Phản ứng giữa Fe (sắt) và Cu(NO₃)₂ (đồng(II) nitrate) là một phản ứng oxi hóa – khử điển hình, trong đó Fe thay thế Cu²⁺ trong muối Cu(NO₃)₂ để tạo ra Cu (đồng) và Fe(NO₃)₂ (sắt(II) nitrate). Đây là một phản ứng quan trọng trong hóa học vô cơ, giúp minh họa tính chất khử của Fe và khả năng thay thế trong phản ứng muối. Bài viết này sẽ cung cấp thông tin chi tiết về phương trình phản ứng, các điều kiện cần thiết để phản ứng diễn ra, cách thực hiện phản ứng, nhận biết sản phẩm, cũng như những kiến thức mở rộng về các chất tham gia và sản phẩm của phản ứng này.
Phương trình phản ứng
Phương trình phản ứng giữa Fe và Cu(NO₃)₂ là:
Fe + Cu(NO₃)₂ → Cu + Fe(NO₃)₂
Điều kiện phản ứng
Để phản ứng giữa Fe và Cu(NO₃)₂ diễn ra thuận lợi, cần thoả mãn một số điều kiện. Về nhiệt độ, Phản ứng này có thể xảy ra ở nhiệt độ phòng mà không cần gia nhiệt mạnh. Phản ứng này xảy ra trong môi trường dung dịch, vì Cu(NO₃)₂ cần hòa tan trong nước để tạo thành các ion Cu²⁺ trong dung dịch. Sau đó, Fe sẽ thay thế Cu²⁺ trong dung dịch, khử Cu²⁺ thành Cu.
Cách thực hiện phản ứng
Dụng cụ và hóa chất
Để thực hiện phản ứng giữa Fe và Cu(NO₃)₂, bạn cần chuẩn bị đầy đủ các dụng cụ và hóa chất sau: Sắt (Fe), bạn có thể sử dụng bột sắt, lá sắt, hoặc dây sắt tùy vào mục đích thí nghiệm và cách thức quan sát. Lá sắt là lựa chọn tốt để dễ dàng quan sát sự thay đổi trong quá trình phản ứng. Dung dịch Cu(NO₃)₂ đã được hòa tan trong nước; ống nghiệm hoặc bình phản ứng, dùng để chứa các chất phản ứng và theo dõi quá trình phản ứng; dụng cụ bảo vệ như găng tay, kính bảo hộ, và áo choàng bảo vệ để tránh tiếp xúc trực tiếp với dung dịch có tính ăn mòn hoặc các hợp chất khác.
Các bước thực hiện thí nghiệm
Để thực hiện phản ứng giữa Fe và Cu(NO₃)₂, trước tiên cần đảm bảo rằng tất cả các dụng cụ đều sạch sẽ và sẵn sàng cho thí nghiệm. Đầu tiên, chúng ta đặt ống nghiệm hoặc bình phản ứng lên giá và kẹp chắc chắn để tránh rủi ro khi thực hiện phản ứng. Sau đó, đổ một lượng dung dịch Cu(NO₃)₂ vào bình phản ứng hoặc ống nghiệm. Tiếp theo, Đặt một mẩu sắt (lá sắt hoặc bột sắt) vào dung dịch Cu(NO₃)₂. Ngay lập tức Fe khử Cu²⁺ thành Cu, tạo ra Fe(NO₃)₂. Sau một thời gian, bạn sẽ thấy Cu (đồng) sẽ được giải phóng dưới dạng một lớp kim loại lắng xuống đáy bình và dung dịch sẽ chuyển sang màu xanh nhạt hoặc trong suốt, biểu thị sự hình thành Fe(NO₃)₂.
Nhận biết phản ứng
Sau khi thực hiện phản ứng giữa Fe và Cu(NO₃)₂ chúng ta sẽ quan sát được sự thay đổi màu dung dịch, Dung dịch Cu(NO₃)₂ ban đầu có màu xanh đậm do ion Cu²⁺. Sau khi phản ứng, dung dịch sẽ chuyển sang màu xanh nhạt hoặc trong suốt, biểu thị sự hình thành Fe(NO₃)₂ (sắt(II) nitrate), trong đó sắt có số oxi hóa +2. Sau khi phản ứng hoàn tất, Cu (đồng) sẽ được giải phóng dưới dạng một lớp kim loại màu đỏ cam lắng xuống đáy bình. Điều này chứng tỏ Fe đã thay thế Cu trong muối Cu(NO₃)₂.
Kiến thức mở rộng về chất tham gia và sản phẩm
Cu(NO₃)₂ (Đồng(II) Nitrate)
Cu(NO₃)₂ là muối của Cu²⁺ với axit nitric, có màu xanh dương đậm đặc trưng. Muối này tan trong nước và thường được sử dụng trong các phản ứng oxi hóa – khử để cung cấp ion Cu²⁺, giúp tham gia vào các quá trình chuyển đổi giữa các trạng thái oxi hóa của kim loại đồng. Cu(NO₃)₂ đóng vai trò quan trọng trong việc khử và oxi hóa trong các phản ứng hóa học. Cu(NO₃)₂ là muối quan trọng trong việc chế tạo mực in và các hợp chất nhuộm, nhờ khả năng tương tác với các chất hữu cơ và tạo màu sắc bền vững. Nó cũng có ứng dụng trong các phản ứng phân tích định tính để xác định các ion kim loại khác trong các dung dịch.
Fe(NO₃)₂ (Sắt(II) Nitrate)
Fe(NO₃)₂ là muối của Fe²⁺ trong môi trường axit nitric, có màu xanh nhạt khi hòa tan trong nước. Đây là một muối tan tốt trong nước và có tính chất khử mạnh, vì Fe²⁺ có khả năng nhường electron trong các phản ứng oxi hóa – khử. Chính vì tính chất khử này, Fe(NO₃)₂ đóng vai trò quan trọng trong các phản ứng hóa học, đặc biệt là trong những phản ứng liên quan đến việc chuyển đổi các ion kim loại từ trạng thái oxi hóa cao xuống thấp hơn. Ngoài ra, Fe(NO₃)₂ có thể phản ứng với các chất khác để tạo ra các hợp chất sắt khác, làm cho nó trở thành một hóa chất quan trọng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp.
Ứng dụng của Fe(NO₃)₂ rất đa dạng. Trong các phản ứng phân tích hóa học, muối này được sử dụng để xác định các ion kim loại khác hoặc trong các quá trình tạo màu. Nó cũng đóng vai trò quan trọng trong sản xuất mực in và thuốc nhuộm, nhờ khả năng tạo màu sắc bền và rõ ràng. Đặc biệt, khả năng khử của Fe(NO₃)₂ được tận dụng trong các phản ứng nhuộm, giúp tạo ra các sản phẩm có màu sắc sắc nét và lâu bền. Ngoài ra, Fe(NO₃)₂ còn được ứng dụng trong các quá trình chế tạo hợp chất kim loại, đặc biệt trong việc sản xuất các hợp kim sắt hoặc tạo ra các hợp chất sắt khác có ứng dụng trong công nghiệp.
Bài tập vận dụng
Bài tập 1: Phản ứng và nhận biết
Sắt phản ứng với đồng(II) nitrat tạo ra sắt(II) nitrat và đồng. Viết phương trình phản ứng dưới dạng tổng quát.
Đáp án: Fe + Cu(NO₃)₂ → Cu + Fe(NO₃)₂
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 màu xanh đậm chuyển dần sang màu xanh nhạt. Sau khi phản ứng hoàn tất, Cu (đồng) sẽ được giải phóng dưới dạng một lớp kim loại màu đỏ cam lắng xuống đáy bình.
Bài tập 2. Tính toán theo phương trình phản ứng
a) Tính khối lượng sắt cần sử dụng để phản ứng hoàn toàn với 18,8g Cu(NO₃)₂.
b) Tính thể tích dung dịch đồng(II) nitrat cần dùng để phản ứng hoàn toàn với 11,2 gam sắt. Biết dung dịch đồng(II) nitrat có nồng độ mol là 5
c) Nếu muốn thu được 18 gam Fe(NO₃)₂, tính khối lượng sắt phải sử dụng trong phản ứng.
Đáp án: a) 5,6g; b) 0,04 l; c) 5,6 g
Phương trình phản ứng giữa sắt và đồng(II) nitrat tạo thành sắt(II) nitrat và đồng là:
Fe + Cu(NO₃)₂ → Cu + Fe(NO₃)₂
a)
Số mol Cu(NO₃)₂: n = 18,8/188 = 0,1 mol
Theo phương trình, 1 mol Fe phản ứng với 1 mol Cu(NO₃)₂ nên để phản ứng hết với Cu(NO₃)₂ thì số mol Fe cần dùng:
nFe = nCu(NO₃)₂ = 0,1 mol
Vậy khối lượng sắt cần sử dụng để phản ứng hoàn toàn với 18,8g Cu(NO₃)₂
mFe = nFe * 56 = 0,1*56 = 5,6g
b)
Số mol Fe: nFe = 11,2/56 = 0,2 mol
Số mol Cu(NO₃)₂ cần dùng:
nCu(NO₃)₂ = nFe = 0,2 mol
Thể tích dung dịch đồng (II) nitrat cần dùng để phản ứng hoàn toàn với 11,2 gam sắt là:
VCu(NO₃)₂ = nCu(NO₃)₂/CMCu(NO₃)₂ = 0,2/5 = 0,04(l)
c)
Số mol Fe(NO₃)₂: nFe(NO₃)₂ = mFe(NO₃)₂/MFe(NO₃)₂ = 18/180 = 0,1 mol
Số mol Fe cần dùng để tạo thành 18g Fe(NO₃)₂:
nFe = nFe(NO₃)₂ = 0,1 mol
Vậy khối lượng sắt cần dùng là:
mFe = nFe * 56 = 0,1*56 = 5,6 g
