chuyên đề: “Bài tập hỗn hợp sắt và oxít sắt với dung dịch axít”

Với giả thiết là cho m gam hỗn hợp gồm Fe và các oxit FeO, Fe3O4, Fe2O3 tác dụng với HNO3(dư) thu được 1 khí duy nhất thì ta có thể sử dụng nhiều phương pháp để giải, Nếu thu được nhiều [r]

THÔNG TIN CHUNG VỀ CHUYÊN ĐỀ

Tên chuyên đề: “Bài tập hỗn hợp sắt và oxít sắt với dung dịch axít”

Tác giả:

- Họ và tên: Phan Thanh Long

- Chức vụ: Giáo viên

- Đơn vị công tác: Trường THCS Lê Hồng Phong – Phúc Yên

Đối tượng học sinh bồi dưỡng:

Học sinh lớp 9 tham gia các kì thi HSG cấp huyện, cấp tỉnh

Thời gian bồi dưỡng: 6 tiết

NỘI DUNG CHUYÊN ĐỀ

I Lý do chọn chuyên đề:

Trước xu thế đổi mới của đất nước hiện nay, đang tiến hành công cuộc

công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước Vấn đề “Nâng cao dân trí, đào tạo nhân

lực, bồi dưỡng nhân tài” là vấn đề cấp bách cần giải quyết Một trong những trọng

tâm là đổi mới nền giáo dục, phương hướng giáo dục của Đảng, Nhà nước và củangành

giáo dục & đào tạo trong thời gian trước mắt cũng như lâu dài, làm sao đào tạo ra

những con người “Lao động, tự chủ, sáng tạo” có năng lực thích ứng với nền kinh

tế thị trường, có năng lực giải quyết được những vấn đề, năng động, linh hoạt và có

óc sáng tạo

Để bồi dưỡng cho học sinh năng lực sáng tạo, năng lực giải quyết vấn đề,

lý luận dạy học hiện đại khẳng định: Cần phải đưa học sinh vào vị trí chủ thể hoạt động nhận thức, học trong hoạt động Học sinh bằng họat động tự lực, tíchcực của mình mà chiếm lĩnh kiến thức Quá trình này được lặp đi lặp lại nhiều lần

sẽ góp phần hình thành và phát triển cho học sinh năng lực tư duy sáng tạo

Tăng cường tính tích cực phát triển tư duy sáng tạo cho học sinh trong quátrình học tập là một yêu cầu rất cần thiết, đòi hỏi người học tích cực, tự lực thamgia sáng tạo trong quá trình nhận thức

Bộ môn Hoá học ở phổ thông có mục đích trang bị cho học sinh hệ thốngkiến thức cơ bản, bao gồm các kiến thức về cấu tạo chất, phân loại chất tính chất,ứng dụng, cách điều chế các chất Bên cạnh đó, còn rèn cho học sinh các kỹ năngthực hành, kỹ năng sử dụng các chất thích hợp, hiệu quả, giải thích một số hiệntượng thực tế, vận dụng giải các bài tập giúp học sinh củng cố và khắc sâu kiếnthức

Dạy và học hóa học ở các trường hiện nay đã và đang được đổi mới tích cựcnhằm góp phần thực hiện thắng lợi các mục tiêu giáo dục của trường THCS Ngoàinhiệm vụ nâng cao chất lượng hiểu biết kiến thức và vận dụng kỹ năng, các nhàtrường còn phải chú trọng đến công tác bồi dưỡng học sinh giỏi các cấp; coi trọngviệc hình thành và phát triển tiềm lực trí tuệ cho học sinh Trong những năm gầnđây, vấn đề bồi dưỡng và dự thi HSG đã được sự quan tâm của các cấp quản lý,quý phụ huynh và các em học sinh Tuy nhiên bên cạnh đó vẫn còn nhiều khó khăncho cả thầy và trò:

Đối với thầy: Không có điểm mở đầu và kết thúc trong nội dung bồi dưỡng,phạm vi kiến thức rộng, dạy như thế nào để không thừa mà cũng không thiếu,nhưng vẫn đáp ứng được yêu cầu cơ bản của đề thi, đây là vấn đề khó

Đối với trò: Vấn đề học bồi dưỡng chưa thực sự đi vào chiều sâu, vẫn cònmột số em học bồi dưỡng theo phong trào, cùng lúc tham gia bồi dưỡng trongnhiều lĩnh vực khác nhau (HSG văn hóa, HSG giải toán bằng máy tính bỏ túi, Giảitoán qua mang ), ngoài ra các em còn học thêm nhiều môn, từ đó dẫn đến quỹthời gian không đủ để các em tự học, tự nghiên cứu nhằm trang bị thêm kiến thứcvững chắc cho bản thân

Qua tham khảo nhiều sách bài tập, sách nâng cao kiến thức, các chuyên đềbồi dưỡng HSG, tôi thấy rằng các sách biên soạn không theo một trình tự nhấtđịnh nào, do đó học sinh phải cùng lúc tham khảo hay tự học trên nhiều quyển sáchkhác nhau (không đủ thời gian)

Bên cạnh đó hiện nay chưa có chương trình chính thức trong bồi dưỡng HSG ,người giáo viên khi nhận nhiệm vụ này phải tự mình đề ra nội dung bồi dưỡng chophù hợp với tình hình thực tế của đơn vị, đồng thời phải đáp ứng được yêu cầu của

đề thi nhằm đạt kết quả tốt nhất

Là một giáo viên tham gia bồi dưỡng đội tuyển HS giỏi ở trường tôi đã thấyđược nhiều vấn đề mà trong đội tuyển nhiều học sinh còn lúng túng, nhất là khigiải quyết các bài toán liên quan đến hỗn hợp sắt và các oxít sắt Trong khi loại bàitập này không chỉ gặp trong các sách nâng cao lớp 9 mà cả trong chương trìnhTHPT, các đề thi ĐH-CĐ

Để góp phần nhỏ giải quyết những khó khăn trên tôi lựa chọn chuyên đề “Bàitoán hỗn hợp sắt và oxít sắt với dung dịch axít” nhằm củng cố, nâng cao kiến thứccho học sinh đội tuyển khi tham gia các kì thi HSG cấp thị ,cấp tỉnh và giúp các emsau này có thể học tốt hóa học THPT

II Hệ thống kiến thức sử dụng trong chuyên đề

   Fe3O4(r) + Tác dụng với clo:

2Fe(r) + 3Cl2(k)   t o 2FeCl3(r)

Ở nhiệt độ cao sắt phản ứng với nhiều phi kim khác như lưu huỳnh, bromtạo thành muối FeS, FeBr3 …

Sắt tác dụng với nhiều phi kim tạo thành oxit hoặc muối

- Tác dụng với dung dịch axit

Sắt phản ứng với dung dịch HCl, H2SO4 loãng … tạo thành muối sắt (II) vàgiải phóng khí H2

Fe + H2SO4    FeSO4 + H2

Fe + 2HCl    FeCl2+ H2

*Lưu ý: Fe không tác dụng được với HNO3 đặc, nguội và H2SO4 đặc,nguội

- Tác dụng với dung dịch muối

Fe + 2AgNO3   Fe(NO3)2 + 2Ag

Fe + CuSO4    FeSO4 +Cu

 Kết luận:

Sắt có đầy đủ tính chất hóa học của một kim loại

b Tính chất hóa học của oxit sắt

3Fe2O3 + CO

o t

   2Fe3O4 + CO2

Fe3O4 + CO

o t

  3Fe + CO2

FeO + CO

o t

Tác dụng với dung dịch HNO3 và H2SO4 đặc, nóng

Fe khử N+5 hoặc +6S trong HNO3 (dư)hoặc H2SO4 đặc, nóng (dư)đến số oxi hoáthấp hơn, còn Fe bị oxi hoá thành Fe+3

Fe bị thụ động bởi các axit HNO3 đặc, nguội hoặc H2SO4 đặc, nguội.

b Tính chất hóa học của Oxit sắt

3FeO + 10HNO3  3Fe(NO3)3 + NO + 5H2O

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

Fe2O3 + 6HNO3  2Fe(NO3)3 + 3H2O

FeO +4HNO3  Fe(NO3)3 + NO2 + 2H2O

Fe3O4 + 10HNO3 3Fe(NO3)3 + NO2 +5H2O

Dãy thế khử chuẩn (Bảng tuần hoàn các Nguyên tố hóa học)

Một số trường hợp muối sắt(II) lên muối sắt (III)

10FeSO4 + 2KMnO4 +8H2SO4    5Fe2(SO4)3 + K2SO4+2MnSO4+8H2O2FeCl2 + Cl2    2FeCl3

Một số công thức giải nhanh hóa học trong 68 công thức giải nhanh hóa họccủa tác giả Ngô Xuân Quỳnh

3 Các định luật cần vận dụng

a Định luật bảo toàn khối lượng:

Nội dung: 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 khốilượng các chất 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 Khốilượng của cation hoặc anion ta coi như bằng khối lượng của nguyên tử cấu tạothành

b Định luật bảo toàn nguyên tố

Nội dung định luật: Tổng khối lượng một nguyên tố trước phản ứng bằng tổngkhối 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

Trong phản ứng oxi hóa khử: Số mol electron mà chất khử cho đi bằng số molelectron 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

và trạng 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

III.Hệ thống các phương pháp cơ bản, đặc trưng để giải các dạng bài tập trong chuyên đề: Phương pháp đai số, phương pháp quy đổi, phương pháp bảo

toàn e, Phương pháp bảo toàn khối lượng

IV.Các dạng bài tập trong chuyên đề:

1.Dạng 1:Dạng hỗn hợp sắt và các oxit sắt phản ứng với dung dịchHNO3

;H 2 SO 4 đặc ,nóng

Với giả thiết là cho m gam hỗn hợp gồm Fe và các oxit FeO, Fe3O4, Fe2O3

tác dụng với HNO3(dư) thu được 1 khí duy nhất thì ta có thể sử dụng nhiều phươngpháp để giải, Nếu thu được nhiều khí thì không nên dùng phương pháp đai số vìkhi đó chúng ta không biết chất nào phản ứng với HNO3 sinh ra khí nào để viếtphương trình hóa học Theo cá nhân tôi với dạng bài này chúng ta nên dùngphương pháp quy đổi Ta coi như trong hỗn hợp có x mol Fe, y mol O như vậy taxét trong phản ứng thì chỉ có chất nhường electron đó là Fe còn chất nhận electron

là O và HNO3

Ví dụ: Với giả thiết là cho m gam hỗn hợp gồm Fe và các oxit FeO, Fe3O4,

Fe2O3 tác dụng với HNO3(dư) thu được khí duy nhất là khí NO Ta coi như tronghỗn hợp có x mol Fe, y mol O như vậy ta xét trong phản ứng thì chất nhườngelectron đó là Fe còn chất nhận electron là O và HNO3

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

Theo định luật bảo toàn electron

2yy

y

Với dạng bài sắt và hỗn hợp oxit sắt phản ứng dung dịch axit HCl;H 2 SO 4

loãng

Dạng này cơ bản giống dạng trên tuy nhiên sản phẩm phản ứng còn có thể

có H2 do Fe phản ứng Nếu trường hợp có H2 sinh ra do Fe phản ứng thì liên quanđến H+ sẽ có những phản ứng sau:

2 2

Bài tập1 : Đốt m gam sắt ngoài không khí sau một thời gian phản ứng sinh

ra 12 gam hỗn hợp A gồm Fe, FeO, Fe2O3 và Fe3O4 Hỗn hợp này phản ứng hếtvới dung dịch HNO3 loãng (dư), thu được 2,24 lít khí NO (sản phẩm khử duy nhất,

23

Tổng electron nhường: 3x (mol)

Cách2: Qui đổi hỗn hợp A thành hỗn hợp gồm Fe: x mol, FeO: y mol Ta có

Cách8:Qui đổi hỗn hợp A thành hỗn hợp gồm 3 chất Fe:x mol; FeO:y mol;

Fe2O3: z mol Ta có hệ phương trình sau:

 mFe = (x+y+2z).56 = 0,18.56 = 10,08 gam

Cách9: Qui đổi hỗn hợp A thành hỗn hợp gồm 3 chất Fe:x mol,Fe3O4: ymol,Fe2O3:z mol Ta có hệ phương trình sau:

Cách11: Do hỗn hợp A chỉ gồm 2 nguyên tố là sắt và oxi nên có thể qui đổi

về một chất có công thức qui đổi là:Fe x0y

Viết PTHH của phản ứng với côngthức qui đổi:

Cách12: Do hỗn hợp A chỉ gồm 2 nguyên tố là sắt và oxi nên có thể qui đổi

về một chất có công thức qui đổi là FeO x

Viết PTHH của phản ứng với công thức qui đổi:

Viết PTHH, đặt ẩn số và lập hệ phương trình đại số:

2Fe + O2  2FeO ; 3Fe + 2O2  Fe3O4

y mol 3

y

mol3Fe3O4 + 28HNO3 9Fe(NO3)3 + NO +14H2O

12 16

m



(3)Theo số mol NO:

Nhận xét: Với bốn phương trình mà có năm ẩn ở trên chúng ta không thể tìm

ra năm ẩn được Nhận thấy chỉ cần biến đổi để tìm được giá trị của phương trình(2) hoặc (3) là tính được m Chẳng hạn, đi tìm giá trị của phương trình (2) như sau:

Chia (1) cho 8 được:7x +9y +29z +20t = 1,5 (5)

Nhân (4) với 3 được: 3x +y +z =0,3 (6)

Lấy (8) trừ (9) được: 20y+80z+60t =2,4 (10)

Chia (10) cho 20 được: y +4z +3t = 0,12

Khối lượng oxi trong oxit là: 0,12 16 =1,92g

Khối lượng sắt là: m = 12 – 1,92 = 10,08g

Cách 14: Phương pháp bảo toàn khối lượng :

Cho hỗn hợp A tác dụng với dung dịch HNO3 , theo định luật bảo toàn khốilượng ta có:

(1)Tính số mol của các chất:

Phương pháp quy đổi làm cho hỗn hợp đầu phức tạp chuyển về dạng đơn giảnhơn ,qua đó làm cho các phép tính trở nên dễ dàng, thuận tiện

Khi sử dụng phương pháp quy đổi trong một số trường hợp số mol một chất

có thể có giá trị âm để tổng số mol mỗi nguyên tố không đổi (bảo toàn)

Khi sử dụng phương pháp quy đổi kết ( trường hợp Fe và O) chúng ta có thể

hướng dẫn học sinh chứng minh công thức 56 24 

80

sau đó áp dụng

Bài tập 2:Cho 11,36 gam hỗn hợp gồm Fe, FeO, Fe2O3 và Fe3O4 phản ứnghết 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 ?

Nhận xét: bài toán này hoàn toàn có thể giải theo nhiều cách giống bài toán trên ,

ở đây tôi giải theo phương pháp quy đổi

2 5

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

Nhận xét :

4y y

- Với bài toán trên ta có thể hướng dẫn học sinh giải theo cách chứng minhcông thức:

Bài tập3: 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 dungdịch HNO3 loãng (dư) thu được 5,6 lít hỗn hợp khí Y gồm NO và NO2 có tỉ khối sovới H2 là 19 Tính khối lượng HNO3 tham gia phản ứng?

Giải: Sơ đồ phản ứng

2 ,

2 2 5

213

Tổng electron nhường: 3x mol

Tổng electron nhận: (2y + 0,125+ 0,125x3) mol

2y y

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

và y = 0,2 Như vậy nFe = 0,3 mol

Theo định luật bảo toàn nguyên tố ta có:

Bài tập4: 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 khử duynhất, ở đktc) Tính m?

Nhận xét : bài toán trên chúng ta có thể giải theo nhiều cách

- Nếu sử dụng phương pháp đai số thì chúng ta viết bốn PTHH, đặt ẩn :

Đặt x, y, z, t lần lượt là số mol của Fe, FeO, Fe3O4, Fe2O3 ta có các phươngtrình

Theo số mol SO2: 3x+y+z = 0,375(1)

Theo số mol Fe : x+y+3z+2t = 0, 225 (2)

- Đầu tiên xảy ra phản ứng của các oxit: FeO; Fe2O3 và Fe3O4 với dung dịchHCl , hoặc H2SO4 loãng tạo ra dung dịch muối Fe2+ ; Fe3+

- Kim loại Fe phản ứng sau

Do vị trí các cặp oxi hóa - khử trong dãy điện hóa:

Phản ứng xảy ra tiếp theo là: Fe + 2Fe3+  3Fe2+ Như vậy

+ Khi cho hỗn hợp: Fe; FeO; Fe2O3 và Fe3O4 tác dụng với dung dịch HClhoặc H2SO4 loãng thì khi có khí H2 thoát ra thì dung dịch thu được chỉ gồm cómuối Fe2+

+ Khi cho hỗn hợp: Fe; FeO; Fe2O3 và Fe3O4 tác dụng với dung dịch HClhoặc H2SO4 loãng thì khi dung dịch thu được có muối Fe2+.thì không có khí H2

thoát ra

Bài tập1: Hòa tan hoàn toàn 11,2 gam hỗn hợp X gồm: Fe; FeO; Fe2O3 và

Fe3O4 trong dung dịch HCl dư, sau phản ứng thấy tạo ra 12,7 gam FeCl2 Tính khốilượng FeCl3 thu được

Lấy (a) – (b): 160y + 160z – 160t = 4  2y + 2z – 2t = 0,05

Theo trên: nFeCl3=2 y+2 z − 2 t=0 , 05 →mFeCl3=0 , 05× 162, 5=8 ,125 gam

2 Phương pháp bảo toàn khối lượng

Bảo toàn nguyên tố Cl: nHCl=2 nFeCl2+3 nFeCl3= 0,2 + 3x

Bảo toàn nguyên tố H: n H2O= 1

2nHCl = 1

2(0,2+ 3 x )

Thay vào biểu thức (1):

11,2 + 36,5(0,2 + 3x) = 12,7 + 162,5x + 18 12(0,2+ 3 x )

 x = 0,05

 mFeCl3=0 ,05 ×162 , 5=8 ,125 gam

3 Phương pháp bảo toàn electron

Giả sử ban đầu có a gam Fe tác dụng với O2 thu được hỗn hợp X, khi đó ta có

 mFeCl3=0 ,05 ×162 , 5=8 ,125 gam

4 Phương pháp quy đổi

Cách 1: Quy đổi hỗn hợp X về FeO và Fe 2 O 3

Gọi x; y lần lượt là số mol của FeO và Fe2O3

Theo bài ra: m X=11, 2 ⇒ mFeO+mFe2O3=11,2 ⇒72 x +160 y=11, 2(1)Mặt khác: nFeCl2= 12 ,7

127 =0,1 mol  x = 0,1 (2)

Từ (1) và (2)  y = 0,025

Theo sơ đồ phản ứng:

nFeCl3=2 y=0 , 05 mol ⇒ mFeCl3= 0 , 05 ×162 , 5=8 ,125 gam

Cách 2: Quy đổi hỗn hợp X về FeO và Fe 3 O 4

Gọi x; y lần lượt là số mol của FeO và Fe3O4

Theo bài ra: m X=11, 2 ⇒ mFeO+mFe3O4=11, 2 ⇒72 x +232 y=11, 2 (1)

Mặt khác: nFeCl2=12 ,7

127 =0,1 mol ⇒ x + y=0,1 (2)

Từ (1) và (2) 

x=0 , 075 y=0 ,025

Gọi x; y lần lượt là số mol của Fe2O3 và Fe3O4

Theo bài ra:

x 2x 3x

¿ { { {

¿

¿

Gọi x; y lần lượt là số mol của Fe và Fe2O3

Theo bài ra: m X=11, 2 ⇒ mFe+mFeO=11, 2 ⇒ 56 x+160 y=11 ,2 (1)

Gọi x; y lần lượt là số mol của Fe và Fe3O4

Theo bài ra: m X=11, 2 ⇒mFe+mFe3O4=11, 2 ⇒56 x+232 y =11, 2 (1)

Mặt khác: nFeCl2=12 ,7

127 =0,1 mol  3x + y = 0,1 (2)

Từ (1) và (2) 

x=0 , 01875 y=0 ,04375

Gọi x; y lần lượt là số mol của Fe và O.

Theo bài ra: m X=11, 2 ⇒ mFe+m O=11, 2 ⇒56 x+16 y=11, 2 (1)

Từ (1) và (2) 

x=0 , 15 y=0 ,175

¿ {

¿

¿

Theo sơ đồ phản ứng:

nFeCl3=x − 0,1=0 , 05 mol ⇒ mFeCl3=0 , 05 ×162 , 5=8 , 125 gam

Ngoài các cách giải trên chúng ta còn có thể giải theo cách quy đổi hỗn hợp

X về FeOx

Hoặc sử dụng phương pháp tăng giảm khối lượng

Bài tập2:Cho 20 gam hỗn hợp gồm Fe, FeO, Fe3O4, Fe2O3 tác dụng vừa hếtvới 700 ml HCl 1M thu được dung dịch X và 3,36 lít khí H2 (đktc) Cho X phảnứng với dung dịch NaOH dư thu được kết tủa Y Nung Y ngoài không khí đến khốilượng không đổi thu được đến khối lượng không đổi được m(g) chất rắn Tính m

mà theo định luật bảo toàn khối lượng ta có: mFe + mO =20g

Nên mFe = 20 – 0,2x16 =16,8 (gam)  nFe = 0,3 mol

Ta lại có 2Fe   Fe2O3