Phản ứng giữa sắt (Fe) và axit nitric (HNO₃) là một trong những phản ứng điển hình trong hóa học vô cơ, đặc biệt là phản ứng oxi hóa – khử. Phản ứng này không chỉ quan trọng trong nghiên cứu hóa học mà còn có nhiều ứng dụng trong công nghiệp. Bài viết dưới đây sẽ giải thích chi tiết phương trình phản ứng, điều kiện, cách thực hiện, nhận biết phản ứng, kiến thức mở rộng về chất tham gia và sản phẩm, cùng với một số bài tập vận dụng.
Phương trình phản ứng
Phương trình phản ứng giữa sắt và axit nitric là:
10Fe + 36HNO₃ → 10Fe(NO₃)₃ + 3N₂ + 18H₂O
Điều kiện phản ứng
Phản ứng giữa Fe và HNO₃ yêu cầu một số điều kiện đặc biệt để xảy ra một cách thuận lợi. Đầu tiên, phản ứng này cần nhiệt độ cao hoặc gia nhiệt để tăng tốc quá trình oxy hóa của sắt, giúp sắt đạt đến nhiệt độ đủ để phản ứng với axit nitric và tạo ra các sản phẩm. Thứ hai, phản ứng có thể diễn ra trong dung dịch axit nitric loãng, tuy nhiên, dung dịch axit nitric đậm đặc thường được sử dụng để đạt được tốc độ phản ứng nhanh hơn và dễ dàng thu được sắt(III) nitrate. Cuối cùng, môi trường cần phải có đủ oxi, vì trong phản ứng này, sắt bị oxy hóa, do đó cần có đủ oxi để sắt có thể chuyển từ số oxi hóa 0 lên +3.
Vì vậy, điều kiện lý tưởng để thực hiện phản ứng này bao gồm việc sử dụng axit nitric đậm đặc, có sự gia nhiệt nhẹ, và đảm bảo có đủ oxi trong môi trường phản ứng. lợi cần 1 số điều kiện đặc biệt. Phản ứng cần nhiệt độ cao để có thể diễn ra được.
Cách thực hiện phản ứng
Dụng cụ và hóa chất:
Để tiến hành thí nghiệm phản ứng giữa Fe và HNO₃, trước tiên chúng ta cần chuẩn bị dụng cụ và hóa chất cần thiết cho thí nghiệm phản ứng giữa Fe và HNO₃ bao gồm: sắt (Fe), có thể là bột sắt, lá sắt, hoặc dây sắt; axit nitric (HNO₃), sử dụng ở nồng độ đậm đặc hoặc loãng tùy theo yêu cầu của thí nghiệm; ống nghiệm hoặc bình phản ứng để chứa các chất phản ứng và theo dõi quá trình phản ứng; dụng cụ bảo vệ như găng tay, kính bảo hộ, và áo choàng bảo vệ để tránh tiếp xúc trực tiếp với axit nitric; và cuối cùng, đèn cồn hoặc nguồn nhiệt để gia nhiệt khi cần thiết.
Tiến hành thí nghiệm:
Sau khi chuẩn bị dụng cụ và hóa chất đầy đủ, chúng ta bắt đầu tiến hành thí nghiệm phản ứng giữa Fe và HNO₃. Đầu tiên, đặt ống nghiệm hoặc bình phản ứng lên giá và kẹp chắc chắn để giữ cho dụng cụ không bị dịch chuyển trong quá trình thực hiện thí nghiệm. Tiếp theo, cho một lượng sắt (Fe) vào bình phản ứng hoặc ống nghiệm. Sau đó, cẩn thận cho dung dịch axit nitric (HNO₃) vào bình phản ứng chứa sắt. Ngay lập tức, chúng ta sẽ quan sát được hiện tượng xuất hiện bọt khí, đó chính là khí N₂ (nitơ)..
Quan sát hiện tượng trong quá trình phản ứng, sau một thời gian, dung dịch sẽ chuyển sang màu vàng hoặc nâu đỏ, đó là Fe(NO₃)₃ (sắt(III) nitrate) được tạo thành. Khí N₂ sẽ thoát ra từ dung dịch, có thể kiểm tra sự có mặt của khí này bằng cách đưa que đóm vào miệng ống nghiệm. Nếu không có hiện tượng cháy, điều này chứng tỏ có sự hiện diện của khí N₂ (nitơ) vì khí này là khí trơ và không cháy.
Cuối cùng, sau khi phản ứng hoàn tất, có thể lọc và thu sản phẩm để tách kết tủa và thu lại dung dịch Fe(NO₃)₃.
Nhận biết phản ứng
Sau khi tiến hành thí nghiệm phản ứng giữa Fe và HNO₃, chúng ta sẽ quan sát được sự xuất hiện khí nitơ (N₂) và có thể nhận biết bằng cách sử dụng que đóm. Khi đưa que đóm đang cháy vào miệng ống nghiệm, nếu que đóm không tắt, chứng tỏ khí trong ống nghiệm là N₂, vì khí này là khí trơ và không cháy.
Sau khi phản ứng kết thúc, dung dịch sẽ đổi màu sang vàng hoặc nâu, đây là dấu hiệu của sự hình thành Fe(NO₃)₃(sắt(III) nitrate), một muối hòa tan trong nước. Ngoài ra, trong một số điều kiện, khi thêm nước vào sản phẩm phản ứng, bạn có thể thấy có kết tủa Fe(NO₃)₃ lắng xuống đáy hoặc tạo dung dịch đục nhẹ.
Kiến thức mở rộng về chất tham gia và sản phẩm
Fe(NO₃)₃ (Sắt(III) nitrate)
Fe(NO₃)₃ là muối của sắt trong môi trường axit nitric, có màu vàng hoặc nâu đỏ. Nó dễ tan trong nước và thường được sử dụng trong công nghiệp hóa học. Ứng dụng của Fe(NO₃)₃ được sử dụng trong các phản ứng hóa học khác, và trong sản xuất một số hợp chất khác như thuốc nhuộm và trong ngành công nghiệp xử lý nước.
N₂ (Nitơ)
Về tính chất, Nitơ là một khí trơ, không màu, không mùi, không vị, chiếm khoảng 78% thể tích không khí và là một khí không cháy. Nitơ chủ yếu được sử dụng trong công nghiệp hóa dầu, sản xuất amoniac, hoặc trong các ứng dụng bảo vệ trong phòng thí nghiệm và trong các thiết bị lưu trữ.
Bài tập vận dụng
Bài tập 1: Phản ứng và nhận biết
- Sắt phản ứng với axit nitric tạo ra sắt(III) nitrate và khí nitơ. Viết phương trình phản ứng dưới dạng tổng quát.
Đáp án: 10Fe + 36HNO₃ → 10Fe(NO₃)₃ + 3N₂₂+ 18H₂O
- 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 nitric, dung dịch sẽ đổi màu sang vàng hoặc nâu, đây là dấu hiệu của sự hình thành Fe(NO₃)₃(sắt(III) nitrate).
Bài tập 2. Tính toán theo phương trình phản ứng
a) Tính khối lượng sắt cần sử dụng để phản ứng hoàn toàn với 22,68 gam axit nitric.
b) Tính thể tích dung dịch axit nitric cần dùng để phản ứng hoàn toàn với 11,2 gam sắt. Biết dung dịch axit nitric có nồng độ mol là 5
c) Nếu muốn thu được 48,4 gam Fe(NO₃)₃, tính khối lượng sắt phải sử dụng trong phản ứng.
Đáp án: a) 5,6g; b) 0,144 l; c) 11,2 g
Phương trình phản ứng giữa sắt và axit nitric, tạo thành sắt(III) nitrat:
10Fe + 36HNO₃ → 10Fe(NO₃)₃ + 3N₂+ 18H₂O
a)
Số mol HNO₃: n = 22,68/63 = 0,36 mol
Theo phương trình, 10 mol Fe phản ứng với 36 mol HNO₃ nên để phản ứng hết với HNO₃ thì số mol Fe cần dùng:
nFe = nHNO₃*10/36 = 0,1 mol
Vậy khối lượng sắt cần sử dụng để phản ứng hoàn toàn với 22,68 gam axit nitric
mFe = nFe * 56 = 0,1*56 = 5,6g
b)
Số mol Fe: nFe = 11,2/56 = 0,2 mol
Số mol HNO₃cần dùng:
nHNO₃ = nFe*36/10 = 0,72 mol
Thể tích dung dịch axit nitric cần dùng để phản ứng hoàn toàn với 11,2 gam sắt là:
VHNO₃ = nHNO₃/CMHNO₃ = 0,72/5 = 0,144(l)
c)
Số mol Fe(NO₃)₃: nFe(NO₃)₃ = mFe(NO₃)₃/MFe(NO₃)₃ = 48,4/242 = 0,2 mol
Số mol Fe cần dùng để tạo thành 48,4 gam Fe(NO₃)₃:
nFe = nFe(NO₃)₃ = 0,2 mol
Vậy khối lượng sắt cần dùng là:
mFe = nFe * 56 = 0,2*56 = 11,2g
