Đề tài Phương pháp quy đổi: giải bài tập hỗn hợp sắt và hợp chất sắt

PHƯƠNG PHÁP QUY ĐỔI :
GIẢI BÀI TẬP HỖN HỢP SẮT VÀ HỢP CHẤT SẮT
A. ĐẶT VẤN ĐỀ:
Bài tập hỗn hợp gồm sắt và oxit sắt là một trong những dạng bài tập mà học sinh hay gặp trong các kỳ thi mà đặc biệt là thi Đại Học. Thông thường những bài tập về sắt và các oxit thường khá phức tạp và xảy ra theo nhiều phương trình phản ứng khác nhau. Để giúp học sinh giải quyết tốt các bài toán về hỗn hợp sắt một cách nhanh chóng tôi thường giới thiệu phương pháp vận dụng các định luật bảo toàn. 
B. NỘI DUNG
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 quả1: Gọi mT là tổng khối lượng các chất trước phản ứng, ms là khối lượng các chất sau phản ứng. Dù phản ứng xảy ra với hiệu suất bất kỳ ta đều có: mT = mS. 
Hệ quả 2: Khi cation kim loại kết hợp với anion phi kim 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. 
4. Định luật bảo toàn điện tích:
 Dung dịch luôn trung hòa về điện nên: 
 Hay: 
III. MỘT SỐ DẠNG BÀI TẬP VẬN DỤNG 
1. Dạng hỗn hợp sắt và các oxit phản ứng với chất oxi hóa mạnh:
Đề bài1: 
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: 
Quá trình nhường và nhận e: 
Chất khử	Chất oxi hóa
y
2y
y
3x
x
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).
Tổng electron nhường: 3x (mol)	Tổng electron nhận: 2y + (mol)
 Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: 3x = 2y + (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.
2. Dạng đốt cháy Sắt trong không khí rồi cho sản phẩm phản ứng với chất oxi hóa 
Đề bài 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:
Chất khử	Chất oxi hóa
x
2x
0,225 x 3
0,225
Ta có , nFe = 0,225 mol
Gọi số mol oxi trong oxit là x ta có:
Tổng electron nhường: 0,675 mol	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 + 0,15x16 = 15 (gam).
Đề bài 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 có tỉ khối so với H2 là 19. Tính m và thể tích HNO3 1M đã dùng?
Giải: Theo đề ra ta có: 
Gọi số mol Fe và O tương ứng trong X là x và y ta có: 56x + 16y = 20 (1).
Quá trình nhường và nhận e: 
Chất khử	Chất oxi hóa
x
3x
y
2y
y
Theo đề ra ta có: 
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+ 0,125x3 (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 nFe = 0,3 mol vậy m = 16,8 gam.
Theo định luật bảo toàn nguyên tố ta có: 
nên mol.
Vậy 
3. Dạng khử không hoàn toàn Fe2O3 sau cho sản phẩm phản ứng với chất oxi hóa mạnh là HNO3 hoặc H2SO4 đặc nóng:
Đề baì 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: 
Quá trình nhường và nhận e: 
Chất khử	Chất oxi hóa
x
3x
y
2y
y
Theo đề ra ta có: 
Gọi số mol Fe và O tương ứng trong X là x và y ta có: 56x + 16y = 10,44 (1).
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 nFe = 0,15 mol nên m = 12 gam.
4. Dạng hỗn hợp sắt với lưu huỳnh phản ứng với chất oxi hóa mạnh:
Đề baì 5: 
 Cho 20,8g hh FeS và FeS2 tác dụng với đ H2SO4 (đặc, nóng, dư), sau pư thu được 26.88 lít khí SO2 (đktc). Xác định khối lượng mỗi chất trong hh ban đầu:
Giải: 
Quá trình nhường và nhận e: 
Chất khử	Chất oxi hóa
Fe Fe3+ + 3e	S+6 +2e S+4
x+y 3x+3y	 7x+11y 3,5x+5,5y
S S+4 + 4e
x+2y x+2y 4x+8y
Gọi số mol FeSvà FeS2 tương ứng là x ,y
 ta có: 88x + 120y = 20,8 (1).
 x + 2y +3,5x+5,5y(2)
Giải hệ trên ta có x = 0,1 và y = 0,1 
Như vậy khối lượng FeS và FeS2 lần lược 8,8 gam và 12 gam
Đề baì 6: 
 Hòa tan hỗn hợp gồm FeS2 0,24mol và Cu2S vào dung dịch HNO3 vừa đủ thu được dung dich X(chỉ chứa 2 muối sunfat) và V lít khí NO duy nhất (đktc).Giá trị của V là :
Giải: 
Quá trình nhường và nhận e: 
Chất khử	Chất oxi hóa
Fe Fe3+ + 3e	N+5 +3e NO
0.24 0.24 0.72
Cu Cu2+ + 2e
2x 2x 4x
S SO42- + 6e
0,48+x 0,48+x (0,48 + x).6
Gọi số mol Cu2S là x 
Dung dich X chỉ chứa 2 muối sunfat: Fe3+, Cu2+, SO42- . 
Áp dụng định luật bảo toàn điiện tích ta có:
 0,24.3 +2x.2 = (0,48 + x).2 x = 0,12
Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có:VNO=35,84 (l)
Đề baì 7: 
 Hoà tan hết 12,8 gam hỗn hợp X gồm Cu2S và FeS2 trong dung dịch có chứa a mol HNO3 thu được 31,36 lít khí NO2 (ở đktc và là sản phẩm duy nhất của sự khử N+5) và dung dịch Y.Biết Y phản ứng tối đa với 4,48 gam Cu giải phóng khí NO.Tính a?
Giải: 
Quá trình nhường và nhận e: 
Chất khử	Chất oxi hóa
Fe Fe3+ + 3e	N+5 +1e NO2
y y 3y 1,4	 1,4
Cu Cu2+ + 2e
2x 2x 4x
S SO42- + 6e
x+2y x+2y 6x+12y
 Gọi số mol Cu2S và FeS2 là x ,y
ta có:160x+120y=12,8(1)
 4x+3y+6x+12y=1,4(2)
Giải hệ trên ta có x = 0,02 và y = 0,08
Dung dịch Y thu được gồm: Fe3+ (0,08mol),Cu2+ (0,04mol),SO42-(0,18mol),H+(0,04mol)
Dung dịch Y phản ứng tối đa với 4,48 gam Cu giải phóng khí NO nên Y có HNO3 dư
Quá trình nhường và nhận e: 
Chất khử	Chất oxi hóa
 Cu Cu2+ + 2e	4H+ + NO3- +3eNO + 4H2
0,07, 0,14	0,08	0,06
	Fe3+	+1e Fe2+
Vậy HNO3 dư 0,04 mol và số mol HNO3 ban đầu là 1,44 mol
Đề baì 8: 
 Đốt cháy hoàn toàn 6,48 gam hỗn hợp chất rắn X gồm: Cu; CuS; FeS; FeS2; FeCu2S2; S thì cần 2,52 lít O2 và thấy thoát ra 1,568 lít SO2. Mặt khác cho 6,48 gam X tác dụng với dd HNO3 đặc nóng dư thu được V lít NO2 (là sản phẩm khử duy nhất) và dd Y. Cho dd Y tác dụng với dd Ba(OH)2 dư thu được m gam kết tủa. Biết thể tích các khí đều đo ở đktc. Giá trị của V và m lần lượt là
Giải: 
Quá trình nhường và nhận e: 
Chất khử	Chất oxi hóa
Fe Fe3+ + 3e	O + 2e O2-
y	y	3y 0,225 0,45
Cu Cu2+ + 2e
x x 2x
S SO2 + 4e
0,07 0,07 0,28
Gọi số mol Cu,Fe là x,y 
ta có:2x+3y+0,28=0,45(1)
 64x+56y+32.0,07=6,48(2)
Giải hệ trên ta có x = 0,04 và y = 0,03
Mặt khác cho 6,48 gam X tác dụng với dd HNO3
Quá trình nhường và nhận e: 
Chất khử	Chất oxi hóa
Fe Fe3+ + 3e	N+5 +1e NO2
0,03 0,03 0,09 0,59	0,59
Cu Cu2+ + 2e
0,04 0,04 0,08
S SO42- + 6e
0,07 0,07 0,42
Vậy thể tích khí NO2 là 0,59.22,4(l)
Dung dịch Y thu được gồm: Fe3+ (0,03mol),Cu2+ (0,04mol),SO42-(0,07mol),và NO3- (0,03mol) 
 Dung dịch Y phản ứng dd Ba(OH)2:
 Ba2+ + SO42- BaSO4
 	0,07	0,07
 Fe3+ + 3OH- Fe(OH)3
 0,03	0,03
 Cu2+ + 2OH- Cu(OH)2
 0,04	0,04
Giá trị của m là 23,44gam
5. Dạng hỗn hợp oxit sắt phản ứng với axit thường: H+
Đề baì 9: 
Cho 7,68 gam hỗn hợp gồm Fe,FeO, Fe3O4, Fe2O3 tác dụng vừa hết với 260 ml HCl 1M chỉ 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 O2- là oxi trong hỗn hợp oxit
	 0,26 0,13
 mà theo định luật bảo toàn khối lượng ta có: mFe + mO =7,68 
Nên mFe = 7.68 – 0,13x16 =5,6(gam) nFe = 0,1 mol
Ta lại có 2FeFe2O3
	 0,1 0,05
Vậy m = 0,05x160 = 8 gam. 
Đề baì10: 
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+.
Từ (1) ta có (vì số mol H2=0,15mol) như vậy số mol H+ phản ứng theo phản ứng (2) là 0,4 mol( tổng 0,7 mol). Vậy số mol O2- là: 0,2 mol.
mà theo định luật bảo toàn khối lượng ta có: mFe + mO =7,68 
Nên mFe = 20 – 0,2x16 =16,8 (gam) nFe = 0,3 mol
Ta lại có 2FeFe2O3
	 0,3 0,15
Vậy m = 0,15x160 = 24 gam. 
6. Dạng chuyển đổi hỗn hợp tương đương:
Đề bài 11: 
 Hỗn hợp A gồm FeO, Fe2O3, Fe3O4 (trong đó số mol FeO bằng số mol Fe2O3). Hòa tan 4,64 gam 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
Ta có 
Ptpư:	 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
0,01	0,002
Như vậy ta có hay 20 ml.
 Đề bài 12: Cho m gam hỗn hợp oxit sắt gồm FeO, Fe3O4 và Fe2O3 tan vừa hết trong dung dịch H2SO4 tạo thành dung dịch X. Cô cạn dung dịch X thu được 70,4 gam muối, mặt khác cho Clo dư đi qua X rồi cô cạn thì thu được 77,5 gam muối. 
Tính m?
Giải:
Coi hỗn hợp gồm FeO và Fe2O3 ta có phương trình phản ứng:
FeO + H2SO4 FeSO4 + H2O
Fe2O3 + 3H2SO4 Fe2(SO4)3 + 3H2O
Khối lượng tăng lên đó chính là khối lượng của Cl- có trong muối theo phương trình:
2Fe2+ + Cl2 2Fe3+ + 2Cl- 
Vậy Như vậy số 
Mà vậy 
Nên 
Do đó 
Vậy m = 30,4 gam
C. KẾT LUẬN
Trong khi giảng dạy bồi dưỡng học sinh giỏi và ôn thi đại học tôi đã có rất nhiều trăn trở khi dạy phần hỗn hợp sắt và hợp chất của sắt. Tôi nhận thấy kể cả đề thi học sinh giỏi và đề thi đại học số lượng câu hỏi về sắt và hợp chất sắt luôn chiếm một tỉ lệ nhất định. Trên thực tế như vậy tôi đã mạnh dạn đưa các phương pháp giải bài tập này vào và qua giảng dạy tôi thấy học sinh nắm vấn đề tương đối nhẹ nhàng và có hiệu quả rõ rệt nhất là định hướng và thời gian giải bài tập. Rất mong nhận được sự quan tâm góp ý của các thầy cô.