Drilling, Boring, Reaming, Taping

PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP HỖN HỢP SẮT VÀ OXIT SẮT

A. ĐẶT VẤN ĐỀ:

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.

B. NỘI DUNG

I. 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.

Trong đó chúng ta cần vận dụng các hệ quả

Hệ quả1: Gọi m_T  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: m_T = m_S.

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

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.

II. TỔNG QUAN VỀ BÀI TẬP HỖN HỢP SẮT VÀ OXIT SẮT:

Bài tập Fe và hỗn hợp oxit sắt thường có dạng cho khối lượng và cho phản ứng với một chất oxi hóa như H₂SO₄ đặc nóng hoặc HNO₃ hoặc thậm chí là axit thường như HCl.

Giải quyết bài toán: Với giả thiết là cho m gam hỗn hợp gồm Fe và các oxit FeO, Fe₃O₄, Fe₂O₃ tác dụng với HNO₃ thu được khí NO₂ : Ta coi như trong hỗn hợp có x mol Fe, y mol O như vậy ta xét trong phản ứng thì chỉ có chất nhường electron đó là Fe còn chất nhận electron là O và chất oxi hóa HNO₃ sản phẩm là  V lít NO₂ (đktc)   và Fe³⁺  ta sẽ có:

Theo định luật bảo toàn khối lượng:  56x + 16y = m (1)

Theo định luật bảo toàn electron

Chất khử                                           Chất oxi hóa

y

2y

y

3x

x

                               

 

Tổng electron  nhường: 3x mol                   Tổng electron nhận:     2y   +

              

Áp dụng định luật bảo toàn electron  ta có: 3x = 2y +           (2)

 Từ (1) và (2) ta có hệ

Việc giải hệ này khi một khi biết được 2 trong số 4 yếu tố sẽ giải quyết được yêu cầu của bài toán.

Sau đây tôi xin gửi đến một số dạng toán hóa mà chúng ta hay gặp.

III. MỘT SỐ DẠNG BÀI TẬP VẬN DỤNG

1. Dạng hỗn hợp sắt và các oxit phản ứng với chất oxi hóa mạnh:

Đề bài:

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 ?

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 . Nếu chúng ta biết được số tổng số mol Fe trong X thì sẽ biết được số mol muối Fe(NO₃)₃ trong dung dịch sau phản ứng. Do đó chúng ta sẽ giải bài toán này như sau:

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

y

2y

y

3x

x

                               

 

Tổng electron  nhường: 3x (mol)       Tổng electron nhận:     2y   +         (mol)

 Áp dụng định luật bảo toàn electron  ta có: 3x = 2y +           (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.

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, 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.

 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 HNO₃ thì ta tính số mol dựa vào bảo toàn nguyên tố N khi đó ta sẽ có:

    

2. Dạng đốt cháy Sắt trong không khí rồi cho sản phẩm phản ứng với chất oxi hóa

Đề bài 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?

Phân tích đề: Sơ đồ phản ứng

  

Fe phản ứng với Oxi cho 3 sản phẩm oxit và lượng sắt dư, sau đó hỗn hợp oxit này phản ứng với H₂SO₄ đặc nóng đưa lên sắt +3. Trong quá trình Oxi nhận e để đưa về O^2- có trong oxit và H₂SO₄(+6) nhận e để đưa về SO₂ (+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_Fe = 0,225 mol

Gọi số mol oxi  trong oxit  là x ta có:

Chất khử                                           Chất oxi hóa

x

2x

0,225 x 3

0,225

                                  

Tổng electron  nhường: 0,675 mol              Tổng electron nhận:     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:  nên: m = 12,6 + 0,15x16 = 15 (gam).

ĐS: 15 gam.

Đề Bài 2:  Nung nóng m gam bột sắt ngoài không khí, sau  phản ứng thu được 20 gam hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe₂O₃  và Fe₃O₄ . Hòa tan hết X trong dung dịch HNO₃ loãng  thu được 5,6 lít hỗn hợp khí Y gồm NO và NO₂ có tỉ khối so với H₂ là 19. Tính m và thể tích HNO₃ 1M đã dùng?

Phân tích đề: sơ đồ phản ứng

+ 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 HNO₃ .

+ 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:

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

y

2y

y

                               

 

Tổng electron  nhường: 3x mol            Tổng electron nhận: 2y + 0,125+ 0,125x3 (mol)

Áp dụng định luật bảo toàn electron  ta có: 3x = 2y + 0,5          (2)

Từ (1) và (2) ta có hệ

Giải hệ trên ta có x = 0,3 và  y = 0,2 

Như vậy n_Fe = 0,3 mol vậy m = 16,8 gam.

Theo định luật bảo toàn nguyên tố ta có:

nên mol.

Vậy

3. Dạng khử không hoàn toàn Fe₂O₃ sau cho sản phẩm phản ứng với chất oxi hóa mạnh là HNO₃ hoặc H₂SO₄ đặc nóng:

Đề ra: 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 ?

Phân tích đề: Sơ đồ phản ứng

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.

Giải: Theo đề ra ta có:

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

y

2y

y

                                             

Áp dụng định luật bảo toàn electron  ta có: 3x = 2y + 0,195          (2)

Từ (1) và (2) ta có hệ

Giải hệ trên ta có x = 0,15 và  y = 0,1275 

Như vậy n_Fe = 0,15 mol nên  m = 12 gam.

Nhận xét:

Dĩ nhiên trong bài toán trên ta cũng có thể giải theo cách tính số mol O bị CO lấy theo phương trình:

 và      

Sau đó dựa vào định luật bảo toàn khối lượng ta có: m = 10,44 + m_O^.

4. Dạng hỗn hợp oxit sắt phản ứng với axit thường: H⁺

Tổng quan về dạng này:

Đây không phải là phản ứng oxi hóa khử mà chỉ là phản ứng trao đổi. Trong phản ứng này ta coi đó là phản ứng của:  và tạo ra các muối Fe²⁺ và Fe³⁺ trong dung dịch. Như vậy nếu biết số mol H⁺ ta có thể biết được khối lượng của oxi trong hỗn hợp oxit và từ đó có thể tính được tổng số mol sắt trong 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 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

Phân tích đề:  Sơ đồ

+ Ta coi H⁺ của axit chỉ phản ứng với O^2- của oxit

                   + Toàn bộ Fe trong oxit chuyển về Fe₂O₃

                   + Từ số mol H⁺ ta có thể tính được số mol O trong oxit từ đó có thể tính được lượng Fe có trong oxit.

                   + Nung các kết tủa ngoài không khí đều thu được Fe₂O₃

Giải: Ta có

Theo phương trình:  trong O^2- là oxi trong hỗn hợp oxit

                               0,26    0,13

 mà theo định luật bảo toàn khối lượng ta có: m_Fe + m_O =7,68

Nên m_Fe = 7.68 – 0,13x16 =5,6(gam) n_Fe = 0,1 mol

Ta lại có 2FeFe₂O₃

                0,1          0,05

Vậy m = 0,05x160 = 8 gam.

Nhận xét: Ngoài cách giải trên ta cũng có thể quy hỗn hợp về chỉ còn FeO và Fe₂O₃ vì Fe₃O₄ coi như là hỗn hợp của FeO.Fe₂O₃ với số mol như nhau.

5. Dạng sắt và hỗn hợp oxit sắt phản ứng với axit thường: H⁺

Tổng quan về dạng này:

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:

 

Như vậy chúng ta có thể dựa vào tổng số mol H⁺  và số mol H₂ để tìm số mol của O^2- từ đó tính được tổng số mol của Fe.

Đề ra:

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

Phân tích đề:  Sơ đồ

+ Ta coi H⁺ của axit vừa nhận electron để thành H₂ và phản ứng với  O^2- 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

Ta có phương trình phản ứng theo H⁺.

Từ (1) ta có (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 O^2- là: 0,2 mol.

mà theo định luật bảo toàn khối lượng ta có: m_Fe + m_O =7,68

Nên m_Fe = 20 – 0,2x16 =16,8 (gam) n_Fe = 0,3 mol

Ta lại có 2FeFe₂O₃

                0,3          0,15

Vậy m = 0,15x160 = 24 gam.

6. Dạng chuyển đổi hỗn hợp tương đương:

Tổng quan:

Trong số oxit sắt thì ta coi Fe₃O₄ là hỗn hợp của FeO và Fe₂O₃ có số mol bằng nhau. Như vậy có thể có hai dạng chuyển đổi. Khi đề ra cho số mol FeO và Fe₂O₃ có số mol bằng nhau thì ta coi như trong hỗn hợp chỉ là Fe₃O_4. còn nếu không có dữ kiện đó 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.

Bài 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 H₂SO₄ loãng dư được 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 ra số mol FeO bằng số mol của Fe₂O₃ nên ta coi như hỗn hợp chỉ có Fe₃O₄. Sau khi phản ứng với H₂SO₄ sẽ thu được 2 muối là FeSO₄ 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 FeSO₄ 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

Ptpư:           Fe₃O₄ + 4H₂SO₄  FeSO₄ + Fe₂(SO₄)₃ + 4H₂O

                     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  hay 20 ml.

Bài tập 2:  Cho m gam hỗn hợp oxit sắt gồm FeO, Fe₃O₄ 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?

Phân tích đề:

Cho oxit tác dụng với H₂SO₄  ta sẽ thu được 2 muối FeSO₄ và Fe₂(SO₄)₃. Do đó ta có thể coi hỗn hợp ban đầu chỉ gồm hai oxit FeO và Fe₂O₃. 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 Fe₂O_3.

Giải:

Coi hỗn hợp gồm FeO và Fe₂O₃ ta có phương trình phản ứng:

FeO + H₂SO₄  FeSO₄ + H₂O

Fe₂O₃ + 3H₂SO₄  Fe₂(SO₄)₃ + 3H₂O

Khối lượng tăng lên đó chính là khối lượng của Cl^- có trong muối theo phương trình:

2Fe²⁺   +     Cl₂ 2Fe³⁺    +     2Cl^-

Vậy  Như vậy số

Mà  vậy

Nên

Do đó

Vậy m = 30,4 gam

IV. 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, Fe₂O_3, và Fe₃O₄ có tổng khối lượng là 30g. Cho hh này tan trong HNO₃ 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)?

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 HNO₃ 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 H₂SO₄ 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 Fe₂O₃ nung nóng. Sau một thời gian thu được hỗn hợp X nặng 44,64 gam gồm Fe, FeO, Fe₃O₄, 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 Fe₂O₃ nung nóng. Sau một thời gian thu được hỗn hợp X nặng 13,92 gam gồm Fe, FeO, Fe₃O₄, Fe₂O₃. Hòa tan X bằng HNO₃ đặc nóng thu được V lít khí NO₂ (đktc). Tính V?

C. KẾT LUẬN

Trong khi giảng dạy bồi dưỡng học sinh giỏi 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 như vậy tôi đã mạnh dạn đưa các phương pháp giải bài tập này vào và  qua giảng dạy tôi thấy học sinh nắm vấn đề tương đối nhẹ nhàng và có hiệu quả rõ rệt nhất là định hướng và thời gian giải bài tập. Đó cũng là động lực để tôi hoàn thành đề tài này, rât mong nhận được sự quan tâm góp ý của các bạn đồng nghiệp./.