Lý thuyết sắc và các hợp chất hóa 2010

Phạm Huy Quang Sắt và hợp chất

1


Phạm Huy Quang


Bài Giảng

SẮT VÀ HỢP CHẤT CỦA SẮT

Fe
26
56
Phạm Huy Quang Sắt và hợp chất

2
A. SẮT – Cấu tạo và tính chất
Cần chú ý những ñiểm chính về sắt như sau:
1. Cấu hình electron: Z = 26


1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
3d
6
4s
2

2. Fe có các số oxi hóa +2, +3, +6 (ñặc trưng là +2 và +3)
3. Fe nguyên chất có màu trắng bạc, tương ñối nặng, dẫn ñiện và dẫn
nhiệt tốt (nhưng kém hơn ðồng và Nhôm). Sắt có tính dẻo, dễ dát mỏng
và kéo sợi.
4. Là chất sắt từ, dễ bị nam châm hóa nên ñược dùng làm lõi của ñộng
cơ ñiện
5. Hợp chất sắt (II) có màu lục lục nhạt, muối sắt (III) có màu nâu.
6. Fe có khả năng tạo nhiều phức chất như [Fe(H
2
O)
6
]
2+
, [Fe(H
2
O)
6
]
3+
,
[Fe(CN)
6
]
4-
, [Fe(CN)
6
]
3-
…

7. Fe là một kim loại hoạt ñộng trung bình.
8. Fe có tác dụng với hầu hết các phi kim khi ñun nóng. Với phi kim là
những chất oxi hóa mạnh (Cl
2
, O
2
,…) sẽ thu ñược các hợp chất trong ñó
sắt có số oxi hóa +3, phản ứng tỏa nhiệt mạnh:

2Fe + 3Cl
2
2FeCl
3

3Fe + 2O
2
2Fe
3
O
4

(Fe
3
O
4
– oxit sắt từ là một hợp chất ion, tinh thể ñược tạo nên bởi các
ion Fe
2+
, Fe
3+

và O
2-
. Trung bình trong chất rắn cứ có 1 ion Fe
2+
sẽ có 2
ion Fe
3+
và 4 ion O
2-
).
9. Trong không khí ẩm, sắt dễ bị gỉ theo phản ứng:
4Fe + 3O
2
+ nH
2
O 2Fe
2
O
3
.nH
2
O
10. Với phi kim hoạt ñộng yếu như S thì sắt sẽ tạo hợp chất có số oxi
hóa +2:

t
o

t
o

Phạm Huy Quang Sắt và hợp chất

3
Fe + S FeS
11. Sắt chỉ phản ứng với nước ở nhiệt ñộ cao:

Fe + H
2
O FeO + H
2

3Fe +4H
2
O Fe
3
O
4
+ 4H
2

12. Sắt có tác dụng với HCl và H2SO4 loãng tạo ra Fe2+:
Fe + 2HCl FeCl
2
+ H
2

Fe + H
2

SO
4
FeSO
4
+ H
2

(Fe + 2H
+
Fe
+
+ H2)
13. Sắt bị thụ ñộng hóa trong H
2
SO
4
ñặc nguội và HNO
3
ñặc nguội
14. Sắt tác dụng với H
2
SO
4
ñặc nóng, HNO
3
ñặc nóng và HNO
3
lõng
cho muối sắt (III):
2Fe + 6H

2
SO
4
(ñ) Fe
2
(SO
4
)
3
+ 3SO
2
+ 3H
2
O
Fe + 6HNO
3
(ñ) Fe(NO
3
)
3
+ 2NO
2
+ 3H
2
O
Fe + 4HNO
3
(l) Fe(NO
3
)

3
+ NO + 2H
2
O
15. Sắt có thể ñẩy ñược kim loại hoạt ñộng yếu hơn ra khỏi dung dịch
muối của chúng:
Fe + CuSO
4
FeSO
4
+ Cu
16. ðiều chế Sắt: Sắt tinh khiết ñược ñiều chế bằng cách ñiện phân dung
dịch muối sắt (II) hoặc dùng H
2
hay Al khử Fe
2
O
3
:

2FeSO
4
+ 2H
2
O 2Fe + O
2
+ 2H
2
SO
4

Fe
2
O
3
+ 3H
2
2Fe + 3H
2
O
Fe
2
O
3
+ 2Al 2Fe + Al
2
O
3


17. Sắt kĩ thuật (gang) ñược ñiều chế bằng phương pháp nhiệt luyện :
dùng than cốc ñể ñiều chế CO ñể khử sắt oxit trong lò cao. Thứ tự các
phản ứng:
C + O
2
CO
2

CO
2

+ C 2CO

t
o
> 570
o
C
t
o
< 570
o
C


t
o

t
o

t
o


t
o

t
o

ñpdd

t
o

t
o

Phạm Huy Quang Sắt và hợp chất

4
3Fe
2
O
3
+ CO 2Fe
3
O
4
+ CO
2

Fe
3
O
4
+ CO FeO + CO
2

FeO + CO

2
Fe + CO
2

Sắt chảy qua C xuống dưới thu ñược sản phẩm gang lỏng ở 1200
o
C và
xảy ra các phản ứng phụ:
3Fe + C Fe
3
C
3Fe + 2CO Fe
3
C + CO
2

(xementit)
Ngoài ra còn thu ñược xỉ từ các phản ứng phụ sau:
CaCO
3
CaO + CO2
CaO + SiO
2(cát)
CaSiO
3

(xỉ)

Và khí lò cao gồm CO, H
2

, CH
4
, .... dùng làm nhiên liệu.
18. Luyện thép:
Khoảng 90% lượng gang sản xuất ñược trong lò cao ñược dùng và mục
ñích luyện thép. ðó là quá trình oxi hóa ñể loại bỏ các tạp chất có trong
gang như C, S, P, Si, Mn, .... dưới dạng khí như CO, CO
2
, SO
2
hoặc
chuyển thành xỉ (dùng sản xuất xi măng)
Ngày nay có một số phương pháp luyện thép chủ yếu sau ñây:
1. Phương pháp Bessemer: thổi không khí vào trong gang lỏng ñể
ñốt cháy các tạp chất trong gang:
2Mn + O
2
2MnO
Si + O
2
SiO
2

C + O
2
CO
2

2Fe + O
2

2FeO
FeO + SiO
2
FeSiO
3

MnO + SiO
2
MnSiO
3
xỉ
* ðặc ñiểm:
- Xảy ra nhanh (15 – 20 phút), không cho phép ñiều chỉnh ñược thành
phần của thép.
t
o

t
o

t
o

t
o

t
o

t

o

t
o

t
o

t
o

t
o

t
o

t
o

t
o

Phạm Huy Quang Sắt và hợp chất

5
- Không loại bỏ ñược P, S do ñó không luyện ñược thép nếu gang có
chứa những tạp chất ñó.
2. Phương pháp Bessemer cải tiến:
a) Phương pháp Thomas

: Lót bằng gạch chứa MgO và CaO ñể loại bỏ P:
4P + 5O
2
2P
2
O
5

P
2
O
5
+ 3CaO Ca
3
(PO
4
)
2

* ðặc ñiểm: Cho phép loại ñược P nhưng không loại ñược lưu huỳnh.
b) Phương pháp thổi Oxi: thay không khí bằng O2 tinh khiết có áp suất
cao (khoảng 10atm) ñể oxi hóa hoàn toàn các tạp chất. ðây là phương
pháp hiện ñại nhất hiện nay.
* ðặc ñiểm:
- Nâng cao chất lượng và chủng loại thép
- Dùng ñược quặng sắt và sắt thép gỉ ñể làm phối liệu
- Khí O
2
có tốc ñộ lớn xuyên qua phế liệu nóng chảy và oxi hóa các tạp
chất một cách nhanh chóng. Nhiệt lượng tỏa ra trong phản ứng oxi hóa

giữ cho phối liệu trong lò luôn ở thể lỏng.
- Công suất tối ưu.
3. Phương pháp Martin: chất oxi hóa là oxi không khí và cả sắt oxit của
quặng sắt.
* ðặc ñiểm: - tốn nhiên liệu ñể ñốt lò
- Xảy ra chậm (6 – 8h) nên kiểm soát ñược chất lượng thép theo ý muốn.
4. Phương pháp hồ quang ñiện: nhờ nhiệt ñộ trong lò ñiện cao (>
3000
o
C) nên có thể luyện ñược các loại thép ñặc biệt chứa những kim
loại khó nóng chảy như Mo, W, ...
* ðặc ñiểm: luyện ñược thép chuyên dụng với chất lượng cao.
B. HỢP CHẤT CỦA SẮT (II, III, VI)
I. HỢP CHẤT SẮT (II)
1. Sắt (II) oxit: FeO
• FeO là chất rắn màu ñen, không tan trong nước
• FeO là oxit bazo, tác dụng dễ dàng với dung dịch axit:
t
o

t
o

Phạm Huy Quang Sắt và hợp chất

6
FeO + 2H
+
Fe
2+

+ H
2
O
• FeO thể hiện tính khử: tác dụng ñược với các chất oxi hóa mạnh
như H
2
SO
4
ñặc, nóng, HNO
3
ñặc nóng, HNO
3
loãng:
2FeO + 4H
2
SO
4
(ñ) Fe
2
(SO
4
)
3
+ SO
2
+ 4H
2
O
3FeO + 10HNO
3

(l) 3Fe(NO
3
)
3
+ NO + 5H
2
O
FeO + 4HNO
3
(ñ) Fe(NO
3
)
3
+ NO
2
+ 2H
2
O
• FeO có tính oxi hóa: tác dụng ñược với các chất khử như Al, CO, H
2
,...
3FeO + 2Al Al
2
O
3
+ 3Fe
FeO + CO CO
2
+ Fe
FeO + H

2
Fe + H
2
O
• ðiều chế FeO bằng cách Oxi hóa Fe hoặc khử Fe
2
O
3
:

Fe + H
2
O FeO + H
2

Fe
2
O
3
+ H
2
2FeO + H
2
O
Fe
2
O
3
+ CO 2FeO + CO
2

2. Sắt (II) hiddroxxit: Fe(OH)
2

• Fe(OH)2 là chất kết tủa màu trắng, không bền, dễ bị oxi hóa từ từ
trong không khí ẩm chuyển về Fe(OH)
3
, màu nâu ñỏ:
4Fe(OH)
2
+ O
2
+ 2H
2
O 4Fe(OH)
3

• Phản ứng nhiệt phân Fe(OH)
2
:
+ không có không khí:
Fe(OH)
2
FeO + H
2
O
+ có không khí:
4Fe(OH)
2
+ O

2
+ 2H
2
O 4Fe(OH)
3

2x 2Fe(OH)
3
Fe
2
O
3
+ 3H
2
O

4Fe(OH)
2
+ O
2
2Fe
2
O
3
+ 3H
2
O
• Fe(OH)
2
thể hiện tính bazo :tác dụng với dung dịch axit.

Fe(OH)
2
+ 2H
+
Fe
2+
+ 2H
2
O
t
o
> 570
o
C
t
o

t
o

t
o

t
o

t
o

500

o
C
t
o

t
o

500
o
C
t
o

t
o

t
o

t
o

t
o

t
o

Phạm Huy Quang Sắt và hợp chất

7
• Fe(OH)
2
có tính khử khi tác dụng với oxi không khí, H
2
SO
4
ñặc,
HNO
3
,...
2Fe(OH)
2
+ 4H
2
SO
4
(ñặc) Fe
2
(SO
4
)
3
+ SO
2
+6H
2
O
3Fe(OH)

2
+10HNO
3
(loãng) 3Fe(NO
3
)
3
+ NO + 8H
2
O
Fe(OH)
2
+ 4HNO
3
(ñặc) Fe(NO
3
)
3
+ NO
2
+ 3H
2
O
• ðiều chế Fe(OH)
2
bằng cách cho muối sắt (II) tác dụng với dung
dịch kiềm mạnh:
FeSO
4
+2KOH Fe(OH)

2
+K
2
SO
4

• Kết tủa Fe(OH)
2
tinh khiết chỉ ñược tạo nên ở dạng khí quyển và
dung dịch hoàn toàn không có oxi.
3. Muối sắt (II)
• Muối sắt (II) kết tinh từ dung dịch thường ở dưới dạng tinh thể
hidrat(ngậm nước) như: FeSO
4
.7H
2
O, FeCl
2
.6H
2
O,
Fe(ClO
4
)
2
.6H
2
O,...
• Muối sắt (II) dễ bị oxi hóa bởi không khí và các châ oxi hóa
mạnh ñể chuyển thành muối sắt (III):

4FeSO
4
+ O
2
+2H
2
O 4Fe(OH)SO
4

2FeCl
2
+Cl
2
2FeCl
3

6FeSO
4
+K
2
Cr
2
O
7
+7H
2
SO
4
3Fe(SO
4

)
3
+Cr(SO
4
)
3
+K
2
SO
4
+7H
2
O
• Dùng dung dịch KMnO4 trong mối trường axit ñể chuẩn ñộ dung
dịch muối sắt (II) :
10FeSO
4
+2KMnO
4
+8H
2
SO4 5Fe
2
(SO
4
)
3
+2MnSO
4
+K

2
SO
4
+8H
2
O
• Trong môi trường trung tính và kiềm:

6FeSO
4
+2KMnO
4
+H
2
O Fe
2
O
3
+2Fe
2
(SO
4
)
3
+ 2MnO
2
+2KOH
FeSO
4
+KMnO

4
+3KOH Fe(OH)
3
+K
2
MnO
4
+ K
2
SO
4

• Sắt (II) cacbonat FeCO
3

FeCO
3
+2HCl FeCl
2
+CO
2
+H
2
O
FeCO
3
+H
2
SO
4

(loãng) FeSO
4
+ CO
2
+H
2
O
2FeCO
3
+4H
2
SO
4
(ñặc) Fe
2
(SO
4
)
3
+SO
2
+ 2CO
2
+ 4H
2
O
3FeCO
3
+10HNO
3

(loãng) 3Fe(NO
3
)
3
+ NO + 3CO
2
+ 5H
2
O
t
o

t
o

t
o












Phạm Huy Quang Sắt và hợp chất

8
FeCO
3
+ 4HNO
3
(ñặc) Fe(NO
3
)
3
+NO
2
+ CO
2
+2H
2
O
• Nung FeCO3:

+ Trong không khí:
FeCO
3
FeO +CO
2

2FeO + 1\2 O
2
Fe
2
O

3

+ Trong chân không:
FeCO
3
FeO +CO
2

• Nung FeSO
4
:
2FeSO
4
Fe
2
O
3
+SO
2
+SO
3

Tính oxi hóa:Ag>Fe
Tính khử :Fe>Ag
Nên có phản ứng: Fe(NO
3
)
2
+AgNO
3

Fe(NO
3
)
3
+Ag
II. HỢP CHẤT SẮT(III)
1. Sắt (III) oxit Fe
2
O
3

• Fe
2
O
3
là chất rắn màu ñỏ nâu, không tan trong nước, bị
nhiệt phân chuyển thành oxit sắt rừ Fe
3
O
4
:
6Fe
2
O
3
4Fe
3
O
4
+ O

2

• Fe
2
O
3
có tính bazo :tác dụng với dung dịch axit
Fe
2
O
3
+ 6H
+
2Fe
3+
+ 3H
2
O
• Fe
2
O
3
có tính axit yếu:tan ñược trong xút rắn nóng chảy hoặc
cacbonat kim loại kiềm nóng chảy, tạo muối ferit:
Fe
2
O
3
+2NaOH 2NaFeO
2

+ H
2
O
(rắn)
Fe
2
O
3
+2Na
2
CO
3
2NaFeO
2
+ CO
2

(rắn) (màu vàng)
• Chú ý : Oxit sắt từ Fe
3
O
4
cũng ñược coi là sắt (II) ferit
Fe(FeO
2
)
2
trong ñó tỉ lệ Fe
+2
: Fe

+3
= 1:2

t
o


t
o

t
o


t
o


t
o
nc
t
o
nc
Phạm Huy Quang Sắt và hợp chất

9
• Fe
2
O

3
có tính oxi hóa yếu :tác dụng ñược với các chất khử
như Al, H
2
,CO,.... ở nhiệt ñộ cao.
Fe
2
O
3
+2Al 2Fe +Al
2
O
3

Fe
2
O
3
Fe
3
O
4
FeO Fe
• Fe
2
O
3
có sẵn trong thiên nhiên dưới dạng quặng hematit,
Fe
2

O
3
ñược ñiều chế bằng cách nhiệt phân Fe(OH)
3
:
2Fe(OH)
3
Fe
2
O
3
+3H
2
0
2. Sắt (III) Hidroxit: Fe(OH)
3

• Fe(OH)
3
kết tủa màu nâu ñỏ, không tan trong nước và có tính
lưỡng tính: tan dễ trong dung dịch axit và tan ñược trong
dung dịch kiềm ñặc nóng hoặc Na
2
CO
3
hay K
2
CO
3
nóng

chảy:
Fe(OH)
3
+ 3HCl FeCl
3
+ 3H
2
O
Fe(OH)
3
+ NaOH(ñ) NaFeO
2
+ 2H
2
O
2Fe(OH)
3
+ K
2
CO
3
2K
2
FeO
2
+ CO
2
+ 3H
2
O

• Fe(OH)
3
ñược ñiều chế bằng cách cho muối sắt (III) phản ứng
với dung dịch kiềm:
Fe
3+
+ 3OH
-
Fe(OH)
3

3.Muối Sắt (III)
• Muối Sắt (III) kết tinh từ dung dịch thường ở dạng tinh thể
hidrat: Fe(OH)
3
.6H
2
O, Fe
2
(SO
4
)
3
.9H
2
O,…
• Muối Sắt (III) dễ bị thủy phân tương tự muối Nhôm (III) và muối
Crom (III):
Fe
3+

+ H
2
O

Fe(OH)
2+
+ H
+

Fe(OH)
2+
+ H
2
O Fe(OH)
2
+
+ H
+

Fe(OH)
2
+
+ H
2
O Fe(OH)
3
+ H
+

Sự thủy phân tạo nên các ion Fe(OH)

2+
, Fe(OH)
2
+
, Fe(OH)
3
làm cho
dung dịch muối sắt (III) có màu vàng nâu.
t
o
nc
CO
CO
CO
t
o


t
o

nc

Phạm Huy Quang Sắt và hợp chất

10
• Dung dịch muối Fe
2
(CO
3

)
3
không tồn tại do bị thủy phân:
Fe
2
(CO
3
)
3
+ 3H
2
O 2Fe(OH)
3
+ 3CO
2

• Muối sắt (III) thể hiện tính oxy hóa:
2FeCl
3
+ Fe 3FeCl
2

3FeCl
3
+ Cu FeCl2 + CuCl
2

2FeCl
3
+ 2KI 2FeCl

2
+ I
2
+ 2KCl
2FeCl
3
+ H
2
S 2FeCl
2
+ S + 2HCl
• Nhận biết muối sắt (III) nhờ tác dụng với dung dịch muối kali hoặc
muối amoni sunfoxianua (KSCN, NH
4
SCN) ñể tạo muối sắt (III)
sunfoxianua màu ñỏ máu:
FeCl
3
+ 3KSCN Fe(SCN)
3
+ 3KCl
• ðối với Fe
2+
và Fe
3+
thì có thể nhận biết qua phức xyanua:
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
• Các muối Fe
3+

ñược ñiều chế bằng cách oxi hóa các muối sắt (II)
hoặc sắt (II) hiddroxxit bằng các axit tương ứng:
3Fe(OH)
2
+ 10HNO
3
3Fe(NO
3
)
3
+ NO + 8H
2
O
6FeSO
4
+ K
2
Cr
2
O
7
+ 7H
2
SO
4
3Fe
2
(SO
4
)

3
+ K
2
SO
4
+ Cr
2
(SO
4
)
3
+ 7H
2
O
HỢP CHẤT SẮT (VI)
• ðiều chế: Oxi hóa Fe(OH)
3
hoặc Fe
2
O
3
trong môi trường kiềm mạnh
Fe
2
O
3
+ 3KNO
3
+ 4KOH 2K
2

FeO4 + 3KNO
2
+ 2H
2
O
2Fe(OH)
3
+ 3Br
2
+ 10KOH 2K
2
FeO
4
+ 6KBr + 8H
2
O
(sắt tetraoxoferat)
• Hợp chất sắt (VI) màu ñỏ, không bền, khi ñun nóng nhẹ bị phân
hủy giải phóng oxi:
4K
2
FeO
4
4K
2
FeO
2
+ 2K
2
O + 3O

2

(kali ferit)
• Thể hiện tính oxi hóa mạnh:





Fe
+3
Fe
+3




t
o
nc

t
o