Phản ứng giữa Fe (sắt) và CuSO₄ (đồng(II) sulfat) là một phản ứng điển hình trong hóa học vô cơ, đặc biệt là trong lĩnh vực hóa học kim loại. Phản ứng này phản ánh một quá trình thế chỗ trong đó sắt chiếm chỗ của đồng trong CuSO₄, tạo thành FeSO₄ (sắt(II) sulfat) và giải phóng Cu (đồng). Bài viết này sẽ giải thích chi tiết về phương trình phản ứng, các điều kiện cần thiết để phản ứng xảy ra, cách thực hiện phản ứng, nhận biết sản phẩm cũng như các kiến thức mở rộng về các chất tham gia và sản phẩm của phản ứng này.
Phương trình phản ứng đã cân bằng
Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu
Điều kiện phản ứng
Để phản ứng giữa Fe và CuSO₄ diễn ra thuận lợi, cần thoả mãn một số điều kiện sau: Phản ứng này có thể diễn ra ở nhiệt độ phòng, nhưng nếu gia nhiệt nhẹ sẽ giúp tăng tốc quá trình phản ứng, mặc dù không yêu cầu nhiệt độ cao như nhiều phản ứng hóa học khác. Phản ứng này xảy ra trong môi trường dung dịch, vì CuSO₄ cần hòa tan trong nước để tạo thành ion Cu²⁺ trong dung dịch, từ đó sắt sẽ thay thế đồng trong muối. Sau một khoảng thời gian phản ứng giữa Fe và CuSO₄ diễn ra, sắt sẽ dần dần hòa tan vào dung dịch, trong khi Cu (đồng) sẽ được giải phóng và lắng xuống dưới đáy bình.
Cách thực hiện phản ứng
Dụng cụ và hóa chất:
Để thực hiện phản ứng giữa Fe và CuSO₄, chúng ta cần chuẩn bị đầy đủ các dụng cụ và hóa chất sau: Sắt (Fe), có thể sử dụng bột sắt, lá sắt, hoặc dây sắt, nên sử dụng lá sắt để dễ dàng quan sát sự thay đổi trong quá trình phản ứng; CuSO₄ (đồng(II) sulfat), dung dịch CuSO₄ 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; và dụng cụ bảo vệ để tránh tiếp xúc trực tiếp với dung dịch CuSO₄ hoặc các hợp chất có tính ăn mòn.
Các bước thực hiện thí nghiệm:
Sau khi chuẩn bị đầy đủ dụng cụ thí nghiệm cho phản ứng giữa Fe và CuSO₄, đặt ống nghiệm hoặc bình phản ứng lên giá và kẹp chắc chắn để tránh rủi ro khi thực hiện phản ứng. Sau đó, chúng ta cho một lượng dung dịch CuSO₄ vào bình phản ứng hoặc ống nghiệm. Tiếp theo, đặt một mẩu sắt(lá sắt hoặc bột sắt) vào dung dịch CuSO₄. Sau một thời gian quan sát chúng ta sẽ thấy hiện tượng Cu (đồng) lắng xuống dưới đáy bình và dung dịch sẽ chuyển sang màu xanh nhạt, đó là dấu hiệu của sự hình thành FeSO₄.
Nhận biết phản ứng
Sau khi thực hiện thí nghiệm phản ứng giữa Fe và CuSO₄, quan sát thí nghiệm 1 thời gan chúng ta sẽ thấy hiện tượng dung dịch màu xanh đậm chuyển dần sang màu xanh nhạt, biểu thị sự hình thành FeSO₄. 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.
Kiến thức mở rộng
Đồng(II) Sulfat (CuSO₄)
CuSO₄ có màu xanh đậm và tan tốt trong nước. Đây là một hợp chất quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghiệp và nông nghiệp. CuSO₄ được sử dụng trong nông nghiệp, đặc biệt là trong sản xuất thuốc trừ sâu, giúp kiểm soát các bệnh nấm, vi khuẩn và ký sinh trùng trên cây trồng. Ngoài ra, CuSO₄ còn được ứng dụng trong công nghiệp dệt nhuộm, xử lý nước, và trong sản xuất đồng và các hợp chất đồng khác.
FeSO₄ (Sắt(II) Sulfat)
FeSO₄ có màu xanh nhạt. Đây là một hợp chất quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghiệp. FeSO₄ chủ yếu được sử dụng trong sản xuất thuốc nhuộm, giúp tạo màu cho vải và các sản phẩm dệt. Ngoài ra, FeSO₄ cũng đóng vai trò quan trọng trong xử lý nước, đặc biệt trong việc loại bỏ các tạp chất kim loại nặng và cải thiện chất lượng nước. Thêm vào đó, FeSO₄ còn được ứng dụng trong ngành chế tạo pin, được ứng dụng để sản xuất các thành phần quan trọng giúp tối ưu hóa hiệu suất của pin.
Bài tập vận dụng
Bài tập 1: Phản ứng và nhận biết
Sắt phản ứng với đồng(II) sunfat tạo ra sắt(II) sunfat và đồng. Viết phương trình phản ứng dưới dạng tổng quát.
Đáp án: Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu
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, biểu thị sự hình thành FeSO₄. 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 16g CuSO₄.
b) Tính thể tích dung dịch đồng(II) sunfat cần dùng để phản ứng hoàn toàn với 11,2 gam sắt. Biết dung dịch đồng(II) sunfat có nồng độ mol là 5
c) Nếu muốn thu được 15,2 gam FeSO₄, 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) sunfat tạo thành sắt(II) sunfat và đồng là:
Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu
a)
Số mol CuSO₄: n = 16/160 = 0,1 mol
Theo phương trình, 1 mol Fe phản ứng với 1 mol CuSO₄ nên để phản ứng hết với CuSO₄ thì số mol Fe cần dùng:
nFe = nCuSO₄ = 0,1 mol
Vậy khối lượng sắt cần sử dụng để phản ứng hoàn toàn với 16g CuSO₄:
mFe = nFe * 56 = 0,1*56 = 5,6g
b)
Số mol Fe: nFe = 11,2/56 = 0,2 mol
Số mol CuSO₄ cần dùng:
nCuSO₄ = nFe = 0,2 mol
Thể tích dung dịch đồng (II) sunfat cần dùng để phản ứng hoàn toàn với 11,2 gam sắt là:
VCuSO₄ = nCuSO₄/CMCuSO₄ = 0,2/5 = 0,04(l)
c)
Số mol FeSO₄: nFeSO₄ = mFeSO₄/MFeSO₄ = 15,2/152 = 0,1 mol
Số mol Fe cần dùng để tạo thành 40g Fe₂(SO₄)₃::
nFe = nFeSO₄ = 0,1 mol
Vậy khối lượng sắt cần dùng là:
mFe = nFe * 56 = 0,1*56 = 5,6g
