Giải bài tập SGK Hóa 12 Nâng cao Bài 40: Sắt

1. Giải bài 1 trang 198 SGK Hóa 12 nâng cao

Câu a: Vị trí của sắt trong bảng tuần hoàn

Sắt là kim loại chuyển tiếp ở nhóm VIIIB, chu kỳ 4, ô 26.

Câu b: Cấu hình electron nguyên tử và các ion sắt

• Cấu hình electron nguyên tử Fe: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s² hoặc viết gọn [Ar]3p⁶4s².
• Cấu hình electron của Fe²⁺: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶
• Cấu hình electron của Fe³⁺:1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵

Câu c: Tính chất hóa học cơ bản của sắt

Sắt có tính khử trung bình. Các số oxi hóa phổ biến của sắt là +2 và +3.

Fe + S \(\xrightarrow{{{t^o}}}\) FeS

2Fe + 3Cl₂ \(\xrightarrow{{{t^o}}}\) 2FeCl₃ 

Fe + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂

Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu

Đốt nóng một ít bột sắt trong bình đựng khí oxi. Sau đó để nguội và cho vào bình đựng dung dịch HCl. Lập luận về các trường hợp có thể xảy ra và viết các phương trình phản ứng hóa học.

Phương pháp giải

Xét 2 trường hợp oxi dư và oxi thiếu, xác định các chất tham gia để viết phương trình hóa học.

Hướng dẫn giải

Đốt nóng một ít bột sắt trong bình đựng khí oxi:

3Fe + 2O₂ \(\xrightarrow{{{t^o}}}\) Fe₃O₄

• Nếu oxi dư: 4Fe + 3O₂ \(\xrightarrow{{{t^o}}}\) 2Fe₂O₃

Sản phẩm có Fe₂O₃, Fe₃O₄ cho vào dung dịch HCl dư

Fe₃O₄ + 8HCl → FeCl₂ + 2FeCl₃ + 4H₂O

Fe₂O₃ + 6HCl → 2FeCl₃ + 3H₂O

• Nếu oxi thiếu, sắt còn dư:

Sản phẩm có Fe₃O₄ và có thể có Fe dư cho vào dung dịch HCl:

Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑

Fe₃O₄ + 8HCl → FeCl₂ + 2FeCl₃ + 4H₂O

Hãy dùng thuốc thử tự chọn để có thể phân biệt được hai kim loại sau: Al, Fe, Mg, Ag. Trình bày cách nhận biết và viết các phương trình phản ứng hóa học.

Phương pháp giải

Cần dựa vào tính chất hóa học đặc trưng của các kim loại trên để chọn thuốc thử và phương pháp phù hợp.

Hướng dẫn giải

Cách nhận biết các kim loại Al, Fe, Mg, Ag:

Thuốc thử: dung dịch HCl và dung dịch NaOH

• Hòa tan kim loại bằng dung dịch NaOH nhận ra nhôm do nhôm tan ra:

2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂

• Hòa tan 3 kim loại còn lại bằng dung dịch HCl, nhận ra Ag vì không tan còn Fe, Mg tan ra:

Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂

Mg + 2HCl → MaCl₂ + H₂

• Nhỏ dung dịch NaOH vào 2 dung dịch thu được, nhận ra dung dịch MgCl₂ do tạo thành kết tủa màu trắng:

MgCl₂ + 2NaOH → Mg(OH)₂\(^{\downarrow}\) + 2NaCl

• Nhận ra dung dịch FeCl₂ do tạo kết tủa trắng xanh chuyển dần sang màu đỏ nâu:

FeCl₂ + 2NaOH → Fe(OH)₂\(^{\downarrow}\) trắng xanh + 2NaCl

4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O → 4Fe(OH)₃\(^{\downarrow}\) đỏ nâu

Cho một hỗn hợp gồm có 1,12 g Fe và 0,24 g Mg tác dụng với 250 ml dung dịch CuSO₄. Phản ứng thực hiện xong, người ta thu được kim loại có khối lượng là 1,88 g. Tính nồng độ mol của dung dịch CuSO₄ đã dùng.

Phương pháp giải

• Bước 1: Tính khối lượng Fe và Mg.
• Bước 2: Tính độ tăng khối lượng kim loại
• Bước 3: Viết phương trình hóa học, xác định số mol chất rắn sau phản ứng.
• Bước 4: \(\\ n_{CuSO_{4}} = n_{Mg }+ n_{Fe \ pu } \)
• Bước 5: Tính nồng độ mol của dung dịch CuSO₄ đã dùng.

Hướng dẫn giải

n_Fe = 0,02 mol; n_Mg = 0,01 mol

Độ tăng khối lượng của kim loại sau phản ứng: 

\(\Delta m = 1,88 - (1,12 + 0,24) = 0,52gam\)

Mg có tính khử mạnh hơn Fe nên Mg sẽ ưu tiên phản ứng với Cu²⁺

Mg + CuSO₄ → MgSO₄ + Cu (1)

0,01     0,01                      0,01

Nếu Mg đã phản ứng hết thì theo (1) ta có:

\(\Delta m = 0,01.64 - 0,01.24 = 0,4gam\) < 0,52 gam

Như vậy Fe đã phản ứng với Cu²⁺

Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu  (2)

x          x                            x

Chất rắn thu được sau phản ứng:

\(\\ n_{CuSO_{4}} = n_{Mg }+ n_{Fe \ pu } = \frac{0,24}{24} . \frac{0,84}{56} = 0,025 \ mol\)

\(C_{M \ CuSO_{4}} = \frac{0,025}{0,25} = 0,1 M\)

Hòa tan hoàn toàn 58 gam muối CuSO₄.5H₂O trong nước, được 500 ml dung dịch.

a. Tính nồng độ mol của dung dịch CuSO₄ đã pha chế

b. Cho dần mạt sắt đến dư vào dung dịch trên. Trình bày hiện tượng quan sát được và giải thích. Viết phương trình hóa học dạng phân tử và dạng ion rút gọn. Cho biết vai trò của các chất tham gia phản ứng.

c. Khối lượng kim loại sau phản ứng tăng hay giảm là bao nhiêu?

Phương pháp giải

a.

• Bước 1: Tính khối lượng CuSO₄ từ khối lượng muối.
• Bước 2: Tính nồng độ mol theo số mol CuSO₄

b. Dựa vào trạng thái màu sắc của các chất để nêu hiện tượng. Viết phương trình hóa học để giải  thích.

c. Độ tăng hay giảm của kim loại bằng khối lượng kim loại tạo thành trừ khối lượng kim loại tan ra.

Hướng dẫn giải

Câu a

1 mol CuSO₄.5H₂O (250 g) có 1 mol CuSO₄ (160 g)

⇒ 58 g CuSO₄.5H₂O  →      có  37,12 gam  CuSO₄

n_CuSO4 = 37,12 / (64 + 96) = 0,232 mol.

\(C_{M \ CuSO_{4}} = \frac{0,232}{0,5} = 0,464 M\)

Câu b

Hiện tượng: Mạt sắt tan dần, màu xanh của dung dịch nhạt dần có chất màu đỏ xuất hiện.

Phương trình hóa học dạng phân tử:

Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu

Phương trình dạng ion:

Fe + Cu²⁺ → Fe²⁺ + Cu

Fe → Fe²⁺ + 2e   Fe là chất khử

Cu²⁺ + 2e → Cu   Cu²⁺ là chất oxi hóa

Câu c

Độ tăng khối lượng sau phản ứng: 

\(\Delta m = 0,232.(64 - 56) = 1,856gam\)