Tính chất, cách điều chế và ứng dụng của Hợp chất sắt (II)

1. Sắt là gì?

– Sắt là một nguyên tố hóa học có ký hiệu Fe (từ tiếng Latinh ferrum) và số nguyên tử bằng 26. 

– Sắt là một kim loại chuyển tiếp có màu xám bạc bóng loáng, nhưng dễ bị oxy hóa trong không khí tạo thành gỉ sắt màu nâu đỏ. 

– Sắt là một kim loại chuyển tiếp có màu trắng xám, dẻo, dai và dễ rèn. Sắt có nhiệt độ nóng chảy cao (1539 độ C) và là chất dẫn nhiệt, dẫn điện và từ tính tốt.

– Sắt có thể phản ứng với các phi kim, axit, nước và muối để tạo ra các hợp chất khác nhau.

– Sắt là nguyên tố phổ biến và quan trọng trong tự nhiên, cấu thành lớp vỏ ngoài và trong của lõi Trái Đất, cũng như là thành phần của nhiều thiên thạch và hành tinh lõi đá. 

– Sắt có vai trò thiết yếu trong cơ thể sống, đặc biệt là trong quá trình hình thành hồng cầu, vận chuyển và dự trữ oxy, hô hấp tế bào, sản xuất năng lượng và tổng hợp ADN. 

– Sắt còn là thành phần của nhiều loại protein và enzyme có hoạt tính oxy hoá khử. 

– Nhu cầu sắt của cơ thể phụ thuộc vào tuổi, giới tính, giai đoạn sinh sản và chế độ ăn uống. Thiếu sắt có thể gây ra thiếu máu, suy giảm miễn dịch, rối loạn trí não và ngộ độc chì. Thừa sắt có thể gây ra quá tải sắt, ứ đọng sắt ở các cơ quan như gan, tim, tụy và gây rối loạn chức năng. Do đó, việc duy trì cân bằng sắt trong cơ thể là rất quan trọng cho sức khỏe. Các nguồn thực phẩm giàu sắt bao gồm các loại thịt đỏ, gan, trứng, cá, hải sản, rau xanh lá, đậu nành và các sản phẩm ngũ cốc được bổ sung sắt.

2. Hợp chất sắt là gì?

Hợp chất sắt (II) là những hợp chất hóa học có chứa ion sắt (II) với số oxi hóa là +2. Ví dụ như sắt (II) oxit (FeO), sắt (II) hidroxit (Fe(OH)2), sắt (II) chloride (FeCl2) và các muối sắt (II) khác. Hợp chất sắt có thể được phân loại theo nhiều cách, chẳng hạn như theo trạng thái tồn tại, tính chất vật lý, tính chất hóa học, cấu trúc phân tử, hay theo vai trò và ứng dụng của chúng. Một số ví dụ của hợp chất sắt là oxit sắt (Fe2O3), sulfua sắt (FeS), cacbonat sắt (FeCO3), clorua sắt (FeCl3), hay hemoglobin (C55H72FeN4O5S). Hợp chất sắt có nhiều ứng dụng quan trọng trong công nghiệp, y học, nông nghiệp, và sinh học.

3. Tính chất của hợp chất sắt:

Hợp chất sắt là những chất hóa học có chứa nguyên tố sắt (Fe) và một hoặc nhiều nguyên tố khác. Hợp chất sắt có thể có hóa trị khác nhau, như sắt (II) hay sắt (III). Hợp chất sắt có những tính chất vật lý và hóa học đặc trưng, cũng như những ứng dụng quan trọng trong đời sống và công nghiệp.

3.1. Tính chất vật lý:

Một số tính chất vật lý của hợp chất sắt là:

– Hợp chất sắt thường có màu đen, nâu hoặc đỏ, tùy thuộc vào thành phần và tỷ lệ của các nguyên tố trong hợp chất.

– Hợp chất sắt thường là chất rắn ở điều kiện thường, có khối lượng riêng cao và nhiệt độ nóng chảy cao.

– Hợp chất sắt có thể dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, nhưng kém hơn kim loại sắt thuần.

– Một số hợp chất sắt có tính nhiễm từ, như oxit sắt từ (Fe3O4) hay oxit sắt (III) (Fe2O3).

3.2. Tính chất hóa học:

Một số tính chất hóa học của hợp chất sắt là:

– Hợp chất sắt có thể tác dụng với các phi kim, như oxi, clo, brom, lưu huỳnh… để tạo thành các muối hay oxit của sắt. Ví dụ:

+ Fe + O2 -> Fe3O4

+ 2Fe + 3Cl2 -> 2FeCl3

+ Fe + S -> FeS

– Hợp chất sắt có thể tác dụng với các dung dịch axit, như HCl, H2SO4 loãng… để tạo thành các muối của sắt và giải phóng khí hydro. Ví dụ:

+ Fe + 2HCl -> FeCl2 + H2

+ Fe + H2SO4 loãng -> FeSO4 + H2

– Hợp chất sắt có thể tác dụng với các dung dịch muối của các kim loại có hoạt độ hóa học yếu hơn sắt, như đồng, bạc, chì… để tạo ra kim loại mới và muối của sắt. Ví dụ:

+ Fe + CuSO4 -> FeSO4 + Cu

+ Fe + 2AgNO3 -> Fe(NO3)2 + 2Ag

+ Fe + Pb(NO3)2 -> Fe(NO3)2 + Pb

– Tính chất đặc trưng của hợp chất sắt (II) là tính khử Fe2+ thành Fe3+, còn tính chất đặc trưng của hợp chất sắt (III) là tính oxi hoá Fe3+ thành Fe2+ . Ví dụ:

+ Fe(OH)2 + Cl2 -> Fe(OH)3 + 2Cl-

+ Fe(OH)3 + I- -> Fe(OH)2 + I2

4. Ứng dụng của hợp chất sắt (II):

Một số ứng dụng của hợp chất sắt là:

– Hợp chất sắt được dùng làm màu trong nghệ thuật và công nghiệp, như màu xám (Fe3O4), màu đỏ gạch (Fe2O3), màu vàng (FeOOH).

– Hợp chất sắt được dùng làm chất xúc tác trong các phản ứng hóa học, như sắt (III) clorua (FeCl3) trong phản ứng Friedel-Crafts, oxit sắt (III) (Fe2O3) trong phản ứng Haber-Bosch.

– Hợp chất sắt được dùng làm chất bảo quản thực phẩm, như sắt (II) sunfat (FeSO4) trong muối ăn, sắt (II) gluconat (C12H22FeO14) trong nước giải khát.

– Hợp chất sắt được dùng làm chất bổ sung sắt cho cơ thể, như sắt (II) fumarat (C4H2FeO4), sắt (II) sunfat (FeSO4), sắt (III) hidroxit polimaltozat (C160H262FeO69).

Ngoài ra hợp chất sắt còn có một số ứng dụng sau:

– Oxide sắt: Có nhiều dạng oxide sắt như FeO, Fe2O3, Fe3O4. Oxide sắt có màu đỏ, nâu hoặc đen tùy theo tỉ lệ sắt và oxy. Oxide sắt được ứng dụng trong hàn xì, tinh chế quặng, sản xuất sơn, mực và thuốc nhuộm. Oxide sắt cũng là thành phần của rỉ sét, một hiện tượng oxy hóa của sắt khi tiếp xúc với không khí ẩm. 

– Muối sắt: Có hai loại muối sắt chính là muối sắt (II) và muối sắt (III). Muối sắt (II) có công thức tổng quát là FeX2, trong đó X là một nguyên tử halogen hoặc một nhóm chức. Muối sắt (II) có màu xanh lá cây hoặc trắng và tan tốt trong nước. Muối sắt (II) được ứng dụng trong diệt côn trùng, pha chế sơn, mực và nhuộm vải. Muối sắt (III) có công thức tổng quát là FeX3, trong đó X là một nguyên tử halogen hoặc một nhóm chức. Muối sắt (III) có màu vàng hoặc nâu và tan kém trong nước. Muối sắt (III) được ứng dụng trong xử lý nước thải, khử trùng nước, sản xuất thuốc và phân bón. 

– Hợp chất hữu cơ sắt: Có nhiều loại hợp chất hữu cơ sắt như porphyrin, ferrocene, hemoglobin và myoglobin. Hợp chất hữu cơ sắt có cấu trúc phức tạp và có vai trò quan trọng trong sinh học và y học. Porphyrin là một nhóm hợp chất có cấu trúc vòng bốn nguyên tử nitơ liên kết với một nguyên tử kim loại trung tâm, thường là sắt. Porphyrin có khả năng chuyển hóa ánh sáng thành năng lượng và tham gia vào quá trình quang hợp của thực vật. Ferrocene là một hợp chất có cấu trúc hai vòng benzen đối xứng liên kết với một nguyên tử sắt ở giữa. Ferrocene có tính chất từ tính và điện hóa đặc biệt và được ứng dụng trong lĩnh vực xúc tác, pin và vật liệu nano. Hemoglobin và myoglobin là hai loại protein có chứa porphyrin liên kết với nguyên tử sắt. Hemoglobin có nhiệm vụ vận chuyển oxy từ phổi đến các mô cơ thể. Myoglobin có nhiệm vụ lưu trữ oxy trong các tế bào cơ bắp.

5. Cách điều chế hợp chất sắt (II):

Hợp chất sắt (II) có thể được điều chế bằng nhiều cách, tùy thuộc vào loại hợp chất cần điều chế. Một số phương pháp điều chế hợp chất sắt (II) là:

– Cho mạt sắt tác dụng với axit clohiđric hoặc axit sunfuric loãng, thu được dung dịch muối sắt (II) và khí hiđro . Phương trình hoá học là:

  Fe + 2HCl → FeCl2 + H2↑

  Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2↑

– Nung các hợp chất của sắt có mức oxi hóa cao hơn trong điều kiện không có không khí, thu được hợp chất sắt (II) và các sản phẩm khác. Phương trình hoá học là:

  FeCO3 → FeO + CO2↑

  Fe(OH)2 → FeO + H2O

  4Fe(OH)3 → 2Fe2O3 + 6H2O

– Cho dung dịch muối sắt (III) tác dụng với các chất khử mạnh, như hiđro sunfua, sunfit, axit sunfurơ, thu được kết tủa màu trắng xanh của sắt (II) hidroxit. Phương trình hoá học là:

  FeCl3 + H2S → FeCl2 + 2HCl + S↓

  FeCl3 + Na2SO3 → FeCl2 + NaCl + NaHSO4

  FeCl3 + H2SO3 → FeCl2 + HCl + SO2↑

6. Các dạng bài tập về hợp chất sắt (II):

Một số dạng bài tập về hợp chất sắt (II) và lời giải thường gặp là:

– Dạng 1: Tính khối lượng, nồng độ, thể tích của các chất tham gia và sản phẩm trong phản ứng của sắt (II) với các chất oxi hóa như HNO3, AgNO3, KMnO4, K2Cr2O7, O2…

Ví dụ: Cho 16,8 gam bột sắt vào 800 ml dung dịch HNO3 0,5 M thu được khí NO duy nhất. Tính:

a) Thể tích khí thu được

b) Khối lượng kim loại còn dư

c) Khối lượng muối thu được

Lời giải:

a) Ta có phương trình phản ứng:

Fe + 4HNO3 -> Fe(NO3)3 + NO + 2H2O

nFe = mFe/MFe = 16,8/56 = 0,3 mol

nHNO3 = CHNO3.VHNO3 = 0,5.0,8 = 0,4 mol

Theo định luật bảo toàn nguyên tố, ta có:

nFe = nFe(NO3)3 + nFe dư

nHNO3 = 4nFe(NO3)3

nNO = nFe(NO3)3

Giải hệ ta được:

nFe(NO3)3 = nNO = 0,1 mol

nFe dư = 0,2 mol

Thể tích khí thu được là:

VNO = nNO.Vđktc = 0,1.22,4 = 2,24 lít

b) Khối lượng kim loại còn dư là:

mFe dư = nFe dư.MFe = 0,2.56 = 11,2 gam

c) Khối lượng muối thu được là:

mFe(NO3)3 = nFe(NO3)3.MFe(NO3)3 = 0,1.241,86 = 24,186 gam

– Dạng 2: Qui đổi các oxit sắt thành một oxit sắt duy nhất để tính khối lượng hoặc số mol của hỗn hợp oxit sắt.

Ví dụ: Cho hỗn hợp gồm FeO và Fe2O3 có tổng khối lượng là 159,6 gam. Tính số mol của mỗi oxit trong hỗn hợp.

Lời giải:

Ta có công thức qui đổi:

4FeO + O2 -> 2Fe2O3

Ta qui đổi hết FeO thành Fe2O3 để tính số mol của Fe2O3 trong hỗn hợp.

Ta có:

M(4FeO + O2) = M(2Fe2O3)

4.72 + 32 = 2.160

288 + 32 = 320

Ta thấy rằng mỗi khi qui đổi được thêm 32 gam Fe2O3.

Do đó số mol Fe2O3 trong hỗn hợp là:

nFe2O3 = mhh/32 = 159,6/32 = 4,9875 mol

Số mol FeO trong hỗn hợp là:

nFeO = (mhh – M(4FeO))/M(O2) = (159,6 – 4.72.4)/32 = 0,0125 mol