Phản ứng giữa sắt và acid photphoric (H₃PO₄) là một phản ứng hóa học đơn giản nhưng khá thú vị. Sắt tác dụng với acid photphoric tạo thành muối sắt (II) photphat và khí hidro. Đây là một trong các phản ứng cơ bản thường xuất hiện trong các bài kiểm tra và đề thi Hóa học, các bạn nhớ lưu ý nhé!
Phương trình hóa học
Phương trình chưa cân bằng:
\[Fe + {H_3}P{O_4} \to F{e_3}{(P{O_4})_2} \downarrow + {H_2} \uparrow \]
Phương trình đã cân bằng:
\[3Fe + 2{H_3}P{O_4} \to 2F{e_3}{(P{O_4})_2} \downarrow + 3{H_2} \uparrow \]
Điều kiện phản ứng
- Phản ứng diễn ra trong điều kiện thường, không cần chất xúc tác.
- Sắt có thể ở dạng bột hoặc lá, dung dịch H₃PO₄ với nồng độ vừa phải.
Nguyên lý phản ứng
Phản ứng có thể được giải thích qua quá trình trao đổi electron. Cụ thể, sắt (Fe) sẽ cho 2 electron để chuyển từ trạng thái Fe về Fe²⁺, đồng thời ion H⁺ trong acid photphoric sẽ nhận electron và kết hợp với nhau để tạo thành khí H₂.
Phương trình electron:
\[3Fe + 2P{O_4}^{3 – } \to F{e_3}{(P{O_4})_2} \downarrow + 6e\]
\[6{H^ + } + 6e \to 3{H_2} \uparrow \]
Cách thực hiện phản ứng
Chuẩn bị:
- Kim loại sắt (Fe) dạng lá hoặc bột
- Dung dịch acid photphoric (H₃PO₄) với nồng độ thích hợp
- Ống nghiệm hoặc cốc thủy tinh
- Kẹp gắp, ống hút, đèn cồn (nếu cần gia nhiệt)
Trình tự tiến hành:
- Cho một lượng nhỏ acid photphoric vào cốc thủy tinh.
- Thả từ từ sắt vào dung dịch acid.
- Quan sát phản ứng xảy ra: bọt khí thoát ra, sắt bị ăn mòn dần dần tạo thành kết tủa màu nâu đỏ.
- Nếu cần thu khí hydro, có thể thực hiện phản ứng trong bình có ống dẫn khí để thu vào ống nghiệm úp ngược.
Lưu ý:
- Phản ứng giữa sắt và acid photphoric tạo ra khí hydro, một khí dễ cháy, cần cẩn thận khi thu và kiểm tra khí này.
- Nếu acid quá loãng hoặc sắt không đủ tinh khiết, phản ứng có thể diễn ra chậm hoặc không hoàn toàn.
Nhận biết phản ứng
- Hiện tượng quan sát được:
- Kim loại sắt tan dần trong dung dịch.
- Xuất hiện bọt khí hydro thoát ra.
- Dung dịch sau phản ứng xuất hiện kết tủa màu nâu sáng do sự hình thành của muối sắt(II) photphat không tan.
- Kiểm tra khí thoát ra:
- Đưa que đóm cháy lại gần miệng ống nghiệm chứa khí, nếu khí cháy với tiếng nổ nhỏ thì đó là khí hydro.
Phản ứng phân ly ba nấc của H₃PO₄
Acid photphoric (H₃PO₄) là một acid ba nấc (triprotic), nghĩa là nó có thể phân ly ra ba ion H⁺ theo ba bước với các hằng số phân ly acid (pKa) của H₃PO₄ theo từng nấc lần lượt là:
Phương trình 1:
\[{H_3}P{O_4} \leftrightarrow {H_2}P{O_4}^ – + {H^ + }\] pKa₁ = 2.148
Phương trình 2:
\[{H_2}P{O_4}^ – \leftrightarrow HP{O_4}^{2 – } + {H^ + }\]
pKa₂ = 7.198
Phương trình 3:
\[HP{O_4}^{2 – } \leftrightarrow P{O_4}^{3 – } + {H^ + }\]
pKa₃ = 12.375
Trong điều kiện thường, H₃PO₄ không phân ly hoàn toàn thành PO43- mà chủ yếu tồn tại dưới dạng H2PO4– và HPO42-.
Nhưng vì Fe₂(PO₄)₃ là một muối không tan (kết tủa) trong nước, và H2 là chất khí bay hơi nên khi phản ứng xảy ra, nồng độ các ion Fe³⁺ và PO₄³⁻ trong dung dịch sẽ liên tục giảm do kết tủa được tạo thành.
\[3Fe + 2P{O_4}^{3 – } \to F{e_3}{(P{O_4})_2} \downarrow + 6e\]
\[6{H^ + } + 6e \to 3{H_2} \uparrow \]
Điều này đồng nghĩa với việc phản ứng sẽ dịch chuyển cân bằng về phía tạo muối để bù lại sự giảm nồng độ các ion. Kết tủa tạo ra càng nhiều thì quá trình phân ly càng bị kéo về phía tạo sản phẩm, giúp phản ứng tiếp tục diễn ra.
Quá trình này tuân theo nguyên lý Le Chatelier:
- Khi kết tủa được tạo ra và tách khỏi dung dịch, nồng độ các ion tham gia phản ứng giảm, khiến cân bằng dịch chuyển về phía tạo thêm kết tủa.
- Điều này làm cho phản ứng diễn ra gần như hoàn toàn nếu lượng acid photphoric đủ nhiều để trung hòa lượng sắt.
Vậy nên, dù acid photphoric yếu hơn các acid mạnh khác như HCl hay H₂SO₄, nhưng vì sản phẩm tạo thành là kết tủa không tan, phản ứng vẫn diễn ra hoàn toàn.
- Sắt (Fe):
Là kim loại phổ biến, có khả năng bị oxi hóa trong môi trường acid, tạo thành các ion sắt (II) hoặc (III). Sắt thường phản ứng mạnh mẽ với acid và các chất oxi hóa, giải phóng khí hydro. - Muối Fe₃(PO₄)₂ (Sắt(II) Photphat):
Là muối không tan trong nước, có ứng dụng trong các ngành công nghiệp và nông nghiệp. Muối này có tính chất đặc biệt là không hòa tan trong nước, vì vậy thường được dùng trong xử lý nước.
Bài tập vận dụng
Hòa tan X gam sắt vào dung dịch acid photphoric dư. Sau khi phản ứng hoàn tất, thu được 6,72 lít khí hydro (ở đktc). Tính khối lượng muối Fe₃(PO₄)₂ thu được.
Phương trình phản ứng:
\[3Fe + 2{H_3}P{O_4} \to 2F{e_3}{(P{O_4})_2} \downarrow + 3{H_2} \uparrow \]
Số mol H2 sinh ra trong phản ứng:
\[{n_{{H_2}}} = \frac{{6.72}}{{22.4}} = 0.3mol\]
Theo phương trình phản ứng, cứ mỗi 3 mol Hydro sinh ra tương đương với tạo ra 1 mol Fe3(PO4)2, vậy công thức tính khối lượng Fe3(PO4)2 là:
\[{m_{F{e_3}{{(P{O_4})}_2}}} = {n_{F{e_3}{{(P{O_4})}_2}}} \times {M_{F{e_3}{{(P{O_4})}_2}}} = \frac{{0.3}}{3} \times [56 \times 3 + (31 + 16 \times 4) \times 2] = 35.8gram\]
