Chuyên đề 9. Kim loại nhóm B

Lí thuyết về sắt và hợp chất của sắt

A. SẮT

I. Vị trí trong bảng tuần hoàn

- Cấu hình e nguyên tử: 26Fe: 1s22s22p63s23p63d64s2.

- Vị trí: Fe thuộc ô 26, chu kì 4, nhóm VIIIB.

- Cấu hình e của các ion được tạo thành từ Fe:            

Fe2+     1s22s22p63s23p63d6

Fe3+     1s22s22p63s23p63d5

II. Tính chất vật lí

- Màu trắng hơi xám, dẻo, dễ rèn, dễ dát mỏng, kéo sợi; dẫn nhiệt và dẫn điện kém đồng và nhôm.

- Sắt có tính nhiễm từ nhưng ở nhiệt độ cao (8000C) sắt mất từ tính. T0nc = 15400C.

III. Trạng thái tự nhiên

     Là kim loại phổ biến sau nhôm, tồn tại chủ yếu ở các dạng:

- Hợp chất: oxit, sunfua, silicat...

- Quặng: hematit đỏ (Fe2O3 khan), hematit nâu (Fe2O3.nH2O), manhetit (Fe3O4), xiđerit (FeCO­3) và pirit (FeS2).

IV. Tính chất hóa học

     Fe là chất khử trung bình. Trong các phản ứng, Fe có thể nhường 2 hoặc 3e:

Fe → Fe3+ + 3e

Fe  Fe2+ + 2e

1. Tác dụng với các phi kim

     Sắt tác dụng với hầu hết các phi kim khi đun nóng:

- Với halogen  muối sắt (III) halogenua (trừ iot tạo muối sắt II):

2Fe + 3X2  2FeX3 (t0)

- Với O­2:                    

3Fe + 2O2  Fe3O(t0)

Thực tế khi giải các bài tập thường gặp trường hợp tạo ra hỗn hợp gồm Fe và các oxit sắt.

- Với S:                      

Fe + S  FeS (t0)

2. Tác dụng với nước

- Fe không tác dụng với nước ở nhiệt độ thường, ở nhiệt độ cao, sắt phản ứng mạnh với hơi nước:

3Fe + 4H2O  Fe3O4 + 4H2 (< 5700C)

Fe + H2O  FeO + H2 (> 5700C)

3. Tác dụng với dung dịch axit

a. Với H+ (HCl, H2SO4 loãng... ) → muối  sắt (II) + H2

Fe + 2HCl  FeCl2 + H2

Fe + H2SO4 loãng  FeSO4 + H2

b. Tác dụng với các axit có tính oxi hóa mạnh (HNO3, H2SO4 đậm đặc)

- Fe thụ động với H2SO4 đặc nguội và HNO3 đặc nguội  có thể dùng thùng Fe chuyên chở axit HNO3 đặc nguội và H2SO4 đặc nguội.

- Với dung dịch HNO3 loãng  muối sắt (III) + NO + H2O:

Fe + 4HNO3 loãng  Fe(NO3)3 + NO + 2H2O

- Với dung dịch HNO3 đậm đặc  muối sắt (III) + NO2 + H2O:

Fe + 6HNO3  Fe(NO3)3 + 3NO2 + 3H2O

- Với dung dịch HSO4 đậm đặc và nóng  muối sắt (III) + H2O + SO2:

2Fe+ 6H2SO4  Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O

Chú ý: Sản phẩm sinh ra trong phản ứng của Fe với HNO3 hoặc H2SO4 đậm đặc là muối sắt (III) nhưng nếu sau phản ứng có Fe dư hoặc có Cu thì tiếp tục xảy ra phản ứng:

2Fe3+ + Fe  3Fe3+             

Hoặc          

2Fe3+ + Cu  2Fe2+ + Cu2+              

4. Tác dụng với dung dịch muối

- Fe đẩy được những kim loại yếu hơn ra khỏi muối  muối sắt (II) + kim loại.

Fe + CuCl2  Cu + FeCl2

- Fe tham gia phản ứng với muối Fe3+  muối sắt (II):

2FeCl3 + Fe  3FeCl2

Chú ý: Với muối Ag+, Fe có thể tham gia phản ứng để tạo thành muối Fe3+:

Fe + 2AgNO3  Fe(NO3)2 + 2Ag

Fe(NO3)2 + AgNO3 Fe(NO3)3 + Ag

B. MỘT SỐ HỢP CHẤT QUAN TRỌNG CỦA SẮT

I. Các oxit sắt (FeO, Fe3O4, Fe2O3)

1. FeO 

- Là chất rắn, đen, không tan trong nước.

- Tính chất hoá học:

+ Là oxit bazơ:

FeO + 2HCl  FeCl2 + H2

FeO + H2SO4 loãng  FeSO4 + H2O

+ FeO là chất oxi hóa khi tác dụng với các chất khử mạnh: H2, CO, Al  Fe:

FeO + H2  Fe + H2O (t0)

FeO + CO  Fe + CO2 (t0)

3FeO + 2Al  Al2O3 + 3Fe (t0)

+ FeO là chất khử khi tác dụng với các chất có tính oxi hóa mạnh:

4FeO + O2  2Fe2O3

3FeO + 10HNO3 loãng  3Fe(NO3)3 + NO + 5H2O

- Điều chế FeO:

FeCO3  FeO + CO(nung trong điều kiện không có không khí)

Fe(OH)2  FeO + H2O (nung trong điều kiện không có không khí)

2. Fe3O4 (FeO.Fe2O3)

- Là chất rắn, đen, không tan trong nước và có từ tính.

- Tính chất hoá học:

+ Là oxit bazơ:                        

Fe3O4 + 8HCl  2FeCl3 + FeCl2 + 4H2O

Fe3O4 + 4H2SO4 loãng  Fe2(SO4)3 + FeSO4 + 4H2O

+ Fe3O4 là chất khử:               

3Fe3O4 + 28HNO3  9Fe(NO3)3 + NO + 14H2O

+ Fe3O4 là chất oxi hóa:         

Fe3O4 + 4H2  3Fe + 4H2O (t0)

Fe3O4 + 4CO  3Fe + 4CO2 (t0)

3Fe3O4 + 8Al  4Al2O3 + 9Fe (t0)

- Điều chế: thành phần quặng manhetit

3Fe + 2O2  Fe3O4 (t0)

3Fe + 4H2O  Fe3O4 + 4H2 (< 5700C)

3. Fe2O3

- Là chất rắn, nâu đỏ, không tan trong nước.

- Tính chất hoá học:

+ Là oxit bazơ:            

Fe2O3 + 6HCl  2FeCl3 + 3H2O

Fe2O3 + 3H2SO4  Fe2(SO4)3 + 3H2O

Fe2O3 + 6HNO3  2Fe(NO3)3 + 3H2O

+ Là chất oxi hóa:        

Fe2O3 + 3H2  2Fe + 3H2O (t0)

Fe2O3 + 3CO  2Fe + 3CO2 (t0)

Fe2O3 + 2Al  Al2O3 + 2Fe (t0)

- Điều chế: thành phần của quặng hematit

2Fe(OH)3  Fe2O3 + 3H2O (t0)

II. Các hiđroxit của Fe (Fe(OH)2 và Fe(OH)3)

1. Fe(OH)2

- Là chất kết tủa màu trắng xanh.

- Là bazơ không tan:

+ Bị nhiệt phân:          

Fe(OH)2  FeO + H2O (nung trong điều kiện không có không khí)

4Fe(OH)2 + O2  2Fe2O3 + 4H2O (nung trong không khí)

+ Tan trong axit không có tính oxi hóa  muối sắt (II) và nước:

Fe(OH)2 + 2HCl  FeCl2 + 2H2O

+ Có tính khử (do Fe có mức oxi hóa +2):

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O  4Fe(OH)3

3Fe(OH)2 + 10HNO3 loãng  3Fe(NO3)3 + NO + 8H2O

- Điều chế:      

Fe2+ + 2OH-   Fe(OH)2 (trong điều kiện không có không khí)

2. Fe(OH)3

- Là chất kết tủa màu nâu đỏ.

- Tính chất hoá học:

+ Là bazơ không tan:

* Bị nhiệt phân:                                              

2Fe(OH)3  Fe2O3 + 3H2O

* Tan trong axit  muối sắt (III):                  

Fe(OH)3 + 3HCl  FeCl3 + 3H2O

Fe(OH)3 + 3HNO3  Fe(NO3)3 + 3H2O

- Điều chế:                                                      

Fe3+ + 3OH-  Fe(OH)3

III. Muối sắt

1. Muối sắt (II)

     Không bền, có tính khử, khi tác dụng với chất oxi hóa tạo thành muối sắt (III).

2FeCl2 + Cl2  2FeCl3

3Fe(NO3)2 + 4HNO3  3Fe(NO3)3 + NO + 2H2O

2FeSO4 + 2H2SO4 đặc nóng  Fe2(SO4)3 + SO2 + 2H2O

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

6FeSO4 + K2Cr2O7 + 7H2SO4  3Fe2(SO4)3 + K2SO4 + Cr2(SO4)3 + 7H­2O

Chú ý: Các muối sắt (II) không tan như FeCO3, FeS, FeS2 bị đốt nóng trong không khí tạo Fe2O3.

2FeCO3 + 1/2O2  Fe2O3 + 2CO2

4FeS + 9O2  2Fe2O3 + 4SO2

4FeS2 + 11O2  2Fe2O3 + 8SO2

2. Muối sắt (III)         

- Có tính oxi hóa khi tác dụng với chất khử.

2FeCl3 + Cu  CuCl2 + 2FeCl2

2FeCl3 + 2KI  2FeCl2 + 2KCl + I2

2FeCl3 + H2S  2FeCl2 + 2HCl + S

- Các dung dịch muối sắt (III) có môi trường axit:

Fe3+ + 3H2O ↔ Fe(OH)3 + 3H+

- Khi cho muối sắt (III) tác dụng với các kim loại cần lưu ý:

     + Nếu kim loại là Na, Ca, K, Ba + H2O  Kiềm + H2. Kiềm + Fe3+  Fe(OH)3

     + Nếu kim loại không tan trong nước và đứng trước Fe + Fe3+  Fe2+  Fe

     + Nếu kim loại là Cu hoặc Fe + Fe3+  Fe2+

- Các muối sắt (III) bị thủy phân hoàn toàn trong môi trường kiềm:

2FeCl3 + 3Na2CO3 + 3H2O  2Fe(OH)3 + 6NaCl + 3CO

C. HỢP KIM CỦA SẮT

I. Gang

- Là hợp kim sắt - cacbon trong đó hàm lượng C từ 2 - 5%.

- Gang gồm gang xám và gang trắng:

     + Gang xám: chứa nhiều tinh thể C nên có màu xám; kém cứng và kém giòn hơn gang trắng.

     + Gang trắng: chứa nhiều tinh thể hợp chất hóa học Fe3C nên có màu sáng. Rất cứng và giòn thường được dùng để luyện thép.

- Luyện gang:

* Nguyên liệu:

+ Quặng sắt: cung cấp Fe (phải chứa trên 30% Fe, chứa ít S, P).

+ Chất chảy: CaCO3 (nếu quặng lẫn silicat) hoặc SiO2 (nếu quặng lẫn đá vôi)  để làm giảm nhiệt độ nóng chảy và tạo xỉ.

+ Không khí giàu oxi và nóng: để tạo chất khử CO và sinh nhiệt.

+ Than cốc (tạo chất khử CO; tạo nhiệt và tạo gang).

* Các phản ứng xảy ra trong lò cao khi luyện gang:

+ Phản ứng tạo chất khử.       

C + O2  CO2

CO2 + C  2CO

+ Phản ứng khử Fe2O3.          

CO + 2Fe2O3   Fe3O4 + CO­2

Fe3O4 + CO  3FeO + CO2

FeO + CO  Fe + CO2

+ Phản ứng tạo xỉ.                  

CaCO3  CaO + CO2

CaO + SiO2  CaSiO3

II. Thép

- Là hợp kim của Fe và C trong đó hàm lượng C ít hơn 2%C (theo khối lượng).

- Nguyên liệu: tùy theo phương pháp: Gang, sắt, thép phế liệu, chất chảy, không khí nóng, dầu mazut.

- Nguyên tắc: khử các tạp chất Mn, Si, Ca, S, P có trong gang.

- Các phản ứng xảy ra trong quá trình luyện thép:

C + O2  CO2

S + O2  SO

Si + O2  SiO2

CaO + SiO2  CaSiO3 (xỉ)

Hochoaonline.net mời các bạn vận dụng lí thuyết để làm các bài tập tham khảo sau:

     Hochoaonline.net mời các bạn vận dụng lí thuyết để làm các bài tập tham khảo sau: