Sắt (Fe): Tính chất vật lý, tính chất hóa học, ứng dụng và cách điều chế

Admin Vietjack Ngày: 24-07-2023 Tổng hợp kiến thức

5.7 K

Tailieumoi.vn biên soạn và giới thiệu các kiến thức trọng tâm về Sắt (Fe) bao gồm định nghĩa, tính chất vật lí, tính chất hóa học, ứng dụng và cách điều chế của sắt, giúp học sinh ôn tập và bổ sung kiến thức cũng như hoàn thành tốt các bài kiểm tra môn Hóa học. Mời các bạn đón xem:

Sắt (Fe): Tính chất vật lý, tính chất hóa học, ứng dụng và cách điều chế

I. Định nghĩa Sắt (Fe) là gì?

- Sắt là tên một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn nguyên tố có ký hiệu Fe và số hiệu nguyên tử bằng 26. Sắt là nguyên tố có nhiều trên Trái Đất, cấu thành lớp vỏ ngoài và trong của lõi Trái Đất.

- Kí hiệu: Fe

- Cấu hình electron: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s² hoặc [Ar]3d⁶4s²

- Số hiệu nguyên tử: 26

- Khối lượng nguyên tử: 56 g/mol

- Vị trí trong bảng tuần hoàn

+ Ô: số 26

+ Nhóm: VIIIB

+ Chu kì: 4

- Đồng vị: sắt có nhiều đồng vị như ⁵⁵Fe, ⁵⁶Fe, ⁵⁸Fe, ⁵⁹Fe

- Độ âm điện: 1,83

II. Tính chất vật lí & nhận biết của Sắt (Fe)

1. Tính chất vật lí:

- Sắt là kim loại màu trắng hơi xám, dẻo, dai, dễ rèn, nhiệt độ nóng chảy khá cao (1540^oC)

- Dẫn nhiệt, dẫn điện tốt, có tính nhiễm từ.

2. Nhận biết

- Sắt có tính nhiễm từ nên bị nam châm hút.

III. Tính chất hóa học của Sắt (Fe)

- Sắt là kim loại có tính khử trung bình, tùy theo các chất oxi hóa mà sắt có thể bị oxi hóa lên mức +2 hay +3.

Fe → Fe²⁺ + 2e

Fe → Fe³⁺ + 3e

1. Tác dụng với phi kim

a. Tác dụng với lưu huỳnh

Tính chất hóa học của Sắt (Fe) | Tính chất vật lí, nhận biết, điều chế, ứng dụng

b. Tác dụng với oxi

Tính chất hóa học của Sắt (Fe) | Tính chất vật lí, nhận biết, điều chế, ứng dụng

c. Tác dụng với clo

Tính chất hóa học của Sắt (Fe) | Tính chất vật lí, nhận biết, điều chế, ứng dụng

2. Tác dụng với axit

a.Tác dụng với dung dịch axit HCl, H₂SO₄ loãng

Fe + 2H⁺ → Fe²⁺ + H₂

b. Với các axit HNO₃, H₂SO₄ đặc

Tính chất hóa học của Sắt (Fe) | Tính chất vật lí, nhận biết, điều chế, ứng dụng

Fe + 4HNO₃ l → Fe(NO₃)₃ + NO + 2H₂O

Chú ý: Với HNO₃ đặc, nguội; H₂SO₄ đặc, nguội: Fe bị thụ động hóa.

3. Tác dụng với dung dịch muối

- Fe đẩy được kim loại đứng sau ra khỏi dung dịch muối của chúng:

Fe+ CuSO₄ → FeSO₄ + Cu

Chú ý:

Fe + 2Ag⁺ → Fe²⁺ + 2Ag

Ag⁺ _dư + Fe²⁺ → Fe³⁺ + Ag

IV. Trạng thái tự nhiên của Sắt (Fe)

- Trong tự nhiên sắt tồn tại ở dạng hợp chất, trong các quặng sắt.

- Các quặng sắt:

+ Hematit: Hematit đỏ (Fe₂O₃ khan) và Hematit nâu ( Fe₂O₃.nH₂O).

+ Manhetit ( Fe₃O₄)

+ Xiđerit ( FeCO₃)

+ Pirit ( FeS₂)

- Sắt còn có trong hồng cầu của máu, giúp vận chuyển oxi tới các tế bào.

V. Điều chế Sắt (Fe)

- Sắt được điều chế theo phương pháp nhiệt luyện.

Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂

VI. Ứng dụng của Sắt (Fe)

- Phần lớn sắt được sử dụng để luyện thép, gang.

- Ứng dụng trong nhiều vật dụng đời sống như oto, xe máy……

VII. Các hợp chất quan trọng của Fe

Hợp chất sắt (II)

Hợp chất sắt (III)

VIII. Bài tập liên quan của Sắt (Fe)

Dạng 1: Sắt và hợp chất của sắt tác dụng với dung dịch axit (HCl, H₂SO₄ loãng)

* Một số lưu ý cần nhớ:

Oxit sắt + dung dịch axit (HCl, H₂SO₄) => Dung dịch muối + H₂O

=> Ta có phương trình tổng quát:

Fe_xO_y + 2y H⁺ → xFe^{(2y/x) +}+ y H₂O

=> n O trong oxit = ½ n H+ phản ứng = n H₂O sinh ra sau phản ứng

- Để làm được loại bài tập này, ta thường áp dụng định luật bảo toàn khối lượng, bảo toàn electron, bảo toàn nguyên tố để giải quyết bài toán.

* Một số ví dụ điển hình:

Ví dụ 1: Hòa tan hoàn toàn 10 gam hỗn hợp Mg và Fe trong dung dịch HCl 4M thu được 5,6 lít H₂(đktc) và dung dịch D. Để kết tủa hoàn toàn các ion trong D cần 300 ml dung dịch NaOH 2M. Thể tích dung dịch HCl đã dùng là :

A. 0,1 lít.

B. 0,12 lít.

C. 0,15 lít.

D. 0,2 lít.

Hướng dẫn giải chi tiết:

Ta có sơ đồ phản ứng như sau:

$\underset{10 g}{{\begin{cases} M g \\ F e \end{cases}} + H C l \to {\begin{cases} F e C l_{2} \\ M g C l_{2} \\ H C l \end{cases} + \underset{0, 6 m o l}{N a O H} \to {\begin{cases} F e (O H)_{2} \\ M g (O H)_{2} \end{cases} + N a C l$

Áp dụng định luật bảo toàn nguyên tố Natri

n NaCl = nNaOH = 0,6 (mol)

Áp dụng định luật bảo toàn nguyên tố Clo

=> n HCl = n NaCl = 0,6 (mol)

V HCl = 0,6 : 4 = 0,15 lít

Đáp án C.

Ví dụ 2: Để hoà tan hoàn toàn 23,2 gam hỗn hợp gồm FeO, Fe₃O₄ và Fe₂O₃ (trong đó số mol FeO bằng số mol Fe₂O₃), cần dùng vừa đủ V lít dung dịch HCl 0,5M. Giá trị của V là :

A. 1,8.

B. 0,8.

C. 2,3.

D. 1,6.

Hướng dẫn giải chi tiết:

Vì số mol của FeO và Fe₂O₃ trong hỗn hợp bằng nhau nên ta quy đổi hỗn hợp FeO, Fe₃O₄ và Fe₂O₃ thành Fe₃O₄.

Ta có = $\frac{23, 3}{233}$ = 0,1 mol.

n HCl = 2 . n O (trong oxit) = 2 . 0,1 .4 = 0,8 (mol)

=> V HCl = 0,8 : 0,5 = 1,6 lít

Đáp án D

Dạng 2: Sắt và hợp chất của sắt tác dụng với HNO₃, H₂SO₄ đặc

* Một số lưu ý cần nhớ:

- Đối với phản ứng với HNO₃, H₂SO₄ đặc, ta thường dùng định luật bảo toàn electron để giải quyết bài toán.

- Nếu sau phản ứng Fe còn dư, muối tạo thành sau phản ứng là muối sắt (II)

VD: Fe + 4HNO₃ → Fe(NO₃)₃ + NO + 2H₂O (1)

Fe + 2Fe(NO₃)₃ → 3Fe(NO₃)₂ (2)

- Fe, Al, Cr bị thụ động trong HNO₃ đặc nguội, H₂SO₄ đặc nguội

* Một số ví dụ điển hình:

Ví dụ 1 : Cho m gam bột Fe vào dung dịch HNO₃ lấy dư, ta được hỗn hợp gồm hai khí NO₂ và NO có V_X = 8,96 lít (đktc) và tỉ khối đối với O₂ bằng 1,3125. Thành phần phần trăm theo thể tích của NO, NO₂ và khối lượng m của Fe đã dùng là :

A. 25% và 75% ; 1,12 gam.

B. 25% và 75% ; 11,2 gam.

C. 35% và 65% ; 11,2 gam.

D. 45% và 55% ; 1,12 gam.

Hướng dẫn giải chi tiết:

Gọi số mol của NO₂, NO lần lượt là x, y.

n Hỗn hợp khí = 8,96 : 22,4 = 0,4 (mol)

=> x + y = 0,4 (I)

Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp khí là:

1,3125 . 32 = 42 (gam/mol)

=> Khối lượng của hỗn hợp khí trên là: 42 . 0,4 = 16,8 (gam)

=> 46x + 30y = 16,8 (II)

Từ (I) và (II) => x = 0,3 ; y = 0,1

=> % NO₂ = 0,3 : (0,3 + 0,1) . 100% = 75%

% NO = 25%

Áp dụng đinh luật bảo toàn electron ta có:

3 . n Fe = 1 . n NO₂ + 3 . n NO

=> 3 . n Fe = 0,3 + 3 . 0,1 = 0,6

=> n Fe = 0,6 : 3 = 0,2 mol

=> m Fe = 0,2 .56 = 11,2 gam

Đáp án B

Ví dụ 2: Cho 12 gam hỗn hợp hai kim loại Fe, Cu tác dụng vừa đủ với dung dịch HNO₃ 63%. Sau phản ứng thu được dung dịch A và 11,2 lít khí NO₂ duy nhất (đktc). Nồng độ % các chất có trong dung dịch A là :

A. 36,66% và 28,48%.

B. 27,19% và 21,12%.

C. 27,19% và 72,81%.

D. 78,88% và 21,12%.

Hướng dẫn giải chi tiết:

Áp dụng định luật bảo toàn nguyên tố Nito

=> n HNO₃ = n NO₃ + n NO₂

Do n NO₃ = n e trao đổi = n NO₂

=> n HNO₃ = 1 mol

m HNO₃ = 1 . 63 = 63 gam

=> m dd HNO₃ = 63 : C% = 63 : 63 . 100 = 100 (gam)

Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng ta có:

m dung dịch muối = m hỗn hợp kim loại + m dd HNO₃ – m NO₂

= 12 + 100 – 0,5 .46 = 89 (gam)

Gọi số mol của Fe, Cu lần lượt là x, y mol

Ta có hệ phương trình như sau:

56x + 64y = 12

3x + 2y = 0,5

=> x = 0,1 ; y = 0,1

m Fe(NO₃)₃ = 0,1 . (56 + 62.3) = 24,2 (gam)

m Cu(NO₃)₂ = 0,1 . (64 + 62.2) = 18,8 (gam)

% m Fe(NO₃)₃ = 24,2 : 89 . 100% = 27,19%

% m Cu(NO₃)₂ = 18,8 : 89 . 100% = 21,1%

Ví dụ 3: Hoà tan hoàn toàn một lượng hỗn hợp X gồm Fe₃O₄ và FeS₂ trong 63 gam HNO₃, thu được 1,568 lít NO₂(đktc). Dung dịch thu được cho tác dụng vừa đủ với 200 ml dung dịch NaOH 2M, lọc kết tủa đem nung đến khối lượng không đổi thu được 9,76 gam chất rắn X. Nồng độ % của dung dịch HNO₃ có giá trị là :

A. 47,2%.

B. 46,2%.

C. 46,6%.

D. 44,2%.

Hướng dẫn giải chi tiết:

Chất rắn X là Fe₂O₃

=> n Fe₂O₃ = 9,76 : 160 = 0,061 mol

Áp dụng định luật bảo toàn nguyên tố Fe

=> n Fe(OH)₃ = 2 . n Fe₂O₃ = 0,061 . 2 = 0,122 mol

Gọi số mol của Fe₃O₄, FeS₂ lần lượt là x, y (mol)

Áp dụng định luật bảo toàn nguyên tố Fe

=> 3 . n Fe₃O₄ + n FeS₂= n Fe(OH)₃

=> 3x + y = 0,122 (I)

Áp dụng định luật bảo toàn electron

=> n Fe₃O₄ + 15 . n FeS₂ = n NO₂

=> x + 15y = 0,07 (II)

Từ (I) và (II) => x = 0,04; y = 0,002

Áp dụng định luật bảo toàn nguyên tố Na

=> n NaOH = n NaNO₃ + 2 . n Na₂SO₄ (1)

n Na₂SO4 = 2 . nFeS₂ = 0,002 . 2 = 0,004 mol (2)

=> n NaNO₃ = 0,04 – 0,004 . 2 = 0,392 (mol)

Áp dụng định luật bảo toàn nguyên tố N là:

n HNO₃= n NaNO₃ + n NO₂ = 0,392 + 0,07 = 0,462 (mol)

=> C% HNO₃ = (0,462 . 63) : 63 . 100% = 46,2%

Đáp án B

Dạng 3: Kim loại Fe tác dụng với dung dịch muối

* Một số lưu ý cần nhớ:

- Sắt tác dụng với dung dịch muối của kim loại yếu hơn để tạo dung dịch muối mới và kim loại mới.

- Để làm loại bài tập này, chúng ta thường áp dụng đinh luật bảo toàn electron để giải quyết bài toán.

* Một số ví dụ điển hình:

Ví dụ 1: Cho thanh sắt Fe vào dung dịch X chứa 0,15 mol AgNO₃ và 0,2 mol Cu(NO₃)₂. Khi thấy thanh kim loại tăng lên 12,8 gam thì dừng lại. Tính khối lượng kim loại bám vào thanh sắt

Hướng dẫn giải chi tiết:

n_Ag+ = 0,1 mol; n_Cu2+= 0,2 mol

Nếu Ag⁺ phản ứng hết :

Fe + 2Ag⁺ → Fe²⁺ + 2Ag

0,05 ← 0,1 → 0,1

=> m_tăng = 0,15.108 – 0,075.56 = 12 < 12,8

=> Ag⁺ phản ứng hết; Cu²⁺ phản ứng 1 phần

Fe + Cu²⁺ → Fe²⁺ + Cu

=> m_tăng = 64x – 56x = 8x

+) tổng khối lượng tăng ở 2 phản ứng là:

m_tăng = 12 + 8x = 12,8 => x = 0,1 mol

=> m_{kim loại bám vào} = m_Ag+ m_Cu = 22,6 gam

Ví dụ 2: Cho 8,4 gam bột sắt vào 100 ml dung dịch gồm AgNO₃ 2M và Cu(NO₃)₂ 1M; khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn thu được m gam chất rắn X. Giá trị của m là

Hướng dẫn giải chi tiết:

n_Fe= 0,15 mol; n_AgNO3 = 0,2mol; n_Cu(NO3)2 = 0,1 mol

Nhận xét: 2n_Fe> n_Ag

=> không xảy ra phản ứng Ag⁺ + Fe²⁺→ Ag + Fe³⁺

=> Fe tạo muối Fe²⁺

n_{e Fe cho tối đa} = 0,15.2 = 0,3 mol

n_{e Ag+ nhận tối đa} = 0,2 mol

n_{e Cu2+ nhận tối đa} = 0,1.2 = 0,2 mol

Ta thấy : 0,2 < n_{e Fe cho tối đa}< 0,2 + 0,2

=> Ag⁺ phản ứng hết, Cu²⁺ phản ứng 1 phần

=> n_{e Cu2+ nhận tạo Cu} = 0,3 – 0,2 = 0,1 mol => n_Cu = 0,05 mol

=> m = m_Ag+ m_Cu = 0,2.108 + 0,05.64 = 24,8 gam.