Bài học

Sắt — vị trí, cấu tạo và tính chất hoá học của đơn chất

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em viết được các phương trình hoá học minh hoạ tính khử của sắt khi tác dụng với phi kim, dung dịch acid và dung dịch muối, xác định đúng số oxi hoá của Fe trong từng sản phẩm, và giải thích được vì sao đơn chất sắt lại có hai số oxi hoá phổ biến +2 và +3 chứ không chỉ một như kim loại kiềm.

Kiến thức nền cần nhớ

Ở Course 7 em đã học dãy hoạt động hoá học và cách viết phương trình ion thu gọn cho phản ứng kim loại với acid, với dung dịch muối. Ở Course 6, em cũng gặp thế điện cực chuẩn $E^\circ(Fe^{2+}/Fe) = -0{,}44\ V$ khi so sánh tính khử giữa các kim loại. Bài này dùng lại đúng bộ công cụ đó, chỉ khác ở chỗ: sắt là kim loại chuyển tiếp, và điều đó kéo theo một khác biệt quan trọng so với Na, Mg, Al mà em quen thuộc.

Khởi động

Một chiếc đinh sắt để ngoài trời vài tuần sẽ phủ một lớp gỉ màu nâu đỏ, còn nếu ngâm trong dung dịch acid hydrochloric loãng thì tan ra kèm bọt khí không màu. Hai hiện tượng này đều là sắt bị oxi hoá, nhưng liệu sắt có bị oxi hoá theo cùng một mức hay không?

Kiến thức trọng tâm

Về tính khử, sắt đứng giữa dãy điện hoá: yếu hơn kim loại kiềm, kiềm thổ và nhôm, nhưng mạnh hơn đồng và bạc. Sắt thể hiện ba kiểu phản ứng đặc trưng.

Tác dụng với phi kim. Với phi kim có tính oxi hoá mạnh như chlorine, sắt bị oxi hoá thẳng lên $Fe^{3+}$ : $2Fe + 3Cl_2 \xrightarrow{t^\circ} 2FeCl_3$ . Với phi kim yếu hơn như lưu huỳnh, sản phẩm chỉ dừng ở $Fe^{2+}$ : $Fe + S \xrightarrow{t^\circ} FeS$ . Khi đốt sắt trong khí oxygen, sản phẩm là oxide sắt từ chứa cả hai số oxi hoá: $3Fe + 2O_2 \xrightarrow{t^\circ} Fe_3O_4$ .

Tác dụng với dung dịch acid. Với $HCl$ hoặc $H_2SO_4$ loãng — hai acid có tính oxi hoá yếu, chỉ do ion $H^+$ đảm nhiệm — sắt chỉ bị oxi hoá đến $Fe^{2+}$ : $Fe + 2HCl \to FeCl_2 + H_2\uparrow$ . Với $HNO_3$ loãng dư hoặc $H_2SO_4$ đặc, nóng dư — hai acid có gốc acid mang tính oxi hoá mạnh — sắt bị oxi hoá hẳn lên $Fe^{3+}$ : $Fe + 4HNO_3\ (loãng, dư) \to Fe(NO_3)_3 + NO\uparrow + 2H_2O$ . Riêng với $HNO_3$ đặc, nguội và $H_2SO_4$ đặc, nguội, sắt bị thụ động hoá — một lớp oxide mỏng, đặc khít hình thành ngay trên bề mặt và ngăn phản ứng tiếp diễn; đây chính là lý do các bồn chứa acid đặc nguội trong công nghiệp Việt Nam thường làm bằng thép.

Tác dụng với dung dịch muối. Theo dãy điện hoá, sắt đẩy được kim loại yếu hơn ra khỏi muối của nó: $Fe + CuSO_4 \to FeSO_4 + Cu$ . Phản ứng này là cơ sở của phương pháp thuỷ luyện đồng — ngâm phế liệu sắt vào nước thải mỏ đồng chứa $CuSO_4$ để thu hồi đồng kim loại, một kỹ thuật vẫn còn ứng dụng thực tế.

Sắt (Fe) ở ô 26 trong bảng tuần hoàn, cấu hình electron $[Ar]3d^{6}4s^{2}$, thuộc khối nguyên tố d (kim loại chuyển tiếp). Đây là điểm khác cốt lõi so với kim loại nhóm A: phân lớp $3d$ và $4s$ của Fe có mức năng lượng khá gần nhau, nên nguyên tử sắt có thể nhường electron ở cả hai phân lớp này với mức độ khác nhau tuỳ chất oxi hoá đối diện, tạo ra hai ion phổ biến $Fe^{2+}$ (nhường 2 electron ở $4s$) và $Fe^{3+}$ (nhường thêm 1 electron ở $3d$, đạt cấu hình $3d^{5}$ bán bão hoà tương đối bền). Kim loại kiềm chỉ có một số oxi hoá đặc trưng $+1$ vì không có phân lớp d cạnh tranh — đó là lý do sắt "phức tạp" hơn hẳn Na hay Ca khi viết phương trình. Về tính khử, sắt đứng giữa dãy điện hoá: yếu hơn kim loại kiềm, kiềm thổ và nhôm, nhưng mạnh hơn đồng và bạc. Sắt thể hiện ba kiểu phản ứng đặc trưng. **Tác dụng với phi kim.** Với phi kim có tính oxi hoá mạnh như chlorine, sắt bị oxi hoá thẳng lên $Fe^{3+}$: $2Fe + 3Cl_2 \xrightarrow{t^\circ} 2FeCl_3$. Với phi kim yếu hơn như lưu huỳnh, sản phẩm chỉ dừng ở $Fe^{2+}$: $Fe + S \xrightarrow{t^\circ} FeS$. Khi đốt sắt trong khí oxygen, sản phẩm là oxide sắt từ chứa cả hai số oxi hoá: $3Fe + 2O_2 \xrightarrow{t^\circ} Fe_3O_4$. **Tác dụng với dung dịch acid.** Với $HCl$ hoặc $H_2SO_4$ loãng — hai acid có tính oxi hoá yếu, chỉ do ion $H^+$ đảm nhiệm — sắt chỉ bị oxi hoá đến $Fe^{2+}$: $Fe + 2HCl \to FeCl_2 + H_2\uparrow$. Với $HNO_3$ loãng dư hoặc $H_2SO_4$ đặc, nóng dư — hai acid có gốc acid mang tính oxi hoá mạnh — sắt bị oxi hoá hẳn lên $Fe^{3+}$: $Fe + 4HNO_3\ (loãng, dư) \to Fe(NO_3)_3 + NO\uparrow + 2H_2O$. Riêng với $HNO_3$ đặc, nguội và $H_2SO_4$ đặc, nguội, sắt bị thụ động hoá — một lớp oxide mỏng, đặc khít hình thành ngay trên bề mặt và ngăn phản ứng tiếp diễn; đây chính là lý do các bồn chứa acid đặc nguội trong công nghiệp Việt Nam thường làm bằng thép. **Tác dụng với dung dịch muối.** Theo dãy điện hoá, sắt đẩy được kim loại yếu hơn ra khỏi muối của nó: $Fe + CuSO_4 \to FeSO_4 + Cu$. Phản ứng này là cơ sở của phương pháp thuỷ luyện đồng — ngâm phế liệu sắt vào nước thải mỏ đồng chứa $CuSO_4$ để thu hồi đồng kim loại, một kỹ thuật vẫn còn ứng dụng thực tế.

Ví dụ

Xác định sản phẩm và số oxi hoá của sắt

1
Hoàn thành các phương trình hoá học sau và xác định số oxi hoá của Fe trong sản phẩm: (a) $Fe + Cl_2$ ; (b) $Fe + S$ ; (c) $Fe + dung\ dịch\ CuSO_4$ .
Hoàn thành các phương trình hoá học sau và xác định số oxi hoá của Fe trong sản phẩm: (a) $Fe + Cl_2$; (b) $Fe + S$; (c) $Fe + dung\ dịch\ CuSO_4$.
2
Chlorine là phi kim có tính oxi hoá mạnh nên đẩy sắt lên mức oxi hoá cao nhất có thể là $+3$ . Lưu huỳnh có tính oxi hoá yếu hơn hẳn chlorine nên chỉ đưa sắt lên $+2$ . Ion $Cu^{2+}$ trong dung dịch $CuSO_4$ chỉ đủ khả năng oxi hoá sắt đến $+2$ , giống hầu hết phản ứng thế kim loại thông thường.
Chlorine là phi kim có tính oxi hoá mạnh nên đẩy sắt lên mức oxi hoá cao nhất có thể là $+3$. Lưu huỳnh có tính oxi hoá yếu hơn hẳn chlorine nên chỉ đưa sắt lên $+2$. Ion $Cu^{2+}$ trong dung dịch $CuSO_4$ chỉ đủ khả năng oxi hoá sắt đến $+2$, giống hầu hết phản ứng thế kim loại thông thường.
3
(a) $2Fe + 3Cl_2 \xrightarrow{t^\circ} 2FeCl_3$ , Fe có số oxi hoá $+3$ . (b) $Fe + S \xrightarrow{t^\circ} FeS$ , Fe có số oxi hoá $+2$ . (c) $Fe + CuSO_4 \to FeSO_4 + Cu$ , Fe có số oxi hoá $+2$ .
(a) $2Fe + 3Cl_2 \xrightarrow{t^\circ} 2FeCl_3$, Fe có số oxi hoá $+3$. (b) $Fe + S \xrightarrow{t^\circ} FeS$, Fe có số oxi hoá $+2$. (c) $Fe + CuSO_4 \to FeSO_4 + Cu$, Fe có số oxi hoá $+2$.
4
Số oxi hoá cuối cùng của Fe không cố định — nó phụ thuộc vào tính oxi hoá của chất mà Fe phản ứng cùng, chứ không phải một quy tắc cứng nhắc phải học thuộc.

Ví dụ

Bài toán hỗn hợp Fe, Cu tác dụng dung dịch HCl dư

1
Hoà tan hoàn toàn 12 gam hỗn hợp gồm Fe và Cu vào dung dịch HCl dư, thu được 2,479 lít khí (đkc) và còn lại một phần chất rắn không tan. Tính phần trăm khối lượng mỗi kim loại trong hỗn hợp ban đầu.
2
Cu đứng sau H trong dãy điện hoá nên không phản ứng với HCl loãng — chỉ có Fe phản ứng và sinh khí $H_2$ . Chất rắn không tan chính là Cu dư lại. Ta có PTHH: $Fe + 2HCl \to FeCl_2 + H_2\uparrow$ .
Cu đứng sau H trong dãy điện hoá nên không phản ứng với HCl loãng — chỉ có Fe phản ứng và sinh khí $H_2$. Chất rắn không tan chính là Cu dư lại. Ta có PTHH: $Fe + 2HCl \to FeCl_2 + H_2\uparrow$.
3
Ở đkc, $n_{H_2} = \dfrac{2{,}479}{24{,}79} = 0{,}1\ mol$ . Theo PT, $n_{Fe} = n_{H_2} = 0{,}1\ mol$ , suy ra $m_{Fe} = 0{,}1 \times 56 = 5{,}6\ g$ . (1)
Ở đkc, $n_{H_2} = \dfrac{2{,}479}{24{,}79} = 0{,}1\ mol$. Theo PT, $n_{Fe} = n_{H_2} = 0{,}1\ mol$, suy ra $m_{Fe} = 0{,}1 \times 56 = 5{,}6\ g$. (1)
4
Từ (1), $m_{Cu} = 12 - 5{,}6 = 6{,}4\ g$ . Vậy $\%m_{Fe} = \dfrac{5{,}6}{12}\times 100\% \approx 46{,}7\%$ và $\%m_{Cu} \approx 53{,}3\%$ .
Từ (1), $m_{Cu} = 12 - 5{,}6 = 6{,}4\ g$. Vậy $\%m_{Fe} = \dfrac{5{,}6}{12}\times 100\% \approx 46{,}7\%$ và $\%m_{Cu} \approx 53{,}3\%$.

Sai lầm thường gặp

Nhiều học sinh mặc định sắt luôn tạo $Fe^{3+}$ khi tác dụng acid, hoặc quên mất rằng sắt bị thụ động hoá trong $HNO_3$ đặc nguội và $H_2SO_4$ đặc nguội — hai trường hợp này thực chất KHÔNG có phản ứng hoà tan xảy ra, dù cả hai đều là acid có tính oxi hoá mạnh khi nóng.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Fe là kim loại chuyển tiếp với hai số oxi hoá phổ biến +2 và +3, do có phân lớp 3d cạnh tranh với 4s. Chất oxi hoá càng mạnh (Cl₂, HNO₃, H₂SO₄ đặc nóng dư) thì sắt càng bị đẩy lên Fe³⁺; chất oxi hoá yếu hơn (S, HCl, H₂SO₄ loãng, muối Cu²⁺) chỉ đưa sắt đến Fe²⁺. Sắt thụ động trong HNO₃/H₂SO₄ đặc nguội.

Bài tiếp theo đi sâu vào chính các hợp chất mà hai số oxi hoá này tạo ra: hợp chất sắt (II) và sắt (III) khác nhau thế nào về màu sắc, tính chất, và làm sao chuyển hoá qua lại giữa chúng.