Kiến thức lý thuyết chuyên đề 3 sắt và hợp chất của sắt

Trang 1 CHUYÊN ĐỀ 3: SẮT VÀ HỢP CHẤT CỦA SẮT KIẾN THỨC LÝ THUYẾT A. SẮT I. VỊ TRÍ CẤU TẠO  Vị trí: Sắt là nguyên tố kim loại chuyển tiếp, thuộc nhóm VIIIB, chu kì 4, số hiệu nguyên tử là 26.  Cấu hình electron nguyên tử: 2 2 6 2 6 6 2 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s ; hoặc viết gọn là 62 Ar3d 4s .  Cấu hình electron của ion 26 Fe :Ar3d   Cấu hình electron của ion 35 Fe :Ar3d   Số oxi hóa: Trong các hợp chất, sắt có các số oxi hóa là 2, 3.   Cấu tạo đơn chất: Tùy thuộc vào nhiệt, kim loại Fe có thể tồn tại ở mạng tinh thể lập phương tâm khối (Fe )  hoặc lập phương tâm diện (Fe ).   Năng lượng ion hóa: 1 2 3 I 760 (KJmol); I 1560 (KJmol); I 2960 (KJmol).     Bán kính nguyên tử và ion: 23 (Fe) (Fe ) (Fe ) R 0,162 (nm);R 0,076 (nm);R 0,064 (nm).      Thế điện cực chuẩn: 2 3 3 2 O O O (Fe Fe) (Fe Fe) (Fe Fe ) E 0,44V; E 0,036V; E +0,77V.        II. TÍNH CHẤT VẬT LÝ Sắt là kim loại màu trắng hơi xám, dẻo, dễ rèn, nóng chảy ở nhiệt độ o 1540 C, có khối lượng riêng là 3 7,9gcm . Sắt có tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, đặc biệt có tính nhiễm từ. III. TÍNH CHẤT HÓA HỌC Sắt là kim loại có tính khử trung bình. Khi tác dụng với chất oxi hóa yếu Fe bị oxi hóa thành 2 Fe ,  với chất oxi hóa mạnh Fe bị oxi hóa thành 3 Fe .  Fe  2 Fe 2e   Fe  3 Fe 3e   1. Tác dụng với phi kim Sắt khử nhiều phi kim thành ion âm, trong khi đó Fe bị oxi hóa thành 2 Fe  hoặc 3 Fe .  0 t Fe + S FeS  0 t 2 3 4 3Fe + 2O Fe O  0 t 23 2Fe + 3Cl 2FeCl  2. Tác dụng với axit a) Với axit HCl, H2SO4 loãng Fe khử dễ dàng ion H  trong axit HCl, 24 H SO loãng thành khí 2 H, đồng thời Fe bị oxi hóa thành 2 Fe .  Trang 2 2 2 Fe 2H Fe H       2 4 4 2 Fe H SO FeSO H     b) Với axit HNO3, H2SO4 đặc  Sắt bị thụ động hóa trong axit 3 HNO đặc, nguội và 24 H SO đặc, nguội.  Với axit 3 HNO loãng, 3 HNO đặc nóng và 24 H SO đặc nóng, Fe bị oxi hóa mạnh thành 3 Fe .  24 2Fe 6H SO  (đặc) 0 t 2 4 3 2 2 Fe (SO ) + 3SO + 6H O   3 Fe 6HNO  (đặc) 0 t 3 3 2 2 Fe(NO ) + 3NO + 3H O   3 Fe 4HNO  (loãng) 0 t 3 3 2 Fe(NO ) + NO + 2H O   3. Tác dụng với nước Ở nhiệt độ cao, sắt khử được hơi nước: 0 t 570 C 2 3 4 2 3Fe 4H O Fe O 4H      0 t 570 C 22 Fe H O FeO H      4. Tác dụng với dung dịch muối Sắt khử được những ion của kim loại yếu hơn trong dung dịch muối thành kim loại tự do. 44 Fe CuSO FeSO Cu     3 Fe 3AgNO  (dư) 33 Fe(NO ) 3Ag    5. Hiện tượng ăn mòn điện hóa Ăn mòn điện hóa học hợp kim của sắt (gang, thép) trong không khí ẩm: Gang, thép là hợp kim Fe C gồm những tinh thể Fe tiếp xúc trực tiếp với tinh thể C (graphit) Không khí ẩm có chứa 2 2 2 H O,CO ,O ... tạo ra lớp dung dịch chất điện li phủ lên bề mặt gang, thép làm xuất hiện vô số pin điện hóa mà Fe là cực âm, C là cực dương. Ở cực âm xảy ra sự oxi hóa: 2 Fe Fe 2e   Ở cực dương xảy ra sự khử: 2 2H 2e H   và 22 O 2H O 4e 4OH     Tiếp theo: 2 2 Fe 2OH Fe(OH)   2 2(kk) 2 3 4Fe(OH) O 2H O 4Fe(OH)    Theo thời gian 3 Fe(OH) sẽ bị mất nước tạo ra gỉ sắt có thành phần chủ yếu là 2 3 2 Fe O .xH O IV. ỨNG DỤNG Sắt là kim loại được sử dụng nhiều nhất, chiếm khoảng 95% tổng khối lượng kim loại sản xuất trên toàn thế giới. Sự kết hợp của giá thành thấp và các đặc tính tốt về chịu lực, độ dẻo, độ cứng làm cho nó trở thành không thể thay thế được, đặc biệt trong các ứng dụng như sản xuất ô tô, thân tàu thủy lớn, các Trang 3 bộ khung cho các công trình xây dựng. Thép là hợp kim nổi tiếng nhất của sắt, ngoài ra còn có một số hình thức tồn tại khác của sắt như: Gang thô (gang lợn) chứa 4% 5% cacbon và chứa một loạt các chất khác như lưu huỳnh, silic, phốt pho. Đặc trưng duy nhất của nó: nó là bước trung gian từ quặng sắt sang thép cũng như các loại gang đúc (gang trắng và gang xám). Gang đúc chứa 2% 3,5% cacbon và một lượng nhỏ mangan. Các chất có trong gang thô có ảnh hưởng xấu đến các thuộc tính của vật liệu, như lưu huỳnh và phốt pho chẳng hạn sẽ bị khử đến mức chấp nhận được. Nó có điểm nóng chảy trong khoảng 14201470 K, thấp hơn so với cả hai thành phần chính của nó, làm cho nó là sản phẩm đầu tiên bị nóng chảy khi cacbon và sắt được nung nóng cùng nhau. Nó rất rắn, cứng và dễ vỡ. Làm việc với đồ vật bằng gang, thậm chí khi nóng trắng, nó có xu hướng phá vỡ hình dạng của vật. Thép carbon chứa từ 0,5% đến 1,5% cacbon, với một lượng nhỏ mangan, lưu huỳnh, phốt pho và silic. Sắt non chứa ít hơn 0,5% cacbon. Nó là sản phẩm dai, dễ uốn, không dễ nóng chảy như gang thô. Nó có rất ít cacbon. Nếu mài nó thành lưỡi sắc, nó đánh mất tính chất này rất nhanh. Các loại thép hợp kim chứa các lượng khác nhau của cacbon cũng như các kim loại khác, như crom, vanađi, môlipđen, niken, vonfram, v.v. V. SẢN XUẤT Sắt chiếm khoảng 5% khối lượng vỏ Trái Đất, đứng hàng thứ hai trong các kim loại (sau nhôm). Trong tự nhiên, sắt tồn tại chủ yếu ở dạng hợp chất trong các loại quặng, sắt tự do chỉ tìm thấy trong các mảnh thiên thạch. Quặng sắt quan trọng là: quặng hematit đỏ ( 23 Fe O khan), quặng hematit nâu ( 2 3 2 Fe O .nH O ), quặng manhetit 34 (Fe O ), quặng xiđerit 3 (FeCO ), quặng pirit sắt 2 (FeS ). Trong công nghiệp, sắt được trích xuất ra từ các quặng của nó, chủ yếu là từ hêmatit 23 (Fe O ) và manhetit 34 (Fe O ) bằng cách khử với cacbon trong lò luyện kim sử dụng luồng không khí nóng ở nhiệt độ khoảng o 2000 C. Trong lò luyện, quặng sắt, cacbon trong dạng than cốc, và các chất tẩy tạp chất như đá vôi được xếp ở phía trên của lò, luồng không khí nóng được đưa vào lò từ phía dưới. Than cốc phản ứng với 2 O trong luồng không khí tạo ra CO: 2 2 C + O 2 CO  CO khử quặng sắt (trong phương trình dưới đây là hematit) thành sắt nóng chảy, và nó trở thành 2 CO : 2 3 2 3 CO + Fe O 2 Fe + 3 CO  Chất khử tạp chất được thêm vào để khử các tạp chất có trong quặng (chủ yếu là đioxit silic cát và các silicat khác). Các chất khử tạp chất chính là đá vôi 3 (CaCO ) và đôlômit 3 (MgCO ). Các chất khử tạp chất Trang 4 khác có thể cho vào tùy theo các tạp chất có trong quặng. Trong sức nóng của lò luyện đá vôi bị chuyển thành vôi sống (CaO): 32 CaCO CaO CO  Sau đó CaO kết hợp với 2 SiO tạo ra sỉ. 23 CaO SiO CaSiO  Xỉ nóng chảy trong lò luyện ( 2 SiO thì không). Ở phần dưới của lò luyện, sỉ nóng chảy do nhẹ hơn nên nổi lên phía trên sắt nóng chảy. Các cửa lò có thể được mở để tháo sỉ hay sắt nóng chảy. Sắt khi nguội đi, tạo ra gang thô, còn xỉ có thể được sử dụng để làm đường hay để cải thiện các loại đất nông nghiệp nghèo khoáng chất B. HỢP KIM CỦA SẮT I. GANG: LÀ HỢP KIM SẮT CACBON VÀ MỘT SỐ NGUYÊN TỐ KHÁC: HÀM LƯỢNG C TỪ 2% 5%  Sản xuất gang: Nguyên tắc: Khử Fe trong oxit bằng CO ở nhiệt độ cao (phương pháp nhiệt luyện). Và quá trình này diễn ra nhiều giai đoạn: 2 3 3 4 Fe O Fe O FeO CO.     Các giai đoạn sản xuất gang: Giai đoạn 1: Phản ứng tạo chất khử. Than cốc được đốt cháy hoàn toàn: 22 C O CO  0 t 2 CO C CO.   Giai đoạn 2: Oxit Fe bị khử bởi CO về Fe. 0 t 2 3 3 4 2 CO 3Fe O 2Fe O CO    0 t 3 4 2 CO Fe O FeO CO    0 t 2 CO FeO Fe CO .    Phản ứng tạo sỉ: (tạo chất chảy chất bảo vệ không cho Fe bị oxi hóa). 0 t 32 CaCO CaO CO   0 t 23 CaO SiO CaSiO   Giai đoạn 3: Sự tạo thành gang: Fe có khối lượng riêng lớn nên chảy xuống phần đáy. Sỉ nổi trên bề mặt của gang có tác dụng bảo vệ Fe (Không cho Fe bị oxi hóa bởi oxi nén vào lò). Trang 5 Ở trạng thái nóng chảy: Fe có khả năng hòa tan được C và lượng nhỏ các nguyên tố Mn, Si… tạo thành gang. II. THÉP: THÉP LÀ HỢP KIM FE C (HÀM LƯỢNG C: 0,1 – 2%).  Sản xuất thép: Trong một số ứng dụng: Tính chất vật lí của gang không phù hợp khi sản xuất các vật dụng như dòn, độ cứng cao, dễ bị gãy… Nguyên nhân chính là do tỉ lệ C, Mn, S, P… trong gang cao vì vậy cần phải giảm hàm lượng của chúng bằng cách oxi hóa C, Mn, P, S… thành dạng hợp chất. Khi hàm lượng của các tạp chất này thấp thì tính chất vật lí được thay đổi phù hợp mới mục đích sản xuất, hợp chất mới được gọi là thép.  Nguyên tắc: Oxi hóa các tạp chất có trong gang (Si, Mn, C, S, P) thành oxit nhằm làm giảm hàm lượng của chúng.  Các giai đoạn sản xuất thép: Nén oxi vào lò sản xuất (Gang, sắt thép phế liệu) ở trạng thái nóng chảy. Giai đoạn 1: Oxi cho vào oxi hóa các tạp chất có trong gang theo thứ tự sau: 0 t 22 Si O SiO   0 t 22 Mn O MnO   0 t Mn FeO MnO Fe    0 t 2 2C O 2CO   0 t 23 CaO SiO CaSiO   0 t 22 S O SO   0 t 2 5 3 4 2 3CaO P O Ca (PO )   0 t 2 2 5 4P 5O 2P O .   Phản ứng tạo sỉ: Bảo vệ Fe không bị oxi hóa 23 CaO SiO CaSiO  2 5 3 4 2 3CaO P O Ca (PO )  Khi có phản ứng 2 2Fe O 2FeO  thì dừng việc nén khí. Giai đoạn 2: Cho tiếp gang có giàu Mn vào. Lượng FeO vừa mới tạo ra sẽ bị khử theo phản ứng: 0 t Mn FeO MnO Fe.    Mục đích: hạ đến mức thấp nhất hàm lượng FeO trong thép. Giai đoạn 3: Điều chỉnh lượng C vào thép để được loại thép theo đúng ý muốn. Trang 6 C. HỢP CHẤT CỦA SẮT I. HỢP CHẤT SẮT (II) Trong các phản ứng hóa học, ion 2 Fe  dễ nhường 1 electron để trở thành ion 3 Fe :  23 Fe Fe e    Như vậy, tính chất hóa học đặc trưng của hợp chất sắt (II) là tính khử. 1. Sắt (II) oxit, FeO  FeO là chất rắn, màu đen, không tan trong nước và không có trong tự nhiên.  FeO là oxit bazơ, tác dụng với axit HCl, 24 H SO ,... tạo ra muối 2 Fe .  Ví dụ: 22 FeO 2HCl FeCl H O     FeO có tính khử, tác dụng với chất oxi hóa như axit 3 2 4 HNO ,H SO đặc,… tạo thành muối 3 Fe .  Ví dụ: 24 2FeO 4H SO  (đặc) 0 t 2 4 3 2 2 Fe (SO ) SO 4H O     3 3FeO + 10HNO (loãng) 0 t 3 3 2 3Fe(NO ) NO 5H O      FeO có tính oxi hóa, tác dụng với chất khử mạnh như Al, CO, 2 H ,... tạo thành Fe. Ví dụ: 0 t 22 FeO H Fe H O     Điều chế: Nhiệt phân 2 Fe(OH) , khử 23 Fe O , dùng Fe khử 2 HO ở oo t 570 C,...  Ví dụ: 0 t 22 Fe(OH) FeO + H O  0 500 600 C 2 3 2 Fe O CO 2FeO CO     2. Sắt (II) hiđroxit, Fe(OH)2  2 Fe(OH) là chất rắn, màu trắng xanh, không tan trong nước. Trong không khí ẩm, 2 Fe(OH) dễ bị oxi hóa trong thành 3 Fe(OH) màu nâu đỏ. 2 2 2 3 4Fe(OH) O 2H O 4Fe(OH)     2 Fe(OH) là hiđroxit kém bền, dễ bị phân hủy bởi nhiệt.  Nhiệt phân 2 Fe(OH) không có không khí (không có 2 O ) : 0 t 22 Fe(OH) FeO H O    Nhiệt phân 2 Fe(OH) trong không khí (có 2 O ) : 0 t 2 2 2 3 2 4Fe(OH) O 2Fe O 4H O     2 Fe(OH) là một bazơ, tác dụng với axit HCl, 24 H SO loãng,… tạo ra muối 2 Fe .  2 2 4 Fe(OH) H SO  (loãng) 42 FeSO 2H O    2 Fe(OH) có tính khử, tác dụng với chất oxi hóa như axit 3 2 4 HNO ,H SO đặc,… tạo thành muối 3 Fe .  Trang 7 2 2 4 2Fe(OH) 4H SO  (đặc) 0 t 2 4 3 2 2 Fe (SO ) SO 6H O     23 3Fe(OH) 10HNO  (loãng) 0 t 3 3 2 3Fe(NO ) NO 8H O      Điều chế 2 Fe(OH) bằng cách cho muối sắt (II) tác dụng với dung dịch bazơ trong điều kiện không có không khí. 22 FeCl 2NaOH Fe(OH) 2NaCl     3. Muối sắt (II)  Đa số muối sắt (II) tan trong nước, khi kết tinh thường ở dạng ngậm nước như 42 FeSO .7H O, 22 FeCl .4H O,...  Muối sắt (II) có tính khử, bị các chất oxi hóa mạnh oxi hóa thành muối sắt (III). Ví dụ: 2 2 3 2FeCl Cl 2FeCl   (dung dịch màu lục nhạt) (dung dịch màu vàng nâu) 4 4 2 4 2 4 3 2 4 4 2 10FeSO 2KMnO 8H SO 5Fe (SO ) K SO 2MnSO 8H O       (dung dịch màu tím hồng) (dung dịch màu vàng)  Điều chế muối sắt (II) bằng cách cho Fe hoặc các hợp chất sắt (II) như FeO, 2 Fe(OH) ,... tác dụng với axit HCl, 24 H SO loãng (không có không khí). Dung dịch muối sắt (II) thu được có màu lục nhạt. 4. Ứng dụng của hợp chất sắt (II) Muối 4 FeSO được dùng làm chất diệt sâu bọ có hại cho thực vật, pha chế sơn, mực và dùng trong kĩ nghệ nhuộm vải. II. HỢP CHẤT SẮT (III)  Trong các phản ứng hóa học, tùy thuộc vào chất khử mạnh hay yếu, ion 3 Fe  có khả năng nhận 1 hoặc 3 electron: 32 Fe 1e Fe    3 Fe 3e Fe     Như vậy, tính chất hóa học đặc trưng của hợp chất sắt (III) là tính oxi hóa. 1. Sắt (III) oxit, Fe2O3  23 Fe O là chất rắn, màu đỏ nâu, không tan trong nước.  23 Fe O là oxit bazơ, tan trong các dung dịch axit mạnh như HCl, 2 4 3 H SO ,HNO ,... tạo ra muối 3 Fe .  Ví dụ: 2 3 3 3 3 2 Fe O 6HNO 2Fe(NO ) 3H O     23 Fe O có tính oxi hóa, tác dụng với chất khử như Al, C, CO, 2 H ,... ở nhiệt độ cao. Ví dụ: 0 t 2 3 2 3 Fe O 2Al Al O Fe    Trang 8 0 t 2 3 2 Fe O 3CO 2Fe 3CO     Điều chế 23 Fe O bằng cách nhiệt phân 3 Fe(OH) ở nhiệt độ cao. 0 t 3 2 3 2 2Fe(OH) Fe O 3H O   2. Sắt (III) hiđroxit, Fe(OH)3  3 Fe(OH) là chất rắn, màu nâu đỏ, không tan trong nước.  3 Fe(OH) là một bazơ, dễ tan trong các dung dịch axit như HCl, 2 4 3 H SO ,HNO ,... tạo ra muối 3 Fe .  Ví dụ: 3 2 4 2 4 3 2 2Fe(OH) 3H SO Fe (SO ) 3H O     Điều chế 3 Fe(OH) bằng cách cho muối sắt (III) tác dụng với dung dịch bazơ. Ví dụ: 33 FeCl 3NaOH Fe(OH) 3NaCl    3. Muối sắt (III)  Đa số muối sắt (III) tan trong nước, khi kết tinh thường ở dạng ngậm nước như 2 4 3 2 3 2 Fe (SO ) .9H O, FeCl .6H O,...  Muối sắt (III) có tính oxi hóa, dễ bị khử thành muối sắt (II). Ví dụ: 32 Fe 2FeCl 3FeCl   (dung dịch màu vàng) (dung dịch màu xanh nhạt) 3 2 2 Cu 2FeCl CuCl 2FeCl    (dung dịch màu vàng) (dung dịch màu xanh) 3 2 2 2FeCl + 2KI 2FeCl 2KCl I     Điều chế: Cho Fe tác dụng với các chất oxi hóa mạnh như 2 3 2 4 Cl ,HNO ,H SO đặc,… hoặc các hợp chất sắt (III) tác dụng với axit HCl, 24 H SO loãng,… Dung dịch muối sắt (III) thu được có màu vàng nâu. 4. Ứng dụng của hợp chất sắt (III)  Muối 3 FeCl được dùng làm chất xúc tác trong một số phản ứng hữu cơ. 2 4 3 Fe (SO ) có trong phèn sắtamoni 4 2 4 2 4 3 2 2 3 (NH ) SO .Fe (SO ) .24H O.Fe O được dùng để pha chế sơn chống gỉ.  Oxit sắt (III) được sử dụng để sản xuất các bộ lưu từ tính trong máy tính. Chúng thường được trộn lẫn với các hợp chất khác, và bảo tồn thuộc tính từ trong hỗn hợp này. CÁC DẠNG BÀI TẬP  DẠNG 1: DẠNG SẮT VÀ HỢP CHẤT CỦA SẮT PHẢN ỨNG VỚI CHẤT OXI HÓA MẠNH A. KHỞI ĐỘNG: NHẬN BIẾT Trang 9 Bài 1: Cho 11,36 gam hỗn hợp gồm Fe, FeO, 23 Fe O và 34 Fe O phản ứng hết với dung dịch 3 HNO loãng (dư), thu được 1,344 lít khí NO (sản phẩm khử duy nhất, ở đktc) và dung dịch X. Cô cạn dung dịch X thu được m gam muối khan. Giá trị của m là? A. 38,72 B. 35,50 C. 49,09 D. 34,36 Bài 2: Hòa tan hoàn toàn 3,58 gam hỗn hợp 3 kim loại Al, Fe, Cu bằng dung dịch 3 HNO thu được hỗn hợp sản phẩm gồm 0,04 mol NO và 0,06 mol 2 NO . Khối lượng muối có trong dung dịch sau phản ứng (không chứa muối amoni) là: A. 16,58 gam B. 15,32 gam C. 14,74 gam D. 18,22 gam Bài 3: Đốt cháy hoàn toàn 0,1 mol mỗi chất 2 FeS và CuS trong không khí rồi cho sản phẩm cháy tác dụng vừa đủ V ml dung dịch 4 KMnO 1M. Giá trị V (ml) là: A. 120 ml B. 160 ml C. 80 ml D. 300 ml. Bài 4: Hòa tan 6,96g 34 Fe O vào dung dịch 3 HNO dư thu được 0,224 lít xy NO (đktc) là sản phẩm khử duy nhất. Khí xy NO có công thức là? A. 2 NO B. NO C. 2 NO D. 23 NO Bài 5: Hòa toàn hoàn toàn hỗn hợp gồm x mol 2 Hg S và 0,04 mol 2 FeS bằng dung dịch 3 HNO đặc, đun nóng, chỉ thu các muối sunfat kim loại có hóa trị cao nhất và có khí 2 NO thoát ra. Trị số của x là A. 0,01 B. 0,02 C. 0,08 D. 0,12 Bài 6: Ion đicromat 2 27 Cr O ,  trong môi trường axit, oxi hóa được muối 2 Fe  tạo muối 3 Fe ,  còn đicromat bị khử tạo muối 3 Cr .  Cho biết 10 ml dung dịch 4 FeSO phản ứng vừa đủ với 12 ml dung dịch 2 2 7 K Cr O 0,1M trong môi trường axit 24 H SO loãng. Nồng độ mol của dung dịch 4 FeSO là