Phản ứng giữa Sắt(II) Clorua (FeCl₂) và Bạc Nitrat (AgNO₃) là một phản ứng trao đổi, trong đó Cl⁻ từ FeCl₂ kết hợp với Ag⁺ từ AgNO₃, tạo kết tủa Bạc Clorua (AgCl↓) và Sắt(II) Nitrat (Fe(NO₃)₂).
Phương Trình Hóa Học
Phương trình chưa cân bằng:
\[FeC{l_2} + AgN{O_3} \to AgCl \downarrow + Fe{(N{O_3})_2}\]
Phương trình đã cân bằng:
\[FeC{l_2} + 2AgN{O_3} \to 2AgCl \downarrow + Fe{(N{O_3})_2}\]
Điều Kiện Phản Ứng
Phản ứng không có điều kiện đặc biệt.
Nhiệt độ: Phản ứng xảy ra ở nhiệt độ phòng.
Nguyên Lý Phản Ứng
Loại phản ứng: Trao đổi, tạo kết tủa.
Cơ chế:
Cl⁻ từ FeCl₂ kết hợp với Ag⁺ từ AgNO₃, tạo kết tủa AgCl.
Fe²⁺ từ FeCl₂ kết hợp với NO₃⁻ từ AgNO₃, tạo Fe(NO₃)₂ hòa tan.
Phương trình ion đầy đủ:
Fe²⁺ + 2Cl⁻ + 2Ag⁺ + 2NO₃⁻ → 2AgCl↓ + Fe²⁺ + 2NO₃⁻.
Phương trình ion rút gọn:
Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓.
Lưu ý: AgCl là kết tủa trắng, không tan trong nước, tan trong NH₃ loãng; Fe(NO₃)₂ hòa tan, giữ Fe²⁺.
Cách Thực Hiện Phản Ứng
Chuẩn bị:
Dung dịch FeCl₂ (0,1-0,5M), từ FeCl₂·4H₂O hòa tan.
Dung dịch AgNO₃ (0,1-0,5M).
Dụng cụ: Ống nghiệm, pipet, đũa thủy tinh.
Thiết bị: Kính bảo hộ, găng tay.
Trình tự tiến hành:
- Cho 5 mL dung dịch FeCl₂ (0,1M) vào ống nghiệm.
- Nhỏ từ từ 5 mL dung dịch AgNO₃ (0,1M), khuấy đều.
- Quan sát hiện tượng: Kết tủa trắng (AgCl) xuất hiện ngay, lắng xuống đáy ống.
- Để yên, quan sát kết tủa; lọc nếu cần để tách AgCl.
- Kiểm tra Fe²⁺ và Cl⁻ trong dung dịch hoặc kết tủa bằng thuốc thử.
Lưu ý:
FeCl₂ tươi để tránh oxi hóa thành Fe³⁺ (Fe³⁺ không tạo kết tủa đặc trưng với AgNO₃).
AgNO₃ nhạy sáng, bảo quản trong chai tối màu.
Tránh dùng AgNO₃ dư quá nhiều để không làm phức tạp phản ứng.
AgCl cần lọc cẩn thận nếu muốn phân tích tiếp.
Nhận Biết Phản Ứng
Hiện tượng quan sát được:
- Kết tủa trắng (AgCl) hình thành, lắng xuống.
- Dung dịch không đổi màu rõ rệt, vẫn xanh nhạt (Fe²⁺).
- Không có khí thoát ra.
Kiểm chứng sản phẩm:
AgCl: Kết tủa trắng, không tan trong nước, tan trong NH₃ loãng (tạo [Ag(NH₃)₂]⁺).
Thêm HNO₃ vào dung dịch NH₃: Kết tủa trắng tái xuất hiện.
Fe(NO₃)₂ (Fe²⁺): Lấy dung dịch sau lọc,Thêm NaOH tạo thành kết tủa trắng xanh (Fe(OH)₂).
Kiến Thức Mở Rộng về AgCl/Ag⁺
Ion Ag⁺ – Cấu trúc và tính chất phản ứng
Cấu trúc electron và đặc điểm hóa trị
- Cấu hình nguyên tử của bạc:
\[Ag: [Kr], 4d^{10}5s^1\]
- Khi mất 1 electron tạo ion Ag⁺:
\[Ag^+: [Kr]\, 4d^{10}\]
Điều này khiến Ag⁺ có hai đặc tính sau:
- Lớp d đã đầy (4d¹⁰): không có electron d tự do tham gia phản ứng oxi hóa – khử dễ dàng như các ion kim loại chuyển tiếp khác (như Fe³⁺: d⁵, Cu²⁺: d⁹).
- Không có spin tự do, khiến cho Ag⁺ không có từ tính.
Tính chất đặc biệt của Ag⁺
a. Khả năng tạo phức mạnh với ligand mềm (theo HSAB)
- Theo nguyên lý HSAB (Hard Soft Acid Base):
- Ag⁺ là ion mềm (soft acid) do có bán kính nhỏ, d-electron đầy, dễ bị phân cực.
- Ưu tiên tạo liên kết với ligand mềm (soft base) như: NH₃, CN⁻, S²⁻, halogen (đặc biệt là I⁻).
\[Ag^+ + 2NH_3 \to [Ag(NH_3)_2]^+\]
Đây là lý do tại sao dung dịch AgNO₃ kết tủa với Cl⁻ nhưng tan lại trong NH₃: do tạo phức hòa tan [Ag(NH₃)₂]⁺.
b. Khả năng tạo liên kết cộng hóa trị dative tương đối bền
- Dù là ion đơn giản, nhưng Ag⁺ không chỉ tạo liên kết ion, mà thường tạo liên kết dative (cho – nhận) với các phân tử có cặp e tự do → giúp ổn định các phức chất của nó.
c. Dễ bị khử tạo kim loại Ag
- Ag⁺ dễ bị khử về Ag⁰:
\[Ag^+ + e^- \to Ag (E^\circ = +0.80V)\]
Điều kiện để xảy ra các phản ứng:
- Phản ứng tráng bạc (với aldehyde).
- Bị khử bởi nhiều chất khử trung bình như Fe²⁺, Sn²⁺, v.v.
AgCl – Muối bạc có nhiều đặc điểm đặc biệt
Tính chất vật lý – Hấp thụ ánh sáng và màu sắc
- Màu trắng, kết tủa rất mịn, nhưng nhạy sáng:
- Dưới ánh sáng (đặc biệt tia UV), AgCl bị phân hủy quang học:
\[2AgCl \xrightarrow{hv} 2Ag + Cl_2\]
- Do sự phân tách electron từ Cl⁻ sang Ag⁺ qua ánh sáng → tạo Ag kim loại đen, làm kết tủa đổi màu → xám.
- Tính chất này từng được dùng trong công nghệ ảnh chụp truyền thống (phim ảnh bạc halogenua).
Tính tan thấp – nhưng rất dễ tạo phức
- AgCl có hằng số tan rất nhỏ:
\[K_{sp}(AgCl) \approx 1.8 \times 10^{-10}\]
Kết tủa được tạo ra nhanh chóng khi cho Ag⁺ gặp Cl⁻, ngay cả với nồng độ nhỏ.
- Nhưng tan trở lại khi: Có ligand tạo phức mạnh: NH₃, S₂O₃²⁻, Cl⁻ dư (vì tạo phức [AgCl₂]⁻)
Phản ứng với NH₃: tan nhờ tạo phức [Ag(NH₃)₂]⁺
\[AgCl_{(s)} + 2NH_3 \to [Ag(NH_3)_2]^+ + Cl^-\]
Phản ứng này hoàn toàn thuận chiều vì phức [Ag(NH₃)₂]⁺ rất bền.
Phản ứng với thiosunfat – ứng dụng trong rửa ảnh
\[AgCl + 2S_2O_3^{2-} \to [Ag(S_2O_3)_2]^{3-} + Cl^-\]
Phương trình này là cơ sở cho cơ chế rửa ảnh trong phim bạc halogen trước đây (loại bỏ phần AgCl chưa bị phân hủy ánh sáng).
Ảnh hưởng của ánh sáng và động học phản ứng
- Phản ứng phân hủy quang học AgCl là một quá trình photoelectron chuyển vị, thường bắt đầu từ kích thích electron trong ion Cl⁻ và chuyển lên Ag⁺, dẫn đến tạo:
\[2Cl^- \to Cl_2 + 2e\]
\[Ag^+ + e \to Ag\]
Một trong số ít hệ vô cơ nhạy sáng trong điều kiện thường. Thường được dùng làm sensor ánh sáng và điều chế lớp phủ bạc nano.
Nhiệt phân muối Nitrat (NO₃⁻) – Trường hợp Fe(NO₃)₂
Khi nung nóng các muối nitrat, sản phẩm thu được không giống nhau, mà thay đổi theo bản chất của kim loại tạo muối. Cụ thể:
- Muối nitrat của kim loại kiềm (như Na, K, Li):
\[2NaN{O_3} \mathop \to \limits^{\Delta} 2NaN{O_2} + O_2 \uparrow\]
→ Tạo muối nitrit tương ứng và khí oxi.
- Muối nitrat của kim loại kiềm thổ (như Ca, Mg, Ba), và một số kim loại chuyển tiếp hóa trị thấp (từ Mg²⁺ đến Fe³⁺ trong bảng điện hóa kim loại):
\[2Ca{(N{O_3})_2} \mathop \to \limits^{\Delta} 2CaO + 4N{O_2} \uparrow + O_2 \uparrow\]
\[2Fe{(N{O_3})_3} \mathop \to \limits^{\Delta} {Fe_2}{O_3} + 6N{O_2} \uparrow + 3/2O_2 \uparrow\]
\[4Fe{(N{O_3})_2} \mathop \to \limits^{\Delta} {2Fe_2}{O_3} + 8N{O_2} \uparrow + O_2 \uparrow\]
→ Tạo oxit kim loại, khí NO₂ và O₂.
- Muối nitrat của các kim loại dễ bị khử (như Ag⁺, Hg²⁺):
\[2AgN{O_3} \mathop \to \limits^{\Delta} 2Ag + 2N{O_2} \uparrow + O_2 \uparrow\]
→ Tạo oxit kim loại bền (hoặc kim loại nếu ion bị khử được), cùng với khí NO₂ và O₂.
Nguyên nhân dẫn đến sự khác biệt về sản phẩm nhiệt phân
Sự khác biệt trong sản phẩm nhiệt phân bắt nguồn từ đặc điểm điện tử và khả năng oxi hóa–khử của ion kim loại. Có ba yếu tố chính:
Độ bền nhiệt của gốc NO₃⁻ phụ thuộc vào mức độ phân cực
- Gốc NO₃⁻ có cấu trúc cộng hưởng và khá bền về mặt điện tử.
- Tuy nhiên, khi gắn với cation kim loại, trường điện tích của cation sẽ phân cực đám mây electron của NO₃⁻, làm yếu liên kết N–O và thúc đẩy phân hủy.
- Cation có bán kính nhỏ – điện tích lớn (như Fe³⁺, Al³⁺) gây phân cực mạnh hơn cation có điện tích thấp (như Na⁺, K⁺), khiến NO₃⁻ dễ bị phân hủy sâu hơn.
Tính khử của cation kim loại
- Nếu cation kim loại dễ bị khử (như Ag⁺ → Ag⁰), khi nhiệt phân nó sẽ bị khử luôn, sản phẩm rắn là kim loại.
- Nếu cation có mức oxi hóa cao nhưng ổn định (như Fe³⁺, Cu²⁺), sản phẩm thường là oxit tương ứng (Fe₂O₃, CuO).
Độ bền của oxit tạo thành
- Trong nhiều trường hợp, sự hình thành oxit bền về mặt nhiệt động thúc đẩy phản ứng xảy ra hoàn toàn.
- Oxit kim loại như Fe₂O₃ hay CaO có enthalpy hình thành âm lớn → là sản phẩm bền và được ưu tiên hình thành khi có đủ điều kiện nhiệt độ.
Cơ chế nhiệt phân của muối sắt(II) nitrat – vai trò của Fe²⁺
Fe(NO₃)₂ là muối của kim loại chuyển tiếp ở hóa trị thấp (Fe²⁺), nhưng sản phẩm nhiệt phân lại là oxit sắt(III) Fe₂O₃, phản ánh một quá trình oxi hóa nội tại trong chính phản ứng phân hủy. Cơ chế này liên quan chặt chẽ đến đặc điểm phân cực của ion Fe²⁺ và khả năng tự sinh chất oxi hóa của nhóm nitrat trong điều kiện nhiệt.
Cấu trúc và liên kết trong ion NO₃⁻
Giống như các muối nitrat khác, ion NO₃⁻ có cấu trúc cộng hưởng, với 3 liên kết N–O tương đương về độ dài và năng lượng, do có sự delocalization (phân tán) của liên kết π qua 3 nguyên tử oxy.
Đây là một hệ cộng hưởng ổn định, khó bị phá vỡ ở điều kiện thường. Tuy nhiên, trong môi trường có mặt ion kim loại chuyển tiếp như Fe²⁺ và nhiệt độ cao, hệ liên kết π này trở nên dễ bị phân cực và phân hủy.
Fe²⁺ là cation phân cực yếu hơn Fe³⁺, nhưng vẫn đủ mạnh để phá vỡ cấu trúc NO₃⁻
So với Fe³⁺, ion Fe²⁺ có điện tích thấp hơn và bán kính lớn hơn (~76 pm), dẫn đến khả năng phân cực yếu hơn. Tuy nhiên:
- Fe²⁺ vẫn có khả năng hút cặp electron không liên kết từ oxy trong NO₃⁻, tạo ra liên kết phối trí tạm thời.
- Quá trình này làm suy yếu cộng hưởng π của NO₃⁻, khiến một trong các liên kết N–O trở nên yếu hơn, dễ bị phá vỡ dưới tác dụng nhiệt.
Phân hủy của NO₃⁻ sinh ra chất oxi hóa mạnh tại chỗ
Dưới tác dụng nhiệt, nhóm NO₃⁻ phân hủy:
\[2NO_3^- \mathop \to \limits^{\Delta} 2NO_2 \uparrow + O_2 \uparrow\]
- NO₂ và O₂ là các chất oxi hóa mạnh, sinh ra trực tiếp tại vị trí phân hủy, không cần thêm tác nhân bên ngoài.
- Đây là yếu tố cốt lõi trong cơ chế oxi hóa nội tại (in situ oxidation): chính muối tự sinh ra tác nhân oxi hóa.
Fe²⁺ bị oxi hóa thành Fe³⁺ ngay trong quá trình nhiệt phân
Các chất oxi hóa sinh ra từ sự phân hủy NO₃⁻ sẽ tác động ngay lập tức lên Fe²⁺:
\[4Fe^{2 + } + O_2 \to 4Fe^{3 + } + 2O^{2 – }\]
Mặc dù ban đầu chỉ có Fe²⁺, nhưng kết quả cuối cùng là toàn bộ sắt chuyển thành Fe³⁺, nhờ các tác nhân oxi hóa sinh tại chỗ.
Hình thành oxit sắt(III) Fe₂O₃ – sản phẩm nhiệt động học bền vững
Fe³⁺ sau đó kết hợp với oxy để tạo oxit sắt(III):
\[2Fe^{3+} + 3O^{2-} \to Fe_2O_3\]
- Fe₂O₃ có cấu hình điện tử bền (Fe³⁺: 3d⁵ bán bền), ổn định trong môi trường oxi hóa.
- Đây là oxit có mức năng lượng tự do Gibbs thấp hơn nhiều so với FeO trong điều kiện giàu oxy → phản ứng thuận lợi về mặt nhiệt động.
Tổng thể phản ứng
\[4Fe(NO_3)_2 \mathop \to \limits^{\Delta} 2Fe_2O_3 + 8NO_2 \uparrow + O_2 \uparrow\]
Lý do không tạo FeO mà tạo Fe₂O₃
- FeO không bền trong điều kiện có O₂ và nhiệt độ cao.
- Nếu có FeO hình thành tạm thời, nó sẽ bị oxi hóa tiếp:
\[4FeO + O_2 \to 2Fe_2O_3\]
Fe²⁺ không thể tồn tại lâu dài trong môi trường sinh NO₂, O₂ → luôn bị oxi hóa thành Fe³⁺.
Bài Tập Vận Dụng
Đề bài: Cho 12,7 g FeCl₂ phản ứng hoàn toàn với AgNO₃: FeCl₂ + 2AgNO₃ → 2AgCl↓ + Fe(NO₃)₂. Tính:
a) Khối lượng AgCl thu được (g).
b) Thể tích dung dịch AgNO₃ 0,2M cần dùng (mL).
Giải:
\[M_{FeCl_2} = 56 + 2 \times 35,5 = 127 gram/mol\]
\[M_{AgCl} = 108 + 35,5 = 143,5 gram/mol\]
a) Khối lượng AgCl:
Số mol của FeCl₂:
\[n_{FeCl_2} = \frac{12,7}{127} = 0,1 mol\]
Tỉ lệ FeCl₂:AgCl = 1:2, nên:
\[n_{AgCl} = 0,1 \times 2 = 0,2 mol\]
khối lượng AgCl thu được:
\[m_{AgCl} = 0,2 \times 143,5 = 28,7 gram\]
Đáp số: 28,7 g.
b) Thể tích AgNO₃ 0,2M:
Tỉ lệ FeCl₂:AgNO₃ = 1:2, nên:
\[n_{AgNO_3} = 0,1 \times 2 = 0,2 mol\]
Thể tích AgNO₃ cần dùng:
\[V_{AgNO_3} = n/C =\frac{0,2}{0,2} = 1,0 L = 1000 mL\]
Đáp số: 1000 mL.
