Sáng kiến kinh nghiệm Phương pháp giải bài tập hỗn hợp sắt và oxit sắt

Nội dung text: Sáng kiến kinh nghiệm Phương pháp giải bài tập hỗn hợp sắt và oxit sắt

1. Chuyên đề Phương pháp giải bài tập hỗn hợp sắt và oxit sắt PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP HỖN HỢP SẮT VÀ OXIT SẮT A. ĐẶT VẤN ĐỀ: 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 thi Đại Học. 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. Để giúp học sinh giải quyết tốt các bài toán về hỗn hợp sắt một cách nhanh chóng tôi thường giới thiệu phương pháp vận dụng các định luật bảo toàn. Đó là nội dung mà bài viết này tôi muốn đề cập. B. NỘI DUNG I. CÁC ĐỊNH LUẬT CẦN VẬN DỤNG 1. 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, m s là khối lượng 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. Khối lượng của cation hoặc anion ta coi như bằng khối lượng của nguyên tử cấu tạo thành. 2. 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. 3. Định luật bảo toàn electron 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 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 số mol của tất cả chất nhường hoặc nhận electron. GV Nguyễn Quốc Tuấn Trang 1
2. Chuyên đề Phương pháp giải bài tập hỗn hợp sắt và oxit sắt II. TỔNG QUAN VỀ 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. Giải quyết bài toán: Với giả thiết là cho m gam hỗn hợp gồm Fe và các oxit FeO, Fe 3O4, Fe2O3 tác dụng với HNO3 thu được khí NO2 : Ta coi như trong hỗn hợp có x mol Fe, y mol O như vậy ta xét trong phản ứng thì chỉ có chất nhường electron đó là Fe còn chất nhận electron là O và 3+ chất oxi hóa HNO3 sản phẩm là V lít NO2 (đktc) và Fe ta sẽ có: Theo định luật bảo toàn khối lượng: 56x + 16y = m (1) Theo định luật bảo toàn electron Chất khử Chất oxi hóa 2 3 O 2e O Fe Fe 3e y 2y y 4 5 x 3x N 1e N O2 V V 22,4 22,4 V Tổng electron nhường: 3x mol Tổng electron nhận: 2y + 22,4 V Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: 3x = 2y + (2) 22,4 56x 16y m Từ (1) và (2) ta có hệ V 3x 2y 22,4 Việc giải hệ này khi một khi biết được 2 trong số 4 yếu tố sẽ giải quyết được yêu cầu của bài toán. Sau đây tôi xin gửi đến một số dạng toán hóa mà chúng ta hay gặp. III. MỘT SỐ DẠNG BÀI TẬP VẬN DỤNG 1. Dạng hỗn hợp sắt và các oxit phản ứng với chất oxi hóa mạnh: Đề bài: Cho 11,36 gam hỗn hợp gồm Fe, FeO, Fe 2O3 và Fe3O4 phản ứng hết với dung dịch HNO 3 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: Ta coi như trong 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 GV Nguyễn Quốc Tuấn Trang 2
3. Chuyên đề Phương pháp giải bài tập hỗn hợp sắt và oxit sắt biết được số mol muối Fe(NO3)3 trong dung dịch sau phản ứng. Do đó chúng ta sẽ giải bài toán này như sau: Giải: Số mol NO = 0,06 mol. Gọi số mol Fe và O tương ứng trong X là x và y ta có: 56x + 16y = 11,36 (1). Quá trình nhường và nhận e: Chất khử Chất oxi hóa 2 Fe Fe3 3e O 2e O y 2y y 2 x 3x N 5 3e N O 0,18 0,06 Tổng electron nhường: 3x (mol) Tổng electron nhận: 2y + (mol) 0,18 Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: 3x = 2y + (2) 0,18 Từ (1) và (2) ta có hệ 56x 16y 11,36 3x 2y 0,18 Giải hệ trên ta có x = 0,16 và y = 0,15 Như vậy n n 0,16 mol vậy m = 38,72 gam. Fe Fe(NO3 )3 Với bài toán này ta cũng có thể quy về bài toán kinh điển: Đốt m gam sắt sau phản ứng sinh ra 11,36 gam hỗn hợp gồm Fe, FeO, Fe 2O3 và Fe3O4 . Hỗn hợp này phản ứng hết với dung dịch HNO3 loãng (dư), thu được 1,344 lít khí NO (sản phẩm khử duy nhất, ở đktc). Chúng ta sẽ tính m rồi từ suy ra số mol Fe và từ đó tính số mol của sắt. Phát triển bài toán: Trường hợp 1: Cho nhiều sản phẩm sản phẩm khử như NO 2, NO ta có vẫn đặt hệ bình thường tuy nhiên chất nhận e bây giờ là HNO3 thì cho 2 sản phẩm. Trường hợp 2: Nếu đề ra yêu cầu tính thể tích hoặc khối lượng của HNO 3 thì ta tính số mol dựa vào bảo toàn nguyên tố N khi đó ta sẽ có: n nmuôi nKhí 3n n (n ) HNO3 NO3 NO3 Fe NO NO2 2. Dạng đốt cháy Sắt trong không khí rồi cho sản phẩm phản ứng với chất oxi hóa Đề bài 1: 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? Phân tích đề: Sơ đồ phản ứng GV Nguyễn Quốc Tuấn Trang 3
4. Chuyên đề Phương pháp giải bài tập hỗn hợp sắt và oxit sắt O (kk ) FeO, Fe3O4 H SO dn SO  Fe 2  2 4  2 Fe2O3và Fe du Fe2 (SO4 )3 Fe phản ứng với Oxi cho 3 sản phẩm oxit và lượng sắt dư, sau đó hỗn hợp oxit này phản ứng 2- với H2SO4 đặc nóng đưa lên sắt +3. Trong quá trình Oxi nhận e để đưa về O có trong oxit và H2SO4(+6) nhận e để đưa về SO2 (+4). 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. Giải:Ta có n = 0,1875 mol , n = 0,225 mol SO2 Fe Gọi số mol oxi trong oxit là x ta có: Chất khử Chất oxi hóa 2 Fe Fe3 3e O 2e O 2x x 0,225 0,225 x 3 2 SO4 2e SO2 0,1875x2 0,1875 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 m m m Mặt khác ta có: Fe O2 nên: m = 12,6 + 0,15x16 = 15 (gam). ĐS: 15 gam. Đề Bài 2: 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 dung dịch HNO 3 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? Phân tích đề: sơ đồ phản ứng NO2  O (kk ) FeO, Fe3O4 HNO Fe 2  3 NO  Fe O và Fe du 2 3 Fe(NO ) 3 3 + Hỗn hợp X gồm Fe và O trong oxit. + Xét cả quá trình ta thấy chỉ có Fe nhường e, Chất nhận e là Oxi và HNO3 . + HNO3 nhận e để cho NO và NO2. + Số mol HNO3 ban đầu bằng số mol HNO3 trong muối và chuyển về các khí. Giải: Theo đề ra ta có: n n 0,125mol NO NO2 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: Chất khử Chất oxi hóa GV Nguyễn Quốc Tuấn Trang 4
5. Chuyên đề Phương pháp giải bài tập hỗn hợp sắt và oxit sắt O 2e O2 y 2y y 3 4 Fe Fe 3e N 5 1e N O 0,125 0,1252 x 3x 2 N 5 3e N O 0,125x3 0,125 Tổng electron nhường: 3x mol Tổng electron nhận: 2y + 0,125+ 0,125x3 (mol) Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: 3x = 2y + 0,5 (2) Từ (1) và (2) ta có hệ 56x 16y 20 3x 2y 0,5 Giải hệ trên ta có x = 0,3 và y = 0,2 Như vậy nFe = 0,3 mol vậy m = 16,8 gam. Theo định luật bảo toàn nguyên tố ta có: n nmuôi nKhí 3n n n HNO3 NO3 NO3 Fe NO NO2 nên n 0,3x3 0,125 0,125 1,15 mol. HNO3 1,15 Vậy V 1,15(lít) HNO3 1 3. Dạng khử không hoàn toàn Fe2O3 sau cho sản phẩm phản ứng với chất oxi hóa mạnh là HNO3 hoặc H2SO4 đặc nóng: Đề ra: Cho một luồng khí CO đi qua ống sứ đựng m gam Fe 2O3 nung nóng. Sau một thời gian thu được 10,44 gam chất rắn X gồm Fe, FeO, Fe 2O3 và Fe3O4 . Hòa tan hết X trong dung dịch HNO 3 đặc, nóng thu được 4,368 lít NO2 (sản phẩm khử duy nhất ở đktc). Tính m ? Phân tích đề: Sơ đồ phản ứng FeO, Fe3O4 NO  Fe O CO HNO3dn 2 2 3 to Fe2O3 , Fe Fe(NO2 )3 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 Fe 2O3. Bởi vậy ta dùng chính dữ kiện bài toán hòa tan x trong HNO3 đề tính tổng số mol Fe. Giải: Theo đề ra ta có: n 0,195mol NO2 GV Nguyễn Quốc Tuấn Trang 5
6. Chuyên đề Phương pháp giải bài tập hỗn hợp sắt và oxit sắt 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: Chất khử Chất oxi hóa 2 3 O 2e O Fe Fe 3e y 2y y 4 5 N 1e N O2 x 3x 0,195 0,195 Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: 3x = 2y + 0,195 (2) Từ (1) và (2) ta có hệ 56x 16y 10,44 3x 2y 0,195 Giải hệ trên ta có x = 0,15 và y = 0,1275 Như vậy n = 0,15 mol nên n 0,075mol  m = 12 gam. Fe Fe2O3 Nhận xét: Dĩ nhiên trong bài toán trên ta cũng có thể giải theo cách tính số mol O bị CO lấy theo phương trình: 4 5 2 N 1e N O CO O 2e  CO2 và 2 . Sau đó dựa vào định luật bảo toàn khối lượng ta có: m = 10,44 + mO 4. Dạng hỗn hợp oxit sắt phản ứng với axit thường: H+ Tổng quan về dạng này: Đây không phải là phản ứng oxi hóa khử mà chỉ là phản ứng trao đổi. Trong phản ứng này 2 2+ 3+ ta coi đó là phản ứng của: 2H O H2O và tạo ra các muối Fe và Fe trong dung dịch. + Như vậy nếu biết số mol H ta có thể biết được khối lượng của oxi trong hỗn hợp oxit và từ đó có thể tính được tổng số mol sắt trong hỗn hợp ban đầu. Đề ra: Cho 7,68 gam hỗn hợp gồm FeO, Fe 3O4, Fe2O3 tác dụng vừa hết với 260 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(g) chất rắn. Tính m GV Nguyễn Quốc Tuấn Trang 6