SKKN: Phương pháp giải bài tập hỗn hợp sắt và oxit sắt

PH NG PHÁP GI I BÀI T P H N H P S T VÀ OXIT S T

A T V N :

1 Lí do ch n đ tài:

- T n m 2007 b giáo d c đã thay đ i hình th c thi tuy n sinh i h c-Cao đ ng t t lu n sang tr c nghi m khách quan gi i quy t t t bài thi tr c nghi m yêu c u h c sinh ph i

n m v ng, bi t sâu và r ng ki n th c , có k n ng v n d ng đ ng th i ph i có thao tác suy

lu n logic,tính toán nhanh

- Tr c yêu c u thi t th c c a h c sinh và qua 4-

n m th c hi n thi tuy n sinh H-C b ng hình th c tr c nghi m khách quan c a b Giáo

d c, b n thân tôi đã nghiên c u, v n d ng và tr i nghi m trên 1 s đ i t ng h c sinh

- Bài t p h n h p g m s t và oxit s t là m t trong nh ng d ng bài t p mà h c sinh hay g p trong các k thi mà đ c bi t là thi i H c Thông th ng nh ng bài t p v s t và các oxit

th ng khá ph c t p và x y ra theo nhi u ph ng trình ph n ng khác nhau giúp h c sinh gi i quy t t t các bài toán v h n h p s t m t cách nhanh chóng tôi th ng gi i thi u

ph ng pháp v n d ng các đ nh lu t b o toàn ó là n i dung mà bài vi t này tôi mu n đ

c p

2 M c đích:

- Nghiên c u k ph ng pháp gi i bài t p hoá h c v s t

- Ph c v cho giáo viên và h c sinh trung h c ph thông

3 Nhi m v c a đ tài:

- H th ng lí thuy t v các đ nh lu t áp d ng gi i bài t p v s t và h p ch t c a s t

- a ra m t s bài t p áp d ng

4 i t ng và khách th nghiên c u:

• i t ng: Nghiên c u và v n d ng các ph ng pháp gi i nhanh bài t p v s t và h p

ch t c a s t

•Khách th : Các bài toán s t và h p ch t c a s t v n d ng gi i nhanh

5 Ph m vi nghiên c u :

•Gi i h n v n i dung: Ph ng pháp gi i bài t p v s t và h p ch t c a s t

•Gi i h n v đ i t ng nghiên c u: Ch ng trinh hoá h c trung h c ph thông

6 Ph ng pháp và các ph ng ti n nghiên c u:

•Ph ng pháp:

+ c tài li u: sách tham kh o , sách giáo khoa và sách bài t p hoá h c l p 10,11,12, các

đ thi đ i h c t lu n và tr c nghi m

+ Phân tích, t ng h p

+ Th ng kê toán h c

•Ph ng ti n:

- Các tài li u tham kh o, sách giáo khoa và sách bài t p hoá h c trong ch ng trình trung

h c ph thông (l p 10, 11, 12)

- Tr i nghi m trên h c sinh l p gi ng d y 11H, 12Hoá , h c sinh ôn thi đ i h c

B N I DUNG

I CÁC NH LU T C N V N D NG

1 nh lu t b o toàn kh i l ng:

N i dung: Kh i l ng các ch t tham gia ph n ng b ng kh i l ng các ch t đ c t o thành sau ph n ng

Trong đó chúng ta c n v n d ng các h qu

H qu 1: G i mT là t ng kh i l ng các ch t tr c ph n ng, ms là kh i l ng các

ch t sau ph n ng Dù ph n ng x y ra v i hi u su t b t k ta đ u có: mT = mS

H qu 2: Khi cation kim lo i k t h p v i anion phi kim đ t o ra các h p ch t ta luôn có: Kh i l ng ch t = kh i l ng c a cation+kh i l ng anion Kh i l ng c a cation

ho c anion ta coi nh b ng kh i l ng c a nguyên t c u t o thành

2 nh lu t b o toàn nguyên t

N i dung đ nh lu t: T ng kh i l ng m t nguyên t tr c ph n ng b ng t ng kh i

l ng c a nguyên t đó sau ph n ng N i dung đ nh lu t có th hi u là t ng s mol c a

m t nguyên t đ c b o toàn trong ph n ng

3 nh lu t b o toàn electron

Trong ph n ng oxi hóa kh : S mol electron mà ch t kh cho đi b ng s mol electron mà ch t oxi hóa nh n v

Khi v n d ng đ nh lu t b o toàn electron vào d ng toán này c n l u ý:

- Trong ph n ng ho c m t h ph n ng ch c n quan tâm đ n tr ng thái đ u và tr ng thái

cu i mà không c n quan tâm đ n tr ng thái trung gian

- N u có nhi u ch t oxi hóa và ch t kh thì s mol electron trao đ i là t ng s mol c a t t

c ch t nh ng ho c nh n electron

II T NG QUAN V BÀI T P H N H P S T VÀ OXIT S T:

Bài t p Fe và h n h p oxit s t th ng có d ng cho kh i l ng và cho ph n ng v i

m t ch t oxi hóa nh H2SO4đ c nóng ho c HNO3 ho c th m chí là axit th ng nh HCl

Gi i quy t bài toán: V i gi thi t là cho m gam h n h p g m Fe và các oxit FeO,

Fe3O4, Fe2O3 tác d ng v i HNO3 thu đ c khí NO2 : Ta coi nh trong h n h p có x mol Fe,

y mol O nh v y ta xét trong ph n ng thì ch có ch t nh ng electron đó là Fe còn ch t

nh n electron là O và ch t oxi hóa HNO3 s n ph m là V lít NO2 (đktc) và Fe3+

ta s có: Theo đ nh lu t b o toàn kh i l ng: 56x + 16y = m (1)

Theo đ nh lu t b o toàn electron

3

3

Fe → Fe + + e

O

2

4 5

2

2 1

− + +

+ →

x 3x

T ng electron nh ng: 3x mol T ng electron nh n: 2y +

Áp d ng đ nh lu t b o toàn electron ta có: 3x = 2y + (2)

T (1) và (2) ta có h 56 16

22, 4

x y m

V

x y

⎧

⎪

⎨ − =

⎪⎩

Vi c gi i h này khi m t khi bi t đ c 2 trong s 4 y u t s gi i quy t đ c yêu c u c a bài toán

Sau đây tôi xin g i đ n m t s d ng toán hóa mà chúng ta hay g p

III M T S D NG BÀI T P V N D NG

1 D ng h n h p s t và các oxit ph n ng v i ch t oxi hóa m nh:

bài:

22, 4

V

22, 4

V

22, 4

V

V

22, 4

Cho 11,36 gam h n h p g m Fe, FeO, Fe2O3 và Fe3O4 ph n ng h t v i dung d ch HNO3 loãng (d ), thu đ c 1,344 lít khí NO (s n ph m kh duy nh t, đktc) và dung d ch

X Cô c n dung d ch X thu đ c m gam mu i khan Tính m ?

Phân tích đ : Ta coi nh trong h n h p X ban đ u g m Fe và O Nh v y xét c quá trình

ch t nh ng e là Fe ch t nh n e là O và NO3− N u chúng ta bi t đ c s t ng s mol Fe trong X thì s bi t đ c s mol mu i Fe(NO3)3 trong dung d ch sau ph n ng Do đó chúng

ta s gi i bài toán này nh sau:

Gi i: S mol NO = 0,06 mol

G i s mol Fe và O t ng ng trong X là x và y ta có: 56x + 16y = 11,36 (1)

Quá trình nh ng và nh n e:

3

3

Fe → Fe + + e

O

2

2 5

2 3

− + +

x 3x

0, 06 0,18

T ng electron nh ng: 3x (mol) T ng electron nh n: 2y + (mol) 0,18

Áp d ng đ nh lu t b o toàn electron ta có: 3x = 2y + (2) 0,18

T (1) và (2) ta có h 56 16 11, 36

x y

⎧

⎨ − =

⎩

Gi i h trên ta có x = 0,16 và y = 0,15

3 3

( ) 0,16

V i bài toán này ta c ng có th quy v bài toán kinh đi n: t m gam s t sau ph n

ng sinh ra 11,36 gam h n h p g m Fe, FeO, Fe2O3 và Fe3O4 H n h p này ph n ng h t

v i dung d ch HNO3 loãng (d ), thu đ c 1,344 lít khí NO (s n ph m kh duy nh t, đktc) Chúng ta s tính m r i t suy ra s mol Fe và t đó tính s mol c a s t

Phát tri n bài toán:

Tr ng h p 1: Cho nhi u s n ph m s n ph m kh nh NO2, NO ta có v n đ t h bình

th ng tuy nhiên ch t nh n e bây gi là HNO3 thì cho 2 s n ph m

Tr ng h p 2: N u đ ra yêu c u tính th tích ho c kh i l ng c a HNO3 thì ta tính s mol

d a vào b o toàn nguyên t N khi đó ta s có:

nHNO3 = nmu NOôi3 + nNO Khí3 = 3 nFe + nNO( nNO

2)

2 D ng đ t cháy S t trong không khí r i cho s n ph m ph n ng v i ch t oxi hóa

bài 1: Nung nóng 12,6 gam Fe ngoài không khí sau m t th i gian thu đ c m gam h n

h p X g m Fe, FeO, Fe2O3 và Fe3O4 H n h p này ph n ng h t v i dung d ch H2SO4đ c nóng (d ), thu đ c 4,2 lít khí SO2 (s n ph m kh duy nh t, đktc) Tính m?

Phân tích đ : S đ ph n ng

,

Fe

⎪

Fe ph n ng v i Oxi cho 3 s n ph m oxit và l ng s t d , sau đó h n h p oxit này

ph n ng v i H2SO4 đ c nóng đ a lên s t +3 Trong quá trình Oxi nh n e đ đ a v O

có trong oxit và H2SO4(+6) nh n e đ đ a v SO2 (+4)

Nh v y: + Kh i l ng oxit s là t ng c a kh i l ng s t và oxi

+ C quá trình ch t nh ng e là Fe ch t nh n là O và H2SO4

2

SO

n = 0,1875 mol Fe = 0,225 mol

G i s mol oxi trong oxit là x ta có:

3

3

Fe → Fe + + e 2

2

2 2

−

−

+ → + →x

2x

0,1875 2x 0,1875

T ng electron nh ng: 0,675 mol T ng electron nh n: 2x + 0,375 (mol)

Áp d ng đ nh lu t b o toàn electron ta có: 0,675 = 2x + 0,375 ⎯⎯ → x = 0,15

M t khác ta có: m=m Fe+m O2 − nên: m = 12,6 + 0,15x16 = 15 (gam)

S: 15 gam

Bài 2: Nung nóng m gam b t s t ngoài không khí, sau ph n ng thu đ c 20 gam h n

h p X g m Fe, FeO, Fe2O3 và Fe3O4 Hòa tan h t X trong dung d ch HNO3 loãng thu

đ c 5,6 lít h n h p khí Y g m NO và NO2 có t kh i so v i H2 là 19 Tính m và th tích HNO3 1M đã dùng?

Phân tích đ : s đ ph n ng

3 2

2

3 4 ( )

2 3

3 3

,

à Fe du

HNO

O kk

NO FeO Fe O

Fe O v

Fe NO

⎪

⎧

⎩

+ H n h p X g m Fe và O trong oxit

+ Xét c quá trình ta th y ch có Fe nh ng e, Ch t nh n e là Oxi và HNO3

+ HNO3 nh n e đ cho NO và NO2

+ S mol HNO3 ban đ u b ng s mol HNO3 trong mu i và chuy n v các khí

Gi i: Theo đ ra ta có: n NO =n NO2 =0,125mo l

G i s mol Fe và O t ng ng trong X là x và y ta có: 56x + 16y = 20 (1)

Quá trình nh ng và nh n e:

3

3

Fe → Fe + + e

5

2 1 3

− +

+ +

+ →

2

2

4 5

y

2 2

0,125 0,125

T ng electron nh ng: 3x mol T ng electron nh n: 2y + 0,125+ 0,125x3 (mol)

Áp d ng đ nh lu t b o toàn electron ta có: 3x = 2y + 0,5 (2)

x y

⎧

⎨ − =

⎩

Gi i h trên ta có x = 0,3 và y = 0,2

Nh v y nFe = 0,3 mol v y m = 16,8 gam

Theo đ nh lu t b o toàn nguyên t ta có:

ôi í

3

mu Kh

HNO NO NO Fe NO NO

3 0, 3 3 0,125 0,125 1,15

V y

3

1,15

1,15( ít) 1

HNO

x 3x

0,125 0,125 3x

3 D ng kh không hoàn toàn Fe 2 O 3 sau cho s n ph m ph n ng v i ch t oxi hóa m nh

là HNO 3 ho c H 2 SO 4 đ c nóng:

ra: Cho m t lu ng khí CO đi qua ng s đ ng m gam Fe2O3 nung nóng Sau m t th i gian thu đ c 10,44 gam ch t r n X g m Fe, FeO, Fe2O3 và Fe3O4 Hòa tan h t X trong dung d ch HNO3 đ c, nóng thu đ c 4,368 lít NO2 (s n ph m kh duy nh t đktc) Tính m

?

Phân tích đ : S đ ph n ng

3

2 3

,

o

HNO dn CO

t

Fe O

⎪

Trong tr ng h p này xét quá trình đ u và cu i ta th y ch t nh ng e là CO, ch t

nh n e là HNO3 Nh ng n u bi t t ng s mol Fe trong oxit ta s bi t đ c s mol Fe2O3 B i

v y ta dùng chính d ki n bài toán hòa tan x trong HNO3đ tính t ng s mol Fe

Gi i: Theo đ ra ta có: n NO2 =0,195m ol

G i s mol Fe và O t ng ng trong X là x và y ta có: 56x + 16y = 10,44 (1)

Quá trình nh ng và nh n e:

3

3

1

−

+

+ →

2

4 5

y

2 0,195 0,195

x 3x

Áp d ng đ nh lu t b o toàn electron ta có: 3x = 2y + 0,195 (2)

T (1) và (2) ta có h 56 16 10, 44

x y

⎧

⎨ − =

⎩

Gi i h trên ta có x = 0,15 và y = 0,1275

Nh v y nFe = 0,15 mol nên

2 3 0, 075

Fe O

Nh n xét:

D nhiên trong bài toán trên ta c ng có th gi i theo cách tính s mol O b CO l y theo ph ng trình:

2

2

CO+ ⎡⎣O −⎤⎦− e⎯⎯ →CO và

4 5

2

1

+

Sau đó d a vào đ nh lu t b o toàn kh i l ng ta có: m = 10,44 + mO

4 D ng h n h p oxit s t ph n ng v i axit th ng: H +

T ng quan v d ng này:

ây không ph i là ph n ng oxi hóa kh mà ch là ph n ng trao đ i Trong ph n

2

2H++ ⎡⎣O −⎤⎦→H O và t o ra các mu i Fe2+ và Fe3+ trong dung d ch Nh v y n u bi t s mol H+ta có th bi t đ c kh i l ng c a oxi trong

h n h p oxit và t đó có th tính đ c t ng s mol s t trong h n h p ban đ u

ra:

Cho 7,68 gam h n h p g m FeO, Fe3O4, Fe2O3 tác d ng v a h t v i 260 ml HCl 1M thu đ c dung d ch X Cho X ph n ng v i dung d ch NaOH d thu đ c k t t a Y Nung

Y ngoài không khí đ n kh i l ng không đ i thu đ c đ n kh i l ng không đ i đ c m(g)

ch t r n Tính m

3 4

( ) ( )

FeO

FeCl Fe OH

FeCl Fe OH

Fe O

⎧

⎧

↓

⎪

⎩

⎩

+ Ta coi H+ c a axit ch ph n ng v i O2- c a oxit + Toàn b Fe trong oxit chuy n v Fe2O3

+ T s mol H+ ta có th tính đ c s mol O trong oxit t đó có th tính đ c

l ng Fe có trong oxit

+ Nung các k t t a ngoài không khí đ u thu đ c Fe2O3

Gi i: Ta có HCl 0, 26

H

n + =n = mo l

2

2H++ ⎡⎣O −⎤⎦→H O

mol

trong O2- là oxi trong h n h p oxit

0,26 0,13

2 0,13

O

n − = mà theo đ nh lu t b o toàn kh i l ng ta có: mFe + mO =7,68

Nên mFe = 7.68 – 0,13x16 =5,6(gam) →nFe = 0,1 mol

Ta l i có 2Fe⎯⎯ →Fe2O3

0,1 0,05

V y m = 0,05x160 = 8 gam

Nh n xét: Ngoài cách gi i trên ta c ng có th quy h n h p v ch còn FeO và Fe2O3 vì

Fe3O4 coi nh là h n h p c a FeO.Fe2O3 v i s mol nh nhau

5 D ng s t và h n h p oxit s t ph n ng v i axit th ng: H +

T ng quan v d ng này:

D ng này c b n gi ng d ng th 4 tuy nhiên s n ph m ph n ng ngoài H2Ocòn có

H2 do Fe ph n ng Nh v y liên quan đ n H+

s có nh ng ph n ng sau:

Nh v y chúng ta có th d a vào t ng s mol H+ và s mol H2 đ tìm s mol c a O2- t đó tính đ c t ng s mol c a Fe

ra:

Cho 20 gam h n h p g m Fe, FeO, Fe3O4, Fe2O3 tác d ng v a h t v i 700 ml HCl 1M thu đ c dung d ch X và 3,36 lít khí H2 (đktc) Cho X ph n ng v i dung d ch NaOH

d thu đ c k t t a Y Nung Y ngoài không khí đ n kh i l ng không đ i thu đ c đ n

kh i l ng không đ i đ c m(g) ch t r n Tính m

Phân tích đ : S đ

2

2

3

3 4

( ) ( )

Fe

H

FeCl

Fe O

↑

↓

⎪

⎩

⎪⎩

3

+ Ta coi H+ c a axit v a nh n electron đ thành H2 và ph n ng v i O2- c a oxit

+ Toàn b Fe trong oxit cu i cùng chuy n v Fe2O3

+ T t ng s mol H+ và s mol H2 ta có th tính đ c s mol O trong oxit t đó tính đ c

l ng Fe có trong oxit

Gi i: Ta có

2

H

n + =n = mol n = mol

Ta có ph ng trình ph n ng theo H+

2 2

2

+

+ −

⎡ ⎤

+⎣ ⎦⎯⎯→ 2)

mol

O

2 2

2

2

+ + −

⎡ ⎤ +⎣ ⎦⎯⎯→

H

ng (2) là 0,4 mol( t ng 0,7 mol) V y s mol O2- là: 0,2 mol

mà theo đ nh lu t b o toàn kh i l ng ta có: mFe + mO =7,68

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

Ta l i có 2Fe⎯⎯ →Fe2O3

0,3 0,15

V y m = 0,15x160 = 24 gam

6 D ng chuy n đ i h n h p t ng đ ng:

T ng quan:

- Nguyên t c chung: Quy đ i là m t ph ng pháp bi n đ i toán h c nh m đ a bài toán ban đ u là m t h n h p ph c t p v d ng đ n gi n h n, qua đó làm cho các phép tính tr nên d dàng, thu n ti n.Luôn đ m b o nguyên t c:

+ B o toàn nguyên t , t c là t ng s mol m i nguyên t trong h n h p đ u và h n h p

m i ph i nh nhau

+ B o toàn s oxi hoá, t c là t ng s s oxi hoá c a các nguyên t trong hai h n h p là nh nhau

- Trong s oxit s t thì ta coi Fe3O4 là h n h p c a FeO và Fe2O3 có s mol b ng nhau Nh

v y có th có hai d ng chuy n đ i Khi đ ra cho s mol FeO và Fe2O3 có s mol b ng nhau thì ta coi nh trong h n h p ch là Fe3O4 còn n u không có d ki n đó thì ta coi h n h p là FeO và Fe2O3 Nh v y h n h p t 3 ch t ta có th chuy n thành h n h p 2 ch t ho c 1 ch t

t ng đ ng

Bài 1: H n h p A g m FeO, Fe2O3, Fe3O4 (trong đó s mol FeO b ng s mol

Fe2O3) Hòa tan 4,64 gam trong dung d ch H2SO4 loãng d đ c 200 ml dung d ch

X Tính th tích dung d ch KMnO4 0,1M c n thi t đ chu n đ h t 100 ml dung

d ch X?

Phân tích đ :

Theo đ ra s mol FeO b ng s mol c a Fe2O3 nên ta coi nh h n h p ch có Fe3O4 Sau khi ph n ng v i H2SO4 s thu đ c 2 mu i là FeSO4 và Fe2(SO4)3 Dung d ch KMnO4 tác d ng v i FeSO4 trong H2SO4 d Nh v y t s s mol c a Fe3O4 ta có

th tính đ c s mol c a FeSO4 t đó tính s mol KMnO4 theo ph ng trình ph n

ng ho c ph ng pháp b o toàn electron

Gi i: Vì s mol c a FeO b ng s mol c a Fe2O3 nên ta coi h n h p

Ta có

3 4

4, 64

0, 02 232

Fe O

Ptp : Fe3O4 + 4H2SO4 ⎯⎯ → FeSO4 + Fe2(SO4)3 + 4H2O

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

10FeSO4 + 2KMnO4 +8H2SO4 ⎯⎯ →5Fe2(SO4)3 + K2SO4+2MnSO4+8H2O

Nh v y ta có

4

0, 002

0, 02( ) 0,1

KMnO

Bài t p 2: Cho m gam h n h p oxit s t g m FeO, Fe3O4 và Fe2O3 tan v a h t trong dung

d ch H2SO4 t o thành dung d ch X Cô c n dung d ch X thu đ c 70,4 gam mu i, m t khác cho Clo d đi qua X r i cô c n thì thu đ c 77,5 gam mu i

Tính m?

Phân tích đ :Cho oxit tác d ng v i H2SO4 ta s thu đ c 2 mu i FeSO4 và Fe2(SO4)3 Do

đó ta có th coi h n h p ban đ u ch g m hai oxit FeO và Fe2O3 Ta th y kh i l ng mu i

t ng lên đó là do ph n ng:

2Fe2+ + Cl2 ⎯⎯ →2Fe3+ + 2Cl-

Nh v y kh i l ng t ng lên đó là kh i l ng c a Clo V y t kh i l ng c a Clo ta

có th tính ra s mol c a Fe2+ t đó tính đ c s mol FeO, m t khác ta có t ng kh i l ng

mu i FeSO4 và Fe2(SO4)3 mà bi t đ c FeSO4 v y t đây ta tính đ c Fe2(SO4)3 và nh v y

bi t đ c s mol c a Fe2O3

Gi i:Coi h n h p g m FeO và Fe2O3 ta có ph ng trình ph n ng:

FeO + H2SO4 ⎯⎯ → FeSO4 + H2O

Fe2O3 + 3H2SO4 ⎯⎯ → Fe2(SO4)3 + 3H2O

Kh i l ng t ng lên đó chính là kh i l ng c a Cl

có trong mu i theo ph ng trình:

2Fe2+ + Cl2 ⎯⎯ →2Fe3+ + 2Cl-

V y 77, 5 70, 4 0, 2

35, 5

Cl

−

= = ol Nh v y s n Fe2 + =n FeSO4 =n FeO = 0, 2m ol

4 2 ( 4 3 ) 70, 4

2 ( 4 3 )

70, 4 0, 2 152

0,1 400

Fe SO

x

Nên

2 ( 4 3 ) 2 3 0,1

2 3 0, 2 72 0,1 160 30, 4( )