Cân bằng phương trình phản ứng:
Phương trình phản ứng giữa sắt (Fe) và axit photphoric (H₃PO₄) là một phản ứng oxi hóa – khử quan trọng trong hóa học vô cơ. Sau khi cân bằng phương trình phản ứng, ta nhận được phương trình sau:
2Fe + 4H₃PO4 → 2Fe₃(PO₄)₂ + 3H₂
Điều kiện phản ứng
Về cơ bản, phản ứng hoá học giữa Fe (sắt) và H₃PO₄ (axit photphoric) không yêu cầu nhiều điều kiện về chất tham gia phản ứng. Tuy nhiên, khi thoả 1 số điều kiện nhất định, tốc độ phản ứng sẽ diễn ra nhanh hơn.
- Phản ứng này có thể xảy ra ở nhiệt độ phòng, tuy nhiên, gia nhiệt nhẹ có thể làm tăng tốc độ phản ứng.
- Khi axit photphoric có nồng độ loãng, phản ứng diễn ra nhanh hơn. Khi sử dụng axit photphoric đặc, phản ứng có thể diễn ra chậm hơn.
- Sắt cần phải có bề mặt tiếp xúc đủ lớn để phản ứng hiệu quả với axit photphoric. Sắt có thể là các lá sắt, bột sắt hoặc dây sắt.
Điều kiện phản ứng đơn giản và dễ thực hiện này làm cho phản ứng giữa sắt và axit photphoric trở thành một thí nghiệm hóa học dễ dàng và trực quan.
Cách thực hiện phản ứng
Để thực hiện phản ứng giữa Fe và H₃PO₄, trước tiên chúng ta cần chuẩn bị những dụng cụ và hóa chất sau:
Dụng cụ:
- Ống nghiệm hoặc bình phản ứng
- Kẹp kim loại
- Que đóm (để kiểm tra sự có mặt của khí hydro)
- Đèn cồn (nếu cần gia nhiệt)
- Găng tay, kính bảo hộ để bảo đảm an toàn khi làm việc với axit
Hóa chất:
- Sắt (Fe): Có thể dùng bột sắt, lá sắt hoặc dây sắt.
- Axit photphoric (H₃PO₄): Dung dịch axit photphoric loãng hoặc đặc tùy theo yêu cầu thí nghiệm.
Sau khi thực hiện xong, bạn có thể quan sát hiện tượng khí hydro sinh ra và kết tủa Fe₃(PO₄)₂, đồng thời ghi nhận các sản phẩm cuối cùng của phản ứng.
Sau khi chuẩn bị dụng cụ và hoá chất trên, chúng ta bắt đầu tiến hành thí nghiệm. Đầu tiên, Cho sắt vào ống nghiệm hoặc bình phản ứng, có thể sử dụng bột sắt hoặc các lá sắt mỏng để dễ dàng quan sát quá trình phản ứng. Tiếp theo, chúng ta đổ từ từ dung dịch axit photphoric loãng vào ống nghiệm chứa sắt. Ngay lập tức sẽ thấy được sự xuất hiện của bọt khí và hiện tượng sôi nhẹ trong dung dịch.
Trong quá trình phản ứng, khí hydro (H₂) sẽ được sinh ra. Để kiểm tra sự tồn tại khí hydro, bạn có thể đưa một que đóm đang cháy gần miệng ống nghiệm. Nếu có tiếng “bụp” nhỏ, chứng tỏ khí hydro đang cháy và phản ứng đang diễn ra. Sau khi phản ứng kết thúc, có sự tạo thành kết tủa màu xám hoặc nâu đỏ, không tan trong nước, hoặc tạo dung dịch đục nhẹ, đó là sản phẩn của phản ứng là Fe₃(PO₄)₂ (sắt photphat).
Nhận biết phản ứng
Sau khi phản ứng giữa Fe và H₃PO₄ diễn ra chúng ta có thể quan sát được hiện tượng kết tủa có màu xám hoặc nâu đỏ, dung dịch có thể trở nên đục hoặc có một lớp chất rắn lắng xuống đáy bình, đó là sự hiện diện của hợp chất Fe₃(PO₄)₂ và có một khí không màu, không mùi thoát ra khỏi ống nghiệm, đó là khí H₂.
Phản ứng giữa Fe và H₃PO₄ là phản ứng xảy ra giữa một kim loại và axit, dung dịch sau khi phản ứng có thể có tính axit yếu, có thể kiểm tra bằng giấy quỳ hoặc các phương pháp thử khác.
Kiến thức mở rộng về chất tham gia và sản phẩm
Sắt photphat (Fe₃(PO₄)₂)
Fe₃(PO₄)₂ là muối photphat của sắt, có màu xám hoặc đỏ nâu, ít tan trong nước. Nó thường được tạo thành dưới dạng kết tủa trong các phản ứng hóa học.
Về tính ứng dụng, Fe₃(PO₄)₂ không được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, tuy nhiên, các muối tương tự của sắt như Fe₃(PO₄)₂ và Fe₃(PO₄)₃ lại có vai trò quan trọng trong sản xuất phân bón lân và xử lý nước.
Khí Hydro (H₂)
Khí hydro là một khí không màu, không mùi, dễ cháy và có tính oxy hóa mạnh. Đây là một trong những khí dễ dàng tạo ra trong các phản ứng kim loại với axit. Khí hydro chủ yếu được sử dụng trong ngành công nghiệp hóa dầu, sản xuất amoniac, và sản xuất nhiên liệu hydro.
Bài tập vận dụng
Bài tập 1. Phản ứng và nhận biết
Sắt phản ứng với axit photphoric tạo ra sắt photphat. Viết phương trình phản ứng dưới dạng tổng quát.
Đáp án: 2Fe + 4H₃PO₄ → 2Fe₃(PO₄)₂ + 3H₂
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. Sau khi thực hiện phản ứng giữa sắt và axit photphoric có kết tủa màu xám hoặc nâu đỏ xuất hiện (Fe₃(PO₄)₂) và khí không màu, không mùi thoát ra khỏi ống nghiệm (H₂).
Bài tập 2. Tính toán theo phương trình phản ứng
a) Tính khối lượng sắt cần sử dụng để phản ứng hoàn toàn với 9,8 gam axit photphoric.
b) Tính thể tích dung dịch axit photphoric cần dùng để phản ứng hoàn toàn với 11,2 gam sắt. Biết dung dịch axit photphoric có nồng độ mol là 5
c) Nếu muốn thu được 71,6 gam Fe₃(PO₄)₂, tính khối lượng sắt phải sử dụng trong phản ứng.
Đáp án: a) 2,8g; b) 0,8 l; c) 11,2 g
Phương trình phản ứng giữa sắt và axit photphoric, tạo thành sắt(II) hydrophotphat:
2Fe + 4H₃PO4 → 2Fe₃(PO₄)₂ + 3H₂
a)
Số mol H₃PO₄: n = 9,8/98 = 0,1 mol
Theo phương trình, 2 mol Fe phản ứng với 4 mol H₃PO₄ nên để phản ứng hết với 0,1 mol H₃PO₄ thì số mol Fe cần dùng:
nFe = nH₃PO₄/2 = 0,05 mol
Vậy khối lượng sắt cần sử dụng để phản ứng hoàn toàn với 9,8 gam axit photphoric:
mFe = nFe * 56 = 0,05*56 = 2,8g
b)
Số mol Fe: nFe = 11,2/56 = 0,2 mol
Số mol H₃PO₄ cần dùng:
nH₃PO₄ = nFe*2 = 0,2*2 = 0,4 mol
Thể tích dung dịch axit photphoric cần dùng để phản ứng hoàn toàn với 11,2 gam sắt là:
VH₃PO₄ = nH₃PO₄/CMH₃PO₄ = 0,4/5 = 0,8(l)
c)
Số mol Fe₃(PO₄)₂: nFe₃(PO₄)₂ =mFe₃(PO₄)₂/MFe₃(PO₄)₂ = 71,6/358 = 0,2 mol
Số mol Fe cần dùng để tạo thành 71,6 gam Fe₃(PO₄)₂:
nFe = nFe₃(PO₄)₂= 0,2 mol
Vậy khối lượng sắt cần dùng là:
mFe = nFe * 56 = 0,2*56 = 11,2g
