PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP HỖN HỢP SẮT VÀ OXIT SẮT

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 quả 1: Gọi m_T 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:

m_T = m_S. 

Hệ quả 2: Khi cation kim loại kết hợp với anion gốc axit 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.

 

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, Fe₃O₄, 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 chất oxi hóa HNO₃ sản phẩm là V lít NO₂ (đktc) và Fe³⁺ ta sẽ có:

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

Theo định luật bảo toàn electron

Chất khử: Tổng electron nhường: 3x mol   

 

Chất oxi hóa: Tổng electron nhận: 2y + ?

 

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

Từ (1) và (2) ta có hệ 

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:
 

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 ?

 

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:  Fe⁰          → Fe⁺³ + 3e 

 

Tổng electron nhường: 3x (mol)

 

và nhận e:            O⁰ + 2e  → O^-2

                          N⁺⁵ + 3e → N⁺²

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 

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

Như vậy mol vậy m = 38,72 gam.

Phát triển bài toán: 

Trường hợp 1: Cho nhiều sản phẩm sản phẩm khử như NO₂, 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 HNO₃ thì ta tính số mol dựa vào bảo toàn nguyên tố N khi đó ta sẽ có:

 

n_HNO3 = 4n_NO + 2n_NO2 + 10n_N2O +12n_N2 +10n_NH4NO3

 

2. Dạng đốt cháy Sắt trong không khí rồi cho sản phẩm phản ứng với chất oxi hóa 

Ví dụ 2: 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:

 

Ta có, n_Fe = 0,225 mol và n_SO2 = 0,1875 mol

 

Quá trình nhường: Fe⁰          → Fe⁺³ + 3e 

Tổng electron nhường: 3.0,225 = 0,675 (mol)

và nhận e:           O⁰ + 2e  → O^-2

                          S⁺⁶ + 2e → S⁺⁴

 Tổng electron nhận: 2x + 0,375 (mol)

 

Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có:

 0,675 = 2x + 0,375 → x = 0,15

Mặt khác ta có: nên: m = 12,6 + 0,15.16 = 15 (gam).

ĐS: 15 gam.

Ví dụ 3: 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 HNO₃ loãng thu được 5,6 lít hỗn hợp khí Y gồm NO và NO₂ (ở đktc) có tỉ khối so với H₂ là 19. Tính m và thể tích HNO₃ 1M đã dùng?

 

Giải:

 

Gọi a, b là số mol của NO và NO₂ thì

 

a + b = 5,6/22,4 = 0,25

 

(30a + 46b)/0,25 = 38

 

a = b = 0,125 mol

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

 

56x + 16y = 20 (1).

 

Tổng electron nhường: 3x mol

 

Tổng electron nhận: 2y + 0,125 + 0,125.3 (mol)

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

Từ (1) và (2) ta có hệ 

Giải hệ trên ta có x = 0,3 và y = 0,2 

Như vậy,  n_Fe = 0,3 mol → m = 16,8 gam.

Theo định luật bảo toàn nguyên tố ta có:

 

n_HNO3 = 4n_NO + 2n_NO2 = 4.0,125 + 2.0,125 = 0,75 mol

Vậy, V_HNO3 = 0,75/1 = 0,75 lit

 

3. Dạng khử không hoàn toàn Fe₂O₃ sau cho sản phẩm phản ứng với chất oxi hóa mạnh là HNO₃ hoặc H₂SO₄ đặc nóng:

Ví dụ 4: 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 ?

 

Giải:

 

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

 

56x + 16y = 10,44 (1).

Quá trình nhường:  Fe⁰          → Fe⁺³ + 3e 

 

Tổng electron nhường: 3x (mol)

và nhận e:            O⁰ + 2e  → O^-2

                          N⁺⁵ + 1e → N⁺⁴

 Tổng electron nhận: 2y + 0,195 (mol)

Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: 3x = 2y + 0,195 (2)

Từ (1) và (2) ta có hệ 

Giải hệ trên ta có x = 0,15 và y = 0,1275

 
Như vậy n_Fe = 0,15 mol nên m = 12 gam.

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 ta coi đó là phản ứng của: và tạo ra các muối Fe²⁺ và Fe³⁺ 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.

 

Ví dụ 5: Cho 7,68 gam hỗn hợp gồm FeO, Fe₃O₄, 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

 

Giải:

 

Ta có 

Theo phương trình: trong O^2- là oxi trong hỗn hợp oxit

 

 2H⁺  +  O^2-  → H₂O 
 0,26      0,13

mà theo định luật bảo toàn khối lượng ta có:

 

m_Fe + m_O = 7,68 

Nên m_Fe = 7.68 – 0,13.16 = 5,6 (gam) → n_Fe = 0,1 mol

→ m = 0,05.160 = 8 gam. 

 

5. Dạng sắt và hỗn hợp oxit sắt phản ứng với axit thường: H⁺

Tổng quan về dạng này:

Dạng này cơ bản giống dạng thứ 4 tuy nhiên sản phẩm phản ứng ngoài H₂O còn có H₂ do Fe phản ứng. Như vậy liên quan đến H⁺ sẽ có những phản ứng sau:

 

Như vậy chúng ta có thể dựa vào tổng số mol H⁺ và số mol H₂ để tìm số mol của O^2- từ đó tính được tổng số mol của Fe.

 

Ví dụ 6: Cho 20 gam hỗn hợp gồm Fe, FeO, Fe₃O₄, Fe₂O₃ tác dụng vừa hết với 700 ml HCl 1M thu được dung dịch X và 3,36 lít khí H₂ (đktc). 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

 

Giải:

 

Ta có 

Ta có phương trình phản ứng theo H⁺.

 

  2H⁺ + 2e → H₂ (1)

 

  2H⁺ + O^2- → H₂O (2)

 

Từ (1) ta có (vì số mol H₂ = 0,15mol)

Số mol H⁺ phản ứng theo phản ứng (2) là 0,4 mol (tổng 0,7 mol).

 

→ số mol O^2- là: 0,2 mol.

mà theo định luật bảo toàn khối lượng ta có:

 

m_Fe + m_O = 7,68 

Nên m_Fe = 20 – 0,2.16 = 16,8 (gam) → n_Fe = 0,3 mol

Vậy m = 0,15.160 = 24 gam. 

6. Dạng chuyển đổi hỗn hợp tương đương:

Tổng quan:

Trong số oxit sắt thì ta coi Fe₃O₄ là hỗn hợp của FeO và Fe₂O₃ có số mol bằng nhau.

 

Như vậy, có thể có hai dạng chuyển đổi. Khi đề ra cho số mol FeO và Fe₂O₃ có số mol bằng nhau thì ta coi như trong hỗn hợp chỉ là Fe₃O₄. còn nếu không có dữ kiện đó thì ta coi hỗn hợp là FeO và Fe₂O₃.

 

→ hỗn hợp từ 3 chất ta có thể chuyển thành hỗn hợp 2 chất hoặc 1 chất tương đương.

 

Ví dụ 7: Hỗn hợp A gồm FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄ (trong đó số mol FeO bằng số mol Fe₂O₃). Hòa tan 4,64 gam A trong dung dịch H₂SO₄ loãng dư được 200 ml dung dịch X . Tính thể tích dung dịch KMnO₄ 0,1M cần thiết để chuẩn độ hết 100 ml dung dịch X?

 

Giải:

 

Vì số mol của FeO bằng số mol của Fe₂O₃ nên ta coi hỗn hợp là Fe₃O₄

Ta có 

Fe₃O₄ + 4H₂SO₄ → FeSO₄ + Fe₂(SO₄)₃ + 4H₂O
0,02                          0,02

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

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

→ n_KMnO4 = 0,02 mol → V_KMnO4 = 0,02/0,1 = 0,2 lit

 

IV. MỘT SỐ BÀI TẬP TỰ LÀM

Bài 1: Để m g sắt ngoài không khí một thời gian được hỗn hợp rắn gồm Fe, FeO, Fe₂O₃, và Fe₃O₄ có tổng khối lượng là 30g. Cho hh này tan trong HNO₃ dư được 5.6 lít NO duy nhất (đktc). Tính m?

 
Bài 2: Hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe₂O₃. Cho một luồng khí CO đi qua ống sử dụng mg hh X đun nóng. Sau khi kết thúc thí nghiệm thu được 64g chất rắn và 11.2 lít khí B(đktc)có tỉ khối so với H₂ là 20.4. Tính m ?

 

Bài 3: Để khử hoàn toàn 3,04 gam hỗn hợp Y (gồm FeO, Fe₃O₄, Fe₂O₃) thí cần 0,05 mol H₂. Mặt khác hoà tan hoàn toàn 3,04 gam hỗn hợp Y trong dung dịch H₂SO₄ đặc thì thu được khí SO₂ (sản phẩm khử duy nhất) . Tính thể tích SO₂ (đktc)?

 

Bài 4: Đốt cháy m gam sắt ngoài không khí sau một thời gian thu được 5,04 gam hỗn hợp X gồm sắt và các oxit sắt. Hòa tan hỗn hợp X trong HNO₃ loãng dư thu được 0,784 lít khí(đktc) gồm NO và NO₂ có tỉ khối so với H₂ là 19. Tính m?

 

Bài 5: Đốt cháy 16,8 gam bột sắt ngoài không khí, sau một thời gian thu được hỗn hợp X gồm sắt và các oxit. Cho hòa tan hết X trong dung dịch H₂SO₄ đặc nóng thu được 5,6 lít khí SO₂ (sản phẩm khử duy nhât ở đktc)
1. Tính m
2. Nếu thay H₂SO₄ bằng HNO₃ đặc nóng thì thể tích NO₂ (đktc) sẽ là bao nhiêu?

 

Bài 6: Cho một luồng khí CO đi qua ống sứ đựng m gam Fe₂O₃ nung nóng. Sau một thời gian thu được hỗn hợp X nặng 44,64 gam gồm Fe, FeO, Fe₃O₄, Fe₂O₃. Hòa tan X bằng HNO₃ loãng dư thu được 3,136 lít khí NO (đktc). Tính m?

 

Bài 7: Cho một luồng khí CO đi qua ống sứ đựng 18,08 gam Fe₂O₃ nung nóng. Sau một thời gian thu được hỗn hợp X nặng 13,92 gam gồm Fe, FeO, Fe₃O₄, Fe₂O₃. Hòa tan X bằng HNO₃ đặc nóng thu được V lít khí NO₂ (đktc). Tính V?

 

                                               

                                       Trung tâm gia sư NTIC