SẮT VÀ HỢP CHẤT CỦA SẮT

1. ĐƠN CHẤT
1.1 Tính chất vật lý
- Fe nguyên chất có màu trắng bạc, tương đối nặng, dẫn điện và dẫn nhiệt tốt (nhưng kém hơn đồng và Nhôm). Sắt có tính dẻo, dễ dát mỏng và kéo sợi.
Là chất sắt từ, dễ bị nam châm hóa nên được dùng làm lõi của động cơ điện.
- Fe là một kim loại hoạt động trung bình.
1.2Tính chất hóa học
- Fe là một kim loại hoạt động trung bình.
- 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:
2Fe + 3Cl2 2FeCl3
3Fe + 2O2 Fe3O4
(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-).
- Trong không khí ẩm, sắt dễ bị gỉ theo phản ứng:
4Fe + 3O2 + nH2O 2Fe2O3.nH2O
- Với phi kim hoạt động yếu như S thì sắt sẽ tạo hợp chất có số oxi hóa +2:
Fe + S FeS

- Sắt chỉ phản ứng với nước ở nhiệt độ cao:

Fe + H2O FeO + H2

3Fe + 4H2O Fe3O4 + 4H2

- Sắt có tác dụng với HCl và H2SO4 loãng tạo ra Fe2+:

Fe + HCl FeCl2 + H2

Fe + H2SO4 FeSO4 + H2

(Fe + 2H+ Fe2+ + H2)
- Sắt bị thụ động hóa trong H2SO4 đặc nguội và HNO3 đặc nguội.
- Sắt tác dụng với H2SO4 đặc nóng, HNO3 đặc nóng và HNO3 loãng cho muối sắt(III):
2Fe +6 H2SO4(đ) Fe2(SO4)3 +3 SO2 + 3H2O
Fe +6 HNO3(đ) Fe(NO3)3 + 2NO2 +3H2O
Fe + 4HNO3(l) Fe(NO3)3 + NO + 2H2O
- Sắt có thể đẩy được kim loại hoạt động yếu hơn ra khỏi dung dịch muối của chúng:
Fe + CuSO4 FeSO4 + Cu
1.3Điều chế:
- Sắt tinh khiết được điều chế bằng cách điện phân dung dịch muối sắt (II) hoặc dùng H2 hay Al khử Fe2O3:
2FeSO4 + 2H2O 2Fe + O2 + 2H2SO4
Fe2O3 + 3H2 Fe + 3H2O
Fe2O3 + 2Al 2Fe + Al2O3
- 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:

C + O2 CO2

CO2 + C 2CO

3Fe2O3 + CO 2Fe3O4 + CO2

Fe3O4 + CO FeO + CO2

FeO + CO2 Fe + CO2
- Sắt chảy qua C xuống dưới thu được sản phẩm gang lỏng ở 1200oC và xảy ra các phản ứng phụ:
3Fe + C Fe3C
3Fe + 2CO Fe3C + CO2
(xementit)
Ngoài ra còn thu được xỉ từ các phản ứng phụ sau
CaCO3 CaO + CO2
CaO + SiO2(cát) CaSiO3(xỉ )
Luyện thép:
Và khí lò cao gồm CO, H2, CH4, .... dùng làm nhiên liệu.
Khoảng 90% lượng gang được sản xuất 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:
a. Phương pháp Bessemer: thổi không khí vào trong gang lỏng để đốt cháy các tạp chất trong gang:
2Mn + O2 2MnO
Si + O2 SiO2
C + O2 CO2
2Fe + O2 2FeO
FeO + SiO2 FeSiO3
MnO + SiO2 MnSiO3
- 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.
b. Phương pháp Bessemer cải tiến:
- Phương pháp Thomas: Lót bằng gạch chứa MgO và CaO để loại bỏ P:

4P + 5O2 2P2O5
P2O5 + 3CaO Ca3(PO4)2
Đặc diểm: Cho phép loại được P nhưng không loại được lưu huỳnh.
- 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.
c. 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
d. Phương pháp hồ Quang điện: nhờ nhiệt độ trong lò 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 chất lượng cao.

2. HỢP CHẤT SẮT (II)
2.1. 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:
FeO + 2H+ Fe2+ + H2O
FeO thể hiện tính khử: tác dụng được với các chất oxi hóa mạnh như H2SO4 đặc, nóng, HNO3 đặc nóng, HNO3 loãng:
2FeO + 4H2SO4(đ) Fe2(SO4)3 + SO2 + 4H2O
3FeO + 10HNO3(l) 3Fe(NO3)3 + NO + 5H2O
FeO + 4HNO3(đ) Fe(NO3)3 + NO2 + 2H2O
• FeO có tính oxi hóa: tác dụng được với các chất khử như Al, CO, H2…
3FeO + 2Al Al2O3 + 3Fe
FeO + CO CO2 + Fe
FeO + H2 Fe + H2O
• Điều chế FeO bằng cách Oxi hóa Fe hoặc khử Fe2O3:
Fe + H2O FeO + H2
Fe2O3 + H2 2FeO + H2O
Fe2O3 + CO 2FeO + CO2
2.2 Sắt (II) hiddroxxit: Fe(OH)2

• 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:
+ không có không khí:
Fe(OH)2 FeO + H2O
+ có không khí:
4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O 4Fe(OH)3
2x 2Fe(OH)3 Fe2O3 + 3H2O

4Fe(OH)2 + O2 2Fe2O3 + 3H2O

• Fe(OH)2 thể hiện tính bazo: tác dụng với dung dịch axit:
Fe(OH)2 + 2H+ Fe2+ + 2H2O
• Fe(OH)2 có tính khử khi tác dụng với oxi không khí, H2SO4 đặc,HNO3…
2Fe(OH)2 + 4H2SO4(đặc) Fe2(SO4)3 + SO2 +6H2O
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.
2.3 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 chất 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:
+ Trong không khí:
FeCO3 FeO +CO2
2FeO + 1\2 O2 Fe2O3
+ trong chân không:
FeCO3 FeO +CO2
• 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

3. HỢP CHẤT SẮT(III)
3.1 Sắt (III) oxit Fe2O3
• Fe2O3 là chất rắn màu đỏ nâu, không tan trong nước, bị nhiệt phân chuyển thành oxit sắt từ Fe3O4:
6Fe2O3 4Fe3O4 + O2
• Fe2O3 có tính bazo :tác dụng với dung dịch axit
Fe2O3 + 6H+ 2Fe3+ + 3H2O
• 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
(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
• 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
Fe2O3 Fe3O4 FeO Fe
• 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 +3H2O
3.2 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:
Fe(OH)3 + 3HCl FeCl3 + 3H2O
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
3.3 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
• Đối với Fe2+ và Fe3+ thì có thể nhận biết qua phức xyanua:

Fe2+ + 6CN- [Fe(CN)6]4- Fe4[Fe(CN)6]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 (III) hidroxit 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

4. HỢP CHẤT SẮT (VI)
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)
• 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 bền trong môi trường kiềm mạnh, khi tan trong nước giải phóng oxi:
4K2FeO2 + 10H2O 4Fe(OH)3 + 3O2 + 8KOH
Những năm gần đây đã có thông báo về việc điều chế sắt tetraoxit FeO4 là hợp chất tương tự OsO4. Oxit FeO4 được tạo nên khi đun nóng ferat trong dung dịch kiềm mạnh( nồng độ FeO4 tạo nên trong dung dịch khoảng 10% có thể chiết được bằng dung môi CCl4, tuy nhiên kém bền và dể phân hủy trong nước và dung môi hữu cơ giải phóng oxi).
5. PHỨC CỦA SẮT (II)
- Các muối Fe(II) khan kết hợp với khí NH3 tạo nên muối phức amoniacat chứa ion bát diện [Fe(NH3)6]2+. Amoniacat sắt(II) kém bền, chỉ tồn tại ở trạng thái rắn hay trong dung dịch bão hòa amoniac, trong nước bị phân hủy thành hidroxit.
[Fe(NH3)6]Cl2 + 2H2O Fe(OH)2 + 2NH4Cl + 4NH3
- Muối Fe(II) khi tác dụng với dung dịch xianua kim loại kiềm, mới đầu tạo nên kết tủa Fe(CN)2 màu nâu-vàng, sau đó kết tủa tan trong xianua dư tạo nên phức ion bát diện [Fe(CN)6]4- màu vàng. Ion [Fe(CN)6]4- là phức bền nhất của sắt(II).
Kali feroxianua K4[Fe(CN)6].3H2O là chất dạng tinh thể đơn tà, có màu vàng, vị mặn và đắng. Kali feroxianua dễ tan trong nước và acetone nhưng không tan trong rượu. Khi đun nóng ở 87-90oC nó mất nước biến thành muối khan là chất bột trắng hút ẩm, ở 100oC phân hủy tạo thành Fe(CN)2 và KCN. Nó bền với oxi không khí và dung dịch kiềm nhưng tác dụng với clo và axit đặc:
2K4[Fe(CN)6] + Cl2 2K3[Fe(CN)6] + 2KCl
K4[Fe(CN)6] + 4HCl H4[Fe(CN)6] + 4KCl
- Axit H4[Fe(CN)6] là chất dạng tinh thể màu trắng, bền ở trạng thái khô, phân hủy khi đun nóng:
H4[Fe(CN)6] Fe2[Fe(CN)6] + 12HCN
Anion phức [Fe(CN)6]4- kết hợp với nhiều cation kim loại tạo nên những muối có màu và ít tan trong nước. Trong hóa học phân tích người ta dùng K4[Fe(CN)6] để nhận biết ion Fe3+:
Fe3+ + K+ + [Fe(CN)6]4- KFe[Fe(CN)6]
- Kết tủa KFe[Fe(CN)6] có màu xanh chàm thẩm đẹp được gọi là xanh Beclin, được dùng làm bột màu cho mực in.
Trong phòng thí nghiệm có thể điều chế kali feroxianua từ FeSO4 và KCN:
FeSO4 + 2KCN Fe(CN)2 + K2SO4
Fe(CN)2 + 4KCN K4[Fe(CN)6]
Khi thêm rượu vào dung dịch thu được, những tinh thể nhỏ K4[Fe(CN)6].3H2O sẽ lắng xuống.
- Feroxen hay sắt bisxiclopentadienyl (Fe(C5H5)2) là chất dạng tinh thể màu da cam, nóng chảy ở 173oC và sôi ở 149oC. Feroxen được dùng làm chất xúc tác trong tổng hợp vô cơ và hữu cơ, dùng làm thuốc chữa bệnh thiếu máu. Được điều chế bằng tác dụng của dung dịch NaC5H5 vừa mới điều chế với sắt (II) clorua trong dung môi hữu cơ:
2C5H6 + 2Na 2NaC5H5 + H2
2NaC5H5 + FeCl2 Fe(C5H5)2 + 2NaCl
Từ dung dịch, feroxen dể dàng tách ra dưới dạng tinh thể.

6. PHỨC CỦA SẮT (III)
- Sắt (III) tạo nên nhiều phức chất. Đa số phức chất có cấu hình bát diện như M3[FeF6], M3[Fe(SCN)6], M3[Fe(CN)6], một số rất ít có cấu hình tứ diện như M[FeCl4] (trong đó M là kim loại kiềm).
- Amoniacat sắt (III) tạo nên khi muối sắt (III) khan tác dụng với khí NH3. Những hợp chất này kém bền hơn amoniacat sắt (II), chúng thủy phân hoàn toàn trong nước cho nên khi tác dụng với dung dịch ammoniac, muối Fe(III) luôn tạo nên kết tủa Fe(OH)3.
- Ion Fe3+ trong dung dịch tác dụng với ion thioxianat SCN- tạo nên một số phức chất thioxianato màu đỏ đậm. Hóa học phân tích thường sử dụng đó để định tính và định lượng ion Fe3+ ngay cả dung dịch rất loãng.
- Kali ferixianua K3[Fe(CN)6], một thuốc thử quan trọng trong phòng thí nghiệm, là chất dạng tinh thể đơn tà màu đỏ thường được gọp là muối đỏ máu, dạng bột nhỏ có màu vàng. Nó dễ tan trong nước tạo dung dịch màu vàng và là hợp chất hết sức độc.
- Anion [Fe(CN)6]3- tạo nên với nhiều cation kim loại những muối có màu và ít tan. Đặc trưng nhất là phản ứng dùng để nhận biết ion Fe2+ trong dung dịch:
FeCl2 + K­3[Fe(CN)6] KFe[Fe(CN)6] + 2KCl
Kết tủa KFe[Fe(CN)6] có màu xanh chàm đẹp và được gọi là xanh Tuabun.
- Một ion CN- trong ferixianua có thể thay thế bằng một phân tử trung hòa như H2O, NH3, NO hay một ion như NO2-, SO32- tạo nên nhưng dẫn xuất có tên là pruxit.
Ví dụ:
Na4[Fe(CN)6] + NaNO2 + H2O Na2[Fe(CN)5NO] + NaCN + 2NaOH
- Hợp chất Na2[Fe(CN)5NO].2H2O là chất dạng tinh thể màu đỏ ngọc, độc, bền ở trong không khí và tan trong nước. Đôi khi nó được dùng để nhận biết ion S2- và ion SO32-: với ion S2- dung dịch có màu tím và với ion SO32- dung dịch có màu đỏ-hồng.

Na2[Fe(CN)5NO] + Na2S Na4[Fe(CN)5NOS]
(đỏ) (tím)
- Kali ferixianua được điều chế bằng cách dùng khí clo oxi hóa muối vàng máu trong môi trường axit clohidric:
2K4[Fe(CN)6] + Cl2 2K3[Fe(CN)6] + 2KCl
hoặc tác dụng của FeCl3 với KCN:
FeCl3 + 6KCN K3[Fe(CN)6] + 3KCN
- Kali trioxalatoferic K3[Fe(C2O4)3].3H2O là chất dạng tinh thể đơn tà màu lục, tan trong nước. Dưới tác dụng của ánh sáng nó biến thành muối sắt (II) và giải phóng CO2:
2K3[Fe(C2O4)3] 2K2[Fe(C2O4)2] + K2C2O4 + 2CO2
Tính chất quang hóa học đó được dùng để in san các bản vẽ.
Kali trioxalatoferic được tạo nên khi hòa tan Fe2(C2O4)3.5H2O trong dư dung dịch K2C2O4.