Sắt | Fe (CTCT, Tính chất vật lí, hóa học, Điều chế, Mindmap)

Bài viết tìm hiểu về Sắt (Fe) do Topbee biên soạn tổng hợp kiến thức trọng tâm về Sắt (Fe): Công thức hóa học, Tính chất vật lí, hóa học, Điều chế, Mindmap giúp học sinh ôn tập và bổ sung kiến thức cũng như hoàn thành tốt các bài kiểm tra môn Hóa học.

Sắt là gì?

- Sắt (tiếng Anh: Iron) là một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn nguyên tố có ký hiệu là Fe và có số hiệu nguyên tử bằng 26.

- Trong tự nhiên, sắt là nguyên tố có nhiều trên trái đất (chiếm 5% của vỏ trái đất), cấu thành lớp vỏ ngoài và vỏ trong của lõi trái đất. Đây là nguyên tố phổ biến thứ tư trong lớp vỏ trái đất.

- Các quặng sắt:

+ Hematit: Hematit đỏ (Fe₂O₃ khan) và Hematit nâu (Fe₂O₃.nH₂O).

+ Manhetit (Fe₃O₄)

+ Xiđerit (FeCO₃)

+ Pirit (FeS₂)

- Sắt còn có trong hồng cầu của máu, giúp vận chuyển oxi tới các tế bào.

Cấu tạo nguyên tử Sắt

+ Fe có số hiệu nguyên tử là 26 => nguyên tử Fe có 26 electron.

+ Sắp xếp các phân lớp theo đúng thứ tự lớp để thu được cấu hình electron của Fe

+ Chu kì 4 (do có 4 lớp electron)

+ Nhóm VIIIB (do có tổng số electron phân lớp 3d và 4s là 8).

+ Là nguyên tố d (do Fe là nguyên tố nhóm B, nguyên tử có cấu hình electron phân lớp ngoài cùng và phân lớp sát ngoài cùng là 3d⁶4s²).

Tính chất vật lý

- Sắt có màu trắng hơi xám, có tính dẻo, dễ rèn, dễ dát mỏng, kéo sợi.

- Sắt có khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt kém hơn đồng, nhôm.

- Có tính nhiễm từ nhưng ở nhiệt độ cao khoảng 800⁰C sắt mất từ tính. 

- Nóng chảy ở nhiệt độ 1540⁰C.

- Là kim loại nặng có khối lượng riêng D = 7,86g/cm³.

Tính chất hóa học

Sắt là kim loại có tính khử trung bình, trong các phản ứng hóa học Sắt tạo ra hợp chất với nguyên tử của nguyên tố khác, khi đó Sắt có hóa trị II hoặc III là tùy thuộc vào chất phản ứng ban đầu.

Fe → Fe³⁺  + 3e

Fe → Fe²⁺ + 2e

* Sắt tác dụng với phi kim

- Sắt tác dụng với phi kim: Halogen (Br₂, I₂,Cl₂,….), O₂, S, …

a) Sắt tác dụng với halogen: (Điều kiện: đun nóng) → Tạo thành muối Sắt (III) halogen.

- Phương trình tổng quát: 2Fe + 3X₂ → 2FeX₃

- Ví dụ: 2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃

- Lưu ý: Sắt tác dụng với I₂ → Tạo thành muối Sắt (II) Iotua (điều kiện: đung nóng)

Fe + l₂ → Fel₂

b) Sắt tác dụng với Oxi → Tạo thành oxit sắt từ (Fe₃O₄)

3Fe + 2O₂ → Fe₃O₄ (điều kiện: đun nóng)

c) Sắt tác dụng với Lưu huỳnh:

Fe + S → FeS (điều kiện:nhiệt độ)

* Sắt tác dụng với dung dịch axit

- Sắt tác dụng với dung dịch axit: HCl, H₂SO₄ loãng, HNO₃, H₂SO₄ (đặc, nóng)

a) Sắt tác dụng với dung dịch axit HCl, H₂SO₄ loãng,….

Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂

Fe + H₂SO₄ loãng → FeSO₄ + H₂

b) Sắt tác dụng với axit HNO₃, H₂SO₄ đặc, nóng

Fe + 6HNO₃ → Fe (NO₃)₃ + 3NO₂ + 3H₂O

2Fe + 6H₂SO₄ đặc, nóng → Fe₂(SO₄)₃ + 3SO₂ + 6H₂O

- Chú ý: Fe thụ động với HNO₃, H₂SO₄ đặc, nguội

* Sắt đẩy kim loại yếu hơn ra khỏi dung dịch muối

- Sắt đẩy kim loại yếu hơn ra khỏi dung dịch muối tạo thành muối sắt tương ứng và giải phóng kim loại mới.

Fe + Cu (NO₃)₂ → Fe (NO₃)₂ + Cu

* Sắt tác dụng với nước

- Sắt hầu như không tác dụng với nước lạnh, chỉ tác dụng khi đun nóng ở nhiệt độ cao.

- Ở nhiệt độ cao < 5700 độ C thì sắt mới tác dụng với H₂O:

3Fe + 4H₂O → Fe₃O₄ + 4H₂

Điều chế

- Sắt được điều chế theo phương pháp nhiệt luyện.

- Phương trình hóa học: 

Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂

- Trong công nghiệp, sắt được trích xuất ra từ các quặng của nó, chủ yếu là từ hêmatit (Fe₂O₃) và magnêtit (Fe₃O₄) bằng cách khử với cacbontrong lò luyện kim sử dụng luồng không khí nóng ở nhiệt độ khoảng 2000°C. Trong lò luyện, quặng sắt, cacbon trong dạng than cốc, và các chất tẩy tạp chất như đá vôi được xếp ở phía trên của lò, luồng không khí nóng được đưa vào lò từ phía dưới.

- Than cốc phản ứng với oxy trong luồng không khí tạo ramônôxít cacbon:  2C + O₂ → 2CO

- Cacbon mônôxít khử quặng sắt (trong phương trình dưới đây làhêmatit) thành sắt nóng chảy, và nó trở thành điôxit cacbon:

3CO + Fe₂O₃ → 2Fe + 3CO₂

Ứng dụng

- Kim loại sắt được ứng dụng nhiều trong đời sống, sắt chiếm khoảng 95% tổng khối lượng kim loại sản xuất trên toàn thế giới. Nhờ có giá thành thấp và có các đặc tính tốt về độ bền, dẻo nên sắt được sử dụng trong sản xuất ô tô, thân tàu thủy lớn, các bộ khung cho các công trình xây dựng. 

+ Sắt được ứng dụng làm đồ dùng: dao, kềm, kéo, kệ sắt, các loại dụng cụ gia đình khác,…

+ Ứng dụng sản xuất đồ nội thất: bàn ghế, khung cửa, tủ kệ, cầu thang,…

+ Chế tạo các máy móc gia đình:  máy xay, bồn rửa,…

+ Sử dụng sắt trong giao thông vận tải: đường sắt, cầu đường, cột đèn đường,…

+ Trong y học sắt bổ sung cho cơ thể, làm nguyên liệu làm giường, tủ y tế, cây treo truyền dịch, xe đẩy, xe lăn…

+ Ngành y: Vi chất sắt bổ sung cho cơ thể. Ngoài ra, còn là nguyên liệu làm giường, tủ y tế, cây treo truyền dịch, xe đẩy, xe lăn…

Một số hợp chất

* Sắt (II) oxit (FeO)

- Là chất rắn, màu đen, không tan trong nước.

- Mang đầy đủ tính chất hóa học của oxit bazo.

- Là chất vừa có tính oxi hóa, vừa có tính khử

- Trong công nghiệp, FeO là hợp chất quan trọng để tác dụng với chất khử mạnh sản xuất ra sắt.

* Sắt (II) hiđroxit (Fe(OH)₂)

- Là chất kết tủa màu trắng xanh, dễ bị oxi hóa chuyển sang màu nâu đỏ khi có mặt không khí.

- Có tính chất của bazo không tan.

- Vừa có tính oxi hóa vừa có tính khử.

* Sắt (II) clorua FeCl₂

- Là một chất rắn thuận từ có nhiệt độ nóng chảy cao, và thường thu được dưới dạng chất rắn màu trắng. 

- Tinh thể dạng khan có màu trắng hoặc xám; dạng ngậm nước FeCl₂.4H₂O có màu xanh nhạt. 

- Trong không khí, dễ bị chảy rữa và bị oxi hoá thành sắt (III).

- Mang đầy đủ tính chất hóa học của muối.

- Có tính khử Fe²⁺ → Fe³⁺ + 1e

* Sắt (III) oxit (Fe₂O₃)

- Fe₂O₃ là một oxit của sắt, Fe₂O₃ là dạng phổ biến nhất của sắt oxit tự nhiên.

- Là chất rắn, nâu đỏ, không tan trong nước.

- Fe₂O₃ có vai trò rất quan trọng trong việc tạo màu cho các loại men gốm sứ và giúp làm giảm rạn men.

* Sắt (III) hiđroxit (Fe(OH)₃)

- Là một hidroxit tạo bởi Fe³⁺ và nhóm OH. Tồn tại ở trạng thái rắn, có màu nâu đỏ, không tan trong nước.

- Mang đầy đủ tính chất hóa học của một bazơ không tan.

- Bị nhiệt phân tạo thành sắt (III) oxit và hơi nước

* Sắt (III) nitrat Fe(NO₃)₃

- Sắt(III) nitrat là một hợp chất với công thức hóa học Fe(NO₃)₃.

- Có khả năng hút ẩm tốt nên thường được tìm thấy ở dạng tinh thể ngậm 9 nước Fe(NO₃)₃.9H₂O với màu sắc từ không màu cho đến màu tím nhạt.

- Tính chất hóa học:

+ Có tính oxi hóa: Khi tác dụng với chất khử, hợp chất sắt (III) clorua bị khử thành hợp chất sắt (II) hoặc kim loại sắt tự do.

+ Sắt nitrat là chất xúc tác ưa thích cho phản ứng tổng hợp natri amit từ dung dịch natri hòa tan trong amoniac:

2NH₃ + 2Na → 2NaNH₂ + H₂

Sơ đồ tư duy

Một số câu hỏi

Câu 1: Nguyên tử Fe có kí hiệu . Cho các phát biểu sau về Fe:

(1) Nguyên tử của nguyên tố Fe có 8 electron ở lớp ngoài cùng.

(2) Nguyên tử của nguyên tố Fe có 30 neutron trong hạt nhân

(3) Fe là một phi kim

(4) Fe là nguyên tố d

Trong các phát biểu trên, phát biểu đúng là

A. (1), (2), (3) và (4)

B. (1), (2), và (4)

C. (2) và (4)

D. (2), (3) và (4)

Câu 2: Từ Fe và các hoá chất cần thiết, hãy viết các PTHH để thu được các oxit sắt riêng biệt sau đây: Fe₃O₄, Fe₂O₃ và ghi rõ điều kiện phản ứng, nếu có.

Câu 3: Hòa tan hoàn toàn 10 gam hỗn hợp Mg và Fe trong dung dịch HCl 4M thu được 5,6 lít H₂ (đktc) và dung dịch D. Để kết tủa hoàn toàn các ion trong D cần 300 ml dung dịch NaOH 2M. Thể tích dung dịch HCl đã dùng là :

A. 0,1 lít.

B. 0,12 lít.

C. 0,15 lít.

D. 0,2 lít.

Câu 4: Trong phòng thí nghiệm người ta điều chế oxit sắt từ Fe3O4 bằng cách dùng oxi oxi hóa sắt ở nhiệt độ cao.

a) Tính số gam sắt và oxi cần dùng để điều chế được 2,32 gam oxi sắt từ?

b) Tính số gam kali pemanganat KMnO₄ cần dùng để có được lượng oxi dùng cho phản ứng trên, biết rằng khi nung nóng 2 mol KMnO₄ thì thu được 1 mol O₂.

Câu 5: Cho 5,6 gam Fe tan hoàn toàn trong dung dịch H₂SO₄ đặc nóng, sau phản ứng thu được V lít SO₂ (đktc, sản phẩm khử duy nhất). Giá trị của V là:

A. 6,72 lít

B. 3,36 lít

C. 4,48 lít

D. 2,24 lít