Phản ứng giữa Fe (sắt) và H₂SO₄ (axit sulfuric) là một phản ứng oxi hóa – khử quan trọng trong hóa học vô cơ, sản phẩm của nó bao gồm Fe₂(SO₄)₃ (sắt(III) sulfate), H₂S (hydrogen sulfide) và H₂O (nước). Phản ứng này không chỉ đóng vai trò trong việc nghiên cứu các hợp chất sắt và lưu huỳnh mà còn có ứng dụng trong công nghiệp hóa chất và các ngành công nghiệp khác. Bài viết này sẽ giải thích chi tiết về phương trình phản ứng, điều kiện và cách thực hiện phản ứng, nhận biết sản phẩm, cũng như các kiến thức mở rộng về các chất tham gia và sản phẩm của phản ứng này.
Phương trình phản ứng đã cân bằng
8Fe + 15H₂SO₄ → 4Fe₂(SO₄)₃ + 3H₂S + 12H₂O
Điều kiện phản ứng
Để phản ứng giữa Fe và H₂SO₄ diễn ra thuận lợi, cần thoả mãn một số điều kiện. Nhiệt độ cao hoặc gia nhiệt để tăng tốc độ phản ứng, vì khi phản ứng xảy ra, sắt cần đạt đến nhiệt độ đủ để phản ứng với axit sulfuric và giải phóng khí H₂S, đồng thời gia nhiệt cũng giúp thúc đẩy quá trình oxi hóa sắt và khử ion hydro. Ngoài ra, cần dùng axit sulfuric đậm đặc vì axit sulfuric đặc cung cấp đủ ion H⁺ để phản ứng với sắt và giải phóng khí H₂S.
Cách thực hiện phản ứng
Dụng cụ và hóa chất
Để thực hiện phản ứng giữa Fe và H₂SO₄, trước tiên chúng ta cần chuẩn bị đầy đủ các dụng cụ và hóa chất sau: Sắt (Fe), có thể sử dụng bột sắt, lá sắt, hoặc dây sắt tùy vào mục đích thí nghiệm và cách thức quan sát; Axit sulfuric (H₂SO₄), dung dịch axit sulfuric đậm đặc;; Ống nghiệm hoặc bình 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 tăng tốc độ phản ứng.
Các bước thực hiện thí nghiệm
Để thực hiện phản ứng giữa Fe và H₂SO₄, cần chuẩn bị dụng cụ và hoá chất để thực hiện thí nghiệm. Đầu tiên, 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. Bạn có thể sử dụng bột sắt hoặc lá sắt mỏng để dễ dàng quan sát quá trình phản ứng diễn ra. Sau đó, cẩn thận cho dung dịch axit sulfuric vào bình phản ứng chứa sắt sẽ thấy hiện tượng các bọt khí xuất hiện, đó chính là H₂S (hydrogen sulfide). Sau một thời gian, dung dịch sẽ chuyển sang màu vàng nhạt, đó là dấu hiệu của sự hình thành Fe₂(SO₄)₃ (sắt(III) sulfate).
Nhận biết phản ứng
Dưới đây là các dấu hiệu giúp nhận biết phản ứng giữa Fe và H₂SO₄ → Fe₂(SO₄)₃: Khí hydrogen sulfide (H₂S) sinh ra là sản phẩm khí quan trọng của phản ứng và có thể nhận biết bằng cách sử dụng que đóm. Khi đưa que đóm đang cháy vào miệng ống nghiệm, nếu que đóm phát ra tiếng “bụp” hoặc cháy mạnh, chứng tỏ khí trong ống nghiệm là H₂S, vì khí này dễ cháy và có mùi trứng thối đặc trưng. Sau khi phản ứng kết thúc, dung dịch sẽ chuyển sang màu vàng nhạt, đó là dấu hiệu của sự hình thành Fe₂(SO₄)₃ (sắt(III) sulfate), một muối hòa tan trong nước. Màu sắc này đặc trưng cho các muối sắt(III).
Kiến thức mở rộng về chất tham gia và sản phẩm
Fe₂(SO₄)₃ (Sắt(III) sulfate)
Fe₂(SO₄)₃ là muối của sắt trong môi trường axit sulfuric, có màu vàng. Đây là một muối dễ hòa tan và thường được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp. Fe₂(SO₄)₃ chủ yếu được sử dụng trong sản xuất thuốc nhuộm, giúp tạo ra màu sắc bền vững cho vải và các sản phẩm dệt nhuộm. Ngoài ra, Fe₂(SO₄)₃ còn được ứng dụng trong xử lý nước, đặc biệt trong việc loại bỏ các tạp chất và kim loại nặng, giúp cải thiện chất lượng nguồn nước. Nó cũng đóng vai trò quan trọng trong ngành chế tạo pin, được ứng dụng để tạo ra các thành phần trong sản xuất pin sắt, đồng thời giúp tối ưu hóa hiệu suất và tuổi thọ của pin trong các thiết bị điện tử và công nghiệp.
H₂S (Hydrogen sulfide)
H₂S là khí có mùi đặc trưng giống mùi trứng thối, dễ cháy và có thể gây nguy hiểm nếu hít phải ở nồng độ cao, vì khí này có tính độc hại và có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ hô hấp. Tuy nhiên, H₂S cũng có một số ứng dụng quan trọng trong công nghiệp, đặc biệt là trong sản xuất lưu huỳnh và sulfide kim loại. Ngoài ra, H₂S còn được sử dụng trong các phản ứng hóa học khác như sản xuất hóa chất, làm chất khử trong một số quá trình công nghiệp, và là nguyên liệu quan trọng trong việc chế biến một số hợp chất.
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: 8Fe + 15H₂SO₄ → 4Fe₂(SO₄)₃ + 3H₂S + 12H₂O
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 có mùi trứng thối 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) 8,96g; b) 0,075 l; c) 11,2 g
Phương trình phản ứng giữa sắt và axit sulfuric, tạo thành sắt(III) sulfat:
8Fe + 15H₂SO₄ → 4Fe₂(SO₄)₃ + 3H₂S + 12H₂O
a)
Số mol H₂SO₄: n = 29,4/98 = 0,3 mol
Theo phương trình, 8 mol Fe phản ứng với 15 mol H₂SO₄ nên để phản ứng hết với 6H₂SO₄ thì số mol Fe cần dùng:
nFe = nH₂SO₄*8/15 = 0,16 mol
Vậy khối lượng sắt cần sử dụng để phản ứng hoàn toàn với 9,8g axit sulfuric
mFe = nFe * 56 = 0,16*56 = 8,96g
b)
Số mol Fe: nFe = 11,2/56 = 0,2 mol
Số mol H₂SO₄cần dùng:
nH₂SO₄= nFe*15/8 = 0,375 mol
Thể tích dung dịch axit sulfuric cần dùng để phản ứng hoàn toàn với 11,2 gam sắt là:
VH₂SO₄ = nH₂SO₄/CMH₂SO₄ = 0,375/5 = 0,075(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
