Phản ứng giữa Fe (sắt) và H₂SO₄ (axit sulfuric) là một trong những phản ứng điển hình trong hóa học vô cơ, có tính chất quan trọng trong việc nghiên cứu về quá trình oxi hóa – khử, đồng thời đóng vai trò trong nhiều ứng dụng công nghiệp. Phản ứng này không chỉ giúp sản xuất FeSO₄ (sắt(II) sulfate), một hợp chất có ứng dụng trong nông nghiệp và công nghiệp hóa chất, mà còn giải phóng H₂ (khí hydro), một sản phẩm khí dễ cháy. Bài viết dưới đây sẽ trình bày chi tiết về phương trình phản ứng, các điều kiện và cách thực hiện phản ứng, nhận biết sản phẩm cũng như những kiến thức mở rộng liên quan đến phản ứng này.
Phương trình phản ứng
Fe + H₂SO4 → FeSO₄ + H₂
Điều kiện phản ứng
Để phản ứng giữa Fe và H₂SO₄ diễn ra thuận lợi, có một số điều kiện cần thiết, bao gồm nhiệt độ cao hoặc gia nhiệtđể tăng tốc quá trình phản ứng, vì khi phản ứng xảy ra, sắt cần đạt đến nhiệt độ đủ để phản ứng với axit sulfuric và giải phóng khí hydro. Gia nhiệt giúp tăng tốc quá trình oxi hóa sắt và khử ion hydro trong axit sulfuric, từ đó thúc đẩy phản ứng nhanh chóng và hiệu quả.
Cách thực hiện phản ứng
Dụng cụ và hóa chất:
Để thực hiện thí nghiệm phản ứng giữa Fe và H₂SO₄, trước hết 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 sắtt; Axit sulfuric (H₂SO₄), dung dịch axit sulfuric loãng; 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 axit sulfuric, vì axit này có tính ăn mòn mạnh; và 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:
Sau khi chuẩn bị đầy đủ các dụng cụ và hóa chất, chúng ta bắt đầu thực hiện thí nghiệm phản ứng giữa Fe và H₂SO₄. 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. Bạn có thể sử dụng bột sắt hoặc lá sắt mỏng để dễ dàng quan sát quá trình phản ứng diễn ra. Sau đó, cẩn thận cho dung dịch axit sulfuric vào bình phản ứng chứa sắt. Bạn sẽ thấy các bọt khí xuất hiện, đó chính là H₂ (khí hydro), một trong những sản phẩm của phản ứng. Quan sát hiện tượng, sau một thời gian, dung dịch sẽ chuyển sang màu xanh hoặc xanh lam nhạt, đó là dấu hiệu của sự hình thành FeSO₄ (sắt(II) sulfat). Khí H₂ sẽ thoát ra từ dung dịch, có thể kiểm tra bằng cách đưa que đóm vào miệng ống nghiệm. Nếu que đóm bùng cháy mạnh, chứng tỏ khí H₂ đã được giải phóng. Sau khi phản ứng hoàn tất, bạn có thể lọc và thu sản phẩm để tách kết tủa và thu lại dung dịch FeSO₄. Bạn cũng có thể làm lạnh để làm đông lại các sản phẩm dễ bay hơi, như H₂.
Nhận biết phản ứng
Sau khi thực hiện phản ứng giữa sắt và dung dịch axit sulfuric, ta sẽ quan sát được hiện tượng khí thoát ra khỏi ống nghiệm. Đây là một trong những sản phẩm quan trọng của phản ứng và có thể nhận biết bằng cách sử dụng que đóm. Khi đưa que đóm đang cháy vào miệng ống nghiệm, nếu que đóm bùng cháy mạnh hoặc phát ra tiếng “bụp”, điều này chứng tỏ khí trong ống nghiệm là H₂, vì khí này dễ cháy và có thể tạo tiếng nổ khi tiếp xúc với lửa. Sau khi phản ứng kết thúc, dung dịch sẽ chuyển sang màu xanh hoặc xanh lam nhạt, đó là dấu hiệu của sự hình thành FeSO₄ (sắt(II) sulfate), một muối hòa tan trong nước. Màu sắc này đặc trưng cho các muối sắt(II). Trong một số điều kiện, khi thêm nước vào sản phẩm phản ứng, bạn có thể thấy có kết tủa FeSO₄ lắng xuống đáy hoặc tạo dung dịch đục nhẹ.
Kiến thức mở rộng
FeSO₄ (Sắt(II) sulfate)
FeSO₄, hay còn gọi là sắt(II) sulfat, là một muối sắt được hình thành trong môi trường axit sulfuric. Khi hòa tan trong nước, nó tạo ra dung dịch có màu xanh nhạt hoặc xanh dương đặc trưng. Tính chất hòa tan tốt của FeSO₄ làm cho nó trở thành một hợp chất quan trọng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp. FeSO₄ chủ yếu được sử dụng trong sản xuất thuốc nhuộm, giúp tạo ra màu sắc ổn định và bền lâu cho vải và các sản phẩm dệt nhuộm, đặc biệt là trong ngành công nghiệp thời trang và sản xuất vải. Bên cạnh đó, FeSO₄ cũng đóng vai trò quan trọng trong xử lý nước, đặc biệt trong việc loại bỏ các kim loại nặng và tạp chất có trong nước, giúp làm sạch và nâng cao chất lượng nguồn nước sử dụng trong sinh hoạt và sản xuất. Trong ngành công nghiệp chế tạo pin, FeSO₄ được sử dụng trong sản xuất pin sắt, đóng góp vào việc tối ưu hiệu suất và tính ổn định của pin trong các ứng dụng công nghiệp và tiêu dùng. Ngoài ra, FeSO₄ còn có nhiều ứng dụng khác trong ngành dược phẩm và sản xuất hóa chất.
H₂ (Hydro)
Hydro là một khí trơ, không màu, không mùi và có khả năng cháy mạnh. Đây là một khí rất dễ phản ứng với oxy, tạo ra nhiệt độ cao và ánh sáng mạnh khi cháy. Hydro có thể được thu thập và sử dụng làm nguồn năng lượng, đặc biệt là trong các ứng dụng như nhiên liệu nhờ vào khả năng sản sinh năng lượng sạch khi cháy.
Ứng dụng của hydro rất đa dạng. Trong công nghiệp hóa dầu, hydro được sử dụng trong quá trình hydro hóa để cải thiện chất lượng dầu khí, loại bỏ các tạp chất và chuyển đổi các hợp chất hữu cơ. Ngoài ra, hydro là một thành phần quan trọng trong sản xuất amoniac qua quá trình Haber-Bosch, là nguyên liệu thiết yếu trong sản xuất phân bón. Hydro cũng đóng vai trò quan trọng trong nhiên liệu sạch, đặc biệt trong các tế bào nhiên liệu. Các tế bào nhiên liệu sử dụng hydro để sản sinh điện năng, đồng thời phát thải duy nhất là nước, làm cho chúng trở thành một nguồn năng lượng rất thân thiện với môi trường và đang được ứng dụng trong giao thông vận tải, năng lượng tái tạo và công nghiệp.
Bài tập vận dụng
Bài tập 1: Phản ứng và nhận biết
Sắt phản ứng với axit sulfuric tạo ra sắt(II) sunfat và khí hidro. Viết phương trình phản ứng dưới dạng tổng quát.
Đáp án: Fe + H₂SO4 → FeSO₄ + H₂
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: Ban đầu, sắt (Fe) có màu xám. Sau khi thực hiện phản ứng giữa sắt và axit sulfuric, dung dịch sẽ chuyển sang màu xanh hoặc xanh lam nhạt, đó là dấu hiệu của sự hình thành FeSO₄ (sắt(II) sulfate), và có khí không màu, không mùi thoát ra khỏi dung dịch.
Bài tập 2. Tính toán theo phương trình phản ứng
a) Tính khối lượng sắt cần sử dụng để phản ứng hoàn toàn với 9,8 gam axit sulfuric.
b) Tính thể tích dung dịch axit nitric cần dùng để phản ứng hoàn toàn với 11,2 gam sắt. Biết dung dịch axit nitric có nồng độ mol là 5
c) Nếu muốn thu được 30,4 gam FeSO₄, tính khối lượng sắt phải sử dụng trong phản ứng.
Đáp án: a) 5,6g; b) 0,04 l; c) 11,2 g
Phương trình phản ứng giữa sắt và axit sulfuric, tạo thành sắt(II) sulfat:
Fe + H₂SO₄→ FeSO₄ + H₂
a)
Số mol H₂SO₄: n = 9,8/98 = 0,1 mol
Theo phương trình, 1 mol Fe phản ứng với 1 mol H₂SO4 nên để phản ứng hết với H₂SO4 thì số mol Fe cần dùng:
nFe = nH₂SO₄ = 0,1 mol
Vậy khối lượng sắt cần sử dụng để phản ứng hoàn toàn với 9,8g axit sulfuric
mFe = nFe * 56 = 0,1*56 = 5,6g
b)
Số mol Fe: nFe = 11,2/56 = 0,2 mol
Số mol H₂SO₄ cần dùng:
nH₂SO₄ = nFe = 0,2 mol
Thể tích dung dịch axit nitric cần dùng để phản ứng hoàn toàn với 11,2 gam sắt là:
VHNO₃ = nHNO₃/CMHNO₃ = 0,2/5 = 0,04(l)
c)
Số mol FeSO₄: nFeSO₄ = mFeSO₄/MFeSO₄ = 30,4/152 = 0,2 mol
Số mol Fe cần dùng để tạo thành 30,4g FeSO₄:
nFe = nFeSO₄ = 0,2 mol
Vậy khối lượng sắt cần dùng là:
mFe = nFe * 56 = 0,2*56 = 11,2g
