Phản ứng giữa sắt(III) hiđroxit (Fe(OH)₃) và axit clohiđric (HCl) là một phản ứng axit – bazơ điển hình. Đây là quá trình trung hòa trong đó bazơ ít tan phản ứng với axit mạnh tạo thành muối và nước. Phản ứng này phản ánh rõ vai trò của proton (H⁺) trong môi trường axit và phản ứng trao đổi ion giữa các chất điện li.
Phương Trình Hóa Học
Phương trình chưa cân bằng:
\[Fe{(OH)_3} + HCl_{(loãng)} \to FeCl_3 + {H_2}O\]
Phương trình đã cân bằng:
\[Fe{(OH)_3} + 3HCl_{(loãng)} \to FeCl_3 + 3{H_2}O\]
Trạng thái chất:
\[Fe{(OH)_3}_{(r)} + HCl_{(dd)} \to {FeCl_3}_{(dd)} + {H_2}{O_{(l)}}\]
Điều Kiện Phản Ứng
Phản ứng diễn ra ở điều kiện thường, không cần chất xúc tác.
Nguyên Lý Phản Ứng
Phản ứng giữa Fe(OH)₃ và HCl là phản ứng trung hòa giữa bazơ không tan và axit mạnh. Trong dung dịch, HCl phân li hoàn toàn tạo ra ion H⁺ và Cl⁻. Các ion H⁺ sẽ phản ứng với các nhóm OH⁻ trong mạng tinh thể Fe(OH)₃ để tạo thành phân tử nước. Quá trình này làm phá vỡ liên kết trong cấu trúc kết tủa Fe(OH)₃, từ đó dẫn đến sự hòa tan của kết tủa và hình thành muối tan là FeCl₃.
Cơ chế:
HCl phân ly hoàn toàn tạo ion H+:
\[HCl \to {H^ + } + Cl^- \]
nhóm OH⁻ trong Fe(OH)₃ phản ứng với H⁺ từ HCl, phá vỡ liên kết Fe-OH.
\[Fe{(OH)_3} + 3{H^ + } \to F{e^{3 + }} + 3{H_2}O\]
Fe³⁺ kết hợp với Cl⁻ thành FeCl₃.
Khái quát:
\[{H^ + } + {OH^ – } \to {H_2}O\]
Cách thực hiện phản ứng
Chuẩn bị hóa chất và dụng cụ
- Dung dịch axit clohiđric (HCl) nồng độ loãng (khoảng 1M)
- Mẫu rắn Fe(OH)₃ (có thể điều chế sẵn bằng phản ứng giữa muối sắt(III) và bazơ như NaOH)
- Ống nghiệm, kẹp gỗ, giá đỡ ống nghiệm, ống nhỏ giọt
- Cốc thủy tinh, đũa thủy tinh, giấy quỳ tím
Trình tự tiến hành
Nếu chưa có sẵn Fe(OH)₃: Chuẩn bị kết tủa Fe(OH)₃ bằng cách nhỏ từ từ dung dịch NaOH vào dung dịch FeCl₃ cho đến khi kết tủa ngừng xuất hiện. Lọc, rửa sạch kết tủa bằng nước cất để loại bỏ ion dư, sau đó để khô.
Cho một lượng nhỏ Fe(OH)₃ (dạng ẩm hoặc đã sấy khô) vào ống nghiệm sạch.
Dùng ống nhỏ giọt, nhỏ từ từ dung dịch HCl vào ống nghiệm chứa Fe(OH)₃. Lắc nhẹ để các chất phản ứng với nhau.
Quan sát hiện tượng trong quá trình thêm axit.
Lưu ý an toàn
Axit Clohidric HCl là chất ăn mòn, cần thao tác cẩn thận, tránh tiếp xúc trực tiếp với da và mắt.
Khi trộn axit với bazơ, nên thêm axit vào bazơ từ từ để tránh phản ứng mạnh.
Sử dụng găng tay, kính bảo hộ và làm việc tại nơi thông thoáng hoặc có tủ hút khí.
Nhận biết phản ứng
Hiện tượng quan sát được
Ban đầu, Fe(OH)₃ tồn tại dưới dạng kết tủa rắn, có màu nâu đỏ.
Khi nhỏ từ từ dung dịch HCl vào, kết tủa dần tan ra, tạo thành dung dịch đồng nhất có màu vàng nhạt đến vàng nâu, đặc trưng của muối sắt(III) clorua (FeCl₃).
Không có khí thoát ra, không sủi bọt.
Phương pháp nhận biết sản phẩm
Thử dung dịch sau phản ứng bằng giấy quỳ tím: Dung dịch chứa FeCl₃ có môi trường axit yếu do thủy phân muối, quỳ tím chuyển sang màu đỏ nhạt.
Phản ứng với dung dịch NaOH: Nhỏ vài giọt NaOH vào dung dịch sản phẩm sau phản ứng sẽ xuất hiện lại kết tủa nâu đỏ của Fe(OH)₃, chứng tỏ sự có mặt của ion Fe³⁺ trong dung dịch.
Dựa vào tính chất màu: Dung dịch FeCl₃ có màu vàng nâu đặc trưng, có thể phân biệt bằng mắt thường.
Hóa học phức chất và ion kim loại chuyển tiếp – Trường hợp của Fe³⁺
Ion Fe³⁺ là một ion kim loại chuyển tiếp điển hình (Nhóm B), có cấu hình electron [Ar]3d⁵, và là một ion bán kính nhỏ với điện tích cao. Đặc điểm này khiến Fe³⁺ có xu hướng hút mạnh các phân tử phân cực, đặc biệt là H₂O, tạo nên các phức chất hydrate trong dung dịch nước. Một phức chất phổ biến là [Fe(H₂O)₆]³⁺, trong đó sáu phân tử nước liên kết với ion Fe³⁺ theo dạng phối trí bát diện.
Phức [Fe(H₂O)₆]³⁺ mang tính axit mạnh do khả năng hút electron từ các liên kết O–H của nước phối trí. Quá trình này dẫn đến sự thủy phân tạo ra ion H₃O⁺:
\[{{[Fe({H_2}O)_6}]^{3 + }} + {H_2}O \leftrightarrow {{[Fe({H_2}O)_5}(OH)]^{2 + }} + {{H_3}O^ +}\]
Phản ứng thủy phân này có hằng số cân bằng tương đối lớn do điện tích cao của ion Fe³⁺. Sự hiện diện của các ion hydroxit trong dung dịch làm dịch chuyển cân bằng về bên phải, thúc đẩy quá trình thủy phân và có thể dẫn đến kết tủa Fe(OH)₃ nếu nồng độ OH⁻ đủ lớn.
Fe³⁺ cũng có khả năng tạo phức với nhiều phối tử khác ngoài nước. Ví dụ, khi phản ứng với ion SCN⁻, một ligand mềm, sẽ tạo thành phức chất màu máu đỏ [Fe(SCN)]²⁺, thường được sử dụng trong phân tích định tính. Với oxalate (C₂O₄²⁻), một phối tử lưỡng tính bidentate (là những phối tử mà trong đó hai nguyên tử phối hợp với trung tâm kim loại), Fe³⁺ tạo phức [Fe(C₂O₄)₃]³⁻ có tính bền vững cao do hiệu ứng vòng. Trong trường hợp của EDTA, một phối tử mạnh đa càng, sự tạo thành phức [Fe(EDTA)]⁻ là hằng định, ổn định trong dải pH rộng và thường được dùng để chuẩn độ Fe³⁺ trong hóa phân tích.
Tác động của pH đến sự hình thành và ổn định của phức chất là rất rõ rệt. Ở pH thấp, ligand như OH⁻ hay EDTA tồn tại ở dạng proton hóa, làm giảm khả năng phối trí với Fe³⁺. Ở pH trung tính đến hơi kiềm, sự phối trí trở nên mạnh hơn, nhưng nếu pH quá cao, Fe³⁺ có thể tạo kết tủa dưới dạng Fe(OH)₃, làm giảm khả năng tạo phức trong dung dịch. Do đó, việc kiểm soát pH là điều kiện thiết yếu để đảm bảo phức Fe³⁺ được hình thành và duy trì trong dung dịch.
Thủy phân và cân bằng axit – bazơ nâng cao – Trường hợp của Fe(OH)₃
Fe(OH)₃ là một hydroxide không tan điển hình của kim loại chuyển tiếp hóa trị III. Trong nước, nó hiện diện chủ yếu dưới dạng kết tủa amorphous màu nâu đỏ, hình thành khi pH dung dịch đạt đến giá trị đủ để gây ra quá trình kết tủa từ ion Fe³⁺:
\[F{e^{3 + }} + 3O{H^ −} \leftrightarrow Fe{(OH)^3} \downarrow\]
Đây là phản ứng thuận nghịch, và độ tan của Fe(OH)₃ phụ thuộc trực tiếp vào hằng số tích số tan Ksp. Theo dữ liệu từ NIST, giá trị Ksp của Fe(OH)₃ vào khoảng 2.79 × 10⁻³⁹ (mol/L)⁴, cho thấy nó gần như không tan trong nước. Dựa vào biểu thức:
\[{K_{sp}} = [F{e^{3 + }}]{[O{H^ −}]^3} = 2,79 × 10^{-39} (mol/L)^4\]
ta có thể xác định nồng độ OH⁻ tối thiểu cần thiết để bắt đầu quá trình kết tủa, từ đó tính ra giá trị pH kết tủa. Khi [Fe³⁺] là 0.001 M, việc thay vào biểu thức sẽ cho pH kết tủa rơi vào khoảng 3.2 – 3.5, tùy điều kiện thực nghiệm.
Fe(OH)₃ còn mang tính lưỡng tính (amphotere), tức có thể phản ứng với cả axit mạnh và bazơ mạnh. Trong môi trường axit (ví dụ như H₂SO₄), Fe(OH)₃ tan ra theo phản ứng:
\[Fe{(OH)^3} \downarrow + 3{H^ +} \to F{e^{3 + }} + 3{H_2}O\]
Ngược lại, trong môi trường kiềm mạnh, có thể tạo thành các ion phức hydroxo:
\[Fe{(OH)_3} \downarrow + O{H^ -} \to {[Fe{(OH)_4}]^ -}\]
Điều này làm cho biểu đồ độ tan của Fe(OH)₃ theo pH có dạng hình chữ U, với độ tan cao ở pH rất thấp (dư H⁺) và rất cao (dư OH⁻), và cực tiểu độ tan ở pH trung tính.
Để mô hình hóa độ tan theo pH một cách định lượng, ta có thể kết hợp phương trình Ksp với các biểu thức cân bằng axit–bazơ của nước:
\[K_w = [{H^ +}][O{H^ -}] = 10^{-14}\]
Và dùng phương pháp thế số, logarit hóa để biểu diễn mối quan hệ [Fe³⁺]–pH–[OH⁻] trên hệ trục tọa độ, từ đó xây dựng được đường cong phân bố các dạng tồn tại của sắt trong dung dịch theo pH. Những đường cong này là công cụ quan trọng trong phân tích hóa học môi trường, xử lý nước và thiết kế các quy trình thu hồi hoặc loại bỏ sắt.
Bài tập vận dụng
Đề bài: Cho 4,28 gam Fe(OH)₃ phản ứng hoàn toàn với dung dịch HCl dư.
a. Viết phương trình hóa học.
b. Tính thể tích dung dịch HCl 2M cần dùng.
c. Tính khối lượng mỗi muối tạo thành sau phản ứng.
Lời giải:
a) Phương trình hóa học:
\[Fe{(OH)_3} + 3HCl \to FeCl_3 + 3{H_2}O\]
b) Tính số mol Fe(OH)₃:
\[{M_{Fe(OH)_3}} = 56 + (16 + 1) \times 3 = 107\]
\[{n_{Fe(OH)_3}} = \frac{{4,28}}{{107}} = 0,04\]
Theo phương trình trên, ta có tỉ lệ phản ứng giữa Fe(OH)₃ : HCl = 1:3 nên
\[{n_{HCl}} = 0,04 \times 3 = 0,12mol\]
\[{V_{HCl}} = \frac{{0,12}}{2} = 0,06L\]
c) Tính khối lượng muối:
Theo phương trình trên, cứ mỗi mol Fe(OH)₃ phản ứng sinh ra 1 mol FeCl₃:
\[{n_{FeC{l_3}}} = {n_{Fe{(OH)_3}}} = 0,04mol\]
\[{m_{FeC{l_3}}} = 0,04 \times (56 + 35,5 \times 3) = 6,5gram\]
