Sắt và hợp chất của sắt: Chuyển hóa số oxi hóa của sắt — Mô phỏng 3D Tương tác (Hóa học THPT)
Câu hỏi trọng tâm: Cùng một nguyên tố sắt, tại sao trong ống nghiệm lúc thì ở mức +2, lúc lại ở mức +3, và dựa vào đâu ta biết nó đang ở mức nào?
Phương trình / Nguyên lý cốt lõi: Fe³⁺ + e⁻ ⇌ Fe²⁺ · Muốn lên +3 cần chất oxi hóa, muốn xuống +2 cần chất khử
Đối chiếu Chương trình GDPT 2018: Hóa học 12 — SGK GDPT 2018 · Chương Đại cương về kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất (Sắt và hợp chất của sắt) + Thực hành thí nghiệm & Nghiên cứu nhận biết nguyên tố sắt trong thực phẩm
Chuỗi bước khám phá và kết luận khoa học (9 bước)
- Bước 1 (Làm quen thí nghiệm): Cùng một nguyên tố sắt, tại sao trong ống nghiệm lúc thì ở số oxi hóa +2, lúc lại ở +3? Dựa vào đâu ta biết là mức nào? — Kết luận: Trong hợp chất, sắt chủ yếu thể hiện số oxi hóa +2 và +3; từ góc độ số oxi hóa, có thể dự đoán sắt(+3) có tính oxi hóa và thiết kế phản ứng giữa đơn chất Fe với Fe³⁺ để điều chế Fe²⁺. |
Fe³⁺ + e⁻ ⇌ Fe²⁺ (Chất khử ↓ / Chất oxi hóa ↑) - Bước 2 (Kết tủa trắng): Nhỏ NaOH vào dung dịch FeSO₄, tại sao kết tủa ban đầu có màu trắng nhưng rất nhanh sau đó không còn trắng nữa? — Kết luận: Fe(OH)₂ màu trắng bị khí oxygen hòa tan trong dung dịch oxi hóa thành Fe(OH)₃ màu nâu đỏ: FeSO₄ + 2NaOH = Fe(OH)₂↓ + Na₂SO₄, 4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O = 4Fe(OH)₃. |
4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O = 4Fe(OH)₃ - Bước 3 (Cách ly không khí): Muốn quan sát rõ màu trắng của Fe(OH)₂, trong phòng thí nghiệm cần ngăn cách không khí bằng cách nào? — Kết luận: Đun sôi đuổi khí oxygen hòa tan, dùng ống nhỏ giọt dài đưa dung dịch NaOH xuống dưới mặt thoáng rồi nhỏ vào, đồng thời phủ lớp dầu hỏa lên mặt thoáng sẽ giữ được kết tủa trắng lâu dài. |
Cách ly không khí: Đun sôi đuổi O₂ · Ống nhỏ giọt dài cắm sâu dưới mặt dịch · Phủ lớp dầu hỏa - Bước 4 (Nhận biết bằng KSCN): Cả hai ống nghiệm đều được nhỏ KSCN, tại sao chỉ có một ống hóa đỏ? — Kết luận: Dung dịch muối chứa ion Fe³⁺ khi gặp dung dịch KSCN sẽ chuyển sang màu đỏ máu (do tạo phức thiocyanate sắt(III)); phản ứng này dùng để nhận biết sự có mặt của ion Fe³⁺. |
Fe³⁺ + KSCN → Phức màu đỏ máu (Fe²⁺ không đổi màu) - Bước 5 (Hạ số oxi hóa xuống): Thêm một thìa bột sắt, tại sao màu đỏ lại nhạt dần rồi chuyển sang lục nhạt? — Kết luận: 2Fe³⁺ + Fe = 3Fe²⁺ — Muối sắt(III) khi gặp chất khử mạnh hơn sẽ bị khử thành muối sắt(II). |
2Fe³⁺ + Fe = 3Fe²⁺ - Bước 6 (Tăng số oxi hóa trở lại): Nhỏ vài giọt nước chlorine vào phần dịch trong màu lục nhạt, tại sao màu sắc và kết quả KSCN lại cùng đảo chiều? — Kết luận: 2Fe²⁺ + Cl₂ = 2Fe³⁺ + 2Cl⁻ — Muối sắt(II) dưới tác dụng của chất oxi hóa mạnh sẽ bị oxi hóa thành muối sắt(III). |
2Fe²⁺ + Cl₂ = 2Fe³⁺ + 2Cl⁻ - Bước 7 (Quan sát vi mô): Giữa "số oxi hóa +2" và "số oxi hóa +3", rốt cuộc hạt vi mô đã mất đi hay nhận lại thứ gì? — Kết luận: Giữa Fe²⁺ và Fe³⁺ chỉ chênh nhau 1 electron: Fe − 2e⁻ → Fe²⁺, Fe − 3e⁻ → Fe³⁺; nhường electron là sự oxi hóa, nhận electron là sự khử. |
Fe − 2e⁻ → Fe²⁺ ｜ Fe − 3e⁻ → Fe³⁺ - Bước 8 (Trạm kiểm nghiệm sắt): Trong rau chân vịt rõ ràng có sắt, tại sao nhỏ trực tiếp KSCN lại không thấy màu đỏ? — Kết luận: KSCN chỉ nhận biết Fe³⁺, trong khi sắt trong thực phẩm phần lớn tồn tại ở dạng Fe²⁺, nên phải thêm trước một ít HNO₃ loãng (có tính oxi hóa) để oxi hóa Fe²⁺ thành Fe³⁺ rồi mới nhỏ KSCN. Viên bổ sung sắt thường dùng kèm vitamin C vì vitamin C có tính khử (chống oxi hóa), giúp bảo vệ hoặc khử Fe³⁺ về lại Fe²⁺. |
Fe²⁺ → (HNO₃ loãng, tính oxi hóa) Fe³⁺ → KSCN hóa đỏ - Bước 9 (Khảo sát · Ép về mức +2): Khảo sát: Ép tỷ lệ sắt(III) trong ống chuyển hóa về 0 % và giữ cho KSCN không hóa đỏ — Kết luận: Tổng kết khảo sát: Có bột sắt dư + không có chất oxi hóa thì Fe³⁺ không thể tồn tại; KSCN không hóa đỏ là bằng chứng thực nghiệm xác nhận "số oxi hóa đã thực sự hạ xuống +2". |
2Fe³⁺ + Fe = 3Fe²⁺ (Giữ vững φ = 0)
Xem trang chi tiết bài giảng, hướng dẫn lớp học và câu hỏi ôn tập Sắt và hợp chất của sắt: Chuyển hóa số oxi hóa của sắt · Trang chủ VietLab 3D