Phản ứng giữa Sắt(II) Clorua (FeCl₂) và Hydro Sunfua (H₂S) là một phản ứng trao đổi, trong đó Fe²⁺ từ FeCl₂ kết hợp với S²⁻ từ H₂S, tạo kết tủa Sắt(II) Sunfua (FeS↓) và Axit Clohydric (HCl).
Phương Trình Hóa Học
Phương trình chưa cân bằng:
\[FeC{l_2} + {H_2}S \to FeS \downarrow + HCl\]
Phương trình đã cân bằng:
\[FeC{l_2} + {H_2}S \to FeS \downarrow + 2HCl\]
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
Phản ứng trao đổi (còn được gọi là phản ứng kép) là loại phản ứng hóa học trong đó hai hợp chất trao đổi các thành phần cấu tạo của chúng với nhau, tạo ra các hợp chất mới. Đặc điểm của phản ứng trao đổi là không thay đổi số oxi hóa của các nguyên tử trong quá trình trao đổi.
Điều kiện để phản ứng trao đổi xảy ra:
- Phản ứng trong dung dịch:
Phản ứng trao đổi ion chỉ xảy ra khi các ion kết hợp với nhau tạo thành ít nhất một trong các chất sau: chất kết tủa, chất điện li yếu, hoặc chất khí.
- Phản ứng giữa các chất điện ly:
Phản ứng trao đổi ion xảy ra giữa các chất điện ly trong dung dịch.
Cơ chế phản ứng
Fe²⁺ từ FeCl₂ kết hợp với S²⁻ từ H₂S, tạo kết tủa FeS.
H⁺ từ H₂S kết hợp với Cl⁻ từ FeCl₂, tạo HCl.
Phương trình ion đầy đủ:
Fe²⁺ + 2Cl⁻ + H₂S → FeS↓ + 2H⁺ + 2Cl⁻.
Phương trình ion rút gọn:
Fe²⁺ + S²⁻ → FeS↓.
Lưu ý: FeS là kết tủa đen, không tan trong nước, tan trong axit mạnh; H₂S phân ly yếu (H₂S ⇌ H⁺ + HS⁻ ⇌ 2H⁺ + S²⁻), cần môi trường không quá axit để cung cấp đủ S²⁻.
Cách Thực Hiện Phản Ứng
Chuẩn bị:
- Dung dịch FeCl₂ (0,1-0,5M), từ FeCl₂·4H₂O hòa tan.
- H₂S: Khí từ thiết bị sinh khí (Na₂S + HCl) hoặc dung dịch H₂S bão hòa.
- Dụng cụ: Ống nghiệm, bình phản ứng, ống dẫn khí, đũa thủy tinh.
- Thiết bị: Tủ hút, kính bảo hộ, găng tay.
Trình tự tiến hành:
- Cho 5 mL dung dịch FeCl₂ (0,1M) vào ống nghiệm.
- Dẫn khí H₂S từ từ qua dung dịch FeCl₂ trong tủ hút, hoặc nhỏ dung dịch H₂S bão hòa.
- Quan sát hiện tượng: Kết tủa đen (FeS) xuất hiện ngay, lắng xuống đáy ống.
- Tiếp tục dẫn H₂S đến khi không còn kết tủa mới tạo ra.
- Lọc kết tủa nếu cần; kiểm tra Fe²⁺ và S²⁻ trong kết tủa bằng thuốc thử.
Lưu ý:
- H₂S độc, mùi khó chịu, cần tủ hút và ống dẫn khí xử lý H₂S dư (dẫn qua NaOH).
- FeCl₂ tươi để tránh oxi hóa thành Fe³⁺ (Fe³⁺ không tạo FeS với H₂S).
- Môi trường không quá axit (pH 4-7) để H₂S phân ly thành S²⁻.
- HCl là sản phẩm phụ, có thể làm dung dịch hơi chua, cần trung hòa nếu phân tích tiếp.
Nhận Biết Phản Ứng
Hiện tượng quan sát được:
- Kết tủa đen (FeS) hình thành, lắng xuống.
- Mùi trứng thối (H₂S) nếu không dùng tủ hút.
- Không có khí thoát ra khác.
Kiểm chứng sản phẩm:
FeS: Kết tủa đen, không tan trong nước.
Hòa tan trong HCl loãng: Tạo H₂S (mùi trứng thối) và FeCl₂.
HCl: Lấy dung dịch sau lọc, thêm AgNO₃ tạo kết tủa trắng AgCl.
Thử pH: Dung dịch chua nhẹ (pH < 7).
Các tính chất đặc biệt của H₂S và FeS
Khí H₂S – hydro sunfua: Một chất vừa yếu, vừa dễ thay đổi
Hydro sunfua là một khí không màu nhưng có mùi đặc trưng rất dễ nhận ra – mùi trứng thối. H₂S có một số đặc điểm rất đáng chú ý cả về mặt hóa học lẫn trong ứng dụng thực tế như:
Phân ly yếu trong nước: Trong nước H₂S chỉ phân ly một phần thành các ion H⁺ và HS⁻, rồi tiếp tục phân ly yếu hơn nữa thành S²⁻. Điều đó cho thấy nó là một axit yếu, nghĩa là trong dung dịch H₂S, đa phần vẫn tồn tại ở dạng phân tử chứ không phải dạng ion.
\[H_2S \rightleftharpoons H^+ + HS^- \rightleftharpoons 2H^+ + S^{2-}\]
Tuy nhiên, phần nhỏ ion S²⁻ được sinh ra lại rất có ý nghĩa, vì đây là thành phần phản ứng mạnh mẽ với nhiều ion kim loại (Cu²⁺, Pb²⁺, Fe²⁺,…) tạo thành các muối sunfua không tan – ví dụ như với ion đồng, chì hoặc sắt (II), tạo kết tủa màu sắc rõ rệt.
Chính nhờ đặc điểm này, H₂S được dùng trong hóa học phân tích để nhận biết sự có mặt của các kim loại nhất định trong dung dịch.
Khả năng phản ứng oxi hóa – khử:
\[H_2S + 4Cl_2 + 4H_2O \to H_2SO_4 + 8HCl\]
Không chỉ vậy, H₂S còn có khả năng phản ứng với các chất có tính oxi hóa mạnh như khí oxy, clo hoặc các ion chứa oxy. Nguyên nhân là vì lưu huỳnh trong phân tử H₂S đang ở trạng thái rất “khử” – nó có xu hướng nhường electron để chuyển thành dạng trung hòa như lưu huỳnh đơn chất (S⁰) hoặc các dạng đã bị oxi hóa hơn như SO₂ hoặc SO₄²⁻. Nhờ đặc tính này, H₂S trở thành một chất khử mạnh, rất dễ phản ứng trong môi trường có chất nhận electron.
H₂S là một khí độc: Nó có thể gây ức chế hô hấp tế bào ở người và động vật nếu nồng độ đủ cao, nên khi sử dụng trong phòng thí nghiệm hoặc trong công nghiệp, người ta cần đặc biệt cẩn trọng.
Muối sắt (II) sunfua (FeS)
Sắt (II) sunfua là một chất rắn có màu đen, không tan trong nước. Đây chính là sản phẩm kết tủa điển hình trong phản ứng giữa H₂S và muối sắt (II). Vì không tan nên FeS dễ dàng bị tách ra khỏi dung dịch – một đặc điểm rất hữu ích nếu cần thu hồi sản phẩm hoặc làm sạch dung môi.
\[FeS + 2H^+ \to Fe^{2+} + H_2S \uparrow\]
Mặc dù ổn định trong nước, FeS lại dễ bị phân hủy khi tiếp xúc với axit mạnh. Khi đó, ion H⁺ từ axit phản ứng với FeS, giải phóng khí H₂S trở lại.
Về khả năng phản ứng, FeS tuy không mạnh như các chất khử khác, nhưng ở nhiệt độ cao, nó có thể đóng vai trò là chất nhường electron – tức là một chất khử – để phản ứng với các chất khác như oxi hoặc ion kim loại có tính oxi hóa yếu.
\[S^{2 -} \to S^0/S^{4+}/S^{6+} + 2e/6e/8e\]
Tuy không phổ biến trong điều kiện thường, nhưng tính chất này lại có giá trị khi xét đến các phản ứng ở trạng thái rắn hoặc trong công nghiệp luyện kim.
Vì sao phản ứng trao đổi ion phải có điều kiện đặc biệt mới xảy ra?
Trong dung dịch, các chất tan phân ly thành ion và luôn ở trạng thái trao đổi lẫn nhau (ion di chuyển tự do). Nhưng không phải lúc nào hai ion gặp nhau cũng tạo thành sản phẩm.
Phản ứng chỉ xảy ra khi có động lực kéo ion kết hợp với nhau bền vững hơn so với khi chúng tồn tại riêng rẽ trong dung dịch. Động lực đó đến từ việc tạo ra một trong ba loại chất sau:
1. Chất kết tủa: Là chất rắn không tan, khi hình thành sẽ rời khỏi dung dịch. Điều này làm giảm số ion tự do, khiến cân bằng phản ứng bị đẩy mạnh về phía tạo sản phẩm (theo nguyên lý Le Chatelier).
Ví dụ: FeS là chất kết tủa màu đen, không tan.
2. Chất bay hơi (chất khí thoát ra): Khi sản phẩm bay khỏi dung dịch dưới dạng khí, nó cũng làm mất đi một thành phần trong dung dịch, kéo phản ứng về phía tạo sản phẩm.
Ví dụ: phản ứng tạo CO2, H2S, NH3,…
3. Chất điện ly yếu
Là chất khi sinh ra thì không phân ly thành ion, làm giảm tổng số ion trong dung dịch → thúc đẩy phản ứng xảy ra.
Ví dụ: H2O, CH3COOH,…
Tóm lại: Phản ứng trao đổi xảy ra được hay không phụ thuộc vào việc có loại bỏ được ion ra khỏi dung dịch hay không (dưới dạng chất rắn, khí, hay phân tử không phân ly). Nếu không, ion sau phản ứng vẫn “tự do”, và phản ứng trở thành phản ứng cân bằng, không đi theo chiều nhất định.
Áp dụng vào phản ứng: FeCl₂ + H₂S → FeS + HCl
Trong dung dịch, các chất phân ly thành ion:
\[FeCl_2 \to Fe^{2+} + 2Cl^-\]
\[H_2S \to H^+ + HS^- \rightleftharpoons 2H^+ + S^{2-}\] (phân ly yếu)
Trong môi trường nước, có mặt của Fe²⁺, Cl⁻, H⁺, HS⁻, và một lượng nhỏ S²⁻
Hai ion Fe²⁺ và S²⁻ gặp nhau sẽ tạo ra FeS (rắn):
\[Fe^{2+} + S^{2-} \rightarrow FeS \downarrow\]
FeS là chất kết tủa: không tan trong nước, màu đen
Chất rắn này tách khỏi dung dịch làm mất ion trong hệ dung dịch từ đó giúp cho phản ứng được xảy ra theo chiều thuận.
Sự có mặt của HCl không làm phản ứng bị cản trở?
HCl là chất điện ly mạnh, sinh ra H⁺ làm tăng tính axit. Môi trường axit làm giảm lượng S²⁻ (vì H₂S bị đẩy về dạng chưa phân ly). Nhưng vì FeS có độ tan rất thấp (Ksp rất nhỏ), nên vẫn đủ S²⁻ để tạo kết tủa → phản ứng vẫn xảy ra.
FeCl₂ + H₂S → FeS↓ + 2HCl có phản ứng hai chiều?
Xét bản chất phản ứng
Phản ứng giữa sắt(II) clorua (FeCl₂) và khí hiđro sunfua (H₂S) trong dung dịch:
\[{FeCl}_2 + {H}_2{S} \to {FeS} \downarrow + 2{HCl}\]
Đây là phản ứng giữa hai chất tan trong nước tạo ra một chất kết tủa (FeS) không tan. Kết tủa này nhanh chóng tách ra khỏi dung dịch. Sự tạo thành kết tủa khiến phản ứng không thể đảo ngược dễ dàng.
Vì sao phản ứng chỉ xảy ra theo một chiều?
Có 3 lý do chính:
a. Sự tạo kết tủa không tan
FeS là một chất rắn màu đen, không tan trong nước. Khi Fe²⁺ và S²⁻ gặp nhau, chúng tạo thành kết tủa FeS và nhanh chóng rời khỏi pha lỏng. Khi sản phẩm không còn tồn tại ở dạng ion trong dung dịch nữa, phản ứng không thể quay ngược.
b. H₂S là chất phân ly yếu
H₂S tan trong nước và phân ly rất yếu, chỉ tạo một lượng nhỏ ion S²⁻. Tuy nhiên, do Fe²⁺ có xu hướng kết hợp mạnh với S²⁻ để tạo FeS nên chỉ cần một lượng nhỏ cũng đủ kéo phản ứng xảy ra hoàn toàn. Chính vì phân ly yếu nên H₂S không dễ tái tạo lại từ ion S²⁻, khiến phản ứng ngược không thuận lợi.
c. HCl là axit mạnh, tồn tại hoàn toàn dưới dạng ion
HCl sinh ra từ phản ứng này là một axit mạnh và tồn tại chủ yếu ở dạng H⁺ và Cl⁻ trong dung dịch. Do đó, nó không tạo ra chất kết tủa, chất khí hay phân ly yếu → không có vai trò gì trong việc thúc đẩy phản ứng ngược.
Phản ứng ngược có xảy ra không?
Nếu xét phản ứng ngược:
\[{FeS} + 2{HCl} \to {FeCl}_2 + {H}_2{S} \uparrow\]
Phản ứng này chỉ xảy ra khi:
- Có nhiều HCl (môi trường axit mạnh)
- Khí H₂S được bay ra khỏi dung dịch ngay sau khi sinh ra
Điều đó có nghĩa là, để phản ứng ngược xảy ra, cần có tác động từ bên ngoài (bổ sung nhiều axit và điều kiện để khí thoát ra). Trong điều kiện bình thường, phản ứng này không tự xảy ra → phản ứng thuận là chủ đạo.
Vì sao phản ứng tạo kết tủa FeS lại được ưu tiên hơn phản ứng oxi hóa – khử?
Phản ứng giữa muối sắt (II) clorua và khí hiđrosunfua trong dung dịch thường tạo ra kết tủa đen của sắt (II) sunfua và giải phóng axit clohiđric:
\[FeCl_2 + H_2S \to FeS\downarrow + 2HCl\]
Phản ứng này xảy ra rất nhanh và gần như hoàn toàn vì nó tạo ra một chất rắn không tan – kết tủa FeS. Khi chất kết tủa được hình thành, các ion trong dung dịch bị loại ra khỏi pha lỏng, khiến cân bằng phản ứng tiếp tục dịch chuyển theo chiều thuận. Đây là nguyên lý chung trong hóa học, gọi là nguyên lý chuyển dịch cân bằng. Do đó, phản ứng này sẽ xảy ra một cách tự nhiên và được ưu tiên hơn các phản ứng khác nếu cùng tồn tại trong dung dịch.
Tuy nhiên, cả ion sắt (II) và ion sunfua đều là các chất có khả năng bị biến đổi về mức độ liên kết electron. Nói cách khác, chúng có khả năng tham gia vào phản ứng oxi hóa – khử. Trong phản ứng oxi hóa – khử, một chất sẽ nhường electron (bị oxi hóa), và một chất khác sẽ nhận electron (bị khử).
Ion sắt (II) có thể bị oxi hóa thành sắt (III), trong khi ion sunfua có thể bị oxi hóa thành lưu huỳnh đơn chất hoặc các hợp chất chứa oxy như SO₂. Nhưng trong điều kiện thường, phản ứng tạo kết tủa FeS lại diễn ra nhanh hơn nhiều, và không có điều kiện thuận lợi để phản ứng oxi hóa – khử này xảy ra một cách đáng kể. Điều đó có nghĩa là phản ứng kết tủa là con đường dễ dàng nhất mà hệ phản ứng chọn để đi theo.
Liệu có thể thay đổi điều kiện để phản ứng oxi hóa – khử giữa Fe²⁺ và S²⁻ xảy ra thay vì tạo kết tủa không?
Câu trả lời là có. Nếu ta muốn phản ứng oxi hóa – khử xảy ra giữa chính hai ion này, thì điều kiện tiên quyết là phải ngăn không cho chúng tạo kết tủa. Điều này có thể thực hiện bằng cách thêm vào dung dịch một số chất có khả năng giữ ion sắt (II) ở trạng thái hòa tan, không cho chúng kết hợp với ion sunfua.
Chẳng hạn, nếu ta thêm vào dung dịch một chất tạo phức – tức là một chất có thể bao quanh ion sắt và giữ chúng lại trong dung dịch – như EDTA hoặc axit citric, thì sắt (II) sẽ không còn ở dạng ion tự do để kết hợp với sunfua nữa. Khi đó, phản ứng tạo kết tủa FeS bị kìm hãm, và cả sắt (II) lẫn sunfua đều ở trạng thái tự do nhiều hơn để tham gia vào phản ứng oxi hóa – khử.
\[2Fe^{2 + } + (EDTA)^{4 – } \to {[Fe_2(EDTA)]}\]
Một cách khác để thúc đẩy phản ứng oxi hóa – khử là tăng nhiệt độ hoặc cung cấp khí oxy vào dung dịch.
\[2Fe^{2 + } + S^{2 − } + \frac{1}{2} O_2 + H_2O→2Fe^{3 + } + S^0 + 2OH^−\]
Hoặc:
\[2Fe^{2+} + 3S^{2-} + 4H^+ \to 2Fe + 3S + 2H_2\]
(phản ứng này ít phổ biến trong dung dịch nước do điều kiện khử Fe³⁺ mạnh)
Trong môi trường giàu oxy, ion sắt (II) dễ dàng bị oxi hóa thành sắt (III), còn sunfua có thể chuyển hóa thành lưu huỳnh hoặc các sản phẩm khác như SO₂. Cơ chế này tương tự như việc oxy trong không khí “hấp thụ” bớt electron mà ion sắt (II) nhường ra. Khi không còn khả năng tạo kết tủa, phản ứng oxi hóa – khử sẽ có cơ hội diễn ra rõ rệt hơn.
Phản ứng liên quan
\[FeC{l_2} + HN{O_{3(đặc)}}\mathop \to \limits^{{t^{\rm O}}} Fe{(N{O_3})_3} + HCl + N{O_2} \uparrow + {H_2}O\]
\[FeC{l_2} + HN{O_{3(loãng)}} \to Fe{(N{O_3})_3} + FeC{l_3} + NO \uparrow + {H_2}O\]
\[FeC{l_2} + C{l_2} \to FeC{l_3}\]
\[FeC{l_2} + NaOH \to NaCl + Fe{(OH)_2} \downarrow \]
\[FeC{l_2} + AgN{O_3} \to AgCl \downarrow + Fe{(N{O_3})_2}\]
\[FeC{l_2} + HCl + {O_2} \to {H_2}O + FeC{l_3}\]
\[FeC{l_2} + {H_2}O \to {H_2} \uparrow + HCl + F{e_3}{O_4}\]
Bài Tập Vận Dụng
Đề bài: Cho 12,7 g FeCl₂ phản ứng hoàn toàn với H₂S: FeCl₂ + H₂S → FeS↓ + 2HCl. Tính:
a) Khối lượng FeS thu được (g).
b) Thể tích khí H₂S cần dùng (đktc, lít).
Giải:
\[M_{FeCl_2} = 56 + 2 \times 35,5 = 127 gram/mol\]
\[M_{FeS} = 56 + 32 = 88 gram/mol\]
a) Khối lượng FeS:
Số mol của FeCl₂:
\[n_{FeCl_2} = \frac{12,7}{127} = 0,1 mol\]
Tỉ lệ FeCl₂:FeS = 1:1, nên:
\[n_{FeS} = 0,1 mol\]
Khối lượng FeS thu được:
\[m_{FeS} = 0,1 \times 88 = 8,8 gram\]
Đáp số: 8,8 g.
b) Thể tích H₂S:
Tỉ lệ FeCl₂:H₂S = 1:1, nên:
\[n_{H_2S} = 0,1 mol\]
Thể tích H₂S cần dùng:
\[V_{H_2S} = 0,1 \times 22,4 = 2,24 L\]
Đáp số: 2,24 L
