Trong hóa học, phản ứng giữa sắt (Fe) và axit nitric (HNO₃) là một ví dụ điển hình của phản ứng oxi hóa – khử. Đây là một phản ứng thú vị không chỉ trong lý thuyết mà còn trong ứng dụng thực tế. Phản ứng này tạo ra Fe(NO₃)₃ (sắt(III) nitrate), N₂O (được gọi là khí nitơ oxit hoặc khí cười), và H₂O (nước). Bài viết này sẽ đi sâu vào các chi tiết về phương trình, điều kiện phản ứng, cách thực hiện, nhận biết phản ứng, và kiến thức mở rộng về các chất tham gia và sản phẩm của phản ứng.
Phương trình phản ứng:
Fe + 6HNO₃ → Fe(NO₃)₃ + 3N₂O + 3H₂O
Điều kiện phản ứng
Để phản ứng giữa Fe và HNO₃ diễn ra thuận lợi, cần có một số điều kiện đặc biệt nhằm đảm bảo phản ứng xảy ra hiệu quả và nhanh chóng. Đầu tiên, phản ứng yêu cầu nhiệt độ cao hoặc gia nhiệt, vì quá trình oxy hóa sắt cần một lượng năng lượng đủ lớn để phá vỡ liên kết và tạo ra các sản phẩm. Thứ hai, sử dụng axit nitric đậm đặc giúp phản ứng diễn ra nhanh chóng và hiệu quả hơn vì axit đậm đặc cung cấp đủ ion NO₃⁻ để sắt có thể phản ứng. Một yếu tố quan trọng nữa là môi trường có đủ oxi, vì phản ứng giữa sắt và axit nitric là phản ứng oxi hóa – khử, trong đó sắt bị oxy hóa từ số oxi hóa 0 lên +3, trong khi nitơ trong axit nitric bị khử từ số oxi hóa +5 trong ion NO₃⁻ xuống +1 trong N₂O (khí cười). Chính vì vậy, môi trường phản ứng cần đảm bảo có đủ oxi để hỗ trợ quá trình oxy hóa sắt.
Cách thực hiện phản ứng
Dụng cụ và hóa chất:
Để thực hiện phản ứng giữa Fe và HNO₃, chúng ta cần chuẩn bị đầy đủ các dụng cụ và hóa chất như sau: Sắt (Fe) có thể sử dụng dưới dạng bột sắt, lá sắt hoặc dây sắt. Axit nitric (HNO₃) cần được sử dụng ở nồng độ đậm đặc hoặc loãng; axit đậm đặc sẽ giúp phản ứng diễn ra nhanh chóng và hiệu quả hơn. Ống nghiệm hoặc bình phản ứng là dụng cụ cần thiết để chứa các chất phản ứng và theo dõi quá trình phản ứng, đảm bảo phản ứng diễn ra trong môi trường an toàn và kiểm soát được. Để đảm bảo an toàn trong quá trình làm thí nghiệm cần chuẩn bị dụng cụ bảo vệ như găng tay, kính bảo hộ, và áo choàng bảo vệ để bảo vệ bản thân khỏi tiếp xúc trực tiếp với axit nitric. Cuối cùng, chúng ta có thể sử dụng đèn cồn hoặc một nguồn nhiệt khác để gia nhiệt tăng tốc độ phản ứng.
Nhận biết phản ứng
Sau khi phản ứng giữa sắt và axit diễn ra, ta quan sát được hiện tượng dung dịch chuyển sang màu vàng hoặc nâu, đó là dấu hiệu của sự hình thành Fe(NO₃)₃ (sắt(III) nitrate) và có khí thoát ra khỏi ống nghiệm đó là khí N₂O. Có thể kiểm tra khi này, chúng ta có thể đưa que đóm đang cháy vào miệng ống nghiệm, nếu que đóm không tắt, chứng tỏ khí trong ống
Kiến thức mở rộng
Fe(NO₃)₃ (Sắt(III) nitrate)
Về mặt hóa học, Fe(NO₃)₃ là muối của sắt(III) trong môi trường axit nitric, có màu vàng hoặc nâu đỏ đặc trưng. Đây là một muối dễ tan trong nước, và khi hòa tan, nó tạo thành dung dịch có màu vàng hoặc nâu đỏ, tùy thuộc vào nồng độ và điều kiện phản ứng.
Fe(NO₃)₃ chủ yếu được sử dụng trong sản xuất các hợp chất hóa học khác trong ngành công nghiệp hóa chất, đặc biệt là trong việc tổng hợp các hợp chất sắt khác, hay trong các ứng dụng xử lý nước để loại bỏ các tạp chất kim loại nặng. Ngoài ra, Fe(NO₃)₃ cũng có thể được ứng dụng trong việc sản xuất thuốc nhuộm và trong một số quy trình luyện kim.
N₂O (Nitơ oxit)
Nitơ oxit (N₂O) là một khí trơ, không màu và có mùi ngọt nhẹ. Nó thường được gọi là khí cười vì có tác dụng gây cảm giác vui vẻ và thư giãn khi hít phải. Đây là một khí an toàn nhưng cần sử dụng một cách cẩn thận do khả năng gây tác dụng phụ nếu không được kiểm soát.
Về ứng dụng, Nitơ oxit được sử dụng rộng rãi trong y tế như một chất gây mê trong các thủ thuật phẫu thuật nhẹ hoặc để giảm đau, bởi vì nó có tác dụng an thần nhẹ và làm dịu cơn đau mà không cần sử dụng các chất gây mê mạnh. Ngoài ra, nó còn được sử dụng trong công nghiệp thực phẩm, đặc biệt là trong chế biến kem và thức uống có ga như soda, để tạo ra các bọt khí và giúp sản phẩm có độ xốp, mịn màng. Nitơ oxit cũng đóng vai trò quan trọng trong các quy trình công nghiệp khác như hóa học và luyện kim.
Bài tập vận dụng
Bài tập 1: Phản ứng và nhận biết
Sắt phản ứng với axit nitric tạo ra sắt(III) nitrate và khí cười. Viết phương trình phản ứng dưới dạng tổng quát.
Đáp án: Fe + 6HNO₃ → Fe(NO₃)₃ + 3N₂O + 3H₂O
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 giữa sắt và axit diễn ra, ta quan sát được hiện tượng dung dịch chuyển sang màu vàng hoặc nâu, đó là dấu hiệu của sự hình thành Fe(NO₃)₃ (sắt(III) nitrate) và có khí thoát ra khỏi ống nghiệm đó là khí N₂O. Có thể kiểm tra khi này, chúng ta có thể đưa que đóm đang cháy vào miệng ống nghiệm, nếu que đóm không tắt, chứng tỏ khí trong ống
Bài tập 2. Tính toán theo phương trình phản ứng
a) Tính khối lượng sắt cần sử dụng để phản ứng hoàn toàn với 22,68 gam axit nitric.
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 48,4 gam Fe(NO₃)₃, tính khối lượng sắt phải sử dụng trong phản ứng.
Đáp án: a) 3,36g; b) 0,24 l; c) 11,2 g
Phương trình phản ứng giữa sắt và axit nitric, tạo thành sắt(III) nitrat:
Fe + 6HNO₃ → Fe(NO₃)₃ + 3N₂O + 3H₂O
a)
Số mol HNO₃: n = 22,68/63 = 0,36 mol
Theo phương trình, 1 mol Fe phản ứng với 6 mol HNO₃ nên để phản ứng hết với 0,1 mol HNO₃ thì số mol Fe cần dùng:
nFe = nHNO₃*/6 = 0,06 mol
Vậy khối lượng sắt cần sử dụng để phản ứng hoàn toàn với 22,68 gam axit nitric
mFe = nFe * 56 = 0,06*56 = 3,36g
b)
Số mol Fe: nFe = 11,2/56 = 0,2 mol
Số mol HNO₃cần dùng:
nHNO₃ = nFe*6 = 1,2 mol
Thể tích dung dịch axit nitric cần dùng để phản ứng hoàn toàn với 11,2 gam sắt là:
VHNO₃ = nHNO₃/CMHNO₃ = 1,2/5 = 0,24(l)
c)
Số mol Fe(NO₃)₃: nFe(NO₃)₃ = mFe(NO₃)₃/MFe(NO₃)₃ = 48,4/242 = 0,2 mol
Số mol Fe cần dùng để tạo thành 48,4 gam Fe(NO₃)₃:
nFe = nFe(NO₃)₃ = 0,2 mol
Vậy khối lượng sắt cần dùng là:
mFe = nFe * 56 = 0,2*56 = 11,2g
