Phản ứng giữa Sắt(III) Clorua (FeCl₃) và Đồng kim loại (Cu) là một phản ứng oxi hóa – khử, trong đó Fe³⁺ trong FeCl₃ bị khử thành Fe²⁺, tạo FeCl₂, còn Cu bị oxi hóa thành Cu²⁺, tạo Đồng(II) Clorua (CuCl₂).
Đây là phương trình phản ứng điện hóa xảy ra giữa một kim loại (rắn) và dung dịch muối (lỏng), có bản chất là sự trao đổi electron qua bề mặt tiếp xúc giữa hai pha.
Cụ thể:
Pha rắn là kim loại (ví dụ Cu), gồm các nguyên tử xếp mạng tinh thể, trong đó các electron hóa trị khá linh động (hình thành “biển electron” – tên gọi chỉ tập hợp những electron có thể tự do di chuyển trong toàn bộ mạng tinh thể của kim loại).
Pha lỏng là dung dịch ion (ví dụ FeCl₃), chứa ion Fe³⁺ và Cl⁻ hoà tan trong nước.
Phương Trình Hóa Học
Phương trình chưa cân bằng:
\[FeC{l_3} + Cu \to FeC{l_2} + CuC{l_2}\]
Phương trình đã cân bằng:
\[2FeC{l_3} + Cu \to 2FeC{l_2} + CuC{l_2}\]
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: Oxi hóa – khử/Điện hóa kim loại.
Cơ chế phản ứng:
Fe³⁺ trong FeCl₃ bị khử thành Fe²⁺, tạo FeCl₂.
Cu bị oxi hóa thành Cu²⁺, tạo CuCl₂.
Phương trình electron:
Khử: 2Fe³⁺ + 2e⁻ → 2Fe²⁺ (2Fe³⁺ nhận 2e⁻).
Oxi hóa: Cu → Cu²⁺ + 2e⁻ (1Cu mất 2e⁻).
Tổng quát: \[2FeC{l_3} + Cu \to 2FeC{l_2} + CuC{l_2}\]
Phương trình ion rút gọn:
\[2F{e^{3 + }} + Cu \to 2F{e^{2 + }} + C{u^{2 + }}\]
Cách Thực Hiện Phản Ứng
Chuẩn bị:
- Dung dịch FeCl₃ (0,1-0,5M), từ FeCl₃ hòa tan.
- Đồng kim loại: Bột, lá, hoặc dây Cu, làm sạch bằng HCl loãng.
- Dụng cụ: Bình phản ứng, đũa thủy tinh, đèn cồn (nếu gia nhiệt).
- Thiết bị: Kính bảo hộ, găng tay.
Trình tự tiến hành:
- Cho 10 mL dung dịch FeCl₃ (0,1M) vào bình phản ứng.
- Thêm 0,5-1g bột Cu (hoặc lá Cu) vào dung dịch, khuấy đều.
- Quan sát hiện tượng: Cu tan dần, dung dịch từ vàng/nâu (Fe³⁺) chuyển xanh nhạt (Fe²⁺, Cu²⁺).
- Nếu phản ứng chậm, gia nhiệt nhẹ (40-60°C).
- Kiểm tra Fe²⁺ và Cu²⁺ bằng thuốc thử sau khi Cu tan hết.
Lưu ý:
- Cu cần sạch để tránh oxit (CuO, Cu₂O) làm giảm hiệu suất.
- FeCl₃ tươi, tránh thủy phân thành Fe(OH)₃.
- Tránh dùng Cu dư quá nhiều để không làm phức tạp phân tích.
- FeCl₂ và CuCl₂ kích ứng, tránh tiếp xúc da.
Nhận Biết Phản Ứng
Hiện tượng quan sát được:
Cu tan, dung dịch chuyển từ vàng/nâu sang xanh nhạt.
Kiểm chứng sản phẩm:
FeCl₂ (Fe²⁺): Thêm NaOH vào dung dịch tạo kết tủa trắng xanh (Fe(OH)₂).
CuCl₂ (Cu²⁺): Thêm NaOH dung dịch tạo kết tủa xanh lam (Cu(OH)₂).
Thêm NH₃: Phức xanh đậm ([Cu(NH₃)₄]²⁺).
Quá trình tương tác giữa pha rắn và pha lỏng, và lý thuyết điện hóa học liên quan
Khi pha rắn gặp pha lỏng: chuyện gì xảy ra ở mức nguyên tử?
Trong nhiều phản ứng hóa học, đặc biệt là phản ứng oxi hóa–khử trong dung dịch, thường có sự tương tác giữa một kim loại rắn và một dung dịch muối. Ví dụ, khi một miếng đồng (Cu) được thả vào dung dịch chứa ion sắt III (Fe³⁺), ta đang có hai pha tiếp xúc: pha rắn là kim loại Cu, pha lỏng là dung dịch ion Fe³⁺ hòa tan trong nước.
Tại mặt tiếp xúc giữa hai pha này, xảy ra quá trình truyền electron: nguyên tử đồng nhường electron cho ion Fe³⁺. Khi đó, Fe³⁺ nhận electron để biến thành Fe²⁺, còn Cu mất electron để trở thành ion Cu²⁺ và tan vào dung dịch. Mọi thứ diễn ra tại mặt tiếp xúc giữa kim loại và dung dịch, gọi là bề mặt phản ứng. Các phân tử nước và ion Cl⁻ trong dung dịch đóng vai trò là môi trường vận chuyển, giúp các ion di chuyển dễ dàng hơn sau khi phản ứng xảy ra.
Phản ứng minh họa:
\[Fe^{3+}_{(dd)} + Cu_{(rắn)} → Fe^{2+}_{(dd)} + Cu^{2+}_{(dd)}\]
Vì sao lại có sự trao đổi electron giữa các chất?
Sự trao đổi electron là nền tảng của phản ứng oxi hóa – khử. Bản chất của hiện tượng này là do mỗi nguyên tử hay ion đều có một “xu hướng” nhận hoặc nhường electron khác nhau. Chất nào dễ nhường electron sẽ đóng vai trò là chất khử, còn chất nào dễ nhận electron sẽ là chất oxi hóa.
Lý do sâu xa là năng lượng của electron nằm ở những mức khác nhau tùy vào loại nguyên tử. Khi một nguyên tử có electron ở mức năng lượng cao gặp một ion có khả năng hút electron mạnh (nghĩa là ở mức năng lượng thấp), electron sẽ “chạy” từ nơi có năng lượng cao về nơi có năng lượng thấp hơn. Quá trình này giải phóng năng lượng, nên dễ xảy ra.
Vì sao ion Fe³⁺ có khả năng nhận electron tốt hơn ion Cu²⁺?
Điều này thể hiện rõ qua giá trị gọi là thế điện cực chuẩn (E⁰), đại diện cho mức độ dễ bị khử của một chất (tức là khả năng nhận electron). So sánh:
- Cặp Fe³⁺/Fe²⁺: \[E^\circ = +0,77 V\]
- Cặp Cu²⁺/Cu: \[E^\circ = +0,34 V\]
Số liệu này cho thấy ion Fe³⁺ có xu hướng nhận electron mạnh hơn so với ion Cu²⁺. Có ba lý do chính:
Thứ nhất, Fe³⁺ mang điện tích cao (3⁺) nên lực hút electron mạnh hơn nhiều so với Cu²⁺.
Thứ hai, bán kính của Fe³⁺ nhỏ hơn Cu²⁺ nên mật độ điện tích của nó lớn hơn, dẫn đến khả năng hút electron tốt hơn.
Thứ ba, cấu hình electron của Fe³⁺ không bền bằng Fe²⁺, nên Fe³⁺ “muốn” trở về trạng thái bền hơn bằng cách nhận thêm electron.
Cách tính thế điện cực trong điều kiện không chuẩn
Khi phản ứng diễn ra trong điều kiện thực tế (không phải điều kiện chuẩn), thế điện cực không còn giữ nguyên như trong bảng tra cứu mà sẽ thay đổi tùy vào nồng độ của các ion tham gia. Sự thay đổi này được mô tả bằng phương trình Nernst:
\[E = E^\circ – \frac{0,0591}{n} \log ( \frac{{[chất sản phẩm]}}{{[chất phản ứng]}})\]
Trong đó:
- E là thế điện cực thực tế
- n là số mol electron trao đổi
- Dấu log thể hiện mức ảnh hưởng của nồng độ
Ví dụ, nếu nồng độ Fe³⁺ trong dung dịch giảm, thì khả năng Fe³⁺ nhận electron cũng giảm khiến cho thế điện cực thực tế sẽ thấp hơn so với giá trị chuẩn.
Các yếu tố ảnh hưởng đến giá trị thế điện cực (E⁰)
Thế điện cực không phải giá trị cố định của từng nguyên tố, mà chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố bên trong nguyên tử:
Điện tích hạt nhân hiệu dụng: Nếu nguyên tử có nhiều proton ở hạt nhân nhưng bị che chắn ít bởi các lớp electron bên trong, lực hút của hạt nhân với electron sẽ rất mạnh → xu hướng nhận electron cao → E⁰ lớn.
Bán kính ion nhỏ: Ion có bán kính nhỏ thì mật độ điện tích lớn → lực hút electron mạnh hơn.
Cấu hình electron ổn định: Nguyên tử hoặc ion càng gần trạng thái bền vững (như vỏ ngoài đầy đủ) thì càng khó nhận thêm electron. Ngược lại, nếu đang ở trạng thái không ổn định, chúng sẽ có xu hướng nhận hoặc nhường electron mạnh hơn.
Ảnh hưởng của dung môi và liên kết ion: Trong dung dịch, nước và các ion xung quanh có thể ổn định trạng thái oxi hóa nào đó, làm thay đổi E⁰ theo hướng tăng hoặc giảm.
Phản ứng liên quan
\[FeC{l_3} + Mg \to FeC{l_2} + MgC{l_2}\]
\[FeC{l_3} + Mg \to Fe + MgC{l_2}\]
\[FeC{l_3} + KI \to FeC{l_2} + {I_2} \downarrow + KCl\]
\[FeC{l_3} + AgN{O_3} \to AgCl \downarrow + Fe{(N{O_3})_3}\]
\[FeC{l_3} + {H_2}S \to FeC{l_2} + Fe{S_2} + HCl\]
Ứng Dụng
Phòng thí nghiệm: Phân tích Fe²⁺, Cu²⁺.
Công nghiệp: CuCl₂ trong thuốc trừ sâu; FeCl₂ xử lý nước.
Môi trường: Xử lý kim loại trong nước thải.
Bài Tập Vận Dụng
Đề bài: Cho 16,25 g FeCl₃ phản ứng hoàn toàn với Cu dư. Tính:
a) Khối lượng Cu cần dùng (g).
b) Khối lượng CuCl₂ thu được (g).
Giải:
Phương trình hóa học:
\[2FeCl_3 + Cu \to 2FeCl_2 + CuCl_2\]
\[M_{FeCl_3} = 56 + 3 \times 35,5 = 162,5 gram/mol\]
\[M_{Cu} = 64 gram/mol\]
\[M_{CuCl_2} = 64 + 2 \times 35,5 = 135 gram/mol\]
a) Khối lượng Cu:
Số mol của FeCl₃:
\[n_{FeCl_3} = \frac{16,25}{162,5} = 0,1 mol\]
Tỉ lệ FeCl₃:Cu = 2:1, nên:
\[n_{Cu} = \frac{0,1}{2} = 0,05 mol\]
Khối lượng Cu cần dùng:
\[m_{Cu} = 0,05 \times 64 = 3,2 gram\]
Đáp số: 3,2 g.
b) Khối lượng CuCl₂:
Áp dụng định luật bảo tồn nguyên tố, ta có:
\[n_{CuCl_2} = n_{Cu} = 0,05 mol\]
Khối lượng CuCl₂ thu được:
\[m_{CuCl_2} = 0,05 \time 135 = 6,75 gram\]
Đáp số: 6,725 gram.
