Phản ứng giữa Fe (sắt) và ZnSO₄ (kẽm sulfat) là một ví dụ điển hình của phản ứng thế chỗ, trong đó sắt thay thế kẽm trong muối của nó, tạo thành FeSO₄ (sắt(II) sulfat) và giải phóng Zn (kẽm). Phản ứng này thường được nghiên cứu trong các bài học hóa học để hiểu về các nguyên lý của phản ứng oxy hóa – khử, nơi một kim loại mạnh hơn thay thế một kim loại yếu hơn trong muối của nó. Bài viết này sẽ đi sâu vào phân tích phương trình phản ứng, các điều kiện và cách thực hiện phản ứng, nhận biết sản phẩm cũng như các kiến thức mở rộng về các chất tham gia và sản phẩm trong phản ứng này.
Phương trình phản ứng
Phương trình phản ứng giữa Fe và ZnSO₄ là:
Fe + ZnSO₄ → FeSO₄ + Zn
Điều kiện phản ứng
Để phản ứng giữa Fe và ZnSO₄ diễn ra thuận lợi, điều kiện quan trọng nhất là phải có dòng điện chạy qua dung dịch ZnSO₄. Dòng điện này cung cấp năng lượng để duy trì quá trình oxi hóa và khử. Cần đảm bảo điện áp và cường độ dòng điện phù hợp để phản ứng diễn ra hiệu quả. Quá ít điện năng sẽ làm phản ứng diễn ra chậm, trong khi quá nhiều điện năng có thể gây hiện tượng phân hủy các chất tham gia phản ứng. Về nhiệt đô, phản ứng này có thể xảy ra ở nhiệt độ phòng, tuy nhiên nếu gia nhiệt nhẹ sẽ giúp phản ứng diễn ra nhanh hơn và hiệu quả hơn, giúp các ion dễ dàng tham gia vào phản ứng. Tuy nhiên, phản ứng này không yêu cầu nhiệt độ quá cao như một số phản ứng khác. Phản ứng này diễn ra trong môi trường dung dịch, vì ZnSO₄ cần hòa tan trong nước để tạo ra ion Zn²⁺ trong dung dịch. Các ion này sau đó sẽ bị thay thế bởi ion Fe²⁺ từ sắt trong dung dịch. Phản ứng giữa Fe và ZnSO₄ cần một khoảng thời gian để diễn ra hoàn toàn.
Cách thực hiện phản ứng
Dụng cụ và hóa chất
Để thực hiện phản ứng giữa Fe và ZnSO₄, trước tiên chúng ta cần chuẩn bị đầy đủ các dụng cụ và hóa chất sau: Sắt (Fe), có thể sử dụng bột sắt, lá sắt, hoặc dây sắt tùy vào mục đích thí nghiệm và cách thức quan sát; dung dịch ZnSO₄ đã được hòa tan trong nước; cần có một nguồn điện cung cấp điện áp và dòng điện phù hợp cho phản ứng điện phân; 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.
Các bước thực hiện thí nghiệm
Sau khi chuẩn bị đầy đủ dụng cụ và hoá chất cho thí nghiệm phản ứng giữa Fe và ZnSO₄. 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, đổ dung dịch ZnSO₄ vào ống nghiệm hoặc bình phản ứng. Kết nối các điện cực vào nguồn điện, đảm bảo rằng dòng điện có thể chạy qua dung dịch. Đặt sắt (Fe) vào dung dịch ZnSO₄. Khi dòng điện chạy qua dung dịch, Fe sẽ khử ion Zn²⁺ thành Zn, và Fe sẽ bị oxi hóa thành Fe²⁺, tạo thành FeSO₄. Quan sát phản ứng, sau một thời gian sẽ thấy hiện tượng Cu (kẽm) giải phóng và lắng xuống dưới đáy bình, và dung dịch sẽ chuyển sang màu xanh nhạt biểu thị sự hình thành FeSO₄.
Nhận biết phản ứng
Sau khi phản ứng Fe và ZnSO₄ diễn ra, chúng ta sẽ quan sát được một số hiện tượng: Trong trường hợp phản ứng diễn ra nhanh hoặc ở điều kiện gia nhiệt, có thể có khí thoát ra, tuy nhiên, phản ứng này thông thường không giải phóng khí, vì các ion không tạo ra khí trong phản ứng này. Dung dịch ZnSO₄ ban đầu không màu. Sau khi phản ứng, dung dịch sẽ chuyển sang màu xanh nhạt hoặc trong suốt, biểu thị sự hình thành FeSO₄. Sau khi phản ứng hoàn tất, Zn (kẽm) sẽ được giải phóng dưới dạng một lớp kim loại màu trắng xanh lắng xuống đáy bình.
So sánh phản ứng với phản ứng đẩy muối thông thường khác
Phản ứng giữa Fe và ZnSO₄ trong môi trường điện phân tương tự như các phản ứng đẩy muối trong các phản ứng khác, nhưng điểm đặc biệt trong phản ứng này là sự sử dụng dòng điện để cung cấp năng lượng cho phản ứng. Trong phản ứng đẩy muối thông thường, sắt sẽ thay thế kẽm trong muối mà không cần cung cấp điện năng. Tuy nhiên, trong môi trường điện phân, dòng điện giúp duy trì quá trình oxi hóa của sắt và khử ion kẽm, dẫn đến sản phẩm được tạo ra nhanh hơn và có khả năng kiểm soát tốt hơn.
Kiến thức mở rộng về chất tham gia và sản phẩm
Kẽm Sulfat (ZnSO₄)
ZnSO₄ là muối của kẽm trong môi trường axit sulfuric, có màu trắng khi ở dạng rắn và hòa tan tốt trong nước. Đây là một hợp chất quan trọng với nhiều ứng dụng trong công nghiệp. ZnSO₄ chủ yếu được sử dụng trong nông nghiệp, đặc biệt là trong sản xuất thuốc trừ sâu, giúp bảo vệ cây trồng khỏi các bệnh nấm, vi khuẩn và côn trùng. Ngoài ra, ZnSO₄ còn được sử dụng trong xử lý nước, giúp loại bỏ các tạp chất và kim loại nặng. Nó cũng đóng vai trò quan trọng trong sản xuất kẽm và các hợp chất kẽm, được ứng dụng rộng rãi trong ngành sản xuất pin, mạ kẽm, và trong các hợp kim kẽm.
FeSO₄ (Sắt(II) Sulfat)
FeSO₄ là muối của sắt trong môi trường axit sulfuric, có màu xanh nhạt hoặc xanh dương khi hòa tan trong nước. Đây là một hợp chất quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghiệp. FeSO₄ chủ yếu được sử dụng trong sản xuất thuốc nhuộm, đặc biệt trong ngành dệt may để tạo ra màu sắc cho vải và các sản phẩm dệt. Ngoài ra, FeSO₄ còn đóng vai trò quan trọng trong xử lý nước, giúp loại bỏ các tạp chất và kim loại nặng, cải thiện chất lượng nước. FeSO₄ cũng được ứng dụng trong ngành chế tạo pin, đặc biệt là trong sản xuất các thành phần giúp tối ưu hóa hiệu suất của pin trong các thiết bị điện tử và công nghiệp..
Bài tập vận dụng
Bài tập 1: Phản ứng và nhận biết
Phản ứng hoá học giữa sắt và kẽm(II) sunfat tạo ra sắt(II) sunfat và kẽm có diễn ra được trong điều kiện bình thường không? Nếu không, cần điểu kiện gì để phản ứng diễn ra
Đáp án: Phản ứng này không xảy ra một cách tự nhiên trong điều kiện bình thường. Lý do là Fe (sắt) không đủ khả năng để thay thế Zn (kẽm) trong muối ZnSO₄. Zn là một kim loại có tính khử mạnh hơn Fe, nghĩa là kẽm có khả năng dễ dàng khử các ion sắt(III) (Fe³⁺) hơn là sắt có thể khử các ion kẽm(II) (Zn²⁺). Do đó, sắt không thể thay thế kẽm trong ZnSO₄ để tạo ra FeSO₄.
Vậy nếu phản ứng này diễn ra trong môi trường không có sự hỗ trợ từ dòng điện, nó sẽ không tự xảy ra.
Tuy nhiên, trong môi trường điện phân, phản ứng sẽ có thể xảy ra, vì dòng điện cung cấp năng lượng cho quá trình oxi hóa và khử các ion trong dung dịch.
Phản ứng trong môi trường điện phân:
Khi phản ứng ZnSO₄ + Fe → Zn + FeSO₄ xảy ra trong môi trường điện phân, dòng điện sẽ thúc đẩy các ion Zn²⁺ từ ZnSO₄ di chuyển về phía cực âm và bị khử thành Zn (kẽm). Đồng thời, Fe (sắt) ở cực âm sẽ bị oxi hóa thành Fe²⁺ và tạo thành FeSO₄ trong dung dịch.
Quy trình phản ứng trong điện phân:
Cực âm (catot):
- Zn²⁺ (ion kẽm) sẽ di chuyển đến cực âm và bị khử thành Zn (kẽm).
Zn²⁺ + 2e− →Zn (kim loại)
Cực dương (anot):
- Fe sẽ bị oxi hóa thành Fe²⁺, và ion Fe²⁺ sẽ kết hợp với SO₄²⁻ trong dung dịch để tạo thành FeSO₄.
Fe → Fe²⁺ + 2e−
Phản ứng tổng quát trong môi trường điện phân sẽ như sau:
ZnSO₄ + Fe → Zn + FeSO₄ (điện phân)
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: Dung dịch ZnSO₄ ban đầu không màu. Sau khi phản ứng, dung dịch sẽ chuyển sang màu xanh nhạt hoặc trong suốt, biểu thị sự hình thành FeSO₄. Sau khi phản ứng hoàn tất, Zn (kẽm) sẽ được giải phóng dưới dạng một lớp kim loại màu trắng xanh lắng xuống đáy bình.
Bài tập 2. Tính toán theo phương trình phản ứng
Phương trình phản ứng: Fe + ZnSO₄ → FeSO₄ + Zn diễn ra trong môi trường điện phân. Từ phương trình hoá học này hãy tính:
a) Tính khối lượng sắt cần sử dụng để phản ứng hoàn toàn với 16,1g ZnSO₄.
b) Tính thể tích dung dịch kẽm(II) sunfat cần dùng để phản ứng hoàn toàn với 11,2 gam sắt. Biết dung dịch kẽm(II) sunfat có nồng độ mol là 5
c) Nếu muốn thu được 15,2 gam FeSO₄, tính khối lượng sắt phải sử dụng trong phản ứng.
Đáp án: a) 5,6g; b) 0,04 l; c) 5,6 g
Phương trình phản ứng giữa sắt và kẽm(II) sunfat tạo thành sắt(II) sunfat và kẽm là:
Fe + ZnSO₄ → FeSO₄ + Zn
a)
Số mol H₂SO₄: n = 16,1/161 = 0,1 mol
Theo phương trình, 1 mol Fe phản ứng với 1 mol CuSO₄ nên để phản ứng hết với CuSO₄ thì số mol Fe cần dùng:
nFe = nCuSO₄ = 0,1 mol
Vậy khối lượng sắt cần sử dụng để phản ứng hoàn toàn với 9,8g axit sulfuric
mFe = nFe * 56 = 0,1*56 = 5,6g
b)
Số mol Fe: nFe = 11,2/56 = 0,2 mol
Số mol H₂SO₄ cần dùng:
nCuSO₄ = nFe = 0,2 mol
Thể tích dung dịch đồng (II) sunfat cần dùng để phản ứng hoàn toàn với 11,2 gam sắt là:
VCuSO₄ = nCuSO₄/CMCuSO₄ = 0,2/5 = 0,04(l)
c)
Số mol FeSO₄: nFeSO₄ = mFeSO₄/MFeSO₄ = 15,2/152 = 0,1 mol
Số mol Fe cần dùng để tạo thành 40g Fe₂(SO₄)₃:
nFe = nFeSO₄ = 0,1 mol
Vậy khối lượng sắt cần dùng là:
mFe = nFe * 56 = 0,1*56 = 5,6g
