Bài học

Tính chất của sắt với phi kim

Em sẽ làm được gì?

Nêu được tính chất vật lí đặc trưng của sắt, viết được phương trình sắt tác dụng với oxygen, chlorine và hơi nước ở nhiệt độ cao, và giải thích được vì sao các phản ứng này lại cho hợp chất sắt ở hóa trị khác nhau.

Cần nhớ trước

Ôn lại tính chất và phản ứng của nhôm (chương trước), dãy hoạt động hóa học, và khái niệm hóa trị.

Khởi động

Đinh sắt để lâu ngoài trời sẽ gỉ dần thành lớp bột nâu đỏ, nhưng nếu đốt dây sắt trong bình khí oxygen tinh khiết, sắt lại cháy sáng chói tạo ra hạt màu đen. Cùng là sắt phản ứng với oxygen, vì sao kết quả lại khác nhau đến vậy?

Tính chất vật lí của sắt

Sắt (Fe) là kim loại màu trắng xám, có ánh kim, dẻo, dẫn điện và dẫn nhiệt khá tốt (kém nhôm và đồng), khối lượng riêng lớn ( $D \approx 7{,}86\ \text{g/cm}^3$ ). Đặc điểm riêng của sắt mà nhôm không có: sắt có tính nhiễm từ — bị nam châm hút, và bản thân sắt (sau khi từ hóa) cũng có thể hút được các vật bằng sắt khác.

Sắt (Fe) là kim loại **màu trắng xám, có ánh kim**, dẻo, dẫn điện và dẫn nhiệt khá tốt (kém nhôm và đồng), khối lượng riêng lớn ($D \approx 7{,}86\ \text{g/cm}^3$). Đặc điểm riêng của sắt mà nhôm không có: sắt **có tính nhiễm từ** — bị nam châm hút, và bản thân sắt (sau khi từ hóa) cũng có thể hút được các vật bằng sắt khác.

Sắt tác dụng với oxygen

Khi đốt cháy trong khí oxygen (khác với gỉ chậm ngoài không khí ở nhiệt độ thường), sắt cháy sáng chói, bắn ra các tia lửa nhỏ, tạo thành oxide sắt từ — một hỗn hợp oxide chứa cả sắt(II) và sắt(III), thường viết gọn là Fe₃O₄:

$3Fe + 2O_2 \xrightarrow{t^{\circ}} Fe_3O_4$

Sắt tác dụng với chlorine — hình thành hợp chất sắt(III)

Chlorine là phi kim có tính oxi hóa mạnh. Khi đun nóng, sắt phản ứng với khí chlorine tạo sắt(III) chloride — chú ý sắt ở đây có hóa trị III, khác với khi phản ứng với acid loãng (sẽ học ở bài sau, tạo hợp chất sắt(II)):

$2Fe + 3Cl_2 \xrightarrow{t^{\circ}} 2FeCl_3$

Đây là điểm rất đặc trưng của sắt so với nhôm: sắt có thể tồn tại ở hai hóa trị II và III tùy vào chất phản ứng, còn nhôm chỉ có hóa trị III duy nhất.

Chlorine là phi kim có tính oxi hóa mạnh. Khi đun nóng, sắt phản ứng với khí chlorine tạo **sắt(III) chloride** — chú ý sắt ở đây có hóa trị III, khác với khi phản ứng với acid loãng (sẽ học ở bài sau, tạo hợp chất sắt(II)): $$2Fe + 3Cl_2 \xrightarrow{t^{\circ}} 2FeCl_3$$ Đây là điểm rất đặc trưng của sắt so với nhôm: sắt có thể tồn tại ở **hai hóa trị II và III** tùy vào chất phản ứng, còn nhôm chỉ có hóa trị III duy nhất.

Sắt là kim loại có hóa trị thay đổi — đây là khác biệt quan trọng nhất so với nhôm.

Ví dụ

Ví dụ 1 — Viết và cân bằng phương trình (dạng chuẩn)

1
Viết phương trình hóa học khi đốt sắt trong khí oxygen dư.
2
Đốt sắt trong oxygen tạo oxide sắt từ Fe₃O₄ (không phải FeO hay Fe₂O₃ đơn thuần).
3
$3Fe + 2O_2 \xrightarrow{t^{\circ}} Fe_3O_4$ . Kiểm tra: Fe 3=3 ✓; O 4=4 ✓.
$3Fe + 2O_2 \xrightarrow{t^{\circ}} Fe_3O_4$. Kiểm tra: Fe 3=3 ✓; O 4=4 ✓.
4
Phương trình đã cân bằng đúng — đây là phản ứng cháy đặc trưng dùng để nhận biết sắt trong phòng thí nghiệm (sắt cháy sáng chói, khác các kim loại khác).

Ví dụ

Ví dụ 2 — Phân biệt hóa trị của sắt (dạng đề thi)

1
Hai thí nghiệm: (1) đốt dây sắt trong khí chlorine dư; (2) cho bột sắt vào dung dịch HCl dư. Hợp chất sắt tạo thành trong mỗi thí nghiệm có gì khác nhau? Giải thích.
2
Chlorine có tính oxi hóa mạnh nên oxi hóa sắt lên hóa trị cao nhất: $2Fe + 3Cl_2 \rightarrow 2FeCl_3$ — tạo hợp chất sắt(III).
Chlorine có tính oxi hóa mạnh nên oxi hóa sắt lên hóa trị cao nhất: $2Fe + 3Cl_2 \rightarrow 2FeCl_3$ — tạo hợp chất sắt(III).
3
Acid HCl loãng có tính oxi hóa yếu hơn nhiều so với chlorine, chỉ đủ oxi hóa sắt lên hóa trị thấp: $Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2\uparrow$ — tạo hợp chất sắt(II).
Acid HCl loãng có tính oxi hóa yếu hơn nhiều so với chlorine, chỉ đủ oxi hóa sắt lên hóa trị thấp: $Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2\uparrow$ — tạo hợp chất sắt(II).
4
Cùng là sắt phản ứng nhưng hóa trị tạo thành khác nhau vì chất oxi hóa mạnh yếu khác nhau: chlorine mạnh → FeCl₃ (sắt III); acid loãng yếu hơn → FeCl₂ (sắt II).

Sắt tác dụng với hơi nước ở nhiệt độ cao

Ở nhiệt độ thường, sắt hầu như không phản ứng với nước. Nhưng khi cho hơi nước đi qua sắt được nung đỏ (nhiệt độ cao), sắt đủ hoạt động để khử được nước, giải phóng khí hydrogen và tạo oxide sắt từ — cùng sản phẩm Fe₃O₄ như khi đốt sắt trong khí oxygen:

$3Fe + 4H_2O_{(hơi)} \xrightarrow{t^{\circ}} Fe_3O_4 + 4H_2\uparrow$

Phản ứng này chỉ xảy ra ở nhiệt độ cao vì ở nhiệt độ phòng sắt không đủ hoạt động để khử được nước — đây cũng là lí do hơi ẩm trong không khí ở điều kiện thường không trực tiếp gây ra phản ứng này, mà phải kết hợp thêm oxygen mới gây ra gỉ sắt chậm (nội dung chương tiếp theo).

Ở nhiệt độ thường, sắt hầu như không phản ứng với nước. Nhưng khi cho **hơi nước** đi qua sắt được nung đỏ (nhiệt độ cao), sắt đủ hoạt động để khử được nước, giải phóng khí hydrogen và tạo oxide sắt từ — cùng sản phẩm Fe₃O₄ như khi đốt sắt trong khí oxygen: $$3Fe + 4H_2O_{(hơi)} \xrightarrow{t^{\circ}} Fe_3O_4 + 4H_2\uparrow$$ Phản ứng này chỉ xảy ra ở nhiệt độ cao vì ở nhiệt độ phòng sắt không đủ hoạt động để khử được nước — đây cũng là lí do hơi ẩm trong không khí ở điều kiện thường **không** trực tiếp gây ra phản ứng này, mà phải kết hợp thêm oxygen mới gây ra gỉ sắt chậm (nội dung chương tiếp theo).

Ví dụ

Ví dụ 3 — Tính thể tích khí sinh ra từ phản ứng sắt với hơi nước (dạng đề thi)

1
Cho 16,8 gam sắt tác dụng vừa đủ với hơi nước ở nhiệt độ cao. Tính thể tích khí H₂ thu được ở đkc ( $V_m = 24{,}79$ lít/mol).
Cho 16,8 gam sắt tác dụng vừa đủ với hơi nước ở nhiệt độ cao. Tính thể tích khí H₂ thu được ở đkc ($V_m = 24{,}79$ lít/mol).
2
$M_{Fe}=56$ g/mol nên $n_{Fe} = \dfrac{16{,}8}{56} = 0{,}3$ mol.
$M_{Fe}=56$ g/mol nên $n_{Fe} = \dfrac{16{,}8}{56} = 0{,}3$ mol.
3
$3Fe + 4H_2O \xrightarrow{t^{\circ}} Fe_3O_4 + 4H_2$ . Tỉ lệ Fe : H₂ = 3 : 4 nên $n_{H_2} = \dfrac{4}{3}\times 0{,}3 = 0{,}4$ mol.
$3Fe + 4H_2O \xrightarrow{t^{\circ}} Fe_3O_4 + 4H_2$. Tỉ lệ Fe : H₂ = 3 : 4 nên $n_{H_2} = \dfrac{4}{3}\times 0{,}3 = 0{,}4$ mol.
4
$V_{H_2} = 0{,}4\times 24{,}79 = 9{,}916$ lít. Lưu ý tỉ lệ Fe : H₂ = 3 : 4 ở đây khác hẳn tỉ lệ 1 : 1 khi Fe phản ứng với acid loãng (bài sau) — luôn đọc kỹ đề để dùng đúng phương trình và đúng tỉ lệ mol tương ứng.
$V_{H_2} = 0{,}4\times 24{,}79 = 9{,}916$ lít. Lưu ý tỉ lệ Fe : H₂ = 3 : 4 ở đây **khác hẳn** tỉ lệ 1 : 1 khi Fe phản ứng với acid loãng (bài sau) — luôn đọc kỹ đề để dùng đúng phương trình và đúng tỉ lệ mol tương ứng.

Sai lầm thường gặp

Nhiều bạn viết nhầm phương trình Fe + O₂ ra Fe₂O₃ hoặc FeO như oxide thường — nhưng khi đốt cháy trong oxygen, sản phẩm chuẩn theo SGK là Fe₃O₄ (oxide sắt từ), không phải Fe₂O₃. Với phản ứng Fe + hơi nước, lỗi hay gặp là lấy nhầm tỉ lệ mol Fe : H₂ = 1 : 1 (như khi phản ứng với acid) thay vì đúng tỉ lệ 3 : 4 của phương trình $3Fe+4H_2O\rightarrow Fe_3O_4+4H_2$ .

Nhiều bạn viết nhầm phương trình Fe + O₂ ra Fe₂O₃ hoặc FeO như oxide thường — nhưng khi **đốt cháy trong oxygen**, sản phẩm chuẩn theo SGK là Fe₃O₄ (oxide sắt từ), không phải Fe₂O₃. Với phản ứng Fe + hơi nước, lỗi hay gặp là lấy nhầm tỉ lệ mol Fe : H₂ = 1 : 1 (như khi phản ứng với acid) thay vì đúng tỉ lệ **3 : 4** của phương trình $3Fe+4H_2O\rightarrow Fe_3O_4+4H_2$.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Tóm tắt

Sắt có ánh kim, dẻo, dẫn điện/nhiệt khá tốt và có tính nhiễm từ. Khi đốt cháy trong oxygen, sắt tạo Fe₃O₄; khi phản ứng với chlorine (chất oxi hóa mạnh), sắt tạo FeCl₃ (sắt III). Hóa trị của sắt thay đổi tùy chất phản ứng — khác hẳn nhôm.

Còn với acid loãng và dung dịch muối thì sắt cho hợp chất sắt(II) hay sắt(III)? Bài tiếp theo sẽ trả lời, kèm theo cách tính toán theo phương trình.