Fe2(SO4)3 + Fe → FeSO4

Phản ứng giữa Sắt(III) Sunfat (Fe₂(SO₄)₃) và Sắt kim loại (Fe) là một phản ứng oxi hóa – khử, trong đó Fe³⁺ trong Fe₂(SO₄)₃ bị khử thành Fe²⁺, còn Fe kim loại bị oxi hóa thành Fe²⁺, tạo Sắt(II) Sunfat (FeSO₄). Phản ứng này có ứng dụng trong phân tích hoặc xử lý hợp chất sắt.

Phương Trình Hóa Học

Phương trình chưa cân bằng:

\[Fe_2{(S{O_4})_3} + Fe \to FeS{O_4}\]

Phương trình tự cân bằng.

Điều Kiện Phản Ứng

Phản ứng không có điều kiện đặc biệt.

Nguyên Lý Phản Ứng

Loại phản ứng: Oxi hóa – khử.

Cơ chế:

Fe³⁺ trong Fe₂(SO₄)₃ bị khử thành Fe²⁺, tạo FeSO₄.

Fe kim loại bị oxi hóa thành Fe²⁺, cũng tạo FeSO₄.

SO₄²⁻ từ Fe₂(SO₄)₃ kết hợp với Fe²⁺ tạo FeSO₄.

Phương trình electron:

Quá trình khử: \[Fe^{3 + } + e \to Fe^{2 +}\]

Quá trình oxi hóa: \[Fe \to Fe^{2 + } + 2e\]

Phương trình ion rút gọn:

\[2F{e^{3 + }} + Fe \to 3F{e^{2 + }}\]

Tổng quát: \[Fe_2(S{O_4})_3 + Fe \to 3FeS{O_4}\]

Lưu ý: Phản ứng xảy ra trong dung dịch, Fe₂(SO₄)₃ phân ly thành Fe³⁺ và SO₄²⁻; Fe tan dần, tạo Fe²⁺.

Cách Thực Hiện Phản Ứng

Chuẩn bị:

Dung dịch Fe₂(SO₄)₃ (0,1-0,5M), chuẩn bị từ Fe₂(SO₄)₃ hòa tan hoặc phản ứng Fe(OH)₃ với H₂SO₄.

Sắt kim loại: Bột sắt, mạt sắt, hoặc dây sắt, làm sạch bằng H₂SO₄ loãng để loại oxit.

Dung dịch H₂SO₄ loãng (0,1M, tùy chọn).

Dụng cụ: Ống nghiệm, bình phản ứng, đũa thủy tinh, đèn cồn (nếu gia nhiệt).

Thiết bị: Kính bảo hộ, găng tay.

Trình tự tiến hành:

1. Cho 10 mL dung dịch Fe₂(SO₄)₃ (0,1M) vào ống nghiệm hoặc bình phản ứng.
2. Thêm 0,5-1 g bột sắt (hoặc mạt sắt) vào dung dịch, khuấy đều.
3. Nếu cần, thêm 2-3 mL H₂SO₄ loãng (0,1M) để duy trì môi trường axit.
4. Quan sát hiện tượng: Sắt tan dần, dung dịch từ vàng nhạt (Fe³⁺) chuyển xanh nhạt (Fe²⁺).
5. Nếu phản ứng chậm, gia nhiệt nhẹ (40-60°C) bằng đèn cồn.
6. Kiểm tra Fe²⁺ bằng thuốc thử sau khi sắt tan hoàn toàn.

Lưu ý:

Sắt cần sạch để tránh tạp chất (oxit, rỉ sét) làm giảm hiệu suất.

H₂SO₄ loãng giúp ngăn FeSO₄ thủy phân thành Fe(OH)₂.

Tránh dùng quá nhiều sắt để không tạo khí H₂ (nếu có H₂SO₄ dư).

Thao tác cẩn thận để tránh bụi sắt bay vào mắt.

Nhận Biết Phản Ứng

Hiện tượng quan sát được:

Sắt tan dần, dung dịch chuyển từ vàng nhạt sang xanh nhạt.

Không có kết tủa hoặc khí thoát ra.

Dung dịch đồng nhất, màu xanh nhạt đặc trưng của Fe²⁺.

Kiểm chứng sản phẩm:

• FeSO₄ (Fe²⁺): Thêm NaOH tạo kết tủa trắng xanh (Fe(OH)₂), chuyển nâu trong không khí.

Phân tích bản chất phản ứng

Phương trình ion thu gọn:

\[2{Fe}^{3 + } + {Fe}^0 \to 3{Fe}^{2 + }\]

Ion sắt(III) bị khử thành sắt(II), trong khi nguyên tử sắt kim loại bị oxi hóa thành ion sắt(II). Đây là phản ứng trao đổi electron trực tiếp giữa hai trạng thái oxi hóa của sắt.

Cấp độ vi mô: Sự chuyển hóa giữa các trạng thái oxi hóa của sắt

Cấu hình electron:

• Fe⁰ (trạng thái rắn, kim loại):
  \[{[Ar]} :3d^64s^2\]
• Fe²⁺:
  \[{[Ar]} :3d^6\]
• Fe³⁺:
  \[{[Ar]} :3d^5\]

Sự oxi hóa Fe⁰ → Fe²⁺: mất 2e⁻ (1e⁻ từ 4s, 1e⁻ từ 3d)
Sự khử Fe³⁺ → Fe²⁺: nhận 1e⁻ (vào 3d orbital)

Cơ chế phản ứng dưới góc độ orbital và tương tác điện tử

Bước 1: Hòa tan muối Fe₂(SO₄)₃

Trong dung dịch, Fe₂(SO₄)₃ phân ly hoàn toàn:

\[{Fe}_2({SO}_4)_3 \to 2{Fe}^{3 + } + 3{SO}_4^{2 – }\]​

Fe³⁺ trong dung dịch tồn tại dưới dạng phức [Fe(H₂O)₆]³⁺, liên kết với 6 phân tử nước thông qua liên kết phối trí.

Bước 2: Tiếp xúc giữa Fe rắn và ion [Fe(H₂O)₆]³⁺

• Ion Fe³⁺ có điện tích cao, lực hút tĩnh điện mạnh với electron, nên có khả năng kéo electron từ Fe⁰ kim loại khi chúng tiếp xúc.
• Tại bề mặt Fe rắn, một phần điện tử từ orbital 4s và 3d của Fe kim loại được chuyển sang orbital trống 3d của Fe³⁺, làm giảm Fe³⁺ thành Fe²⁺.

Bước 3: Tái phối hợp cấu trúc

Sau khi Fe⁰ nhường 2e⁻ → trở thành Fe²⁺, và Fe³⁺ nhận 1e⁻ → trở thành Fe²⁺, ta có:

\[{Fe}^0 \to 2e + {Fe}^{2 + }\]

\[{Fe}^{3 + } + e  \to {Fe}^{2 + }\]

→ Tổng cộng tạo ra 3Fe²⁺ (từ 1 Fe⁰ và 2 Fe³⁺)

Bước 4: Phức hydrat hóa và hình thành muối

Sau khi tạo ra ion Fe²⁺ trong dung dịch, ion này nhanh chóng kết hợp với anion SO₄²⁻ có sẵn (do Fe₂(SO₄)₃ phân ly) để tạo muối FeSO₄:

\[{Fe}^{2+} + {SO}_4^{2-} \to {FeSO}_4\]

Hoặc dưới dạng phức:

\[{[Fe{(H_2O)}_6]}^{2 + } + {SO_4}^{2 – } \to {FeSO}_4 \bullet 6H_2O\]

Phân tích liên kết bị bẻ gãy và vai trò của nước

Liên kết bị bẻ gãy:

• Liên kết kim loại (Fe–Fe): khi Fe⁰ bị oxi hóa, electron delocalized trong mạng tinh thể kim loại bị rút ra → phá vỡ liên kết kim loại tại bề mặt → giải phóng ion Fe²⁺ vào dung dịch.
• Liên kết ion (Fe³⁺ với SO₄²⁻) không bị phá vỡ trực tiếp, nhưng do ion Fe³⁺ bị khử thành Fe²⁺ → tái tạo muối mới FeSO₄ với SO₄²⁻ ban đầu hoặc dư.

Vai trò của phân tử nước (H₂O):

• Phân tử nước tham gia hydrate hóa các ion Fe²⁺ và Fe³⁺, giữ ổn định trạng thái điện tử của chúng trong dung dịch.
• Trong quá trình electron chuyển giao, lớp solvat hóa giúp truyền năng lượng và ổn định trung gian chuyển tiếp (transient state) khi orbital d của Fe thay đổi cấu hình điện tử.
• Không có phản ứng tách nước (dehydration) theo nghĩa hóa học, tuy nhiên sự tái tổ chức phân tử nước xung quanh ion xảy ra khi Fe³⁺ (r = 0.65 Å) trở thành Fe²⁺ (r = 0.78 Å) → thay đổi lực hút và số liên kết hydro.

Yếu tố ảnh hưởng

Bề mặt Fe: Bột sắt phản ứng nhanh hơn dây sắt.

Nồng độ Fe₂(SO₄)₃: nồng độ cao làm tăng tốc độ phản ứng.

Môi trường: Axit nhẹ ngăn FeSO₄ thủy phân.

Tạp chất: Oxit sắt hoặc Fe²⁺ làm giảm hiệu suất.

Bài Tập Vận Dụng

Đề bài: Cho 40,0 g Fe₂(SO₄)₃ phản ứng hoàn toàn với Fe: Fe₂(SO₄)₃ + Fe → 3FeSO₄. Tính:

a) Khối lượng Fe cần dùng (g).

b) Khối lượng FeSO₄ thu được (g).

Giải:

\[M_{FeSO_4} = 56 + 32 + 4 \times 16 = 152 gram/mol\]

\[M_{Fe_2{(SO_4)}_3}  = (2 \times 56) + (3 \times 32) + (12 \times 16) = 400 gram/mol\]

\[M_Fe = 56 gram/mol\]

a) Khối lượng Fe:

Số mol của Fe₂(SO₄)₃:

\[n_{Fe_2{(SO_4)}_3} = 40400 = 0,1 mol\]

Tỉ lệ Fe₂(SO₄)₃:Fe = 1:1, nên:

\[n_{Fe} = 0,1 mol\]

khối lượng Fe cần dùng:

\[m_{Fe} = 0,1 \times 56 = 5,6 gram\]

Đáp số: 5,6 gram.

b) Khối lượng FeSO₄:

Tỉ lệ Fe₂(SO₄)₃:FeSO₄ = 1:3, nên: 

\[m_{FeSO_4} = 0,1 \times 3 = 0,3 mol\]

khối lượng FeSO₄ thu được:

\[m_{FeSO_4} = 0,3 \times 152 = 45,6 gram\]

Đáp số: 45,6 gram.

Gia Khang