Chuyên đề Phân loại và phương pháp giải bài toán hỗn sắt và các hợp chất của sắt

A. ĐẶT VẤN ĐỀ:Bài tập hỗn hợp gồm sắt và hợp chất của sắt là một trong những dạng bài tập mà học sinh hay gặp trong các kỳ thi tốt nghiệp, đại học, cao đẳng, trung học chuyên nghiệp. Thông thường những bài tập về sắt và các hợp chất của sắt thường khá phức tạp và xảy ra theo nhiều 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: bảo toàn khối lượng, bảo toàn nguyên tố và bảo toàn electron. Đó là nội dung mà chuyên đề này tôi muốn đề cập đến.“PHÂN LOẠI VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN HỖN SẮT VÀ CÁC HỢP CHẤT CỦA SẮT”Chuyên đề:B. NỘI DUNGNhững vấn đề lý thuyếtI. TÍNH CHẤT HOÁ HỌC CỦA SẮT VÀ CÁC OXIT SẮT	1/. Tính chất hoá học của sắt	2. Tính chất hợp chất của sắtII. CÁC ĐỊNH LUẬT CẦN VẬN DỤNG	1. Định luật bảo toàn khối lượng:	2. Định luật bảo toàn nguyên tố	3. Định luật bảo toàn electronB. NỘI DUNGHỗn hợp sắt và các hợp chất tác dụng với chất oxi hoá mạnh Đốt cháy sắt trong KK rồi cho SP tác dụng với chất oxi hoá mạnh Khử không hoàn toàn Fe2O3 rồi cho SP td với chất oxi hoá mạnh	Hỗn hợp oxit sắt tác dụng với axit thường Hỗn hợp sắt và các oxit sắt tác dụng với axit thường Chuyển đổi hỗn hợp tương đương Nhiệt phân hoặc đốt cháy các hợp chất của sắt7 dạng1. Dạng hỗn hợp sắt và các oxit phản ứng với chất oxi hóa mạnh:	Ví dụ 1: Cho 11,36 gam hỗn hợp gồm Fe, FeO, Fe2O3 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 ?38,7g	B. 39,7g	C. 40,25g	D. 38gLoại 1: Hỗn hợp sắt và các oxit của sắt tác dụng với chất oxi hoá mạnhGiải: 	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).	Áp dụng đl bảo toàn electron ta có: 3x = 2y + 0.18 (2)Từ (1) và (2) ta có hệ Giải hệ trên ta có x = 0,16 và y = 0,15 Như vậy mol vậy m = 38,72 gam.Đáp án Ax3xy2y0,060,18Với 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, Fe2O3 và Fe3O4 . Hỗn hợp này phản ứng hết với dung dịch HNO3 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 và tính được khối lượng muối sắt.(Xét ở dạng 2)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 H2SO4 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.1. Dạng hỗn hợp sắt và các oxit phản ứng với chất oxi hóa mạnh: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+ + 2Fe3+ + 4H2O	 0,2  0,2 0,4 mol	Fe + 2H+  Fe2+ + H2 	0,1  0,1 molDung dịch Z: (Fe2+: 0,3 mol; Fe3+: 0,4 mol) + Cu(NO3)2:	3Fe2+ + NO3 + 4H+  3Fe3+ + NO + 2H2O0,3 0,1 0,1 mol	VNO = 0,122,4 = 2,24 lít.	mol	lít (hay 50 ml). (Đáp án C)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 tổng số mol e nhận là ne = nNO2 + 2nNOTrường hợp 2: Nếu đề ra yêu cầu tính thể tích hoặc khối lượng của HNO3 thì ta tính số mol dựa vào bảo toàn nguyên tố N khi đó ta sẽ có: Ví dụ : Hoà tan 20,8 gam hỗn hợp gồm FeS, FeS2, S bằng dung dịch HNO3 đặc nóng dư thu được 53,76 lít NO2 (sản phẩm khử duy nhất) đkc, và dung dịch A. Cho dd A tác dụng với dd NaOH dư, lọc lấy toàn bộ kết tủa nung trong không khí đên khối lượng không đổi thì khối lượng chất rắn thu được là:A. 16 gam 	B. 9 gam 	C. 8,2 gam 	D. 10,7 gamLoại 2: Hỗn hợp sắt và các hợp chất của sắt với lưu huỳnh tác dụng với chất oxi hoá mạnhVí dụ : Hoà tan 20,8 gam hỗn hợp gồm FeS, FeS2, S bằng dung dịch HNO3 đặc nóng dư thu được 53,76 lít NO2 (sản phẩm khử duy nhất) đkc, và dung dịch A. Cho dd A tác dụng với dd NaOH dư, lọc lấy toàn bộ kết tủa nung trong không khí đên khối lượng không đổi thì khối lượng chất rắn thu được là:A. 16 gam 	B. 9 gam 	C. 8,2 gam 	D. 10,7 gamTa coi hỗn hợp ban đầu có x mol Fe và y mol S	Fe  Fe+3 + 3e	N+5 + 1e  N+4 (NO2)		x	 3x	 2,4	 2,4 mol	S  S+6 + 6e	y 6yTa lập được hệ phương trình: Fe3+ + 3OH-  Fe(OH)32Fe(OH)3  2Fe2O3 + 3H2OmCR = 0,1.160 = 16gam  Đáp án A2. Dạng đốt cháy Sắt trong không khí rồi cho sản phẩm phản ứng với chất oxi hóa Ví dụ 1: Nung nóng 12,6 gam Fe ngoài không khí sau một thời gian thu được m gam hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe2O3 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. 20gPhân tích đề: Sơ đồ phản ứng Trong quá trình O 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.Loại 1: Sản phẩm được hoà tan trong H2SO4 đặc nóng hoặc HNO3 dưGiảiTa có , nFe = 0,225 molGọi số mol oxi trong oxit là x ta có:Chất khử	Chất oxi hóaÁp dụng định luật bảo toàn electron ta có:	 0,675 = 2x + 0,375  x = 0,15Mặt khác ta có: nên: m = 12,6 + 0,15x16 = 15 (gam).  Đáp án CVí dụ 1: Nung nóng 12,6 gam Fe ngoài không khí sau một thời gian thu được m gam hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe2O3 và Fe3O4 . Hỗn hợp này phản ứng hết với dung dịch H2SO4 đặc nóng (dư), thu được 4,2 lít khí SO2 (spkhử duy nhất, ở đktc). Tính m?	A. 12g	B. 12,25g	C. 15g	D. 20g0,2250,225 x 3x2xTa 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 sắt. 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?Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng ta có: O2 + 4e  O-2	xNO3- + (5x-2y)e  NxOyĐặt: n=(5x-2y).a	x.a (5x-2y).a a molAD bào toàn e:  m=0,7mhh +5,6nNếu thay HNO3 bằng H2SO4 đặc nóng thì ta cũng có kết quảKhối lượng muốiKhối lượng axitm=0,7mhh +5,6nMở rộng bài toánĐể m gam hỗn hợp A gồm phoi bào sắt và b gam 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 HNO3 dư thấy giải phóng ra V lít khí duy nhất NxOy. Tính khối lượng m của A, khối lượng muối và khối lượng HNO3 tham gia phản ứng?Áp dụng quá trình như trên ta CM được công thức:M: Kl mol kim loại Mn: hoá trị của Mb: Khối lượng của Mu : số mol e HNO3 nhậnBài tập áp dụng: Cho m gam hỗn 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 HNO3 dư thu được 2,24 lít khí NO duy nhất ở đkc. Tính m?A. 19,3g	B. 13,9g	C. 20g	D. 21,2gHướng dẫn giảiÁp dụng hệ thức trên có:Chú ý: Nếu trong trường hợp H2SO4 hoặc HNO3 thiếu, quá trình vẫn hoà tan hoàn toàn thì muối tạo thành là muối Fe2+ hoặc hỗn hợp muối Fe2+ và Fe3+Loại 2: Sản phẩm được hoà tan trong H2SO4 đặc nóng hoặc HNO3 thiếuTương tự ta có các công thức tính:n: số mol e trao đổi Khối lượng muốiKhối lượng HNO3 phản ứngVí dụ 1: Để m g phoi bào sắt ngoài không khí sau một thời gian thu được 20 g hỗn hợp gồm sắt và các oxit FeO, Fe2O3, Fe3O4, và Fe dư. Hoà tan hỗn hợp trong dung dịch HNO3 thu được 5,6 lít khí NO và NO2 có khối lượng 9,9 g và còn 2 gam kim loại không tan. Tính m?A. 16,8g	B. 15,12g	C. 18,6 g	D. Không xác định đượcHướng dẫn giảiKhối lượng hỗn hợp phản ứng là 20 – 2 =18 gamNO 30	 6,4	2	39,6	 = 	NO2 46	 9,6 3nNO = 0,1 (mol) nNO2 = 0,15  ne = 0,1 . 3 + 0,15.1= 0,45 (mol)Áp dụng công thức trên ta được  Đáp án AVí dụ 1: Cho một luồng khí CO đi qua ống sứ đựng m gam Fe2O3 nung nóng. Sau một thời gian thu được 10,44 gam chất rắn X gồm Fe, FeO, Fe2O3 và Fe3O4 . Hòa tan hết X trong dung dịch HNO3 đặc, nóng thu được 4,368 lít NO2 (sản phẩm khử duy nhất ở đktc). Tính m ?A. 11,2g	B. 16,0g	C. 24g	D. 12g3. Dạng khử không hoàn toàn Fe2O3 sau cho sản phẩm phản ứng với chất oxi hóa mạnh là HNO3 hoặc H2SO4 đặc nóng: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 HNO3 đề tính tổng số mol Fe. Ví dụ 1: Cho một luồng khí CO đi qua ống sứ đựng m gam Fe2O3 nung nóng. Sau một thời gian thu được 10,44 gam chất rắn X gồm Fe, FeO, Fe2O3 và Fe3O4 . Hòa tan hết X trong dung dịch HNO3 đặc, nóng thu được 4,368 lít NO2 (sản phẩm khử duy nhất ở đktc). Tính m ?A. 11,2g	B. 16,0g	C. 24g	D. 12gVí dụ: Thổi một luồng khí CO dư đi qua ống sứ đựng 6,54g các oxit FeO, Fe2O3, Fe3O4, Al2O3, MgO (số mol FeO bằng Fe2O3) lượng khí thu được dẫn qua dung dịch nước vôi trong dư thì thu được 5 gam kết tủa trắng. Mặt khác hoà tan hoàn toàn 6,54 g lượng oxit nói trên trong dung dịch HNO3 loãng dư thì thu được bao nhiêu lít khí NO2 (đkc)?A. 0,56 lít	B. 0,28 lít	C. 11,2 lít	D. 22,4 lítMở rộng bài toán: Nếu chúng ta thêm vào hỗn hợp một số oxit các kim loại từ Al trở về trước thì tình hình sẽ như thế nào?.Ví dụ: Thổi một luồng khí CO dư đi qua ống sứ đựng 6,54g các oxit FeO, Fe2O3, Fe3O4, Al2O3, MgO (số mol FeO bằng Fe2O3) lượng khí thu được dẫn qua dung dịch nước vôi trong dư thì thu được 5 gam kết tủa trắng. Mặt khác hoà tan hoàn toàn 6,54 g lượng oxit nói trên trong dung dịch HNO3 loãng dư thì thu được bao nhiêu lít khí NO2 (đkc)?A. 0,56 lít	B. 0,28 lít	C. 11,2 lít	D. 22,4 lítTa coi hỗn hợp các oxit sắt là Fe3O4nCO = nCO2 = 0,05 (mol)	C+2  C+4 + 2e	Fe3O4 + 8e  3Fe + 4O-2	0,05	 0,1	0,0125 0,1Khi phản ứng với HNO3 ta có:Fe3O4  3Fe+3 + 1e	N+5 + 1e  N+4 (NO2)0,0125 0,0125 	 0,0125 0,0125 molVNO2 = 0,0125 . 22,4 = 0,28 lít Đáp án B Nhận xét:Sự tồn tại của các oxit kim loại đứng trước Al không ảnh hưởng gì đến việc tính toán.Ví dụ 1: Cho 7,68 gam hỗn hợp gồm FeO, Fe3O4, Fe2O3 tác dụng vừa hết với 260 ml HCl 1M thu được dung dịch X. 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. 8g 	B. 8,2g	C. 5,03g	D. 9,25g4. Dạng hỗn hợp oxit sắt phản ứng với axit thường: H+ Ví dụ 1: Cho 7,68 gam hỗn hợp gồm FeO, Fe3O4, Fe2O3 tác dụng vừa hết với 260 ml HCl 1M thu được dung dịch X. 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. 8g 	B. 8,2g	C. 5,03g	D. 9,25g	 0,26 0,13 mà theo đl bảo toàn KL ta có: mFe + mO =7,68 Nên mFe = 7.68 – 0,13.16 =5,6(gam)  nFe = 0,1 molTa lại có 2Fe  Fe2O3	 0,1 0,05Vậy m = 0,05 . 160 = 8 gam.  Đáp án A5. Dạng sắt và hỗn hợp oxit sắt phản ứng với axit thường: H+( Bỏ qua quá trình H nguyên tử khử Fe3+ thành Fe2+)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 H2 (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. 12gVí 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 H2 (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	ta có: mFe + mO =7,68 	 Nên mFe = 20 – 0,2.16 =16,8 g	nFe = 0,3 mol	Ta lại có 2Fe  Fe2O3	 0,3 0,15 Vậy m = 0,15x160 = 24 gam. 0,30,40,20,156. Dạng chuyển đổi hỗn hợp tương đương:* 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.* Nếu hỗn hợp gồm Fe, FeO, Fe2O3 có nFe = nFe2O3 thì coi hỗn hợp chỉ gồm FeO Như vậy hỗn hợp từ 3 chất ta có thể chuyển thành hỗn hợp 2 chất hoặc 1 chất tương đương.Ví dụ : Cho từ từ dd H2SO4 loãng vào 14,4 gam hỗn hợp Fe, Fe2O3, FeO, Fe3O4 (trong đó ) đến khi hỗn hợp vừa tan hết thì dừng lại thu được dd B. Cho B tác dụng với lượng dư Ba(OH)2 thu được kết tủa. Lọc lấy kết tủa nung đến khối lượng không đổi trong không khí thì thu được bao nhiêu gam chất rắn?	A. 16 g	B. 62,6 g	C. 61g	D. 46,6 g Nên qui hỗn hợp thành FeO (0,2mol)	Ta có sơ đồ   Đáp án B0,20,20,47. Nhiệt phân hoặc đốt cháy các hợp chất của sắt	4FeS + 7O2  2Fe2O3 + 4SO2	4FeS2 + 11O2  2Fe2O3 + 8SO2	2Fe(NO3)2  Fe2O3 + 4NO2 + 1/2O2	2Fe(NO3)2  Fe2O3 + 6NO2 + 3/2O2	FeCO3  FeO + CO2 (không có không khí)	2FeCO3 + 1/2O2  Fe2O3+ 2CO2 (Có không khí)	KL chất rắn trước khi nung = KL chất rắn sau + KL của khíVí dụ: Nhiệt phân m gam hỗn hợp gồm Fe(NO3)2, Fe(NO3)3, FeCO3 thu được 20 gam chất rắn và 12,6 lít hỗn hợp khí (đkc) có tỉ khối so với H2 là 22. Tính m?	A.45,47g 	B. 44,75 g	C. 44,25 g	D. 47,45g	 Tổng số mol khí: Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng ta có:  Đáp án B 	 Tôi đã tiến hành thử nghiệm với đối tượng học sinh đại trà và kết quả:+ 70% học sinh nắm bài và vận dụng được vào các dạng bài cụ thể ( trên 5 điểm)+ 20% vận dụng chưa thuần thục còn lúng túng+ 10% học sinh chỉ nắm được dạng 1,2