FeO + H2SO4 → Fe2(SO4)3 + H2O + SO2

Khi axit sunfuric đậm đặc, nóng tác dụng với oxit kim loại như FeO, phản ứng không còn là trung hòa đơn thuần nữa mà là phản ứng oxi hóa – khử phức tạp. Trong phản ứng này, FeO không chỉ phản ứng như một oxit bazơ mà còn bị oxi hóa từ Fe²⁺ → Fe³⁺, trong khi axit H₂SO₄ bị khử tạo ra khí SO₂.

Contents

1. Phương Trình Hóa Học

2. Điều Kiện Phản Ứng

3. Nguyên Lý Phản Ứng

4. Cách Thực Hiện Phản Ứng

5. Nhận Biết Phản Ứng

6. Kiến Thức Mở Rộng Về Chất Tham Gia và Sản Phẩm

7. Kiến thức mở rộng: Vì sao H₂SO₄ đặc nguội thụ động với Fe, Cr, Al? Và có phản ứng với FeO không?

8. Ứng Dụng

9. Bài Tập Vận Dụng

Phương Trình Hóa Học

Phương trình chưa cân bằng:

\[FeO + H2SO4(đặc,nóng) \to F{e_2}{(S{O_4})_3} + SO2 \uparrow + {H_2}O\]

Phương trình đã cân bằng:

\[2FeO + 4H2SO4(đặc,nóng) \to F{e_2}{(S{O_4})_3} + SO2 \uparrow + 4{H_2}O\]

Điều Kiện Phản Ứng

Phản ứng xảy ra trong điều kiện nhiệt độ cao (đun nóng) và sử dụng H₂SO₄ đặc. Đây là điều kiện cần thiết để axit sunfuric thể hiện tính oxi hóa mạnh, bởi vì ở trạng thái loãng, H₂SO₄ chủ yếu thể hiện tính axit, không đủ khả năng oxi hóa Fe²⁺ thành Fe³⁺.
Ngoài ra, để phản ứng xảy ra hoàn toàn và có hiệu suất cao, cần đảm bảo:
- H₂SO₄ có nồng độ ≥ 96%
- Hỗn hợp được đun nóng từ từ để kiểm soát quá trình khử
- Thiết bị chịu được ăn mòn của axit và nhiệt độ cao
Lưu ý: Al, Cr, Fe thụ động hóa trong H₂SO₄ đặc nguội và HNO₃ đặc nguội nên không xảy ra phản ứng.

Nguyên Lý Phản Ứng

Đây là phản ứng oxi hóa – khử:

FeO: Chứa Fe²⁺, trong đó sắt bị oxi hóa thành Fe³⁺ trong Fe₂(SO₄)₃.
H₂SO₄ đậm đặc, nóng: Vừa đóng vai trò axit (cung cấp H⁺) vừa là chất oxi hóa, trong đó lưu huỳnh trong H₂SO₄ (S⁶⁺) bị khử thành SO₂ (S⁴⁺).
Sản phẩm: Tạo muối sắt(III) sunfat (Fe₂(SO₄)₃), nước (H₂O), và khí lưu huỳnh dioxit (SO₂↑).

Phương trình electron:

Quá trình oxi hóa:\[F{e^{2 + }} \to F{e^{3 + }} + 1e\]
Quá trình khử: \[S{O_4}^{2 – } + 4{H^ + } + 2e \to S{O_2} + 2{H_2}O\] (H₂SO₄ bị khử, nhận 2 electron để tạo SO₂).

Phương trình ion:

\[2FeO + 8{H^ + } + 4S{O_4}^{2 – } \to 2F{e^{3 + }} + 3S{O_4}^{2 – } + S{O_2} \uparrow + 4{H_2}O\]

Phương trình ion rút gọn:

\[2FeO + 8{H^ + } + S{O_4}^{2 – } \to 2F{e^{3 + }} + S{O_2} \uparrow + 4{H_2}O\]

Cách Thực Hiện Phản Ứng

Chuẩn bị:

Oxit sắt(II) (FeO) dạng bột hoặc rắn.
Axit sunfuric (H₂SO₄) đậm đặc (nồng độ gần 98%).
Dụng cụ: Ống nghiệm chịu nhiệt, cốc thủy tinh chịu axit, kẹp gắp, đèn cồn hoặc bếp điện để gia nhiệt.
Thiết bị hỗ trợ: Tủ hút hoặc khu vực thông thoáng để xử lý khí SO₂, pipet để thêm H₂SO₄.

Trình tự tiến hành:

Cho một lượng nhỏ FeO (khoảng 0,1-0,2 g) vào ống nghiệm chịu nhiệt hoặc cốc thủy tinh.
Thêm từ từ H₂SO₄ đậm đặc (khoảng 2-3 ml) vào FeO, khuấy nhẹ bằng đũa thủy tinh để đảm bảo tiếp xúc.
Đun nóng nhẹ ống nghiệm trên đèn cồn, giữ nhiệt độ vừa phải để kích hoạt phản ứng.
Quan sát hiện tượng: FeO tan dần, có khí SO₂ thoát ra (mùi hắc, có thể kiểm tra bằng giấy quỳ tím chuyển đỏ), dung dịch chuyển màu vàng nhạt hoặc nâu nhạt (do ion Fe³⁺).
Tiếp tục đun đến khi phản ứng hoàn tất, thu được dung dịch chứa Fe₂(SO₄)₃.

Lưu ý:

H₂SO₄ đậm đặc rất nguy hiểm, có tính ăn mòn và tỏa nhiệt mạnh khi tiếp xúc với nước. Cần đeo găng tay, kính bảo hộ và thao tác trong tủ hút.
Khí SO₂ độc hại, gây kích ứng đường hô hấp. Phải thực hiện trong môi trường thông thoáng hoặc có hệ thống hút khí.
FeO không bền, dễ oxi hóa thành Fe₂O₃ trong không khí ẩm. Sử dụng FeO mới điều chế để đảm bảo phản ứng đúng.
Đun nóng cần kiểm soát để tránh làm H₂SO₄ bắn tung tóe hoặc phản ứng quá mạnh.

Nhận Biết Phản Ứng

Hiện tượng quan sát được:

Chất rắn FeO (màu đen hoặc xám đen) tan dần trong H₂SO₄ đậm đặc khi đun nóng.
Có khí không màu, mùi hắc (SO₂) thoát ra, làm giấy quỳ tím ẩm chuyển đỏ (do SO₂ tạo axit sunfurơ khi hòa tan trong nước).
Dung dịch sau phản ứng có màu vàng nhạt hoặc nâu nhạt, đặc trưng của ion Fe³⁺ (do Fe₂(SO₄)₃).
Không có kết tủa, chỉ tạo muối hòa tan (Fe₂(SO₄)₃), nước, và khí SO₂.
Tỏa nhiệt mạnh khi đun nóng, hỗn hợp có thể sôi bùng nếu gia nhiệt quá nhanh.

Kiểm chứng sản phẩm:

Kiểm tra Fe³⁺: Lấy một ít dung dịch sau phản ứng, thêm vài giọt dung dịch kali thiocyanat (KSCN). Nếu xuất hiện màu đỏ máu, điều đó chứng tỏ có ion Fe³⁺, tức là Fe₂(SO₄)₃ đã được tạo ra.
Kiểm tra SO₂: Dẫn khí thoát ra qua dung dịch nước brom (Br₂) hoặc dung dịch kali pemanganat (KMnO₄). Nếu nước brom mất màu hoặc KMnO₄ chuyển từ tím sang không màu, đó là dấu hiệu của SO₂ (do tính khử của SO₂).
Phân biệt với Fe²⁺: Nếu dung dịch chứa Fe²⁺ (do phản ứng tạo FeSO₄ thay vì Fe₂(SO₄)₃), thêm K₃[Fe(CN)₆] sẽ tạo kết tủa xanh (Turnbull’s blue), nhưng không tạo màu đỏ với KSCN.

Kiến Thức Mở Rộng Về Chất Tham Gia và Sản Phẩm

Oxit Sắt(II) (FeO):
- Tính chất: FeO là oxit bazơ, màu đen/xám đen, có cấu trúc tinh thể NaCl (Fe²⁺ và O²⁻). FeO không tan trong nước, không bền, dễ oxi hóa thành Fe₂O₃ hoặc Fe₃O₄ trong không khí ẩm.
- Tính không bền: FeO thường tồn tại ở trạng thái không chuẩn (có lẫn Fe³⁺), khó điều chế và bảo quản. Thường được tạo từ phản ứng: Fe + Fe₂O₃ → 3FeO (nhiệt độ cao, môi trường khử).
Sắt(III) Sunfat (Fe₂(SO₄)₃):
- Tính chất: Muối tan tốt, dung dịch có màu vàng nhạt hoặc nâu nhạt do ion Fe³⁺. Fe₂(SO₄)₃ có tính oxi hóa yếu, ổn định hơn FeSO₄ trong không khí.
- Phản ứng đặc trưng: Fe³⁺ tạo màu đỏ máu với KSCN, không tạo kết tủa xanh với K₃[Fe(CN)₆] (phân biệt với Fe²⁺).
Lưu huỳnh Dioxit (SO₂):
- Tính chất: Khí không màu, mùi hắc, độc hại, tan trong nước tạo axit sunfurơ (H₂SO₃). SO₂ có tính khử, phản ứng với chất oxi hóa như Br₂ hoặc KMnO₄.
- Lưu ý: SO₂ gây ô nhiễm không khí và kích ứng đường hô hấp, cần xử lý khí thải cẩn thận.

Kiến thức mở rộng: Vì sao H₂SO₄ đặc nguội thụ động với Fe, Cr, Al? Và có phản ứng với FeO không?

Hiện tượng thụ động hóa – Cơ chế và bản chất

H₂SO₄ đặc nguội không phản ứng mạnh với các kim loại như sắt (Fe), crôm (Cr) và nhôm (Al) là do hiện tượng thụ động hóa – tức là bề mặt kim loại bị bao phủ bởi một lớp oxit bền, ngăn không cho axit tiếp xúc trực tiếp với kim loại bên trong.

Vậy lớp oxit đó hình thành từ đâu?

Do H₂SO₄ đặc có tính oxi hóa yếu ngay cả khi nguội

Dù không mạnh như khi đun nóng, H₂SO₄ đặc nguội vẫn có tính oxi hóa nhẹ, đủ để oxi hóa lớp kim loại bề mặt thành oxit.
Cụ thể:

Kim loại	Lớp oxit hình thành	Tính chất lớp oxit
Fe	Fe₂O₃	Tương đối bền
Cr	Cr₂O₃	Rất bền, chống ăn mòn cao
Al	Al₂O₃	Bền và khá dày (vài nanomet)

Quá trình hình thành rất mỏng và nhanh

Chỉ cần một lượng rất nhỏ kim loại bề mặt bị oxi hóa là đủ để hình thành lớp oxit mỏng vài nanomet.
Sau khi lớp này hình thành, nó rất bền và không tan trong H₂SO₄ đặc, từ đó ngăn cản H⁺ và SO₄²⁻ tiếp xúc sâu hơn với lớp kim loại bên dưới.

FeO có bị thụ động hóa bởi H₂SO₄ đặc không?

Câu trả lời là không, FeO (sắt(II) oxit) không bị thụ động hóa bởi H₂SO₄ đặc. Lý do:

FeO vốn đã là oxit, không còn là kim loại nguyên chất nên không thể hình thành thêm lớp oxit bảo vệ mới.
Lớp FeO có tính bazơ yếu, có thể bị axit tấn công dễ dàng ngay cả khi H₂SO₄ nguội.
Tuy nhiên, ở nhiệt độ thường, do H₂SO₄ đặc có độ nhớt cao nên phản ứng xảy ra chậm (ion khó khuếch tán đến bề mặt oxit).

Tại sao H₂SO₄ đặc có tính oxi hóa mạnh, còn H₂SO₄ loãng thì không?

Về bản chất

Cả H₂SO₄ đặc và loãng đều chứa ion H⁺ và SO₄²⁻, nhưng chỉ H₂SO₄ đặc mới thể hiện rõ tính oxi hóa, vì:

Nguyên tử lưu huỳnh (S) trong nhóm SO₄ có số oxi hóa +6 (S⁶⁺) – mức oxi hóa cao nhất.
Trong điều kiện đặc và đun nóng, H₂SO₄ có thể bị khử thành SO₂ (S⁴⁺) hoặc thậm chí là S (S⁰), chứng tỏ nó nhận electron → có tính oxi hóa mạnh.

Sản phẩm khử	Số oxi hóa của S
SO₂ (khí)	+4
S (kết tủa)	0
H₂S (khí)	–2

Về mặt cấu trúc phân tử

H₂SO₄ gồm 2 nhóm –OH và khung SO₂ liên kết với 2 nguyên tử O.
Khi đun nóng, tính hoạt hóa của các phân tử nâng cao khiến các liên kết hydro nội phân tử dễ bị phá vỡ → nhóm SO₄ trở nên dễ nhận electron hơn, tăng tính oxi hóa.

So sánh H₂SO₄ loãng

Có lượng nước lớn, các phân tử H₂SO₄ phân ly hoàn toàn thành H⁺ và SO₄²⁻, 2 nhóm –OH mất đi Hidro nên không đủ năng lượng để phá hủy liên kết S-O, làm mất tính oxi hóa của nguyên tử lưu huỳnh.
Ion SO₄²⁻ không có tính oxi hóa mạnh.
Không còn liên kết cộng hóa trị trong phân tử axit → không còn khả năng khử S⁶⁺.

Kết quả: H₂SO₄ loãng chỉ thể hiện tính axit, không oxi hóa được các chất khử yếu như Fe²⁺, Cu, Pb…

Vai trò của nhiệt độ trong phản ứng giữa FeO và H₂SO₄ đặc

Giảm độ nhớt – Tăng khả năng khuếch tán ion

Ở nhiệt độ thường, H₂SO₄ đặc rất nhớt → khó khuếch tán H⁺ và SO₄²⁻ vào bề mặt FeO.
Khi đun nóng, độ nhớt giảm → ion dễ tiếp xúc → phản ứng xảy ra nhanh hơn.

Kích hoạt tính oxi hóa của H₂SO₄

Nhiệt độ cao giúp nhóm SO₄ dễ nhận electron hơn → H₂SO₄ oxi hóa Fe²⁺ thành Fe³⁺.
Đồng thời, S⁶⁺ bị khử thành SO₂ (khí) → phản ứng dịch chuyển theo chiều thuận (theo nguyên lý Le Chatelier).

Cung cấp năng lượng hoạt hóa

Đun nóng cung cấp năng lượng tối thiểu để phản ứng xảy ra.
Đặc biệt với phản ứng:
FeO + H₂SO₄ đặc → Fe₂(SO₄)₃ + SO₂ ↑ + H₂O
quá trình khử S⁶⁺ cần năng lượng lớn → nhiệt độ là điều kiện gần như bắt buộc.

Ứng Dụng

Phản ứng này minh họa khả năng oxi hóa của H₂SO₄ đậm đặc, là ví dụ điển hình để học sinh hiểu về phản ứng oxi hóa – khử và tính chất hóa học của oxit kim loại.
Phân tích hóa học: Phản ứng được dùng để xác định ion Fe³⁺ trong dung dịch, thông qua phản ứng với KSCN tạo màu đỏ máu.
Công nghiệp:
- Fe₂(SO₄)₃: Sử dụng trong xử lý nước thải (keo tụ, loại bỏ phosphate, kim loại nặng), sản xuất thuốc nhuộm, và làm chất keo tụ trong công nghiệp.
- SO₂: Dùng trong sản xuất H₂SO₄, tẩy trắng giấy, và bảo quản thực phẩm.
- FeO: Trung gian trong luyện thép.
- H₂SO₄: Dùng trong sản xuất phân bón, làm sạch kim loại, và tổng hợp hóa chất.
Môi trường: Fe₂(SO₄)₃ giúp xử lý nước thải, loại bỏ các chất ô nhiễm, góp phần bảo vệ môi trường. Tuy nhiên, SO₂ cần được xử lý để tránh gây ô nhiễm không khí.

Bài Tập Vận Dụng

Đề bài: Cho 7,2 g FeO phản ứng hoàn toàn với H₂SO₄ đậm đặc, nóng, theo phương trình: 2FeO + 4H₂SO₄ → Fe₂(SO₄)₃ + 4H₂O + SO₂↑. Tính:

a) Khối lượng Fe₂(SO₄)₃ thu được.
b) Thể tích khí SO₂ thoát ra (ở điều kiện tiêu chuẩn, 0°C, 1 atm).

Giải:

Phương trình phản ứng: 2FeO + 4H₂SO₄ → Fe₂(SO₄)₃ + 4H₂O + SO₂↑

a) Tính khối lượng Fe₂(SO₄)₃:

Số mol FeO: \[{n_{FeO}} = \frac{{7,2}}{{72}} = 0,1mol\]
Tỉ lệ mol FeO:Fe₂(SO₄)₃ = 2:1, nên \[{n_{F{e_2}{{(S{O_4})}_3}}} = \frac{{0,1}}{2} = 0,05mol\].
Khối lượng phân tử Fe₂(SO₄)₃: \[{M_{F{e_2}{{(S{O_4})}_3}}} = \left( {2 \times 56} \right) + \left( {3 \times 32} \right) + \left( {12 \times 16} \right) = 400gram/mol\]

Khối lượng Fe₂(SO₄)₃: \[{M_{F{e_2}{{(S{O_4})}_3}}} = 0,05 \times 400 = 20gram\]

Đáp số: Khối lượng Fe₂(SO₄)₃ thu được là 20 g.

b) Tính thể tích SO₂ (đktc):

Tỉ lệ mol FeO:SO₂ = 2:1, nên \[{V_{S{O_2}}} = \frac{{0,1}}{2} = 0,05mol\]
Ở đktc (0°C, 1 atm), 1 mol khí chiếm 22,4 L.
Thể tích SO₂: \[{V_{S{O_2}}} = 0,05 \times 22,4 = 1,12L = 1120ml\]

Đáp số: Thể tích SO₂ thoát ra là 1,12 L (1120 ml).

Gia Khang