Bài giảng Sắt và hợp chất của sắt (tiết 3)

 Là chất sắt từ, dễ bị nam châm hóa nên được dùng làm lõi của động cơ điện
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(H2O)6]2+, [Fe(H2O)6]3+, [Fe(CN)6]4-, [Fe(CN)6]3- 
7. Fe là một kim loại hoạt động trung bình.
8. Fe có tác dụng với hầu hết các phi kim khi đun nóng. Với phi kim là những chất oxi hóa mạnh (Cl2, O2,) sẽ thu được các hợp chất trong đó sắt có số oxi hóa +3, phản ứng tỏa nhiệt mạnh:
to
to
 2Fe + 3Cl2 2FeCl3
 3Fe + 2O2 2Fe3O4
(Fe3O4 – oxit sắt từ là một hợp chất ion, tinh thể được tạo nên bởi các ion Fe2+, Fe3+ và O2-. Trung bình trong chất rắn cứ có 1 ion Fe2+ sẽ có 2 ion Fe3+ và 4 ion O2-).
9. Trong không khí ẩm, sắt dễ bị gỉ theo phản ứng:
 4Fe + 3O2 + nH2O 2Fe2O3.nH2O
10. Với phi kim hoạt động yếu như S thì sắt sẽ tạo hợp chất có số oxi hóa +2:
 Fe + S FeS
11. Sắt chỉ phản ứng với nước ở nhiệt độ cao:
to > 570oC
to < 570oC
 Fe + H2O FeO + H2
 3Fe +4H2O Fe3O4 + 4H2
12. Sắt có tác dụng với HCl và H2SO4 loãng tạo ra Fe2+:
 Fe + 2HCl FeCl2 + H2 
Fe + H2SO4 FeSO4 + H2
 (Fe + 2H+ Fe+ + H2)
13. Sắt bị thụ động hóa trong H2SO4 đặc nguội và HNO3 đặc nguội
to
14. Sắt tác dụng với H2SO4 đặc nóng, HNO3 đặc nóng và HNO3 lõng cho muối sắt (III):
to
 2Fe + 6H2SO4(đ) Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 3H2O
to
 Fe + 6HNO3(đ) Fe(NO3)3 + 2NO2 + 3H2O
 Fe + 4HNO3(l) Fe(NO3)3 + NO + 2H2O
15. Sắt có thể đẩy được kim loại hoạt động yếu hơn ra khỏi dung dịch muối của chúng: 
 Fe + CuSO4 FeSO4 + Cu
16. Điều chế Sắt: Sắt tinh khiết được điều chế bằng cách điện phân dung dịch muối sắt (II) hoặc dùng H2 hay Al khử Fe2O3:
đpdd
to
 2FeSO4 + 2H2O 2Fe + O2 + 2H2SO4
to
 Fe2O3 + 3H2 2Fe + 3H2O
 Fe2O3 + 2Al 2Fe + Al2O3
to
17. Sắt kĩ thuật (gang) được điều chế bằng phương pháp nhiệt luyện : dùng than cốc để điều chế CO để khử sắt oxit trong lò cao. Thứ tự các phản ứng:
to
 C + O2 CO2
 CO2 + C 2CO
to
to
 3Fe2O3 + CO 2Fe3O4 + CO2
to
 Fe3O4 + CO FeO + CO2
 FeO + CO2 Fe + CO2
to
Sắt chảy qua C xuống dưới thu được sản phẩm gang lỏng ở 1200oC và xảy ra các phản ứng phụ:
to
 3Fe + C Fe3C
 3Fe + 2CO Fe3C + CO2
 (xementit)
to
Ngoài ra còn thu được xỉ từ các phản ứng phụ sau:
to
 CaCO3 CaO + CO2
 CaO + SiO2(cát) CaSiO3 (xỉ)
Và khí lò cao gồm CO, H2, CH4, .... dùng làm nhiên liệu.
18. Luyện thép:
Khoảng 90% lượng gang sản xuất được trong lò cao được dùng và mục đích luyện thép. Đó là quá trình oxi hóa để loại bỏ các tạp chất có trong gang như C, S, P, Si, Mn, .... dưới dạng khí như CO, CO2, SO2 hoặc chuyển thành xỉ (dùng sản xuất xi măng)
Ngày nay có một số phương pháp luyện thép chủ yếu sau đây:
to
Phương pháp Bessemer: thổi không khí vào trong gang lỏng để đốt cháy các tạp chất trong gang:
to
 2Mn + O2 2MnO
to
 Si + O2 SiO2
to
 C + O2 CO2
to
 2Fe + O2 2FeO
to
 FeO + SiO2 FeSiO3	 
 MnO + SiO2 MnSiO3	xỉ
 * Đặc điểm:
- Xảy ra nhanh (15 – 20 phút), không cho phép điều chỉnh được thành phần của thép.
- Không loại bỏ được P, S do đó không luyện được thép nếu gang có chứa những tạp chất đó.
2. Phương pháp Bessemer cải tiến: 
to
a) Phương pháp Thomas: Lót bằng gạch chứa MgO và CaO để loại bỏ P:
to
 4P + 5O2 2P2O5
 P2O5 + 3CaO Ca3(PO4)2
* Đặc điểm: Cho phép loại được P nhưng không loại được lưu huỳnh.
b) Phương pháp thổi Oxi: thay không khí bằng O2 tinh khiết có áp suất cao (khoảng 10atm) để oxi hóa hoàn toàn các tạp chất. Đây là phương pháp hiện đại nhất hiện nay.
* Đặc điểm: 
- Nâng cao chất lượng và chủng loại thép
- Dùng được quặng sắt và sắt thép gỉ để làm phối liệu
- Khí O2 có tốc độ 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.
* Đặc điểm: - tốn nhiên liệu để đốt lò
- Xảy ra chậm (6 – 8h) nên kiểm soát được chất lượng thép theo ý muốn.
4. Phương pháp hồ quang điện: nhờ nhiệt độ trong lò điện cao (> 3000oC) nên có thể luyện được các loại thép đặc biệt chứa những kim loại khó nóng chảy như Mo, W, ...
* Đặc điểm: luyện được 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 đen, không tan trong nước
FeO là oxit bazo, tác dụng dễ dàng với dung dịch axit:
to
 FeO + 2H+ Fe2+ + H2O
to
FeO thể hiện tính khử: tác dụng được với các chất oxi hóa mạnh như H2SO4 đặc, nóng, HNO3 đặc nóng, HNO3 loãng:
to
 2FeO + 4H2SO4(đ) Fe2(SO4)3 + SO2 + 4H2O
to
 3FeO + 10HNO3(l) 3Fe(NO3)3 + NO + 5H2O
 FeO + 4HNO3(đ) Fe(NO3)3 + NO2 + 2H2O
to
FeO có tính oxi hóa: tác dụng được với các chất khử như Al, CO, H2,...
to
 3FeO + 2Al Al2O3 + 3Fe
to
 FeO + CO CO2 + Fe
 FeO + H2 Fe + H2O
 Điều chế FeO bằng cách Oxi hóa Fe hoặc khử Fe2O3:
to > 570oC
 Fe + H2O FeO + H2
500oC
500oC
 Fe2O3 + H2 2FeO + H2O
 Fe2O3 + CO 2FeO + CO2
2. Sắt (II) hiddroxxit: Fe(OH)2
to
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 đỏ:
 4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O 4Fe(OH)3 
Phản ứng nhiệt phân Fe(OH)2:
to
+ không có không khí:
 Fe(OH)2 FeO + H2O
to
+ có không khí:
to
 4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O 4Fe(OH)3
 2x 2Fe(OH)3 Fe2O3 + 3H2O
to
 4Fe(OH)2 + O2 2Fe2O3 + 3H2O
Fe(OH)2 thể hiện tính bazo :tác dụng với dung dịch axit.
to
 Fe(OH)2 + 2H+ Fe2+ + 2H2O
to
Fe(OH)2 có tính khử khi tác dụng với oxi không khí, H2SO4 đặc, HNO3,... 
to
 2Fe(OH)2 + 4H2SO4(đặc) Fe2(SO4)3 + SO2 +6H2O
to
 3Fe(OH)2 +10HNO3(loãng) 3Fe(NO3)3 + NO + 8H2O
 Fe(OH)2 + 4HNO3(đặc) Fe(NO3)3 + NO2 + 3H2O
Điều chế Fe(OH)2 bằng cách cho muối sắt (II) tác dụng với dung dịch kiềm mạnh:
 FeSO4 +2KOH Fe(OH)2 +K2SO4
Kết tủa Fe(OH)2 tinh khiết chỉ được 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: FeSO4.7H2O, FeCl2.6H2O, Fe(ClO4)2.6H2O,...
Muối sắt (II) dễ bị oxi hóa bởi không khí và các châ oxi hóa mạnh để chuyển thành muối sắt (III):
 4FeSO4 + O2 +2H2O 4Fe(OH)SO4
 2FeCl2 +Cl2 2FeCl3
 6FeSO4 +K2Cr2O7 +7H2SO4 3Fe(SO4)3 +Cr(SO4)3 +K2SO4 +7H2O
Dùng dung dịch KMnO4 trong mối trường axit để chuẩn độ dung dịch muối sắt (II) :
10FeSO4 +2KMnO4 +8H2SO4 5Fe2(SO4)3 +2MnSO4 +K2SO4 +8H2O
Trong môi trường trung tính và kiềm:
 6FeSO4 +2KMnO4 +H2O Fe2O3 +2Fe2(SO4)3 + 2MnO2 +2KOH
 FeSO4 +KMnO4 +3KOH Fe(OH)3 +K2MnO4 + K2SO4
Sắt (II) cacbonat FeCO3 
 FeCO3 +2HCl FeCl2 +CO2 +H2O
 FeCO3 +H2SO4 (loãng) FeSO4 + CO2 +H2O
 2FeCO3 +4H2SO4(đặc) Fe2(SO4)3 +SO2 + 2CO2 + 4H2O
 3FeCO3 +10HNO3 (loãng) 3Fe(NO3)3 + NO + 3CO2 + 5H2O
 FeCO3 + 4HNO3 (đặc) Fe(NO3)3 +NO2 + CO2 +2H2O
Nung FeCO3:
+ to
Trong không khí:
 FeCO3 FeO +CO2
 2FeO + 1\2 O2 Fe2O3
to
+ Trong chân không:
 FeCO3 FeO +CO2
to
 Nung FeSO4:
 2FeSO4 Fe2O3 +SO2 +SO3
Tính oxi hóa:Ag>Fe
Tính khử :Fe>Ag
Nên có phản ứng: Fe(NO3)2 +AgNO3 Fe(NO3)3 +Ag
II. HỢP CHẤT SẮT(III)
Sắt (III) oxit Fe2O3
to
Fe2O3 là chất rắn màu đỏ nâu, không tan trong nước, bị nhiệt phân chuyển thành oxit sắt rừ Fe3O4:
 6Fe2O3 4Fe3O4 + O2
Fe2O3 có tính bazo :tác dụng với dung dịch axit
 Fe2O3 + 6H+ 2Fe3+ + 3H2O
tonc
Fe2O3 có tính axit yếu:tan được trong xút rắn nóng chảy hoặc cacbonat kim loại kiềm nóng chảy, tạo muối ferit:
 Fe2O3 +2NaOH 2NaFeO2 + H2O
tonc
 (rắn)
 Fe2O3 +2Na2CO3 2NaFeO2 + CO2
 (rắn) (màu vàng)
Chú ý : Oxit sắt từ Fe3O4 cũng được coi là sắt (II) ferit Fe(FeO2)2 trong đó tỉ lệ Fe+2 : Fe+3 = 1:2
tonc
Fe2O3 có tính oxi hóa yếu :tác dụng được với các chất khử như Al, H2,CO,.... ở nhiệt độ cao.
 Fe2O3 +2Al 2Fe +Al2O3
CO
CO
CO
 Fe2O3 Fe3O4 FeO Fe
to
Fe2O3 có sẵn trong thiên nhiên dưới dạng quặng hematit, Fe2O3 được điều chế bằng cách nhiệt phân Fe(OH)3:
 2Fe(OH)3 Fe2O3 +3H20
2. Sắt (III) Hidroxit: Fe(OH)3 
Fe(OH)3 kết tủa màu nâu đỏ, không tan trong nước và có tính lưỡng tính: tan dễ trong dung dịch axit và tan được trong dung dịch kiềm đặc nóng hoặc Na2CO3 hay K2CO3 nóng chảy:
to
 Fe(OH)3 + 3HCl FeCl3 + 3H2O
nc
 Fe(OH)3 + NaOH(đ) NaFeO2 + 2H2O
 2Fe(OH)3 + K2CO3 2K2FeO2 + CO2 + 3H2O
Fe(OH)3 được điều chế bằng cách cho muối sắt (III) phản ứng với dung dịch kiềm:
 Fe3+ + 3OH- Fe(OH)3
3.Muối Sắt (III)
Muối Sắt (III) kết tinh từ dung dịch thường ở dạng tinh thể hidrat: Fe(OH)3.6H2O, Fe2(SO4)3.9H2O,
Muối Sắt (III) dễ bị thủy phân tương tự muối Nhôm (III) và muối Crom (III):
 Fe3+ + H2O Fe(OH)2+ + H+
 Fe(OH)2+ + H2O Fe(OH)2 + + H+
 Fe(OH)2+ + H2O 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.
Dung dịch muối Fe2(CO3)3 không tồn tại do bị thủy phân:
 Fe2(CO3)3 + 3H2O 2Fe(OH)3 + 3CO2
Muối sắt (III) thể hiện tính oxy hóa:
 2FeCl3 + Fe 3FeCl2
 3FeCl3 + Cu FeCl2 + CuCl2
 2FeCl3 + 2KI 2FeCl2 + I2 + 2KCl
 2FeCl3 + H2S 2FeCl2 + S + 2HCl
Nhận biết muối sắt (III) nhờ tác dụng với dung dịch muối kali hoặc muối amoni sunfoxianua (KSCN, NH4SCN) để tạo muối sắt (III) sunfoxianua màu đỏ máu:
 FeCl3 + 3KSCN Fe(SCN)3 + 3KCl
Fe+3
Đối với Fe2+ và Fe3+ thì có thể nhận biết qua phức xyanua:
 Fe2+ + 6CN- [Fe(CN)6]4- Fe4[Fe(CN)6]3
Fe+3
 Feroxianua xanh Prusse
 Fe3+ + 6CN- [Fe(CN)6]3- Fe3[Fe(CN)6]2
 Feroxianua xanh Turn bull
Các muối Fe3+ được điều chế bằng cách oxi hóa các muối sắt (II) hoặc sắt (II) hiddroxxit bằng các axit tương ứng:
 3Fe(OH)2 + 10HNO3 3Fe(NO3)3 + NO + 8H2O
 6FeSO4 + K2Cr2O7 + 7H2SO4 3Fe2(SO4)3 + K2SO4 + Cr2(SO4)3 + 7H2O
HỢP CHẤT SẮT (VI)
tonc
Điều chế: Oxi hóa Fe(OH)3 hoặc Fe2O3 trong môi trường kiềm mạnh
 Fe2O3 + 3KNO3 + 4KOH 2K2FeO4 + 3KNO2 + 2H2O
 2Fe(OH)3 + 3Br2 + 10KOH 2K2FeO4 + 6KBr + 8H2O
 (sắt tetraoxoferat)
to
Hợp chất sắt (VI) màu đỏ, không bền, khi đun nóng nhẹ bị phân hủy giải phóng oxi:
 4K2FeO4 4K2FeO2 + 2K2O + 3O2
 (kali ferit)
Thể hiện tính oxi hóa mạnh:
 2K2FeO4 + 2NH3 2K2FeO2 + N2 + 2KOH + 2H2O
Ferat chỉ bền trong môi trường kiềm mạnh, khi tan trong nước giải phóng oxi:
 4K2FeO2