Phản ứng giữa Sắt(III) Oxit (Fe₂O₃) và Axit Nitric (HNO₃) là một phản ứng axit – bazơ đặc trưng, thể hiện tính chất của oxit bazơ. Fe₂O₃ tác dụng với HNO₃ tạo ra muối Sắt(III) Nitrat (Fe(NO₃)₃) và nước (H₂O). Phản ứng giúp ta hiểu cách oxit kim loại phản ứng với axit mạnh, và có ứng dụng trong phân tích hóa học cũng như xử lý quặng sắt.
Phương Trình Hóa Học
Phương trình chưa cân bằng:
\[F{e_2}{O_3} + HN{O_3}_{(loãng)} \to Fe{(N{O_3})_3} + {H_2}O\]
Phương trình đã cân bằng:
\[F{e_2}{O_3} + 6HN{O_3}_{(loãng)} \to Fe{(N{O_3})_3} + 3{H_2}O\]
Trạng thái chất:
\[F{e_2}{O_3}_{(r)} + HN{O_3}_{(dd)} \to Fe{(N{O_3})_3}_{(dd)} + 3{H_2}{O_{(l)}}\]
Điều Kiện Phản Ứng
Nhiệt độ: Phản ứng xảy ra ở nhiệt độ thường hoặc gia nhiệt nhẹ (50-80°C) để tăng tốc độ hòa tan.
Nguyên Lý Phản Ứng
Đây là phản ứng axit – bazơ:
Cơ chế:
HNO₃ phân ly hoàn toàn tạo ion H+:
\[HN{O_3} \to {H^ + } + N{O_3}^ – \]
Fe₂O₃ (oxit bazơ, chứa Fe³⁺) phản ứng với H⁺ từ HNO₃, phá vỡ liên kết Fe-O.
\[F{e_2}{O_3} + 6{H^ + } \to 2F{e^{3 + }} + 3{H_2}O\]
Fe³⁺ kết hợp với NO₃⁻ thành Fe(NO₃)₃.
Cách Thực Hiện Phản Ứng
Chuẩn bị:
- Sắt(III) oxit (Fe₂O₃) dạng bột mịn hoặc hematit tinh chế.
- Dung dịch HNO₃ loãng, nếu dùng HNO₃ đặc sẽ có tính nhớt làm giảm khả năng phản ứng.
- Dụng cụ: Ống nghiệm, bình phản ứng, đèn cồn hoặc bếp điện (nếu gia nhiệt), pipet, đũa thủy tinh.
- Thiết bị hỗ trợ: Tủ hút để xử lý hơi HNO₃, kính bảo hộ, găng tay chống axit.
Trình tự tiến hành:
- Cho một lượng Fe₂O₃ (khoảng 1-2 g) vào ống nghiệm hoặc bình phản ứng.
- Thêm từ từ HNO₃ (khoảng 5-10 ml), khuấy đều bằng đũa thủy tinh.
- Quan sát phản ứng: Nếu phản ứng chậm, gia nhiệt nhẹ (50-80°C) bằng đèn cồn hoặc bếp điện.
- Quan sát hiện tượng: Fe₂O₃ (màu đỏ gạch) tan dần, tạo dung dịch màu vàng/nâu nhạt (do Fe³⁺).
- Sau khi Fe₂O₃ tan hoàn toàn, làm nguội dung dịch, kiểm tra sản phẩm Fe(NO₃)₃ bằng thuốc thử.
Lưu ý:
- HNO₃ có tính ăn mòn và oxi hóa mạnh, cần thao tác cẩn thận, tránh tiếp xúc da hoặc mắt.
- Fe₂O₃ dạng bột mịn dễ gây bụi, cần xử lý trong môi trường thông thoáng.
- Nếu muốn thu Fe(NO₃)₃ dạng rắn, cô cạn dung dịch (trong điều kiện kiểm soát, tránh phân hủy).
Nhận Biết Phản Ứng
Hiện tượng quan sát được:
Chất rắn Fe₂O₃ (màu đỏ gạch) tan dần trong HNO₃, tạo dung dịch màu vàng/nâu nhạt (do ion Fe³⁺).
Kiểm chứng sản phẩm:
Fe(NO₃)₃ (dung dịch chứa Fe³⁺):
Cách 1: Thêm NaOH hoặc NH₃: Phản ứng tạo kết tủa đỏ nâu (Fe(OH)₃), xác nhận có Fe³⁺.
Cách 2: Thêm vài giọt KSCN (kali thiocyanat) vào dung dịch: Dung dịch xuất hiện màu đỏ máu (do phức [Fe(SCN)]²⁺), chứng tỏ có Fe³⁺.
Phản ứng liên quan
Tác dụng với H₂SO₄:
\[F{e_2}{O_3} + {H_2}S{O_4} \to F{e_2}{(S{O_4})_3} + 3{H_2}O\]
Tác dụng với HCl:
\[F{e_2}{O_3} + 6HCl \to 2FeC{l_3} + 3{H_2}O\]
Phản ứng khử Fe₂O₃:
\[F{e_2}{O_3} + 3C \to 2Fe + 3CO\] (lò cao, 1000-1500°C).
Phản ứng nhận biết Fe³⁺:
\[Fe{(N{O_3})_3} + 3KSCN \to Fe{(SCN)_3}\downarrow + 3KN{O_3}\] (màu đỏ máu).
Hoặc kết tủa Fe³⁺: \[Fe{(N{O_3})_3} + 3NaOH \to Fe{(OH)_3} \downarrow + 3NaN{O_3}\]
Ứng Dụng
- Phòng thí nghiệm: Chuẩn bị dung dịch Fe³⁺ để phân tích hóa học (nhận biết ion, thí nghiệm định tính).
- Công nghiệp: Hòa tan Fe₂O₃ trong quặng để tách sắt, phục vụ luyện kim.
- Xử lý môi trường: Fe(NO₃)₃ dùng trong xử lý nước thải, keo tụ chất lơ lửng.
Bài Tập Vận Dụng
Đề bài: Cho 8 g Fe₂O₃ phản ứng hoàn toàn với HNO₃ theo phương trình:\[F{e_2}{O_3} + 6HN{O_3}_{(loãng)} \to Fe{(N{O_3})_3} + 3{H_2}O\]. Tính:
a) Thể tích dung dịch HNO₃ 2M cần dùng (lít).
b) Khối lượng Fe(NO₃)₃ thu được (g).
Giải:
Phương trình: \[F{e_2}{O_3} + 6HN{O_3}_{(loãng)} \to Fe{(N{O_3})_3} + 3{H_2}O\]
a) Thể tích HNO₃ 2M:
Số mol Fe₂O₃:
\[{n_{F{e_2}{O_3}}} = \frac{8}{{160}} = 0,05mol\].
Tỉ lệ mol Fe₂O₃:HNO₃ = 1:6, nên:
\[{n_{HN{O_3}}} = 0,05 \times 6 = 0,3mol\]
Thể tích HNO₃:
\[{V_{HN{O_3}}} = \frac{n}{{{C_M}}} = \frac{{0,3}}{2} = 0,15L\]
Đáp số: Thể tích HNO₃ cần dùng là 0,15 L (150 mL).
b) Khối lượng Fe(NO₃)₃:
Tỉ lệ mol Fe₂O₃:Fe(NO₃)₃ = 1:2, nên:
\[{n_{Fe{{(N{O_3})}_3}}} = 0,05 \times 2 = 0,1mol\].
Khối lượng phân tử Fe(NO₃)₃:
\[{M_{Fe{{(N{O_3})}_3}}} = 56 + (14 + 16 \times 3) \times 3 = 242{\rm{ }}gram/mol\].
Khối lượng Fe(NO₃)₃:
\[{m_{Fe{{(N{O_3})}_3}}} = 0,1 \times 242 = 24,2{\rm{ }}gram\].
Đáp số: Khối lượng Fe(NO₃)₃ thu được là 24,2 g.
