Trong hóa học, phản ứng giữa sắt (Fe) và axit nitric (HNO₃) là một trong những ví dụ nổi bật về phản ứng oxi hóa – khử, với các sản phẩm quan trọng như Fe(NO₃)₃ (sắt(III) nitrate), NO (khí nitơ oxit) và H₂O (nước). Phản ứng này có ý nghĩa quan trọng trong các ứng dụng công nghiệp, đặc biệt là trong sản xuất các muối sắt và trong xử lý các tạp chất trong nước. Bài viết dưới đây sẽ giải thích chi tiết phương trình phản ứng, các điều kiện cần thiết để phản ứng xảy ra, cách thực hiện thí nghiệm, nhận biết phản ứng, và kiến thức mở rộng về các chất tham gia và sản phẩm của phản ứng này.
Phương trình phản ứng
Fe+ 4HNO₃ → Fe(NO₃)₃ + NO + 2H₂O
Điều kiện phản ứng
Phản ứng giữa Fe và HNO₃ yêu cầu một số điều kiện đặc biệt để diễn ra thuận lợi. Đầu tiên, phản ứng này cần phải nhiệt độ cao hoặc gia nhiệt để tăng tốc độ phản ứng. Khi nhiệt độ được nâng cao, quá trình oxi hóa sắt và khử nitơ trong axit nitric sẽ diễn ra nhanh chóng hơn, giúp tăng hiệu suất của phản ứng. Nhiệt độ cao tạo ra năng lượng cần thiết để phá vỡ các liên kết trong các phân tử axit nitric, từ đó giúp các phân tử này dễ dàng phản ứng với sắt. Tiếp theo, phản ứng có thể xảy ra trong dung dịch axit nitric loãng, tuy nhiên, sử dụng axit nitric đậm đặc sẽ giúp phản ứng diễn ra nhanh chóng và hiệu quả hơn. Axit đậm đặc cung cấp đủ lượng ion NO₃⁻ cần thiết cho phản ứng oxy hóa, giúp tăng cường quá trình chuyển đổi sắt từ trạng thái số oxi hóa 0 lên +3 trong Fe(NO₃)₃. Ngoài ra, môi trường phản ứng cần phải có đủ oxi, vì đây 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 xuống +2. Để quá trình oxy hóa này diễn ra thuận lợi, cần đảm bảo rằng môi trường phản ứng có đủ oxi để hỗ trợ quá trình oxy hóa sắt, đồng thời giúp khử nitơ trong axit nitric một cách hiệu quả. Chính vì vậy, các yếu tố như nhiệt độ, nồng độ axit và mức độ oxy hóa trong môi trường phản ứng đóng vai trò vô cùng quan trọng trong việc đảm bảo phản ứng xảy ra đúng cách và đạt hiệu suất cao.
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 cần thiết, bao gồm sắt (Fe), có thể là bột sắt, lá sắt hoặc dây sắt, tùy vào mục đích và cách thức quan sát; axit nitric (HNO₃), được sử dụng ở nồng độ đậm đặc hoặc loãng tùy theo yêu cầu của thí nghiệm; 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 nitric, vì axit này có tính ăn mòn mạnh; và cuối cùng, đèn cồn hoặc nguồn nhiệt, dùng để gia nhiệt khi cần thiết, đặc biệt là khi sử dụng axit đậm đặc hoặc khi cần tăng tốc độ phản ứng.
Các bước thực hiện thí nghiệm:
Sau khi chuẩn bị dụng cụ và hóa chất cần thiết để thực hiện thí nghiệm phản ứng giữa Fe và HNO₃, đầu tiên chúng ta đặt ống nghiệm hoặc bình phản ứng lên giá và kẹp chắc chắn để giữ ổn định trong suốt quá trình phản ứng. Tiếp theo, cho một lượng sắt (Fe) vào bình phản ứng hoặc ống nghiệm. 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 nitric vào bình phản ứng chứa sắt sẽ thấy hiện tượng các bọt khí xuất hiện, đó chính là khí NO (nitơ oxit).
Quan sát hiện tượng xảy ra, sau một thời gian, dung dịch sẽ chuyển sang màu vàng hoặc nâu đỏ, đó là Fe(NO₃)₃(sắt(III) nitrate) được tạo thành. Khí NO sẽ thoát ra từ dung dịch. Có thể kiểm tra sự có mặt của khí này bằng cách đưa que đóm vào miệng ống nghiệm. Nếu không có hiện tượng cháy, điều này chứng tỏ NO có sự tồn tại của khí NO vì khí NO là khí trơ và không cháy.
Nhận biết phản ứng
Sau khi phản ứng giữa sắt và axit nitric diễn ra, có khí thoát ra khỏi ống nghiệm. Khi đưa que đóm đang cháy vào miệng ống nghiệm, nếu que đóm không có hiện tượng cháy, chứng tỏ khí trong ống nghiệm là NO, vì khí này là khí trơ và không cháy. Sau khi phản ứng kết thúc, dung dịch sẽ chuyển sang màu vàng hoặc nâu đỏ, đây là dấu hiệu của sự hình thành Fe(NO₃)₃ (sắt(III) nitrate), một muối hòa tan trong nước. Màu sắc của dung dịch có thể thay đổi tùy thuộc vào nồng độ của muối và điều kiện phản ứng. Trong một số điều kiện, khi thêm nước vào sản phẩm phản ứng, chúng ta có thể quan sát được hiện tượng có kết tủa Fe(NO₃)₃ lắng xuống đáy hoặc tạo dung dịch đục nhẹ.
Kiến thức mở rộng về chất tham gia và sản phẩm
Fe(NO₃)₃ (Sắt(III) nitrate)
Về mặt hoá học, Fe(NO₃)₃ là muối của sắt trong môi trường axit nitric, có màu vàng hoặc nâu đỏ đặc trưng. Muối này dễ tan trong nước và tạo thành dung dịch có màu vàng đặc trưng, đặc biệt là khi được hòa tan trong dung môi. Tính chất hòa tan của Fe(NO₃)₃ làm cho nó dễ dàng sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp và hóa học.
Về mặt ứng dụng, Fe(NO₃)₃ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất, đặc biệt là trong xử lý nước để loại bỏ các kim loại nặng và tạp chất có trong nguồn nước. Ngoài ra, muối này còn được ứng dụng trong sản xuất các hợp chất khác từ sắt, đặc biệt trong ngành công nghiệp chế tạo, xử lý kim loại và sản xuất các chất hóa học cần thiết trong các quy trình công nghiệp khác. Fe(NO₃)₃ cũng được sử dụng trong sản xuất thuốc nhuộm, giúp tạo ra các màu sắc đặc trưng và ổn định cho sản phẩm.
NO (Nitơ oxit)
Nitơ oxit (NO) là một khí trơ, không màu và có mùi hơi ngọt nhẹ. NO là khí dễ dàng sinh ra trong các phản ứng giữa kim loại, đặc biệt là sắt, và axit nitric. Khí này có khả năng phản ứng mạnh mẽ với oxy trong không khí để tạo thành NO₂, một hợp chất có tính oxy hóa mạnh.
Trong thực tế, khí NO được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa dầu, chủ yếu trong các quá trình sản xuất và xử lý hóa chất. Ngoài ra, nó còn được ứng dụng trong y tế như một chất gây mê trong một số thủ thuật y khoa, đặc biệt là trong các ca phẫu thuật nhỏ hoặc giảm đau. NO cũng đóng vai trò quan trọng trong sản xuất thuốc nổ và các ứng dụng công nghiệp khác, tham gia vào các quá trình hóa học để tạo ra các hợp chất có tính năng đặc biệt.
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 nitơ oxit. Viết phương trình phản ứng dưới dạng tổng quát.
Đáp án: Fe+ 4HNO₃ → Fe(NO₃)₃ + NO + 2H₂O
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 phản ứng kết thúc, dung dịch sẽ chuyển sang màu vàng hoặc nâu đỏ và có khí thoát ra khỏi ống nghiệm.
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) 5,04g; b) 0,16 l; c) 11,2 g
Phương trình phản ứng giữa sắt và axit nitric, tạo thành sắt(III) nitrat:
Fe+ 4HNO₃ → Fe(NO₃)₃ + NO + 2H₂O
a)
Số mol HNO₃₄: n = 22,68/63 = 0,36 mol
Theo phương trình, 1 mol Fe phản ứng với 4 mol HNO₃ nên để phản ứng hết với 0,1 mol HNO₃ thì số mol Fe cần dùng:
nFe = nHNO₃/4 = 0,09 mol
Vậy khối lượng sắt cần sử dụng để phản ứng hoàn toàn với 22,68 gam axit nitric
mFe = nFe * 56 = 0,1*56 = 5,04g
b)
Số mol Fe: nFe = 11,2/56 = 0,2 mol
Số mol HNO₃cần dùng:
nHNO₃ = nFe*4 = 0,8 mol
Thể tích dung dịch axit nitric cần dùng để phản ứng hoàn toàn với 11,2 gam sắt là:
VHNO₃ = nHNO₃/CMHNO₃ = 0,8/5 = 0,16 (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
