$I$. Kim loại sắt
* Phương pháp giải :
- Bản chất phản ứng của kim loại sắt với các chất ( phi kim, dung dịch : axit,muối..) là phản ứng oxi hóa - khử
- Phương pháp giải các bài tập dạng này chủ yếu là sử dụng định luật bảo toàn electron . Ngoài ra có thể sử dụng phương pháp bảo toàn khối lượng, bảo toàn nguyên tố, đường chéo ...
- Lưu ý :
+ Sắt là kim loại có tính khử trung bình. Khi tham gia phản ứng tùy thuộc vào chất oxi hóa - khử mà sắt có thể bị oxi hóa lên $Fe^{2+}$ hoặc $Fe^{3+}$
+ $Fe$ hoặc hỗn hợp $Fe$ và một số kim loại đứng sau $Fe$ như $Ni,Cu$ khi tác dụng với các chất oxi hóa mạnh mà sau phản ứng kim loại còn dư thì muối tạo thành là muối sắt $II$ vì
$Fe + Fe^{3+}$ $\rightarrow $ $Fe^{2+}$
$Cu + 2Fe^{3+}$ $\rightarrow $ $2Fe^{2+} + Cu^{2+}$
* VÍ DỤ MINH HỌA
Ví dụ $1$ : Cho m gam bột $Fe$ vào dung dịch $HNO_3$ lấy dư , ta thu được hỗn hợp $2$ khi $NO_2$ và $NO$ có $V = 8,96$ lít ( đktc) và tỉ khối đối với $O_2$ là $1,3125$ . Thành phần % theo thế tích của $NO$ và $NO_2$ và khối lượng m của $Fe$ là :
A. $25$% ; $75$% và $1,12$ gam B. $25$% ; $75$% ; $11,2$ gam
C. $35$% ; $65$% và $11,2$ gam D. $45$% ; $55$% ; $1,12$ gam
Giải :
Đặt số mol của $NO_2$ và $NO$ là $x, y$
$\left\{ \begin{array}{l} 46x + 30y = 1,3125.32.0,4\\ x + y = 0,4 \end{array} \right.$ => $\left\{ \begin{array}{l} x = 0,3\\ y = 0,1 \end{array} \right.$ => %$NO_2 = 75$% và %$NO = 25$%
Áp dụng định luật bảo toàn electron cho các chất oxi hóa - khử ta có
$3n_{Fe} = n_{NO_2} + 3n_{NO} => n_{Fe} = 0,2$ mol => $m_{Fe} = 0,2.56 = 11,2$ gam
=> Đáp án $B$
Ví dụ $2$ : Cho $12$ gam hỗn hợp hai kim loại $Fe$ và $Cu$ tác dụng vừa đủ với dung dịch $HNO_3$ $63$% . Sau phản ứng thu được dung dịch $A$ và $11,2$ lít khí $NO_2$ 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 $21,12$%
Giải :
Ta có : $n_{HNO_3} = n_N$( trong $NO_3^-$) + $n_N$(trong $NO_2$) = $n_{electron trao đổi} + n_{NO_2} = n_{NO_2} + n_{NO_2} = 1$ mol
Áp dụng ĐLBTKL ta có :
$m_{dd muối} = m_{kimloại} + m_{ddHNO_3} - m_{NO_2} = 12 + 1.63.100/63 - 46.0,5 = 89$ gam
Đặt $n_{Fe} = x$ mol và $n_{Cu} = y$ mol ta có
$\left\{ \begin{array}{l} 56x + 64y = 12\\ 3x+ 2y = 0,5 \end{array} \right.$ => $\left\{ \begin{array}{l} x = 0,1\\ y = 0,1 \end{array} \right.$
=> %$m_{Fe(NO_3)_3} = 0,1.242.100/89 = 27,19$% ; %$Cu(NO_3)_2 = 0,1.188.100/89 = 21,12$%
=> Đáp án $B$
Ví dụ $3$ : Hỗn hợp $X$ gồm $Fe,FeO, Fe_2O_3$ và $Fe_3O_4$ . Hòa tan hoàn toàn $X$ trong $400$ml dung dịch $HCl 2$M thấy thoát ra $2,24$ lít $H_2$ và còn lại $2,8$ gam sắt( duy nhất) chưa tan. Hãy cho biết nếu cho toàn bộ hỗn hợp $X$ vào dung dịch $HNO_3$ đặc nóng dư thu được bao nhiêu lít khí $NO_2$
A. $4,48$ B. $10,08$ C. $16,8$ D. $20,16$
Giải :
Vì sau phản ứng sắt dư nên muối tạo thành trong dung dịch là $FeCl_2$
Sơ đồ phản ứng
$X$: $\left\{ \begin{array}{l} FeO\\ Fe_2O_3, Fe_3O_4 \end{array} \right.$ $\xrightarrow[HCl]{}$ $FeCl_2, H_2, H_2O, Fe$ dư
$n_O$( trong $X$) = $n_{H_2O} = 1/2n_{H^+}$(trong $H_2O$) = $\frac{0,4.2 - 2.0,1}{2}$ = $0,3$ mol
$n_{Fe}$(trong $X$) = $n_{Fe}$(dư) + $n_{Fe}$(trong $FeCl_2$) = $0,05 + 0,4 = 0,45$ mol
Quy đổi hỗn hợp thành $Fe$ và $O$ . Áp dụng ĐLBT electron cho phản ứng của $X$ với dung dịch $HNO_3$ ta có :
$3n_{Fe} = 2n_O + n_{NO_2} => n_{NO_2} = 0,75$ mol => $V_{NO_2} = 16,8$ lít
=> Đáp án $C$
Ví dụ $4$ : Cho $18,5$ gam hỗn hợp $Fe$ và $Fe_3O_4$ tác dụng với $200$ml dung dịch $HNO_3$ loãng ,đun nóng .Sau phản ứng thu được $2,24$ lít khí $NO$ duy nhất (đktc), dung dịch $D$ và còn lại $1,46$ gam kim loại . Nồng độ mol của dung dịch $HNO_3$ là
A. $3,2$M B. $3,5$M C. $2,6$M D. $5,1$M
Giải :
Khối lượng $Fe$ dư là $1,464$ gam , do đó khối lượng $Fe$ và $Fe_3O_4$ đã phản ứng là $17,04$ gam. Vì sau phản ứng sắt còn dư nên trong dung dịch $D$ chỉ có muối $Fe^{2+}$
Quy đổi hỗn hợp $Fe_3O_4$ và $Fe$ thành $Fe$ và $O_2$ . Sơ đồ phản ứng
$\left\{ \begin{array}{l} Fe: x mol\\ O_2: y mol\end{array} \right.$ <=> $\left\{ \begin{array}{l} Fe_3O_4\\ Fe \end{array} \right.$ $\xrightarrow[HNO_3]{}$ $Fe(NO_3)_2 + NO + H_2O$
Áp dụng ĐLBTKL và ĐLBT electron ta có :
$\left\{ \begin{array}{l} 56x + 32y = 17,04\\ 2x = 4y + 0,1.3 \end{array} \right.$ => $\left\{ \begin{array}{l} x = 0,27\\ y = 0,06 \end{array} \right.$
Áp dụng ĐLBT nguyên tố với $N$
$n_{HNO_3}$( pư) = $0,27.2 + 0,1 = 0,64$ mol => $[HNO_3] = 0,32$M
=> Đáp án $A$
$II$. Hợp chất của $Fe$
- Bài tập chứa hỗn hợp $FeO ,Fe_3O_4 ,Fe_2O_3$ phản ứng với $H^+$
+ Nều đề cho $n_{FeO} = n_{Fe_2O_3}$ thì quy đổi hỗn hợp thành $Fe_3O_4$
- Bài tập liên quan đến những phản ứng của hỗn hợp ( $Fe,FeO,Fe_3O_4,Fe_2O_3$) ; ( $Fe,FeS,FeS_2,S$) với các dung dịch axit có tính oxi hóa mạnh như $HNO_3 , H_2SO_4$ đặc nóng thì quy đổi hỗn hợp thành hỗn hợp ( $Fe$ và $O_2$) hoặc ( $Fe$ và $S$) . Sau đó áp dụng ĐLBT electron
- Bài tập liên quan đến pư của $Fe^{2+}$ với $KMnO_4/H^+$ hoặc $K_2Cr_2O_7/H^+ , NO_3^-/H^+$ thì sử dụng phương pháp bảo toàn electron
* VÍ DỤ MINH HỌA
Ví dụ $1$ : Để hòa tan hoàn toàn $23,2$ gam hỗn hợp gồm $FeO ,Fe_3O_4$ và $Fe_2O_3$ ( trong đó số mol $FeO$ bằng số mol $Fe_2O_3$), cần dùng vừa đủ $V$ lít dung dịch $HCl 0,5$M . Giá trị của $V$ là :
A. $1,8$ B. $0,8$ C. $2,3$ D. $1,6$
Giải :
Vì số mol của $FeO$ và $Fe_2O_3$ trong hỗn hợp bằng nhau nên ta quy đổi hỗn hợp $FeO,Fe_3O_4$ và $Fe_2O_3$ thành $Fe_3O_4$
$n_{Fe_3O_4} = 23,2/232 = 0,1$ mol
$Fe_3O_4 + 8HCl => FeCl_2 + 2FeCl_3 + 4H_2O$
$0,1 0,8$
$V_{ddHCl} = 0,8/0,5 = 1,6$M
=> Đáp án $D$
Ví dụ $2$ : Hòa tan hoàn toàn hỗn hợp $X$ gồm $Fe_xO_y$ và $FeS$ vừa đủ trong $180$ml $HNO_3 1$M thu được dung dịch $Y$ không chứa muối sunfat và $2,016$ lít khí $NO_2$ (đktc) . Cho dung dịch $Ba(OH)_2$ dư vào dung dịch $Y$ để tạo ra kết tủa $Z$ . Lọc lấy phần kết tủa $Z$ và nung trong không khí đến khối lượng không đổi thì thu được $4,73$ gam chất rắn . Phần trăm khối lượng $Fe_xO_y$ trong hỗn hợp $X$ là :
A. $64,5$% B. $78,43$% C. $32,25$% D. $21,57$%
Giải :
Áp dụng ĐLBT nguyên tố đối với $N$ ta có :
$n_{HNO_3} = 3n_{Fe(NO_3)_3} + n_{NO_2} => n_{Fe(NO_3)_3} = 0,03$ mol => $\left\{ \begin{array}{l} n_{Fe_2O_3} = 0,015\\ n_{BaSO_4} = 0,01 mol \end{array} \right.$
Quy đổi hỗn hợp $X$ thành $\left\{ \begin{array}{l} Fe( 0,03 mol)\\ S(0,01 mol)\\ O( a mol) \end{array} \right.$ => $3.0,03 + 0,01.6 = 2a + 0,09$ => $a = 0,03$ mol
=> $Fe_xO_y$ là $Fe_2O_3$
%$Fe_xO_y$ = $\frac{0,02.56 + 0,03.16}{0,03.56 + 0,01.32 + 0,03.16}$.$100 = 64,5$%
=> Đáp án $A$
Ví dụ $3$ : Cho $0,3$ mol bột $Cu$ và $0,6$ mol $Fe(NO_3)_2$ vào dung dịch chứa $0,9$ mol $H_2SO_4$ loãng . Sau khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn , thu được $V$ lít khí $NO$(đktc) . Giá trị của $V$ là
A. $6,72$ B. $8,96$ C. $4,48$ D. $10,08$
Giải :
$n_{Cu} = 0,3$ mol ; $n_[Fe^{2+}] = 0,6$ mol ; $n_{H^+} = 1,8$ mol
$3Cu + 8H^+ + 2NO_3^-$ $\rightarrow $ $3Cu^{2+} + 2NO + 4H_2O$
$0,3 0,8 0,2 0,2$
$3Fe^{2+} + 4H^+ + NO_3^-$ $\rightarrow $ $3Fe^{3+} + NO + 2H_2O$
$0,6 0,8 0,2 0,2$
Từ $2$ pt trên nhận thấy $Cu$ và $Fe^{2+}$ pư hết , $NO_3^-$ và $H^+$ còn dư
=> $n_{NO} = 0,4$ mol => $V = 8,96$ lít
=> Đáp án $B$
* BÀI TẬP TỰ LUYỆN
Câu $1$ : Đốt cháy hoàn toàn $16,8$ gam $Fe$ trong khí $O_2$ cần vừa đủ $4,48$ lít $O_2$ (Đktc) tạo thành một oxit sắt . Công thức phân tử của oxit đó là công thức nào ?
A. $FeO$ B. $Fe_2O_3$ C. $Fe_3O_4$ D. $FeO$ hoặc $Fe_3O_4$
Câu $2$ : Cho hỗn hợp gồm $0,3$ mol $Fe$ ; $0,15$ mol $Fe_2O_3$ và $0,1$ mol $Fe_3O_4$ tác dụng hết với dung dịch $H_2SO_4$ loãng thu được dung dịch $A$ . Cho dung dich $A$ tác dụng với dung dịch $NaOH$ dư . lọc kết tủa đem nung trong không khí đến khối lượng không đổi thu được $m$ gam chất rắn $C$ . Giá trị của $m$ là :
A. $70$ B. $72$ C. $65$ D. $75$
Câu $3$ : Cho $7,28$ gam kim loại $M$ tác dụng hết với dung dịch $HCl$ , sau phản ứng thu được $2,912$ lít khí ở $273^o$C và $1,1$atm . $M$ là kim loại nào sau đây ?
A. $Zn$ B. $Ca$ C. $Mg$ D. $Fe$
Câu $4$ : Hòa tan hoàn toàn $17,4$ gam hỗn hợp $3$ kim loại $Al , Fe , Mg$ trong dung dịch $HCl$ thấy thoát ra $1,344$ lít khí $H_2$ ( đktc) . Còn nếu cho $34,8$ gam hỗn hợp đó tác dụng với dung dịch $CuSO_4$ dư, chất rắn thu được sau phản ứng cho tác dung với dung dịch $HNO_3$ thì thu được bao nhiêu lít khí $NO$ ?
A. $4,48$ lít B. $3,36$ lít C. $8,96$ lít D. $17,92$ lít
Câu $5$ : Cho $m$ gam bột $Fe$ tác dụng với $175$ gam dung dịch $AgNO_3 34$% sau phản ứng thu được dung dịch $X$ chỉ chứa $2$ muối sắt và $4,5m$ gam chất rắn . Xác định nồng độ % của muối $Fe(NO_3)_2$ trong dung dịch $X$ :
A. $9,81$% B. $12,36$% C. $10,88$% D. $15,6$%
Câu $6$ : Cho $6,72$ gam $Fe$ vào dung dịch chứa $0,3$ mol $H_2SO_4$ đặc nóng , đến khi phản ứng xảy ra hoàn toàn thu được khí $SO_2$ và dung dịch $X$ . Dung dịch $X$ có thể hòa tan tối đa $m$ gam $Cu$. Giá trị của $m$ là ;
A. $3,84$ B. $3,2$ C. $1,92$ D. $0,64$
Câu $7$ : Nung $m$ gam bột sắt trong oxi thu đượ $4,5$ gam hỗn hợp chất rắn $X$ . Hòa tan hết hỗn hợp $X$ trong dung dịch $H_2SO_4$ đặc, nóng thoát ra $1,26$ lít khí $SO_2$ (đktc) . Giá trị của $m$ là :
A. $3,78$ B. $2,22$ C. $2,52$ D. $2,32$
Câu $8$ : Hòa tan $20,8$ gam hỗn hợp gồm $FeS,FeS_2,S$ bằng dung dịch $HNO_3$ đặc nóng dư thu được $53,76$ lít khí $NO_2$ ( sản phẩm khử duy nhất) và dung dịch $A$ . Cho dung dịch $A$ tác dụng với dung dịch $NaOH$ dư , lọc toàn bộ kết tủa nung trong không khí đến khối lượng không đổi thì khối lượng chất rắn thu được là :
A. $16$ gam B. $9$ gam C. $8,2$ gam D. $10,7$ gam
Câu $9$ : Cho hỗn hợp $A$ gồm $0,2$ mol $Al$ và $0,35$ mol $Fe$ phản ứng hết với $V$ lít dung dịch $HNO_3 1$M , thu được dung dịch $B$ , hỗn hợp $G$ gồm $0,05$ mol $N_2O$ và $0,04$ mol $N_2$ và $2,8$ gam kim loại. Giá trị của $V$ là :
A. $1,2$ B. $1,48$ C. $1,605$ D. $1,855$
Câu $10$ : Cho một lượng $Fe$ hòa tan hết vào dung dịch $0,1$ mol $HNO_3$ và $0,15$ mol $AgNO_3$ sau phản ứng thu được dung dịch $X$ chỉ chứa $Fe(NO_3)_3$ , khí $NO$ và chất rắn $Y$. Cho $x$ gam bột $Cu$ vào dung dịch $X$ thu được dung dịch $Z$ trong đó khối lượng của $Fe(NO_3)_3$ là $7,986$ gam. $X$ có giá trị là :
A. $13,44$ gam B. $20,624$ gam
C. $25,984$ gam D. $19,104$ gam
Đáp án : $1C 2B 3D 4D 5B 6C 7A 8A 9B 10A$