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 kỳ thi Trung học phổ thông Quốc gia. 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. Học sinh thường xuyên cảm thấy lúng túng, khó hiểu, từ đó có những suy nghĩ ngần ngại và tránh né khi gặp các bài toàn về sắt và hợp chất của sắt. Chuyên đề này được xây dựng với mục đích khắc phục các vấn đề trên cho học sinh. Với các bài tập được chia theo từng dạng cụ thể, áp dụng các phương pháp giải bài tập linh hoạt sẽ giúp cho học sinh thấu hiểu và có một cái nhìn đơn giản hơn về các bài tập liên quan đến sắt và các hợp chất của sắt.
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC
TIỂU LUẬN CUỐI KỲ MÔN HỌC: DẠY HỌC BÀI TẬP HÓA HỌC PHỔ THÔNG
Chuyên đề: Sắt
Hà Nội, năm 2018
Trang 2MỤC LỤC
1 Lý do chọn chuyên đề 2
2.Nội dung 3
2.1 Tóm tắt lý thuyết chuyên đề 3
2.2 Phân loại các dạng bài tập điển hình 8
2.2.1 Dạng sắt và các oxit phản ứng với chất oxi hóa mạnh 8
2.2.2 Dạng sắt và hỗn hợp oxit sắt phản ứng với axit thường (H + ) 10
2.2.3 Dạng khử oxit sắt 11
2.2.4 Dạng chuyển đổi hỗn hợp tương đương .13
2.2.5 Dạng sắt tác dụng với dung dịch muối .14
2.3 Các phương pháp giải bài tập .15
2.3.1 Phương pháp bảo toàn khối lượng .15
2.3.2 Phương pháp bảo toàn nguyên tố .16
2.3.3 Phương pháp bảo toàn electron .16
2.4 Xây dựng một só dạng bài tập mới .17
2.4.1 Dạng bài tập sử dụng thí nghiệm .17
2.4.2 Dạng bài tập tình huống .18
2.4.3 Dạng bài tập vận dụng kiến thức hóa học vào thực tiễn .19
2.5 Vận dụng trong dạy học chủ đề: “Nước nhiễm sắt cách xử lý” 20
2.6 Kiểm tra, đánh giá chuyên đề .25
2.6.1 Ma trận đề kiểm tra .25
2.6.2 Đề kiểm tra 45 phút .26
3 Kết luận 32
Trang 31 Lý do chọn chuyên đề
Bài tập hỗn hợp gồm sắt và oxit sắt là một trong những dạng bài tập màhọc sinh hay gặp trong các kỳ thi mà đặc biệt là kỳ thi Trung học phổ thôngQuốc gia 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 Học sinh thường xuyêncảm thấy lúng túng, khó hiểu, từ đó có những suy nghĩ ngần ngại và tránh nékhi gặp các bài toàn về sắt và hợp chất của sắt Chuyên đề này được xây dựngvới mục đích khắc phục các vấn đề trên cho học sinh Với các bài tập được chiatheo từng dạng cụ thể, áp dụng các phương pháp giải bài tập linh hoạt sẽ giúpcho học sinh thấu hiểu và có một cái nhìn đơn giản hơn về các bài tập liên quanđến sắt và các hợp chất của sắt
Bên cạnh đó, thực tế sắt là kim loại được sử dụng nhiều nhất, chiếmkhoảng 95% tổng khối lượng kim loại sản xuất trên toàn thế giới Sắt là một vậtliệu giá thành thấp và các đặc tính tốt về chịu lực, độ dẻo, độ cứng… làm cho nó
thân tàu thủy lớn, các bộ khung cho các công trình xây dựng Ngoài ra nguyên tốsắt cũng đóng một vai trò quan trọng đối với cơ thể con người Có thể thấy rằng,học sinh sẽ bắt gặp sắt ở khắp mọi nơi, từ chính cơ thể con người đến những vậtdụng trong cuộc sống Chính vì vậy, việc nắm vững các kiến thức về sắt để vậndụng vào thực tiễn là vô cùng cần thiết cho học sinh như phân biệt các hợp kimcủa sắt, cách điều chế và ứng dụng của chúng; cách phát hiện và xử lý nguồnnước bị nhiễm sắt; lên thực đơn ăn uống bổ sung sắt cho phù hợp…
Cùng với đó, chuyên đề về sắt sẽ giúp học sinh phát triển các năng lựcđặc thù của môn hóa học như sử dụng ngôn ngữ hóa học, tính toán hóa học,vận dụng kiến thức hóa học vào thực tiễn… Ngoài ra, học sinh còn hình thànhmột số năng lực như hợp tác nhóm và giải quyết vấn đề
2
Trang 42 Nội dung
2.1 Tóm tắt lý thuyết chuyên đề
A SẮT
I Vị trí trong bảng tuần hoàn
- Cấu hình e nguyên tử: 26Fe: 1s22s22p63s23p63d64s2
- Vị trí: Sắt thuộc ô 26, chu kì 4, nhóm VIIIB
III Trạng thái tự nhiên
Là kim loại phổ biến sau nhôm, tồn tại chủ yếu ở các dạng:
- Hợp chất: oxit, sunfua, silicat
- Quặng: hematit đỏ (Fe2O3 khan), hematit nâu (Fe2O3.nH2O), manhetit (Fe3O4), xiđerit (FeCO3) và pirit (FeS2)
IV Tính chất hóa học
Sắt là chất khử trung bình Trong các phản ứng, sắt có thể nhường 2 hoặc 3e:
Fe → Fe3+ + 3e
Fe → Fe2+ + 2e
1 Tác dụng với các phi kim
Sắt tác dụng với hầu hết các phi kim khi đun nóng:
- Tác dụng với halogen tạo muối sắt (III) halogenua (trừ iot tạo muối sắt II):
Trang 53 Tác dụng với dung dịch axit
a. Tác dụng với H + (HCl, H 2 SO 4 loãng ) tạo muối sắt (II) +
H 2 Fe + 2HCl → FeCl2 + H2
b Tác dụng với các axit có tính oxi hóa mạnh (HNO 3 , H 2 SO 4 đậm đặc)
- Sắt thụ động với H2SO4 đặc nguội và HNO3 đặc nguội → có thể dùng thùng sắt chuyên chở axit HNO3 đặc nguội và H2SO4 đặc nguội
- Với dung dịch HNO3 loãng → muối sắt (III) + NO + H2O:
- Với dung dịch H2SO4 đậm đặc và nóng → muối sắt (III) + H2O + SO2:
2Fe + 6H2SO4 → Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O
Chú ý: Sản phẩm sinh ra trong phản ứng của sắt với HNO3 hoặc H2SO4 đậm đặc là muối sắt (III) nhưng nếu sau phản ứng có sắt dư hoặc có đồng thì tiếp
tục xảy ra phản ứng:
2Fe3+ + Fe → 3Fe3+ Hoặc 2Fe3+ + Cu → 2Fe2+ + Cu2+
4 Tác dụng với dung dịch muối
- Sắt đẩy những kim loại yếu hơn ra khỏi muối → muối sắt (II) + kim loại:
4
Trang 6Fe + CuCl2 → Cu + FeCl2
2FeCl3 + Fe → 3FeCl2
Fe + 2AgNO3 → Fe(NO3)2 + 2Ag
Fe(NO3)2 + AgNO3 dư → Fe(NO3)3 + Ag
Là oxit bazơ: FeO + 2HCl → FeCl2 + H2
Là chất oxi hóa khi tác dụng với các chất khử mạnh: H2, CO, Al
t°
FeO + H 2 → Fe + H 2 O
Là chất khử khi tác dụng với các chất có tính oxi hóa mạnh:
3FeO + 10HNO3 loãng → 3Fe(NO3)3 + NO + 5H2O
- Điều chế FeO:
nung không có kk
FeO + CO2FeCO 3 →
nung không có kk
FeO + H2OFe(OH) 2 →
2 Fe 3 O 4 (FeO.Fe 2 O 3 )
- Là chất rắn, đen, không tan trong nước và có từ tính
- Tính chất hoá học:
Là oxit bazơ: Fe3O4 + 4H2SO4 loãng → Fe2(SO4)3 + FeSO4 + 4H2O
Là chất khử: 3Fe3O4 + 28HNO3 → 9Fe(NO3)3 + NO + 14H2O
Là chất oxi hóa khi tác dụng với các chất khử mạnh: H2, CO, Al
t°
Fe 3 O 4 + 4H 2 → 3Fe + 4H 2 O
- Điều chế: thành phần quặng manhetit
5
Trang 7Là oxit bazơ: Fe2O3 + 6HNO3 → 2Fe(NO3)3 + 3H2O
Là chất oxi hóa khi tác dụng với các chất khử mạnh: H2, CO, Al
- Là chất kết tủa màu trắng xanh
- Là bazơ không tan:
Tan trong axit không có tính oxi hóa → muối sắt (II) và nước:
2 Fe(OH) 3
- Là chất kết tủa màu nâu đỏ
- Tính chất hoá học: là bazơ không tan:
6
Trang 8Bị nhiệt phân: 2Fe(OH)3 → Fe2O3 + 3H2O
Tan trong axit tạo muối sắt (III): Fe(OH)3 + 3HCl → FeCl3 + 3H2O
- Điều chế: Fe3+ + 3OH- → Fe(OH)3
- Có tính oxi hóa khi tác dụng với chất khử
- Các dung dịch muối sắt (III) có môi trường axit:
- Khi cho muối sắt (III) tác dụng với các kim loại cần lưu ý quy tắc
- Các muối sắt (III) bị thủy phân hoàn toàn trong môi trường kiềm:
2FeCl3 + 3Na2CO3 + 3H2O → 2Fe(OH)3 + 6NaCl + 3CO2
Trang 9C HỢP KIM CỦA SẮT
I Gang
- Là hợp kim sắt - cacbon trong đó hàm lượng C từ 2 - 5%
- Luyện gang: Các phản ứng xảy ra trong lò cao khi luyện
gang: Phản ứng tạo chất khử:
C+O2→CO2
CO2+C→2COPhản ứng khử Fe2O3:
- Là hợp kim của Fe và C trong đó hàm lượng C ít hơn 2%C (theo khối lượng)
- Nguyên tắc: khử các tạp chất Mn, Si, Ca, S, P có trong gang
- Các phản ứng xảy ra trong quá trình luyện thép:
C+O2→CO2S+O2→SO2
Si + O2 → SiO2
CaO + SiO2 → CaSiO3 (xỉ)
2.2 Phân loại các dạng bài tập điển hình
2.2.1 Dạng sắt và các oxit phản ứng với chất oxi hóa mạnh
Đề bài 1: Cho 6,72 gam Fe vào dung dịch chứa 0,6 (mol) HNO3 đặc, nóng (giả
thiết NO2 là sản phẩm khử duy nhất) Tính khối lượng các muối thu được khiphản ứng hòa toàn
8
Trang 10Dư 0,08 (mol) Fe(NO3)3
Vậy m Fe(NO3)3 = 0,08 242 = 19,36 (gam)
Đề bài 2: 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 duynhất, ở đktc) và dung dịch X Cô cạn dung dịch X thu được m gam muối khan
Tính m? Đáp án: m = 38,72 (gam)
Đề bài 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 hếtvới dung dịch H2SO4 đặc nóng (dư), thu được 4,2 lít khí SO2 (sản phẩm khửduy nhất, ở đktc) Tính m?
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
9
Trang 11Bài giải:
Ta có: n SO2 = 0,1875 (mol), n Fe = 0,225 (mol)
Gọi số mol oxi trong oxit là x ta có:
Chất khử
Fe → Fe+3 + 3e
0,225 0,675
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)
Mặt khác ta có: m = m Fe + m O 2 nên m = 12,6 + 0,15.16 = 15 (gam)
2.2.2 Dạng sắt và hỗn hợp oxit sắt phản ứng với axit thường (H + )
Đề bài 1: Cho sắt kim loại tác dụng với dung dịch axit sunfuric loãng, sau đó
cho bay hơi hết nước của dung dịch thu được thì còn lại 55,6 (gam) tinh thểFeSO4.7H2O Thể tích hiđro thoát ra (đktc) là bao nhiêu lít?
Đề bài 2: Cho 7,68 gam hỗn hợp gồm FeO, Fe3O4, Fe2O3 tác dụng vừa hết với
Trang 12260 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 (gam) chất rắn Tính m?
10
Trang 13được lượng Fe có trong oxit Nung các kết tủa ngoài không khí đều thu được
Fe2O3
Bài giải:
Theo phương trình: 2H+ + [O2 ] → H2O trong O2là oxi trong hỗn hợp oxit
0,26 0,13 (mol)Theo định luật bảo toàn khối lượng ta có: + = 7,86 (gam)
Nên = 7.68 – 0,13 16 = 5,6 (gam) = 0,1 (mol)
Trang 14Đề bài 2: 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 so với hiđro bằng 20 Tìm công thức của oxit sắt và tính phần trăm thểtích của khí CO2 trong hỗn hợp khí sau phản ứng Đáp án: Fe2O3, 75%
Đề bài 3: 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
Bài giải: Theo đề ra ta có: 2 = 0,195 ( )
Gọi số mol Fe, O tương ứng trong X là x và y ta có: 56x + 16y = 10,44 (1)
12
Trang 15Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: 3x = 2y + 0,195 (2)
56 + 16 = 10,44
Từ (1) và (2) ta có hệ: { 3 − 2 = 0,195
Giải hệ trên ta có x = 0,15 (mol) và y = 0,1275 (mol)
Như vậy = 0,15 (mol) nên 2 3 = 0,075 ( ) m = 12 (gam)
2.2.4 Dạng chuyển đổi hỗn hợp tương đương
Đề 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 mldung dịch X Tính thể tích dung dịch KMnO4 0,1M cần thiết để chuẩn độ hết
100 ml dung dịch X? Đáp án: 20 ml
Đề bài 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 được70,4 gam muối, mặt khác cho Clo dư đi qua X rồi cô cạn thì thu được 77,5 gammuối Tính m?
Phân tích đề: Cho oxit tác dụng với H2SO4 ta sẽ thu được 2 muối FeSO4 và
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
13
Trang 16tổng 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 Fe2O3.
Bài giải:
Coi hỗn hợp gồm FeO và Fe2O3 ta có phương trình phản ứng:
FeO + H2SO4 → FeSO4 + H2O
Fe2O3 + 3H2SO4 → Fe2(SO4)3 + 3H2OKhối lượng tăng lên đó chính là khối lượng của Cl có trong muối theo phương trình: 2Fe2+ + Cl2 → 2Fe3+ + 2Cl
2.2.5 Dạng sắt tác dụng với dung dịch muối
Đề bài 1: Cho 5,6 (gam) bột Fe tác dụng với 500 ml dung dịch AgNO3 0,5M
Tính khối lượng muối và khối lượng kim loại thu được?
Bài giải:
Fe + 2AgNO3 → Fe(NO3)2 + 2Ag
AgNO3 dư: 0,05 mol, Fe(NO3)2 tạo thành: 0,1
mol Fe(NO3)2 + AgNO3 → Fe(NO3)3 + Ag
14
Trang 17Fe(NO3)2 dư: 0,05 mol, Fe(NO3)3 tạo thành 0,05 mol
Tổng số mol Ag ở hai phản ứng: 0,25 (mol)
mAg = 0,25.108 = 27 (gam)
Khối lượng muối: 0,05.180 + 0,05.242 = 21,1 (gam)
Đề bài 2: Cho m (gam) bột Fe vào 800 ml dung dịch hỗn hợp gồm Cu(NO3)2
0,2M và H2SO4 0,25M Sau khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn, thu được 0,6m(gam) hỗn hợp bột kim loại và V (lít) khí NO (sản phẩm khử duy nhất, ở đktc)
Tính m và V? Đáp án: m = 17,8 (gam) và V = 2,24 (lít)
Đề bài 3: Cho hỗn hợp bột gồm 2,7 (gam) Al và 5,6 (gam) Fe vào 550 ml dung
dịch AgNO3 1M Sau khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn, thu được m (gam)chất rắn Giá trị của m là (biết thứ tự trong dãy thế điện hoá: Fe3+/Fe 2+ đứngtrước Ag+/Ag) Đáp án: m = 64,8 (gam)
2.3 Các phương pháp giải bài tập
2.3.1 Phương pháp bảo toàn khối lượng
Nội dung: “Trong một phản ứng hóa học, tổng khối lượng của các sản phẩm
bằng tổng khối lượng của các chất phản ứng”
Giả sử có phản ứng: A + B → C + D có công thức khối lượng như sau:
m A + m B = m C + m D
VD: BaCl2 + Na2SO4 → BaSO4 + 2NaCl Có CT khối lượng là:
mbari clorua + mnatri sunphat = mbari sunphat + mnatri clorua
Hệ quả 1: mT là khối lượng các chất trước phản ứng, mS là khối lượng các chấtsau phản ứng Dù phản ứng xảy ra với hiệu suất bất kỳ 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: mchất = mcation + manion
Các bước giải:
- Viết PTHH hoặc sơ đồ biến đổi chất trước và sau phản ứng
15
Trang 18- Từ giả thiết bài toán tìm tổng khối lượng trước phản ứng = tổng khối lượng sau phản ứng (không cần biết phản ứng có hoàn toàn hay không).
- Áp dụng ĐL BTKL để lập phương trình, hệ phương trình
- Giải phương trình, hệ phương trình
Chú ý: Phải xác định đúng lượng chất tham gia phản ứng và tạo thành (chất kết tủa, bay hơi, khối lượng dung dịch)
2.3.2 Phương pháp bảo toàn nguyên tố
Nội dung: “Trong các phản ứng hóa học thông thường, các nguyên tố luôn được bảo toàn” Điều này có nghĩ là tổng khối lượng một nguyên tố trước phản
ứng bằng tổng khối lượng của nguyên tố đó sau phản ứng hay tổng số mol củamột nguyên tố được bảo toàn trong phản ứng
Cách giải:
- Viết sơ đồ tóm tắt
- Xác định được đúng các nguyên tố ở trước và sau phản ứng
- Rút ra các mối quan hệ về số mol của các nguyên tố cần xác định theo yêu cầu của đề bài dựa vào định luật bảo toàn nguyên tố
Chú ý:
- Hạn chế viết phương trình phản ứng mà thay vào đó là viết sơ đồ (chú ýđến hệ số) biểu diễn các biến đổi cơ bản của các nguyên tố
- Đề bài thường cho số mol của nguyên tố quan tâm, từ đó xác định được
số mol hay khối lượng của các chất
2.3.3 Phương pháp bảo toàn electron
Nội dung: “Trong phản ứng oxi hóa khử, số mol electron mà chất khử cho đi
bằng số mol electron mà chất oxi hóa nhận về.”
Cách giải:
- Xác định chất khử (nhường e) và chất oxi hóa (nhận e) nhờ số oxi hóa
- Viết và cân bằng sơ đồ nhường, nhận e (có gắn số mol tương ứng)
Trang 19- Từ định luật bảo toàn e, viết phương trình giữa các đại lượng, giải
phương trình và kết hợp với các phương pháp khác để trả lời bài toán
Đề bài 1: Cho hình vẽ mô tả thí nghiệm sau:
a Hãy xác định chất rắn X và khí Y Viết phương trình hóa học
b Khí Y được thu bằng phương pháp gì? Tại sao có thể sử dụng phương pháp đó? Có thể sử dụng phương pháp khác để thay thế hay không?
Đề bài 2: Làm thí nghiệm như hình vẽ Hiện tượng xảy ra khi cho Fe tác dụng
với dung dịch HNO3 loãng là gì? Hãy viết phương trình hóa học
17
Trang 20Đề bài 1: Trong khi làm thí nghiệm, do không cẩn thận bạn Huy đã làm lẫn 3
chất ở dạng bột Fe2O3, Al2O3, SiO2 vào nhau Tuy nhiên, trong bài thí nghiệmlần này, Huy chỉ cần sử dụng hóa chất Fe2O3 Em hãy tìm cách giúp Huy táchnguyên lượng Fe2O3 ra khỏi hỗn hợp chỉ với một loại hóa chất trong phòng thínghiệm Viết các phương trình phản ứng và giải thích
Bài giải: Cho hỗn hợp tác dụng với dung dịch NaOH đặc, nóng Fe2O3 không
tan, lọc, tách Huy sẽ thu được Fe2O3 Al2O3 và SiO2 tan do phản ứng:
t°
Al 2 O 3 + 2NaOH đặc → 2NaAlO 2 + H 2 O t°
SiO 2 + 2NaOH đặc → Na 2 SiO 3 + H 2 O
Đề bài 2: Khi đang giặt quần áo, Huy vô tình phát hiện ra nước có mùi tanh,
quần áo bị ố vàng Huy nghi ngờ rằng nước đã bị nhiễm sắt Em giúp Huy tìm
ra cách kiểm chứng và giải thích
Đáp án: Cách thứ nhất là thử sắt bằng nhựa chuối: Lấy ít mủ (nhựa) chuối nhỏ
vào nước, nếu nước ngả sang màu đậm thì chắc chắn nước có nhiễm sắt Nướccàng ngả sang màu đỏ đậm thì mức độ nước nhiễm sắt càng cao
18