Bài 31: Lí thuyết và giải bài tập về sắt

I. TÓM TẮT LÍ THUYẾT

1. Vị trí trong Bảng tuần hoàn, cấu hình electron nguyên tử

Cấu hình electron: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s² hay [Ar]3d⁶4s²
Ô thứ 26, nhóm VIIIB, chu kì 4
Sắt dễ nhường 2 electron ở phân lớp 4s trở thành ion Fe²⁺ và có thể nhường thêm 1 electron ở phân lớp 3d để trở thành ion Fe³⁺.

2. Tính chất vật lí

Sắt là kim loại màu trắng hơi xám
Có khối lượng riêng lớn (d = 8,9 g/cm³), nóng chảy ở 1540⁰C.
Sắt có tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt và có tính nhiễm từ.

3. Tính chất hóa học

Là kim loại có tính khử trung bình.
- Với chất oxi hoá yếu: Fe → Fe²⁺ + 2e
- Với chất oxi hoá mạnh: Fe → Fe³⁺ + 3e

a. Tác dụng với Phi kim

Thí nghiệm: Sắt phản ứng với Lưu huỳnh: \(Fe+S\overset{t^{0}}{\rightarrow}FeS\)
Thí nghiệm: Sắt cháy trong Oxi: \(Fe+O_{2}\overset{t^{0}}{\rightarrow}Fe_{3}O_{4}\)

Thí nghiệm: Sắt tác dụng với Clo: \(2Fe+3Cl_{2}\overset{t^{0}}{\rightarrow}2FeCl_{3}\)

b. Tác dụng với axit

Với dung dịch HCl, H₂SO₄ loãng: Fe đưa về sắt (II), H⁺ chuyển thành H₂
- Thí nghiệm của Sắt trong dung dịch sunfuric loãng: \(Fe + H_{2}SO_{4}\rightarrow FeSO_{4}+H_{2}\uparrow\)

Với dung dịch HNO₃ và H₂SO₄ đặc, nóng: Fe khử \(N^{+5}\) hoặc \(S^{+6}\) trong HNO₃ hoặc H₂SO₄đặc, nóng đến số oxi hoá thấp hơn, còn Fe bị oxi hoá thành \(Fe^{3+}\).

Thí nghiệm: Sắt trong dung dịch HNO₃ loãng: \(Fe+4HNO_{3}\rightarrow Fe(NO_{3})_{3}+NO\uparrow+2H_{2}O\)
Lưu ý: Fe bị thụ động bởi các axit HNO₃ đặc, nguội hoặc H₂SO₄ đặc, nguội.

c. Tác dụng với dung dịch muối

Sắt có thể khử được các ion của các kim loại đứng sau nó trong dãy điện hóa.
Thí nghiệm: Sắt phản ứng với dung dịch Đồng(II) sunfat \(Fe+CuSO_{4}\rightarrow FeSO_{4}+Cu\downarrow\)

d. Tác dụng với nước

Phương trình hóa học:
- - \(3Fe+4H_{2}O\overset{t^{0}<570^{0}C}{\rightarrow}Fe_{3}O_{4}+4H_{2}\uparrow\)
  - \(Fe+H_{2}O\overset{t^{0}>570^{0}C}{\rightarrow}FeO+H_{2}\uparrow\)

4. Ứng dụng

Chiếm khoảng 5% khối lượng vỏ trái đất, đứng hàng thứ hai trong các kim loại (sau Al).
Trong tự nhiên sắt chủ yếu tồn tại dưới dạng hợp chất có trong các quặng:
- - quặng manhetit (Fe₃O₄)
  - quặng hematit đỏ (Fe₂O₃)
  - quặng hematit nâu (Fe₂O₃.nH₂O)
  - quặng xiđerit (FeCO₃)
  - quặng pirit (FeS₂)
Có trong hemoglobin (huyết cầu tố) của máu
Có trong các thiên thạch.

II. GIẢI BÀI TẬP SÁCH GIÁO KHOA

Câu 1. (Trang 141 SGK)

Các kim loại nào sau đây đều phản ứng với dung dịch CuCl₂?

A. Na, Mg, Ag ;

B. Fe, Na, Mg;

C. Ba, Mg, Hg ;

D. Na, Ba, Ag.

Bài làm:

Đáp án B

Các kim loại đều phản ứng với dung dịch CuCl₂ là Fe, Na, Mg.

Câu 2. (Trang 141 SGK)

Cấu hình electron nào sau đây là của Fe³⁺ ?

A. [Ar]3d⁶;

B. [Ar]3d⁵ ;

C. [Ar]3d⁴ ;

D. [Ar]3d³.

Bài làm:

Đáp án B

Cấu hình electron của Fe³⁺là: [Ar]3d⁵

Câu 3. (Trang 141 SGK)

Cho 3,52 gam một kim loại tác dụng hết với dung dịch H₂SO₄ loãng, thu được 6,84 gam muối sunfat. Kim loại đó là

A. Mg.

B. Zn.

C. Fe.

D. Al.

Bài làm:

Đáp án C

Gọi kim loại cần tìm là M có số oxi hóa +n trong muối

PTHH: M + nH₂SO₄ → M(SO₄)_n + nH₂

Khối lượng của gốc sunfat là: 6,84 – 2,52 = 4,32 (g)

=>n_SO4 = \[\frac{4,32}{96}\] = 0,045 (mol)

Theo phương trình hóa học =>n_M = \[\frac{0,045}{n}\] (mol)

Khối lượng mol của kim loại M là: \[\frac{56}{n}\] . Vậy n = 1 thì M = 56 => M là kim loại sắt (Fe)

Câu 4. (Trang 141 SGK)

Ngâm một lá kim loại có khối lượng 50 gam trong dung dịch HCl. Sau khi thu được 336ml khí H₂ (đktc) thì khối lượng lá kim loại giảm 1,68 %. Kim loại đó là :

A.Zn.

B.Fe.

C.Al.

D.Ni.

Bài làm:

Đáp án B

Gọi kim loại cần tìm là M có số oxi hóa +n trong muối

PTHH: 2M + 2nHCl → 2MCl_n+ nH₂

Ta có n_H2=\[\frac{0,336}{22,4}\]=0,015 (mol)

=>n_M = \[\frac{0,03}{n}\].

Khối lượng kim loại phản ứng là: m_{M phản ứng} = 50.1,68% = 0,84 (g)

Khối lượng mol của kim loại M là: 28.n

Vậy n = 2, thì M = 56 => M là kim loại sắt (Fe)

Câu 5. (Trang 141 SGK)

Hỗn hợp A chứa Fe và kim loại M có hóa trị không đổi trong mọi hợp chất. Tỉ lệ số mol của M và Fe trong hỗn hợp là 1 : 3. Cho 19,2 gam hỗn hợp A tan hết vào dung dịch HCl thu được 8,96 lít khí H₂ Cho 19,2 gam hỗn hợp A tác dụng hết với Cl₂ thì cần dùng 13,32 lít khí Cl₂. Xác định kim loại M và phần trăm khối lượng các kim loại trong hỗn hợp A. Các thể tích khí đo ở đktc.

Bài làm:

Khi hỗn hợp A tác dụng với dung dịch HCl: n_H2 = \[\frac{8,96}{22,4}\] = 0,4 (mol)

M → M⁺ⁿ + ne

Fe → Fe⁺² + 2e

2H⁺ + 2e → H₂

=>n_e = 0,4.2 = 0,8 (mol)

Khi cho hỗn hợp A tác dụng với khí Cl₂: n_Cl2 = \[\frac{12,32}{22,4}\] = 0,55 (mol)

M → M⁺ⁿ + ne

Fe → Fe⁺³ + 3e

Cl₂ + 2e → Cl^-

=>n_e = 0,55.2 = 0,11 (mol)

=>Số mol e tăng = n_Fe = 0,11 – 0,8 = 0,3 (mol)