Phản ứng giữa Fe và HNO₃ là một phản ứng oxi hóa – khử đặc biệt trong hóa học, với sản phẩm bao gồm Fe(NO₃)₃ (sắt(III) nitrate), NH₄NO₃ (ammonium nitrate), và H₂O (nước). Đây là một phản ứng không chỉ quan trọng trong lĩnh vực hóa học mà còn có ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Bài viết này sẽ giải thích chi tiết về phương trình phản ứng, các điều kiện cần thiết, cách thực hiện, nhận biết phản ứng, kiến thức mở rộng về các chất tham gia và sản phẩm, cũng như bài tập vận dụng.
Phương trình phản ứng
Phương trình phản ứng giữa Fe và HNO₃ sau khi cân bằng có dạng:
Fe + 6HNO₃ → Fe(NO₃)₃ + 3NH₄NO₃ + 9H₂O
Điều kiện phản ứng
Phản ứng hoá học giữa sắt và axit nitric yêu cầu một số điều kiện đặc biệt để diễn ra hiệu quả, bao gồm nhiệt độ cao hoặc gia nhiệt để tăng tốc độ phản ứng, giúp quá trình oxi hóa sắt và khử nitơ trong axit nitric diễn ra nhanh chóng hơn. Sử dụng axit nitric đậm đặc sẽ giúp phản ứng xảy ra nhanh hơn và hiệu quả hơn vì axit đậm đặc cung cấp đủ ion NO₃⁻ cho phản ứng và tạo ra các sản phẩm như Fe(NO₃)₃ và NH₄NO₃.
Cách thực hiện phản ứng
Dụng cụ và hóa chất:
Để thực hiện phản ứng giữa Fe (sắt) và HNO₃ (axit nitric), chúng ta cần chuẩn bị đầy đủ các dụng cụ và hóa chất cần thiết để đảm bảo thí nghiệm diễn ra chính xác và an toàn. Cần chuẩn bị sắt (Fe), có thể sử dụng bột sắt, lá sắt, hoặc dây sắt tùy theo mục đích thí nghiệm và cách thức quan sát quá trình phản ứng. Tiếp theo, có thể là axit nitric đậm đặc hoặc loãng, tùy thuộc vào yêu cầu của thí nghiệm. Axit đậm đặc sẽ giúp phản ứng diễn ra nhanh chóng và hiệu quả hơn. Để thực hiện phản ứng, bạn sẽ cần một ống nghiệm hoặc bình phản ứng để chứa các chất phản ứng và theo dõi quá trình phản ứng. Ngoài ra, vì axit nitric có tính ăn mòn mạnh, bạn cần chuẩn bị dụng cụ bảo vệ như găng tay, kính bảo hộ, và áo choàng bảo vệ để tránh tiếp xúc trực tiếp với axit, bảo vệ da và mắt khỏi sự ăn mòn của axit. Cuối cùng, để gia nhiệt khi cần thiết cần chuẩn bị một đèn cồn hoặc nguồn nhiệt, nhiệt độ cao sẽ giúp quá trình oxi hóa sắt và khử nitơ trong axit nitric diễn ra nhanh chóng và hiệu quả hơn.
Các bước thực hiện thí nghiệm:
Sau chuẩn bị đầy đủ dụng cụ và hóa chất cho phản ứng giữa Fe và HNO₃, chúng ta bắt đầu tiến hành thí nghiệm. Đầu tiên, đặt ống nghiệm hoặc bình phản ứng lên giá và kẹp chắc chắn để tránh rủi ro khi thực hiện phản ứng. Tiếp theo, cho một lượng sắt vào bình phản ứng hoặc ống nghiệm. Sau đó, cẩn thận cho dung dịch axit nitric vào bình phản ứng chứa sắt, chúng ta sẽ quan sát được hiện tượng dung dịch sẽ chuyển sang màu vàng hoặc nâu đỏ, đó là dấu hiệu của sự hình thành Fe(NO₃)₃ (sắt(III) nitrat).
Nhận biết phản ứng
Sau khi tiến hành thí nghiệm phản ứng giữa Fe và HNO₃, sau khi phản ứng kết thúc, dung dịch sẽ đổi màu sang vàng hoặc nâu, đây là dấu hiệu của sự hình thành Fe(NO₃)₃(sắt(III) nitrate), một muối hòa tan trong nước. Ngoài ra, trong một số điều kiện, khi thêm nước vào sản phẩm phản ứng, bạn có thể thấy có kết tủa Fe(NO₃)₃ lắng xuống đáy hoặc tạo dung dịch đục nhẹ.
Kiến thức mở rộng
Fe(NO₃)₃ (Sắt(III) nitrate)
Fe(NO₃)₃ là muối sắt(III) có màu vàng hoặc nâu đỏ đặc trưng và dễ dàng hòa tan trong nước. Do tính chất hòa tan của nó, Fe(NO₃)₃được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng công nghiệp và hóa học, đặc biệt là trong các phản ứng hóa học khác, đóng vai trò quan trọng trong việc tổng hợp hợp chất.
Fe(NO₃)₃ được ứng trong sản xuất thuốc nhuộm, giúp tạo màu sắc ổn định cho vải và các sản phẩm sợi, đặc biệt là các sản phẩm dệt nhuộm trong ngành công nghiệp thời trang và sản xuất vải. Bên cạnh đó, Fe(NO₃)₃ cũng được sử dụng trong ngành công nghiệp xử lý nước, muối sắt(III) nitrate có thể loại bỏ các kim loại nặng và tạp chất có trong nước, làm sạch nguồn nước và giảm thiểu ô nhiễm.
Ngoài ra, Fe(NO₃)₃ còn đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp hóa chất, được sử dụng làm chất xúc tác hoặc trong các phản ứng hóa học để tạo ra các hợp chất khác, như sắt(III) oxit và các muối sắt khác. Muối này cũng là một thành phần quan trọng trong các phản ứng khử, oxy hóa và tổng hợp các hợp chất hữu cơ trong sản xuất hóa chất.
NH₄NO₃ (Ammonium nitrate)
Về mặt hoá học, NH₄NO₃ có màu trắng, dễ hòa tan trong nước, và là một hợp chất quan trọng với tính chất nổ.
Về mặt ứng dụng, NH₄NO₃ chủ yếu được sử dụng trong sản xuất phân bón, giúp cung cấp nguồn nitơ thiết yếu cho cây trồng, thúc đẩy quá trình phát triển của cây. Ngoài ra, hợp chất này còn được sử dụng rộng rãi trong sản xuất thuốc nổ công nghiệp, đặc biệt là trong khai thác mỏ và xây dựng, nơi cần một chất nổ mạnh để phá vỡ đất đá. Bên cạnh đó, NH₄NO₃ cũng được ứng dụng trong sản xuất các hợp chất hóa học khác, giúp tổng hợp các sản phẩm cần thiết trong nhiều quy trình công nghiệp, từ các phản ứng hóa học đến các ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm và dược phẩm.
Bài tập vận dụng
Bài tập 1: Phản ứng và nhận biết
a. Sắt phản ứng với axit nitric tạo ra sắt(III) nitrat và amoni nitrat. Viết phương trình phản ứng dưới dạng tổng quát.
Đáp án: Fe + 6HNO₃ → Fe(NO₃)₃ + 3NH₄NO₃ + 9H₂O
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 nitric, dung dịch sẽ đổi màu sang vàng hoặc nâu, đây là dấu hiệu của sự hình thành Fe(NO₃)₃(sắt(III) nitrate).
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 + 3NH₄NO₃ + 9H₂O
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
