Phản ứng giữa Sắt(II) Clorua (FeCl₂) và Natri Hydroxit (NaOH) là một phản ứng trao đổi, trong đó Fe²⁺ trong FeCl₂ kết hợp với OH⁻ từ NaOH, tạo kết tủa Sắt(II) Hydroxit (Fe(OH)₂↓) và Natri Clorua (NaCl).
Phương Trình Hóa Học
Phương trình chưa cân bằng:
\[FeC{l_2} + NaOH \to NaCl + Fe{(OH)_2} \downarrow \]
Phương trình đã cân bằng:
\[FeC{l_2} + 2NaOH \to 2NaCl + Fe{(OH)_2} \downarrow \]
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:
Fe²⁺ từ FeCl₂ kết hợp với 2OH⁻ từ NaOH, tạo kết tủa Fe(OH)₂.
Na⁺ và Cl⁻ tạo NaCl hòa tan.
Phương trình ion đầy đủ:
Fe²⁺ + 2Cl⁻ + 2Na⁺ + 2OH⁻ → 2Na⁺ + 2Cl⁻ + Fe(OH)₂↓.
Phương trình ion rút gọn:
Fe²⁺ + 2OH⁻ → Fe(OH)₂↓.
Lưu ý: Fe(OH)₂ là kết tủa trắng xanh, không tan trong nước, dễ oxi hóa trong không khí thành Fe(OH)₃ (đỏ nâu).
Cách Thực Hiện Phản Ứng
Chuẩn bị:
Dung dịch FeCl₂ (0,1-0,5M), từ FeCl₂·4H₂O hòa tan.
Dung dịch NaOH (0,1-1M).
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 5-10 mL dung dịch NaOH (0,1M), khuấy đều.
- Quan sát: Kết tủa trắng xanh (Fe(OH)₂) xuất hiện ngay, lắng xuống đáy ống.
- Để yên, quan sát kết tủa; nếu để lâu trong không khí, kết tủa có thể chuyển nâu do oxi hóa.
- Kiểm tra Fe²⁺ trong kết tủa bằng thuốc thử.
Lưu ý:
FeCl₂ tươi để tránh oxi hóa trước thành Fe³⁺.
NaOH không quá đậm đặc để tránh hòa tan Fe(OH)₂ trong môi trường kiềm mạnh.
Tránh để Fe(OH)₂ tiếp xúc không khí lâu, dễ oxi hóa thành Fe(OH)₃.
Thao tác nhẹ nhàng để quan sát kết tủa rõ.
Nhận Biết Phản Ứng
Hiện tượng quan sát được:
Kết tủa trắng xanh (Fe(OH)₂) hình thành, lắng xuống.
Dung dịch vẫn trong, không đổi màu rõ rệt.
Kết tủa chuyển nâu nếu để lâu ngoài không khí.
Kiểm chứng sản phẩm:
Fe(OH)₂ (Fe²⁺): Hòa tan trong HCl, thêm NaOH vào dung dịch làm xuất hiện lại kết tủa trắng xanh.
NaCl: Lấy dung dịch sau lọc, thêm AgNO₃ tạo kết tủa trắng AgCl, xác nhận Cl⁻.
Một số tính chất khác của Fe(OH)₂
Cấu trúc phân tử và liên kết
Fe(OH)₂ là một hợp chất ion nhưng có thể thể hiện tính chất kết hợp ion – cộng hóa trị:
- Fe²⁺ có cấu hình electron: [Ar] 3d⁶
- Trong môi trường rắn hoặc tinh thể, các ion OH⁻ phối trí xung quanh ion Fe²⁺, tạo thành mạng tinh thể với liên kết Fe–O có một phần tính cộng hóa trị (do sự xen phủ giữa orbital 3d của Fe và orbital 2p của O).
- Sự tương tác này khiến cho Fe(OH)₂ có thể biểu hiện tính lưỡng tính yếu trong điều kiện phức tạp.
Khả năng tạo phức yếu (trong môi trường giới hạn)
- Mặc dù không tạo phức rõ rệt trong chương trình phổ thông, nhưng ở pH trung tính hoặc hơi kiềm, Fe²⁺ có thể tạo các phức hydroxyl dạng đơn giản, như:
\[Fe^{2 +} + OH^ – \rightleftharpoons [Fe(OH)]^ +\]
\[Fe^{2 +} + 2OH^ – \to Fe(OH)_2 \downarrow \]
→ Các phức này tồn tại tạm thời trong dung dịch trước khi kết tủa thành Fe(OH)₂.
- Độ bền của các phức hydroxyl Fe²⁺ thấp, dễ phân hủy nếu bị oxy hóa.
Ngoài ra, Fe(OH)₂ còn có thể tạo phức với các hợp chất như Amonia và các muối gốc Xyanua (CN⁻):
\[Fe(OH)_2 \downarrow + 6NH_3 \to [Fe(NH_3)_6]^{2 + } + 2OH^ -\] (kết tủa Fe(OH)₂ tan)
\[Fe(OH)_2 \downarrow + 6CN^- \to [Fe(CN)_6]^{4 – } + 2OH^ -\] (kết tủa Fe(OH)₂ tan)
Tính khử và khả năng tham gia phương trình oxi hóa – khử
Fe(OH)₂ là tác nhân khử nội sinh, có thể truyền electron cho các chất oxy hóa mạnh hơn:
Khử ion kim loại mạnh hơn:
Trong điều kiện oxy hóa khử, Fe²⁺ có thể bị thay thế bởi các ion có thế khử cao hơn (ví dụ MnO₄⁻, Cr₂O₇²⁻):
\[5Fe^{2 + } + {MnO_4}^- + 8H^ + \rightarrow 5Fe^{3 + } + Mn^{2 +} + 4{H_2}O\]
→ Khi Fe(OH)₂ phân ly trong môi trường acid yếu hoặc trung tính, Fe²⁺ bị oxy hóa và có thể tái kết tủa thành Fe(OH)₃.
Tạo dòng phản ứng oxy hóa tự xúc tác:
Quá trình oxy hóa Fe(OH)₂ thường đi theo cơ chế tự xúc tác do Fe³⁺ tạo thành sẽ tăng tốc phản ứng tiếp theo:
- Fe³⁺ sinh ra sẽ xúc tác cho quá trình chuyển hóa tiếp Fe²⁺ → Fe³⁺
- O₂ phân tử bị khử bởi electron từ Fe²⁺ → tạo gốc superoxide (O₂⁻) hoặc ion hydroperoxide (HO₂⁻) → thúc đẩy phản ứng dây chuyền.
Tính tan và ảnh hưởng pH
- Tích số tan (Ksp) của Fe(OH)₂: khoảng 4 × 10⁻¹⁵, chứng tỏ nó rất khó tan trong nước.
- Tuy nhiên, độ tan tăng lên khi có acid nhẹ hoặc trong môi trường có CO₂, do sự hình thành Fe(HCO₃)₂:
\[2Fe(OH)_2 + 2CO_2 + {H_2}O \rightarrow {Fe(HCO_3)}_2\]
→ Đây là cơ chế giúp Fe²⁺ được vận chuyển trong nước ngầm hoặc sông hồ trước khi oxy hóa thành dạng không tan.
Ảnh hưởng bởi tác nhân tạo chelat
- Trong môi trường có tác nhân tạo chelat như EDTA, Fe²⁺ có thể được giữ trong dung dịch ở dạng tan:
\[Fe^{2 + } + EDTA^{4 – } \rightarrow [Fe(EDTA)]^{2 – }\]
→ Điều này làm trì hoãn sự kết tủa của Fe(OH)₂ dù pH cao.
Phản ứng phân hủy trong điều kiện khử mạnh
- Trong điều kiện khử rất mạnh (ví dụ có H₂ hoặc khí CO ở nhiệt độ cao), Fe(OH)₂ có thể khử thành kim loại Fe:
\[Fe(OH)_2 + H_2 \mathop \to \limits^{\Delta} Fe + 2{H_2}O\]
Làm sao để kết tinh Fe(OH)₂ để không bị oxi hóa
Trong nhiều lý thuyết hóa học, Fe(OH)₂ thường được cô cạn và dùng để điều chế FeO. Tuy nhiên, việc cô cạn và kết tinh Fe(OH)₂ là một thách thức lớn trong thực hành hóa học vì Fe(OH)₂ rất dễ bị oxy hóa bởi O₂ không khí, nhanh chóng chuyển thành Fe(OH)₃. Vì vậy, nếu cần điều chế, bảo quản hoặc phân lập Fe(OH)₂ ở trạng thái tinh khiết để nghiên cứu, ta cần sử dụng một quy trình nghiêm ngặt trong môi trường khử và yếm khí.
Dưới đây là các bước kỹ thuật được dùng trong phòng thí nghiệm để điều chế và kết tinh Fe(OH)₂ mà không bị oxy hóa:
Nguyên tắc cần tuân thủ
- Tuyệt đối tránh O₂ không khí: Cần tiến hành toàn bộ quy trình trong môi trường trơ (N₂ hoặc Ar).
- Sử dụng nước khử khí (deoxygenated water): Nước cất cần đun sôi trước và làm nguội dưới khí trơ để loại bỏ toàn bộ khí hòa tan (O₂).
- Duy trì môi trường khử yếu: Dùng chất khử nhẹ để ổn định Fe²⁺, tránh oxy hóa.
Chuẩn bị môi trường phản ứng
Dụng cụ và điều kiện
- Buồng phản ứng kín hoặc tủ glovebox chứa khí trơ (N₂ hoặc Ar)
- Tất cả các cốc, ống nghiệm, pipet, dung dịch phải được khử khí và bảo quản trong khí trơ
- Nước cất khử khí: Đun sôi 15–20 phút và để nguội dưới khí trơ
Dung dịch gốc
- Dung dịch FeSO₄ (hoặc FeCl₂) 0.1–0.5 M mới pha, giữ trong khí trơ
- Dung dịch kiềm (NaOH loãng), cũng được khử khí
Tiến hành kết tủa Fe(OH)₂
- Trong môi trường khí trơ, cho từ từ dung dịch NaOH vào dung dịch FeSO₄ (tỷ lệ mol 2:1) ở nhiệt độ phòng:
- Kết tủa màu trắng-xanh nhạt sẽ xuất hiện (nếu không có mặt O₂)
- Khuấy nhẹ liên tục để kết tủa đều, tránh tạo cục
Lọc, rửa và sấy kết tinh Fe(OH)₂
- Lọc kết tủa bằng thiết bị lọc chân không trong buồng khí trơ (hoặc dùng syringe filtration trong điều kiện N₂)
- Rửa bằng nước cất đã khử khí
- Sấy kết tủa nhẹ trong chân không hoặc dòng khí trơ khô ở nhiệt độ thấp (≤50°C)
Tuyệt đối không sấy trong không khí, vì ngay cả một lượng nhỏ O₂ cũng đủ oxy hóa Fe(OH)₂ thành Fe(OH)₃.
Cô cạn – tinh thể hóa Fe(OH)₂
- Trong thực tế, Fe(OH)₂ không kết tinh dễ dàng, mà tồn tại ở dạng kết tủa keo hoặc dạng bột vô định hình
- Nếu muốn tạo dạng tinh thể (chủ yếu cho nghiên cứu), người ta phải:
- Duy trì dung dịch bão hòa Fe²⁺/OH⁻ trong tủ glovebox
- Thay đổi chậm pH và nhiệt độ trong thời gian dài để thúc đẩy quá trình nucleation có kiểm soát
- Tạo tinh thể dạng lớp (layered Fe(OH)₂), đôi khi gọi là green rust – đặc biệt nếu chứa thêm anion như Cl⁻ hoặc SO₄²⁻
Bảo quản
- Không tiếp xúc với không khí
- Bảo quản mẫu Fe(OH)₂ trong bình kín, chứa đầy khí trơ hoặc trong dung dịch bảo vệ có chứa chất khử nhẹ (ví dụ Na₂SO₃)
Bài Tập Vận Dụng
Đề bài: Cho 12,7 g FeCl₂ phản ứng hoàn toàn với NaOH: FeCl₂ + 2NaOH → 2NaCl + Fe(OH)₂↓. Tính:
a) Khối lượng Fe(OH)₂ thu được (g).
b) Thể tích dung dịch NaOH 0,5M cần dùng (mL).
Giải:
\[M_{FeCl_2} = 56 + 2 \times 35,5 = 127 gram/mol\]
\[M_{Fe(OH)_2} = 56 + 2 \times (16+1) = 90 gram/mol\]
a) Khối lượng Fe(OH)₂:
Số mol của FeCl₂:
\[n_{FeCl_2} = \frac{12,7}{127} = 0,1 mol\]
Tỉ lệ FeCl₂:Fe(OH)₂ = 1:1, nên:
\[n_{Fe(OH)_2} = 0,1 mol\]
Khối lượng Fe(OH)₂ thu được:
\[M_{Fe(OH)_2} = 0,1 \times 90 = 9,0 gram\]
Đáp số: 9,0 g.
b) Thể tích NaOH 0,5M:
Tỉ lệ FeCl₂:NaOH = 1:2, nên:
\[n_{NaOH} = 0,1 \times 2 = 0,2 mol\]
Thể tích NaOH cần dùng:
\[V_{NaOH} = n/C= \frac{0,2}{0,5} = 0,4 L = 400 mL\]
Đáp số: 400 mL.
