Bài toán về oxi hóa chậm sắt (Fe) trong không khí là một dạng bài tập hóa học phổ biến, thường gặp trong chương trình THPT. Dưới đây là phương pháp giải chi tiết bài toán: “Oxi hóa chậm m gam Fe ngoài không khí sau một thời gian thu được 12 gam hỗn hợp X gồm FeO, Fe2O3, Fe3O4 và Fe dư. Hòa tan X bằng lượng vừa đủ 200 ml dung dịch HNO3 thu được 2,24 lít NO duy nhất (đktc). Tính m và CM dung dịch HNO3.”
Phương pháp giải:
Bài toán này có thể được giải quyết hiệu quả bằng phương pháp bảo toàn electron và quy đổi hỗn hợp.
- Quy đổi hỗn hợp:
Hỗn hợp X (FeO, Fe2O3, Fe3O4 và Fe dư) có thể được quy đổi về hỗn hợp gồm Fe và O.
- Tính số mol NO:
nNO = V/22.4 = 2.24/22.4 = 0.1 mol
- Áp dụng định luật bảo toàn electron:
Quá trình oxi hóa Fe và quá trình khử N+5 trong HNO3 về NO:
- Fe → Fe+3 + 3e
- O + 2e → O-2
- N+5 + 3e → N+2 (trong NO)
Bảo toàn electron: 3nFe = 2nO + 3nNO
- Lập hệ phương trình:
Gọi nFe là số mol Fe và nO là số mol O. Ta có hệ phương trình:
- mFe + mO = 12 (khối lượng hỗn hợp X) => 56nFe + 16nO = 12 (1)
- 3nFe – 2nO = 3nNO = 0.3 (bảo toàn electron) (2)
- Giải hệ phương trình:
Giải hệ phương trình (1) và (2), ta tìm được:
- nFe = 0.18 mol
- nO = 0.12 mol
- Tính m:
m = mFe = 0.18 * 56 = 10.08 gam
Hình ảnh minh họa quá trình oxi hóa chậm sắt (Fe) ngoài không khí, tạo thành các oxit sắt.
- Tính CM dung dịch HNO3:
Số mol HNO3 cần dùng để hòa tan hỗn hợp X:
nHNO3 = 4nNO + 2nO = 4 0.1 + 2 0.12 = 0.64 mol
(Trong đó, 4nNO là số mol HNO3 tạo muối Fe(NO3)3 và NO, 2nO là số mol HNO3 tạo H2O)
CM (HNO3) = n/V = 0.64/0.2 = 3.2M
Kết luận:
- Giá trị của m (khối lượng Fe ban đầu) là 10.08 gam.
- Nồng độ mol của dung dịch HNO3 là 3.2M.
Lưu ý:
- Đây là một bài toán điển hình về phản ứng oxi hóa khử và bảo toàn electron.
- Việc quy đổi hỗn hợp giúp đơn giản hóa bài toán.
- Cần nắm vững các quá trình oxi hóa và khử để áp dụng bảo toàn electron chính xác.
- Kiểm tra lại các kết quả tính toán để đảm bảo tính chính xác.
Ứng dụng thực tế:
Quá trình oxi hóa chậm của sắt là một hiện tượng phổ biến trong đời sống, gây ra sự ăn mòn kim loại. Việc hiểu rõ về quá trình này giúp chúng ta tìm ra các biện pháp bảo vệ kim loại khỏi sự ăn mòn, kéo dài tuổi thọ của các công trình và vật dụng làm từ sắt thép.
Mở rộng:
Bài toán có thể được biến đổi bằng cách thay đổi các dữ kiện như thể tích khí NO, khối lượng hỗn hợp X, hoặc yêu cầu tính thành phần phần trăm của các chất trong hỗn hợp X. Việc nắm vững phương pháp giải cơ bản sẽ giúp bạn dễ dàng giải quyết các bài toán tương tự.
Hình ảnh mô tả phản ứng giữa sắt (Fe) và axit nitric (HNO3), tạo thành muối sắt, nước và khí NO.
Hy vọng với phần trình bày chi tiết này, bạn sẽ hiểu rõ hơn về cách giải bài toán oxi hóa chậm sắt trong không khí và áp dụng thành công vào các bài tập tương tự. Chúc bạn học tốt!