Phản ứng giữa Sắt(II) Clorua (FeCl₂), Axit Clohydric (HCl) và Oxi (O₂) là một phản ứng oxi hóa – khử, trong đó Fe²⁺ trong FeCl₂ bị oxi hóa thành Fe³⁺, tạo Sắt(III) Clorua (FeCl₃), còn O₂ bị khử thành H₂O. HCl cung cấp môi trường axit và ion Cl⁻.
Phương Trình Hóa Học
Phương trình chưa cân bằng:
\[FeC{l_2} + HC{l_{loãng}} + {O_2} \to FeC{l_3} + {H_2}O\]
Phương trình đã cân bằng:
\[4FeC{l_2} + 4HC{l_{loãng}} + {O_2} \to 4FeC{l_3} + 2{H_2}O\]
Điều Kiện Phản Ứng
Phản ứng không có điều kiện đặc biệt.
- Nhiệt độ: Phản ứng xảy ra ở nhiệt độ phòng.
- HCl: Dung dịch HCl loãng.
Nguyên Lý Phản Ứng
Loại phản ứng: Oxi hóa – khử.
Cơ chế:
- Fe²⁺ trong FeCl₂ bị oxi hóa thành Fe³⁺, tạo FeCl₃.
- O₂ bị khử từ O₀ thành O²⁻, tạo H₂O với H⁺ từ HCl.
- Cl⁻ từ FeCl₂ và HCl kết hợp với Fe³⁺, tạo FeCl₃.
Phương trình electron:
Quá trình oxi hóa: \[Fe^{2+} → Fe^{3+} + e\] (4Fe²⁺ mất 4e⁻).
Quá trình khử: \[O_2 + 4H^+ + 4e → 2H_2O\] (1O₂ nhận 4e⁻).
Tổng quát: \[4FeC{l_2} + 4HC{l_{loang}} + {O_2} \to 4FeC{l_3} + 2{H_2}O\]
Phương trình ion rút gọn:
\[4F{e^{2 + }} + {O_2} + 4{H^ + } \to 4F{e^{3 + }} + 2{H_2}O\]
Cách Thực Hiện Phản Ứng
Chuẩn bị:
- Dung dịch FeCl₂ (0,1-0,5M), từ FeCl₂·4H₂O hòa tan.
- Dung dịch HCl loãng (1-2M).
- O₂: Khí oxi từ bình khí hoặc không khí (dùng bơm khí).
Dụng cụ: Bình phản ứng, ống dẫn khí, đũa thủy tinh, đèn cồn (nếu gia nhiệt).
Thiết bị: Kính bảo hộ, găng tay, hệ thống thông khí.
Trình tự tiến hành:
- Cho 10 mL dung dịch FeCl₂ (0,1M) vào bình phản ứng.
- Thêm 5 mL dung dịch HCl (1M), khuấy đều.
- Dẫn khí O₂ từ từ qua dung dịch, đảm bảo lưu lượng ổn định.
- Quan sát hiện tượng: Dung dịch từ xanh nhạt (Fe²⁺) chuyển dần sang vàng/nâu (Fe³⁺).
- Nếu phản ứng chậm, gia nhiệt nhẹ (50-70°C) và tiếp tục dẫn O₂.
- Kiểm tra Fe³⁺ bằng thuốc thử sau khi dung dịch chuyển màu hoàn toàn.
Lưu ý:
- FeCl₂ tươi để tránh oxi hóa trước thành Fe³⁺.
- HCl loãng đủ để tạo môi trường axit; tránh đậm đặc vì không cần thiết.
- O₂ cần dẫn liên tục để duy trì phản ứng.
- FeCl₃ ăn mòn, tránh tiếp xúc da.
Nhận Biết Phản Ứng
Hiện tượng quan sát được:
- Dung dịch đổi màu từ xanh nhạt sang vàng/nâu.
- Không có kết tủa hoặc khí thoát ra.
- Màu vàng nâu ổn định khi phản ứng hoàn tất.
Kiểm chứng sản phẩm:
FeCl₃ (Fe³⁺): Thêm NaOH tạo kết tủa đỏ nâu (Fe(OH)₃).
Thêm AgNO₃: Kết tủa trắng AgCl, xác nhận Cl⁻.
Kiến Thức Mở Rộng về chất phản ứng và chất tham gia.
Đây là một phản ứng oxi hóa khử trong dung dịch axit, trong đó sắt(II) clorua (FeCl₂) bị oxi hóa thành sắt(III) clorua (FeCl₃) nhờ khí oxi (O₂) trong môi trường có mặt HCl. Để hiểu rõ cơ chế của phản ứng này, ta phân tích từng phần theo bản chất hạt và cơ chế phản ứng trung gian.
Nhận diện vai trò của các chất
Trong phản ứng này:
- FeCl₂ cung cấp ion Fe²⁺ – đây là chất bị oxi hóa, vì nó mất electron để trở thành Fe³⁺.
- O₂ là chất oxi hóa, vì nó nhận electron để chuyển thành nước.
- HCl không trực tiếp tham gia trao đổi electron, nhưng đóng vai trò quan trọng trong việc tạo môi trường axit và cung cấp H⁺ cho phản ứng.
Viết phương trình ion thu gọn
Tách riêng các ion trong dung dịch:
\[4Fe^{2+} + O_2 + 4H^+ \to 4Fe^{3+} + 2H_2O\]
Phương trình này cho thấy rõ quá trình khử – oxi hóa:
- Fe²⁺ → Fe³⁺ + e⁻ (oxi hóa)
- O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O (khử)
Cơ chế phản ứng theo từng giai đoạn
Giai đoạn 1: Phân bố electron và định hướng phản ứng
Oxi phân tử (O₂) trong nước thường tan với lượng nhỏ, nhưng có khả năng nhận electron để chuyển thành O²⁻ hoặc H₂O trong môi trường axit.
Tuy nhiên, phân tử O₂ ở trạng thái cơ bản là triplet state, tức là có hai electron độc thân ở orbital π*, nên phản ứng với các chất khử xảy ra theo từng cặp electron (2e⁻) là quá trình chậm và cần sự tiếp xúc gần giữa ion Fe²⁺ và O₂ trong dung dịch.
HCl tạo môi trường axit giúp O₂ bị khử dễ dàng hơn. Mặt khác, sự hiện diện của H⁺ là bắt buộc để trung hòa ion O²⁻ (tạo thành H₂O).
Giai đoạn 2: Tạo phức trung gian giữa Fe²⁺ và O₂
Một số nghiên cứu chỉ ra rằng trong phản ứng oxi hóa của Fe²⁺ bằng O₂, có thể tồn tại phức trung gian như:
\[{[Fe^{2+} \bullet O_2]} \xrightarrow{tái cấu trúc điện tử} {[Fe^{3+} \bullet O_2^{\bullet -}]}\]
Trong đó, O₂ nhận electron từ Fe²⁺, hình thành ion superoxit O2⋅−O_2^{\cdot-}O2⋅−, một chất trung gian rất hoạt động.
Ion này tiếp tục nhận thêm electron và proton để tạo H₂O:
\[O_2^{\bullet -} + e + 2H^+ \to H_2O_2\]
H₂O₂ tiếp tục bị khử thành nước:
\[H_2O_2 + 2H^+ + 2e \to 2H_2O\]
Tổng quát lại, 2 electron từ Fe²⁺ chuyển sang O₂ để tạo H₂O, còn Fe²⁺ bị oxi hóa thành Fe³⁺.
Tỉ lệ electron – cân bằng số mol
Để tạo 2H₂O cần 4e⁻ → cần 4Fe²⁺ mất 4e⁻ → tạo 4Fe³⁺.
Do đó:
\[4Fe^{2+} + O_2 + 4H^+ \to 4Fe^{3+} + 2H_2O\]
Thêm ion Cl⁻ vào để có dạng phân tử:
\[4FeCl_2 + 4HCl + O_2 \to 4FeCl_3 + 2H_2O\]
Vai trò của axit HCl trong phản ứng
Axít HCl đóng vai trò tạo môi trường phù hợp để phản ứng xảy ra. Cụ thể:
- H⁺ giúp quá trình khử O₂ diễn ra thuận lợi hơn, vì O₂ chỉ chuyển thành nước khi có mặt proton.
- Cl⁻ giúp ổn định Fe³⁺ vừa mới tạo ra, tránh tình trạng Fe³⁺ bị thủy phân thành Fe(OH)₃ kết tủa. Điều này giúp các ion Fe³⁺ tồn tại bền hơn trong dung dịch dưới dạng FeCl₃ hoặc các phức có Cl⁻.
Cơ chế động học – phản ứng chậm trong thực tế
Trong điều kiện bình thường, phản ứng này diễn ra chậm. Điều đó là do:
- Khí O₂ khó tan nhiều trong nước.
- Việc trao đổi electron giữa Fe²⁺ và O₂ không xảy ra ngay lập tức nếu không có sự khuấy trộn hoặc xúc tác.
Nếu muốn phản ứng xảy ra nhanh hơn, có thể dùng nhiệt, tăng nồng độ axit hoặc sử dụng xúc tác như ion Cu²⁺, Mn²⁺ để giúp quá trình truyền electron nhanh hơn.
Phản ứng liên quan
\[FeC{l_2} + C{l_2} \to FeC{l_3}\]
\[FeC{l_2} + NaOH \to NaCl + Fe{(OH)_2} \downarrow \]
\[FeC{l_2} + AgN{O_3} \to AgCl \downarrow + Fe{(N{O_3})_2}\]
\[FeC{l_2} + {H_2}S \to FeS \downarrow + HCl\]
\[FeC{l_2} + {H_2}O \to {H_2} \uparrow + HCl + F{e_3}{O_4}\]
Bài Tập Vận Dụng
Đề bài: Cho 50,8 g FeCl₂ phản ứng hoàn toàn với HCl và O₂: 4FeCl₂ + 4HCl + O₂ → 4FeCl₃ + 2H₂O. Tính:
a) Thể tích O₂ cần dùng (đktc, lít).
b) Khối lượng FeCl₃ thu được (g).
Giải:
\[M_{FeCl_2} = 56 + 2 \times 35,5 = 127 g/mol\]
\[M_{FeCl_3} = 56 + 3 \times 35,5 = 162,5 g/mol\]
a) Thể tích O₂:
Số mol của FeCl₂:
\[n_{FeCl_2} = \frac{50,8}{127} = 0,4 mol\]
Tỉ lệ FeCl₂:O₂ = 4:1, nên
\[n_{O_2} = \frac{0,4}{4 } = 0,1 mol\]
Thể tích O₂ cần dùng:
\[V_{O_2} = 0,1 \times 22,4 = 2,24 L\]
Đáp số: 2,24 L.
b) Khối lượng FeCl₃:
Tỉ lệ FeCl₂:FeCl₃ = 4:4, nên:
\[n_{FeCl_3} = 0,4 mol\]
Khối lượng FeCl₃ thu được:
\[m_{FeCl_3} = 0,4 \times 162,5 = 65,0 gram\]
Đáp số: 65,0 gram.
