Phản ứng giữa sắt (Fe) và axit sunfuric (H2SO4) đặc, nóng là một trong những phản ứng oxi hóa – khử quan trọng, thường xuất hiện trong các kỳ thi hóa học. Bài viết này sẽ đi sâu vào phương trình hóa học cân bằng, điều kiện phản ứng, hiện tượng, cũng như tính chất hóa học của các chất tham gia, cung cấp cái nhìn toàn diện và chi tiết.
Phương Trình Phản Ứng và Cơ Chế
Phản ứng hóa học chính giữa sắt và axit sunfuric đặc, nóng được biểu diễn như sau:
2Fe + 6H2SO4 → Fe2(SO4)3 + 3SO2↑ + 6H2O
Đây là phản ứng oxi hóa – khử, trong đó sắt thể hiện tính khử và axit sunfuric đặc đóng vai trò là chất oxi hóa.
Để hiểu rõ hơn về sự thay đổi số oxi hóa, chúng ta có thể phân tích theo phương pháp thăng bằng electron:
- Bước 1: Xác định sự thay đổi số oxi hóa.
- Fe từ 0 lên +3 (quá trình oxi hóa).
- S trong H2SO4 từ +6 xuống +4 trong SO2 (quá trình khử).
- Bước 2: Viết quá trình oxi hóa và khử:
- Oxi hóa: Fe0 → Fe+3 + 3e
- Khử: S+6 + 2e → S+4
- Bước 3: Cân bằng electron: Nhân quá trình oxi hóa với 2 và quá trình khử với 3 để số electron nhường bằng số electron nhận.
- 2 × (Fe0 → Fe+3 + 3e)
- 3 × (S+6 + 2e → S+4)
- Bước 4: Điền hệ số vào phương trình hóa học và kiểm tra cân bằng nguyên tử:
- 2Fe + 6H2SO4 → Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O
Điều Kiện và Hiện Tượng Phản Ứng
Phản ứng này xảy ra khi sắt tác dụng với axit sunfuric đặc và có đun nóng.
Khi tiến hành thí nghiệm, nếu cho axit sunfuric đặc vào ống nghiệm chứa một đinh sắt nhỏ và đun nóng, ta sẽ quan sát thấy sắt tan dần, đồng thời sinh ra khí sulfur dioxide (SO2) không màu, có mùi hắc.
Phản ứng của Fe với H2SO4 đặc, nóng sinh ra SO2
Tính Chất Hóa Học của Sắt (Fe)
Sắt là một kim loại có tính khử trung bình. Tùy thuộc vào chất phản ứng và điều kiện, sắt có thể nhường 2 electron (tạo ion Fe2+) hoặc 3 electron (tạo ion Fe3+).
1. Tác dụng với Phi kim
Ở nhiệt độ cao, sắt phản ứng với hầu hết các phi kim.
- Với halogen (trừ I2): Tạo muối sắt(III). Ví dụ: 2Fe + 3Cl2 → 2FeCl3.
- Với oxi: 3Fe + 2O2 → Fe3O4 (trong điều kiện đun nóng).
- Với lưu huỳnh: Fe + S → FeS (khi đun nóng).
2. Tác dụng với Axit
- Với axit có H+ (HCl, H2SO4 loãng): Tạo muối sắt(II) và giải phóng khí hiđro.
- Fe + 2HCl → FeCl2 + H2↑
- Fe + H2SO4 (loãng) → FeSO4 + H2↑
- Với axit có tính oxi hóa mạnh (HNO3, H2SO4 đặc):
- Thụ động: Sắt bị thụ động hóa bởi axit nitric đặc, nguội và axit sulfuric đặc, nguội. Do đó, người ta có thể dùng thùng sắt để chuyên chở các axit này.
- Với HNO3 loãng: Tạo muối sắt(III), khí NO và nước.
Fe + 4HNO3 (loãng) → Fe(NO3)3 + NO↑ + 2H2O - Với HNO3 đặc, nóng: Tạo muối sắt(III), khí NO2 và nước.
Fe + 6HNO3 (đặc, nóng) → Fe(NO3)3 + 3NO2↑ + 3H2O - Với H2SO4 đặc, nóng: Tạo muối sắt(III), khí SO2 và nước (như đã phân tích ở trên).
Lưu ý: Trong các phản ứng với HNO3 hoặc H2SO4 đặc, nếu còn dư sắt hoặc có các kim loại khác như Cu, sản phẩm có thể tiếp tục phản ứng để tạo ra muối sắt(II). Ví dụ: 2Fe3+ + Fe → 3Fe2+ hoặc 2Fe3+ + Cu → 2Fe2+ + Cu2+.
3. Tác dụng với Dung dịch Muối
Sắt có thể khử ion kim loại đứng sau nó trong dãy điện hóa ra khỏi dung dịch muối, tạo thành muối sắt(II) và kim loại mới.
- Ví dụ: Fe + CuCl2 → FeCl2 + Cu.
Sắt cũng có thể khử ion Fe3+ thành Fe2+. - Ví dụ: 2FeCl3 + Fe → 3FeCl2.
4. Tác dụng với Nước
Ở nhiệt độ thường, sắt không phản ứng với nước. Tuy nhiên, ở nhiệt độ cao, sắt phản ứng mạnh với hơi nước:
- Ở nhiệt độ dưới 570°C: 3Fe + 4H2O → Fe3O4 + 4H2↑
- Ở nhiệt độ trên 570°C: Fe + H2O → FeO + H2↑
Tính Chất Hóa Học của Axit Sunfuric (H2SO4)
1. Tính chất của H2SO4 loãng
H2SO4 loãng thể hiện đầy đủ tính chất của một axit mạnh:
- Đổi màu quỳ tím sang đỏ.
- Tác dụng với kim loại (trừ Hg, Cu, Ag, Au, Pt) tạo muối sunfat và khí H2. Ví dụ: Mg + H2SO4 (loãng) → MgSO4 + H2↑.
- Tác dụng với bazơ và oxit bazơ tạo muối sunfat và nước. Ví dụ: H2SO4 + Cu(OH)2 → CuSO4 + 2H2O.
- Tác dụng với một số muối tạo muối sunfat mới và axit mới. Ví dụ: CaCO3 + H2SO4 (loãng) → CaSO4 + CO2↑ + H2O.
2. Tính chất của H2SO4 đặc
Axit sunfuric đặc có hai tính chất hóa học nổi bật:
- Tính oxi hóa mạnh:
- Oxi hóa hầu hết các kim loại (trừ Au, Pt) tạo muối hóa trị cao và thường sinh ra SO2. Ví dụ: Cu + 2H2SO4 (đặc, nóng) → CuSO4 + SO2↑ + 2H2O.
- Oxi hóa nhiều phi kim: C + 2H2SO4 (đặc, nóng) → CO2↑ + 2SO2↑ + 2H2O.
- Oxi hóa các hợp chất có tính khử: 2KBr + 2H2SO4 (đặc, nóng) → Br2 + SO2↑ + K2SO4 + 2H2O.
- Tính háo nước: H2SO4 đặc có khả năng hút nước mạnh, chiếm nước kết tinh của nhiều muối ngậm nước hoặc tách các nguyên tố H và O (theo tỉ lệ của nước) từ nhiều hợp chất hữu cơ.
- Ví dụ: Khi cho đường (C12H22O11) vào H2SO4 đặc, đường sẽ hóa đen (tạo thành than) do bị H2SO4 đặc tách nước: C12H22O11 → 12C + 11H2O. Một phần than sinh ra tiếp tục bị H2SO4 đặc oxi hóa.
Bài Tập Vận Dụng
Các bài tập dưới đây giúp củng cố kiến thức về phản ứng của sắt và axit sunfuric, cũng như các tính chất hóa học liên quan.
Câu 1: Nhận định về kim loại sắt, đâu là đáp án đúng?
A. 3.
B. 4.
C. 5.
D. 6.
(Đáp án: C)
Câu 2: Chất nào sau đây phản ứng với Fe tạo thành hợp chất Fe(II)?
A. Cl2.
B. Dung dịch HNO3 loãng.
C. Dung dịch AgNO3 dư.
D. Dung dịch HCl đặc.
(Đáp án: D)
Câu 3: Hòa tan hoàn toàn 3,9 gam hỗn hợp Al và Mg trong dung dịch H2SO4 dư, thu được 4,48 lít khí H2 và dung dịch chứa m gam muối. Giá trị của m là:
A. 17,7.
B. 18,1.
C. 11,6.
D. 23,1.
(Đáp án: D)
Câu 4: Nung hợp chất X trong không khí đến khối lượng không đổi, thu được Fe2O3 và H2O. Cho X vào dung dịch HNO3 đặc, nóng, có khí thoát ra. Hợp chất X là:
A. Fe(OH)3.
B. Fe(OH)2.
C. FeO.
D. Fe(NO3)2.
(Đáp án: B)
Câu 5: Chất nào sau đây tác dụng với dung dịch HNO3 loãng, dư sinh ra khí NO?
A. FeO.
B. Fe2O3.
C. Fe(OH)3.
D. Fe2(SO4)3.
(Đáp án: A)
Câu 6: Kim loại tác dụng với khí Cl2 và dung dịch HCl tạo cùng loại muối là:
A. Fe.
B. Cu.
C. Ag.
D. Mg.
(Đáp án: D)
Câu 7: Cho m gam bột Fe tác dụng hoàn toàn với một lượng dư dung dịch CuSO4 thu được 9,6 gam Cu. Giá trị m là:
A. 8,4.
B. 9,75.
C. 3,25.
D. 13,0.
(Đáp án: A)
Câu 8: Cho luồng khí H2 dư qua hỗn hợp các oxit CuO, Fe2O3, ZnO, MgO nung nóng ở nhiệt độ cao. Sau phản ứng hỗn hợp chất rắn còn lại là:
A. Cu, Fe, Zn, MgO.
B. Cu, Fe, ZnO, MgO.
C. Cu, FeO, ZnO, MgO.
D. Cu, Fe, Zn, Mg.
(Đáp án: A)
Câu 9: Cho hỗn hợp gồm 2,8g Fe và 3,2g Cu vào dung dịch HNO3 thu được dung dịch A, V lít khí NO2 ở đktc (sản phẩm khử duy nhất) và còn dư 1,6g kim loại. Biết các phản ứng xảy ra hoàn toàn. Khối lượng muối thu được khi cô cạn dung dịch A và giá trị của V là:
A. 10,6g và 2,24 lít.
B. 14,58g và 3,36 lít.
C. 16,80g và 4,48 lít.
D. 13,7g và 3,36 lít.
(Đáp án: D)
Câu 10: Hòa tan hết 4 gam hỗn hợp A gồm Fe và 1 oxit sắt trong dung dịch axit HCl (dư) thu được dung dịch X. Sục khí Cl2 cho đến dư vào X thu được dung dịch Y chứa 9,75 gam muối tan. Nếu cho 4 gam A tác dụng với dung dịch HNO3 loãng dư thì thu được V lít NO (sản phẩm khử duy nhất, đktc). Tính V?
A. 0,896
B. 0,726
C. 0,747
D. 1,120
(Đáp án: C)
Tài liệu tham khảo:
- VietJack – Phản ứng hóa học của Sắt (Fe).
