HƯỚNG DẪN GIẢI BÀI TẬP CRÔM – SẮT - ĐỒNG

 

* Bản chất phản ứng của kim loại crôm, sắt, đồng với phi kim; dung dịch : axit, muối...  là phản ứng oxi hóa - khử, trong đó các kim loại là các chất khử trung bình. Với Fe và Cr khi tham gia phản ứng, tùy thuộc vào chất oxi hóa mà sắt có thể bị oxi hóa lên mức oxi hóa +2 hoặc +3.

+ Với axit HCl, H₂SO₄ loãng thì có Fe phản ứng: Fe → Fe²⁺+ 2e; 2H⁺ +2e →  H₂

+ Với H₂SO_{4 (đặc)}  thì  Fe → Fe³⁺ + 3e ; SO₄^2- → SO₂

+ Với HNO₃ thì Fe → Fe³⁺ + 3e ; NO₃^- → NO, NO₂

* Các phương pháp được sử dụng để giải các bài toán về hóa học thường được sử dụng là bảo toàn khối lượng, bảo toàn electron, tăng giảm khối lượng và sơ đồ đường chéo…

 

Dạng 1: Kim loại, oxit kim loại tác dụng với axit

 

1. Tác dụng với HCl, H₂SO₄ loãng

 

a)      Với HCl:

           

            KL + 2HCl    → muối clorua + H₂ ↑    

mol:                  2x                            x

=> Số mol HCl = 2. số mol H₂ = 2x

Vận dụng định luật bảo toàn khối lượng:

=> khối lượng muối clorua + khối lượng H₂ =  khối lượng KL + khối lượng HCl

=> khối lượng muối clorua = khối lượng kim loại + 36,5.2x – 2x = khối lượng KL  + 71x

 

              Oxit KL + 2HCl   → muối clorua  +  H₂O  

 mol:                     2x                                  x

=> Số mol HCl = 2. số mol H₂O = 2x

Vận dụng định luật bảo toàn khối lượng:

=> khối lượng muối clorua + khối lượng H₂O  =  khối lượng ôxit KL + khối lượng HCl

=> khối lượng muối clorua = khối lượng ôxit kim loại + 36,5.2x – 18x = khối lượng ôxit KL  + 55x

 

b)      Với H₂SO₄

 

           KL +H₂SO₄  → muối sunfat + H₂ 

mol:            x                                x

=> số mol H₂SO₄  = số mol H₂  = x

Vận dụng định luật bảo toàn khối lượng:

=> khối lượng muối sunfat + 2x = khối lượng KL + 98x

=> khối lượng muối sunfat  =  khối lượng KL + 96x

 

                        Oxit KL +  H₂SO₄  → muối sunfat + H₂O 

                   mol:                 x                                 x

=> số mol H₂SO₄  = số mol H₂O  =  x

Vận dụng định luật bảo toàn khối lượng:

=> Khối lượng muối sunfat + 18x = khối lượng Oxit KL + 98x

=> Khối lượng muối sunfat  =  khối lượng Oxit KL + 80x

 

2.Tác dụng với HNO₃, H₂SO₄  đặc,nóng

 

a)      Với HNO₃

 

         M + HNO₃ ® M(NO₃)_n + sản phẩm khử  (NO, NO₂) + H₂O

 

Những vấn đề cần lưu ý:

+ Các sản phẩm khử là những chất nào? (Với Fe, Cu thì sản phẩm khử chỉ có thể là NO, NO₂)

+ Tỉ lệ số mol các chất sản phẩm khử?

+ Các quá trình oxi hóa và quá trình khử:

                         M → Mⁿ⁺ + ne

                        NO₃^- + 4H⁺ +3e → NO + 2H₂O

                         NO₃^- + 2H⁺ +1e → NO₂ + H₂O

+ Áp dụng bảo toàn ion electron hoặc bảo toàn electron: Số mol e nhường = Số mol e nhận (Số mol e nhưỡng và số mol e nhận được tính theo số mol chất khử hoặc sản phẩm khử)

+ Số mol axit tham gia phản ứng = số mol H⁺ trong các bán phản ứng oxi hóa – khử

 

b)      Với H₂SO₄ đặc nóng

 

         M + H₂SO₄  → M₂(SO₄)_n + sản phẩm khử (SO₂) + H₂O

 

Những vấn đề cần lưu ý:

+ Các sản phẩm khử là những chất nào? (Với Fe, Cu thì sản phẩm là SO₂)

+ Các quá trình oxi hóa và quá trình khử:

                         M → Mⁿ⁺ + ne

                        SO₄^2- + 4H⁺ + 2e → SO₂ + 2H₂O

+ Áp dụng bảo toàn ion electron hoặc bảo toàn electron: Số mol e nhường = Số mol e nhận (Số mol e nhường và số mol e nhận được tính theo số mol chất khử hoặc sản phẩm khử)

+ Số mol axit tham gia phản ứng = số mol H⁺ trong các bán phản ứng oxi hóa – khử

 

Chú ý:  Fe hoặc hỗn hợp Fe và một số kim loại đứng sau sắt như Ni, Cu khi tác dụng với các chất oxi hóa mạnh như dung dịch : HNO­₃, H₂SO₄ đặc, nóng, AgNO₃, nếu kim loại dư thì muối sắt tạo thành trong dung dịch là muối sắt (II) vì :

            Fe   +   2Fe³⁺    →    3Fe²⁺

           Cu   +   2Fe³⁺    →    2Fe²⁺+   Cu²⁺  

 

Ví dụ 1: Hòa tan hoàn toàn m gam kim loại M bằng dd HCl dư, thu được V lít khí H₂. Mặt khác, Hòa tan hoàn toàn m gam kim loại M bằng dd HNO₃ loãng cũng thu được V lít khí NO duy nhất. Xác định kim loại M biết khối lượng muối nitrat tạo thành gấp 1,905 lần khối lượng muối clorua (các khí đo trong cùng điều kiện).

      A. Cr                               B. Al                                  C. Fe                               D. Zn

Hướng dẫn giải:

          

Gọi x là số mol của kim loại M.

* Với HCl:

+ Gọi a là hóa trị của kim loại tạo muối clorua

+ Quá trình oxi hóa – khử:

            M → M^a+ + ae

            2H⁺ + 2e → H₂

Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: ax = 2.(V/22,4)  (*)

 * Với HNO₃:

+ Gọi b là hóa trị của kim loại tạo muối nitrat

+ Quá trình oxi hóa – khử:

            M → M^b+ + be

             NO₃^- + 4H⁺ +3e → NO + 2H₂O  

Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: bx = 3.(V/22,4)  (**)

Lấy (*) : (**) => a/b = 2/3 => a = 2 ; b = 3

Ta có các sơ đồ phản ứng:

               M → MCl₂ => khối lượng muối clorua = (M + 71)x

               M → M(NO₃)₃  => khối lượng muối nitrat =(M + 186)x

Từ giả thiết khối lượng muối nitrat tạo thành gấp 1,905 lần khối lượng muối clorua

=> (M + 186)x = 1,905. (M + 186)x

=> M = 56

=> Đáp án C

 

Ví dụ 2:Cho 4,291 gam hỗn hợp A gồm Fe₃O₄ , Al₂O₃ và CuO tác dụng vừa đủ với 179 ml dung dịch HCl 1M. Cô cạn dung dịch thu được khối lượng muối khan là

A. 9,1415 gam          B. 9,2135 gam                   C. 9,5125 gam                  D. 9,3545 gam

 

Hướng dẫn giải

Ta có sơ đồ phản ứng:Oxit KL + 2HCl   → muối clorua  +  H₂O 

                   mol:                     2x                                x

=> Số mol HCl = 2. số mol H₂O = 1.0,179 = 0,179 mol => số mol H₂O = 0,0895 mol

Vận dụng định luật bảo toàn khối lượng:

=> khối lượng muối clorua + khối lượng H₂O  =  khối lượng ôxit KL + khối lượng HCl

=> khối lượng muối clorua =  4,291  + 55. 0,0895 = 9,2135 gam

=> Đáp án B

 

Ví dụ 3:Hoàtanhoàntoàn2,81gamhỗnhợpgồmFe₂O₃,MgO,ZnOtrong500mlaxitH2SO4  0,1M (vừađủ).Sauphảnứng,hỗnhợpmuốisunfatkhanthuđượckhicôcạndungdịchcókhốilượng là

A. 6,81 gam.        B. 4,81 gam.         C. 3,81 gam.        D. 5,81 gam.

 

Hướng dẫn giải

Ta có sơ đồ phản ứng: Oxit KL +  H₂SO₄  → muối sunfat + H₂O 

                               mol:                      x                                      x

=> số mol H₂SO₄  = số mol H₂O  =  x = 0,1.0,5 = 0,05 (mol)

Vận dụng định luật bảo toàn khối lượng:

=> Khối lượng muối sunfat + 18x = khối lượng Oxit KL + 98x

=> Khối lượng muối sunfat  =  khối lượng Oxit KL + 80x = 2,81 + 80.0,05 = 6,81 gam

=> Đáp án A

 

Ví dụ 3: Hòa tan hoàn toàn 12 gam hỗn hợp Fe, Cu (tỉ lệ mol 1:1) bằng axit HNO₃, thu được V lít (đktc) hỗn hợp khí X (gồm NO và NO₂) và dung dịch Y (chỉ chứa hai muối và axit dư). Tỉ khối của X đối với H₂ bằng 19. Giá trị của V là :

     A. 2,24 lít.                   B. 4,48 lít.                   C. 5,60 lít.                   D. 3,36 lít.

 

Hướng dẫn giải

      Áp dụng sơ đồ đường chéo cho hỗn hợp NO₂ và NO ta có :

Đặt n_Fe = n_Cu = a mol  Þ  56a + 64a = 12  Þ  a = 0,1 mol.

Các quá trình oxi hóa – khử:

                Fe → Fe³⁺ + 3e

                Cu→ Cu²⁺ + 2e

                NO₃^- + 4H⁺ +3e → NO + 2H₂O

                 NO₃^- + 2H⁺ +1e → NO₂ + H₂O

Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có:

                3.số mol Fe +2.số mol Cu = 3.số mol NO+số mol NO₂

=> 3.0,1 + 2.0,1 = 3x + x

=> x = 0,125 mol

=> Thể tích khí = 0,125.22,4 = 5,6 lít

=> Đáp án C.

  

Dạng 2:  Bài toán ôxi hóa 2 lần

 

 1.  Kiểu bài cho Fe hoặc Cu đốt cháy tạo hỗn hợp oxit, sau đó cho hỗn hợp tác dụng với chất ôxi hóa mạnh.

Phương pháp tốt nhất sử dụng định luật bảo toàn electron, kết hợp với bảo toàn khối lượng:

 

Ví dụ 4: Nung m gam bột sắt trong oxi, thu được 3 gam hỗn hợp chất rắn X. Hòa tan hết hỗn hợp X trong dung dịch HNO₃ (dư), thoát ra 0,56 lít (ở đktc) NO (là sản phẩm khử duy nhất). Giá trị của m là

        A. 2,52.             B. 2,22.                    C. 2,62.                      D. 2,32.

 

Hướng dẫn giải:

 

Số mol NO = 0,56/22,4 = 0,025 (mol)

Sơ đồ phản ứng:

Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng thì khối lượng của Fe + khối lượng O₂ = khối lượng X

=> khối lượng O₂ = 3 – m

=> số mol O₂ = (3-m)/32

Các quá trình oxi hóa – khử:

              Fe → Fe³⁺ + 3e

              O₂ + 4e → 2O^2-

              NO₃^- + 4H⁺ +3e → NO + 2H₂O

Áp dụng định luật bảo toàn electron: 2.số mol Fe = 4. số mol O₂ + 3. số mol NO

          

=> 3.(m/56) = 4((3-m)/32) + 3.0,025 => m = 2,52 gam

=> Đáp án A

 

2.  Kiểu bài cho CO khử oxit của Sắt → sản phẩm tạo thành là hỗn hợp các oxit cho tác dụng với tác nhân oxi hóa mạnh hoặc cho tác dụng với nước vôi trong

 

Những lưu ý:

+ Fe₂O₃ có Fe⁺³ nếu dẫn sản phẩm qua chất oxi hóa mạnh thì lại trở về Fe⁺³, do vậy chỉ cần xét quá trình oxi hóa – khử của CO và chất oxi hóa mạnh là HNO₃ hoặc, H₂SO₄.

+ Số mol CO = số mol CO₂ và đượctính theo số mol khí sản phẩm khử (áp dụng định luật bảo toàn electron) hoặc theo lượng kết tủa CaCO₃.

+ Phương pháp áp dụng thường dùng là bảo toàn khối lượng và bảo toàn electron.

 

Ví dụ 5: Cho khí CO đi qua m gam oxit Fe₂O₃ đốt nóng, ta được 13,92 gam hỗn hợp Y (gồm 4 chất rắn). Hỗn hợp X hoà trong HNO₃ đặc dư được 5,824 lít NO₂ (đktc), Vậy m có giá trị là

1. 15,2 g                B. 16,0 g                         C. 16,8 g                            D. 10,28 g

 

Hướng dẫn giải:

Số mol NO₂ = 5,824/22,4 = 0,26 mol

Các quá trình oxihóa – khử:

              C⁺²O → C⁺⁴O₂ + 2e

              HN⁺⁵O₃ +1e → N⁺⁴O₂

Áp dụng định luật bảo toàn electron: 2.số mol CO = số mol NO₂ = 0,26 => số mol CO = 0,13 mol

Ta có: CO → CO₂

mol:      x         x

Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng:

khối lượngCO + m gam oxit Fe₂O₃ → 13,92 gam hỗn hợp Y + khối lượng CO₂

=> 0,13.30 + m = 13,92 + 0,26.44

=> m = 16 gam

=> Đáp án B

 

Dạng 3: Xác định công thức của ôxit sắt

 

* Xác định công thức Fe_xO_y:

- Nếu  x/y = 1 → Fe_xO_y là: FeO

- Nếu x/y = 2/3→  Fe_xO_y là: Fe₂O₃

- Nếu x/y = 3/4 →  Fe_xO_y là: Fe₃O₄  

* Thông thường ta xác định tỷ lệ : x/y = số mol Fe/ số mol O 

* Để xác định tỷ lệ này có thể dựa vào: Định luật bảo toàn nguyên tố, Định luật bảo toàn số mol electron, phản ứng với axit, với chất khử mạnh C, CO, H₂, Al,…

* Nếu oxit sắt (Fe_xO_y) tác dụng với H₂SO₄ đặc, HNO₃ đặc không giải phóng khí đó là Fe₂O₃.

 

 

Ví dụ 6: Hòa tan hết 34,8g Fe_xO_y bằng dd HNO₃ loãng, thu được dd A. Cho dd NaOH dư vào dd A. Kết tủa thu được đem nung ở nhiệt độ cao cho đến khối lượng không đổi. Dùng H₂ để khử hết lượng oxit tạo thành sau khi nung thu được 25,2g chất rắn. Fe_xO_y là

      A. FeO                     B. Fe₂O₃                      C. Fe₃O₄                       D. FeO ; Fe₂O₃

 

Hướng dẫn giải

Sơ đồ phản ứng: 34,8 g Fe_xO_y + dd HNO₃ loãng → dd A

                                                                                     ↓+ dd NaOH dư

                                                                                   Kết tủa Fe(OH)₃

                                                                                     ↓nung

                                                                          ( Fe₂O₃ + H₂O)

                                                                                     ↓+H₂

                                                                         25,2g chất rắn Fe

Số mol Fe = 25,2/56 = 0,45 mol

Ta có: Fe_xO_y → xFe => số mol Fe_xO_y = sô mol Fe/x = 0,45/x

=> (56x+16y )(0,45/x) = 34,8

=> 56x +16y = 77,33x

=> 16y = 21,33x

=> x/y = ¾

=> Fe_xO_y là Fe₃O₄

=> Đáp án C

 

Dạng 4:Bài tập liên quan đến các hỗn hợp FeO, Fe₃O₄ (FeO.Fe₂O­₃), Fe₂O₃ hoặc (Fe, FeS, FeS₂, S)

 

* Bài tập chứa hỗn hợp FeO, Fe₃O₄, Fe₂O₃ phản ứng với H⁺ (HCl, H₂SO₄):

      + Nếu đề cho biết số mol FeO = số mol Fe₂O₃ thì quy đổi hỗn hợp thành Fe₃O₄.

      + Nếu đề không cho biết mối liên quan giữa số mol FeO và Fe₂O₃ thì quy đổi hỗn hợp thành hỗn hợp Fe₂O₃ và FeO.

* Bài tập liên quan đến phản ứng của hỗn hợp (Fe, FeO, Fe₃O₄, Fe₂O₃); (Fe, FeS, FeS₂, S) với các dung dịch axit có tính oxi hóa mạnh như HNO₃, H₂SO₄ đặc nóng :

      Quy đổi thành hỗn hợp (Fe và O₂); (Fe và S) sau đó áp dụng định luật bảo toàn electron, bảo toàn nguyên tố N, S để tìm ra kết quả.

 

Ví dụ 7:Hòa tan hoàn toàn hỗn hợp gồm 0,02 mol FeS₂ và 0,03 mol FeS vào lượng dư dung dịch H₂SO₄ đặc nóng, thu được Fe₂(SO₄)₃, SO₂, H₂O. Hấp thụ hết SO₂ bằng lượng vừa đủ dung dịch KMnO₄ thu được dung dịch Y không màu, trong suốt, có pH =2. Thể tích dung dịch Y (lít) là :

1. 11,4.                       B.22,8.                       C. 17,1.                       D. 45,6.

 

Hướng dẫn giải

      Các quá trình oxi hóa – khử :

           FeS₂ + 4H₂O $\to$  Fe⁺³  +  2SO₂ +   8H⁺ +  11e  

mol :    0,02                                0,04               0,22

           FeS  + 2H₂O $\to$  Fe⁺³  +  SO₂+   8H⁺ +  7e                                       

mol :   0,03                                 0,03            0,21

            SO₄^2-  + 4H⁺ + 2e  $\stackrel{}{\to }$  SO₂ + 2H₂O

mol :                         0,43          0,215

      Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có :

      Tổng số mol electron cho = tổng số mol electron nhận = 0,43 mol.

=>số mol SO₂ = 0,04 + 0,03 + 0,215 = 0,285 mol

Phương trình phản ứng :

            5SO₂ + 2KMnO₄ + 2H₂O  $\stackrel{}{\to }$  K₂SO₄ + 2MnSO₄ + 2H₂SO₄ 

mol :    0,285                                                              0,114 

=> số mol H⁺ = 0,114.2 = 0,228

với pH = 2 =>  [H⁺]= 0,01 

=> 0,228/V = 0,01 => V = 22,8 lít.

=> Đáp án B.

 

Dạng 5: Bài tập liên quan đến phản ứng của Fe²⁺ với các dung dịch có tính oxi hóa như KMnO₄/H⁺, K₂Cr₂O₇/H⁺, NO₃^-/H⁺:

 

- Đa số muối sắt (II) tan trong nước, khi kết tinh thường ở dạng ngậm nước như FeSO₄.7H₂O, FeCl₂.4H₂O,...

- Muối sắt (II) có tính khử, bị các chất oxi hóa mạnh oxi hóa thành muối sắt (III). 

 2FeCl₂   +   Cl₂    →   2FeCl₃

     (dd màu lục nhạt)                     (dd màu vàng nâu)

     

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

(dd màu tím hồng)                       (dd màu vàng)

 

* Sử dụng phương pháp bảo toàn electron hoặc phương trình ion rút gọn, nhưng sử dụng phương pháp bảo toàn electron thì ưu việt hơn.

 

Ví dụ 8:Trộn 1 lít dung dịch A gồm K₂Cr₂O₇ 0,15 M và KMnO₄ 0,2M với V lít dung dịch FeSO₄ 1,25M (môi trường H₂SO₄) để phản ứng oxi hóa – khử xảy ra vừa đủ. Giá trị của V là

1. 1,52.                       B. 0,72                        C. 0,8.                         D. 2.

 

Hướng dẫn giải

Ta thấy chất khử là : FeSO₄ ; Chất oxi hóa là K₂Cr₂O₇ và KMnO₄.     

             K₂Cr₂O₇ → 2K⁺       +    Cr₂O₇^2-

       mol:  0,15                              0,15

             KMnO₄ → K⁺           +    MnO₄^-

       mol:  0,2                                0,2

Các quá trình oxi hóa, khử:

               Fe²⁺ → Fe³⁺ +1e

               MnO₄^- + 8H⁺  + 5e → Mn²⁺ +   4H₂O

               Cr₂O₇^2-  + 14H⁺  + 6e → 2Cr³⁺  + 7H₂O

 Áp dụng định luật bảo toàn electron :  số mol Fe²⁺ = 5. số mol MnO₄^-  + 6. số mol Cr₂O₇^2- = 5.0,2+6.0,15 = 1,9 mol

=> Thể tích dung dịch FeSO₄ là 1,9/1,25 =1,52 lít

=> Đáp án A.

 

Dạng 6:  Bài tập liên quan đến phản ứng của Fe³⁺ với các chất có tính khử

      Tùy thuộc vào tính khử của chất khử mà Fe³⁺ có thể bị khử về Fe²⁺ hoặc Fe :

+ Với các kim loại từ Mg đến trước Fe : Có thể khử Fe³⁺ về Fe nếu các kim loại này dư. Thứ tự khử là khử Fe³⁺ về hết Fe²⁺ sau đó khử Fe²⁺ về Fe.

+ Với các kim loại từ Fe đến trước Cu và dung dịch chứa các ion như S^2-, I^-: Chỉ có thể khử Fe³⁺ về Fe²⁺.

           S^2-   +   2Fe³⁺    →    3Fe²⁺   +   S ↓

           2I^-   +   2Fe³⁺    →    2Fe²⁺+   I₂ ↓ 

 

Dạng 7: Bài toán về quặng, luyện gang thép và hợp kim

 

Ví dụ 10: A là quặng hematit chứa 60% Fe₂O₃. B là quặng manhetit chứa 69,6% Fe₃O₄. Trộn m_A tấn quặng A với m_B tấn quặng B thu được quặng C, mà từ 1 tấn quặng C có thể điều chế được 0,5 tấn gang chứa 4% cacbon. Tỉ lệ m_A/m_B là :

     A. 5:2.                         B. 3:4.                         C. 4:3.                         D. 2:5.

 

Hướng dẫn giải

      Số kg Fe có trong 1 tấn của mỗi quặng là :

 Quặng A chứa:60%.1000.(112/160) = 420 kg

 Quặng B chứa:69,6%.1000.(168/232) = 504 kg

 Quặng C chứa: 500.(1-0,04) = 480 kg

      Sơ đồ đường chéo:

=> Đáp án D.