ.ặt sô" mol của Fc và FcO trong hỗn hợp X lần lượt là 2x mol và 2y mol.
=> 2x,56 + 2y.72 = 17,6 (*)
Phần một ■.	Fc + H2SO4 —» FcSO4 + H2t (1)
X -» X -> X -> X FcO + H2SO4 -> FcSO4 + H2O (2)
y -» y	y
	 1,792	
Từ (1) => X =	= 0,08 (**)
22,4
(x=0,08
Giải hệ (*) và (**) ta được
•	■	|y=0,06
Khôi lưựng của các chất trong hỗn hợp X:
mFe = 2.0,08.56 = 8,96 (g); mFeo = 2.0,06.72 = 8,64 (g).
Dung dịch Y: FcSO4 (x + y) = 0,14 mol; H2SO4dư= 0,3 - (X + y) = 0,16 mol.
10FcSO4 + 2KMnO4 + 8H2SO4 -> 5Fc2(SO4)3 + K2SO4 + 2MnSO4 + 8H2O 0,14 ->	0,028 -> 0,112
The tích dung dịch KMnO4 0,5M đã dùng V = —= 0.056(l)=56 ml.
0,5
Số mol H2SO4 còn lại trong dung dịch sau cùng 0,16 - 0,112 = 0.048 mol.
3. ♦ Phẩn hai: Fc 0,08 moi; FcO 0,06 mol. Sô" mol NO 0,04 mol.
Fc
+
4HNO3 -> Fc(NO3)3
+ NOT + 2H2O
(3)
0,02
<—
0,08 <- 0,02
<- 0,02 = (0,04 - 0,02)
3FcO
+
lOHNOỉ—> 3Fc(NO3)3
+ NOt + 5H3O
(4)
0.06
—»
0,2 -> 0,06
-> 0,02
Fc
+
2Fc(NO3)3 -> 3Fc(NO3)2
(5)
0,04
<-
0,08 = (0,02 + 0,06)
Từ (4) => nNO= 0,02 mol => IINOO) - 0,04 - 0,02 = 0,02 moi.
Từ (3) và (4) =>nHN0| = 0,08 + 0,2 = 0,28 mol => a = CN
= 2M.
• Theo bài ta có 0,02.56 + 0,04.56 + mFeđư= 0,08.56=> mFedư = 1,12(g) 0,28
'liNO, Q 14
Ví dụ 2. Hỗn hợp X gồm FeO, Fe:O< vù Fe.iOj có khối lượng m gam được nghiền nhỏ, trộn đều vủ chia thành hai phần hằng nhau. Hòa tan hoàn toàn phần một vào dung dịch HNOt đặc nóng dư thu được 1,792 lít NO: (đktc) là sản phẩm khử duy nhất và 67,76 gam muối.
Tính m.
Nung phần hai với khí co một thời gian thu dược 20,48 gam chất rắn. Hấp thụ toàn hộ lượng CO: sinh ra vào hình nước vói trong dư. Tính khối lượng kết tủa thu dược.
Giải
' FcO X mol
ì
1. Hỗn hợp bít oxit
chuyển thành
Fc,o, y mol
Fc3O4 /. mol (Fe3O4 = FcO + Fc2O3) 7	—>	7.	->	7.
TTX , . , •	■ fFcO x + z = 2amol
Hôn hỢp hai oxit < _
Fc2O, y + 7. = 2b mol
(1)
(2)
Như vậy xem như hỗn hợp X chỉ có FcO 2a mol và Fc;O.ì 2b mol FcO + 4HNO.Ì	->	Fe(NO.,b+	NO;?	+ 2H;O
a	—>	a ->	a
Fc;O; + 6HNO3 -+	2Fe(NO3)3 + 3H;O
b	->	2b
a=-
Từ (1) và (2) ta có
22,4
fa = 0,08
a + 2b=
67,76
242
[b=0.1
1,792
c mol.
Khối lượng của hôn hợp X: m - 2.0,08.72 + 2.0,1.160 = 43,52 (g).
n,-
co,
2. Trong quá trình khử ta luôn có nco
Áp dụng định luật báo toàn khôi lượng cho quá trình khử ta có
nthồn h(íp dầu + tn^Q — mhỏn hựp sau + ^co,
=>	—+ 28c = 20.48 + 44c => c ỉ= 0.08
2
CO; + Ca(OH); ->CaCỒ3ị + H;O.
0,08 -+ 0,08
Khôi lượng kết tủa thu được m = 0,08.100 = 8 (g).
Ví dụ 3. Hỗn hợp X gồm Fe và Cu được nghiền nhỏ, trộn đều và chia thành hai phần không bằng nhau. Hòa tan hoàn toàn phần một có khối lượng 5,52 gam vào dung dịch HNOỉ 8M (dư 20%) thu được dung dịch y và hỗn hợp khí z gồm 0,03 mol NO? và 0,06 mol NO. Các phan ứng xảy ra hoàn toàn.
ỉ. Tính khối lượng mỗi kim loại trong phần một và thể tích dung dịch HNO.1 đã dùng.
2. Cho phần hai vào bình ,4 chứa 300 mỉ dung dịch HCl 2M. sau khi phan ứng xay ra hoàn toàn thu được 1,344 lít H: (dktc). Cho tiếp dung dịch NaNOỉ từ từ vào hình (sau phan ứng của hỗn hựp X với bình A), cho đến khi khí ngừng thoát ra thu được V lít khí NO (sán phẩm khử duy nhất). Tính khối lượng cua phần hai và
Giải
Đặt số mol Fc và Cu trong phần một lần lượt là X moi và V mol.
=> 56x + 64y = 5.52 (*)
• Quá trình nhường electron Fc" - 3c -> Fe3+
X —>3x —> X Cu° - 2e -> Cu2+ y -> 2y. -> y y= (3x + 2y) mol
• Quá trình nhận electron
2HNƠ3 + lc -> NO2t + NO; + H2O (1) 0,06 <- 0,03 <- 0,03
4HNƠ3 + 3c -> NOt + 3 NO; + 2H2O (2) 0,24 <-0,18 <-0.06 E nc,lhặn = 0,03+ 0,18 = 0,2 lmol
Ta có: ^Xnhưang = Encnhặn =>3x + 2y = 0,21 (**)
'	fx = 0,03
Giải hộ (*) và (**) ta được ;
y = 0.06
Khôi lượng mỗi chất trong hồn hợp X
niFc = 0,03.56 - 1,68 (g); mcu = 0,06.64 = 3,84 (g)
Từ (1) và (2) => nHNO( = 0,06 + 0,24 = 0,3 mol
Thế tích dung dịch HNO3 đã dùng V =	T-L = 0,045 (1) = 45 ml.
8 8 100
Số moi HC1 : 0,3.2 = 0.6 mol.
Fc + 2HC! -> FcC12 + H2t
0,06 <- 0,12 <- 0,06 <- 0,06 = yy.
22,4
Số mol Fc trong phần hai là 0,06 mol. Như vậy số mol Cu ưong phần hai là 0,12 mol.
» Khối lượng phẩn hai: m = 0,06.56 + 0,12.64 = 2.5,52 = 1 1,04 (g)
Sau phản ứng:
Fe2+ 0,06 mol; H+dư 0,6 - 0,12 = 0,48 mol; Cu 0,06.2 = 0,12 mol 3Cu + 8H++ 2N0, -> 3Cu2++ 2N0? + 4H2O.
0,12->0,32	->	0,08
3Fe2+ + 4H* + NO, -> 3Fc,+ + NO? + 2H2O.
0,06 -> 0,08 -> 0,02 • Thể lích khí NO sinh ra ở đktc : V = (0,02 + 0,081.22,4 = 2,24 (lít)
c. BÀI TẬP SÁCH GIÁO KHOA
CÚI. kim loại lliuộc dŨỴ nào Mill dây đều plidn Ifilfi với chill/; dịch CuCI; '
a. Mí. Mu, Aị;.	II. Ke, Nu. MfỊ.	c. liu. Mil, Hi;.	II. Nu, Hu, Ag.
Cấu lùiili electron nào .Mill dãy lù diu ion Ke"
a. ỊArỊ3ư*.	II. lArl.ỉd'.	c. lArl.ỉch.	I). /ArUít'.
Cho 2,52 xum IIIỘI kim loại lúc dụnx liếl với dunx dịch HỵS()j loũnx. lim dược 6.K-I xam muối sunful. Kim loại dó lù
a. Mx-	li. 7.n.	c. Ke.	II. AI.
Nxcĩni một	hỉ kim	loại có khôi	lưựux 5llx Ironx diinx dịch HCI. Suu	kill	lliu dược 336ml khí H; Idklc) thì khối
lượnx lú kim loại Ịỉiiim l,68'/r. Kim loại dó lù
a. Zn.	II. Ke.	c. AI.	II. Ni.
Hồn liợp /1	chứa Ke vù kim loại M có lioú irị	kliônx dồi Ironx mọi liợp	dial.	Ti lệ sô' moi ciia M vù Ke Ironx
hint hợp A là ì : 3. Cho 19,2 xam hint hụp a lull liêt vào dun/ỉ dịcli HCI lliu dược 8,96) lít khi Hỵ Cho 19,2 xam hồn liợp a lúc dull); với khi cì; thì cun i/ùiiíỉ 12,32 lít khi CK. Xúc dịnli kim loại M vù phần Irdm kliõi lưọnx cúc kim loai Iron/; hỗn hợp a. Cúc lliể liclì khi do ií dklc.
Hướng dẫn giải
Chọn B. Fe + CuCl2 -> FcCF + Cuị
Mg + CuCl2 —> MgCl2 + Cu ị 2Na + 2H2O -> 2NaOH + H2T CuCl2 + 2NaOH -> Cu(OH)2ị + 2NaCl
Clụm B. Câu hình e của Fe3+: ls22s22p63s23p63d5. Hay : [Ar]3ds
Chọn c. Đặt kí hiệu của kim loại cần lìm là M, hóa trị n, khối lượng mol nguyên tử của M là M, X mol.
2M + nH2SO4 —> M2(SO4)„+ nH2I X -> 0,5nx —> 0,5x -> 0,5nx
Áp dụng định luật bảo toàn khôi lượng ta có
mM + mH:;SOj = niMuối +	=> 2.52 + 0,5nx.98 = 6,84 + 0,5nx.2=>nx = 0,09( 1)
Mặt khác ta có : X.M = 2,52 (2)
Lấy (2) chia (1) ta được : M = 28n (1 < n < 3)
n
1
2
3
M
28
56
84
Kết luận
Loại
Fc
Loại
Chọn B. Đặt kí hiệu của kim loại cần tìm là M, hóa trị n, khôi lượng mol nguyên tử của M là M, X mol.
2M + 2nHCl -> 2MC1„+ nH2T X	-»	0,5nx
Khôi lượng của lá kim loại giảm chính bằng lượng kim loại tham gia phẳn ứng Ta có: mM = 50.	= 0,84 (g)
Theo đề bài ta có
0,5nx
0,336
22,4
(1)
22,4
Giải hộ (**) và (****) ta được X = 0,1 và n = 2
Từf*)=> 56.3.0,1	+ O.l.M = 19,2 => M = 24 g/mol ( Mg)
Thành phần phần trăm khối lượng mỗi kim loại trong hỗn hợp A
%m 3.0,1 56.100 =87 5% %mMg= 100-87,5 = 12,5%. 19,2