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

1. Hợp chất sắt (III) là gì?

Hợp chất sắt (III) là những hợp chất hóa học vô cơ trong đó sắt có số oxi hóa là +3. Các hợp chất sắt (III) có màu sắc đa dạng, từ màu tím của sắt (III) thiocyanat đến màu vàng của sắt (III) sunfat. Các hợp chất sắt (III) có tính oxi hóa mạnh và thường tạo phức chất với các ion khác trong dung dịch. Các hợp chất sắt (III) được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như nhuộm, xử lý nước thải, phân tích hoá học và sản xuất một số loại thuốc. Một số ví dụ về các hợp chất sắt (III) phổ biến là:

– Sắt (III) oxit (Fe2O3): Là một oxit bazơ không tan trong nước, có màu nâu đỏ. Nó là thành phần chính của quặng hematit, một nguồn quan trọng của sắt. Nó cũng được dùng làm chất tạo màu trong gốm sứ, sơn và mỹ phẩm.

– Sắt (III) hydroxit (Fe(OH)3): Là một bazơ không tan trong nước, có màu nâu đỏ. Nó được tạo ra khi cho các ion sắt (III) tác dụng với các ion hydroxit trong dung dịch kiềm. Nó cũng được dùng làm chất kết tụ để loại bỏ các ion kim loại nặng và các chất ô nhiễm khác trong nước.

– Sắt (III) thiocyanat (Fe(SCN)3): Là một muối tan trong nước, có màu tím khi ở dạng khan và màu đỏ máu khi ở dạng trihydrat. Nó được tạo ra khi cho các ion sắt (III) tác dụng với các ion thiocyanat trong dung dịch axit. Nó được dùng làm chất chỉ thị để phát hiện các ion sắt (III) bằng cách tạo ra màu đỏ máu khi có mặt của chúng.

– Sắt (III) sunfat (Fe2(SO4)3): Là một muối tan trong nước, có màu vàng. Nó được tạo ra khi cho sắt tác dụng với axit sunfuric đặc nóng hoặc khi cho các muối sắt (II) tác dụng với các oxit hoặc peroxit của sắt. Nó được dùng làm chất giữ màu trong nhuộm và làm chất kết tụ cho các chất thải công nghiệp.

2. Tính chất của hợp chất sắt (III):

2.1. Tính chất vật lý:

Hợp chất sắt (III) là những chất hóa học có công thức chung là FeX3, trong đó X là một nguyên tố phi kim hoặc một nhóm nguyên tử. Hợp chất sắt (III) có tính chất vật lý khác nhau tùy thuộc vào cấu trúc phân tử và liên kết hóa học của chúng. Một số tính chất vật lý phổ biến của hợp chất sắt (III) là:

– Màu sắc: Hợp chất sắt (III) thường có màu nâu đỏ, cam hoặc vàng, do sự hiện diện của ion Fe3+ trong dung dịch hoặc tinh thể. Ví dụ, Fe2O3 có màu nâu đỏ, FeCl3 có màu vàng cam, Fe(NO3)3 có màu vàng nhạt.

– Điểm nóng chảy và điểm sôi: Hợp chất sắt (III) thường có điểm nóng chảy và điểm sôi cao, do liên kết ion giữa ion Fe3+ và ion X- mạnh. Ví dụ, Fe2O3 có điểm nóng chảy là 1565°C và điểm sôi là 3414°C, FeCl3 có điểm nóng chảy là 306°C và điểm sôi là 315°C, Fe(NO3)3 có điểm nóng chảy là 47°C và điểm sôi là 125°C.

– Độ tan: Hợp chất sắt (III) thường tan tốt trong nước hoặc dung môi phân cực khác, do khả năng tạo phức với các phân tử nước hoặc dung môi. Ví dụ, FeCl3 tan trong nước tạo dung dịch màu vàng cam, Fe(NO3)3 tan trong nước tạo dung dịch màu vàng nhạt. Tuy nhiên, một số hợp chất sắt (III) không tan hoặc tan rất ít trong nước, do cấu trúc phân tử không đối xứng hoặc liên kết cộng hóa trị giữa các nguyên tử. Ví dụ, Fe2O3 không tan trong nước, Fe(OH)3 tan rất ít trong nước.

2.2. Tính chất hóa học:

Hợp chất sắt (III) là những hợp chất trong đó sắt có mức oxi hóa +3. Hợp chất sắt (III) có tính chất hóa học như sau:

– Hợp chất sắt (III) có tính oxi hóa: Khi tác dụng với các chất khử, hợp chất sắt (III) bị khử thành hợp chất sắt (II) hoặc kim loại sắt. Ví dụ:

Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2

Fe2O3 + 2Al → Al2O3 + 2Fe

– Hợp chất sắt (III) có tính bazơ: Khi tác dụng với các axit không có tính oxi hóa, hợp chất sắt (III) tạo ra muối sắt (III) và nước. Ví dụ:

Fe(OH)3 + 3HCl → FeCl3 + 3H2O

Fe2O3 + 6HCl → 2FeCl3 + 3H2O

– Hợp chất sắt (III) không tan trong nước: Hầu hết các hợp chất sắt (III) đều là những chất rắn không tan trong nước, như Fe2O3, Fe(OH)3, FeCl3… Chúng chỉ tan được trong các dung dịch axit hoặc kiềm.

3. Các cách điều chế hợp chất sắt (III):

Các cách điều chế hợp chất sắt (III) là:

– Điều chế trực tiếp từ phản ứng của Fe với chất oxi hóa mạnh như Cl2, HNO3, H2SO4 đặc nóng. Ví dụ:

  2Fe + 3Cl2 → 2FeCl3

  Fe + 4HCl + KNO3 → 2H2O + KCl + NO + FeCl3

– Điều chế từ phản ứng của hợp chất Fe (III) với axit. Ví dụ:

  Fe2O3 + 6HCl → 2FeCl3 + 3H2O

  Fe(OH)3 + 3HCl → FeCl3 + 3H2O

– Điều chế từ phản ứng khử muối sắt (II) bằng các chất khử mạnh như Cl2, HNO3 đặc nóng, KMnO4, K2Cr2O7. Ví dụ:

  2FeCl2 + Cl2 → 2FeCl3

  10FeSO4 + 2KMnO4 + 8H2SO4 → 5Fe2(SO4)3 + K2SO4 + 2MnSO4 + 8H2O

4. Ứng dụng của hợp chất sắt (III):

Hợp chất sắt (III) có nhiều ứng dụng trong thực tế, chẳng hạn như:

– Sắt (III) oxit (Fe2O3) được dùng làm chất tạo màu trong sơn, gốm, mỹ phẩm và giấy. Sắt (III) oxit cũng là thành phần của từ tính tự nhiên (magnetite) và có khả năng lưu trữ thông tin từ tính. 

– Sắt (III) clorua (FeCl3) được dùng làm chất khử trong công nghiệp nhuộm, chất xúc tác trong tổng hợp hữu cơ và chất khắc bề mặt mạch in. Sắt (III) clorua cũng có tác dụng làm sạch nước bằng cách kết tủa các chất hữu cơ và vô cơ bẩn. 

– Sắt (III) phosphat (FePO4) được dùng làm chất phủ bề mặt kim loại để ngăn chặn quá trình oxy hóa và ăn mòn. Sắt (III) phosphat cũng được dùng làm thuốc trừ sâu hữu cơ và điện cực xen kẽ trong pin lithium-ion. 

– Sắt (III) sunfat (Fe2(SO4)3) được dùng làm chất tạo màu đen trong mực viết, chất điều chỉnh độ pH trong thuốc thử hóa học và chất xử lý nước thải công nghiệp. Sắt (III) sunfat cũng có tác dụng khử các ion kim loại nặng như thủy ngân, chì và cadimi. 

5. Bài tập về hợp chất sắt (III) và lời giải:

Một số dạng bài tập về hợp chất sắt (III) và lời giải như sau:

– Dạng 1: Tính khối lượng của hợp chất sắt (III) khi biết khối lượng của sắt trong hợp chất.

Ví dụ: Tính khối lượng của oxit sắt (III) khi biết khối lượng của sắt trong oxit là 112g.

Lời giải:

Ta có công thức phân tử của oxit sắt (III) là Fe2O3. Theo đó, số mol của sắt trong oxit là:

n(Fe) = m(Fe)/M(Fe) = 112/56 = 2 mol

Theo phương trình phản ứng:

4Fe + 3O2 -> 2Fe2O3

Ta thấy tỉ lệ mol của Fe và Fe2O3 là 4:2, do đó số mol của oxit sắt (III) là:

n(Fe2O3) = n(Fe)/4 x 2 = 1 mol

Vậy khối lượng của oxit sắt (III) là:

m(Fe2O3) = n(Fe2O3) x M(Fe2O3) = 1 x (56 x 2 + 16 x 3) = 160 g

– Dạng 2: Tính khối lượng của hợp chất sắt (III) khi biết khối lượng của một nguyên tố khác trong hợp chất.

Ví dụ: Tính khối lượng của sunfua sắt (III) khi biết khối lượng của sun trong sunfua là 48g.

Lời giải:

Ta có công thức phân tử của sunfua sắt (III) là Fe2S3. Theo đó, số mol của sun trong sunfua là:

n(S) = m(S)/M(S) = 48/32 = 1,5 mol

Theo phương trình phản ứng:

6Fe + S8 -> 4Fe2S3

Ta thấy tỉ lệ mol của S và Fe2S3 là 8:4, do đó số mol của sunfua sắt (III) là:

n(Fe2S3) = n(S)/8 x 4 = 0,75 mol

Vậy khối lượng của sunfua sắt (III) là:

m(Fe2S3) = n(Fe2S3) x M(Fe2S3) = 0,75 x (56 x 2 + 32 x 3) = 240 g

* Các bài tập về Hợp chất sắt (III) và lời giải

– Bài 1: Cho 5,6 gam bột Fe tác dụng với 500 ml dung dịch AgNO3 0,5 M. Tính:

– Khối lượng muối thu được

– Khối lượng kim loại thu được

Lời giải:

Phương trình phản ứng:

Fe + 2AgNO3 → Fe(NO3)2 + 2Ag

nFe = mFe/MFe = 5,6/56 = 0,1 mol

nAgNO3 = C.V = 0,5.0,5 = 0,25 mol

Theo định luật bảo toàn khối lượng:

mFe + mAgNO3 = mFe(NO3)2 + mAg

Ta có:

mFe(NO3)2 = nFe(NO3)2.MFe(NO3)2 = nFe.MFe(NO3)2 = 0,1.180 = 18 gam

mAg = nAg.MAg = nAgNO3.MAg = 0,25.108 = 27 gam

– Bài 2: Cho m gam Fe vào 400 ml dung dịch HNO3 1M thu được V lít khí NO duy nhất và 14 gam kim loại. Tính m và V.

Lời giải:

Phương trình phản ứng:

Fe + 4HNO3 → Fe(NO3)3 + NO + 2H2O

nFe = mFe/MFe

nHNO3 = CHNO3.VHNO3 = 1.0,4 = 0,4 mol

nNO = V/22,4 (đktc)

Theo định luật bảo toàn khối lượng:

mFe + mHNO3 = mFe(NO3)3 + mNO + mH2O

Ta có:

mHNO3 = nHNO3.MHNO3 = 0,4.63 = 25,2 gam

mFe(NO3)3 = nFe(NO3)3.MFe(NO3)3 = nFe.MFe(NO3)3

mNO = nNO.MNO = V/22,4.30

mH2O = nH2O.MH2O = nNO.MH2O = V/22,4.18

Thay vào biểu thức bảo toàn khối lượng ta được:

m + 25,2 – (m -14).241/56 – V/22,4.30 – V/22,4.18 = 0

Giải phương trình ta được:

V ≈ 2,24 lít và m ≈ 22,4 gam