SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VĨNH PHÚC TRƯỜNG THPT TAM ĐẢO 2 --------------------- BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ HƯỚNG DẪN HỌC SINH GIẢI NHANH CÁC BÀI TẬP LIÊN QUAN ĐẾN SẮT VÀ HỢP CHẤT CỦA SẮT Người thực hiện: Đào Thị Liên Trình độ chuyên môn: Cử nhân Hóa Học Chức vụ: Giáo viên Nơi công tác: Trường THPT Tam Đảo 2 Tam Đảo, tháng 03 năm 2014 I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Trong chương trình phổ thông dạng bài toán hóa về sắt học sinh đã bắt đầu bắt gặp nhiều từ các lớp 10,11 và nhiều nhất ở lớp 12. Với lớp 10 học sinh chủ yếu giải theo phương pháp tự luận, lớp 11 học sinh đã tiếp cận dần đến các định luật, đặc biệt áp dụng định luật bảo toàn electron trong bài toán về axit nitric. Tuy nhiên đối tượng học sinh có thể vận dụng tốt phương pháp này là các học sinh khá, giỏi. Lớp 12 học sinh đã quen dần với cách làm bài trắc nghiệm, các em được trang bị rất nhiều phương pháp giải nhanh, tuy nhiên các em lại không thành thạo trong việc phân loại phương pháp để áp dụng trong các trường hợp cụ thể. Trước thực trạng chuyển từ hình thức thi tự luận sang trắc nghiệm, học sinh bối rối trước các loại bài tập liên quan đến phản ứng oxi hoá khử có nhiều trạng thái số oxi hoá. Việc giải các loại bài tập này theo phương pháp truyền thống mất rất nhiều thời gian viết phương trình phản ứng, lập và giải hệ phương trình. Học sinh thường có thói quen viết và tính theo phương trình phản ứng nên ít nhanh nhạy với bài toán dạng trắc nghiệm. Khi gặp hỗn hợp các chất học sinh không biết cách thay thế các chất để giảm bớt số lượng chất đưa bài toán về dạng đơn giản hơn Để giải quyết tốt các bài toán trắc nghiệm trong hoá học, chúng ta phải biết vận dụng linh hoạt các định luật bảo toàn, có các mẹo thay thế chất để có thể chuyển đổi từ hỗn hợp phức tạp thành dạng đơn giản hơn, một trong số dạng bài toán hoá phức tạp hay gặp trong các đề tốt nghiệp, thi đại học hay thi học sinh giỏi là các bài toán về sắt và các oxit sắt. Do đó 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: bảo toàn khối lượng, bảo toàn nguyên tố và bảo toàn electron với từng dạng cụ thể. Đó là nội dung mà chuyên đề này tôi muốn đề cập đến. II. GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ A. CÁC ĐỊNH LUẬT CẦN VẬN DỤNG 1. Định luật bảo toàn khối lượng: Nội dung: Khối lượng các chất tham gia phản ứng bằng khối lượng các chất được tạo thành sau phản ứng. 2 Hệ quả 1: Gọi mT là tổng khối lượng các chất trước phản ứng, m s là khối lượng các chất sau phản ứng. Dù phản ứng xảy ra với hiệu suất bất kỳ ta đều có: mT = mS. Hệ quả 2: Khi cation kim loại kết hợp với anion phi kim để tạo ra các hợp chất ta luôn có: Khối lượng chất = khối lượng của cation+khối lượng anion. Khối lượng của cation hoặc anion ta coi như bằng khối lượng của nguyên tử cấu tạo thành. 2. Định luật bảo toàn nguyên tố Nội dung định luật: Tổng khối lượng một nguyên tố trước phản ứng bằng tổng khối lượng của nguyên tố đó sau phản ứng. Nội dung định luật có thể hiểu là tổng số mol của một nguyên tố được bảo toàn trong phản ứng. 3. Định luật bảo toàn electron kết hợp quy đổi Trong phản ứng oxi hóa khử: Số mol electron mà chất khử cho đi bằng số mol electron mà chất oxi hóa nhận về. Khi vận dụng định luật bảo toàn electron vào dạng toán này cần lưu ý: - Trong phản ứng hoặc một hệ phản ứng chỉ cần quan tâm đến trạng thái đầu và trạng thái cuối mà không cần quan tâm đến trạng thái trung gian. - Nếu có nhiều chất oxi hóa và chất khử thì số mol electron trao đổi là tổng số mol của tất cả chất nhường hoặc nhận electron. B. NỘI DUNG CHI TIẾT 1. Dạng đốt cháy Sắt trong không khí rồi cho sản phẩm phản ứng với chất oxi hóa Ta có thể khái quát hoá bài toán như sau: Để m gam phoi bào sắt A ngoài không khí sau một thời gian biến thành hỗn hợp B có khối lượng m1 gam gồm sắt và các oxit săt. Cho B tác dụng hoàn toàn với HNO3 dư thấy giải phóng V lít khí NxOy (sản phẩm khử duy nhất). Tính khối lượng m của A, khối lượng muối tạo thành, khối lượng HNO3 tham gia phản ứng? Phân tích bài toán: Sơ đồ: Fe FeO Fe O  2 3 + HNO3 KK Fe →  → Fe( NO3 )3 + N xOy (amol ) Fe O  3 4  Fe 3 Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng ta có O2 = mhh − m 32 O2 + 4e  → 2O −2 Fe → Fe3+ + 3e x m mhh − m 8 3x x NO3- + (5x-2y)e → NxOy x.a (5x-2y).a a Áp dụng định luật bảo toàn e ta có: 3m mhh − m = + n ⇒ m = 0, 7 n + 5, 6n 56 8 m=0,7n+5,6n n: mol e trao đổi của quá trình N Vậy ta đã chứng minh được biểu thức tính: mmuoi = Khối lượng muối tạo thành: Số mol HNO3 phản ứng: nHNO3 = m .242 56 3m + xa 56 Nhận xét: Sau khi đã làm quen với HNO3 giáo viên có thể thay thế bằng H2SO4 đặc nóng cho kết quả tương tự: Khối lượng muối tạo thành: Số mol H2SO4 phản ứng: m=0,7n+5,6n mmuoi = nH 2 SO4 = m .200 56 3m + nSO2 112 Ví dụ 1 (Đề ĐH – CĐ khối B năm 2007): Nung nóng m gam bột Fe trong oxi, thu được 3 gam hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe 2O3 và Fe3O4 . Hòa tan hết hỗn hợp này 4 trong dung dịch HNO3 (dư), thu được 0,56 lít khí NO 2 (sản phẩm khử duy nhất, ở đktc). Tính m? A. 2,52g B. 2,62 g C. 2,32 g D. 2,24 g Hướng dẫn giải: Thay vào công thức ta có: m = 0,7.3 + 0,025.1.5,6 = 2,24 gam Ví dụ 2: Nung nóng 12,6 gam Fe ngoài không khí sau một thời gian thu được m gam hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe 2O3 và Fe3O4 . Hỗn hợp này phản ứng hết với dung dịch H2SO4 đặc nóng (dư), thu được 4,2 lít khí SO2 (sản phẩm khử duy nhất, ở đktc). Tính m? A. 12g B. 12,25g C. 15g D. 20g Phân tích đề: Sơ đồ phản ứng  FeO, Fe3O4  SO ↑ O2 ( kk ) H 2 SO4 dn Fe  →  → 2  Fe2O3và Fe du  Fe2 ( SO4 )3 Fe phản ứng với Oxi cho 3 sản phẩm oxit và lượng sắt dư, sau đó hỗn hợp oxit này phản ứng với H 2SO4 đặc nóng đưa lên sắt +3. Trong quá trình Oxi nhận e để đưa về O2- có trong oxit và H2SO4(S+6) nhận e để đưa về SO2 (S+4). Như vậy: + Khối lượng oxit sẽ là tổng của khối lượng sắt và oxi. + Cả quá trình chất nhường e là Fe chất nhận là O và H2SO4. Giải: Ta có n SO = 0,1875 mol , nFe = 0,225 mol 2 Gọi số mol oxi trong oxit là x ta có: Chất khử Chất oxi hóa 2− O + 2e → O x Fe →Fe3+ +3e 0,225 2x S +6 + 2e → S +4 ( SO2 ) 0,225 x 3 0,1875.2 Tổng electron nhường: 0,675 mol Tổng electron nhận: 0,1875 2x + 0,375 (mol) Áp dụng định luật bảo toàn 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). Hoặc thay vào công thức: mhh = (12,6 – 5,6.2.0,1875)/ 0,7 = 15 gam Ví dụ 3: Nung nóng m gam bột sắt ngoài không khí, sau phản ứng thu được 20 gam hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe 2O3 và Fe3O4 . Hòa tan hết X trong dung dịch 5 HNO3 loãng thu được 5,6 lít hỗn hợp khí Y gồm NO và NO 2 có tỉ khối so với H2 là 19. Tính m và thể tích HNO3 1M đã dùng? A. 16,8g; 1,15 lít B. 14g; 1,15 lít C. 16,8g; 1,5 lít D. 14g; 1,5 lít Phân tích đề: sơ đồ phản ứng  NO2 ↑ FeO , Fe O   3 4 O2 ( kk ) HNO3 Fe  →  →  NO ↑  Fe2O3và Fe du  Fe( NO ) 3 3 + Hỗn hợp X gồm Fe  và O trong oxit. + Xét cả quá trình ta thấy chỉ có Fe nhường e, Chất nhận e là Oxi và HNO 3 . + HNO3 nhận e để cho NO và NO2. + Số mol HNO3 ban đầu bằng số mol HNO3 trong muối và chuyển về các khí. Giải: Theo đề ra ta có: nNO = nNO2 = 0,125mol Gọi số mol Fe và O tương ứng trong X là x và y ta có: 56x + 16y = 20 (1). Quá trình nhường và nhận e: Chất khử Chất oxi hóa O + 2e → O 2− y Fe → Fe3+ + 3e x 2y y +5 +4 N + 1e → N 0,125 0,125 3x +5 +2 N + 3e → N 0,125 x3 Tổng electron nhường: 3x mol 0,125 Tổng electron nhận: 2y + 0,125+ 0,125x3 (mol) Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: 3x = 2y + 0,5 Từ (1) và (2) ta có hệ 56 x + 16 y = 20  3 x − 2 y = 0,5 Giải hệ trên ta có x = 0,3 và y = 0,2 Như vậy nFe = 0,3 mol vậy m = 16,8 gam. Theo định luật bảo toàn nguyên tố ta có: muôi Khí nHNO3 = nNO = 3nFe + nNO + nNO2 − + n NO − 3 3 6 (2) nên nHNO = 0,3x3 + 0,125 + 0,125 = 1,15 mol. 3 Vậy VHNO = 3 1,15 = 1,15(lít) 1 Hoặc thay vào công thức: m = 0,7. 20 + 5,6.( 0,125 . 1 + 0,125 . 3) = 16,8 gam V = (3. 16,8 /56 + 0,125 .2)/1= 1,15 lít Mở rộng bài toán: Để m gam hỗn hợp A gồm phoi bào sắt và một kim loại M có hoá trị không đổi ngoài không khí sau một thời giạn biến thành hốn hợp B có khối lượng m1 gam gồm Fe và các oxit sắt FeO, Fe2O3, Fe3O4, M2On và M. Cho B tác dụng hoàn toàn với HNO 3 dư thấy giải phóng ra V lít khí duy nhất N xOy. Tính khối lượng m của A, khối lượng muối và khối lượng HNO3 tham gia phản ứng? Hướng dẫn giải Sơ đồ: FeO Fe O  2 3  Fe O + HNO3 KK Fe, M ( mg )  →  3 4  → N xO y (amol ) Fe M   M 2On Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng ta có: mFe + mM + mO2 = mB = mhh ⇒ mO2 = mB − (mFe + mM ) = mhh − m ⇒ nO 2 = mhh − m 32 Fe → Fe3+ + 3e a/56 M b/M O2 3a/56 + 4e → 2O2- (mhh-m)/32 (mhh-m)/8 → Mn+ + ne xN+5 + (5x-2y)e nb/M c.x → xN+2y/x (5x-2y).c Đặt u = c(5x-2y) trong đó c là số mol của NxOy Áp dụng định luật bảo toàn e ta có: 3a nb mhh − m + = + u ⇔ 3aM + 56n.b = 7mhh .M − 7 n.M + 56 M .u 56 M 8 7 Kết hợp với a+b=m →a = m-b ta tính được biểu thức: m = 0, 7mhh + 5, 6u + 0,3b − 5, 6nb M Trong đó: M: Là khối lượng mol của M n: Là hoá trị b: Khối lượng kim loại M u: số mol e trao đổi Khối lượng muối nitrat và khối lượng HNO3 b (m − b).242 ( M + 62n) + m 56  3b 3( m − b)  = ( + ) + xc  63 56  m  mmuoi = mHNO3 Bài tập áp dụng: Cho m gam hốn hợp gồm Fe và Al trong đó Al có khối lượng 2,7 gam. Nung A trong không khí một thời gian thu được hỗn hợp B gồm Fe, Al dư và các oxit có khối lượng 18,7 gam. Cho B tác dụng với dung dịch HNO 3 dư thu được 2,24 lít khí NO duy nhất ở đkc. Tính m? Hướng dẫn giải Áp dụng hệ thức trên có: m = 0, 718, 7 + 5, 6.0,1.3 + 0,32, 7 − 5, 6.3.2, 7 = 13,9( g ) 27 2. Dạng hỗn hợp sắt và các hợp chất phản ứng với chất oxi hóa mạnh: Loại 1: Hỗn hợp sắt và các oxit sắt tác dụng với chất oxi hoá mạnh Ví dụ1: Cho 11,36 gam hỗn hợp gồm Fe, FeO, Fe 2O3 và Fe3O4 phản ứng hết với dung dịch HNO3 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. Tính m ? A. 38,72g B. 39,7g C. 40,25g D. 38g Phân tích đề: Ta coi như trong hỗn hợp X ban đầu gồm Fe và O. Như vậy xét cả quá trình chất nhường e là Fe chất nhận e là O và HNO 3. Nếu chúng ta biết được số tổng số mol Fe trong X thì sẽ biết được số mol muối Fe(NO 3)3 trong dung dịch sau phản ứng. Do đó chúng ta sẽ giải bài toán này như sau: 8 Giải: Số mol NO = 0,06 mol. Gọi số mol Fe và O tương ứng trong X là x và y ta có: 56x + 16y = 11,36 (1). Quá trình nhường và nhận e: Chất khử Chất oxi hóa Fe → Fe3+ + 3e O + 2e → O 2 − x y +5 2y y +2 N + 3e → N ( NO ) 3x 0,18 0, 06 Tổng electron nhường: 3x (mol) Tổng electron nhận: 2y + 0.18 Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: 3x = 2y + 0.18 (mol) (2) Từ (1) và (2) ta có hệ 56 x + 16 y = 11,36  3 x − 2 y = 0,18 Giải hệ trên ta có x = 0,16 và y = 0,15 Như vậy nFe = nFe ( NO ) = 0,16 mol vậy m = 38,72 gam. 3 3 Với bài toán này ta cũng có thể quy về bài toán kinh điển: Đốt m gam sắt sau phản ứng sinh ra 11,36 gam hỗn hợp gồm Fe, FeO, Fe 2O3 và Fe3O4 . Hỗn hợp này phản ứng hết với dung dịch HNO 3 loãng (dư), thu được 1,344 lít khí NO (sản phẩm khử duy nhất, ở đktc). Chúng ta sẽ tính m rồi từ suy ra số mol Fe và từ đó tính số mol của sắt. Ví dụ 2: Hỗn hợp X gồm (Fe, Fe2O3, Fe3O4, FeO) với số mol mỗi chất là 0,1 mol, hòa tan hết vào dung dịch Y gồm (HCl và H 2SO4 loãng) dư thu được dung dịch Z. Nhỏ từ từ dung dịch Cu(NO3)2 1M vào dung dịch Z cho tới khi ngừng thoát khí NO. Thể tích dung dịch Cu(NO3)2 cần dùng và thể tích khí thoát ra ở đktc là? A. 25 ml; 1,12 lít. B. 0,5 lít; 22,4 lít. C. 50 ml; 2,24 lít. D. 50 ml; 1,12 lít. Hướng dẫn giải Quy hỗn hợp 0,1 mol Fe2O3 và 0,1 mol FeO thành 0,1 mol Fe3O4. Hỗn hợp X gồm: (Fe3O4 0,2 mol; Fe 0,1 mol) tác dụng với dung dịch Y Fe3O4 + 8H+ → Fe2+ → 0,2 + 2Fe3+ + 4H2O 0,2 0,4 mol Fe + 2H+ → Fe2+ + H2↑ 0,1 → 0,1 mol 2+ Dung dịch Z: (Fe : 0,3 mol; Fe3+: 0,4 mol) + Cu(NO3)2: 9 3Fe2+ + NO3− + 4H+ → 3Fe3+ + NO↑ + 2H2O 0,3 ⇒ 0,1 VNO = 0,1×22,4 = 2,24 lít. n Cu( NO3 )2 = ⇒ 0,1 mol 1 n − = 0,05 mol 2 NO3 Vdd Cu( NO3 )2 = 0,05 = 0,05 lít (hay 50 ml). (Đáp án C) 1 Phát triển bài toán: Trường hợp 1: Cho nhiều sản phẩm sản phẩm khử như NO2, NO ta có vẫn đặt hệ bình thường tuy nhiên chất nhận e bây giờ là HNO3 thì cho 2 sản phẩm. Trường hợp 2: Nếu đề ra yêu cầu tính thể tích hoặc khối lượng của HNO 3 thì ta tính số mol dựa vào bảo toàn nguyên tố N khi đó ta sẽ có: muôi Khí nHNO3 = nNO = 3nFe + nNO (nNO2 ) − + n NO − 3 3 Ví dụ 1. Hỗn hợp A gồm ba oxit sắt (FeO, Fe3O4, Fe2O3) có số mol bằng nhau. Hòa tan hết m gam hỗn hợp A này bằng dung dịch HNO 3 thì thu được hỗn hợp K gồm hai khí NO2 và NO có thể tích 1,12 lít (đktc) và tỉ khối hỗn hợp K so với hiđro bằng 19,8. Trị số của m là: A. 20,88 gam B. 46,4 gam C. 23,2 gam D. 16,24 gam Ví dụ 2: Cho a gam hỗn hợp A gồm oxit Fe, FeO, Fe3O4, Fe2O3 tác dụng hoàn toàn với lượng vừa đủ là 250 ml dung dịch HNO 3 khi đun nóng nhẹ, thu được dung dịch B và 3,136 lít (đktc) hỗn hợp khí C gồm NO2 và NO có tỉ khối so với hiđro là 20,143. Cô cạn dung dịch sau phản ứng thu được 48,4 g một muối khan duy nhất. Tính a. A. 13,44gam. B. 13,21 gam. C. 15,68 gam. D. Kết quả khác. Loại 2: Hỗn hợp sắt và hợp chất với lưu huỳnh phản ứng với chất oxi hoá mạnh Ví dụ 1: Hoà tan 20,8 gam hoãn hôïp gồm FeS, FeS2, S baèng dung dòch HNO3 đac nóng dư thu ñöôïc 53,76 lít NO2 (saûn phaåm khöû duy nhaát)ñkc, và dung dòch A. Cho dd A tác duïng vôùii dung dòch NaOH dư, loïc lấy toàn bộ kêt tuûa nung trong không khí đên khối löôïng không đoi thì khôi lưôïng chất rắn thu đñöôïc là: A. 16 gam B. 9 gam C. 8,2 gam D. 10,7 gam Ví dụ 2: Hoà tan hoàn toàn 25,6 gam chất rắn X gồm Fe, FeS, FeS 2 và S bằng dung dịch HNO3 dư, thoát ra V lít khí NO duy nhất (đktc) và dung dịch Y. Thêm Ba(OH)2 dư vào Y thu được 126,25 gam kết tủa. Giá trị của V là: A. 17,92. B. 19,04. C. 24,64. D. 27,58. Ví dụ 3: Cho 6,51 gam hỗn hợp X gồm FeS 2 và MS có số mol bằng nhau (M là kim loại có hóa trị không đổi) tác dụng hoàn toàn với lượng dư dung dịch HNO 3 đun nóng thu được dung dịch A và 13,216 lít (đktc) hỗn hợp khí X có khối lượng là 10 26,34 gam gồm NO2 và NO. Thêm dung dịch BaCl 2 dư vào dung dịch A thấy có m gam kết tủa trắng, không tan trong axit dư. 1. Kim loại M là: A. Cu B. Mg C. Fe D. Zn 2. Giá trị của m là: A. 20,97g B. 13,98g C. 20,79g D. 13,89g. 3. Dạng khử không hoàn toàn Fe2O3 sau cho sản phẩm phản ứng với chất oxi hóa mạnh là HNO3 hoặc H2SO4 đặc nóng: Ví dụ 1: Cho một luồng khí CO đi qua ống sứ đựng m gam Fe 2O3 nung nóng. Sau một thời gian thu được 10,44 gam chất rắn X gồm Fe, FeO, Fe 2O3 và Fe3O4 . Hòa tan hết X trong dung dịch HNO 3 đặc, nóng thu được 4,368 lít NO 2 (sản phẩm khử duy nhất ở đktc). Tính m ? A. 11,2g B. 16,0g C. 24g D. 12g Phân tích đề: Sơ đồ phản ứng  NO ↑  FeO, Fe3O4 HNO3dn  CO Fe2O3  → →  2 to   Fe2O3 , Fe  Fe( NO3 )3 Trong trường hợp này xét quá trình đầu và cuối ta thấy chất nhường e là CO, chất nhận e là HNO3. Nhưng nếu biết tổng số mol Fe trong oxit ta sẽ biết được số mol Fe2O3. Bởi vậy ta dùng chính dữ kiện bài toán hòa tan X trong HNO 3 đề tính tổng số mol Fe. Giải: Theo đề ra ta có: nNO2 = 0,195mol Gọi số mol Fe và O tương ứng trong X là x và y ta có: 56x + 16y = 10,44 (1). Quá trình nhường và nhận e: Chất khử Chất oxi hóa Fe → Fe3+ + 3e O + 2e → O 2 − y 2y +5 x y +4 N + 1e → N 0,195 0,195 3x Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: 3x = 2y + 0,195 Từ (1) và (2) ta có hệ 56 x + 16 y = 10, 44  3 x − 2 y = 0,195 Giải hệ trên ta có x = 0,15 và y = 0,1275 11 (2) Như vậy nFe = 0,15 mol nên nFe O = 0, 075mol  → m = 12 gam. 2 3 Ví dụ 2: Để khử hoàn toàn 3,04 gam hỗn hợp X gồm FeO, Fe 3O4, Fe2O3 cần 0,05 mol H2. Mặt khác hòa tan hoàn toàn 3,04 gam hỗn hợp X trong dung dịch H2SO4 đặc thu được thể tích khí SO2 (sản phẩm khử duy nhất) ở điều kiện tiêu chuẩn là A. 448 ml. B. 224 ml. C. 336 ml. D. 112 ml. Hướng dẫn giải Sơ đồ phản ứng: Thực chất phản ứng khử các oxit trên là O → H2O H2 + 0,05 → 0,05 mol 3, 04 − 0, 05.16 = 0, 04(mol ) Fe 56 Coi hỗn hợp ban đầu có 0,05 mol O và Fe → Fe3+ + 3e O+ 2e → O-2 0,04 0,05 0,1 0,12 (mol) S +6 0,01 Vậy: + 2e → S (mol) +4 0,02 VSO2 = 224 ml. (Đáp án B) Ví dụ 3: Hoà tan hoàn toàn m gam hỗn hợp gồm FeO, Fe 2O3, Fe3O4 trong 425 ml dung dịch HCl 2,0M thu được một dung dịch X chứa Fe 2+ và Fe3+ với tỉ lệ số mol 1:2. Sục một lượng O2 vào dung dịch X thì thu được dung dịch Y. Y làm mất màu vừa đủ 100 ml dd Br20,25M. Giá trị của m là: A. 11,6g B. 46,4 g C. 32,8g D. 23,2g 4. Dạng sắt và hỗn hợp oxit sắt phản ứng với axit thường: H +( Bỏ qua quá trình H nguyên tử khử Fe3+ thành Fe2+) Nhận xét: Dạng này cơ bản giống dạng thứ 4 tuy nhiên sản phẩm phản ứng ngoài H2O còn có H2 do Fe phản ứng. Như vậy liên quan đến H + sẽ có những phản ứng sau: 2 H + + 2e  → H2 ↑ 2 H + + O 2−   → H 2O Như vậy chúng ta có thể dựa vào tổng số mol H+ và số mol H2 để tìm số mol của O2- từ đó tính được tổng số mol của Fe. 12 Ví dụ 1: Cho 20 gam hỗn hợp gồm Fe, FeO, Fe3O4, Fe2O3 tác dụng vừa hết với 700 ml HCl 1M thu được dung dịch X và 3,36 lít khí H 2 (đktc). Cho X phản ứng với dung dịch NaOH dư thu được kết tủa Y. Nung Y ngoài không khí đến khối lượng không đổi thu được đến khối lượng không đổi được m(g) chất rắn. Tính m? A. 11,2g B. 16,0g C. 24g D. 12g  Fe H 2 ↑  FeO    Fe(OH ) 2 ↓ nungtrongkk HCl NaOH  →  FeCl2  → → Fe2O3 Phân tích đề: Sơ đồ   Fe(OH )3 ↓  Fe2O3  FeCl 3   Fe3O4 + Ta coi H+ của axit vừa nhận electron để thành H2 và phản ứng với O2- của oxit + Toàn bộ Fe trong oxit cuối cùng chuyển về Fe2O3 + Từ tổng số mol H+ và số mol H2 ta có thể tính được số mol O trong oxit từ đó tính được lượng Fe có trong oxit. Giải: Ta có nH + = nHCl = 0, 7mol , nH 2 = 0,15mol Ta có phương trình phản ứng theo H+. 2 H + + 2e  → H 2 ↑ (1) 2 H + + O 2 −   → H 2O(2) Từ (1) ta có nH + = 0,3mol (vì số mol H2=0,15mol) như vậy số mol H+ phản ứng theo phản ứng (2) là 0,4 mol( tổng 0,7 mol). Vậy số mol O2- là: 0,2 mol. mà theo định luật bảo toàn khối lượng ta có: mFe + mO =7,68 Nên mFe = 20 – 0,2x16 =16,8 (gam) → nFe = 0,3 mol Ta lại có 2Fe  → Fe2O3 0,3 0,15 Vậy m = 0,15x160 = 24 gam. Ví dụ 2: Cho một luồng khí CO đi qua ống đựng 0,01 mol FeO và 0,03 mol Fe2O3 (hỗn hợp A) đốt nóng. Sau khi kết thúc thí nghiệm thu được 4,784 gam chất rắn B gồm 4 chất. Hoà tan chất rắn B bằng dung dịch HCl dư thấy thoát ra 0,6272 lít H 2 (ở đktc). Tính số mol oxit sắt từ trong hỗn hợp B. Biết rằng trong B số mol oxit sắt từ bằng 1/3 tổng số mol sắt (II) oxit và sắt (III) oxit. A. 0,006. B. 0,008. C. 0,01. Hướng dẫn giải 13 D. 0,012.  FeO : 0,01 mol + CO → 4,784 gam B (Fe, Fe2O3, FeO, Fe3O4)  Fe2O3 : 0,03 mol Hỗn hợp A  tương ứng với số mol là: a, b, c, d (mol). Hoà tan B bằng dung dịch HCl dư thu được n H = 0,028 mol. 2 Fe + 2HCl → FeCl2 + H2 ⇒ a = 0,028 mol. (1) 1 n FeO + n Fe2O3 3 ( ) 1 3 → d = ( b + c ) (2) Theo đầu bài: n Fe3O4 = Tổng mB là: (56.a + 160.b + 72.c + 232.d) = 4,78 gam. (3) Số mol nguyên tử Fe trong hỗn hợp A bằng số mol nguyên tử Fe trong hỗn hợp B. Ta có: nFe (A) = 0,01 + 0,03×2 = 0,07 mol nFe (B) = a + 2b + c + 3d ⇒ a + 2b + c + 3d = 0,07 Từ (1, 2, 3, 4) → (4) b = 0,006 mol c = 0,012 mol d = 0,006 mol. (Đáp án A) Ví dụ 3: Hoà tan m (gam) hỗn hợp Fe và FexOy trong một lượng vừa đủ 100 ml dd HCl 0,1M thu được 224 ml khí (đkc) và dung dịch A. Cho dd A tác dụng với lượng dư dung dịch NaOH thu lấy kết tủa nung đến khối lượng không đổi trong không khí thu được 3,2 g chất rắn. Giá trị của m là: A. 2,88 g B. 5,20 g C. 5,76 g D. 7,52 g Hướng dẫn giải: Ta có nH = 0,1(mol ); nH = 0, 01(mol ) + 2 Fe + 2HCl  → FeCl2 + H2 nFe = 1 n + = nH 2 = 0, 01( mol ) 2 H Sơ đồ:  FeCl2  Fe(0, 01mol )  Fe(OH ) 2 t 0 , KK  + NaOH + HCl ⇒  → Fe2O3 (0, 02mol )   FeCl 2 y →  Fe(OH )3   Fe x Oy  x nFe ( Fex Oy ) = 0, 02.2 − 0, 01 = 0, 03 2H+ + O2-  → H2 O 0,08 0,04 Theo bảo toàn nguyên tố m = mFe + mO (oxit) = (0,01+0,03).56 + 0,04.16 = 2,88 g Đáp án: A 14 5. Dạng chuyển đổi hỗn hợp tương đương: Nhận xét: Trong số oxit sắt thì ta coi Fe 3O4 là hỗn hợp của FeO và Fe 2O3 có số mol bằng nhau. Như vậy có thể có hai dạng chuyển đổi. • Nếu cho số mol FeO và Fe2O3 có số mol bằng nhau thì ta coi như trong hỗn hợp chỉ là Fe3O4. • Nếu số mol của FeO và Fe2O3 không bằng nhau thì ta coi hỗn hợp là FeO và Fe2O3. Như vậy hỗn hợp từ 3 chất ta có thể chuyển thành hỗn hợp 2 chất hoặc 1 chất tương đương. Ví dụ 1: Hỗn hợp A gồm FeO, Fe2O3, Fe3O4 (trong đó số mol FeO bằng số mol Fe2O3). Hòa tan 4,64 gam trong dung dịch H 2SO4 loãng dư được 200 ml dung dịch X. Tính thể tích dung dịch KMnO 4 0,1M cần thiết để chuẩn độ hết 100 ml dung dịch X? A. 20ml B. 25ml C. 15ml D. 10ml Phân tích đề: Theo để ra số mol FeO bằng số mol của Fe 2O3 nên ta coi như hỗn hợp chỉ có Fe3O4. Sau khi phản ứng với H 2SO4 sẽ thu được 2 muối là FeSO 4 và Fe2(SO4)3. Dung dịch KMnO4 tác dụng với FeSO4 trong H2SO4 dư. Như vậy từ số số mol của Fe3O4 ta có thể tính được số mol của FeSO 4 từ đó tính số mol KMnO4 theo phương trình phản ứng hoặc phương pháp bảo toàn electron. Giải: Vì số mol của FeO bằng số mol của Fe2O3 nên ta coi hỗn hợp Ta có nFe O = 4, 64 = 0, 02mol 232 Ptpư: Fe3O4 + 4H2SO4  → FeSO4 + Fe2(SO4)3 + 4H2O 3 4 0,02 0,02 Trong 100 ml X sẽ có 0,01 mol FeSO4 nên: 10FeSO4 + 2KMnO4 +8H2SO4  → 5Fe2(SO4)3 + K2SO4+2MnSO4+8H2O 0,01 0,002 Như vậy ta có VKMnO = 4 0, 002 = 0, 02(lit ) hay 20 ml. 0,1 Ví dụ 2 (Đề thi ĐH – CĐ khối B năm 2008) 15 Cho 9,12 gam hỗn hợp gồm FeO, Fe 2O3 và Fe3O4 tác dụng với dung dịch HCl dư. phản ứng kết thúc thu được 7,62 g FeCl2 và m gam FeCl3. Tính m? A. 8,75 B. 7,80 C. 6,50 D. 9,75 Sơ đồ bài toán: Fe → Fe3+ + 3e x O 3x + 2e → O 2- y 2y Fe → Fe2+ + 2e 0,06 0,12 Ta có hệ phương trình: 3x - 2y = 0,12 56(x + 0,06) + 16y = 9,12 Giai hệ: x = 0,06 ; y = 0,03 Vậy m = 0,06 . 162,5 = 9,75 gam Ví dụ 3: Cho m gam hỗn hợp oxit sắt gồm FeO, Fe 3O4 và Fe2O3 tan vừa hết trong dung dịch H2SO4 tạo thành dung dịch X. Cô cạn dung dịch X thu được 70,4 gam muối, mặt khác cho Clo dư đi qua X rồi cô cạn thì thu được 77,5 gam muối. Tính m? A 30,0g B. 30,4g C. 35g D. 35,5g Phân tích đề: Cho oxit tác dụng với H2SO4 ta sẽ thu được 2 muối FeSO 4 và Fe2(SO4)3. Do đó ta có thể coi hỗn hợp ban đầu chỉ gồm hai oxit FeO và Fe 2O3. Ta thấy khối lượng muối tăng lên đó là do phản ứng: 2Fe2+ + Cl2  → 2Fe3+ + 2Cl- Như vậy khối lượng tăng lên đó là khối lượng của Clo. Vậy từ khối lượng của Clo ta có thể tính ra số mol của Fe2+ từ đó tính được số mol FeO, mặt khác ta có tổng khối lượng muối FeSO4 và Fe2(SO4)3 mà biết được FeSO4 vậy từ đây ta tính được Fe2(SO4)3 và như vậy biết được số mol của Fe2O3. Giải: Coi hỗn hợp gồm FeO và Fe2O3 ta có phương trình phản ứng: FeO + H2SO4  → FeSO4 + H2O Fe2O3 + 3H2SO4  → Fe2(SO4)3 + 3H2O 16 Khối lượng tăng lên đó chính là khối lượng của Cl - có trong muối theo phương trình: 2Fe2+ + Cl2  → 2Fe3+ + Vậy nCl = 77,5 − 70, 4 = 0, 2mol Như vậy số nFe2+ = nFeSO4 = nFeO = 0, 2mol 35,5 − 2Cl- 70, 4 − 0, 2 x152 = 0,1mol Mà mFeSO + mFe ( SO ) = 70, 4 vậy nFe ( SO ) = 4 2 4 3 2 400 4 3 Nên nFe ( SO ) = nFe O = 0,1mol 2 4 3 2 3 Do đó m = mFeO + mFe O = 0, 2.72 + 0,1.160 = 30, 4( gam) Vậy m = 30,4 gam 2 3 Ví dụ 4: Nung 8,4 gam Fe trong không khí, sau một thời gian thu được m gam hỗn hợp gồm Fe và các oxit sắt. Hoà tan m gam hỗn hợp X bằng dung dịch HNO3 dư thu được 2,24 lít khí duy nhất ở đkc. Tính m? A. 11,2g B. 25,2g C. 43,87g D. 6,8 g Qui hỗn hợp về FexOy FexOy + (6x-2y)HNO3 → xFe(NO3)3 + (3x-2y)NO2 + (3x-y)H2O 0,1/(3x-2y) 0,1 Áp dụng bảo toàn nguyên tố sắt: nFe = 8, 4 0,1.x x 6 = ⇒ = 56 3 x − 2 y y 7 Vậy công thức qui đổi là Fe 6O7 nFe = 6 O7 0,1 = 0, 025(mol ) 3.6 − 2.7 MX = 0,025.448= 11,2 g (A đúng) C. MỘT SỐ BÀI TẬP VẬN DỤNG Bài 1: Để m g sắt ngoài không khí một thời gian được hỗn hợp rắn gồm Fe, FeO, Fe2O3, và Fe3O4 có tổng khối lượng là 30g. Cho hh này tan trong HNO 3 dư được 5.6 lít NO duy nhất (đktc). Tính m? Bài 2 Hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe2O3. Cho một luồng khí CO đi qua ống sử dụng mg hh X đun nóng. Sau khi kết thúc thí nghiệm thu được 64g chất rắn và 11.2 lít khí B(đktc)có tỉ khối so với H2 là 20.4. Tính m ? Bài 3 Để khử hoàn toàn 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 trong dung dịch H2SO4 đặc thì thu được khí SO2 (sản phẩm khử duy nhất) . Tính thể tích SO2 (đktc)? 17 Bài 4 Đốt cháy m gam sắt ngoài không khí sau một thời gian thu được 5,04 gam hỗn hợp X gồm sắt và các oxit sắt. Hòa tan hỗn hợp X trong HNO 3 loãng dư thu được 0,784 lít khí(đktc) gồm NO và NO2 có tỉ khối so với H2 là 19. Tính m? Bài 5 Đốt cháy 16,8 gam bột sắt ngoài không khí, sau một thời gian thu được hỗn hợp X gồm sắt và các oxit. Cho hòa tan hết X trong dung dịch H 2SO4 đặc nóng thu được 5,6 lít khí SO2 (sản phẩm khử duy nhât ở đktc) 1. Tính m 2. Nếu thay H2SO4 bằng HNO3 đặc nóng thì thể tích NO2 (đktc) sẽ là bao nhiêu? Bài 6 Cho một luồng khí CO đi qua ống sứ đựng m gam Fe 2O3 nung nóng. Sau một thời gian thu được hỗn hợp X nặng 44,64 gam gồm Fe, FeO, Fe 3O4, Fe2O3. Hòa tan X bằng HNO3 loãng dư thu được 3,136 lít khí NO (đktc). Tính m? Bài 7 Cho một luồng khí CO đi qua ống sứ đựng 18,08 gam Fe 2O3 nung nóng. Sau một thời gian thu được hỗn hợp X nặng 13,92 gam gồm Fe, FeO, Fe 3O4, Fe2O3. Hòa tan X bằng HNO3 đặc nóng thu được V lít khí NO2 (đktc). Tính V? 18 III. KẾT LUẬN Trong khi giảng dạy và ôn thi đại học tôi đã có rất nhiều trăn trở khi dạy phần hỗn hợp sắt và hợp chất của sắt. Tôi nhận thấy kể cả đề thi học sinh giỏi và đề thi đại học số lượng câu hỏi về sắt và hợp chất sắt luôn chiếm một tỉ lệ nhất định và đặc biệt là những bài toán kinh điển. Trên thực tế tôi đã tiến hành thử nghiệm với đối tượng học sinh đại trà và kết quả: + 50% học sinh nắm bài và vận dụng được vào các dạng bài cụ thể ( trên 5 điểm) + 30% vận dụng chưa thuần thục còn lúng túng + 20% học sinh chỉ nắm được dạng 1,2 Hoàn thành được bản báo cáo chuyên đề này tôi xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp đã nhiệt tình giúp đỡ tôi. Tuy nhiên, do tuồi đời, tuổi nghề còn ít nên còn nhiều thiếu xót kính mong được các thầy cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp góp ý cho đề tài của tôi được hoàn thiện hơn. Tam Đảo, ngày 05 tháng 03 năm 2014 TÁC GIẢ Đào Thị Liên 19 20 [...]... rất nhiều trăn trở khi dạy phần hỗn hợp sắt và hợp chất của sắt Tôi nhận thấy kể cả đề thi học sinh giỏi và đề thi đại học số lượng câu hỏi về sắt và hợp chất sắt luôn chiếm một tỉ lệ nhất định và đặc biệt là những bài toán kinh điển Trên thực tế tôi đã tiến hành thử nghiệm với đối tượng học sinh đại trà và kết quả: + 50% học sinh nắm bài và vận dụng được vào các dạng bài cụ thể ( trên 5 điểm) + 30% vận... hỗn hợp tương đương: Nhận xét: Trong số oxit sắt thì ta coi Fe 3O4 là hỗn hợp của FeO và Fe 2O3 có số mol bằng nhau Như vậy có thể có hai dạng chuyển đổi • Nếu cho số mol FeO và Fe2O3 có số mol bằng nhau thì ta coi như trong hỗn hợp chỉ là Fe3O4 • Nếu số mol của FeO và Fe2O3 không bằng nhau thì ta coi hỗn hợp là FeO và Fe2O3 Như vậy hỗn hợp từ 3 chất ta có thể chuyển thành hỗn hợp 2 chất hoặc 1 chất. .. qua ống đựng 0,01 mol FeO và 0,03 mol Fe2O3 (hỗn hợp A) đốt nóng Sau khi kết thúc thí nghiệm thu được 4,784 gam chất rắn B gồm 4 chất Hoà tan chất rắn B bằng dung dịch HCl dư thấy thoát ra 0,6272 lít H 2 (ở đktc) Tính số mol oxit sắt từ trong hỗn hợp B Biết rằng trong B số mol oxit sắt từ bằng 1/3 tổng số mol sắt (II) oxit và sắt (III) oxit A 0,006 B 0,008 C 0,01 Hướng dẫn giải 13 D 0,012  FeO :... với H2 là 20.4 Tính m ? Bài 3 Để khử hoàn toàn 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 trong dung dịch H2SO4 đặc thì thu được khí SO2 (sản phẩm khử duy nhất) Tính thể tích SO2 (đktc)? 17 Bài 4 Đốt cháy m gam sắt ngoài không khí sau một thời gian thu được 5,04 gam hỗn hợp X gồm sắt và các oxit sắt Hòa tan hỗn hợp X trong HNO 3 loãng... 0,025.448= 11,2 g (A đúng) C MỘT SỐ BÀI TẬP VẬN DỤNG Bài 1: Để m g sắt ngoài không khí một thời gian được hỗn hợp rắn gồm Fe, FeO, Fe2O3, và Fe3O4 có tổng khối lượng là 30g Cho hh này tan trong HNO 3 dư được 5.6 lít NO duy nhất (đktc) Tính m? Bài 2 Hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe2O3 Cho một luồng khí CO đi qua ống sử dụng mg hh X đun nóng Sau khi kết thúc thí nghiệm thu được 64g chất rắn và 11.2 lít khí B(đktc)có... Cl2  → 2Fe3+ + 2Cl- Như vậy khối lượng tăng lên đó là khối lượng của Clo Vậy từ khối lượng của Clo ta có thể tính ra số mol của Fe2+ từ đó tính được số mol FeO, mặt khác ta có tổng khối lượng muối FeSO4 và Fe2(SO4)3 mà biết được FeSO4 vậy từ đây ta tính được Fe2(SO4)3 và như vậy biết được số mol của Fe2O3 Giải: Coi hỗn hợp gồm FeO và Fe2O3 ta có phương trình phản ứng: FeO + H2SO4  → FeSO4 + H2O... Sục một lượng O2 vào dung dịch X thì thu được dung dịch Y Y làm mất màu vừa đủ 100 ml dd Br20,25M Giá trị của m là: A 11,6g B 46,4 g C 32,8g D 23,2g 4 Dạng sắt và hỗn hợp oxit sắt phản ứng với axit thường: H +( Bỏ qua quá trình H nguyên tử khử Fe3+ thành Fe2+) Nhận xét: Dạng này cơ bản giống dạng thứ 4 tuy nhiên sản phẩm phản ứng ngoài H2O còn có H2 do Fe phản ứng Như vậy liên quan đến H + sẽ có những... = 0,006 mol (Đáp án A) Ví dụ 3: Hoà tan m (gam) hỗn hợp Fe và FexOy trong một lượng vừa đủ 100 ml dd HCl 0,1M thu được 224 ml khí (đkc) và dung dịch A Cho dd A tác dụng với lượng dư dung dịch NaOH thu lấy kết tủa nung đến khối lượng không đổi trong không khí thu được 3,2 g chất rắn Giá trị của m là: A 2,88 g B 5,20 g C 5,76 g D 7,52 g Hướng dẫn giải: Ta có nH = 0,1(mol ); nH = 0, 01(mol ) + 2 Fe +... ta có thể dựa vào tổng số mol H+ và số mol H2 để tìm số mol của O2- từ đó tính được tổng số mol của Fe 12 Ví dụ 1: Cho 20 gam hỗn hợp gồm Fe, FeO, Fe3O4, Fe2O3 tác dụng vừa hết với 700 ml HCl 1M thu được dung dịch X và 3,36 lít khí H 2 (đktc) Cho X phản ứng với dung dịch NaOH dư thu được kết tủa Y Nung Y ngoài không khí đến khối lượng không đổi thu được đến khối lượng không đổi được m(g) chất rắn Tính... được 0,784 lít khí(đktc) gồm NO và NO2 có tỉ khối so với H2 là 19 Tính m? Bài 5 Đốt cháy 16,8 gam bột sắt ngoài không khí, sau một thời gian thu được hỗn hợp X gồm sắt và các oxit Cho hòa tan hết X trong dung dịch H 2SO4 đặc nóng thu được 5,6 lít khí SO2 (sản phẩm khử duy nhât ở đktc) 1 Tính m 2 Nếu thay H2SO4 bằng HNO3 đặc nóng thì thể tích NO2 (đktc) sẽ là bao nhiêu? Bài 6 Cho một luồng khí CO đi qua ... dạng tốn hố phức tạp hay gặp đề tốt nghiệp, thi đại học hay thi học sinh giỏi tốn sắt oxit sắt Do để giúp học sinh giải tốt tốn hỗn hợp sắt cách nhanh chóng tơi thường giới thiệu phương pháp vận... Tính m? Hướng dẫn giải Áp dụng hệ thức có: m = 0, 718, + 5, 6.0,1.3 + 0,32, − 5, 6.3.2, = 13,9( g ) 27 Dạng hỗn hợp sắt hợp chất phản ứng với chất oxi hóa mạnh: Loại 1: Hỗn hợp sắt oxit sắt tác... đại học tơi có nhiều trăn trở dạy phần hỗn hợp sắt hợp chất sắt Tơi nhận thấy kể đề thi học sinh giỏi đề thi đại học số lượng câu hỏi sắt hợp chất sắt ln chiếm tỉ lệ định đặc biệt tốn kinh điển