Trong hóa học vô cơ, phản ứng giữa sắt và axit photphoric là một ví dụ thú vị về phản ứng giữa kim loại và axit, sản phẩm thu được là muối và khí hydro. Phản ứng này không chỉ có ý nghĩa về mặt lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tế trong nhiều ngành công nghiệp. Bài viết dưới đây sẽ đi sâu vào chi tiết phương trình phản ứng Fe + H₃PO₄ → Fe(H₂PO₄)₂ + H₂, cung cấp kiến thức về điều kiện, cách thực hiện, nhận biết phản ứng, các lưu ý và bài tập vận dụng.
Phương trình đã cân bằng
Fe + 2H₃PO₄→ Fe(H₂PO₄)₂ + H₂
Điều kiện phản ứng
Phản ứng giữa sắt (Fe) và axit photphoric (H₃PO₄) xảy ra trong các điều kiện sau:
- Axit photphoric loãng: Phản ứng xảy ra dễ dàng nhất khi axit photphoric ở dạng loãng, vì khi đó axit có thể dễ dàng tham gia phản ứng với sắt.
- Nhiệt độ phòng hoặc gia nhiệt nhẹ: Phản ứng này có thể diễn ra ở nhiệt độ phòng hoặc có thể gia nhiệt nhẹ để tăng tốc độ phản ứng.
- Thực hiện trong môi trường kín hoặc có sự thông thoáng: Vì phản ứng tạo ra khí hydrogen (H₂), cần phải đảm bảo không gian làm việc an toàn.
Để phản ứng giữa sắt và axit photphoric diễn ra được, điều kiện đầu tiên là axit photphoric phải ở dạng loãng vì khi đó axit có thể dễ dàng tham gia phản ứng với sắt. Khi đạt điều kiện, phản ứng có thể diễn ra ở cả nhiệt độ phòng. Tốc độ diễn ra phản ứng phụ thuộc một phần vào nhiệt độ, khi tăng nhiệt độ thì tốc độ phản ứng sẽ nhanh hơn.
Vì phản ứng tạo ra khí hydrogen (H₂), chúng ta nên thực hiện phản ứng trong môi trường kín hoặc thông thoáng để đảm bảo tính an toàn khi tiến hành thí nghiệm.
Cách thực hiện phản ứng
Trước khi tiến hành phản ứng giữa sắt và axit photphoric, ta cần chuẩn bị dụng cụ và hoá chất như sau:
- Sắt (Fe): Dây sắt, bột sắt, hoặc các lá sắt mỏng.
- Axit photphoric (H₃PO₄): Dung dịch axit photphoric loãng.
- Bình phản ứng, ống nghiệm: Dùng để chứa dung dịch và sắt, có thể sử dụng ống nghiệm hoặc bình thủy tinh nhỏ.
- Dụng cụ kẹp, đèn cồn (nếu cần gia nhiệt): Kẹp dùng để giữ sắt trong bình phản ứng.
Sau khi chuẩn bị đầy đủ những dụng cụ và hoá chất trên, chúng ta bắt đầu tiến hành thí nghiệm. Đầu tiên, cho một lượng sắt vào bình phản ứng hoặc ống nghiệm. Tiếp theo, thêm từ từ dung dịch axit photphoric loãng vào bình chứa sắt. Sau đó, chúng ta có thể quan sát được hiện tượng bọt khí (hydrogen) sẽ xuất hiện từ phản ứng. Nếu cần, có thể gia nhiệt nhẹ để thúc đẩy phản ứng. Để kiểm tra sự tồn tại của khí hydro, có thể đưa que đóm đang cháy vào miệng ống nghiệm, sẽ nghe thấy tiếng nổ nhỏ.
Nhận biết phản ứng
Đây là phản ứng thuộc phản ứng oxi hóa-khử. Sau khi phản ứng giữa sắt và axit photphoric diễn ra, chúng ta có thể quan sát được hiện tượng có kết tủa màu trắng hoặc đục trong dung dịch xuất hiện ( Fe(H₂PO₄)₂) và khí không màu, không mùi thoát ra khỏi ống nghiệm (H₂).
Kiến thức mở rộng về chất tham gia và sản phẩm
Fe(H₂PO₄)₂ (Sắt(II) dihydrophotphat)
Fe(H₂PO₄)₂ là muối photphat của sắt, ít tan trong nước và có màu trắng.
Sản phẩm này không phổ biến trong thực tế nhưng vẫn có thể xuất hiện trong một số phản ứng trao đổi ion trong hóa học. Ví dụ:
3Fe(H₂PO₄)₂ + 12NaOH → 4Na₃PO₄ + Fe₃(PO₄)₂ + 12H₂O
Các muối photphat của sắt có thể được sử dụng trong các phản ứng xử lý nước và phân bón.
Bài tập vận dụng
Bài tập 1: Phản ứng và nhận biết
a) Sắt phản ứng với axit photphoric tạo ra sắt(II) dihydrophotphat. Viết phương trình phản ứng dưới dạng tổng quát.
Đáp án: Fe + 2H₃PO₄ → Fe(H₂PO₄)₂ + H₂
b) 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 photphoric có kết tủa màu trắng hoặc đục trong dung dịch xuất hiện ( Fe(H₂PO₄)₂) và khí không màu, không mùi thoát ra khỏi ống nghiệm (H₂).
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 photphoric.
b) Tính thể tích dung dịch axit photphoric cần dùng để phản ứng hoàn toàn với 11,2 gam sắt. Biết dung dịch axit photphoric có nồng độ mol là 5
c) Nếu muốn thu được 50 gam Fe(H₂PO₄)₂, tính khối lượng sắt phải sử dụng trong phản ứng.
Đáp án: a) 2,8g; b) 0,8 l; c) 11,2 g
Phương trình phản ứng giữa sắt và axit photphoric, tạo thành sắt(II) hydrophotphat:
Fe + 2H₃PO₄ → Fe(H₂PO₄)₂ + H₂
a)
Số mol H₃PO₄: n = 9,8/98 = 0,1 mol
Theo phương trình, 1 mol Fe phản ứng với 2 mol H₃PO₄ nên để phản ứng hết với 0,1 mol H₃PO₄ thì số mol Fe cần dùng:
nFe = nH₃PO₄/2 = 0,05 mol
Vậy khối lượng sắt cần sử dụng để phản ứng hoàn toàn với 9,8 gam axit photphoric:
mFe = nFe * 56 = 0,05*56 = 2,8g
b)
Số mol Fe: nFe = 11,2/56 = 0,2 mol
Số mol H₃PO₄ cần dùng:
nH₃PO₄ = nFe*2 = 0,2*2 = 0,4
Thể tích dung dịch axit photphoric cần dùng để phản ứng hoàn toàn với 11,2 gam sắt là:
VH₃PO₄ = nH₃PO₄/CMH₃PO₄ = 0,4/5 = 0,8(l)
c)
Số mol Fe(H₂PO₄)₂: nFe(H₂PO₄)₂ = mFe(H₂PO₄)₂/MFe(H₂PO₄)₂ = 50/250 = 0,2 mol
Số mol Fe cần dùng để tạo thành 50 gam Fe(H₂PO₄)₂:
nFe = nFeHPO₄ = 0,2 mol
Vậy khối lượng sắt cần dùng là:
mFe = nFe * 56 = 0,2*56 = 11,2g
