Phương trình đã cân bằng
4Fe + 3O₂→ 2Fe₂O₃
Điều kiện phản ứng
Về cơ bản, phản ứng oxy hoá sắt không yêu cầu điều kiện hay chất xúc tác đặc biệt. Tuy nhiên, tốc độ diễn ra phản ứng phụ thuộc phần lớn vào nhiệt độ. Ở nhiệt độ bình thường, phản ứng diễn ra chậm, cần thời gian dài để thấy rõ. Khi tăng nhiệt độ lên (khoảng 800 – 900 độ C) thì phản ứng diễn ra nhanh hơn và tạo thành hợp chất Fe₂O₃.
Ngoài ra, khi phản ứng diễn ra ở nhiệt độ cao nhưng đặt trong môi trường ẩm ướt sẽ xảy ra hiện tượng ăn mòn hình thành lớp gỉ sắt.
Cách thực hiện phản ứng
Để thực hiện được phản ứng oxy hoá sắt, trước tiên chúng ta cần chuẩn bị những dụng cụ cần thiết để tiến hành thí nghiệm, bao gồm:
- Dây sắt mảnh, sạch, chưa gỉ.
- Bình oxy hoặc môi trường giàu oxy.
- Đèn cồn hoặc đèn khí để cung cấp nhiệt độ cao.
- Kẹp kim loại.
Để bắt đầu thí nghiệm, kẹp dây sắt bằng kẹp kim loại, làm sạch bề mặt dây sắt để loại bỏ bụi bẩn hoặc lớp gỉ. Tiếp theo, đốt nóng dây sắt trực tiếp trên ngọn lửa đèn cồn hoặc đèn khí đến khi dây sắt đỏ rực. Cuối cùng đưa nhanh dây sắt đỏ rực vào bình chứa khí oxy hoặc vào môi trường giàu oxy. Khi đó, dây sắt sẽ cháy sáng mạnh, tạo thành các hạt nhỏ lấp lánh (bụi sắt(III) oxit – Fe₂O₃) có màu nâu đỏ đặc trưng. Đây chính là hiện tượng “tia lửa sắt” rất đẹp mắt.
Nhận biết phản ứng
Đây là phản ứng thuộc phản ứng oxi hóa khử. Sau khi phản ứng xảy ra, hiện tượng dễ dàng quan sát được là khi sắt cháy trong oxy sẽ tạo ra tia sáng mạnh, các hạt nhỏ nóng chảy bắn ra ngoài giống pháo hoa thu nhỏ. Sản phẩm sau phản ứng là một chất bột màu nâu đỏ, có tên gọi thông thường là gỉ sắt, công thức hóa học Fe₂O₃.
Mở rộng
Sắt(III) oxit (Fe₂O₃):
Fe₂O₃ còn gọi là gỉ sắt đỏ, là một oxit bazơ có màu nâu đỏ đặc trưng. Ở dạng tinh khiết, Fe₂O₃ được dùng làm chất tạo màu trong sản xuất sơn, gốm sứ, vật liệu xây dựng.
Xét về tính chất vật lý, Fe₂O₃ là chất rắn dạng bột mịn màu nâu đỏ, không tan trong nước, khó nóng chảy (điểm nóng chảy khoảng 1565°C).
Về mặt hoá học, Sắt (III) oxit là oxit bazơ, có thể tác dụng với axit mạnh tạo thành muối sắt (III), ví dụ:
Fe₂O₃ + 6HCl → 2FeCl₃ + 3H₂O
Bài tập vận dụng
Bài tập 1. Phản ứng và nhận biết
Sắt phản ứng với khí oxi ở nhiệt độ cao tạo ra oxit sắt. Viết phương trình phản ứng dưới dạng tổng quát.
Đáp án: 4Fe + 3O₂→ 2Fe₂O₃
Quan sát bằng mắt thường, ta có thể nhận biết phản ứng trên không? Dấu hiệu nào giúp nhận biết phản ứng đã xảy ra?
Đáp án: Ban đầu, sắt (Fe) có màu xám. Khi đốt nóng trong oxi, sắt cháy tạo ra tia lửa sáng và tạo lớp oxit màu đỏ nâu (Fe₂O₃).
Có thể nhận biết phản ứng trên bằng phương pháp hóa học không?
Đáp án:
Hòa tan vào một axit mạnh nhưng không có tính oxi hóa khử, ví dụ như HCl
Nếu sắt chưa bị oxy hóa:
Fe + 2HCl → 2FeCl2 (xanh lục)+ H2 (khí bay lên)
Nếu có Fe2O3:
Fe2O3 + 6HCl → 2FeCl3 (vàng)+ 3H2O
Bài tập 2. Tính toán theo phương trình phản ứng
a) Tính khối lượng sắt cần sử dụng để phản ứng hoàn toàn với 9,6 gam oxi.
b) Tính thể tích khí oxi (đktc) cần dùng để phản ứng hoàn toàn với 11,2 gam sắt.
c) Nếu muốn thu được 32 gam Fe₂O₃, tính khối lượng sắt phải sử dụng trong phản ứng.
Đáp án: a) 22,4g; b) 3.36 l; c) 22.4 g
Phương trình oxy hoá sắt tạo ra Fe₂O₃:
4Fe + 3O₂→ 2Fe₂O₃
a)
Số mol O2: n = 9,6/32 = 0,3 mol
Theo phương trình, 4 mol Fe phản ứng với 3 mol O₂ nên để phản ứng hết với 0,3 mol O₂ thì số mol Fe cần dùng:
nFe = 0,3*4/3 = 0,4 mol
Vậy khối lượng sắt cần sử dụng để phản ứng hoàn toàn với 9,6 gam oxi:
mFe = nFe * 56 = 0,4*56 = 22,4g
b)
Số mol Fe: nFe = 11,2/56 = 0,2 mol
Số mol O₂ cần dùng:
nO₂ = nFe*¾ = 0,15 mol
Thể tích khí oxi cần dùng để phản ứng hoàn toàn với 11,2 gam sắt là:
VO₂ = nO₂ * 22,4 = 3,36l
c)
Số mol Fe₂O₃: nFe₂O₃ = mFe₂O₃/MFe₂O₃ = 32/160 = 0,2 mol
Số mol Fe cần dùng để tạo thành 32 gam Fe₂O₃:
nFe = nFe₂O₃*2 = 0,2*2 = 0,4 mol
Vậy khối lượng sắt cần dùng là:
mFe = nFe * 56 = 0,4*56 = 22,4g
