Phản ứng giữa Sắt (Fe) và khí Oxi (O₂) không chỉ là phản ứng oxi hóa – khử điển hình mà còn thuộc nhóm phản ứng được chú trọng trong giảng dạy với nhiều dạng bài tập vận dụng phong phú.
Trong điều kiện thích hợp, sắt phản ứng với oxi để tạo thành oxit sắt từ (Fe₃O₄) — một oxit hỗn hợp gồm cả Fe+2 và Fe+3.
Phản ứng này không chỉ có ý nghĩa trong lý thuyết hóa học mà còn quan trọng trong thực tế, ví dụ như quá trình rỉ sét kim loại, sản xuất oxit sắt dùng trong công nghiệp, hoặc làm chất màu…
Phương trình hóa học
Phương trình chưa cân bằng:
\[Fe + {O_2} \to F{e_3}{O_4}\]
Phương trình đã cân bằng:
\[3Fe + 2{O_2} \to F{e_3}{O_4}\]
Điều kiện phản ứng
- Nhiệt độ cao (khoảng 500–700°C) là điều kiện bắt buộc để phản ứng xảy ra.
- Phản ứng có thể xảy ra trong hai môi trường phản ứng khác nhau:
Trường hợp 1 – Môi trường: Không khí
- Khi đốt sắt trong không khí, sản phẩm luôn là Fe₃O₄.
- Đây là phản ứng phổ biến nhất trong thực tế và thường gặp trong các thí nghiệm.
Trường hợp 2 – Môi trường: Khí oxi (O₂)
Khi phản ứng xảy ra trong môi trường oxi tinh khiết, sản phẩm phụ thuộc vào tỷ lệ giữa Fe và O₂ cùng nhiệt độ:
- Fe thiếu, O₂ dư, nhiệt độ cao (800–900°C) → Tạo Fe₂O₃.
- Fe dư, O₂ thiếu, nhiệt độ ≥ 450°C → Tạo FeO.
Tỷ lệ vừa phải giữa Fe và O₂, hoặc không rõ lượng dư, nhiệt độ khoảng 300–500°C → Tạo Fe₃O₄.
Nguyên lý phản ứng
Phản ứng là quá trình oxi hóa – khử:
- Sắt (Fe) bị oxi hóa:
- Một phần sắt chuyển thành ion Fe²⁺ (số oxi hóa +2)
- Một phần sắt chuyển thành ion Fe³⁺ (số oxi hóa +3)
- cấu trúc của Fe₃O₄ bao gồm cả Fe²⁺ và Fe³⁺
- Oxi (O₂) bị khử từ số oxi hóa 0 xuống -2, tạo thành ion O²⁻.
Phương trình electron tổng quát:
- Quá trình oxi hóa: \[3Fe \to F{e^{2 + }} + 2F{e^{3 + }} + 8e\]
- Quá trình khử: \[2{O_2} + 8e \to 4{O^{2 – }}\]
Tổng quát: \[3Fe + 2{O_2} \to F{e_3}{O_4}\]
Cách thực hiện phản ứng
Chuẩn bị:
- Kim loại sắt (Fe) dạng bột, dây mỏng hoặc lá,
- Nguồn oxi: Không khí hoặc bình khí oxi tinh khiết.
- Dụng cụ: Lò nung, kẹp gắp, đèn cồn hoặc ngọn lửa để gia nhiệt.
- Thiết bị hỗ trợ: Cốc thủy tinh chịu nhiệt hoặc chén sứ để chứa sản phẩm
Trình tự thực hiện:
- Đặt một lượng nhỏ sắt (dạng dây hoặc bột) vào chén sứ hoặc trên bề mặt chịu nhiệt
- Đốt nóng sắt bằng đèn cồn hoặc ngọn lửa cho đến khi sắt phát sáng đỏ.
- Đưa sắt nóng vào môi trường giàu oxi (ví dụ: luồng khí oxi từ bình khí).
- Quan sát hiện tượng: Sắt cháy sáng, tạo ra khói hoặc tia lửa, và hình thành chất rắn màu đen hoặc nâu đen (Fe₃O₄).
Lưu ý:
- Phản ứng tỏa nhiệt mạnh, cần thực hiện trong môi trường kiểm soát để tránh cháy nổ.
- Đảm bảo cung cấp đủ oxi để phản ứng diễn ra hoàn toàn.
- Thực hiện trong môi trường thông thoáng để tránh tích tụ khói hoặc khí độc.
- Giữ phản ứng trong môi trường khô, phản ứng diễn ra tốt hơn trong điều kiện không có độ ẩm để tránh tạo ra các sản phẩm phụ như gỉ sắt (Fe₂O₃·n.H₂O).
Nhận biết phản ứng
Hiện tượng quan sát được:
- Sắt cháy sáng trong oxi (trong không khí phản ứng xảy ra chậm hơn).
- Xuất hiện tia lửa hoặc khói trong quá trình phản ứng.
- Sau phản ứng, xuất hiện chất rắn màu đen hoặc nâu đen, là oxit sắt từ (Fe₃O₄).
Kiểm tra sản phẩm:
- Fe₃O₄ có tính chất từ tính, có thể dùng nam châm để kiểm tra (sản phẩm bị nam châm hút mạnh).
- Phân biệt với Fe₂O₃ (gỉ sắt, màu nâu đỏ, ít từ tính hơn).
Kiến thức mở rộng
Về sản phẩm Fe₃O₄:
- Fe₃O₄ là oxit sắt từ, còn gọi là sắt (II, III) oxit.
- Có thể coi Fe₃O₄ như là tổ hợp của FeO và Fe₂O₃ theo tỉ lệ 1:2.
- Tuy nhiên, đúng theo bản chất ion, Fe₃O₄ là Fe(FeO₂)₂, trong đó Fe có số oxi hóa trung bình là +8/3 (không phải hóa trị).
Về mối quan hệ giữa các oxit sắt:
Ba oxit: FeO, Fe₃O₄, Fe₂O₃ đều không bền tuyệt đối và có thể chuyển hóa qua lại tùy vào điều kiện:
- Fe₂O₃ ⇌ Fe₃O₄ ⇌ FeO
- Tăng nhiệt độ hoặc thêm chất khử → chuyển dịch theo chiều thuận (về FeO).
- Tăng lượng O₂ → chuyển dịch theo chiều nghịch (về Fe₂O₃).
Về cấu trúc tinh thể:
- FeO, Fe₃O₄, γ-Fe₂O₃ đều có mạng tinh thể dạng lập phương sít sao, với ion O²⁻ sắp xếp thành lưới và các lỗ trống chứa ion Fe²⁺ hoặc Fe³⁺.
- Tinh thể FeO có cấu trúc giống với NaCl, trong đó mỗi ion Fe²⁺ được bao quanh bởi 6 ion O²⁻ theo cấu hình bát diện, và ngược lại, mỗi ion O²⁻ cũng được phối trí với 6 ion Fe²⁺.Như vậy, các ion Fe²⁺ chiếm các lỗ trống bát diện, còn các lỗ trống tứ diện thì không bị chiếm. Nếu tất cả các lỗ trống bát diện đều được lấp đầy bởi ion Fe²⁺, công thức hóa học lý tưởng của hợp chất là FeO.
- Tuy nhiên, trong thực tế, một số ion Fe²⁺ có thể bị oxy hóa và thay thế bởi ion Fe³⁺. Khi điều này xảy ra, cấu trúc tinh thể trở nên khiếm khuyết, vì để cân bằng điện tích, một số vị trí ion Fe²⁺ sẽ bị bỏ trống. Khi đó, công thức hóa học thực tế sẽ là Fe₁₋ₓO, với x xấp xỉ 0,05.
- Nếu quá trình thay thế tiếp tục và tỉ lệ ion Fe³⁺ tăng lên đến mức chiếm 2/3 tổng số ion sắt, thì các ion Fe³⁺ sẽ phân bố đều vào cả lỗ trống bát diện và tứ diện (mỗi loại chiếm một nửa). Lúc này, công thức hóa học của hợp chất là Fe₃O₄ – một hợp chất hỗn hợp của Fe²⁺ và Fe³⁺.
- Trong trường hợp toàn bộ ion Fe²⁺ bị thay thế hoàn toàn bởi ion Fe³⁺, cấu trúc tinh thể chỉ còn chứa ion Fe³⁺. Khi đó, công thức hóa học trở thành Fe₂O₃.
Bài tập vận dụng
Đề bài: Đốt cháy X gam sắt trong oxi dư. Sau phản ứng, thu được 23,2 g oxit sắt từ (Fe₃O₄). Tính khối lượng sắt đã phản ứng.
Giải:
Phương trình phản ứng:
\[3Fe + 2{O_2} \to F{e_3}{O_4}\]
- Tính số mol Fe₃O₄:
Khối lượng phân tử của \[F{e_3}{O_4} = \left( {3{\rm{ }} \times {\rm{ }}56} \right) + \left( {4{\rm{ }} \times {\rm{ }}16} \right){\rm{ = }}168 + 64{\rm{ }} = 232(gram/mol)\]
\[{n_{F{e_3}{O_4}}} = \frac{{23.2}}{{232}}{\rm{ = }}0.1(mol)\]
- Theo phương trình, tỉ lệ mol giữa Fe và Fe₃O₄ là 3:1. Do đó:
\[{n_{Fe}} = 3 \times {n_{F{e_3}{O_4}}} = 3 \times 0.1 = 0.3(mol)\]
- Khối lượng sắt:
\[{m_{Fe}} = {n_{Fe}} \times {M_{Fe}} = 0.3 \times 56 = 16.8(gram)\]
Đáp số: Khối lượng sắt đã phản ứng là 16,8 g.
