Phản ứng giữa Sắt (II) Oxit (FeO) và khí Oxi (O) không chỉ là phản ứng oxi hóa – khử điển hình mà còn thuộc nhóm phản ứng được ứng dụng thường xuyên trong giảng dạy với nhiều dạng bài tập vận dụng phong phú.
Trong điều kiện thích hợp, Sắt (II) Oxit phản ứng với oxi để tạo thành Sắt (III) Oxit (Fe₂O₃) – Oxit với chỉ số hóa trị cao nhất của Sắt.
Phản ứng này không chỉ có ý nghĩa trong lý thuyết hóa học mà còn quan trọng trong thực tế, ví dụ như quá trình rỉ sét kim loại, sản xuất oxit sắt dùng trong công nghiệp, hoặc làm chất màu…
Phương trình hóa học
Phương trình chưa cân bằng:
\[FeO + {O_2}\mathop \to \limits^{t \circ } F{e_2}{O_3}\]
Phương trình đã cân bằng:
\[4FeO + {O_2}\mathop \to \limits^{t \circ } 2F{e_2}{O_3}\]
Điều kiện phản ứng
Về mặt lý thuyết, phản ứng này là một phản ứng tỏa nhiệt, xảy ra thuận lợi trong điều kiện có mặt oxy và đủ năng lượng để phá vỡ liên kết trong mạng tinh thể FeO, đồng thời kích thích sự hình thành Fe₂O₃. Mặc dù phản ứng có thể xảy ra ở nhiệt độ thấp, tốc độ phản ứng sẽ rất chậm. Do đó, để đảm bảo hiệu quả, điều kiện lý tưởng là:
- Phản ứng diễn ra nhanh chóng khi đốt nóng ở nhiệt độ cao, thường cần đốt trong môi trường giàu oxi.
- Môi trường giàu khí oxi (O₂).
- Có thể xảy ra trong môi trường có độ ẩm, dẫn đến sự hình thành Fe₂O₃·nH₂O (gỉ sắt) trong điều kiện tự nhiên.
Cơ chế và nguyên lý phản ứng
Phản ứng thuộc loại oxy hóa – khử:
- Fe²⁺ trong FeO bị oxy hóa thành Fe³⁺
- O₂ bị khử thành O²⁻ để gắn vào cấu trúc oxit
Phân tích bán phản ứng:
- Oxy hóa: \[F{e^{2 +}} \to F{e^{3 +}} + 1e\]
- Khử: \[{O_2} + 4e \to 2{O^{2 – }}\]
Tổng thể:
\[4F{e^{2 + }} + {O_2} \to 4F{e^{3 + }} + 2{O^{2 – }}\]
Phản ứng tổng hợp kết hợp với cấu tạo oxit:
\[4FeO + {O_2} \to 2F{e_2}{O_3}\]
Cách thực hiện phản ứng
Chuẩn bị:
- Bột oxit sắt II (FeO).
- Nguồn oxi: Không khí hoặc bình khí oxi tinh khiết.
- Dụng cụ: Lò nung, kẹp gắp, đèn cồn hoặc ngọn lửa để gia nhiệt.
- Thiết bị hỗ trợ: Chén sứ hoặc cốc thủy tinh chịu nhiệt để chứa sản phẩm.
Trình tự tiến hành:
- Đặt một lượng nhỏ oxit sắt (II) vào chén sứ hoặc bề mặt chịu nhiệt.
- Đốt nóng bột oxit sắt bằng đèn cồn hoặc ngọn lửa cho đến khi sắt phát sáng đỏ.
- Đưa sắt nóng vào môi trường giàu oxi (ví dụ: luồng khí oxi từ bình khí).
- Quan sát hiện tượng: Sắt cháy sáng, tạo ra khói hoặc tia lửa, và hình thành chất rắn màu nâu đỏ (Fe₂O₃).
Lưu ý:
- Phản ứng tỏa nhiệt mạnh, cần thực hiện trong môi trường kiểm soát để tránh cháy nổ.
- Đảm bảo cung cấp đủ oxi để tạo Fe₂O₃ thay vì các oxit khác như Fe₃O₄.
- Thực hiện trong môi trường thông thoáng để tránh tích tụ khói.
Nhận biết phản ứng
Hiện tượng quan sát:
- Kim loại sắt phát sáng đỏ khi được đốt nóng.
- Xuất hiện tia lửa hoặc khói trong quá trình phản ứng.
- Sau phản ứng, hình thành chất rắn màu nâu đỏ – oxit sắt(III) (Fe₂O₃).
Kiểm tra sản phẩm:
- Fe₂O₃ có màu nâu đỏ đặc trưng, không có tính từ tính mạnh như Fe₃O₄.
- Có thể kiểm tra bằng cách hòa tan Fe₂O₃ trong dung dịch acid (như HCl), tạo ra dung dịch chứa ion Fe³⁺, sau đó thêm dung dịch NaOH để tạo kết tủa màu nâu đỏ.
- Để phân biệt giữa Fe₂O₃ và Fe₃O₄ ta có thể dùng H₂SO₄ đậm đặc, phản ứng giữa Fe₂O₃ và H₂SO₄ không tạo sủi bọt khí.
Cơ chế phản ứng theo cơ chế vi mô trong mạng tinh thể
Cấu trúc ban đầu của FeO
FeO là một oxit không bền về mặt hóa học và luôn tồn tại ở dạng phiếm định, với công thức gần đúng là Fe₁₋ₓO. Cấu trúc tinh thể của FeO thuộc kiểu lập phương tâm diện, tương tự NaCl, trong đó các ion Fe²⁺ và O²⁻ sắp xếp xen kẽ. Tuy nhiên, điểm đặc biệt là mạng tinh thể của FeO thường thiếu hụt một phần nhỏ ion sắt (Fe²⁺) để duy trì sự cân bằng điện tích tổng thể. Những khuyết điểm mạng này tạo ra các khoảng trống quan trọng giúp oxy có thể xâm nhập và tham gia phản ứng.
Các vị trí thiếu hụt ion Fe²⁺ đóng vai trò là các tâm hoạt động tiềm năng, nơi mà oxy có thể khuếch tán vào và phản ứng xảy ra. Như vậy, cấu trúc ban đầu của FeO đã chứa đựng khả năng tái tổ chức tinh thể khi có sự xuất hiện của yếu tố oxy.
Tác động của nhiệt độ lên cấu trúc mạng
Khi gia tăng nhiệt độ, các ion trong mạng tinh thể bắt đầu dao động mạnh hơn. Hiện tượng này dẫn đến sự giãn nở mạng tinh thể, làm tăng khoảng cách giữa các ion và mở rộng các khe khuếch tán. Nhờ đó, các phân tử hoặc nguyên tử khí như O₂ dễ dàng xâm nhập vào mạng tinh thể FeO hơn.
Đồng thời, năng lượng nhiệt cao còn làm tăng tốc độ chuyển động của các khuyết tật mạng, bao gồm cả vị trí trống và lệch mạng, giúp đẩy nhanh quá trình tái tổ chức phân tử trong quá trình phản ứng.
Phân tách phân tử O₂ thành nguyên tử hoạt hóa
Trong điều kiện nhiệt độ cao, O₂ có thể bị kích thích để phân tách thành hai nguyên tử oxy ở trạng thái tự do:
O2→2O•
Nguyên tử oxy (O•) có đặc điểm là rất hoạt động hóa học do tồn tại ở trạng thái tự do và có xu hướng tìm kiếm điện tử để ổn định. Điều này khiến O• dễ dàng tấn công vào mạng tinh thể FeO để tiếp nhận điện tử và tạo thành ion O²⁻.
Xâm nhập của nguyên tử O và oxy hóa Fe²⁺
Các nguyên tử O tự do khuếch tán vào bên trong mạng tinh thể FeO thông qua các khe hở hoặc vị trí trống sẵn có. Tại đây, O• sẽ nhận điện tử từ các ion Fe²⁺ để trở thành O²⁻. Quá trình này kéo theo sự oxy hóa Fe²⁺ thành Fe³⁺:
Như vậy, một phần ion Fe²⁺ trong mạng sẽ chuyển hóa thành Fe³⁺, đồng thời O²⁻ được tạo thành và gắn kết vào mạng.
Tái tổ chức cấu trúc mạng và hình thành Fe₂O₃
Sự thay đổi điện tích và bán kính ion do quá trình oxy hóa làm phá vỡ sự ổn định của mạng tinh thể ban đầu. Ion Fe³⁺ có bán kính nhỏ hơn Fe²⁺, và sự hiện diện của chúng trong cấu trúc cũ tạo ra căng thẳng tinh thể. Để giải phóng năng lượng và đạt trạng thái bền hơn, mạng tinh thể sẽ tái cấu trúc lại, dẫn đến sự hình thành mạng tinh thể mới đặc trưng cho Fe₂O₃.
Dạng ổn định hình thành trong điều kiện phản ứng này là α-Fe₂O₃ (hematit) – một cấu trúc tinh thể thuộc hệ lục phương hình thoi (rhombohedral). Trong α-Fe₂O₃, các ion Fe³⁺ được sắp xếp trong lưới phối trí bát diện với O²⁻ và liên kết qua cả cạnh lẫn mặt, tạo nên một cấu trúc bền vững, dày đặc và có tính chất từ đặc trưng.
Vì sao phản ứng tỏa nhiệt nhưng cần phải gia nhiệt để gia tăng hiệu suất
Phân biệt giữa nhiệt động học và động học phản ứng
Phản ứng giữa FeO và O₂ là phản ứng tỏa nhiệt, tức có ΔH < 0, cho thấy phản ứng có chiều thuận về mặt năng lượng. Điều này nghĩa là sản phẩm Fe₂O₃ có năng lượng tự do Gibbs thấp hơn so với tổng năng lượng của FeO và O₂, nên phản ứng xảy ra là thuận lợi về nhiệt động học.
Tuy nhiên, việc một phản ứng có tính tự phát về mặt nhiệt động không có nghĩa là nó sẽ xảy ra nhanh chóng hoặc đáng kể trong điều kiện thường. Tốc độ phản ứng lại do yếu tố động học chi phối, cụ thể là năng lượng hoạt hóa Ea.
Rào cản năng lượng hoạt hóa
Để phản ứng xảy ra, hệ phải vượt qua một rào cản năng lượng gọi là năng lượng hoạt hóa. Trong trường hợp phản ứng FeO + O₂, năng lượng hoạt hóa gồm các thành phần:
- Năng lượng cần để phân tách phân tử O₂ thành O nguyên tử.
- Năng lượng cần để ion Fe²⁺ bị oxy hóa thành Fe³⁺.
- Năng lượng cần để phá vỡ cấu trúc cũ và tái hình thành mạng tinh thể mới.
Ở nhiệt độ thường, số lượng phân tử có đủ năng lượng để vượt qua rào cản này là rất nhỏ. Do đó, phản ứng dù có lợi về năng lượng, vẫn xảy ra với tốc độ rất chậm hoặc gần như không đáng kể.
Vai trò của nhiệt độ trong động học phản ứng
Theo phương trình Arrhenius:
\[k = Ae – \frac{{Ea}}{{RT}}\]
Tốc độ phản ứng (k) tăng nhanh theo hàm mũ với nhiệt độ (T). Khi tăng nhiệt độ, phân bố năng lượng theo Boltzmann dịch chuyển sang phải, nghĩa là số phân tử có năng lượng vượt Ea tăng lên rõ rệt. Như vậy, nhiệt độ đóng vai trò quyết định trong việc biến một phản ứng có lợi về năng lượng trở nên khả thi về tốc độ.
Gia nhiệt giúp khuếch tán và tái tổ chức mạng
Không chỉ đóng vai trò về mặt năng lượng, nhiệt độ cao còn ảnh hưởng đến cấu trúc vật lý của hệ. Trong phản ứng giữa pha rắn (FeO) và khí (O₂), khuếch tán là yếu tố then chốt. Nhiệt độ cao làm tăng hệ số khuếch tán của O₂ vào trong mạng tinh thể FeO, đồng thời giúp phá vỡ cấu trúc cũ và hình thành cấu trúc mới.
Tái tổ chức mạng tinh thể từ cấu trúc cubic sang rhombohedral đòi hỏi sự tái phân bố toàn diện của các ion, điều khó xảy ra ở điều kiện thường do giới hạn về dao động mạng và độ linh động của ion.
Phản ứng nghịch và tính ổn định của sản phẩm
Vì phản ứng thuận là tỏa nhiệt và sản phẩm Fe₂O₃ có cấu trúc bền, phản ứng nghịch trở nên khó xảy ra. Để phân hủy Fe₂O₃ thành FeO và O₂ cần một lượng nhiệt lớn hoặc có mặt các chất khử mạnh như CO hoặc H₂. Điều này chứng minh rằng Fe₂O₃ là sản phẩm ổn định hơn hẳn, và việc gia nhiệt trong phản ứng thuận chỉ nhằm mục đích vượt qua rào cản động học, không phải để “thúc đẩy” phản ứng về mặt năng lượng.
Các tính chất đặc biệt của Fe₂O₃
Ngoài các tính chất thông thường như màu đỏ nâu, không tan trong nước và có tính lưỡng tính yếu, Fe₂O₃ còn thể hiện một số tính chất đặc biệt đáng chú ý trong hóa học vật liệu và phản ứng học:
Tính đa hình (polymorphism)
Fe₂O₃ tồn tại ở nhiều dạng cấu trúc tinh thể (đa hình), bao gồm α-Fe₂O₃, β-Fe₂O₃ và γ-Fe₂O₃. Mỗi dạng mang đặc điểm về tính chất vật lý và hóa học riêng biệt, liên quan đến cách sắp xếp ion Fe³⁺ và O²⁻ trong mạng tinh thể. Tính đa hình này tạo nên sự khác biệt lớn về:
- Độ ổn định nhiệt
- Đặc tính từ (magnetic properties)
- Hoạt tính bề mặt
- Tính dẫn điện và dẫn ion
Tính chất từ đặc biệt
- α-Fe₂O₃ là chất phản sắt từ (antiferromagnetic) ở nhiệt độ thường, chuyển sang dạng sắt từ yếu (weak ferromagnetic) ở trên 260°C (nhiệt độ Morin).
- β-Fe₂O₃ có tính từ dị thường do cấu trúc không đối xứng, thường thể hiện sắt từ nhẹ hoặc hành vi từ hỗn hợp.
- γ-Fe₂O₃ có cấu trúc gần giống spinel, thể hiện tính sắt từ mạnh (ferromagnetism) ngay ở nhiệt độ phòng.
Tính xúc tác dị thể
Fe₂O₃ có khả năng làm chất xúc tác trong các phản ứng oxy hóa-khử ở pha khí, đặc biệt là γ-Fe₂O₃ và β-Fe₂O₃ nhờ diện tích bề mặt riêng cao và mạng lưới ion không bão hòa. Điều này được ứng dụng trong:
- Xúc tác xử lý khí thải
- Cảm biến khí
- Phản ứng Fenton dị thể trong xử lý nước
Khả năng tham gia phản ứng phụ thuộc vào cấu trúc
Dạng α-Fe₂O₃ rất bền và phản ứng chậm, trong khi γ-Fe₂O₃ và β-Fe₂O₃ có hoạt tính hóa học cao hơn do cấu trúc mạng chứa nhiều khuyết tật hoặc phối trí ion không hoàn chỉnh, dễ tham gia vào phản ứng acid, phản ứng khử hoặc phản ứng hấp phụ.
Các dạng mạng lưới tinh thể của Fe₂O₃ và sự ảnh hưởng đến tính chất
α-Fe₂O₃ (Hematit)
- Cấu trúc: Dạng lục phương (hexagonal) kiểu corundum, với các ion Fe³⁺ nằm trong vị trí bát diện được chia sẻ cạnh với ion O²⁻.
- Độ bền: Ổn định nhất về mặt nhiệt động học, tồn tại phổ biến trong tự nhiên.
- Tạo thành: Dạng này có trong các quặng Hematit tự nhiên, hoặc hình thành khi nung Fe(OH)₃ ở nhiệt độ cao (>600°C) trong không khí.
- Ảnh hưởng lên phản ứng:
- Hoạt tính hóa học thấp nhất trong các dạng Fe₂O₃.
- Tính phản ứng tăng nếu vật liệu có kích thước nano hoặc bị pha tạp.
γ-Fe₂O₃ (Maghemit)
- Cấu trúc: Spinel biến thể thiếu (defective spinel), các ion Fe³⁺ phân bố trong các lỗ trống bát diện và tứ diện, với một phần lỗ trống không được lấp đầy tạo ra các khuyết tật mạng (vacancies).
- Độ bền: Kém bền hơn α-Fe₂O₃, dễ chuyển hóa thành dạng α nếu gia nhiệt (>300–400°C).
- Tạo thành: Thường thu được khi nung Fe₃O₄ trong không khí ở điều kiện nhiệt độ trung bình.
- Ảnh hưởng lên phản ứng:
- Hoạt tính hóa học và bề mặt cao hơn do khuyết tật mạng.
- Thường dùng trong xúc tác dị thể, cảm biến từ và vật liệu từ mềm.
β-Fe₂O₃ (Beta-Fe₂O₃)
- Cấu trúc: Trực thoi (orthorhombic), mạng ion Fe³⁺ phân bố bất đối xứng trong các vị trí bát diện và tứ diện, gây ra độ méo mạnh trong mạng.
- Độ bền: Rất kém bền, chỉ ổn định trong một khoảng nhiệt độ hẹp (~500–600°C), dễ chuyển sang dạng α hoặc γ.
- Tạo thành: Yêu cầu điều kiện tổng hợp đặc biệt như phản ứng thủy nhiệt hoặc phân hủy hợp chất trung gian.
- Ảnh hưởng lên phản ứng:
- Có hoạt tính hóa học rất cao.
- Ứng dụng trong vật liệu xúc tác tiên tiến, vật liệu dẫn ion, thiết bị lưu trữ năng lượng.
So sánh tổng quát các dạng tinh thể Fe₂O₃
| Tính chất | α-Fe₂O₃ | γ-Fe₂O₃ | β-Fe₂O₃ |
| Cấu trúc | Corundum (hexagonal) | Spinel biến thể | Orthorhombic |
| Độ bền nhiệt | Cao nhất | Trung bình | Thấp (metastable) |
| Hoạt tính hóa học | Thấp | Trung bình | Cao |
| Khả năng dẫn điện | Kém | Tốt hơn | Tốt (hướng nghiên cứu) |
| Tính chất từ | Antiferromagnetic | Ferromagnetic | Weak ferromagnetic |
| Điều kiện hình thành | >600°C, không khí | 300–400°C, oxy hóa | 500–600°C, đặc biệt |
Bài tập vận dụng
Đề bài:
Cho 5,6 gam hỗn hợp gồm FeO và Fe (sắt kim loại) tác dụng hoàn toàn với khí oxi, thu được 7,2 gam chất rắn duy nhất là Fe₂O₃.
a) Viết phương trình phản ứng xảy ra.
b) Tính phần trăm khối lượng mỗi chất trong hỗn hợp ban đầu.
c) Tính thể tích khí O₂ (đktc) đã tham gia phản ứng.
Giải:
a) Phương trình phản ứng
\[4Fe + 3{O_2}\mathop \to \limits^{t \circ } 2F{e_2}{O_3}\]
\[4FeO + {O_2}\mathop \to \limits^{t \circ } 2F{e_2}{O_3}\]
b) Gọi ẩn và lập hệ phương trình
Gọi:
- x là số mol Fe
- y là số mol FeO
Khối lượng hỗn hợp ban đầu:
\[56x + \left( {56 + 16} \right)y = 56x + 72y = 5,6\left( 1 \right)\]
Tổng số mol Fe trong Fe₂O₃ tạo thành:
- Từ Fe: mol Fe
- Từ FeO: mỗi mol FeO có 1 mol Fe → tổng: y mol Fe
→ Tổng mol Fe tham gia = x+y mol
Áp dụng định luật bảo toàn nguyên tố, số mol Fe₂O₃ tạo thành:
\[{n_{F{e_2}{O_3}}} = \frac{{x + y}}{2}\]
Khối lượng Fe₂O₃ thu được:
\[{m_{F{e_2}{O_3}}} = \frac{{x + y}}{2} \times 160 = 80(x + y)\]
Theo đề bài, khối lượng Fe₂O₃ là 7,20 gam:
\[80(x + y) = 7,2(2)\]
Giải hệ phương trình (1) và (2)
\[\left\{ \begin{array}{l}
56x + 72y = 5,6\\
80(x + y) = 7,2
\end{array} \right. \Rightarrow \left\{ \begin{array}{l}
x = 0,055\\
y = 0,035
\end{array} \right.\]
Tính phần trăm khối lượng
\[{m_{Fe}} = 56 \times 0,055 = 3,08gram\]
\[{m_{FeO}} = 72 \times 0,035 = 2,52gram\]
Tổng: 5,60 g (khớp đề bài)
\[\% {m_{Fe}} = \frac{{3,08}}{{5,6}} \times 100 \approx 55\% \]
\[\% {m_{FeO}} = \frac{{2,52}}{{5,6}} \times 100 \approx 45\% \]
c) Tính thể tích khí O₂ tham gia
Từ hai PTHH đã có:
- PTHH 1:\[4Fe + 3{O_2}\mathop \to \limits^{t \circ } 2F{e_2}{O_3}\]
⇒ 4 mol Fe dùng 3 mol O₂
⇒ 1 mol Fe dùng 3/4 mol O₂
→ 0,055 mol Fe dùng:
\[{n_{{O_2}}} = 0,055 \times \frac{3}{4} = 0,04125mol\]
- PTHH 2: \[4FeO + {O_2}\mathop \to \limits^{t \circ } 2F{e_2}{O_3}\]
⇒ 4 mol FeO dùng 1 mol O₂
⇒ 1 mol FeO dùng 1/4 mol O₂
→ 0,035 mol FeO dùng:
\[{n_{{O_2}}} = 0,035 \times \frac{1}{4} = 0,00875mol\]
Tổng mol O₂:
\[{n_{{O_2}}} = 0,04125 + 0,00875 = 0,05mol\]
→ Thể tích O₂ (đktc):
\[{V_{{O_2}}} = 0,05 \times 22,4 = 1,12L\]
Đáp án cuối cùng:
b)
- % khối lượng Fe ≈ 55,0%
- % khối lượng FeO ≈ 45,0%
c) Thể tích O₂ tham gia phản ứng là 1,12 lít
