Phản ứng giữa Fe (sắt) và H₂SO₄ (axit sulfuric) là một trong những phản ứng phổ biến trong hóa học vô cơ. Phản ứng này không chỉ giúp sản xuất Fe₂(SO₄)₃ (sắt(III) sulfate), một hợp chất quan trọng trong công nghiệp hóa chất, mà còn giải phóng S (lưu huỳnh) và H₂O (nước). Phản ứng này thể hiện đặc trưng của một phản ứng oxi hóa – khử. Trong bài viết này, chúng ta sẽ đi sâu vào chi tiết phương trình phản ứng, các điều kiện và 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
2Fe + 4H₂SO₄ → Fe₂(SO₄)₃ + S+ 2H₂O
Điều kiện phản ứng
Để phản ứng giữa Fe và H₂SO₄ diễn ra thuận lợi cần thoả mãn một số điều kiện, bao gồm nhiệt độ cao hoặc gia nhiệt để tăng tốc độ phản ứng, vì nhiệt độ cao giúp quá trình oxi hóa sắt và khử ion hydro trong axit sulfuric diễn ra nhanh chóng hơn, và axit sulfuric đậm đặc.
Cách thực hiện phản ứng
Dụng cụ và hóa chất:
Để thực hiện phản ứng giữa Fe và H₂SO₄, trước tiên chúng ta cần chuẩn bị đầy đủ dụng cụ và hóa chất sau: Sắt (Fe), có thể sử dụng bột sắt, lá sắt, hoặc dây sắt; Axit sulfuric (H₂SO₄), dung dịch axit sulfuric đậm đặc; 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; và cuối cùng, đèn cồn hoặc nguồn nhiệt để gia nhiệt khi cần thiết, đặc biệt khi sử dụng axit đậm đặc hoặc khi cần tăng tốc độ phản ứng.
Các bước thực hiện thí nghiệm:
Để thực hiện phản ứng, bạn cần chuẩn bị dụng cụ bằng cách đảm bảo rằng tất cả các dụng cụ đều sạch sẽ và sẵn sàng cho thí nghiệm, sau đó đặt ống nghiệm hoặc bình phản ứng lên giá và kẹp chắc chắn để tránh rủi ro khi thực hiện phản ứng. Tiếp theo, đặt một lượng sắt vào bình phản ứng hoặc ống nghiệm. Sau đó, cẩn thận cho dung dịch axit sulfuric vào bình phản ứng chứa sắt, sau một thời gian, dung dịch sẽ chuyển sang màu vàng nhạt, đó là dấu hiệu của sự hình thành Fe₂(SO₄)₃ (sắt(III) sulfate) và kết tủa màu vàng.
Nhận biết phản ứng
Sau khi phản ứng giữa Fe và H₂SO₄ kết thúc ta quan sát được hiện tượng, dung dịch chuyển sang màu vàng nhạt, đó là dấu hiệu của sự hình thành Fe₂(SO₄)₃ (sắt(III) sulfate), một muối hòa tan trong nước. Màu sắc này đặc trưng cho các muối sắt(III) và có kết tủa màu vàng xuất hiện.
Kiến thức mở rộng
Fe₂(SO₄)₃ (Sắt(III) sulfate)
- Tính chất: Fe₂(SO₄)₃ là muối của sắt trong môi trường axit sulfuric, có màu xanh nhạt hoặc xanh dương đặc trưng khi hòa tan trong nước.
- Ứng dụng: Fe₂(SO₄)₃ chủ yếu được sử dụng trong sản xuất thuốc nhuộm, xử lý nước, và trong ngành chế tạo pin.
S (Lưu huỳnh)
Về tính chất, S là kết tủa màu vàng và đóng vai trò quan trọng trong sản xuất các loại phân bón như superphosphate và ammonium sulfate, giúp cung cấp lưu huỳnh cho cây trồng, tăng năng suất và chất lượng nông sản. Ngoài ra, lưu huỳnh được sử dụng trong quá trình lưu hóa cao su, giúp tăng độ bền và độ đàn hồi của cao su, làm cho cao su có khả năng chống mài mòn và nhiệt tốt hơn.
Bên cạnh những ứng dụng trên, lưu huỳnh còn được sử dụng trong điều chế các loại thuốc chữa trị vết thương ngoài da. Đặc biệt, lưu huỳnh còn đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp sản xuất giấy và công nghiệp dược phẩm.
Bài tập vận dụng
Bài tập 1: Phản ứng và nhận biết
Sắt phản ứng với axit sulfuric tạo ra sắt(III) sunfat và lưu huỳnh. Viết phương trình phản ứng dưới dạng tổng quát.
Đáp án: 2Fe + 4H₂SO₄ → Fe₂(SO₄)₃ + S+ 2H₂O
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 sẽ chuyển sang màu vàng nhạt, đó là dấu hiệu của sự hình thành Fe₂(SO₄)₃ (sắt(III) sulfat), và có kết tủa màu vàng xuất hiện.
Bài tập 2. Tính toán theo phương trình phản ứng
a) Tính khối lượng sắt cần sử dụng để phản ứng hoàn toàn với 29,4 gam axit sulfuric.
b) Tính thể tích dung dịch axit sulfuric cần dùng để phản ứng hoàn toàn với 11,2 gam sắt. Biết dung dịch axit sulfuric có nồng độ mol là 5
c) Nếu muốn thu được 40 gam Fe₂(SO₄)₃, tính khối lượng sắt phải sử dụng trong phản ứng.
Đáp án: a) 8,4g; b) 0,08 l; c) 11,2 g
Phương trình phản ứng giữa sắt và axit sulfuric, tạo thành sắt(III) sulfat:
2Fe + 4H₂SO₄→ Fe₂(SO₄)₃ + S+ 2H₂O
a)
Số mol H₂SO₄: n = 29,4/98 = 0,3 mol
Theo phương trình, 2 mol Fe phản ứng với 4 mol H₂SO4 nên để phản ứng hết với 4H₂SO4 thì số mol Fe cần dùng:
nFe = nH₂SO₄/2 = 0,15 mol
Vậy khối lượng sắt cần sử dụng để phản ứng hoàn toàn với 9,8g axit sulfuric
mFe = nFe * 56 = 0,15*56 = 8,4g
b)
Số mol Fe: nFe = 11,2/56 = 0,2 mol
Số mol H₂SO₄ cần dùng:
nH₂SO₄ = nFe*2 = 0,4 mol
Thể tích dung dịch axit sulfuric cần dùng để phản ứng hoàn toàn với 11,2 gam sắt là:
VH₂SO₄ = nH₂SO₄/CMH₂SO₄ = 0,4/5 = 0,08(l)
c)
Số mol Fe₂(SO₄ )₃: nFe₂(SO₄ )₃ = mFe₂(SO₄ )₃/MFe₂(SO₄ )₃ = 40/400 = 0,1 mol
Số mol Fe cần dùng để tạo thành 40g Fe₂(SO₄)₃::
nFe = nFe₂(SO₄)₃*2 = 0,2 mol
Vậy khối lượng sắt cần dùng là:
mFe = nFe * 56 = 0,2*56 = 11,2g
