Chương 7. Sắt và Một số kim loại quan trọng
Lí thuyết về sắt và hợp chất của sắt
- Chi tiết
- Chuyên mục: Chương 7. Sắt và Một số kim loại quan trọng
- Được viết ngày Thứ hai, 16 Tháng 3 2015 22:21
- Viết bởi Nguyễn Văn Đàm
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 → Fe3O4 (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 H2SO4 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 dư → 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 + CO2 (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 + 3CO2
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 → SO2
Si + O2 → SiO2
CaO + SiO2 → CaSiO3 (xỉ)
Hochoaonline.net mời các bạn vận dụng lí thuyết để làm các bài tập tham khảo sau:
