Trong hóa học, phản ứng giữa Fe (sắt) và H₂SO₄ (axit sulfuric) là một phản ứng oxi hóa – khử đặc trưng, tạo ra Fe₂(SO₄)₃ (sắt(III) sulfate), SO₂ (khí đi-ô-xít sulfur) và H₂O (nước). Phản ứng này không chỉ có vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu các hợp chất sắt và sulfur mà còn có ứng dụng trong công nghiệp hóa chất, xử lý kim loại và sản xuất khí. Bài viết này sẽ phân tích chi tiết phương trình phản ứng, các điều kiện và cách thức thực hiện phản ứng, cách nhận biết phản ứng, cùng những kiến thức mở rộng về chất tham gia và sản phẩm của phản ứng này.
Phương trình phản ứng
2Fe + 6H₂SO₄ → Fe₂(SO₄ )₃ + 3SO₂ + 6H₂O
Điều kiện phản ứng
Để phản ứng giữa sắt và axit sunfuric diễn ra thuận lợi, trước tiên cần đảm bảo một số điều kiện, bao gồm sử dụng nhiệt độ cao hoặc gia nhiệt để tăng tốc quá trình oxi hóa sắt và khử ion hydro. Khi phản ứng xảy ra, sắt cần đạt đến nhiệt độ đủ để phản ứng với axit sulfuric và giải phóng khí SO₂, gia nhiệt giúp tăng tốc độ phản ứng và thúc đẩy quá trình chuyển hóa các chất tham gia. Bên cạnh đó, axit sulfuric đậm đặc sẽ giúp phản ứng diễn ra nhanh chóng và hiệu quả hơn vì axit đậm đặc cung cấp đủ ion H⁺ cho phản ứng với sắt và giải phóng khí SO₂, trong khi axit loãng sẽ làm phản ứng diễn ra chậm hơn và ít hiệu quả hơn.
Cách thực hiện phản ứng
Dụng cụ và hóa chất:
Để thực hiện phản ứng giữa sắt và axit sulfuric, trước tiên chúng ta cần chuẩn bị đầy đủ hoá chất như sau: Sắt (Fe), có thể sử dụng bột sắt, lá sắt, hoặc dây sắt; Axit sulfuric (H₂SO₄), dung dịch axit sulfuric đậm đặc; Ống nghiệm hoặc bình phản ứng, dùng 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; đèn cồn hoặc nguồn nhiệt để gia nhiệt khi cần thiết.
Các bước thực hiện thí nghiệm:
Sau khi chuẩn bị dụng cụ đầy đủ cho thí nghiệm phản ứng giữa Fe và H₂SO₄, đầu tiên chúng ta đặt ống nghiệm hoặc bình phản ứng lên giá và kẹp chắc chắn để tránh rủi ro khi thực hiện phản ứng. Tiếp theo, đặt một lượng sắt vào bình phản ứng hoặc ống nghiệm. Sau đó, cẩn thận cho dung dịch axit sulfuric vào bình phản ứng chứa sắt; chúng ta sẽ quan sát được hiện tượng các bọt khí xuất hiện, đó chính là SO₂. Sau một thời gian, dung dịch sẽ chuyển sang màu vàng, đó là dấu hiệu của sự hình thành Fe₂(SO₄)₃ (sắt(III) sulfate). Có thể kiểm tra khí SO₂ sẽ thoát ra từ dung dịch bằng cách đưa que đóm vào miệng ống nghiệm. Nếu que đóm bùng cháy mạnh, chứng tỏ khí SO₂ đã được giải phóng. Sau khi phản ứng hoàn tất, sản phẩm có thể được lọc và thu sản phẩm để tách kết tủa và thu lại dung dịch Fe₂(SO₄)₃.
Nhận biết phản ứng
Sau khi phản ứng Fe và H₂SO₄ diễn ra, ta quan sát được hiện tượng SO₂ sinh ra có thể nhận biết bằng cách sử dụng que đóm. Sau khi phản ứng kết thúc, dung dịch sẽ chuyển sang màu vàng, đó là dấu hiệu của sự hình thành Fe₂(SO₄)₃ (sắt(III) sulfat), một muối hòa tan trong nước.
Kiến thức mở rộng
Fe₂(SO₄)₃ (Sắt(III) sulfate)
Fe₂(SO₄)₃ là muối sắt trong môi trường axit sulfuric, có màu vàng đặc trưng khi hòa tan trong nước. Muối này chủ yếu được sử dụng trong sản xuất thuốc nhuộm, giúp tạo ra màu sắc ổn định cho vải và các sản phẩm dệt nhuộm. Ngoài ra, Fe₂(SO₄)₃ đóng vai trò quan trọng trong xử lý nước và trong ngành chế tạo pin
SO₂ (Khí đi-ô-xít sulfur)
Về tính hoá học, Tính chất: SO₂ là một khí trơ, không màu và có mùi đặc trưng. Khí này có thể gây ô nhiễm không khí và là một trong những nguyên nhân chính gây mưa axit. Tuy nhiên, SO₂ đóng vai trò quan trọng trong trong sản xuất axit sulfuric, chế biến thực phẩm, và xử lý nước.
Bài tập vận dụng
Bài tập 1: Phản ứng và nhận biết
Sắt phản ứng với axit sulfuric tạo ra sắt(III) sunfat và sunfur dioxit. Viết phương trình phản ứng dưới dạng tổng quát.
Đáp án: 2Fe + 6H₂SO₄ → Fe₂(SO4)₃ + 3SO₂ + 6H₂O
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: Sau khi phản ứng kết thúc, dung dịch sẽ chuyển sang màu vàng, đó là dấu hiệu của sự hình thành Fe₂(SO₄)₃ (sắt(III) sulfat), và có khí thoát ra khỏi ống nghiệm.
Bài tập 2. Tính toán theo phương trình phản ứng
a) Tính khối lượng sắt cần sử dụng để phản ứng hoàn toàn với 29,4 gam axit sulfuric.
b) Tính thể tích dung dịch axit sulfuric cần dùng để phản ứng hoàn toàn với 11,2 gam sắt. Biết dung dịch axit sulfuric có nồng độ mol là 5
c) Nếu muốn thu được 40 gam Fe₂(SO₄)₃, tính khối lượng sắt phải sử dụng trong phản ứng.
Đáp án: a) 5,6g; b) 0,12 l; c) 11,2 g
Phương trình phản ứng giữa sắt và axit sulfuric, tạo thành sắt(III) sulfat:
2Fe + 6H₂SO₄ → Fe₂(SO₄)₃ + 3SO₂ + 6H₂O
a)
Số mol H₂SO₄ : n = 29,4/98 = 0,3 mol
Theo phương trình, 2 mol Fe phản ứng với 6 mol H₂SO₄ nên để phản ứng hết với 6H₂SO₄ thì số mol Fe cần dùng:
nFe = nH₂SO₄ /3 = 0,1 mol
Vậy khối lượng sắt cần sử dụng để phản ứng hoàn toàn với 9,8g axit sulfuric
mFe = nFe * 56 = 0,1*56 = 5,6g
b)
Số mol Fe: nFe = 11,2/56 = 0,2 mol
Số mol H₂SO₄ cần dùng:
nH₂SO₄ = nFe*3 = 0,6 mol
Thể tích dung dịch axit sulfuric cần dùng để phản ứng hoàn toàn với 11,2 gam sắt là:
VH₂SO₄ = nH₂SO₄/CMH₂SO₄ = 0,6/5 = 0,12(l)
c)
Số mol Fe₂(SO₄ )₃: nFe₂(SO₄ )₃ = mFe₂(SO₄ )₃/MFe₂(SO₄ )₃ = 40/400 = 0,1 mol
Số mol Fe cần dùng để tạo thành 40g Fe₂(SO₄ )₃::
nFe = nFe₂(SO₄)₃*2 = 0,2 mol
Vậy khối lượng sắt cần dùng là:
mFe = nFe * 56 = 0,2*56 = 11,2g
