Chuyên đề Phương pháp giải bài tập hỗn hợp sắt và oxit sắt

PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP HỖN HỢP SẮT VÀ OXIT SẮT
A. ĐẶT VẤN ĐỀ:
Bài tập hỗn hợp gồm sắt và oxit sắt là một trong những dạng bài tập mà học sinh hay gặp trong các kỳ thi mà đặc biệt là thi Đại Học. Thông thường những bài tập về sắt và các oxit thường khá phức tạp và xảy ra theo nhiều phương trình phản ứng khác nhau. Để giúp học sinh giải quyết tốt các bài toán về hỗn hợp sắt một cách nhanh chóng tôi thường giới thiệu phương pháp vận dụng các định luật bảo toàn. Đó là nội dung mà bài viết này tôi muốn đề cập. 
B. NỘI DUNG
I. CÁC ĐỊNH LUẬT CẦN VẬN DỤNG
1. Định luật bảo toàn khối lượng:
Nội dung: Khối lượng các chất tham gia phản ứng bằng khối lượng các chất được tạo thành sau phản ứng.
Trong đó chúng ta cần vận dụng các hệ quả
Hệ quả1: Gọi mT là tổng khối lượng các chất trước phản ứng, ms là khối lượng các chất sau phản ứng. Dù phản ứng xảy ra với hiệu suất bất kỳ ta đều có: mT = mS. 
Hệ quả 2: Khi cation kim loại kết hợp với anion phi kim để tạo ra các hợp chất ta luôn có: Khối lượng chất = khối lượng của cation+khối lượng anion. Khối lượng của cation hoặc anion ta coi như bằng khối lượng của nguyên tử cấu tạo thành.
2. Định luật bảo toàn nguyên tố
Nội dung định luật: Tổng khối lượng một nguyên tố trước phản ứng bằng tổng khối lượng của nguyên tố đó sau phản ứng. Nội dung định luật có thể hiểu là tổng số mol của một nguyên tố được bảo toàn trong phản ứng.
3. Định luật bảo toàn electron
Trong phản ứng oxi hóa khử: Số mol electron mà chất khử cho đi bằng số mol electron mà chất oxi hóa nhận về.
Khi vận dụng định luật bảo toàn electron vào dạng toán này cần lưu ý:
Trong phản ứng hoặc một hệ phản ứng chỉ cần quan tâm đến trạng thái đầu và trạng thái cuối mà không cần quan tâm đến trạng thái trung gian.
Nếu có nhiều chất oxi hóa và chất khử thì số mol electron trao đổi là tổng số mol của tất cả chất nhường hoặc nhận electron. 
II. TỔNG QUAN VỀ BÀI TẬP HỖN HỢP SẮT VÀ OXIT SẮT:
Bài tập Fe và hỗn hợp oxit sắt thường có dạng cho khối lượng và cho phản ứng với một chất oxi hóa như H2SO4 đặc nóng hoặc HNO3 hoặc thậm chí là axit thường như HCl.
Giải quyết bài toán: Với giả thiết là cho m gam hỗn hợp gồm Fe và các oxit FeO, Fe3O4, Fe2O3 tác dụng với HNO3 thu được khí NO2 : Ta coi như trong hỗn hợp có x mol Fe, y mol O như vậy ta xét trong phản ứng thì chỉ có chất nhường electron đó là Fe còn chất nhận electron là O và chất oxi hóa HNO3 sản phẩm là V lít NO2 (đktc) và Fe3+ ta sẽ có:
Theo định luật bảo toàn khối lượng: 56x + 16y = m (1)
Theo định luật bảo toàn electron
Chất khử	Chất oxi hóa
y
2y
y
3x
x
Tổng electron nhường: 3x mol	Tổng electron nhận: 2y + 
Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: 3x = 2y + (2)
 Từ (1) và (2) ta có hệ 
Việc giải hệ này khi một khi biết được 2 trong số 4 yếu tố sẽ giải quyết được yêu cầu của bài toán.
Sau đây tôi xin gửi đến một số dạng toán hóa mà chúng ta hay gặp.
III. MỘT SỐ DẠNG BÀI TẬP VẬN DỤNG 
1. Dạng hỗn hợp sắt và các oxit phản ứng với chất oxi hóa mạnh:
Đề bài: 
Cho 11,36 gam hỗn hợp gồm Fe, FeO, Fe2O3 và Fe3O4 phản ứng hết với dung dịch HNO3 loãng (dư), thu được 1,344 lít khí NO (sản phẩm khử duy nhất, ở đktc) và dung dịch X. Cô cạn dung dịch X thu được m gam muối khan. Tính m ?
Phân tích đề: Ta coi như trong hỗn hợp X ban đầu gồm Fe và O. Như vậy xét cả quá trình chất nhường e là Fe chất nhận e là O và . Nếu chúng ta biết được số tổng số mol Fe trong X thì sẽ biết được số mol muối Fe(NO3)3 trong dung dịch sau phản ứng. Do đó chúng ta sẽ giải bài toán này như sau:
Giải: Số mol NO = 0,06 mol.
Gọi số mol Fe và O tương ứng trong X là x và y ta có: 56x + 16y = 11,36 (1).
Quá trình nhường và nhận e: 
Chất khử	Chất oxi hóa
y
2y
y
3x
x
Tổng electron nhường: 3x (mol)	Tổng electron nhận: 2y + (mol)
 Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: 3x = 2y + (2)
Từ (1) và (2) ta có hệ 
Giải hệ trên ta có x = 0,16 và y = 0,15 
Như vậy mol vậy m = 38,72 gam.
Với bài toán này ta cũng có thể quy về bài toán kinh điển: Đốt m gam sắt sau phản ứng sinh ra 11,36 gam hỗn hợp gồm Fe, FeO, Fe2O3 và Fe3O4 . Hỗn hợp này phản ứng hết với dung dịch HNO3 loãng (dư), thu được 1,344 lít khí NO (sản phẩm khử duy nhất, ở đktc). 
Chúng ta sẽ tính m rồi từ suy ra số mol Fe và từ đó tính số mol của sắt.
 Phát triển bài toán: 
Trường hợp 1: Cho nhiều sản phẩm sản phẩm khử như NO2, NO ta có vẫn đặt hệ bình thường tuy nhiên chất nhận e bây giờ là HNO3 thì cho 2 sản phẩm. 
Trường hợp 2: Nếu đề ra yêu cầu tính thể tích hoặc khối lượng của HNO3 thì ta tính số mol dựa vào bảo toàn nguyên tố N khi đó ta sẽ có:
2. Dạng đốt cháy Sắt trong không khí rồi cho sản phẩm phản ứng với chất oxi hóa 
Đề bài 1: Nung nóng 12,6 gam Fe ngoài không khí sau một thời gian thu được m gam hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe2O3 và Fe3O4 . Hỗn hợp này phản ứng hết với dung dịch H2SO4 đặc nóng (dư), thu được 4,2 lít khí SO2 (sản phẩm khử duy nhất, ở đktc). Tính m?
Phân tích đề: Sơ đồ phản ứng
Fe phản ứng với Oxi cho 3 sản phẩm oxit và lượng sắt dư, sau đó hỗn hợp oxit này phản ứng với H2SO4 đặc nóng đưa lên sắt +3. Trong quá trình Oxi nhận e để đưa về O2- có trong oxit và H2SO4(+6) nhận e để đưa về SO2 (+4). 
Như vậy: 	+ Khối lượng oxit sẽ là tổng của khối lượng sắt và oxi. 
	+ Cả quá trình chất nhường e là Fe chất nhận là O và H2SO4.
Giải:Ta có , nFe = 0,225 mol
Gọi số mol oxi trong oxit là x ta có:
Chất khử	Chất oxi hóa
x
2x
0,225 x 3
0,225
Tổng electron nhường: 0,675 mol	Tổng electron nhận: 2x + 0,375 (mol)
Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: 0,675 = 2x + 0,375 x = 0,15
Mặt khác ta có: nên: m = 12,6 + 0,15x16 = 15 (gam).
ĐS: 15 gam.
Đề Bài 2: Nung nóng m gam bột sắt ngoài không khí, sau phản ứng thu được 20 gam hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe2O3 và Fe3O4 . Hòa tan hết X trong dung dịch HNO3 loãng thu được 5,6 lít hỗn hợp khí Y gồm NO và NO2 có tỉ khối so với H2 là 19. Tính m và thể tích HNO3 1M đã dùng?
Phân tích đề: sơ đồ phản ứng
+ Hỗn hợp X gồm Fe và O trong oxit.
+ Xét cả quá trình ta thấy chỉ có Fe nhường e, Chất nhận e là Oxi và HNO3 .
+ HNO3 nhận e để cho NO và NO2.
+ Số mol HNO3 ban đầu bằng số mol HNO3 trong muối và chuyển về các khí.
Giải: Theo đề ra ta có: 
Gọi số mol Fe và O tương ứng trong X là x và y ta có: 56x + 16y = 20 (1).
Quá trình nhường và nhận e: 
Chất khử	Chất oxi hóa
x
3x
y
2y
y
Tổng electron nhường: 3x mol	 Tổng electron nhận: 2y + 0,125+ 0,125x3 (mol)
Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: 3x = 2y + 0,5 (2)
Từ (1) và (2) ta có hệ 
Giải hệ trên ta có x = 0,3 và y = 0,2 
Như vậy nFe = 0,3 mol vậy m = 16,8 gam.
Theo định luật bảo toàn nguyên tố ta có: 
nên mol.
Vậy 
3. Dạng khử không hoàn toàn Fe2O3 sau cho sản phẩm phản ứng với chất oxi hóa mạnh là HNO3 hoặc H2SO4 đặc nóng:
Đề ra: Cho một luồng khí CO đi qua ống sứ đựng m gam Fe2O3 nung nóng. Sau một thời gian thu được 10,44 gam chất rắn X gồm Fe, FeO, Fe2O3 và Fe3O4 . Hòa tan hết X trong dung dịch HNO3 đặc, nóng thu được 4,368 lít NO2 (sản phẩm khử duy nhất ở đktc). Tính m ?
Phân tích đề: Sơ đồ phản ứng
Trong trường hợp này xét quá trình đầu và cuối ta thấy chất nhường e là CO, chất nhận e là HNO3. Nhưng nếu biết tổng số mol Fe trong oxit ta sẽ biết được số mol Fe2O3. Bởi vậy ta dùng chính dữ kiện bài toán hòa tan x trong HNO3 đề tính tổng số mol Fe. 
Giải: Theo đề ra ta có: 
Gọi số mol Fe và O tương ứng trong X là x và y ta có: 56x + 16y = 10,44 (1).
Quá trình nhường và nhận e: 
Chất khử	Chất oxi hóa
x
3x
y
2y
y
Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: 3x = 2y + 0,195 (2)
Từ (1) và (2) ta có hệ 
Giải hệ trên ta có x = 0,15 và y = 0,1275 
Như vậy nFe = 0,15 mol nên m = 12 gam.
Nhận xét: 
Dĩ nhiên trong bài toán trên ta cũng có thể giải theo cách tính số mol O bị CO lấy theo phương trình: 
 và 
Sau đó dựa vào định luật bảo toàn khối lượng ta có: m = 10,44 + mO. 
4. Dạng hỗn hợp oxit sắt phản ứng với axit thường: H+
Tổng quan về dạng này:
Đây không phải là phản ứng oxi hóa khử mà chỉ là phản ứng trao đổi. Trong phản ứng này ta coi đó là phản ứng của: và tạo ra các muối Fe2+ và Fe3+ trong dung dịch. Như vậy nếu biết số mol H+ ta có thể biết được khối lượng của oxi trong hỗn hợp oxit và từ đó có thể tính được tổng số mol sắt trong hỗn hợp ban đầu.
Đề ra: 
Cho 7,68 gam hỗn hợp gồm FeO, Fe3O4, Fe2O3 tác dụng vừa hết với 260 ml HCl 1M thu được dung dịch X. Cho X phản ứng với dung dịch NaOH dư thu được kết tủa Y. Nung Y ngoài không khí đến khối lượng không đổi thu được đến khối lượng không đổi được m(g) chất rắn. Tính m
Phân tích đề: Sơ đồ 
+ Ta coi H+ của axit chỉ phản ứng với O2- của oxit
	+ Toàn bộ Fe trong oxit chuyển về Fe2O3
	+ Từ số mol H+ ta có thể tính được số mol O trong oxit từ đó có thể tính được lượng Fe có trong oxit.
	+ Nung các kết tủa ngoài không khí đều thu được Fe2O3
Giải: Ta có 
Theo phương trình: trong O2- là oxi trong hỗn hợp oxit
	 0,26 0,13
 mà theo định luật bảo toàn khối lượng ta có: mFe + mO =7,68 
Nên mFe = 7.68 – 0,13x16 =5,6(gam) nFe = 0,1 mol
Ta lại có 2FeFe2O3
	 0,1 0,05
Vậy m = 0,05x160 = 8 gam. 
Nhận xét: Ngoài cách giải trên ta cũng có thể quy hỗn hợp về chỉ còn FeO và Fe2O3 vì Fe3O4 coi như là hỗn hợp của FeO.Fe2O3 với số mol như nhau. 
5. Dạng sắt và hỗn hợp oxit sắt phản ứng với axit thường: H+
Tổng quan về dạng này:
Dạng này cơ bản giống dạng thứ 4 tuy nhiên sản phẩm phản ứng ngoài H2O còn có H2 do Fe phản ứng. Như vậy liên quan đến H+ sẽ có những phản ứng sau:
Như vậy chúng ta có thể dựa vào tổng số mol H+ và số mol H2 để tìm số mol của O2- từ đó tính được tổng số mol của Fe.
Đề ra: 
Cho 20 gam hỗn hợp gồm Fe, FeO, Fe3O4, Fe2O3 tác dụng vừa hết với 700 ml HCl 1M thu được dung dịch X và 3,36 lít khí H2 (đktc). Cho X phản ứng với dung dịch NaOH dư thu được kết tủa Y. Nung Y ngoài không khí đến khối lượng không đổi thu được đến khối lượng không đổi được m(g) chất rắn. Tính m
Phân tích đề: Sơ đồ 
+ Ta coi H+ của axit vừa nhận electron để thành H2 và phản ứng với O2- của oxit
+ Toàn bộ Fe trong oxit cuối cùng chuyển về Fe2O3
+ Từ tổng số mol H+ và số mol H2 ta có thể tính được số mol O trong oxit từ đó tính được lượng Fe có trong oxit.
Giải: Ta có 
Ta có phương trình phản ứng theo H+.
Từ (1) ta có (vì số mol H2=0,15mol) như vậy số mol H+ phản ứng theo phản ứng (2) là 0,4 mol( tổng 0,7 mol). Vậy số mol O2- là: 0,2 mol.
mà theo định luật bảo toàn khối lượng ta có: mFe + mO =7,68 
Nên mFe = 20 – 0,2x16 =16,8 (gam) nFe = 0,3 mol
Ta lại có 2FeFe2O3
	 0,3 0,15
Vậy m = 0,15x160 = 24 gam. 
6. Dạng chuyển đổi hỗn hợp tương đương:
Tổng quan:
Trong số oxit sắt thì ta coi Fe3O4 là hỗn hợp của FeO và Fe2O3 có số mol bằng nhau. Như vậy có thể có hai dạng chuyển đổi. Khi đề ra cho số mol FeO và Fe2O3 có số mol bằng nhau thì ta coi như trong hỗn hợp chỉ là Fe3O4. còn nếu không có dữ kiện đó thì ta coi hỗn hợp là FeO và Fe2O3. Như vậy hỗn hợp từ 3 chất ta có thể chuyển thành hỗn hợp 2 chất hoặc 1 chất tương đương.
Bài 1: Hỗn hợp A gồm FeO, Fe2O3, Fe3O4 (trong đó số mol FeO bằng số mol Fe2O3). Hòa tan 4,64 gam trong dung dịch H2SO4 loãng dư được 200 ml dung dịch X . Tính thể tích dung dịch KMnO4 0,1M cần thiết để chuẩn độ hết 100 ml dung dịch X?
Phân tích đề:
Theo để ra số mol FeO bằng số mol của Fe2O3 nên ta coi như hỗn hợp chỉ có Fe3O4. Sau khi phản ứng với H2SO4 sẽ thu được 2 muối là FeSO4 và Fe2(SO4)3. Dung dịch KMnO4 tác dụng với FeSO4 trong H2SO4 dư. Như vậy từ số số mol của Fe3O4 ta có thể tính được số mol của FeSO4 từ đó tính số mol KMnO4 theo phương trình phản ứng hoặc phương pháp bảo toàn electron.
Giải: Vì số mol của FeO bằng số mol của Fe2O3 nên ta coi hỗn hợp
Ta có 
Ptpư:	 Fe3O4 + 4H2SO4 FeSO4 + Fe2(SO4)3 + 4H2O
	 0,02	0,02
Trong 100 ml X sẽ có 0,01 mol FeSO4 nên:
10FeSO4 + 2KMnO4 +8H2SO4 5Fe2(SO4)3 + K2SO4+2MnSO4+8H2O
0,01	0,002
Như vậy ta có hay 20 ml.
Bài tập 2: Cho m gam hỗn hợp oxit sắt gồm FeO, Fe3O4 và Fe2O3 tan vừa hết trong dung dịch H2SO4 tạo thành dung dịch X. Cô cạn dung dịch X thu được 70,4 gam muối, mặt khác cho Clo dư đi qua X rồi cô cạn thì thu được 77,5 gam muối. 
Tính m?
Phân tích đề:
Cho oxit tác dụng với H2SO4 ta sẽ thu được 2 muối FeSO4 và Fe2(SO4)3. Do đó ta có thể coi hỗn hợp ban đầu chỉ gồm hai oxit FeO và Fe2O3. Ta thấy khối lượng muối tăng lên đó là do phản ứng:
2Fe2+ + Cl2 2Fe3+ + 2Cl- 
Như vậy khối lượng tăng lên đó là khối lượng của Clo. Vậy từ khối lượng của Clo ta có thể tính ra số mol của Fe2+ từ đó tính được số mol FeO, mặt khác ta có tổng khối lượng muối FeSO4 và Fe2(SO4)3 mà biết được FeSO4 vậy từ đây ta tính được Fe2(SO4)3 và như vậy biết được số mol của Fe2O3. 
Giải:
Coi hỗn hợp gồm FeO và Fe2O3 ta có phương trình phản ứng:
FeO + H2SO4 FeSO4 + H2O
Fe2O3 + 3H2SO4 Fe2(SO4)3 + 3H2O
Khối lượng tăng lên đó chính là khối lượng của Cl- có trong muối theo phương trình:
2Fe2+ + Cl2 2Fe3+ + 2Cl- 
Vậy Như vậy số 
Mà vậy 
Nên 
Do đó Vậy m = 30,4 gam
IV. MỘT SỐ BÀI TẬP VẬN DỤNG:
Bài 1: Để m g sắt ngoài không khí một thời gian được hỗn hợp rắn gồm Fe, FeO, Fe2O3, và Fe3O4 có tổng khối lượng là 30g. Cho hh này tan trong HNO3 dư được 5.6 lít NO duy nhất (đktc). Tính m? 
Bài 2 Hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe2O3. Cho một luồng khí CO đi qua ống sử dụng mg hh X đun nóng. Sau khi kết thúc thí nghiệm thu được 64g chất rắn và 11.2 lít khí B(đktc)có tỉ khối so với H2 là 20.4. Tính m ?
Bài 3 Để khử hoàn toàn 3,04 gam hỗn hợp Y (gồm FeO, Fe3O4, Fe2O3) thí cần 0,05 mol H2. Mặt khác hoà tan hoàn toàn 3,04 gam hỗn hợp Y trong dung dịch H2SO4 đặc thì thu được khí SO2 (sản phẩm khử duy nhất) . Tính thể tích SO2 (đktc)?
Bài 4 Đốt cháy m gam sắt ngoài không khí sau một thời gian thu được 5,04 gam hỗn hợp X gồm sắt và các oxit sắt. Hòa tan hỗn hợp X trong HNO3 loãng dư thu được 0,784 lít khí(đktc) gồm NO và NO2 có tỉ khối so với H2 là 19. Tính m?
Bài 5 Đốt cháy 16,8 gam bột sắt ngoài không khí, sau một thời gian thu được hỗn hợp X gồm sắt và các oxit. Cho hòa tan hết X trong dung dịch H2SO4 đặc nóng thu được 5,6 lít khí SO2 (sản phẩm khử duy nhât ở đktc)
1. Tính m
2. Nếu thay H2SO4 bằng HNO3 đặc nóng thì thể tích NO2 (đktc) sẽ là bao nhiêu?
Bài 6 Cho một luồng khí CO đi qua ống sứ đựng m gam Fe2O3 nung nóng. Sau một thời gian thu được hỗn hợp X nặng 44,64 gam gồm Fe, FeO, Fe3O4, Fe2O3. Hòa tan X bằng HNO3 loãng dư thu được 3,136 lít khí NO (đktc). Tính m?
Bài 7 Cho một luồng khí CO đi qua ống sứ đựng 18,08 gam Fe2O3 nung nóng. Sau một thời gian thu được hỗn hợp X nặng 13,92 gam gồm Fe, FeO, Fe3O4, Fe2O3. Hòa tan X bằng HNO3 đặc nóng thu được V lít khí NO2 (đktc). Tính V?
C. KẾT LUẬN
Trong khi giảng dạy bồi dưỡng học sinh giỏi và ôn thi đại học tôi đã có rất nhiều trăn trở khi dạy phần hỗn hợp sắt và hợp chất của sắt. Tôi nhận thấy kể cả đề thi học sinh giỏi và đề thi đại học số lượng câu hỏi về sắt và hợp chất sắt luôn chiếm một tỉ lệ nhất định và đặc biệt là những bài toán kinh điển. Trên thực tế như vậy tôi đã mạnh dạn đưa các phương pháp giải bài tập này vào và qua giảng dạy tôi thấy học sinh nắm vấn đề tương đối nhẹ nhàng và có hiệu quả rõ rệt nhất là định hướng và thời gian giải bài tập. Đó cũng là động lực để tôi hoàn thành đề tài này, rât mong nhận được sự quan tâm góp ý của các bạn đồng nghiệp./.