Phản ứng giữa Sắt(III) Clorua (FeCl₃) và Magie kim loại (Mg) là một phản ứng oxi hóa – khử, trong đó Fe³⁺ trong FeCl₃ bị khử thành sắt kim loại (Fe), còn Mg bị oxi hóa thành Mg²⁺, tạo Magie Clorua (MgCl₂)
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 Magie, gồm các nguyên tử xếp mạng tinh thể lập phương tâm diện, 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:
\[FeC{l_3} + Mg \to Fe + MgC{l_2}\]
Phương trình đã cân bằng:
\[2FeC{l_3} + 3Mg \to 2Fe + 3MgC{l_2}\]
Điều Kiện Phản Ứng
Nhiệt độ: Phản ứng xảy ra ở nhiệt độ phòng.
Để tạo thuận lợi cho quá trình phản ứng cần có lượng Magie dư.
Nguyên Lý Phản Ứng
Loại phản ứng: Oxi hóa – khử/Điện hóa kim loại.
Cơ chế phản ứng:
Fe³⁺ trong FeCl₃ bị khử hoàn toàn thành Fe⁰.
Mg bị oxi hóa thành Mg²⁺, tạo MgCl₂.
Phương trình electron:
Quá trình khử: Fe³⁺ + 3e⁻ → Fe (2Fe³⁺ nhận 6e⁻).
Quá trình oxi hóa: Mg → Mg²⁺ + 2e⁻ (3Mg mất 6e⁻).
Tổng quát: \[2FeC{l_3} + 3Mg \to 2Fe + 3MgC{l_2}\]
Phương trình ion rút gọn:
\[2F{e^{3 + }} + 3Mg \to 2Fe + 3M{g^{2 + }}\].
Cách Thực Hiện Phản Ứng
Chuẩn bị:
- Dung dịch FeCl₃ (0,1-0,5M), từ FeCl₃·6H₂O hòa tan.
- Magie kim loại: Bột hoặc dải Mg, 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 0,5-1 g bột Mg (hoặc dải Mg) vào dung dịch, khuấy nhẹ.
- Quan sát hiện tượng: Mg tan dần, kết tủa xám đen (Fe) xuất hiện, dung dịch từ vàng/nâu (Fe³⁺) sang trong (Mg²⁺).
- Nếu phản ứng chậm, gia nhiệt nhẹ (40-60°C).
- Lọc kết tủa Fe, kiểm tra Mg²⁺ trong dung dịch.
Lưu ý:
- Mg sạch để tránh oxit (MgO) giảm hiệu suất.
- FeCl₃ tươi, tránh thủy phân thành Fe(OH)₃.
- Mg dễ cháy, tránh dùng quá nhiều hoặc gần lửa.
- FeCl₃, MgCl₂ kích ứng, tránh tiếp xúc da.
Nhận Biết Phản Ứng
Hiện tượng quan sát được: Mg tan đồng thời chất rắn xám đen (Fe) hình thành bám vào miếng Magie (hiện tượng mạ kim loại), dung dịch chuyển từ vàng/nâu sang trong/xanh nhạt.
Kiểm chứng sản phẩm:
Fe chất rắn xám đen, hút bởi nam châm.
MgCl₂ (Mg²⁺): Thêm NaOH tạo kết tủa trắng (Mg(OH)₂).
Thêm (NH₄)₂CO₃: Kết tủa trắng MgCO₃.
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 mảnh Magie được thả vào dung dịch chứa ion sắt III (Fe³⁺), ta đang có hai pha tiếp xúc: pha rắn là kim loại Mg, 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 Magie nhường electron cho ion Fe³⁺. Khi đó, Fe³⁺ nhận electron để biến thành Fe²⁺, còn Mg mất electron để trở thành ion Mg²⁺ và tan vào dung dịch. Sau đó nếu Mg vẫn dư, phản tiếp tục xảy ra với Fe²⁺ nhận thêm 2 electron từ Mg để tạo thành Fe nguyên tử và Mg²⁺.
Phản ứng minh họa: \[Fe^{3+}_{(dd)} + Mg_{(rắn)} → Fe_{(rắn)} + Mg^{2+}_{(dd)}\]
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.
Chuyển pha trong phản ứng
Đây là phản ứng có sự chuyển đổi pha rõ rệt giữa hai kim loại:
- Magie ban đầu là kim loại rắn (Mg), nhưng sau phản ứng bị oxi hóa thành ion Mg²⁺, nên chuyển từ pha rắn sang pha dung dịch.
- Ion Fe³⁺ ban đầu tồn tại trong dung dịch dưới dạng muối FeCl₃, sau khi nhận electron thì chuyển thành sắt nguyên tử, kết tủa dưới dạng pha rắn.
Quá trình này còn gọi là quá trình thay thế kim loại, trong đó kim loại mạnh hơn (Mg) đẩy kim loại yếu hơn (Fe) ra khỏi muối của nó.
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.
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 nên có xu hướng nhận electron cao, vậy nên E⁰ lớn.
Bán kính ion nhỏ: Ion có bán kính nhỏ thì mật độ điện tích lớn, gây 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.
Cơ chế phản ứng hai nấc trong quá trình khử Fe³⁺ về Fe kim loại
Khi cho Magie phản ứng với dung dịch FeCl₃, chúng ta quan sát được hiện tượng Magie tan dần, đồng thời có kim loại sắt kết tủa. Để hiểu rõ quá trình này, cần đi sâu vào cách mà ion Fe³⁺ trong dung dịch chuyển thành Fe kim loại rắn. Liệu quá trình này xảy ra trực tiếp hay từng bước?
So sánh khả năng nhường – nhận electron
Trọng tâm của bất kỳ phản ứng oxi hóa–khử nào là sự trao đổi electron. Trong phản ứng này, Magie là kim loại có tính khử rất mạnh, tức là dễ bị oxi hóa, nhường electron để trở thành Mg²⁺. Ngược lại, ion Fe³⁺ là chất có tính oxi hóa mạnh, rất dễ nhận electron để giảm bậc oxi hóa của nó.
Dựa trên số liệu thực nghiệm, ta có các thế điện cực tiêu chuẩn như sau:
\[Mg^{2+} + 2e \to Mg (E^\circ = -2,37 V)\]
\[Fe^{3+} + e \to Fe^{2+} (E^\circ = +0,77 V)\]
\[Fe^{2+} + 2e \to Fe (E^\circ = -0,44 V)\]
Từ những giá trị này, có thể thấy rằng Magie không chỉ có khả năng khử Fe³⁺ thành Fe²⁺, mà còn đủ mạnh để khử tiếp Fe²⁺ thành Fe nguyên tử. Đây là cơ sở để nói rằng phản ứng cuối cùng tạo thành Fe kim loại là hoàn toàn khả thi.
Phản ứng diễn ra như thế nào: trực tiếp hay từng bước?
Một câu hỏi quan trọng đặt ra: liệu Fe³⁺ có thể nhận liền một lúc 3 electron từ Magie để chuyển thành Fe kim loại, hay phản ứng buộc phải diễn ra theo từng bước?
Về lý thuyết, cả hai khả năng đều tồn tại. Nhưng trong thực tế, việc một ion nhận đồng thời nhiều electron từ một chất khử là điều rất khó xảy ra, vì cần những điều kiện va chạm đặc biệt và xác suất cực kỳ thấp. Phản ứng hóa học thường sẽ đi theo con đường ít cản trở hơn về mặt động học, tức là dễ xảy ra hơn trong điều kiện bình thường.
Vì vậy, cơ chế thực tế thường diễn ra theo hai bước liên tiếp như sau:
\[Fe^{3+} + e \to Fe^{2+}\]
Đây là bước đầu tiên, trong đó ion sắt ở mức oxi hóa +3 nhận 1 electron để trở thành ion Fe²⁺. Bước này xảy ra rất dễ dàng vì chênh lệch thế điện cực rất lớn so với Mg.
\[Fe^{2+} + 2e \to Fe\]
Sau khi tạo thành Fe²⁺, ion này tiếp tục nhận thêm 2 electron để trở thành sắt nguyên tử. Dù thế điện cực thấp hơn bước đầu tiên, nhưng do Magie là chất khử rất mạnh nên quá trình này vẫn diễn ra dễ dàng.
Như vậy, phản ứng khử từ Fe³⁺ về Fe kim loại không phải là một bước nhảy trực tiếp, mà là một chuỗi hai bước khử nối tiếp nhau. Đây chính là cơ chế hai nấc đặc trưng của phản ứng.
Có xảy ra khử trực tiếp không?
Dù cơ chế từng bước là hướng đi chủ yếu, nhưng trong một số điều kiện cụ thể như nồng độ Mg cao, bề mặt tiếp xúc lớn, phản ứng khuấy trộn mạnh hoặc nhiệt độ cao, vẫn có khả năng xảy ra khử trực tiếp Fe³⁺ thành Fe kim loại. Khi đó, ion Fe³⁺ có thể nhận 3 electron trong một va chạm duy nhất:
\[Fe^{3+} + 3e \to Fe\]
Tuy nhiên, trường hợp này là ít gặp trong thực tế vì yêu cầu cao về động học: xác suất để 3 electron được trao đổi cùng lúc là rất thấp. Chính vì vậy, dù có thể, quá trình khử trực tiếp gần như không đóng vai trò chính trong phản ứng này.
Phản ứng liên quan
\[FeC{l_3} + Cu \to FeC{l_2} + CuC{l_2}\]
\[FeC{l_3} + Mg \to FeC{l_2} + MgC{l_2}\]
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: Điều chế Fe, phân tích Mg²⁺.
Công nghiệp: MgCl₂ trong xi măng; Fe trong luyện kim.
Môi trường: Xử lý kim loại trong nước thải.
Bài Tập Vận Dụng
Đề bài: Cho 32,5 g FeCl₃ phản ứng hoàn toàn với Mg dư, phản ứng xảy ra hoàn toànTính:
a) Khối lượng Mg cần dùng (g).
b) Khối lượng Fe thu được (g).
Giải:
Phương trình hóa học:
\[2FeC{l_3} + 3Mg \to 2Fe + 3MgC{l_2}\]
\[M_{FeCl_3} = 56 + 3 \times 35,5 = 162,5 g/mol\]
\[M_{Mg} = 24 g/mol\]
\[M_{Fe} = 56 g/mol\]
a) Khối lượng Mg:
Số mol của FeCl₃:
\[n_{FeCl_3} = frac{32,5}{162,5} = 0,2 mol\]
Tỉ lệ FeCl₃:Mg = 2:3, nên:
\[n_{Mg} = 0,2 \times \frac{3}{2}= 0,3 mol\]
Khối lượng Mg cần dùng:
\[m_{Mg} = 0,3 \times 24 = 7,2 gram\]
Đáp số: 7,2 gram.
b) Khối lượng Fe:
Tỉ lệ FeCl₃:Fe = 2:2, nên:
\[n_{Fe} = 0,2 mol\]
Khối lượng Fe thu được:
\[m_{Fe} = 0,2 \times 56 = 11,2 gram\]
Đáp số: 11,2 g.
