Trả lời nhanh
Sắt (Fe, Z = 26) là kim loại có tính khử trung bình. Khi gặp chất oxi hóa yếu (S, H+ của HCl, H2SO4 loãng, Cu2+) sắt bị oxi hóa lên +2. Khi gặp chất oxi hóa mạnh (Cl2, HNO3, H2SO4 đặc nóng) sắt lên +3. Riêng với O2 tạo oxit sắt từ Fe3O4.
1. Vị trí và cấu tạo của sắt
- Kí hiệu Fe, số hiệu nguyên tử 26, nguyên tử khối ≈ 56.
- Cấu hình electron: 1s22s22p63s23p63d64s2 hay [Ar]3d64s2.
- Vị trí: ô 26, chu kì 4, nhóm VIIIB.
- Tạo ion Fe2+ (mất 2e ở 4s) và Fe3+ (mất thêm 1e ở 3d, đạt 3d5 bán bão hòa nên khá bền).
Hai quá trình cần nhớ: Fe → Fe2+ + 2e và Fe → Fe3+ + 3e.
2. Tính chất vật lí và cách nhận biết
- Kim loại màu trắng hơi xám, dẻo, dai, dễ rèn; khối lượng riêng khoảng 7,87 g/cm3.
- Nóng chảy ở khoảng 1540 °C, dẫn điện, dẫn nhiệt tốt (kém hơn Cu, Al).
- Có tính nhiễm từ: bị nam châm hút. Đây là cách nhận biết nhanh sắt trong hỗn hợp với kim loại không có từ tính như Cu, Al.
3. Tính chất hóa học của sắt
Mẹo nhớ: chất oxi hóa yếu → Fe(II); chất oxi hóa mạnh → Fe(III). Kim loại nào cũng “đi theo” quy tắc đó, nhưng sắt là ví dụ điển hình vì có hai mức oxi hóa phổ biến.
3.1. Tác dụng với phi kim
- Với lưu huỳnh: Fe + S → FeS (đun nóng, sản phẩm Fe(II)).
- Với oxi: 3Fe + 2O2 → Fe3O4 (nhiệt độ cao). Dây sắt nung đỏ đưa vào bình oxi cháy sáng chói, bắn tia lửa; thường quấn mẩu than gỗ để mồi cháy.
- Với clo: 2Fe + 3Cl2 → 2FeCl3 (đun nóng, khói màu nâu đỏ). Dù Fe dư vẫn chỉ thu FeCl3 chứ không phải FeCl2, vì phản ứng với khí clo xảy ra theo kiểu Fe lên mức cao nhất.
- Trong không khí ẩm, sắt bị ăn mòn tạo gỉ: 4Fe + 3O2 + 2nH2O → 2Fe2O3·nH2O.
3.2. Tác dụng với nước
Ở nhiệt độ thường sắt không phản ứng với nước. Khi nung nóng: 3Fe + 4H2O → Fe3O4 + 4H2 (dưới 570 °C); trên 570 °C tạo FeO và H2.
3.3. Tác dụng với dung dịch axit
| Loại axit | Phương trình | Số oxi hóa Fe |
|---|---|---|
| HCl, H2SO4 loãng | Fe + 2HCl → FeCl2 + H2↑ Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2↑ |
+2 |
| HNO3 loãng | Fe + 4HNO3 → Fe(NO3)3 + NO↑ + 2H2O | +3 |
| HNO3 đặc, nóng | Fe + 6HNO3 → Fe(NO3)3 + 3NO2↑ + 3H2O | +3 |
| H2SO4 đặc, nóng | 2Fe + 6H2SO4 → Fe2(SO4)3 + 3SO2↑ + 6H2O | +3 |
Lưu ý: sắt bị thụ động hóa (không phản ứng) trong HNO3 đặc nguội và H2SO4 đặc nguội, do có màng oxit bền bảo vệ. Vì thế người ta dùng thùng sắt để chở các axit đặc này. Nếu axit oxi hóa dư thì Fe lên +3; nếu Fe dư thì Fe dư khử tiếp Fe3+: Fe + 2Fe3+ → 3Fe2+.
3.4. Tác dụng với dung dịch muối
- Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu↓. Hiện tượng: đinh sắt phủ lớp đồng màu đỏ, dung dịch xanh nhạt dần.
- Fe + 2AgNO3 → Fe(NO3)2 + 2Ag↓. Nếu AgNO3 dư: Fe(NO3)2 + AgNO3 → Fe(NO3)3 + Ag↓.
- Fe + 2FeCl3 → 3FeCl2.
Cặp Fe3+/Fe2+ đứng trước Ag+/Ag trong dãy điện hóa, nên Ag+ dư mới oxi hóa được Fe2+. Lỗi sai hay gặp: viết Fe tác dụng với muối của Mg, Al, Zn (sắt yếu hơn nên không đẩy được các kim loại này).
4. Trạng thái tự nhiên
Sắt tồn tại chủ yếu ở dạng hợp chất trong quặng:
- Hematit đỏ (Fe2O3) và hematit nâu (Fe2O3·nH2O);
- Manhetit (Fe3O4), giàu sắt nhất;
- Xiđerit (FeCO3);
- Pirit (FeS2), dùng sản xuất H2SO4 hơn là luyện sắt.
Sắt còn có trong hemoglobin của hồng cầu, giúp vận chuyển oxi đến tế bào.
5. Điều chế sắt
Nguyên tắc: khử ion sắt trong oxit thành Fe.
- Nhiệt luyện (trong lò cao, sản xuất gang): Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2 (t°); Fe3O4 + 4CO → 3Fe + 4CO2 (t°). Khí CO sinh ra từ C + O2 → CO2 rồi CO2 + C → 2CO.
- Dùng H2 hoặc Al (phòng thí nghiệm): Fe2O3 + 3H2 → 2Fe + 3H2O (t°).
- Thủy luyện/điện phân: điện phân dung dịch muối sắt (như FeSO4) để lấy sắt tinh khiết.
6. Ứng dụng
- Phần lớn sắt dùng để luyện gang và thép, làm khung nhà, cầu, đường ray, máy móc, ô tô, xe máy.
- Hợp chất của sắt dùng làm chất xúc tác, thuốc bổ sung sắt, phụ gia, sắc tố.
7. Bài luyện tập có đáp án
Bài 1. Cho 5,6 g Fe tác dụng hết với dung dịch HCl dư. Tính thể tích H2 (đktc).
Giải: n(Fe) = 0,1 mol; Fe + 2HCl → FeCl2 + H2 nên n(H2) = 0,1 mol, V = 2,24 lít.
Bài 2. Cho 5,6 g Fe vào dung dịch HNO3 loãng dư, sản phẩm khử duy nhất là NO. Tính V(NO) (đktc).
Giải: Fe → Fe3+ + 3e, nhường 0,3 mol e. N+5 + 3e → N+2 nên n(NO) = 0,1 mol, V = 2,24 lít. Cùng lượng Fe nhưng sinh khí khác nhau về bản chất (H2 và NO) nên chú ý nhìn chất oxi hóa.
Bài 3. Cho 5,6 g Fe vào dung dịch chứa 0,3 mol AgNO3. Sau phản ứng hoàn toàn tính khối lượng Ag thu được và muối trong dung dịch.
Giải: Fe + 2Ag+ → Fe2+ + 2Ag: dùng 0,2 mol Ag+, thu 0,1 mol Fe2+ và 0,2 mol Ag. Còn 0,1 mol Ag+: Fe2+ + Ag+ → Fe3+ + Ag, thu thêm 0,1 mol Ag và 0,1 mol Fe3+. Tổng n(Ag) = 0,3 mol, m = 32,4 g; dung dịch chỉ có Fe(NO3)3 (0,1 mol).
8. Các hợp chất quan trọng của sắt
Hợp chất sắt (II):
- Sắt(II) oxit FeO
- Sắt(II) hiđroxit Fe(OH)<sub>2</sub>
- Sắt(II) clorua FeCl<sub>2</sub>
- Sắt(II) sunfat FeSO<sub>4</sub>
- Sắt(II) cacbonat FeCO<sub>3</sub>
Hợp chất sắt (III) và oxit sắt từ:
- Sắt(III) oxit Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
- Sắt(III) hiđroxit Fe(OH)<sub>3</sub>
- Sắt(III) clorua FeCl<sub>3</sub>
- Oxit sắt từ Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub>
- Pirit FeS<sub>2</sub>
Xem thêm: Tính chất hóa học của kim loại.
Cùng chuyên đề: Mục lục khác cùng môn, lớp: Các phương trình hóa học thường gặp: tổng hợp hơn 300 phản ứng có cân bằng; Đồng phân của C3H9N và gọi tên – Công thức cấu tạo 4 amine C3H9N; Đồng phân amin và cách gọi tên: viết đủ CTCT amin bậc 1, 2, 3.
Câu hỏi thường gặp
Sắt tác dụng với chất nào tạo muối sắt (II), chất nào tạo muối sắt (III)?
Với chất oxi hóa yếu như S, dung dịch HCl, H2SO4 loãng, CuSO4 sắt tạo hợp chất sắt (II). Với chất oxi hóa mạnh như Cl2, HNO3, H2SO4 đặc nóng sắt tạo hợp chất sắt (III).
Vì sao sắt không tác dụng với HNO3 đặc nguội và H2SO4 đặc nguội?
Sắt bị thụ động hóa: trên bề mặt hình thành màng oxit rất mỏng, bền, ngăn kim loại bên trong tiếp xúc với axit. Khi đun nóng, màng này bị phá vỡ nên phản ứng xảy ra.
Đốt sắt trong khí oxi thu được sản phẩm gì?
Thu được oxit sắt từ Fe3O4: 3Fe + 2O2 → Fe3O4 (t°). Sắt cháy sáng chói và bắn ra tia lửa.
Làm sao nhận biết sắt trong hỗn hợp bột kim loại?
Dùng nam châm: sắt có tính nhiễm từ nên bị hút, còn các kim loại như Cu, Al, Zn thì không.