Tiêu đề Chuyên Đề 38 - IRON (SẮT) VÀ HỢP CHẤT CỦA IRON. HỢP KIM CỦA IRON - HỒ TẤN ĐẠT TP.HCM.docx ✅

Tên Giáo Viên Soạn: Hồ Tấn Đạt Nhóm Thầy: Nguyễn Quốc Dũng – Tel & Zalo: 0904.599.481 Page 1 Chuyên Đề 38 IRON (SẮT) VÀ HỢP CHẤT CỦA IRON. HỢP KIM CỦA IRON Phần A: Lí Thuyết I – VỊ TRÍ VÀ CẤU TẠO - Vị trí : Sắt là nguyên tố kim loại chuyển tiếp, thuộc nhóm VIIIB, chu kì 4, số hiệu nguyên tử là 26. - Cấu hình electron nguyên tử : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 ; hoặc viết gọn là [Ar] 3d 6 4s 2 . - Cấu hình electron của ion Fe 2+ : [Ar] 3d 6 - Cấu hình electron của ion Fe 3+ : [Ar] 3d 5 - Số oxi hóa : Trong các hợp chất, sắt có các số oxi hóa là +2, +3.  Cấu tạo đơn chất : Tùy thuộc vào nhiệt, kim loại Fe có thể tồn tại ở mạng tinh thể lập phương tâm khối () hoặc lập phương tâm diện ()  Năng lượng ion hóa : I 1 = 760 (KJ/mol) ; I 2 = 1560 (KJ/mol) ; I 3 = 2960 (KJ/mol).  Bán kính nguyên tử và ion : R (Fe) = 0,162 (nm) ; = 0,076 (nm) ; = 0,064 (nm).  Thế điện cực chuẩn : = –0,44V ; = –0,036V ; = +0,77V. II – TRẠNG THÁI TỰ NHIÊN Sắt chiếm khoảng 5% khối lượng vỏ Trái Đất, đứng hàng thứ hai trong các kim loại (sau nhôm). Trong tự nhiên, sắt tồn tại chủ yếu ở dạng hợp chất trong các loại quặng, sắt tự do chỉ tìm thấy trong các mảnh thiên thạch. Quặng sắt quan trọng là : quặng hematit đỏ (Fe 2 O 3 khan), quặng hematit nâu (Fe 2 O 3 .nH 2 O), quặng manhetit (Fe 3 O 4 ), quặng xiderit (FeCO 3 ), quặng pirit sắt (FeS 2 ). III – TÍNH CHẤT VẬT LÍ Sắt là kim loại màu trắng hơi xám, dẻo, dễ rèn, nóng chảy ở nhiệt độ 1540 o C, có khối lượng riêng 7,9 g/cm 3 . Sắt có tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, đặc biệt có tính nhiễm từ. IV – TÍNH CHẤT HÓA HỌC Sắt là kim loại có tính khử trung bình. Khi tác dụng với chất oxi hóa yếu Fe bị oxi hóa thành Fe 2+ , với chất oxi hóa mạnh Fe bị oxi hóa thành Fe 3+ . Fe Fe 2+ + 2e Fe Fe 3+ + 3e 1. Tác dụng với phi kim - Sắt khử nhiều phi kim thành ion âm, trong khi đó Fe bị oxi hóa thành Fe 2+ hoặc Fe 3+ . Thí dụ : Fe + S ot FeS (xám đen) 3Fe + 2O 2 ot Fe 3 O 4 (nâu đen) FeO.Fe 2 O 3 2Fe + 3Cl 2 ot 2FeCl 3 (nâu đỏ) 2. Tác dụng với acid a) Với acid HCl, H 2 SO 4 loãng Fe khử dễ dàng ion H + trong acid HCl, H 2 SO 4 loãng thành khí H 2 , đồng thời Fe bị oxi hóa thành Fe 2+ . Fe + 2H +  Fe 2+ + H 2 Fe + H 2 SO 4  FeSO 4 + H 2 b) Với acid HNO 3 , H 2 SO 4 đặc  Sắt bị thụ động hóa trong acid HNO 3 đặc, nguội và H 2 SO 4 đặc, nguội.  Với acid HNO 3 loãng, HNO 3 đặc nóng và H 2 SO 4 đặc nóng, Fe bị oxi hóa mạnh thành Fe 3+ . 2Fe + 6H 2 SO 4 (đặc) ot Fe 2 (SO 4 ) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O Fe + 6HNO 3 (đặc) ot Fe(NO 3 ) 3 + 3NO 2 + 3H 2 O Fe + 4HNO 3 (loãng) ot Fe(NO 3 ) 3 + NO + 2H 2 O 3. Tác dụng với nước - Ở nhiệt độ cao, sắt khử được hơi nước : 3Fe + 4H 2 O Ctoo570 Fe 3 O 4 + 4H 2 Fe + H 2 O Ctoo570 FeO + H 2 4. Tác dụng với dung dịch muối - Sắt khử được những ion của kim loại yếu hơn trong dung dịch muối thành kim loại tự do.
Tên Giáo Viên Soạn: Hồ Tấn Đạt Nhóm Thầy: Nguyễn Quốc Dũng – Tel & Zalo: 0904.599.481 Page 2 Fe + CuSO 4  FeSO 4 + Cu Fe + 3AgNO 3 (dư)  Fe(NO 3 ) 3 + 3Ag BÀI 2: HỢP CHẤT CỦA SẮT I – HỢP CHẤT SẮT (II) - Trong các phản ứng hóa học, ion Fe 2+ dễ nhường 1 electron để trở thành ion Fe 3+ : Fe 2+  Fe 3+ + e Như vậy, tính chất hóa học đặc trưng của hợp chất sắt (II) là tính khử. 1. Sắt (II) oxide, FeO - FeO là chất rắn, màu đen, không tan trong nước và không có trong tự nhiên. - FeO là oxide bazơ, tác dụng với acid HCl, H 2 SO 4 ,... tạo ra muối Fe 2+ . Thí dụ : FeO + 2HCl  FeCl 2 + H 2 O - FeO có tính khử, tác dụng với chất oxi hóa như acid HNO 3 , H 2 SO 4 đặc,... tạo thành muối Fe 3+ . Thí dụ : 2FeO + 4H 2 SO 4 (đặc) ot Fe 2 (SO 4 ) 3 + SO 2 + 4H 2 O 3FeO + 10HNO 3 (loãng) ot 3Fe(NO 3 ) 3 + NO + 5H 2 O - FeO có tính oxi hóa, tác dụng với chất khử mạnh như Al, CO, H 2 ,... tạo thành Fe. Thí dụ : FeO + H 2 ot Fe + H 2 O - Điều chế : Nhiệt phân Fe(OH) 2 , khử Fe 2 O 3 , dùng Fe khử H 2 O ở t o > 570 o C,... Thí dụ : Fe(OH) 2 ot FeO + H 2 O Fe 2 O 3 + CO Co600500 2FeO + CO 2 2. Sắt (II) hydroxide, Fe(OH) 2 - Fe(OH) 2 là chất rắn, màu trắng xanh, không tan trong nước. Trong không khí ẩm, Fe(OH) 2 dễ bị oxi hóa trong thành Fe(OH) 3 màu nâu đỏ. 4Fe(OH) 2 + O 2 + 2H 2 O  4Fe(OH) 3 - Fe(OH) 2 là hydroxide kém bền, dễ bị phân hủy bởi nhiệt. - Nhiệt phân Fe(OH) 2 không có không khí (không có O 2 ) : Fe(OH) 2 ot FeO + H 2 O - Nhiệt phân Fe(OH) 2 trong không khí (có O 2 ) : 4Fe(OH) 2 + O 2 ot 2Fe 2 O 3 + 4H 2 O - Fe(OH) 2 là một bazơ, tác dụng với acid HCl, H 2 SO 4 loãng,... tạo ra muối Fe 2+ . Thí dụ : Fe(OH) 2 + H 2 SO 4 (loãng)  FeSO 4 + 2H 2 O - Fe(OH) 2 có tính khử, tác dụng với chất oxi hóa như acid HNO 3 , H 2 SO 4 đặc,... tạo thành muối Fe 3+ . Thí dụ : 2Fe(OH) 2 + 4H 2 SO 4 (đặc) ot Fe 2 (SO 4 ) 3 + SO 2 + 6H 2 O 3Fe(OH) 2 + 10HNO 3 (loãng) ot 3Fe(NO 3 ) 3 + NO + 8H 2 O - Điều chế Fe(OH) 2 bằng cách cho muối sắt (II) tác dụng với dung dịch bazơ trong điều kiện không có không khí. Thí dụ : FeCl 2 + 2NaOH  Fe(OH) 2 + 2NaCl 3. Muối sắt (II) - Đa số muối sắt (II) tan trong nước, khi kết tinh thường ở dạng ngậm nước như FeSO 4 .7H 2 O, FeCl 2 .4H 2 O,... - Muối sắt (II) có tính khử, bị các chất oxi hóa mạnh oxi hóa thành muối sắt (III). Thí dụ : 2FeCl 2 + Cl 2  2FeCl 3 (dd màu lục nhạt) (dd màu vàng nâu) 10FeSO 4 + 2KMnO 4 + 8H 2 SO 4  5Fe 2 (SO 4 ) 3 + K 2 SO 4 + 2MnSO 4 + 8H 2 O (dd màu tím hồng) (dd màu vàng nâu) - Điều chế muối sắt (II) bằng cách cho Fe hoặc các hợp chất sắt (II) như FeO Fe(OH) 2 ,... tác dụng với acid HCl, H 2 SO 4 loãng (không có không khí). Dung dịch muối sắt (II) thu được có màu lục nhạt. 4. Ứng dụng của hợp chất sắt (II) Muối FeSO 4 được dùng làm chất diệt sâu bọ có hại cho thực vật, pha chế sơn, mực và dùng trong kĩ nghệ nhuộm vải. II – HỢP CHẤT SẮT (III)
Tên Giáo Viên Soạn: Hồ Tấn Đạt Nhóm Thầy: Nguyễn Quốc Dũng – Tel & Zalo: 0904.599.481 Page 3 - Trong các phản ứng hóa học, tùy thuộc vào chất khử mạnh hay yếu, ion Fe 3+ có khả năng nhận 1 hoặc 3 electron : Fe 3+ + 1e  Fe 2+ Fe 3+ + 3e  Fe - Như vậy, tính chất hóa học đặc trưng của hợp chất sắt (III) là tính oxi hóa. 1. Sắt (III) oxide, Fe 2 O 3 - Fe 2 O 3 là chất rắn, màu đỏ nâu, không tan trong nước. - Fe 2 O 3 là oxide bazơ, tan trong các dung dịch acid mạnh như HCl, H 2 SO 4 , HNO 3 ,... tạo ra muối Fe 3+ . Thí dụ : Fe 2 O 3 + 6HNO 3  2Fe(NO 3 ) 3 + 3H 2 O - Fe 2 O 3 có tính oxi hóa, tác dụng với chất khử như Al, C, CO, H 2 ,... ở nhiệt độ cao. Thí dụ : Fe 2 O 3 + 2Al ot Al 2 O 3 + Fe Fe 2 O 3 + 3CO ot 2Fe + 3CO 2 - Điều chế Fe 2 O 3 bằng cách nhiệt phân Fe(OH) 3 ở nhiệt độ cao. 2Fe(OH) 3 ot Fe 2 O 3 + 3H 2 O 2. Sắt (III) hydroxide, Fe(OH) 3 - Fe(OH) 3 là chất rắn, màu nâu đỏ, không tan trong nước. - Fe(OH) 3 là một bazơ, dễ tan trong các dung dịch acid như HCl, H 2 SO 4 , HNO 3 ,... tạo ra muối Fe 3+ . Thí dụ : 2Fe(OH) 3 + 3H 2 SO 4  Fe 2 (SO 4 ) 3 + 3H 2 O - Điều chế Fe(OH) 3 bằng cách cho muối sắt (III) tác dụng với dung dịch bazơ. Thí dụ : FeCl 3 + 3NaOH  Fe(OH) 3 + 3NaCl 3. Muối sắt (III) - Đa số muối sắt (III) tan trong nươc, khi kết tinh thường ở dạng ngậm nước như Fe 2 (SO 4 ) 3 .9H 2 O, FeCl 3 .6H 2 O,... - Muối sắt (III) có oxi hóa, dễ bị khử thành muối sắt (II). Thí dụ : Fe + 2FeCl 3  3FeCl 2 (dd màu vàng) (dd màu xanh nhạt) Cu + 2FeCl 3  CuCl 2 + 2FeCl 2 (dd màu vàng) (dd màu xanh) 2FeCl 3 + 2KI  2FeCl 2 + 2KCl + I 2 - Điều chế : Cho Fe tác dụng với các chất oxi hóa mạnh như Cl 2 , HNO 3 , H 2 SO 4 đặc,... hoặc các hợp chất sắt (III) tác dụng với acid HCl, H 2 SO 4 loãng,... Dung dịch muối sắt (III) thu được có màu vàng nâu. - Nhận biết muối sắt (III) nhờ tác dụng với dung dịch muối kali hoặc muối amoni sunfoxianua (KSCN, NH 4 SCN) để tạo muối sắt (III) sunfoxianua màu đỏ máu: FeCl 3 + 3KSCN ⇌ Fe(SCN) 3 + 3KCl Đối với Fe 2+ và Fe 3+ thì có thể nhận biết qua phức cyanide: Fe 2+ + 6CN -  [Fe(CN) 6 ] 4-  Fe 4 [Fe(CN) 6 ] 3 Feroxianua xanh Prusse Fe 3+ + 6CN -  [Fe(CN) 6 ] 3-  Fe 3 [Fe(CN) 6 ] 2 Feroxianua xanh Turn bull 4. Ứng dụng của hợp chất sắt (III) Muối FeCl 3 được dùng làm chất xúc tác trong một số phản ứng hữu cơ. Fe 2 (SO 4 ) 3 có trong phèn sắt–amoni (NH 4 ) 2 SO 4 .Fe 2 (SO 4 ) 3 .24H 2 O. Fe 2 O 3 được dùng để pha chế sơn chống gỉ BÀI 3: SẢN XUẤT GANG - THÉP I. SẢN XUẤT GANG 1. Nguyên liệu Quặng sắt (không chứa hoặc chứa rất ít S, P), chất chảy 2. Nguyên tắc Dùng CO để khử dần dần Fe 2 O 3 thành Fe
Tên Giáo Viên Soạn: Hồ Tấn Đạt Nhóm Thầy: Nguyễn Quốc Dũng – Tel & Zalo: 0904.599.481 Page 4 000 +3+2+3+2 +CO+CO+CO 23 34tttFeOFeOFeOFe 3. Các phản ứng xảy ra trong quá trình sản xuất gang - Phản ứng tạo chất khử CO C + O 2 to CO 2 CO 2 + C to 2CO - Phần trên thân lò ở 400 0 C đến 1200 0 C 3Fe 3 O 3 + CO to 2Fe 3 O 4 + CO 2 - Phần giữa của thân lò nhiệt độ (500 0 C - 600 0 C) Fe 3 O 4 + CO to 3FeO + CO 2 - Phần dưới thân lò nhiệt độ (700 - 800 0 C) FeO + CO to Fe + CO 2 - Sắt chảy qua C xuống dưới thu được sản phẩm gang lỏng ở 1200 o C và xảy ra các phản ứng phụ: 3Fe + C to Fe 3 C 3Fe + 2CO to Fe 3 C + CO 2 (xementit) - Ngoài ra còn thu được xỉ từ các phản ứng phụ sau: CaCO 3 to CaO + CO2 CaO + SiO 2(cát) to CaSiO 3 (xỉ) Và khí lò cao gồm CO, H 2 , CH 4 , .... dùng làm nhiên liệu. II. SẢN XUẤT THÉP 1. Nguyên liệu Gang trắng, gang xám, sắt phế liệu Không khí hoặc oxi Nhiên liệu: dầu madút hoặc khí đốt Chất chảy: canxi oxide 2. Nguyên tắc Oxi hóa các tạp chất trong gang (Si, Mn, S, P, C) thành oxide nhằm làm giảm hàm lượng của chúng trong thép. 3. Những phản ứng hóa học xảy ra a. Phản ứng tạo thép - Oxi không khí sẽ oxi hóa các tạp chất trong gang Trước hết Si + O 2 to SiO 2 2Mn + O 2 to 2MnO - Tiếp đến C bị oxi hóa thành CO (1.200 0 C) 2C + O 2 to 2CO - Sau đó S + O 2 to SO 2 4P + 5O 2 to 2P 2 O 5 - Một phần Fe bị oxi hóa 2Fe + O 2 to 2FeO - Sau khi cho thêm lượng gang giàu Mangan Mn là chất khử mạnh hơn Fe sẽ khử ion sắt trong FeO thành sắt. FeO + Mn to Fe + MnO b. Phản ứng tạo xỉ - Ở nhiệt độ cao SiO 2 , P 2 O 5 tác dụng với CaO tạo xỉ dễ nóng chảy, có tỉ khối nhỏ nổi trên thép. 3CaO + P 2 O 5 to Ca 3 (PO 4 ) 2 CaO + SiO 2 to CaSiO 3 Ngày nay có một số phương pháp luyện thép chủ yếu sau đây: 1.Phương pháp Bessemer: Thổi không khí vào trong gang lỏng để đốt cháy các tạp chất trong gang: 2Mn + O 2 to 2MnO