Phản ứng giữa Sắt(III) Clorua (FeCl₃) và Bạc Nitrat (AgNO₃) là một phản ứng trao đổi, trong đó Cl⁻ từ FeCl₃ kết hợp với Ag⁺ từ AgNO₃, tạo kết tủa Bạc Clorua (AgCl↓) và Sắt(III) Nitrat (Fe(NO₃)₃).
Phương Trình Hóa Học
Phương trình chưa cân bằng:
\[FeC{l_3} + AgN{O_3} \to AgCl \downarrow + Fe{(N{O_3})_3}\]
Phương trình đã cân bằng:
\[FeC{l_3} + 3AgN{O_3} \to 3AgCl \downarrow + Fe{(N{O_3})_3}\]
Điều Kiện Phản Ứng
Phản ứng không có điều kiện đặc biệt.
Nguyên Lý Phản Ứng
Loại phản ứng: Trao đổi, tạo kết tủa.
Cơ chế:
- Cl⁻ từ FeCl₃ kết hợp với Ag⁺ từ AgNO₃, tạo kết tủa AgCl.
- Fe³⁺ từ FeCl₃ kết hợp với NO₃⁻ từ AgNO₃, tạo Fe(NO₃)₃ hòa tan.
Phương trình ion:
\[Fe^{3+} + 3Cl^- + 3Ag^+ + 3{NO_3}^- \to 3AgCl \downarrow + Fe^{3+} + 3{NO_3}^-\]
Lưu ý: AgCl có độ tan rất thấp (Ksp ≈ 1,8×10⁻¹⁰), không tan trong nước, tan trong NH₃ loãng.
Cách Thực Hiện Phản Ứng
Chuẩn bị:
- Dung dịch FeCl₃, từ FeCl₃·6H₂O hòa tan.
- Dung dịch AgNO₃.
- Dụng cụ: Ống nghiệm, pipet, đũa thủy tinh.
- Thiết bị: Kính bảo hộ, găng tay.
Trình tự tiến hành:
- Cho 5 mL dung dịch FeCl₃ vào ống nghiệm.
- Nhỏ từ từ 5 mL dung dịch AgNO₃, khuấy đều.
- Quan sát hiện tượng: Kết tủa trắng (AgCl) xuất hiện ngay, lắng xuống đáy ống.
- Để yên, quan sát kết tủa; lọc nếu cần để tách AgCl.
- Kiểm tra Fe³⁺ và Cl⁻ trong dung dịch hoặc kết tủa.
Lưu ý:
- FeCl₃ tươi, tránh thủy phân thành Fe(OH)₃.
- AgNO₃ nhạy sáng, bảo quản trong chai tối màu.
- Tránh dùng AgNO₃ dư để không làm phức tạp phân tích.
- AgCl cần lọc cẩn thận nếu phân tích tiếp.
Nhận Biết Phản Ứng
Hiện tượng quan sát được:
- Kết tủa màu trắng (AgCl) hình thành, lắng xuống.
- Dung dịch không đổi màu rõ rệt.
Kiểm chứng sản phẩm:
AgCl: Kết tủa trắng, không tan trong nước, tan trong NH₃ loãng ([Ag(NH₃)₂]⁺).
Thêm vào NH₃: Kết tủa tan dần thu được dung dịch trong suốt.
Fe(NO₃)₃ (Fe³⁺): Lấy dung dịch sau lọc, thêm NaOH vào dung dịch làm xuất hiện kết tủa màu đỏ nâu (Fe(OH)₃).
Kiến Thức Mở Rộng về AgCl/Ag⁺
Ion Ag⁺ – Cấu trúc và tính chất phản ứng
Cấu trúc electron và đặc điểm hóa trị
- Cấu hình nguyên tử của bạc:
\[Ag: [Kr], 4d^{10}5s^1\]
- Khi mất 1 electron tạo ion Ag⁺:
\[Ag^+: [Kr]\, 4d^{10}\]
Điều này khiến Ag⁺ có hai đặc tính sau:
- Lớp d đã đầy (4d¹⁰): không có electron d tự do tham gia phản ứng oxi hóa – khử dễ dàng như các ion kim loại chuyển tiếp khác (như Fe³⁺: d⁵, Cu²⁺: d⁹).
- Không có spin tự do, khiến cho Ag⁺ không có từ tính.
Tính chất đặc biệt của Ag⁺
a. Khả năng tạo phức mạnh với ligand mềm (theo HSAB)
- Theo nguyên lý HSAB (Hard Soft Acid Base):
- Ag⁺ là ion mềm (soft acid) do có bán kính nhỏ, d-electron đầy, dễ bị phân cực.
- Ưu tiên tạo liên kết với ligand mềm (soft base) như: NH₃, CN⁻, S²⁻, halogen (đặc biệt là I⁻).
\[Ag^+ + 2NH_3 \to [Ag(NH_3)_2]^+\]
Đây là lý do tại sao dung dịch AgNO₃ kết tủa với Cl⁻ nhưng tan lại trong NH₃: do tạo phức hòa tan [Ag(NH₃)₂]⁺.
b. Khả năng tạo liên kết cộng hóa trị dative tương đối bền
- Dù là ion đơn giản, nhưng Ag⁺ không chỉ tạo liên kết ion, mà thường tạo liên kết dative (cho – nhận) với các phân tử có cặp e tự do → giúp ổn định các phức chất của nó.
c. Dễ bị khử tạo kim loại Ag
- Ag⁺ dễ bị khử về Ag⁰:
\[Ag^+ + e^- \to Ag (E^\circ = +0.80V)\]
Điều kiện để xảy ra các phản ứng:
- Phản ứng tráng bạc (với aldehyde).
- Bị khử bởi nhiều chất khử trung bình như Fe²⁺, Sn²⁺, v.v.
AgCl – Muối bạc có nhiều đặc điểm đặc biệt
Tính chất vật lý – Hấp thụ ánh sáng và màu sắc
- Màu trắng, kết tủa rất mịn, nhưng nhạy sáng: Dưới ánh sáng (đặc biệt tia UV), AgCl bị phân hủy quang học:
\[2AgCl \xrightarrow{hv} 2Ag + Cl_2\]
- Do sự phân tách electron từ Cl⁻ sang Ag⁺ qua ánh sáng → tạo Ag kim loại đen, làm kết tủa đổi màu → xám.
- Tính chất này từng được dùng trong công nghệ ảnh chụp truyền thống (phim ảnh bạc halogenua).
Tính tan thấp – nhưng rất dễ tạo phức
- AgCl có hằng số tan rất nhỏ:
\[K_{sp}(AgCl) \approx 1.8 \times 10^{-10}\]
Kết tủa được tạo ra nhanh chóng khi cho Ag⁺ gặp Cl⁻, ngay cả với nồng độ nhỏ.
- Nhưng tan trở lại khi: Có ligand tạo phức mạnh: NH₃, S₂O₃²⁻, Cl⁻ dư (vì tạo phức [AgCl₂]⁻)
Phản ứng với NH₃: tan nhờ tạo phức [Ag(NH₃)₂]⁺
\[AgCl_{(s)} + 2NH_3 \to [Ag(NH_3)_2]^+ + Cl^-\]
Phản ứng này hoàn toàn thuận chiều vì phức [Ag(NH₃)₂]⁺ rất bền.
Phản ứng với thiosunfat – ứng dụng trong rửa ảnh
\[AgCl + 2S_2O_3^{2-} \to [Ag(S_2O_3)_2]^{3-} + Cl^-\]
Phương trình này là cơ sở cho cơ chế rửa ảnh trong phim bạc halogen trước đây (loại bỏ phần AgCl chưa bị phân hủy ánh sáng).
Ảnh hưởng của ánh sáng và động học phản ứng
- Phản ứng phân hủy quang học AgCl là một quá trình photoelectron chuyển vị, thường bắt đầu từ kích thích electron trong ion Cl⁻ và chuyển lên Ag⁺, dẫn đến tạo:
\[2Cl^- \to Cl_2 + 2e\]
\[Ag^+ + e \to Ag\]
Một trong số ít hệ vô cơ nhạy sáng trong điều kiện thường. Thường được dùng làm sensor ánh sáng và điều chế lớp phủ bạc nano.
Nhiệt phân muối Nitrat (NO₃⁻) – Trường hợp Fe(NO₃)₃
Khi nung nóng các muối nitrat, sản phẩm thu được không giống nhau, mà thay đổi theo bản chất của kim loại tạo muối. Cụ thể:
- Muối nitrat của kim loại kiềm (như Na, K, Li):
\[2NaN{O_3} \mathop \to \limits^{\Delta} 2NaN{O_2} + O_2 \uparrow\]
→ Tạo muối nitrit tương ứng và khí oxi.
- Muối nitrat của kim loại kiềm thổ (như Ca, Mg, Ba), và một số kim loại chuyển tiếp hóa trị thấp (từ Mg²⁺ đến Fe³⁺ trong bảng điện hóa kim loại):
\[2Ca{(N{O_3})_2} \mathop \to \limits^{\Delta} 2CaO + 4N{O_2} \uparrow + O_2 \uparrow\]
\[2Fe{(N{O_3})_3} \mathop \to \limits^{\Delta} {Fe_2}{O_3} + 6N{O_2} \uparrow + 3/2O_2 \uparrow\]
\[4Fe{(N{O_3})_2} \mathop \to \limits^{\Delta} {2Fe_2}{O_3} + 8N{O_2} \uparrow + O_2 \uparrow\]
→ Tạo oxit kim loại, khí NO₂ và O₂.
- Muối nitrat của các kim loại dễ bị khử (như Ag⁺, Hg²⁺):
\[2AgN{O_3} \mathop \to \limits^{\Delta} 2Ag + 2N{O_2} \uparrow + O_2 \uparrow\]
→ Tạo oxit kim loại bền (hoặc kim loại nếu ion bị khử được), cùng với khí NO₂ và O₂.
Nguyên nhân dẫn đến sự khác biệt về sản phẩm nhiệt phân
Sự khác biệt trong sản phẩm nhiệt phân bắt nguồn từ đặc điểm điện tử và khả năng oxi hóa–khử của ion kim loại. Có ba yếu tố chính:
Độ bền nhiệt của gốc NO₃⁻ phụ thuộc vào mức độ phân cực
- Gốc NO₃⁻ có cấu trúc cộng hưởng và khá bền về mặt điện tử.
- Tuy nhiên, khi gắn với cation kim loại, trường điện tích của cation sẽ phân cực đám mây electron của NO₃⁻, làm yếu liên kết N–O và thúc đẩy phân hủy.
- Cation có bán kính nhỏ – điện tích lớn (như Fe³⁺, Al³⁺) gây phân cực mạnh hơn cation có điện tích thấp (như Na⁺, K⁺), khiến NO₃⁻ dễ bị phân hủy sâu hơn.
Tính khử của cation kim loại
- Nếu cation kim loại dễ bị khử (như Ag⁺ → Ag⁰), khi nhiệt phân nó sẽ bị khử luôn, sản phẩm rắn là kim loại.
- Nếu cation có mức oxi hóa cao nhưng ổn định (như Fe³⁺, Cu²⁺), sản phẩm thường là oxit tương ứng (Fe₂O₃, CuO).
Độ bền của oxit tạo thành
- Trong nhiều trường hợp, sự hình thành oxit bền về mặt nhiệt động thúc đẩy phản ứng xảy ra hoàn toàn.
- Oxit kim loại như Fe₂O₃ hay CaO có enthalpy hình thành âm lớn → là sản phẩm bền và được ưu tiên hình thành khi có đủ điều kiện nhiệt độ.
Cơ chế nhiệt phân của muối sắt(III) nitrat – vai trò của Fe³⁺
Fe(NO₃)₃ là một muối của kim loại chuyển tiếp có hóa trị cao (Fe³⁺), mang nhiều đặc điểm đáng chú ý trong cơ chế nhiệt phân:
Cấu trúc và liên kết trong ion NO₃⁻
Ion nitrat NO₃⁻ có cấu trúc cộng hưởng, với 3 liên kết N–O tương đương, mang đặc trưng π giữa nguyên tử nitơ trung tâm (hybrid sp²) và 3 nguyên tử oxy.
Các liên kết N–O đều có tính bán đôi (không hoàn toàn đơn, cũng không hoàn toàn đôi, do có sự delocalization – sự di chuyển phi cục bộ đến các vị trí nhất định của cặp electron liên kết π).
Vì vậy, liên kết N–O nội phân tử khá bền trong điều kiện thường, và ion NO₃⁻ ổn định với điện tích âm phân bố đều trên 3 nguyên tử oxy.
Fe³⁺ là cation có khả năng phân cực rất mạnh
Fe³⁺ có bán kính ion nhỏ (khoảng 64 pm) và điện tích +3, tạo ra một trường điện tích rất mạnh.
- Nó hút cặp electron từ các phân tử hoặc ion có cặp electron không liên kết (các phối tử như NO₃⁻, H₂O, OH⁻,…).
- Khi phối hợp với NO₃⁻, Fe³⁺ tạo phức ion, thường qua nguyên tử O của NO₃⁻.
Trong trường này gốc NO₃⁻ phân cực mạnh, Fe³⁺ sẽ hút cặp electron không liên kết từ nguyên tử oxy của NO₃⁻. Sự tương tác này tạo ra một liên kết phối trí tạm thời, qua đó làm giảm mật độ electron giữa nitơ và oxy trong nhóm NO₃⁻, khiến liên kết π (pi) trong hệ cộng hưởng bị suy yếu.
Nói cách khác, Fe³⁺ đã phá vỡ cấu trúc cộng hưởng bền vững của NO₃⁻, vốn là cấu trúc làm cho ba liên kết N–O trong NO₃⁻ gần như tương đương. Khi liên kết cộng hưởng này bị phá vỡ cục bộ do lực hút từ ion Fe³⁺, một trong các liên kết N–O trở nên yếu hơn các liên kết còn lại và trở thành vị trí dễ bị gãy khi cung cấp thêm năng lượng dưới dạng nhiệt.
Khi liên kết N–O trở nên yếu hơn, phân tử NO₃⁻ dễ bị phân cắt thành các phân tử khí:
\[2N{O_3}^ – \to 2NO_2 \uparrow + O_2 \uparrow\]
→ Cơ chế này là một dạng nội phân tử oxi hóa – khử (disproportionation): nitơ trong NO₃⁻ vừa bị khử (tạo NO₂), vừa bị oxy hóa (tạo O₂).
Hình thành oxit sắt(III) bền:
- Khi nhiệt độ đủ cao, các ion Fe³⁺ sẽ kết hợp với oxy từ gốc nitrat để tạo thành oxit Fe₂O₃.
- Đây là oxit bền nhiệt và có cấu hình điện tử thuận lợi: Fe³⁺ có cấu hình 3d⁵ bán bền, ổn định trong môi trường oxi hóa.
Tổng thể phản ứng:
\[2Fe{(N{O_3})_3} \mathop \to \limits^{\Delta} {Fe_2}{O_3} + 6N{O_2} \uparrow + 3/2O_2 \uparrow\]
→ Phản ứng xảy ra mạnh do:
- Gốc NO₃⁻ bị phân cực bởi Fe³⁺ nên dễ phân hủy.
- Sản phẩm khí (NO₂, O₂) dễ thoát khỏi hệ → kéo cân bằng về phía sản phẩm.
- Fe₂O₃ là chất rắn bền → phản ứng thuận lợi về mặt nhiệt động.
Bài Tập Vận Dụng
Đề bài: Cho 16,25 g FeCl₃ phản ứng hoàn toàn với AgNO₃ dư, tính:
a) Khối lượng AgCl thu được (g).
b) Thể tích dung dịch AgNO₃ 0,2M cần dùng (mL).
Giải:
\[M_{FeCl_3} = 56 + 3 \times 35,5 = 162,5 g/mol\]
\[M_{AgCl} = 108 + 35,5 = 143,5 g/mol\]
a) Khối lượng AgCl:
Số mol của FeCl₃:
\[n_{FeCl_3} = \frac{16,25}{162,5} = 0,1 mol\]
Tỉ lệ FeCl₃:AgCl = 1:3,nên:
\[n_{AgCl} = 0,1 \times 3 = 0,3 mol\]
Khối lượng AgCl thu được:
\[m_{AgCl} = 0,3 \times 143,5 = 43,05 g\]
Đáp số: 43,05 g.
b) Thể tích AgNO₃ 0,2M:
Tỉ lệ FeCl₃:AgNO₃ = 1:3, nên:
\[n_{AgNO_3} = 0,1 \times 3 = 0,3 mol\]
Thể tích AgNO₃ thu được:
\[V_{AgNO_3} = \frac{n}{C} = \frac{0,3}{0,2} = 1,5 L = 1500 mL\]
Đáp số: 1500 mL.
