Bài 40. Sắt

I- VỊ TRÍ VÀ CẤU TẠO

1. Vị trí của sắt trong bảng tuần hoàn

Sắt là nguyên tố kim loại chuyển tiếp, thuộc nhóm VIIIB, chu kì 4, số hiệu nguyên tử là 26.

2. Cấu tạo của sắt

– Cấu hình electron

Nguyên tử Fe có 26 electron, được phân bố thành 4 lớp: 2e,8e,14e,2e.

Sắt là nguyên tố d, có cấu hình electron nguyên tử: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s² hay viết gọn là:

Khi tạo ra các ion sắt, nguyên tử Fe nhường electron ở phân lớp 4s trước phân lớp 3d. Thí dụ:

Nguyên tử Fe nhường 2e ở phân lớp 4s tạo ra ion Fe²⁺, có cấu hình electron:

Nguyên tử Fe nhường 2e ở phân lớp 4s và 1e ở phân lớp 3d tạo ra ion Fe³⁺, có cấu hình electron:

Nhận xét: Tương tự nguyên tố Cr, khi tham gia phản ứng hóa học, nguyên tử Fe không chỉ nhường electron ở phân lớp 4s mà có thể nhường thêm electron ở phân lớp 3d, tạo ra những ion có điện tích khác nhau là Fe²⁺ và Fe³⁺. Trong hợp chất, Fe có số oxi hóa +2 hoặc +3.

– Một số đại lượng của nguyên tử

Bán kính nguyên tử Fe: 0,162(nm)

Bán kính các ion Fe²⁺ và Fe³⁺: 0,076 và 0,064(nm)

Năng lượng ion hóa I₁, I₂ và I₃: 760,1560,2960(kJ/mol)

Độ âm điện :1,83

Thế điện cực chuẩn  E⁰_Fe2+/Fe:−0,44(V)                      E⁰_Fe3+/Fe2+:+0,77(V)

– Cấu tạo của đơn chất

Tùy thuộc vào nhiệt độ, kim loại Fe có thể tồn tại ở các mạng tinh thể lập phương tâm khối (Feα) hoặc lập phương tâm diện (Feγ).

II- TÍNH CHẤT VẬT LÍ.

Sắt là kim loại có màu trắng hơi xám, dẻo, dễ rèn, nóng chảy ở nhiệt độ 1540^oC, có khối lượng riêng 7,9g/cm³. Sắt có tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, đặc biệt có tính nhiễm từ.

III- TÍNH CHẤT HÓA HỌC

Những đặc điểm về cấu tạo và đại lượng đặc trưng của nguyên tử Fe nêu ở trên cho thấy tính chất hóa học cơ bản của sắt là tính khử trung bình: Fe có thể bị oxi hóa thành Fe²⁺ hoặc Fe³⁺.

1. Tác dụng với phi kim

Fe khử nhiều phi kim thành ion âm trong khi đó Fe bị oxi hóa thành Fe²⁺ thành Fe³⁺.

Thí dụ:

Fe+S→t^o FeS

3Fe+2O₂ → t^o Fe₃O₄

2Fe+3Cl₂→t^o 2FeCl₃

2. Tác dụng với axit

Fe khử dễ dàng ion H⁺ trong dung dịch axit HCl hoặc H2SO₄ loãng thành hiđro đồng thời Fe bị oxi hóa thành Fe²⁺:

Fe+H₂SO₄→FeSO₄+H₂↑

Khi tác dụng với những axit có tính oxi hóa mạnh, như HNO₃ và H₂SO₄ đặc nóng, Fe bị oxi hóa mạnh thành ion Fe3+

Fe+4HNO₃(loãng)→Fe(NO₃)₃+2H₂O+NO↑

2Fe+6H₂SO₄(đặc)→t^o Fe₂(SO₄)₃+6H₂O+3SO₂↑

Axit HNO₃ và H₂SO₄ đặc nguội không tác dụng với sắt mà còn làm cho sắt trở nên thụ động.

3. Tác dụng với dung dịch muối

Sắt khử được những ion kim loại đứng sau nó trong dãy điện hóa (có thế điện cực chuẩn lớn hơn −0,44V ).

Thí dụ:

Fe+CuSO₄→FeSO₄+Cu↓

Fe+3AgNO₃(dư)→Fe(NO₃)₃+3Ag↓

4. Tác dụng với nước

Ở nhiệt độ cao, sắt khử được hơi nước

3Fe+4H₂O→t^o<570^oC Fe₃O₄+4H₂↑

Fe+H₂O→t^o>570^oC FeO+H₂↑

IV- TRẠNG THÁI TỰ NHIÊN

Trong tự nhiên, sắt ở trạng thái tự do trong các mảnh thiên thạch. Những hợp chất của sắt tồn tại dưới dạng quặng sắt thì rất phong phú (sắt chiếm tới 5% khối lượng vỏ Trái Đất, đứng hàng thứ tư trong các nguyên tố, hàng thứ hai trong các kim loại, sau nhôm). Một số quặng sắt quan trọng là:

Quặng hematit đỏ chứa Fe₂O₃ khan.

Quặng hematit nâu chứa Fe₂O₃.nH₂O

Quặng manhetit chứa Fe₃O₄ là quặng giàu sắt nhất, nhưng hiếm có trong tự nhiên.

Ngoài ra còn có quặng xiđerit chứa FeCO₃, quặng pirit sắt chứa FeS₂.

Để sản xuất gang người ta thường dùng manđetit và hemantit.

Hợp chất sắt còn có mặt trong hồng cầu của máu, làm nhiệm vụ chuyển tải oxi đến các tế bào cơ thể để duy trì sự sống của con người và động vật.