Bài học

Hợp chất sắt (II) và sắt (III) — tính chất và nhận biết

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em viết được phương trình hoá học thể hiện Fe(II) dễ bị oxi hoá thành Fe(III) trong không khí, viết được phản ứng Fe(III) bị khử về Fe(II) bởi kim loại mạnh hơn, và chọn đúng thuốc thử để phân biệt dung dịch chứa $Fe^{2+}$ với dung dịch chứa $Fe^{3+}$ .

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước em đã thấy sắt có hai số oxi hoá phổ biến $+2$ và $+3$ tuỳ chất phản ứng cùng. Bài này khai thác chính hai loại hợp chất đó — không đi tìm chất mới, mà tìm hiểu bản thân $Fe^{2+}$ và $Fe^{3+}$ hoạt động thế nào khi đứng riêng trong dung dịch hay ở dạng oxide, hydroxide.

Khởi động

Một lọ dung dịch $FeCl_2$ mới pha có màu lục nhạt gần như trong suốt. Để hở nắp ngoài không khí vài giờ, dung dịch dần ngả sang màu vàng nâu. Không ai đổ thêm hoá chất nào vào — vậy điều gì đã xảy ra bên trong lọ?

Kiến thức trọng tâm

Hợp chất sắt (II). $FeO$ (rắn, đen) và $Fe(OH)_2$ (kết tủa, trắng hơi xanh) đều là oxide/hydroxide base, tan trong acid tạo muối $Fe^{2+}$ . Điểm đáng chú ý nhất của $Fe^{2+}$ là nó KHÔNG bền trong không khí — oxygen dễ dàng oxi hoá $Fe^{2+}$ lên $Fe^{3+}$ . Quan sát rõ nhất ở $Fe(OH)_2$ : kết tủa trắng xanh vừa tạo ra nhanh chóng chuyển sang màu nâu đỏ của $Fe(OH)_3$ ngay khi tiếp xúc không khí: $4Fe(OH)_2 + O_2 + 2H_2O \to 4Fe(OH)_3$ . Đây chính là lý do dung dịch $FeCl_2$ để hở nắp lâu ngày chuyển màu vàng nâu ở phần khởi động — $Fe^{2+}$ đã bị oxygen hoà tan trong không khí oxi hoá dần thành $Fe^{3+}$ .

Hợp chất sắt (III). $Fe_2O_3$ (rắn, nâu đỏ, thành phần chính của gỉ sắt và quặng hematit) và $Fe(OH)_3$ (kết tủa nâu đỏ) cũng là oxide/hydroxide base, tan trong acid tạo muối $Fe^{3+}$ . Khác với $Fe^{2+}$ , ion $Fe^{3+}$ lại có tính oxi hoá — nó có thể bị các kim loại đứng trước nó trong dãy điện hoá khử trở lại $Fe^{2+}$ : $Fe + 2FeCl_3 \to 3FeCl_2$ ; $Cu + 2FeCl_3 \to CuCl_2 + 2FeCl_2$ . Phản ứng thứ hai được dùng thực tế trong công nghiệp khắc mạch in điện tử: dung dịch $FeCl_3$ ăn mòn lớp đồng lộ ra trên bảng mạch, tạo hình mạch dẫn điện mong muốn.

Như vậy, hai ion này có vai trò trái ngược nhau về mặt oxi hoá – khử: $Fe^{2+}$ dễ bị oxi hoá (đóng vai trò chất khử), còn $Fe^{3+}$ dễ oxi hoá chất khác (đóng vai trò chất oxi hoá). Sự chuyển hoá qua lại này là chìa khoá để nhận biết và phân biệt hai ion.

Nhận biết $Fe^{2+}$ và $Fe^{3+}$ . Cách đơn giản và phổ biến nhất ở trường phổ thông là dùng dung dịch $NaOH$ : $Fe^{2+}$ cho kết tủa trắng xanh, hoá nâu đỏ dần khi để ngoài không khí; $Fe^{3+}$ cho kết tủa nâu đỏ ngay lập tức. Với $Fe^{3+}$ , còn có một thuốc thử đặc trưng và nhạy hơn nhiều: dung dịch $KSCN$ (potassium thiocyanate) tạo phức màu đỏ máu đậm ngay cả ở nồng độ $Fe^{3+}$ rất loãng — đây là phép thử chuẩn dùng trong phòng thí nghiệm để phát hiện dấu vết ion $Fe^{3+}$ .

Ứng dụng thực tế của Fe(III) — chất keo tụ trong xử lý nước. Muối $FeCl_3$ và phèn sắt $Fe_2(SO_4)_3$ được dùng rộng rãi tại các nhà máy xử lý nước cấp và nước thải ở Việt Nam làm chất keo tụ: ion $Fe^{3+}$ thuỷ phân trong nước tạo các bông keo $Fe(OH)_3$ tích điện, hút bám các hạt bụi bẩn lơ lửng nhỏ li ti thành từng cụm lớn hơn, đủ nặng để lắng xuống đáy bể lắng. Đây chính là ứng dụng trực tiếp của phản ứng $Fe^{3+} + 3H_2O \rightleftharpoons Fe(OH)_3 + 3H^+$ mà em vừa học, cho thấy kiến thức về hợp chất Fe(III) không chỉ nằm trên giấy mà gắn liền với công nghệ xử lý nước uống hằng ngày.

**Hợp chất sắt (II).** $FeO$ (rắn, đen) và $Fe(OH)_2$ (kết tủa, trắng hơi xanh) đều là oxide/hydroxide base, tan trong acid tạo muối $Fe^{2+}$. Điểm đáng chú ý nhất của $Fe^{2+}$ là nó KHÔNG bền trong không khí — oxygen dễ dàng oxi hoá $Fe^{2+}$ lên $Fe^{3+}$. Quan sát rõ nhất ở $Fe(OH)_2$: kết tủa trắng xanh vừa tạo ra nhanh chóng chuyển sang màu nâu đỏ của $Fe(OH)_3$ ngay khi tiếp xúc không khí: $4Fe(OH)_2 + O_2 + 2H_2O \to 4Fe(OH)_3$. Đây chính là lý do dung dịch $FeCl_2$ để hở nắp lâu ngày chuyển màu vàng nâu ở phần khởi động — $Fe^{2+}$ đã bị oxygen hoà tan trong không khí oxi hoá dần thành $Fe^{3+}$. **Hợp chất sắt (III).** $Fe_2O_3$ (rắn, nâu đỏ, thành phần chính của gỉ sắt và quặng hematit) và $Fe(OH)_3$ (kết tủa nâu đỏ) cũng là oxide/hydroxide base, tan trong acid tạo muối $Fe^{3+}$. Khác với $Fe^{2+}$, ion $Fe^{3+}$ lại có tính oxi hoá — nó có thể bị các kim loại đứng trước nó trong dãy điện hoá khử trở lại $Fe^{2+}$: $Fe + 2FeCl_3 \to 3FeCl_2$; $Cu + 2FeCl_3 \to CuCl_2 + 2FeCl_2$. Phản ứng thứ hai được dùng thực tế trong công nghiệp khắc mạch in điện tử: dung dịch $FeCl_3$ ăn mòn lớp đồng lộ ra trên bảng mạch, tạo hình mạch dẫn điện mong muốn. Như vậy, hai ion này có vai trò trái ngược nhau về mặt oxi hoá – khử: $Fe^{2+}$ dễ bị oxi hoá (đóng vai trò chất khử), còn $Fe^{3+}$ dễ oxi hoá chất khác (đóng vai trò chất oxi hoá). Sự chuyển hoá qua lại này là chìa khoá để nhận biết và phân biệt hai ion. **Nhận biết $Fe^{2+}$ và $Fe^{3+}$.** Cách đơn giản và phổ biến nhất ở trường phổ thông là dùng dung dịch $NaOH$: $Fe^{2+}$ cho kết tủa trắng xanh, hoá nâu đỏ dần khi để ngoài không khí; $Fe^{3+}$ cho kết tủa nâu đỏ ngay lập tức. Với $Fe^{3+}$, còn có một thuốc thử đặc trưng và nhạy hơn nhiều: dung dịch $KSCN$ (potassium thiocyanate) tạo phức màu đỏ máu đậm ngay cả ở nồng độ $Fe^{3+}$ rất loãng — đây là phép thử chuẩn dùng trong phòng thí nghiệm để phát hiện dấu vết ion $Fe^{3+}$. **Ứng dụng thực tế của Fe(III) — chất keo tụ trong xử lý nước.** Muối $FeCl_3$ và phèn sắt $Fe_2(SO_4)_3$ được dùng rộng rãi tại các nhà máy xử lý nước cấp và nước thải ở Việt Nam làm chất keo tụ: ion $Fe^{3+}$ thuỷ phân trong nước tạo các bông keo $Fe(OH)_3$ tích điện, hút bám các hạt bụi bẩn lơ lửng nhỏ li ti thành từng cụm lớn hơn, đủ nặng để lắng xuống đáy bể lắng. Đây chính là ứng dụng trực tiếp của phản ứng $Fe^{3+} + 3H_2O \rightleftharpoons Fe(OH)_3 + 3H^+$ mà em vừa học, cho thấy kiến thức về hợp chất Fe(III) không chỉ nằm trên giấy mà gắn liền với công nghệ xử lý nước uống hằng ngày.

Ví dụ

Giải thích và viết phương trình chuyển hoá Fe(OH)₂ thành Fe(OH)₃

1
Vì sao kết tủa $Fe(OH)_2$ trắng xanh vừa điều chế được lại nhanh chóng chuyển sang màu nâu đỏ khi để trong không khí? Viết phương trình hoá học minh hoạ.
Vì sao kết tủa $Fe(OH)_2$ trắng xanh vừa điều chế được lại nhanh chóng chuyển sang màu nâu đỏ khi để trong không khí? Viết phương trình hoá học minh hoạ.
2
Không khí luôn có oxygen $O_2$ hoà tan/tiếp xúc. $Fe^{2+}$ trong $Fe(OH)_2$ có tính khử, dễ nhường thêm 1 electron để trở thành $Fe^{3+}$ bền hơn về mặt cấu hình electron.
Không khí luôn có oxygen $O_2$ hoà tan/tiếp xúc. $Fe^{2+}$ trong $Fe(OH)_2$ có tính khử, dễ nhường thêm 1 electron để trở thành $Fe^{3+}$ bền hơn về mặt cấu hình electron.
3
$4Fe(OH)_2 + O_2 + 2H_2O \to 4Fe(OH)_3$ . Sản phẩm $Fe(OH)_3$ có màu nâu đỏ đặc trưng, khác hẳn màu trắng xanh của $Fe(OH)_2$ ban đầu.
$4Fe(OH)_2 + O_2 + 2H_2O \to 4Fe(OH)_3$. Sản phẩm $Fe(OH)_3$ có màu nâu đỏ đặc trưng, khác hẳn màu trắng xanh của $Fe(OH)_2$ ban đầu.
4
Vậy màu sắc đổi từ trắng xanh sang nâu đỏ chính là dấu hiệu quan sát được bằng mắt thường của quá trình $Fe^{2+}$ bị oxygen không khí oxi hoá thành $Fe^{3+}$ .
Vậy màu sắc đổi từ trắng xanh sang nâu đỏ chính là dấu hiệu quan sát được bằng mắt thường của quá trình $Fe^{2+}$ bị oxygen không khí oxi hoá thành $Fe^{3+}$.

Ví dụ

Phân biệt hai dung dịch mất nhãn FeCl₂ và FeCl₃

1
Có hai lọ mất nhãn chứa riêng biệt dung dịch $FeCl_2$ và dung dịch $FeCl_3$ có cùng nồng độ. Chỉ dùng một thuốc thử, hãy trình bày cách phân biệt và viết phương trình minh hoạ.
Có hai lọ mất nhãn chứa riêng biệt dung dịch $FeCl_2$ và dung dịch $FeCl_3$ có cùng nồng độ. Chỉ dùng một thuốc thử, hãy trình bày cách phân biệt và viết phương trình minh hoạ.
2
Dùng dung dịch $KSCN$ . Đây là thuốc thử đặc trưng, chỉ tạo phức màu với $Fe^{3+}$ , không phản ứng quan sát được với $Fe^{2+}$ .
Dùng dung dịch $KSCN$. Đây là thuốc thử đặc trưng, chỉ tạo phức màu với $Fe^{3+}$, không phản ứng quan sát được với $Fe^{2+}$.
3
Nhỏ vài giọt dung dịch $KSCN$ vào mỗi lọ. Lọ nào xuất hiện màu đỏ máu đậm ngay lập tức là dung dịch $FeCl_3$ : $FeCl_3 + 3KSCN \to Fe(SCN)_3 + 3KCl$ . Lọ còn lại không đổi màu rõ rệt là $FeCl_2$ .
Nhỏ vài giọt dung dịch $KSCN$ vào mỗi lọ. Lọ nào xuất hiện màu đỏ máu đậm ngay lập tức là dung dịch $FeCl_3$: $FeCl_3 + 3KSCN \to Fe(SCN)_3 + 3KCl$. Lọ còn lại không đổi màu rõ rệt là $FeCl_2$.
4
Vậy chỉ với một thuốc thử $KSCN$ , ta phân biệt được ngay hai dung dịch nhờ phản ứng tạo phức màu đỏ máu đặc trưng chỉ riêng $Fe^{3+}$ mới có.
Vậy chỉ với một thuốc thử $KSCN$, ta phân biệt được ngay hai dung dịch nhờ phản ứng tạo phức màu đỏ máu đặc trưng chỉ riêng $Fe^{3+}$ mới có.

Sai lầm thường gặp

Học sinh hay nhầm màu của hai kết tủa: $Fe(OH)_2$ (trắng hơi xanh — dễ nhầm gọi là "trắng" đơn thuần) và $Fe(OH)_3$ (nâu đỏ — dễ nhầm với màu đỏ gạch của $Cu_2O$ ). Ngoài ra, nhiều em quên mất $KSCN$ là thuốc thử ĐẶC TRƯNG cho $Fe^{3+}$ nên khi đề không cho $NaOH$ thì lúng túng không biết dùng chất gì.

Học sinh hay nhầm màu của hai kết tủa: $Fe(OH)_2$ (trắng hơi xanh — dễ nhầm gọi là "trắng" đơn thuần) và $Fe(OH)_3$ (nâu đỏ — dễ nhầm với màu đỏ gạch của $Cu_2O$). Ngoài ra, nhiều em quên mất $KSCN$ là thuốc thử ĐẶC TRƯNG cho $Fe^{3+}$ nên khi đề không cho $NaOH$ thì lúng túng không biết dùng chất gì.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Fe²⁺ có tính khử, dễ bị oxygen không khí oxi hoá thành Fe³⁺ (Fe(OH)₂ trắng xanh hoá nâu đỏ). Fe³⁺ có tính oxi hoá, bị Fe hoặc Cu khử về Fe²⁺. Nhận biết Fe³⁺ bằng KSCN (đỏ máu); nhận biết cả hai ion bằng NaOH qua màu kết tủa.

Chương tiếp theo chuyển từ hợp chất sang hợp kim: gang và thép — hai sản phẩm công nghiệp quan trọng nhất được luyện trực tiếp từ quặng sắt.