FeO + HNO3 → Fe(NO3)3 + H2O + N2O↑

Trong điều kiện sử dụng HNO₃ đậm đặc vừa và gia nhiệt, FeO bị oxi hóa để tạo ra sắt(III) nitrat (Fe(NO₃)₃), nước (H₂O), và khí đinitơ oxit (N₂O↑). Phản ứng này minh họa khả năng oxi hóa của HNO₃, trong đó Fe²⁺ chuyển thành Fe³⁺, và nitơ trong HNO₃ bị khử từ +5 xuống +1. Phản ứng không chỉ quan trọng trong lý thuyết hóa học mà còn có ứng dụng trong phân tích hóa học, xử lý nước thải, và nghiên cứu khí nhà kính.

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 Cơ Chế Phản Ứng: Vai Trò Và Sự Tương Tác Của Từng Chất

7. Vì sao NO₃⁻ loãng có tính oxi hóa mạnh, còn SO₄²⁻ loãng thì không?

8. Ứng Dụng

9. Bài Tập Vận Dụng

Phương Trình Hóa Học

Phương trình chưa cân bằng:

\[FeO + HN{O_3(loãng)} \to Fe{(N{O_3})_3} + N{}_2O \uparrow + {H_2}O\]

Phương trình đã cân bằng:

\[8FeO + 26HN{O_3(loãng)} \to 8Fe{(N{O_3})_3} + N{}_2O \uparrow + 13{H_2}O\]

Điều Kiện Phản Ứng

Yêu cầu HNO₃ đậm đặc vừa (nồng độ khoảng 30-50%) để đảm bảo tính oxi hóa, tạo N₂O thay vì NO hoặc NO₂.
FeO: Dạng bột hoặc rắn để tăng diện tích tiếp xúc với HNO₃.
Nhiệt độ: Gia nhiệt vừa (đun nhẹ trên đèn cồn hoặc bếp điện) để kích hoạt khả năng oxi hóa của HNO₃.
Môi trường: Thực hiện trong tủ hút hoặc khu vực thông thoáng do tạo khí N₂O (khí cười, ít độc nhưng cần kiểm soát).
An toàn: HNO₃ đậm đặc có tính ăn mòn và oxi hóa mạnh, cần găng tay, kính bảo hộ, và dụng cụ chuyên dụng.

Nguyên Lý Phản Ứng

Đây là phản ứng oxi hóa – khử:

FeO: Chất rắn, chứa Fe²⁺, bị oxi hóa thành Fe³⁺ trong Fe(NO₃)₃.
HNO₃ đậm đặc: Đóng vai trò axit (cung cấp H⁺) và chất oxi hóa, trong đó nitơ (N⁵⁺ trong NO₃⁻) bị khử thành N₂O (N⁺¹).
Sản phẩm: Muối Fe(NO₃)₃, nước (H₂O), và khí N₂O↑.

Phương trình electron:

Oxi hóa:

\[8F{e^{2 + }} \to 8F{e^{3 + }} + 8e\]

FeO mất 8 electron.

Khử:

\[2N{O^{3 – }} + 10{H^ + } + 8e \to {N_2}O + 5{H_2}O\]

HNO₃ nhận 8 electron để tạo N₂O

Lưu ý về phương trình ion: FeO là chất rắn, không phân ly thành ion trong nước. Phương trình ion chỉ minh họa cơ chế sau khi FeO tan và Fe²⁺ bị oxi hóa trong dung dịch.

Phương trình ion (minh họa):

\[8Fe{O_{(r)}} + 26{H^ + } + 26N{O_3}^ – \to 8F{e^{3 + }} + 24N{O_3}^ – + N{}_2O \uparrow + 13{H_2}O\]

Phương trình ion rút gọn:

\[8Fe{O_{(r)}} + 26{H^ + } + 2N{O_3}^ – \to 8F{e^{3 + }} + N{}_2O \uparrow + 13{H_2}O\]

Phương trình ion này thể hiện FeO phản ứng với H⁺ và NO₃⁻ để tạo Fe³⁺ và N₂O, nhưng chỉ mang tính minh họa vì FeO ban đầu là rắn.

Cách Thực Hiện Phản Ứng

Chuẩn bị:

Oxit sắt(II) (FeO) dạng bột hoặc rắn.
Axit nitric (HNO₃) nồng độ ~30-50%.
Dụng cụ: Ống nghiệm chịu nhiệt, cốc thủy tinh chịu axit, kẹp gắp, đèn cồn hoặc bếp điện.
Thiết bị hỗ trợ: Tủ hút để xử lý khí N₂O, pipet để thêm HNO₃.

Trình tự tiến hành:

Cho 0,1-0,2 g FeO vào ống nghiệm chịu nhiệt hoặc cốc thủy tinh.
Thêm từ từ 2-3 ml HNO₃ loãng vừa, khuấy nhẹ bằng đũa thủy tinh.
Đun nóng nhẹ trên đèn cồn, giữ nhiệt độ vừa phải để kích hoạt phản ứng.
Quan sát: FeO tan dần, dung dịch chuyển màu vàng/nâu nhạt (ion Fe³⁺), có khí không màu (N₂O) thoát ra.
Tiếp tục đun đến khi phản ứng hoàn tất, thu dung dịch chứa Fe(NO₃)₃.

Lưu ý:

HNO₃ đậm đặc ăn mòn, cần thao tác trong tủ hút với găng tay và kính bảo hộ.
Khí N₂O ít độc nhưng cần thông thoáng để tránh tích tụ.
FeO không bền, dễ oxi hóa thành Fe₂O₃ trong không khí ẩm. Dùng FeO mới điều chế.
Kiểm soát nhiệt độ để tránh tạo NO hoặc NO₂ do HNO₃ quá đậm đặc hoặc nhiệt độ quá cao.

Nhận Biết Phản Ứng

Hiện tượng quan sát được:

Chất rắn FeO (màu đen/xám đen) tan dần trong HNO₃ khi đun nóng.
Dung dịch chuyển màu vàng/nâu nhạt, đặc trưng của ion Fe³⁺ (do Fe(NO₃)₃).
Có khí không màu (N₂O) thoát ra, không mùi đặc trưng, khó nhận biết trực quan.

Kiểm chứng sản phẩm:

Fe³⁺: Lấy một ít dung dịch, thêm vài giọt kali thiocyanat (KSCN). Nếu xuất hiện màu đỏ máu, chứng tỏ có ion Fe³⁺, tức Fe(NO₃)₃.
N₂O: Dẫn khí qua que diêm đỏ đang cháy. Nếu que diêm bùng cháy mạnh, đó là dấu hiệu của N₂O (khí hỗ trợ cháy). Phương pháp này cần thực hiện cẩn thận trong phòng thí nghiệm.
Phân biệt Fe²⁺: Nếu có Fe²⁺ (do tạo Fe(NO₃)₂), thêm K₃[Fe(CN)₆] tạo kết tủa xanh (Turnbull’s blue), nhưng không tạo màu đỏ với KSCN.

Kiến Thức Mở Rộng Về Chất Cơ Chế Phản Ứng: Vai Trò Và Sự Tương Tác Của Từng Chất

FeO – tác nhân khử

Trong FeO, sắt tồn tại dưới dạng Fe²⁺, đây là trạng thái oxi hóa không bền vững tuyệt đối. Theo cấu hình điện tử, Fe²⁺ ([Ar]3d⁶) không phải là cấu hình bền, dễ bị oxi hóa thành Fe³⁺ ([Ar]3d⁵ – cấu hình bán bão hòa, bền về mặt năng lượng). Do đó, Fe²⁺ là một chất khử trung bình, có khả năng nhường electron trong điều kiện thích hợp.

HNO₃ – chất oxi hóa

Trong môi trường HNO₃ loãng, hai thành phần quan trọng tham gia phản ứng là H⁺ và NO₃⁻:

H⁺ – tạo môi trường thuận lợi cho phản ứng khử NO₃⁻:

Làm tăng tính tan và tính hoạt động của các sản phẩm trung gian
Proton hóa các gốc O trong NO₃⁻ giúp phá vỡ cấu trúc cộng hưởng, mở đường cho phản ứng khử
Ổn định các sản phẩm khử nitơ ở dạng khí thông qua tạo liên kết hydrogen với H₂O.

NO₃⁻ – nhận electron (chất oxi hóa thực sự):

Trong NO₃⁻, nitơ đang ở trạng thái oxi hóa +5, mức cao nhất về mặt lý thuyết của nguyên tử N.
N nằm ở chu kỳ 2, có bán kính nhỏ, mật độ điện tích cao, các orbital dễ tham gia vào phản ứng tái sắp xếp electron.
Do cấu trúc liên kết không bền (Gồm 3 liên kết N=O có tính cộng hưởng mạnh nhưng không ổn định do có 2 electron tự do, dễ bị bẻ gãy khi có H⁺ và tác nhân khử), NO₃⁻ có xu hướng nhận electron để trở về trạng thái oxi hóa thấp hơn, như NO (+2), N₂O (+1), N₂ (0) hoặc NH₃ (–3) tùy vào điều kiện và chất khử.
Trong phản ứng với Fe²⁺, nitrat bị khử về N₂O – một sản phẩm trung gian phổ biến khi nồng độ HNO₃ loãng và chất khử không quá mạnh.

Sản phẩm khử của HNO₃ và điều kiện tạo thành

Sản phẩm khử của HNO₃	Số oxh của N	Điều kiện hình thành
NO₂ (Nitơ đioxit)	+4	HNO₃ đặc, nhiệt độ cao, chất khử yếu
NO (Nitơ monoxit)	+2	HNO₃ loãng, chất khử trung bình (Fe²⁺, Cu, Zn)
N₂O (Dinitơ oxit)	+1	HNO₃ loãng, chất khử tương đối mạnh (FeO, thiếc)
N₂ (Khí nitơ)	0	HNO₃ loãng, chất khử mạnh hơn (Zn dư, Al dư)
NH₄⁺ (Ion amoni)	-3	HNO₃ loãng/đặc, chất khử cực mạnh (H₂S, Sn²⁺ dư, phản ứng mạnh mẽ

Vì sao NO₃⁻ loãng có tính oxi hóa mạnh, còn SO₄²⁻ loãng thì không?

So sánh mức oxi hóa và tính bền

Ion	Nguyên tử trung tâm	Số oxi hóa	Tính bền – Tính khử
NO₃⁻	Nitơ (N⁺⁵)	Rất cao	Không bền → Dễ khử
SO₄²⁻	Lưu huỳnh (S⁺⁶)	Rất cao	Bền → Rất khó khử

Nitơ có mức oxi hóa +5 là mức rất giàu năng lượng, dễ bị “rơi xuống” mức oxi hóa thấp hơn.
Lưu huỳnh ở +6 tuy cũng cao, nhưng các liên kết trong SO₄²⁻ (đặc biệt là 4 liên kết S=O cộng hưởng bền chặt) khiến ion này rất khó bị khử, nhất là trong môi trường loãng, không có chất khử mạnh.

So sánh cấu trúc phân tử

● NO₃⁻:

Gồm ba liên kết cộng hưởng N=O, phân bố điện tử không đều, dễ bị phá vỡ khi có mặt proton (H⁺).
N nằm ở chu kỳ 2, có bán kính nhỏ, mật độ điện tích cao, có mức năng lượng orbital thấp, khi bị chi phối bởi các tác nhân axit/kìm dễ tham gia vào phản ứng tái sắp xếp electron.

● SO₄²⁻:

Cấu trúc tetrahedron rất bền với 4 liên kết S=O mang tính π-đôi.
Lưu huỳnh là nguyên tử chu kỳ 3, có d-orbital nên các liên kết cộng hóa trị mở rộng giúp cấu trúc ổn định hơn, rất khó bị khử trừ khi gặp tác nhân khử cực mạnh hoặc môi trường đặc biệt.

Liên kết và năng lượng chuyển hóa

NO₃⁻ dễ dàng chấp nhận electron vì nitơ chưa có sự ổn định orbital đầy đủ → phản ứng khử dễ xảy ra
SO₄²⁻ không có xu hướng tham gia vào phản ứng oxi hóa – khử vì:
- Liên kết bền
- Không có khả năng proton hóa tạo sản phẩm trung gian
- Không nhận thêm electron một cách thuận lợi do cấu trúc rất ổn định và điện tích âm cao.

Vì vậy, trong các phản ứng oxi hóa – khử ở môi trường loãng, HNO₃ là tác nhân oxi hóa mạnh, trong khi H₂SO₄ chỉ thể hiện vai trò oxi hóa trong điều kiện đặc biệt (đặc, nóng).

Ứng Dụng

Minh họa phản ứng oxi hóa – khử, giúp học sinh hiểu vai trò oxi hóa của HNO₃.
Fe(NO₃)₃: Xử lý nước thải (keo tụ, loại bỏ phosphate), sản xuất thuốc nhuộm, xúc tác.
N₂O: Gây mê, chất tạo bọt, nhiên liệu động cơ.
HNO₃: Sản xuất phân bón, thuốc nổ, làm sạch kim loại.
Môi trường: Fe(NO₃)₃ xử lý nước thải, nhưng cần kiểm soát N₂O để giảm tác động nhà kính.

Bài Tập Vận Dụng

Đề bài: Cho 7,2 g FeO phản ứng hoàn toàn với HNO₃ đậm đặc vừa, nóng, theo phương trình: \[8FeO + 26HN{O_3} \to 8Fe{(N{O_3})_3} + N{}_2O \uparrow + 13{H_2}O\]. Tính:

a) Khối lượng Fe(NO₃)₃ thu được.
b) Thể tích khí N₂O thoát ra (đktc).

Giải:

Phương trình: \[8FeO + 26HN{O_3} \to 8Fe{(N{O_3})_3} + N{}_2O \uparrow + 13{H_2}O\]

a) Tính khối lượng Fe(NO₃)₃:

Số mol FeO: \[{n_{FeO}} = \frac{{7,2}}{{72}} = 0,1mol\].
Tỉ lệ mol FeO:Fe(NO₃)₃ = 4:4 = 1:1, nên \[{n_{Fe{{(N{O_3})}_3}}} = 0,1mol\].
Khối lượng phân tử Fe(NO₃)₃: \[{M_{Fe{{(N{O_3})}_3}}} = 56 + 3 \times (14 + 16 \times 3) = 242gram/mol\]
Khối lượng Fe(NO₃)₃: \[{m_{Fe{{(N{O_3})}_3}}} = 242 \times 0,1 = 24,2gram\].

Đáp số: Khối lượng Fe(NO₃)₃ thu được là 24,2 g.

b) Tính thể tích N₂O (đktc):

Tỉ lệ mol FeO:N₂O = 4:1, nên \[{n_{{N_2}O}} = \frac{{0,1}}{4} = 0,025mol\].
Ở đktc (0°C, 1 atm), 1 mol khí chiếm 22,4 L.
Thể tích N₂O: \[{V_{{N_2}O}} = 0,025 \times 22,4 = 0,56L\].

Đáp số: Thể tích N₂O thoát ra là 0,56 L

Gia Khang