PHÂN LOẠI VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI NHANH BÀI TẬP VỀ SẮT VÀ CÁC OXIT SẮT

a) Định luật bảo toàn khối lượng Nội dung định luật: Tổng khối lượng các chất tham gia phản ứng bằng tổng khối lượng các chất được tạo thành sau phản ứng. Trong đó chúng ta cần vận dụng các hệ quả: Hệ quả 1: Gọi mT là tổng khối lượng các chất trước phản ứng, mS là khối lượng các chất sau phản ứng (kể cả lượng dư). Dù phản ứng xảy ra với hiệu suất bất kỳ ta đều có: mT = mS. Hệ quả 2: Khi cation kim loại (hoặc cation amoni) kết hợp với anion gốc axit (hoặc anion oxit) để tạo ra các hợp chất ta luôn có: mHợp chất = mcation + manion. Khối lượng của cation hoặc anion ta coi như bằng khối lượng của nguyên tử cấu tạo thành. Hệ quả 3: mdung dịch trước phản ứng + mchất cho vào dung dịch + m kết tủa + mkhí

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VĨNH PHÚC

TRƯỜNG THPT QUANG HÀ

=====***=====

BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ BỒI DƯỠNG ÔN THI THPT QUỐC GIA

Tên chuyên đề:

PHÂN LOẠI VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI NHANH

BÀI TẬP VỀ SẮT VÀ CÁC OXIT SẮT

NGƯỜI THỰC HIỆN: PHẠM VĂN HOẠT

ĐƠN VỊ: TRƯỜNG THPT QUANG HÀ

ĐỐI TƯỢNG: HỌC SINH LỚP 12

SỐ TIẾT: 5 TIẾT

Vĩnh Phúc, năm 2017

1

MỤC LỤC

1 Ôn tập các định luật, phương pháp giải bài tập hóa học 6

II PHÂN LOẠI VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI NHANH BÀI TẬP VỀ

SẮT VÀ CÁC OXIT SẮT

8

1 Dạng 1 : Đốt cháy sắt trong không khí rồi cho sản phẩm phản

ứng với chất oxi hóa

8

2 Dạng 2: Hỗn hợp sắt và các oxit phản ứng với chất oxi hóa mạnh 10

3 Dạng 3: Khử không hoàn toàn Fe 2 O 3 sau cho sản phẩm phản ứng

với chất oxi hóa mạnh là HNO 3 hoặc H 2 SO 4 đặc nóng

12

4 Dạng 4: Hỗn hợp oxit sắt phản ứng với axit thường (HCl, H 2 SO 4

loãng )

14

5 Dạng 5: Sắt và hỗn hợp oxit sắt phản ứng với axit thường (HCl,

H 2 SO 4 loãng )

15

CHUYÊN ĐỀ ÔN THI THPT QUỐC GIA PHÂN LOẠI VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI NHANH BÀI TẬP VỀ SẮT

VÀ CÁC OXIT SẮT

A MỤC ĐÍCH – YÊU CẦU

I NỘI DUNG

1 Nắm vững các định luật, phương pháp giải bài tập hóa học sau:

a) Định luật bảo toàn khối lượng

Nội dung định luật: Tổng khối lượng các chất tham gia phản ứng bằng tổng khối

lượng các chất được tạo thành sau phản ứng

Trong đó chúng ta cần vận dụng các hệ quả:

các chất sau phản ứng (kể cả lượng dư) Dù phản ứng xảy ra với hiệu suất bất kỳ ta đều có: mT = mS

Hệ quả 2: Khi cation kim loại (hoặc cation amoni) kết hợp với anion gốc axit

(hoặc anion oxit) để tạo ra các hợp chất ta luôn có: mHợp chất = mcation + manion Khối lượng của cation hoặc anion ta coi như bằng khối lượng của nguyên tử cấu tạo thành

Hệ quả 3: mdung dịch trước phản ứng + mchất cho vào dung dịch + m kết tủa + mkhí

b) 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

c) Định luật bảo toàn electron

Nội dung định luật: 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 mức oxi hóa của các nguyên tố ban đầu và mức oxi hóa của các nguyên tố sau phản ứng mà không cần quan tâm đến mức oxi hóa 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

3

d) Phương pháp quy đổi

Là phương pháp biến đổi toán học nhằm đưa bài toán ban đầu là một hỗn hợp phức

tạp về dạng đơn giản hơn, qua đó làm cho bài toán trở nên dễ dàng thuận tiện Khi quy đổi phải đảm bảo 2 nguyên tắc:

- Bảo toàn nguyên tố, tức tổng số mol mỗi nguyên tố ở hỗn hợp đầu và hỗn hợp mới phải như nhau

- Bảo toàn số oxi hóa, tức là số oxi hóa của các nguyên tố trong hai hỗn hợp là như nhau

2 Hiểu bản chất hóa học các 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, H2SO4 loãng

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 xem như đây là quá trình oxi hoá liên tiếp Fe bằng 2 chất oxi hoá là O và HNO3.

Chất nhường electron: Fe , tạo sản phẩm là Fe3+

Chất nhận electron: O và HNO3, tạo sản phẩm là oxit (O2-) và V lít NO2 (đktc) (hoặc các sản phẩm khử khác)

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

Theo định luật bảo toàn electron:

Fe    Fe3+ + 3e

x(mol) 3x(mol)

O + 2e    O

2-y(mol) 22-y(mol)

N5 + 1e    N4 (NO2)

(mol) (mol)

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

(mol)

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

22, 4

V

22, 4

V

22, 4

V

22, 4

V

Từ (1) và (2) ta có hệ: 22,4

56x 16 3x 2 V

y m y





 

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

II KĨ NĂNG

- Rèn luyện kĩ năng giải nhanh bài tập hóa học sử dụng các định luật bảo toàn (khối

lượng, nguyên tố, electron) và phương pháp quy đổi

- Phát triển năng lực tính toán, sơ đồ hóa quá trình hóa học

- Rèn luyện kĩ năng giải bài tập hóa học đáp ứng các mức độ trong đề thi THPT quốc gia môn hóa học năm 2017

III PHƯƠNG PHÁP

1 Về phía giáo viên

Để thực hiện chuyên đề đã chọn, chúng tôi đã kết hợp sử dụng kết hợp những phương pháp sau:

- Phương pháp phân tích - tổng hợp

- Phương pháp khảo sát thống kê - phân loại

- Phương pháp hệ thống

- Phương pháp sơ đồ hóa bài toán

- Thảo luận nhóm

2 Về phía học sinh

- Ôn tập định luật bảo toàn khối lượng, định luật bảo toàn mol nguyên tố, định luật bảo toàn mol electron

- Kết hợp tiếp thu bài giảng trên lớp với nghiên cứu tài liệu, bài tập ở nhà

- Làm việc nhóm đồng thời độc lập giải bài tập theo yêu cầu của giáo viên

IV ĐỐI TƯỢNG, THỜI LƯỢNG GIẢNG DẠY CHUYÊN ĐỀ

- Học sinh lớp 12: ôn thi THPT Quốc gia

- Số tiết: 05 tiết

5

B PHẦN NỘI DUNG CHUYÊN ĐỀ

I CƠ SỞ LÍ THUYẾT

1 Ôn tập các định luật, phương pháp giải bài tập hóa học

a) Định luật bảo toàn khối lượng

Nội dung định luật: Tổng khối lượng các chất tham gia phản ứng bằng tổng khối

lượng các chất được tạo thành sau phản ứng

Trong đó chúng ta cần vận dụng các hệ quả:

các chất sau phản ứng (kể cả lượng dư) Dù phản ứng xảy ra với hiệu suất bất kỳ ta đều có: mT = mS

Hệ quả 2: Khi cation kim loại (hoặc cation amoni) kết hợp với anion gốc axit

(hoặc anion oxit) để tạo ra các hợp chất ta luôn có: mHợp chất = mcation + manion Khối lượng của cation hoặc anion ta coi như bằng khối lượng của nguyên tử cấu tạo thành

Hệ quả 3: mdung dịch trước phản ứng + mchất cho vào dung dịch + m kết tủa + mkhí

b) 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

c) Định luật bảo toàn electron

Nội dung định luật: 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 mức oxi hóa của các nguyên tố ban đầu và mức oxi hóa của các nguyên tố sau phản ứng mà không cần quan tâm đến mức oxi hóa 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

d) Phương pháp quy đổi

Là phương pháp biến đổi toán học nhằm đưa bài toán ban đầu là một hỗn hợp phức

tạp về dạng đơn giản hơn, qua đó làm cho bài toán trở nên dễ dàng thuận tiện Khi quy đổi phải đảm bảo 2 nguyên tắc:

- Bảo toàn nguyên tố, tức tổng số mol mỗi nguyên tố ở hỗn hợp đầu và hỗn hợp mới phải như nhau

- Bảo toàn số oxi hóa, tức là số oxi hóa của các nguyên tố trong hai hỗn hợp là như nhau

2 Bản chất 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, H2SO4 loãng

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 xem như đây là quá trình oxi hoá liên tiếp Fe bằng 2 chất oxi hoá là O và HNO3.

Chất nhường electron: Fe , tạo sản phẩm là Fe3+

Chất nhận electron: O và HNO3, tạo sản phẩm là oxit (O2-) và V lít NO2 (đktc) (hoặc các sản phẩm khử khác)

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

Theo định luật bảo toàn electron:

Fe    Fe3+ + 3e

x(mol) 3x(mol)

O + 2e    O

2-y(mol) 22-y(mol)

N5 + 1e    N4 (NO2)

(mol) (mol)

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: 22,4

56x 16 3x 2 V

y m y





 

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

7

22, 4

V

22, 4

V

22, 4

V

22, 4

V

II PHÂN LOẠI VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI NHANH BÀI TẬP VỀ SẮT VÀ CÁC OXIT SẮT

1 Dạng 1 : Đốt cháy sắt trong không khí rồi cho sản phẩm phản ứng với chất oxi hóa

Ví dụ 1: Nung nóng 25,2 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 HNO3 loãng, dư, thu được 5,6 lít khí NO (sản phẩm khử duy nhất, ở đktc) Tính giá trị của m?

Phân tích đề: Sơ đồ phản ứng

Fe O

  X (Fe, FeO, Fe2O3 và Fe3O4) HNO3

   e3

NO

F 







Fe bị oxi hoá thành Fe3+ bằng 2 chất oxi hoá là O và HNO3

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

+ Trong cả quá trình: chất nhường e là Fe, chất nhận là O và HNO3

Giải quyết vấn đề:

Ta có nNO = 0, 25 mol, nFe = 0,45 mol

Gọi số mol oxi trong oxit là x ta có:

Fe    Fe3+ + 3e

0,45(mol) 1,35(mol)

O + 2e    O

2-x(mol) 22-x(mol)

5

N + 3e   

2

N (NO) 0,75(mol) 0, 25(mol) Tổng electron nhường: 1,35 (mol) Tổng electron nhận: 2x + 0, 75(mol)

Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: 1,35 = 2x + 0,75 x = 0,3

Mặt khác ta có: nên: m = 25,2 + 0,3 ×16 = 30 (gam)

Ví dụ 2: Nung nóng m gam bột sắt ngoài không khí, sau phản ứng thu được 20gam 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?

  

2

Fe O

m m m 

Phân tích đề:

Sơ đồ phản ứng:

+ Hỗn hợp X gồm Fe và O trong oxit

+ Xét cả quá trình, chỉ có Fe nhường e, chất nhận e là Oxi và HNO3

+ N5 (HNO3) nhận electron tạo thành N2 (NO) và N4 (NO2)

+ Số mol N5 (trong HNO3) ban đầu bằng tổng số mol N5(NO3

 ) trong muối và N2

(NO) cộng với N4 (NO2)

Giải quyết vấn đề:

Đặt số mol của NO là a (mol), NO2 là b (mol)

Theo giả thiết ta có:

0, 25

30 46

38

0, 25

a b

a b

 















Giải hệ PT ta được:

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:

Quá trình oxi hóa Quá trình khử

Fe    Fe3+ + 3e

x(mol) 3x(mol)

O + 2e    O

2-y(mol) 22-y(mol)

N5 + 3e    N2 (NO) 0,375(mol) 0,125(mol)

N5 + 1e    N4 (NO2)

0,125 (mol) 0,125(mol) Tổng e: 3x (mol) Tổng e: 2y + 0,125+ 0,375 (mol)

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

Từ (1) và (2) ta có hệ

56x 16 20 3x 2 0,5

y y





 



Giải hệ trên ta có x = 0,3 và y = 0,2 Như vậy nFe = 0,3 mol vậy m = 16,8 gam

9

3 2

2

3 4 ( )

2 3

3 3

,

à Fe du

HNO

O kk

NO FeO Fe O

Fe O v

Fe NO







2 0,125

NO NO

n n  mol

Theo định luật bảo toàn nguyên tố ta có:

3

HNO

n = n NO3  [Fe(NO ) ] 3 3

+ n NOn NO2 = 3*n Fe + n NOn NO2

nên n HNO3= 0,3×3 + 0,125 + 0,125 = 1,15 (mol)

Vậy

Ví dụ 3: 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?

Giải quyết vấn đề:

Quá trình oxi hóa Quá trình khử

Fe    Fe3+ + 3e

0,225(mol) 0,675(mol)

O + 2e    O

x(mol) 2x(mol)

S+6 + 2e    S+4

0,375 mol 0,1875 mol 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 mol    m = 12,6 + 0,15 × 16 = 15 gam

2 Dạng 2: 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 ?

Phân tích đề: Quy 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 NO3 

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

Giải quyết vấn đề: Số mol NO = 0,06 mol.

Gọi số mol Fe và O tương ứng trong X là x và y ta có:

3

1,15

1,15( ít) 1

HNO

V   l

56x + 16y = 11,36 (1).

Quá trình nhường và nhận e:

Quá trình oxi hóa Quá trình khử

Fe    Fe3+ + 3e

x(mol) 3x(mol)

O + 2e    O

2-y(mol) 22-y(mol)

N5 + 3e    N2 (NO) 0,18(mol) 0,06(mol) Tổng electron nhường: 3x (mol) Tổng electron nhận: 2y + 0,18 (mol)

Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: 3x = 2y + 0,18 (2)

Từ (1) và (2) ta có hệ:

56x 16 11,36 3x 2 0,18

y y





 



Giải hệ trên ta có x = 0,16 và y = 0,15

Như vậy n Fe n Fe NO( 3 3 )  0,16mol vậy m = 38,72 gam

Ví dụ 2: Hoà tan hoàn toàn 2,44 gam hỗn hợp bột X gồm FexOy và Cu bằng dung dịch

H2SO4 đặc nóng (dư) Sau phản ứng thu được 0,504 lít khí SO2 (sản phẩm khử duy nhất,

ở đktc) và dung dịch chứa 6,6 gam hỗn hợp muối sunfat Tính phần trăm khối lượng của

Cu trong X ?

Phân tích đề: Sơ đồ phản ứng

X ( FexOy, Cu) H2SO4 Fe2(SO4)3 + SO2: 0,0225 mol

2,44 gam CuSO4

6,6 gam

Giải quyết vấn đề: Quy đổi hỗn hợp X thành: Fe: x mol, O: y mol, Cu: z mol

56x + 16y + 64z = 2,44 (1)

Phương trình tổng khối lượng muối: 200x + 160z = 6,6 (2)

Quá trình nhường nhận e:

Quá trình oxi hóa Quá trình khử

Fe    Fe3+ + 3e O + 2e    O

2-11

  

x(mol) 3x(mol)

Cu   Cu2+ + 2e

z mol 2z mol

y(mol) 2y(mol)

S+6 +2e    S+4 0,045(mol) 0,0225(mol)

Tổng electron nhường: 3x +2z (mol) Tổng electron nhận: 2y + 0,045 (mol)

Theo định luật bảo toàn mol e: 3x - 2y + 2z = 0,045 (3)

Từ (1), (2), (3): x = 0,025

y = 0,025

z = 0,01

mCu = 0,64 gam %mCu = 36,23%

3 Dạng 3: Khử không hoàn toàn Fe 2 O 3 sau cho sản phẩm phản ứng với chất oxi hóa mạnh là HNO 3 hoặc H 2 SO 4 đặc nóng

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 ?

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 quyết vấn đề: 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:

Fe    Fe3+ + 3e

x (mol) 3x(mol)

O + 2e    O

y(mol) 2y(mol)

3

2 3

,

o

HNO dn CO

t

Fe O



2 0,195

NO

n  mol