KHAI THÁC các PHƯƠNG PHÁP KHÁC NHAU để GIẢI bài tập hóa HỌCPHẦN sắt và hợp CHẤT của sắt

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HÓATRƯỜNG THPT HÀM RỒNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM MÔN HÓA HỌC "KHAI THÁC CÁC PHƯƠNG PHÁP KHÁC NHAU ĐỂ GIẢI BÀI TẬP HÓA HỌC PHẦN SẮT VÀ HỢP CHẤT CỦA SẮT" Người vi

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HÓA

TRƯỜNG THPT HÀM RỒNG

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

MÔN HÓA HỌC

"KHAI THÁC CÁC PHƯƠNG PHÁP KHÁC NHAU ĐỂ

GIẢI BÀI TẬP HÓA HỌC PHẦN SẮT VÀ HỢP CHẤT CỦA SẮT"

Người viết: Nguyễn Thanh Hải

Tổ: Hoá – Sinh – Công nghệ

Tháng 5/2011

MỤC LỤC

Trang

I Kiến thức cơ bản về sắt và hợp chất của sắt 4

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Sách Hoá học lớp 12 - NXB GD HN 2008.

2 Sách Bài tập Hoá học lớp 12 - NXB GD HN 2008

3 Đề thi tuyển sinh vào các trường Đại học và Cao

đẳng NXB ĐHQG HN 2000-2010

4 Đề thi chọn học sinh giỏi môn Hóa học cấp Tỉnh, cấp

Quốc gia các năm

A ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong học tập hoá học, việc giải bài tập có một ý nghĩa rất quan trọng Ngoài việc rèn luyện kỹ năng vận dụng, đào sâu và mở rộng kiến thức đã học một cách sinh động; bài tập hoá học còn được dùng để ôn tập, rèn luyện một số

kỹ năng về hoá học Thông qua giải bài tập, giúp học sinh rèn luyện tính tích cực, trí thông minh, sáng tạo, bồi dưỡng hứng thú trong học tập

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

Qua quá trình giảng dạy, bồi dưỡng học sinh giỏi nhiều năm và việc tham khảo nhiều tài liệu, tôi đã tích luỹ được một số phương pháp để giải bài tập hoá học, đặc biệt là phần bài tập có liên quan đến sắt và các hợp chất của sắt Việc vận dụng các phương pháp khác nhau để giải bài tập hoá học đã tỏ ra có nhiều

ưu điểm, đặc biệt là khi các kỳ thi ngày nay đã chuyển đổi sang phương pháp TNKQ Trong trường hợp này, học sinh tiết kiệm được rất nhiều thời gian tính toán để có kết quả Một số tác giả khác cũng đã đề cập đến nhiều phương pháp giải bài tập khác nhau trong một số tài liệu tham khảo Tuy nhiên, ở đó cũng mới chỉ dừng lại ở việc giải một số bài tập đơn lẻ mà chưa có tính khái quát

Chính vì vậy, tôi viết đề tài này nhằm mở rộng, khái quát việc vận dụng các phương pháp khác nhau trong việc giải một số bài tập hoá học phần sắt và các hợp chất Thông qua đó tôi muốn giới thiệu với các thầy cô giáo và học sinh nhiều cách nhìn khác nhau trong phương pháp giải bài tập rất có hiệu quả Vận dụng được các phương pháp này sẽ giúp cho quá trình giảng dạy và học tập môn hoá học được thuận lợi hơn rất nhiều, nhanh chóng có kết quả để trả lời câu hỏi TNKQ trong đề thi

Đề tài được viết dựa trên cơ sở giải một số bài tập điển hình bằng nhiều phương pháp khác nhau Tổ chức giảng dạy ở một lớp, đánh giá việc học sinh vận dụng các phương pháp này sau khi đã được học tập So sánh kết quả làm bài với học sinh của một lớp khác không được giới thiệu các phương pháp Trên cơ

sở kết quả thu được, đánh giá được ưu điểm và khái quát thành các phương pháp chung cho một số dạng bài tập phần này

B NỘI DUNG

I KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ SẮT VÀ HỢP CHẤT CỦA SẮT

1 Cấu tạo nguyên tử:

- Nguyên tử có 26 electron, được phân bố thành 4 lớp

- Cấu hình electron: 1s2 / 2s2 2p6 / 3s2 3p6 3d6 / 4s2 ↔ [Ar] 3d6 4s2

→ Sắt là nguyên tố d – Kim loại chuyển tiếp

- Tùy thuộc vào nhiệt độ, đơn chất Fe có thể tồn tại ở các mạng tinh thể lập phương tâm khối (Feα) hoặc lập phương tâm diện (Feγ)

2 Tính chất hóa học:

- Sắt là kim loại thể hiện tính khử trung bình

- Thế điện cực chuẩn: E0 0,44V

Fe /

Fe 2 + =−

- Tùy theo chất oxi hóa tác dụng với sắt mà nguyên tử có thể bị oxi hóa thành ion Fe2+ hoặc ion Fe3+:

Fe → 2e + Fe2+ : [Ar] 3d6

Fe → 3e + Fe3+ : [Ar] 3d5

3 Hợp chất của sắt:

a Hợp chất sắt (II):

- Thể hiện cả tính khử và tính oxi hóa:

Fe2+ → 1e + Fe3+

Fe2+ + 2e → Fe

- Thế điện cực chuẩn: E0 0,77V

Fe /

Fe 3 + 2 + =+

b Hợp chất sắt (III):

- Chỉ thể hiện tính oxi hóa

- Tùy theo chất khử tác dụng với hợp chất sắt (III) mà ion Fe3+ có thể bị khử thành ion Fe2+ hoặc bị khử thành đơn chất:

Fe3+ + 1e → Fe2+

Fe3+ + 3e → Fe Ngoài ra, các oxit và hidroxit của sắt đều là những chất rắn, không tan trong nước Riêng các hidroxit sắt còn kém bền đối với nhiệt, dễ phân tích thành oxit và nước

II CÁC VÍ DỤ

Ví dụ 1:

Hòa tan hoàn toàn 4,64 gam hỗn hợp A gồm FeO, Fe3O4, Fe2O3 bằng dung dịch H2SO4 đặc nóng, dư thì thu được dung dịch B và 224 ml SO2 (đktc)

Tính khối lượng muối trong B

(Đề thi TS ĐH năm 2009 – Khối A)

Hướng dẫn:

- Ta biết axit H2SO4 đặc là chất oxi hóa rất mạnh

- Dựa vào tính chất của hợp chất sắt (II) và (III) ta nhận thấy ở bài tập này: + Các ion sắt trong A đã bị oxi hóa hết thành ion Fe3+

+ Dung dịch B chỉ có muối Fe2(SO4)3 mà không có muối FeSO4

- Sơ đồ phản ứng: FeO

Fe3O4 + H2SO4 → Fe2(SO4)3 + SO2 + H2O

Fe2O3 0,01 mol

4,64 gam

* Phương pháp 1: Ghép ẩn

- Gọi số mol FeO, Fe3O4, Fe2O3 tương ứng là x, y, z (mol)

- Các phương trình phản ứng:

2 FeO + 4 H2SO4 → Fe2(SO4)3 + SO2 + 4 H2O

2 Fe3O4 + 10 H2SO4 → 3 Fe2(SO4)3 + SO2 + 10 H2O

Fe2O3 + 3 H2SO4 → Fe2(SO4)3 + 3 H2O

- Ta có:

72x + 232y + 160z = 4,64 (gam)

8× x + y = 0,01×2 (mol)

80x + 240y + 160z = 4,8 (gam)

- Khi đó:

Số mol Fe2(SO4)3 = z

2

y 3 2

x

+

160

8 ,

* Phương pháp 2: Bảo toàn nguyên tố

- Gọi số mol Fe2(SO4)3 là x (mol)

- Nhận thấy:

Số mol H2SO4 = Số mol H2O (bảo toàn H)

= 3×Số mol Fe2(SO4)3 + Số mol SO2 (bảo toàn S) = 3x + 0,01 (mol)

- Theo ĐLBTKL:

4,64 + (3x + 0,01)×98 = 400x + 0,01×64 + (3x + 0,01)×98 (gam) → x = 0,03 (mol)

Vậy: Khối lượng muối trong B là:

mB = 0,03×400 = 12 (gam)

* Phương pháp 3: Qui đổi tương đương

- Coi hỗn hợp A gồm Fe và O tương ứng có số mol là x và y (mol)

- Các quá trình oxi hóa xảy ra:

Fe0 → 3e + Fe3+

O0 + 2e → O

S+6 + 2e → S+4

- Khi đó ta có hệ phương trình:

56x + 16y = 4,64 (gam)

3x = 2y + 0,01×2 (mol) (bảo toàn electron)

→ x = 0,06 (mol) → Số mol Fe2(SO4)3 = 0,03 (mol)

* Phương pháp 4: Bảo toàn electron

- Giả sử đốt x mol Fe bằng O2 thì thu được hỗn hợp A

- Các quá trình oxi hóa xảy ra:

Fe0 → 3e + Fe3+

O2 + 4e → 2O

S+6 + 2e → S+4

- Theo ĐLBTKL: Lượng O2 đã tham gia phản ứng là: 4,64 – 56x (gam)

- Theo định luật bảo toàn electron:

Số mol e = 3x = 4 0,01 2(mol)

32

x 56 64 , 4

× +

×

−

→ x = 0,06 (mol) → Số mol Fe2(SO4)3 = 0,03 (mol)

Ví dụ 2:

Hoà tan hết x mol Fe trong dung dịch chứa y mol axit H2SO4 thì thu được khí A và dung dịch chỉ chứa 42,8 gam muối Cô cạn dung dịch, nung muối khan

ở nhiệt độ cao (không có không khí) đến khối lượng không đổi thì thu được hỗn hợp khí B

a Tính x và y biết x : y = 2,5 : 6

b Tính tỉ khối của B so với không khí

(Đề thi TS ĐH Ngoại thương - Năm 2000)

Hướng dẫn:

- Nếu axit H2SO4 loãng thì x : y = 1 (trái giả thiết)

Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2

- Nếu axit H2SO4 đặc:

2 Fe + 6 H2SO4 → Fe2(SO4)3 + 3 SO2 + 6 H2O

Theo phương trình dễ thấy Fe phải dư và khử Fe2(SO4)3 thành FeSO4 để thỏa mãn điều kiện x : y = 2,5 : 6

Fe + Fe2(SO4)3 → 3 FeSO4

* Phương pháp 1: Tính theo phương trình

- Vì Fe dư nên H2SO4 đã phản ứng hết

- Theo phương trình:

2 Fe + 6 H2SO4 → Fe2(SO4)3 + 3 SO2 + 6 H2O

3

y

y

6

y

(mol)

Fe + Fe2(SO4)3 → 3 FeSO4

(x -

3

y

) (x -

3

y

) 3×(x -

3

y

) (mol)

- Theo giả thiết:

[3×(x -

3

y

)]×152 + [

6

y

- 3×(x -

3

y

)]×400 = 42,8 (gam)

x : y = 2,5 : 6

- Giải hệ phương trình được: x = 0,25 (mol) và y = 0,6 (mol)

* Phương pháp 2: Bảo toàn nguyên tố

- Theo phương trình:

2 Fe + 6 H2SO4 → Fe2(SO4)3 + 3 SO2 + 6 H2O

y

2

y

(mol)

- Trong dung dịch B, số mol ion SO42- còn lại để tạo thành muối là:

y –

2

y

= 2

y (mol)

- Khi đó, lượng muối trong B được tính bằng biểu thức:

56x + 96×2y = 42,8 (gam)

x : y = 2,5 : 6

- Giải hệ phương trình được: x = 0,25 (mol) và y = 0,6 (mol)

Ví dụ 3:

Cho 2,6 gam hỗn hợp X gồm Al, Fe, Cu tác dụng với dung dịch NaOH dư thì thu được 1,344 lít H2 (đktc), dung dịch A và chất rắn B Hoà tan B trong 300

ml dung dịch HNO3 0,4M dư thì thu được 0,56 lít khí NO duy nhất (đktc) và dung dịch E

a Tính % mỗi kim loại trong X theo khối lượng

b Tính khối lượng kết tủa thu được khi cho E tác dụng với NH3 dư

c Nếu cho E tác dụng với bột Fe có dư thu được khí NO duy nhất, dung dịch Y và một lượng chất rắn không tan Lọc bỏ chất rắn rồi cô cạn Y thì thu được bao nhiêu gam muối khan?

(Đề thi TS ĐH Y Hà Nội - Năm 2000)

Hướng dẫn:

- Bằng phương pháp tính theo phương trình hoặc bảo toàn electron, dễ dàng tính được lượng mỗi kim loại trong X:

2 Al + 6 H2O + 2 NaOH → 2 Na[Al(OH)4] + 3 H2

Fe + 4 HNO3 → Fe(NO3)3 + NO + 2 H2O

3 Cu + 8 HNO3 → 3 Cu(NO3)2 + 2 NO + 4 H2O

X gồm: 0,0400 mol Al

0,0220 mol Fe

0,0045 mol Cu

- Dung dịch E gồm Fe(NO3)3; Cu(NO3)2 và HNO3 dư tác dụng với NH3 dư chỉ thu được Fe(OH)3: 0,04 mol

HNO3 + NH3 → NH4NO3

Fe(NO3)3 + 3 NH3 + 3 H2O → Fe(OH)3 + 3 NH4NO3

Cu(NO3)3 + 4 NH3 → [Cu(NH3)4](NO3)2

Ta khai thác các phương pháp khác nhau để làm câu c

* Phương pháp 1: Tính theo phương trình

- Các phương trình phản ứng xảy ra:

Fe + 4 HNO3 → Fe(NO3)3 + NO + 2 H2O

0,02 0,005 (mol)

Fe + 2 Fe(NO3)3 → 3 Fe(NO3)2

(0,022+0,005) 0,0405 (mol)

Fe + Cu(NO3)2 → Fe(NO3)2 + Cu

0,0045 0,0045 (mol)

- Số mol HNO3 đã còn dư trong E:

0,3×0,4 – 4×0,025 = 0,02 (mol)

- Vì Fe dư nên dung dịch Y chỉ có Fe(NO3)2:

Số mol Fe(NO3)2 = 0,0405 + 0,0045 = 0,045 (mol) ↔ 8,1 gam

* Phương pháp 2: Bảo toàn nguyên tố

- Ta dễ dàng tính được lượng ion NO3- bị khử thành NO trong cả 2 thí nghiệm nên lượng ion NO3- còn lại trong Y là:

0,3×0,4 –

4

1

(0,3×0,4) = 0,09 (mol)

- Vì dung dịch Y chỉ có Fe(NO3)2 nên:

Số mol Fe(NO3)2 =

2

1

Số mol NO3- (Y)

=

2

1

×0,09 = 0,045 (mol) ↔ 8,1 gam

Ví dụ 4:

Hoà tan vừa hết 1,68 gam Fe trong 25 ml dung dịch HNO3 nóng Sau phản ứng thu được dung dịch A và 1,12 lít (đktc) hỗn hợp khí B gồm NO2, NO

Tính nồng độ dung dịch axit ban đầu biết A chỉ có Fe(NO3)3

(Đề thi TS ĐH Thủy lợi - Năm 2004)

Hướng dẫn:

- Do HNO3 có tính oxi hóa mạnh nên oxi hóa hết Fe thành Fe3+

- Theo giả thiết A chỉ có Fe(NO3)3 nên không có NH4NO3 được tạo thành trong A

* Phương pháp 1: Tính theo phương trình

- Các phương trình phản ứng xảy ra:

Fe + 6 HNO3 → Fe(NO3)3 + 3 NO2 + 3 H2O

Fe + 4 HNO3 → Fe(NO3)3 + NO + 2 H2O

- Gọi x, y là số mol Fe tham gia vào mỗi phản ứng:

x + y =

56

68 , 1

= 0,03 (mol)

3x + y = 221,12,4= 0,05 (mol)

- Giải hệ phương trình được: x = 0,01 (mol) và y = 0,02 (mol)

- Theo phương trình ta tính được:

Số mol HNO3 = 6x + 4y = 0,14 (mol)

- Vậy, nồng độ dung dịch HNO3 đã dùng là:

[HNO3] = 00,025,14 = 5,6 (M)

* Phương pháp 2: Bảo toàn electron

- Các quá trình oxi hóa, khử xảy ra:

Fe → Fe3+ + 3e

2 H+ + NO3- + 1e → NO2 + H2O

4 H+ + NO3- + 3e → NO + 2 H2O

- Gọi x, y là số mol NO2 và NO trong B:

x + y =

4 , 22

12 , 1

= 0,05 (mol)

x + 3y =

56

68 , 1

×3 = 0,05 (mol)

- Giải hệ phương trình được: x = 0,03 (mol) và y = 0,02 (mol)

- Theo phương trình ta tính được:

Số mol HNO3 = Số mol H+ = 2x + 4y = 0,14 (mol)

* Phương pháp 3: Bảo toàn nguyên tố

Do sự bảo toàn nguyên tử N nên:

Số mol HNO3 = Số mol NO3- = 3×Số mol Fe3+ + Số mol B

= 3×0,03 + 0,05 = 0,14 (mol)

Ví dụ 5:

Cho 7,68 gam hỗn hợp X gồm FeO, Fe3O4 và Fe2O3 tác dụng vừa hết với

260 ml dung dịch HCl 1M thì thu được dung dịch Y Cho Y tác dụng với dung

dịch NaOH dư, lọc lấy kết tủa, nung trong không khí đến khối lượng không đổi thì thu được m gam chất rắn Z Giá trị của m là

A 8 gam B 12 gam C 16 gam D 24 gam.

(Đề thi TS CĐ năm 2010 – Khối A)

Hướng dẫn:

- Do HCl chỉ là axit mạnh, không có tính oxi hóa mạnh nên không làm thay đổi số oxi hóa của Fe trong X

- Khi nung kết tủa trong không khí, O2 của không khí sẽ oxi hóa hết các ion sắt thành Fe3+

* Phương pháp 1: Ghép ẩn

- Các phương trình phản ứng:

FeO + 2 H+ → Fe2+ + H2O

Fe3O4 + 8 H+ → Fe2+ + 2 Fe3+ + 4 H2O

Fe2O3 + 6 H+ → 2 Fe3+ + 3 H2O

Fe2+ + 2 OH- → Fe(OH)2

Fe3+ + 3 OH- → Fe(OH)3

4 Fe(OH)2 + O2 → 2Fe2O3 + 4 H2O

2 Fe(OH)3 →Fe2O3 + 3 H2O

- Gọi x, y, z là số mol FeO, Fe3O4 và Fe2O3 trong X:

72x + 232y + 160z = 7,68 (gam)

8× 2x + 8y + 6z = 0,26×1 (mol)

56x + 168y + 112z = 5,6 (gam)

- Khi đó:

Số mol Fe2O3 = z

2

y 3 2

x

+ + = 0,05 (mol) ↔ 0,05×160 = 8 (gam) Vậy: Chọn phương án A

* Phương pháp 2: Bảo toàn nguyên tố

- Dễ dàng tính được lượng O trong X:

Số mol O =

2

1

Số mol H+ =

2 1

×0,26 = 0,13 (mol)

- Khi đó khối lượng Fe trong X là:

7,68 – 16×0,13 = 5,6 (gam) ↔ 0,1 (mol)

- Do sự bảo toàn nguyên tử Fe nên:

Số mol Fe2O3 =

2

1

Số mol Fe =

2

1

×0,1 = 0,05 (mol)

Ví dụ 5:

Hòa tan hết m gam hỗn hợp gồm FeO, Fe3O4 và Fe2O3 có số mol bằng nhau trong dung dịch HNO3 thì thu được 2,688 lít NO (đktc) Giá trị của m là

A 70,82 gam B 83,52 gam C 62,64 gam D 41,76 gam

(Đề thi TS ĐH năm 2010 – Khối A)

* Phương pháp 1: Tính theo phương trình

- Các phương trình phản ứng:

3 FeO + 10 HNO3 → 3 Fe(NO3)3 + NO + 5 H2O

3 Fe3O4 + 28 HNO3 → 9 Fe(NO3)3 + NO + 14 H2O

Fe2O3 + 6 HNO3 → 2 Fe(NO3)3 + 3 H2O

- Gọi x là số mol mỗi oxit trong hỗn hợp

- Theo phương trình:

Số mol NO =

3

x

+

3

x

= 222,688,4 = 0,12 (mol) → x = 0,18 (mol)

- Vậy khối lượng hỗn hợp là:

m = 0,18×(72 + 232 + 160) = 83,52 (gam) → Chọn phương án B

* Phương pháp 2: Qui đổi tương đương

- Coi hỗn hợp FeO và Fe2O3 có số mol bằng nhau là Fe3O4 khi đó hỗn hợp chỉ là Fe3O4

- Theo phương trình:

Số mol Fe3O4 = 3 Số mol NO = 3×0,12 = 0,36 (mol)

→ m = 0,36×232 = 83,52 (gam)

* Phương pháp 3: Bảo toàn electron

- Coi Fe3O4 ↔ FeO.Fe2O3 nên chỉ có 1 ion Fe2+ bị oxi hóa:

- Các quá trình oxi hóa khử:

Fe2+ → Fe3+ + 1e

N+5 + 3e → N+2

- Gọi x là số mol mỗi oxit trong hỗn hợp ta có:

Số mol e = 1×(x + x) = 0,12×3 (mol) → x = 0,18 (mol)

- Vậy khối lượng hỗn hợp là:

m = 0,18×(72 + 232 + 160) = 83,52 (gam)

Như vậy, khi giải các bài tập phần sắt và các hợp chất của sắt có rất nhiều phương khác nhau: tính theo phương trình, ghép ẩn, bảo toàn electron, bảo toàn nguyên tố, … Việc vận dụng mỗi phương pháp cho mỗi bài toán mang lại hiệu quả khác nhau rất khác nhau, đòi hỏi thầy cô giáo và học sinh phải vận dụng rất linh hoạt trong quá trình giảng dạy và học tập

Trên cơ sở những ví dụ đã giới thiệu ở trên, chúng ta có thể liên hệ, xây dựng được nhiều bài toán tương tự phục vụ cho giảng dạy và học tập

III THỰC NGHIỆM

Với nội dung các phương pháp như đã được trình bày ở trên, tôi đã áp dụng giảng dạy ở các lớp khối 12 và thu được kết quả rất tốt

Đối tượng áp dụng là học sinh các lớp 12C1; 12C5 và lớp 12C8 trường THPT Hàm Rồng năm học 2010 - 2011 Học sinh lớp 12C1; 12C8 được khai thác nhiều phương pháp khác nhau để giải các bài tập, còn học sinh lớp 12C5 thì chưa được giới thiệu

Đề bài kiểm tra TNKQ thực nghiệm:

Câu 1: Thổi khí CO dư đi qua m gam Fe2O3 nung nóng thì thu được 6,72 gam hỗn hợp chất rắn X Hòa tan X trong HNO3 đặc, nóng, dư thì thu được 0,16 mol NO2 (duy nhất ) Giá trị của m là

A 7,5 gam B 8,0 gam C 8,5 gam D 9,0 gam.

Câu 2: Cho V lít khí CO (đktc) qua ống sứ đựng 10 gam Fe2O3 nung nóng thu được hỗn hợp X Cho X tan trong dung dịch HNO3 dư thì thu được 0,05 mol

NO Giá trị của V và khối lượng hỗn hợp X là

A 1,68 lít và 8,8 gam B 6,72 lít và 18,2 gam

C 2,24 lít và 8,2 gam D 3,36 lít và 10,2 gam.

Câu 3: Cho m gam kim loại hòa tan vừa đủ trong 500 ml dung dịch HNO3

không thấy khí thoát ra Cô cạn dung dịch thì thu được (m + 21,6) gam muối khan Nồng độ dung dịch axit đã dùng là