Bài 31: Sắt

Tóm tắt lý thuyết

2.1. Vị trí trong Bảng tuần hoàn, cấu hình electron nguyên tử

  • Cấu hình electron: 1s22s22p63s23p63d64s2 hay [Ar]3d64s2
  • Ô thứ 26, nhóm VIIIB, chu kì 4
  • Sắt dễ nhường 2 electron ở phân lớp 4s trở thành ion Fe2+ và có thể nhường thêm 1 electron ở phân lớp 3d để trở thành ion Fe3+.

2.2. Tính chất vật lí

Quan sát Con cá Sắt giúp ngăn ngừa bệnh thiếu máu  Con cá Sắt giúp ngăn ngừa bệnh thiếu máu

  • Sắt là kim loại màu trắng hơi xám
  • Có khối lượng riêng lớn (d = 8,9 g/cm3), nóng chảy ở 15400C.
  • Sắt có tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt và có tính nhiễm từ.

2.3. Tính chất hóa học

  • Là kim loại có tính khử trung bình.
    • Với chất oxi hoá yếu: Fe → Fe2+ + 2e

    • Với chất oxi hoá mạnh: Fe → Fe3+ + 3e

a. Tác dụng với Phi kim

  • Thí nghiệm: Sắt phản ứng với Lưu huỳnh: \(Fe+S\overset{t^{0}}{\rightarrow}FeS\)

  • Thí nghiệm: Sắt cháy trong Oxi: \(Fe+O_{2}\overset{t^{0}}{\rightarrow}Fe_{3}O_{4}\)​

  • Thí nghiệm: Sắt tác dụng với Clo: \(2Fe+3Cl_{2}\overset{t^{0}}{\rightarrow}2FeCl_{3}\)

b. Tác dụng với axit

  • Với dung dịch HCl, H2SO4 loãng: Fe đưa về sắt (II), H+ chuyển thành H2

    • Thí nghiệm của Sắt trong dung dịch sunfuric loãng: \(Fe + H_{2}SO_{4}\rightarrow FeSO_{4}+H_{2}\uparrow\)

  • Với dung dịch HNO3 và H2SO4 đặc, nóng: Fe khử \(N^{+5}\) hoặc \(S^{+6}\) trong HNO3 hoặc H2SO4 đặc, nóng đến số oxi hoá thấp hơn, còn Fe bị oxi hoá thành \(Fe^{3+}\).
    • Thí nghiệm: Sắt trong dung dịch HNO3 loãng: \(Fe+4HNO_{3}\rightarrow Fe(NO_{3})_{3}+NO\uparrow+2H_{2}O\)
    • Lưu ý: Fe bị thụ động bởi các axit HNO3 đặc, nguội hoặc H2SO4 đặc, nguội.

c. Tác dụng với dung dịch muối

  • Sắt có thể khử được các ion của các kim loại đứng sau nó trong dãy điện hóa.
  • Thí nghiệm: Sắt phản ứng với dung dịch Đồng(II) sunfat \(Fe+CuSO_{4}\rightarrow FeSO_{4}+Cu\downarrow\)

d. Tác dụng với nước

  • Hình vẽ mô phỏng thí nghiệm: Sắt khử hơi nước ở nhiệt độ cao

Sắt khử nước ở nhiệt độ cao

  • Phương trình hóa học:
    • \(3Fe+4H_{2}O\overset{t^{0}<570^{0}C}{\rightarrow}Fe_{3}O_{4}+4H_{2}\uparrow\)
    • \(Fe+H_{2}O\overset{t^{0}>570^{0}C}{\rightarrow}FeO+H_{2}\uparrow\)​

2.4. Ứng dụng

  • Chiếm khoảng 5% khối lượng vỏ trái đất, đứng hàng thứ hai trong các kim loại (sau Al).

  • Trong tự nhiên sắt chủ yếu tồn tại dưới dạng hợp chất có trong các quặng:

    • quặng manhetit (Fe3O4)

    • quặng hematit đỏ (Fe2O3)

    • quặng hematit nâu (Fe2O3.nH2O)

    • quặng xiđerit (FeCO3)

    • quặng pirit (FeS2)

  • Có trong hemoglobin (huyết cầu tố) của máu
  • Có trong các thiên thạch.

Bài tập minh họa



3.1. Bài tập Sắt – Cơ bản

Bài 1:

Cho m gam kim loại Fe tác dụng với dung dịch HNO3 dư, sau phản ứng thu được 3,36 lít khí NO đo ở đktc (sản phẩm khử duy nhất). Giá trị m là:

Hướng dẫn:

Fe + 4HNO3 → Fe(NO3)3 + NO + 2H2O
0,15                                  0,15
⇒ m Fe = 0,15. 56 = 8,4 gam

Bài 2:

Cho 4,368 gam bột Fe tác dụng với m gam bột S. Sau phản ứng được rắn X. Toàn bộ X tan hết trong dung dịch HNO3 loãng dư được sản phẩm khử duy nhất là 0,12 mol NO. Giá trị m là:

Hướng dẫn:

Coi hỗn hợp X gồm Fe và S phản ứng với HNO3
Fe  → Fe3+ + 3e
S  → S6+ + 6e
N5+ + 3e → N2+
Bảo toàn e: 3nFe + 6nS = 3nNO
⇒ nS = 0,021 mol
⇒ m = 0,672g

Bài 3:

Cho m gam Fe vào bình đựng dung dịch H2SO4 và HNO3 thu được dung dịch X và 1,12 lít khí NO. Thêm tiếp H2SO4 dư vào bình được 0,448 lít NO và dung dịch Y. Trong cả 2 trường hợp đều có NO là sản phẩm khử duy nhất ở kiện tiêu chuẩn. Dung dịch Y hòa tan vừa hết 2,08 gam Cu không tạo sản phẩm khử N+5. Các phản ứng đều hoàn toàn. Giá trị m là:

Hướng dẫn:

Tổng số mol khí NO sau các phản ứng là: 0,07 mol
Giả sử trong Y có Fe3+ và Fe2+
⇒ bảo toàn e: 3nFe3+ + 2nFe2+ = 3nNO
Lại có: 2Fe3+ + Cu → Cu2+ + 2Fe2+ (Y hòa tan Cu nhưng không có sản phẩm khử của N+5)
⇒ nFe3+ = 2nCu = 0,065 mol ⇒ nFe2+ = 0,0075 mol
⇒ m = 56.(0,065 + 0,0075) = 4,06g

Bài 4:

Cho 6,72 gam bột Fe tác dụng với 384 ml dung dịch AgNO3 1M sau khi phản ứng kết thúc thu được dung dịch A và m gam chất rắn. Dung dịch A tác dụng được với tối đa bao nhiêu gam bột Cu?

Hướng dẫn:

nFe = 0,12 mol; \(n_{AgNO_{3}}\) = 0,384 mol
Fe + 2Ag+ → Fe2+ + 2Ag
Fe2+ + Ag+ → Fe3+ + Ag
⇒ Dung dịch sau có: 0,12 mol Fe3+; 0,024 mol Ag+
⇒ 2nCu = nFe3+ + nAg+
⇒ nCu = 0,072 mol
⇒ mCu = 4,608g

3.2. Bài tập Sắt – Nâng cao

Bài 1:

Đốt cháy hỗn hợp gồm 2,4g Mg; 4,48g Fe với hỗn hợp X gồm có Cl2 và O2; sau phản ứng chỉ thu được hỗn hợp Y gồm các oxit và muối clorua (không có khí dư). Hòa tan Y vào lượng vừa đủ 120 ml HCl 2M thu được dung dịch Z. Cho AgNO3 dư vào Z thu được 61,01g kết tủa. Phần trăm V của O2 trong X là:

Hướng dẫn:

nMg = 0,1 mol; nFe = 0,08 và nHCl = 0,24.
\(\begin{matrix} Mg & – & 2e & \rightarrow & Mg^{2+}\\ 0,1 & & 0,2 & & \\ Fe & – & 3e & \rightarrow & Fe^{3+}\\ 0,08 & & 0,24 & & \\ Cl_2 & + & 2e & \rightarrow & 2Cl^-\\ a & & 2a & & 2a\\ O_2 & + & 4e & \rightarrow & 2O^{2-}\\ b & & 4b & & 2b\\ Ag^+ & + & e & \rightarrow & Ag\\ x & & x & & x\\ 2H^+ & + & O^{2-} & \rightarrow & H_2O\\ 0,24 & & 0,12 & & \end{matrix}\)
nO = 2b = 0,12 ⇒ b = 0,06
Bảo toàn mol e: 2a + 4b + x = 0,2 + 0,24 = 0,44 ⇒ 2a + x = 0,2
Kết tủa gồm: AgCl (2a + 0,24) mol và Ag x mol
⇒ 143,5(2a + 0,24) + 108x = 61,01
⇒ 287a + 108x = 26,57
⇒ a = 0,07 và x = 0,06
⇒ X gồm 0,07 mol Cl2 và 0,06 mol O2
\(\Rightarrow \%V_{O_2} = 46,15\%\)