Trong lĩnh vực hóa học vô cơ, phản ứng của kim loại với axit luôn là đề tài thú vị và hữu ích, được khai thác nhiều trong học thuật lẫn thực tế đời sống. Một trong những phản ứng đáng chú ý là phản ứng giữa sắt (Fe) và axit photphoric (H₃PO₄), tạo thành sắt(II) hydrophotphat (FeHPO₄) và giải phóng khí hydro (H₂). Bài viết dưới đây sẽ cung cấp đầy đủ kiến thức cần thiết về phản ứng này, đảm bảo bạn nắm vững và áp dụng tốt.
Phương trình đã cân bằng
Fe + H₃PO₄ → FeHPO₄ + H₂
Điều kiện phản ứng
Để phản ứng xảy ra được thì điều kiện đầu tiên là axit photphoric phải ở dạng loãng, không phải dạng đặc. Trong phản ứng này, cần đảm bảo sắt ở dạng kim loại nguyên chất, không bị oxy hoá quá nhiều trên bề mặt.
Phản ứng có thể xảy ra được dễ dàng ở nhiệt độ phòng. Về tốc độ phản ứng, khi sử dụng sắt dạng bột hoặc mảnh nhỏ, tốc độ phản ứng sẽ diễn ra nhanh hơn do diện tiếp xúc lớn hơn.
Cách thực hiện phản ứng
Để thực hiện phản ứng này, trước tiên cần chuẩn bị hoá chất và dụng cụ cần thiết, bao gồm:
- Sắt (Fe): Dây sắt nhỏ, bột sắt hoặc các lá sắt mỏng đã được làm sạch bề mặt.
- Dung dịch axit photphoric loãng (H₃PO₄).
- Ống nghiệm hoặc bình phản ứng nhỏ.
- Dụng cụ kẹp gắp, đèn cồn (nếu cần đun nhẹ).
Tiếp theo chúng ta tiến hành thí nghiệm theo các bước sau. Đầu tiên, cho một lượng nhỏ sắt vào ống nghiệm hoặc bình phản ứng nhỏ. Tiếp theo, rót từ từ dung dịch axit H₃PO₄ loãng vào ống nghiệm chứa sắt. Quan sát quá trình diễn ra phản ứng sẽ thấy có hiện tượng sủi bọt khí nhẹ do khí hydro được sinh ra.
Nhận biết phản ứng
Phản ứng giữa sắt (Fe) và axit photphoric (H₃PO₄) là một phản ứng oxi hóa-khử, trong đó sắt bị oxy hóa và axit photphoric tham gia vào quá trình khử. Khi thực hiện thí nghiệm, chúng ta sẽ quan sát một loạt hiện tượng thú vị và rõ ràng. Cụ thể, sau khi sắt phản ứng với axit photphoric, chúng ta sẽ thấy hiện tượng bọt khí không màu, không mùi thoát ra khỏi dung dịch. Đây chính là khí hydro (H₂), một loại khí dễ cháy và không màu, không mùi. Để kiểm tra,ta có thể sử dụng một phương pháp đưa que đóm đang cháy vào miệng ống nghiệm nơi có dung dịch đang phản ứng. Khi gặp khí hydro, ngọn lửa của que đóm sẽ phát ra tiếng “bụp” nhỏ, một hiện tượng đặc trưng chứng tỏ khí hydro đang được sinh ra trong quá trình phản ứng. Tiếng nổ này là dấu hiệu cho thấy phản ứng đang diễn ra mạnh mẽ và khí hydro thoát ra rất nhanh từ dung dịch.
Bên cạnh đó, sản phẩm FeHPO₄ được tạo thành trong phản ứng này có tính chất tan kém trong nước, do đó nó thường xuất hiện dưới dạng kết tủa trắng hoặc tạo dung dịch có màu đục nhẹ. Dung dịch này có thể nhìn thấy hơi đục do sự có mặt của FeHPO₄ không hòa tan hoàn toàn trong nước. Nếu tiếp tục thêm một lượng lớn dung dịch kiềm, kết tủa này có thể được hòa tan, nhưng trong điều kiện bình thường, chúng ta sẽ thấy sự xuất hiện của kết tủa hoặc một dung dịch đục mờ rất rõ ràng, đây là đặc điểm nhận dạng của sản phẩm phản ứng.
Tóm lại, qua quá trình này, không chỉ có thể xác nhận khí hydro là sản phẩm phụ mà còn nhận thấy sự hình thành kết tủa FeHPO₄ trong dung dịch, giúp chúng ta hiểu rõ hơn về bản chất và các đặc tính của các phản ứng hóa học này.
Kiến thức mở rộng về chất tham gia cũng như sản phẩm( Các lưu ý)
Sắt(II) hydrophotphat (FeHPO₄)
FeHPO₄ là một hợp chất muối hydrophotphat, được tạo thành khi sắt phản ứng với axit photphoric. FeHPO₄ có màu trắng hoặc hơi xám, và đặc biệt có tính chất ít tan trong nước. Chính vì tính chất này, nó thường tồn tại dưới dạng chất kết tủa hoặc dung dịch đục mờ trong các phản ứng hóa học, đặc biệt khi phản ứng diễn ra trong môi trường nước. Sự kết tủa của FeHPO₄ trong dung dịch là dấu hiệu dễ nhận thấy của phản ứng này, với sự hình thành một lớp chất rắn nổi lên trên bề mặt hoặc lắng xuống đáy.
Mặc dù FeHPO₄ không phải là hợp chất có ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, nhưng các muối tương tự của sắt với photphat lại có vai trò quan trọng trong một số lĩnh vực. Cụ thể, các muối sắt-photphat như Fe₃(PO₄)₂ và Fe(H₂PO₄)₂thường được sử dụng trong sản xuất phân bón, đặc biệt là phân bón dạng lân. Những hợp chất này cung cấp các ion photphat cần thiết cho cây trồng, giúp cải thiện sự phát triển của cây cối và tăng năng suất mùa màng.
Bên cạnh đó, một số hợp chất photphat của sắt cũng được sử dụng trong xử lý nước. Chúng có khả năng loại bỏ các tạp chất kim loại nặng trong nước, giúp làm sạch và cải thiện chất lượng nước.
Vì vậy, dù FeHPO₄ không có ứng dụng rộng rãi trực tiếp trong công nghiệp, nhưng các hợp chất photphat của sắt, với những tính chất đặc biệt của chúng, lại đóng vai trò không nhỏ trong nông nghiệp và xử lý môi trường.
Bài tập vận dụng
Bài tập 1. Phản ứng và nhận biết
Sắt phản ứng với axit photphoric tạo thành sắt(II) hydrophotphat. Viết phương trình phản ứng dưới dạng tổng quát.
Đáp án: Fe + H₃PO₄ → FeHPO₄ + 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. chúng ta quan sát được hiện tượng bọt khí không màu, không mùi thoát ra khỏi dung dịch (H₂) và xuất hiện dạng kết tủa hoặc dung dịch đục nhẹ (FeHPO₄).
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 0,5
c) Nếu muốn thu được 30,4 gam FeHPO₄, tính khối lượng sắt phải sử dụng trong phản ứng.
Đáp án: a) 5,6g; b) 0,4 l; c) 11,2 g
Phương trình phản ứng giữa sắt và axit photphoric, tạo thành sắt(II) hydrophotphat:
Fe + H₃PO₄ → FeHPO₄ + H₂
a)
Số mol H₃PO₄: n = 9,8/98 = 0,1 mol
Theo phương trình, 1 mol Fe phản ứng với 1 mol H₃PO₄ nên để phản ứng hết với 0,1 mol H₃PO₄ thì số mol Fe cần dùng:
nFe = nH₃PO₄
Vậy khối lượng sắt cần sử dụng để phản ứng hoàn toàn với 9,8 gam axit photphoric:
mFe = nFe * 56 = 0,1*56 = 5,6g
b)
Số mol Fe: nFe = 11,2/56 = 0,2 mol
Số mol H₃PO₄ cần dùng:
nH₃PO₄ = nFe = 0,2 mol
Thể tích dung dịch axit photphoric cần dùng để phản ứng hoàn toàn với 11,2 gam sắt là:
VO₂ = nH₃PO₄/CMH₃PO₄ = 0,2/0,5 = 0,4(l)
c)
Số mol FeHPO₄: nFeHPO₄ = mFeHPO₄/MFeHPO₄ = 30,4/152 = 0,2 mol
Số mol Fe cần dùng để tạo thành 32 gam Fe₂O₃:
nFe = nFeHPO₄ = 0,2 mol
Vậy khối lượng sắt cần dùng là:
mFe = nFe * 56 = 0,2*56 = 11,2g
