PHƯƠNG PHÁP GIẢI bài tập hỗn hợp SẮT+OXÍT sắt và hỗn hợp các OXÍT sắt

Qua những năm giảng dạy tôi nhận thấy rằng, khả năng giải toán Hóa họccủa các em học sinh còn nhiều hạn chế, đặc biệt là giải toán Hóa Học Vô Cơ vìnhững phản ứng trong Hoá Học Vô Cơ thườ

“PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP HỖN HỢP SẮT + OXÍT SẮT

Việc lựa chọn phương pháp thích hợp để giải bài tập lại càng có ý nghĩaquan trọng hơn Mỗi bài tập có thể có nhiều phương pháp giải khác nhau Nếu biếtlựa chọn phương pháp hợp lý, sẽ giúp học sinh nắm vững hơn bản chất của các hiệntượng hoá học

Qua những năm giảng dạy tôi nhận thấy rằng, khả năng giải toán Hóa họccủa các em học sinh còn nhiều hạn chế, đặc biệt là giải toán Hóa Học Vô Cơ vìnhững phản ứng trong Hoá Học Vô Cơ thường xảy ra rất phức tạp, nhất là những bàitoán về các kim loại chuyển tiếp có nhiều hóa trị như kim loại Fe, kim loại Cr ….Trong đó dạng bài tập về các oxít của kim loại Fe là một ví dụ Khi giải các bài tậpdạng này học sinh thường gặp những khó khăn dẫn đến thường giải rất dài dòng,nặng nề về mặt toán học không cần thiết thậm chí không giải được vì quá nhiều ẩn

số Nguyên nhân là học sinh chưa tìm hiểu rõ, vững các định luật hoá học và các hệ

số cân bằng trong phản ứng hoá học để đưa ra phương pháp giải hợp lý

Xuất phát từ suy nghĩ muốn giúp học sinh không gặp phải khó khăn vànhanh chống tìm được đáp án đúng trong quá trình học tập mà dạng toán này đặt ra.Chính vì vậy tôi chọn đề tài:

“PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP HỖN HỢP SẮT VÀ OXIT SẮT

HOẶC HỖN HỢP CÁC OXIT SẮT”

2 Cơ sở thực tiễn:

Trong những năm học gần đây Bộ Giáo Dục và Đào Tạo đã có chủ trươngđổi mới nội dung chương trình SGK cho tất cả các cấp học Cùng với việc đổi mới vềchương trình nội dung sách giáo khoa là kéo theo sự thay đổi hàng loạt hình thức vàphương pháp dạy học đặc biệt là sự thay đổi hình thức thi từ “Tự Luận” sang hìnhthức thi “Trắc nghiệm khách quan” Và với hình thức thi trắc nghiệm khách quannhư hiện nay thì thời gian làm bài là rất ngắn – chỉ khoảng 1,5 phút cho 1 câu Nếucác em vẫn làm bài theo cách làm bài tự luận thì sẽ không đủ thời gian Mà dạng bàitập hỗn hợp gồm sắt và oxit sắt là một trong những dạng bài tập mà học sinh hay gặptrong các kỳ thi mà đặc biệt là thi Đại Học

Trong quá trình giảng dạy tôi đã rút ra được nhiều bài học kinh nghiệm chomình để giúp học sinh giải quyết nhanh những bài tập thuộc dạng này và tạo sự tự tincho học sinh khi bước vào các kì thi Tôi đã áp dụng và thấy có những hiệu quả nhấtđịnh nên mạnh dạn viết ra để chia sẽ cùng với quí đồng nghiệp cùng tham khảo và có

ý kiến xây dựng giúp tôi hoàn thiện hơn trong công tác giảng dạy

II MỤC ĐÍCH VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Mục đích của chuyên đề này là giúp các em củng cố được kiến thức cơ bảnliên quan đến dạng bài tập về các oxít của kim loại Fe, rèn luyện kỹ năng giải các bàitập về oxít Fe để có cách giải nhanh nhất, chính xác nhất trong thời gian ngắn nhấttheo hình thức thi trắc nghiệm khách quan Môn Hóa học là một môn khoa học thựcnghiệm nên đối với đa số học sinh môn Hóa học là một môn khó Với việc hiểu rõbản chất vấn đề và giải được các bài tập Hóa học sẽ giúp giảm bớt cảm giác lo sợtrong học sinh, giúp các em có hứng thú học tập bộ môn Hoá học cũng như tự tin hơntrên con đường học tập của mình

Qua nhiều năm giảng dạy tôi thấy để giúp học sinh giải quyết tốt các bàitoán về hỗn hợp sắt một cách nhanh chóng tôi đã đưa các định luật bảo toàn vàchuyển đổi hỗn hợp nhiều oxít thành hỗn hợp chỉ có 2 chất và tôi thấy rất hiệu quả.Nên tôi mạnh dạn viết ra đây để mong góp một phần nhỏ bé của mình vào việc nângcao chất lượng dạy học, giúp hoc sinh làm bài tốt hơn, nhanh hơn

III GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI

- Đề tài này áp dụng được cho học sinh khối 12 trung học phổ thông

- Chỉ áp dụng làm bài tập theo hình thức thi trắc nghiệm khách quan (lấy kết quả

và thời gian làm bài là chủ yếu)

- Chỉ dùng cho những học sinh ở mức trung bình trở lên

IV KẾ HOẠCH THỰC HIỆN

Đề tài được dùng để rèn luyện kĩ năng giải bài tập cho học sinh nên được

sử dụng sau khi học sinh đã học và nắm rõ lý thuyết cơ bản Để đạt hiệu quả caotrong giảng dạy, giúp hoc sinh nắm vững vấn đề tôi đã làm như sau:

- Trong quá trình giảng dạy tôi đã dùng các bài tập nhỏ để giúp học sinh hiểu

rõ các định luật bảo toàn quan trọng trong hóa học :

 Định luật bảo toàn khối lượng

 Định luật bảo toàn nguyên tố

 Định luật bảo toàn electron

- Sau khi dạy học sinh về các oxít Fe, hướng dẫn học sinh sử dụng các địnhluật bảo toàn để biến hỗn hợp nhiều oxít thành hỗn hợp chỉ có 2 chất tươngđương, mà không làm thay đổi bản chất của nó

- Sau khi học sinh đã thành thạo các kĩ năng trên sẽ cho học sinh áp dụng vàonhững trường hợp cụ thể

Qua nhiều năm giảng dạy, tôi thấy nếu làm được như trên thì việc giải các bàitoán về hỗn hợp oxít Fe sẽ tương đối dễ dàng và nhanh chóng

B PHẦN NỘI DUNG

Như tôi đã trình bày, môn Hóa học là một môn khoa học thực nghiệm, đốivới học sinh để nắm vững vần đế là rất khó khăn Khi đã không hiểu rõ bản chất thìviệc áp dụng để giải quyết vấn đề là càng khó khăn hơn

Đối với dạng bài tập về hỗn hợp oxít Fe, để giải được học sinh phải nắmvững những định luật bảo toàn, mà những định luật này lại chỉ được hình thành quanhững giờ luyện tập Giáo viên không có điều kiện để hình thành một cách rõ ràngđầy đủ cho học sinh hiểu Học sinh thì lại thường không chú trọng đến điều này nênviệc hiểu và vận dụng các định luật này càng khó khăn hơn

Chính vì vậy mà khi giải các bài tập về oxít Fe học sinh gặp rất nhiều khókhăn, nhiều em cho là quá khó và thường có ý buông xuôi Vậy nên giúp học sinhhiểu và giải được những bài toán này trong thời gian hạn hẹp của hình thức thi trắcnghiệm khách quan là tương đối khó khăn

II CÁC BIỆN PHÁP GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ :

1 – Các định luật cần vận dụng :

a) Định luật bảo toàn khối lượng :

“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 mT là tổng khối lượng các chất trước phản ứng, ms là khối lượng cácchất 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 củacation hoặc anion ta coi như bằng khối lượng của nguyên tử cấu tạo thành

Để vận dụng tốt định luật bảo toàn khối lượng trong các bài toán ta cần tóm tắt bài toán dưới dạng sơ đồ

Ví dụ: Hỗn hợp X gồm Fe, FeO và Fe2O3 Cho một luồng CO đi qua ống sứ đựng mgam hỗn hợp X nung nóng Sau khi kết thúc thí nghiệm thu được 64 gam chất rắn Ytrong ống sứ và 11,2 lít khí A (đktc) có tỉ khối so với H2 là 20,4 Tính giá trị m

A 105,6 gam B 35,2 gam C 70,4 gam D 140,8 gam

Hướng dẫn giải

Các phản ứng khử sắt oxit có thể có:

3Fe2O3 + CO → t o 2Fe3O4 + CO2 (1)

Fe3O4 + CO → t o 3FeO + CO2 (2)FeO + CO → t o Fe + CO2 (3)Như vậy chất rắn A có thể gồm 3 chất Fe, FeO, Fe3O4 hoặc ít hơn, điều đókhông quan trọng và việc cân bằng các phương trình trên cũng không cần thiết, quantrọng là số mol CO phản ứng bao giờ cũng bằng số mol CO2 tạo thành

b) Định luật bảo toàn nguyên tố :

Tổng khối lượng một nguyên tố trước phản ứng bằng tổng khối lượng củanguyên tố đó sau phản ứng Nội dung định luật có thể hiểu là tổng số mol của mộtnguyên tố được bảo toàn trong phản ứng

Ví dụ 1: Cho 4,48 lít CO (ở đktc) từ từ đi qua ống sứ nung nóng đựng 8 gam một

oxit sắt đến khi phản ứng xảy ra hoàn toàn Khí thu được sau phản ứng có tỉ khối sovới hiđro bằng 20 Công thức của oxit sắt và phần trăm thể tích của khí CO2 tronghỗn hợp khí sau phản ứng là

A FeO; 75% B Fe2O3; 75% C Fe2O3; 65% D Fe3O4; 65%

Hướng dẫn giải

FexOy + yCO → xFe + yCO2

Khí thu được có M 40 = → gồm 2 khí CO2 và CO dư

p.­ = = × = mol → nCO dư = 0,05 mol

Thực chất phản ứng khử oxit sắt là do: CO + O (trong oxit sắt) → CO2

Fe3O4 (n mol) → (FeO, Fe) → 3Fe2+

Áp dụng định luật bảo toàn nguyên tố Fe: ⇒ ( ) 2

c) Định luật bảo toàn electron :

Trong phản ứng oxi hóa khử: Số mol electron mà chất khử cho đi bằng sốmol 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 vàtrạng 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 sốmol của tất cả chất nhường hoặc nhận electron

Ví dụ: Trộn 0,81 gam bột nhôm với hỗn hợp X gồm bột Fe2O3 và CuO rồi đốt nóng

để tiến hành phản ứng nhiệt nhôm thu được hỗn hợp A Hoà tan hoàn toàn A trongdung dịch HNO3 đun nóng thu được V lít khí NO (sản phẩm khử duy nhất) ở đktc.Giá trị của V là:

a) Bài toán cho hỗn hợp các oxít Fe :

Cho hỗn hợp X gồm FeO, Fe 2 O 3 và Fe 3 O 4 ta có thể biến hỗn hợp X thành

Ví dụ :

Hòa tan hoàn toàn 15,2 gam hỗn hợp X gồm FeO, Fe2O3 và Fe3O4 trong dungdịch HNO3 đặc, nóng dư, thấy thoát ra 2,24 lít khí NO2 (ở đktc) và dung dịch A Côcạn dung dịch A thì thu được bao nhiêu gam muối khan ?

Ta có thể chuyển bài toán trên thành bài toán sau :

Hòa tan hoàn toàn 15,2 gam hỗn hợp X gồm FeO, Fe2O3 trong dung dịchHNO3 đặc, nóng dư, thấy thoát ra 2,24 lít khí NO2 (ở đktc) và dung dịch A Cô cạndung dịch A thì thu được bao nhiêu gam muối khan ?

b) Bài toán cho hỗn hợp gồm Fe và các oxít Fe :

Bài toán cho hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe 2 O 3 và Fe 3 O 4 tác dụng với các chất

oxihóa mạnh như HNO3 hay H2SO4 đặc nóng Với trường hợp này thì cả FeO, Fe và

Fe3O4 đều thể hiện tính khử, sau phản ứng đều tạo thành Fe3+ Để đơn giản ta biến hỗn hợp trên thành hỗn hợp trong đó chỉ có một chất khử duy nhất Có nhiều cách biến đổi, theo kinh nghiệm của tôi thì nên áp dụng 2 cách sau :

- Cách 1 :

3 2 4

3 HNO hay H SO

Với trường hợp này khi cho hỗn hợp X tác dụng với dung dịch HNO3 hay

H2SO4 đặc nóng thì Fe là chất khử, còn O và HNO3 (hay H2SO4) là chất oxihóa

a) Hỗn hợp sắt và các oxit phản ứng với chất oxi hóa mạnh:

Ví dụ: Cho 11,36 gam hỗn hợp gồm Fe, FeO, Fe2O3 và Fe3O4 phản ứng hết với dungdịch HNO3 loãng (dư), thu được 1,344 lít khí NO (sản phẩm khử duy nhất, ở đktc) vàdung dịch X Cô cạn dung dịch X thu được m gam muối khan Tính m ?

Phân tích đề: Đây là bài toán thuộc dạng 2: hỗn hợp Fe và các oxít Fe tác

dụng với chất oxihóa mạnh Để tính được khối lượng muối Fe(NO3)3 thu được sauphản ứng ta chi cần tìm số mol Fe trong hỗn hợp ban đầu Từ phân tích trên chúng ta

có thể giải bài toán này theo 2 cách như sau:

Cách 1: Số mol NO = 0,06 mol.

3

3 HNO

Như vậy nFe(NO )3 3 =nFe =0,16 mol ⇒ 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 1,344lít khí NO (sản phẩm khử duy nhất, ở đktc) Tính m ?”

Ta có thể giải bài toán này giống như trên tìm ra số mol Fe rồi từ đó tính khốilượng của Fe

Phát triển bài toán:

Trường hợp 1: Cho nhiều sản phẩm sản phẩm khử như NO2, NO ta có vẫn đặt hệbình 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:

n =n = n n+ 3n n (n= + )

b) 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 dungdịch H2SO4 đặc nóng (dư), thu được 4,2 lít khí SO2 (là sản phẩm khử duy nhất, ởđktc) Tính m ?

Như vậy: + Khối lượng oxit sẽ là tổng của khối lượng sắt và oxi

Như vậy mX =mFe + mO = 12,6 0,15 16 15 gam+ =

Ví dụ 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 loãngthu được 5,6 lít hỗn hợp khí Y gồm NO và NO2 có tỉ khối so với H2 là 19 Tính m vàthể tích HNO3 1M đã dùng ?

3 2

- Số mol HNO3 ban đầu bằng số mol HNO3 trong muối và chuyển về các khí

Đây cũng là bài toán hỗn hợp Fe và oxít tác dụng với chất oxihóa mạnh, nên chúng ta có thể giải theo 2 cách sau:

Cách 1: Theo đề ra ta có: nNO = nNO2 = 0,125 mol

2 HNO

Fe 1

15

56a 160b 20 a mol

n a 2b 0,3 mol3a 0,125 0,375 b mol

Như vậy nFe =0,3 mol ⇒ mFe = 16,8 gam.

Áp dụng ĐLBT nguyên tố N ta có:

n = n = n n+ 3n n= + + n

⇒nHNO3 =3 0,3 0,125 0,125 1,15 mol+ + = ⇒VHNO3 = 1,5 lít

hóa mạnh là HNO 3 hoặc H 2 SO 4 đặc nóng:

Ví dụ: Cho một luồng khí CO đi qua ống sứ đựng m gam Fe2O3 nung nóng Sau mộtthời 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

3 o

Đây cũng là bài toán hỗn hợp Fe và oxít tác dụng với chất oxihóa mạnh, nên chúng ta có thể giải theo 2 cách sau:

Cách 1: Theo đề ra ta có: nNO2 = 0,195 mol

3

3 HNO

56a 160b 10,44 a 0,065 mol

n a 2b 0,15 mol3a 0,195 mol b 0,0425 mol

Phân tích đề: Sơ đồ bài toán

- Ta coi H+ của axit chỉ phản ứng với O2- 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 đượclượng Fe có trong oxit

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

Bài giải: Ta có nH+ =nHCl =0,26 mol

Theo phương trình:

2

2

2H [O ] H O0,26 0,13 mol

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

e) Dạng sắt và hỗn hợp oxit sắt phản ứng với axit thường: H +

Dạng này cơ bản giống dạng thứ 4 tuy nhiên sản phẩm phản ứng ngoài H2Ocòn có H2 do Fe phản ứng Như vậy liên quan đến H+ sẽ có những phản ứng sau:

dịch NaOH dư thu được kết tủa Y Nung Y ngoài không khí đến khối lượng khôngđổi thu được đến khối lượng không đổi được m (g) chất rắn Tính m

Phân tích đề: Sơ đồ bài toán

+ + − →

¬

2

2H 2e H (2)0,3 mol 0,15 mol

Trong số oxit sắt thì ta coi Fe3O4 là hỗn hợp của FeO và Fe2O3 có số molbằng 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 Fe3O4 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 thểchuyển 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 H2SO4 loãng dư được 200ml dung dịch X.Tính thể tích dung dịch KMnO4 0,1M cần thiết để chuẩn độ hết 100ml 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 Dungdịch 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 phảnứng hoặc phương pháp bảo toàn electron

Bài giải: Vì số mol của FeO bằng số mol của Fe2O3 nên ta coi hỗn hợp là Fe3O4

Trong 100 ml X sẽ có 0,01 mol FeSO4 nên:

10FeSO4 + 2KMnO4 +8H2SO4  →5Fe2(SO4)3 + K2SO4+2MnSO4+8H2O0,01 0,002

Như vậy ta có KMnO 4

0,002

0,1

= = hay 20 ml.

Ví dụ 2: Cho m gam hỗn hợp oxit sắt gồm FeO, Fe3O4 và Fe2O3 tan vừa hết trong dd

H2SO4 tạo thành dung dịch X Cô cạn dung dịch X thu được 70,4 gam muối, mặtkhác 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 lượngmuối 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 củaClo ta có thể tính ra số mol của Fe2+ từ đó tính được số mol FeO, mặt khác ta có tổngkhối 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