Phản ứng giữa Sắt (III) Hydroxide (Fe(OH)₃) và Axit Nitric (HNO₃) là một phản ứng trung hòa axit – bazơ đặc trưng, thể hiện tính chất của oxit bazơ. Fe(OH)₃ tác dụng với HNO₃ tạo ra muối Sắt(III) Nitrat (Fe(NO₃)₃) và nước (H₂O). Phản ứng giúp ta hiểu cách oxit kim loại phản ứng với axit mạnh, và có ứng dụng trong phân tích hóa học cũng như xử lý quặng sắt.
Phương Trình Hóa Học
Phương trình chưa cân bằng:
\[Fe{(OH)_3} + HN{O_3}_{(loãng)} \to Fe{(N{O_3})_3} + {H_2}O\]
Phương trình đã cân bằng:
\[Fe{(OH)_3} + 3HN{O_3}_{(loãng)} \to 2Fe{(N{O_3})_3} + 3{H_2}O\]
Trạng thái chất:
\[Fe{(OH)_3}_{(r)} + HN{O_3}_{(dd)} \to Fe{(N{O_3})_3}_{(dd)} + 3{H_2}{O_{(l)}}\]
Điều Kiện Phản Ứng
Nhiệt độ: Phản ứng xảy ra ở nhiệt độ thường, không cần chất xúc tác.
Nguyên Lý Phản Ứng
Đây là phản ứng trung hòa axit – bazơ:
Cơ chế:
HNO₃ phân ly hoàn toàn tạo ion H+:
\[HN{O_3} \to {H^ + } + N{O_3}^ – \]
nhóm OH⁻ trong Fe(OH)₃ phản ứng với H⁺ từ HNO₃, phá vỡ liên kết Fe-OH.
\[Fe{(OH)_3} + 6{H^ + } \to 2F{e^{3 + }} + 3{H_2}O\]
Fe³⁺ kết hợp với NO₃⁻ thành Fe(NO₃)₃.
Khái quát:
\[{H^ + } + {OH^ – } \to {H_2}O\]
Cách Thực Hiện Phản Ứng
Chuẩn bị:
- Sắt (III) Hydroxide (Fe(OH)₃) dạng bột mịn hoặc hematit tinh chế.
- Dung dịch HNO₃ loãng, nếu dùng HNO₃ đặc sẽ có tính nhớt làm giảm khả năng phản ứng.
- Dụng cụ: Ống nghiệm, bình phản ứng, đèn cồn hoặc bếp điện (nếu gia nhiệt), pipet, đũa thủy tinh.
- Thiết bị hỗ trợ: Tủ hút để xử lý hơi HNO₃, kính bảo hộ, găng tay chống axit.
Trình tự tiến hành:
- Cho một lượng Fe(OH)₃ (khoảng 1 – 2 g) vào ống nghiệm hoặc bình phản ứng.
- Thêm từ từ HNO₃ (khoảng 5 – 10 ml), khuấy đều bằng đũa thủy tinh.
- Quan sát phản ứng: Nếu phản ứng chậm, gia nhiệt nhẹ (50-80°C) bằng đèn cồn hoặc bếp điện.
- Quan sát hiện tượng: Fe(OH)₃ (màu đỏ gạch) tan dần, tạo dung dịch màu vàng/nâu nhạt (do Fe³⁺).
- Sau khi Fe(OH)₃ tan hoàn toàn, làm nguội dung dịch, kiểm tra sản phẩm Fe(NO₃)₃ bằng thuốc thử.
Lưu ý:
- HNO₃ có tính ăn mòn và oxi hóa mạnh, cần thao tác cẩn thận, tránh tiếp xúc da hoặc mắt.
- Fe(OH)₃ dạng bột mịn dễ gây bụi, cần xử lý trong môi trường thông thoáng.
- Nếu muốn thu Fe(NO₃)₃ dạng rắn, cô cạn dung dịch (trong điều kiện kiểm soát, tránh phân hủy).
Nhận Biết Phản Ứng
Hiện tượng quan sát được:
Chất rắn Fe(OH)₃ (màu đỏ gạch) tan dần trong HNO₃, tạo dung dịch màu vàng/nâu nhạt (do ion Fe³⁺).
Kiểm chứng sản phẩm:
Fe(NO₃)₃ (dung dịch chứa Fe³⁺):
Cách 1: Thêm NaOH hoặc NH₃: Phản ứng tạo kết tủa đỏ nâu (Fe(OH)₃), xác nhận có Fe³⁺.
Cách 2: Thêm vài giọt KSCN (kali thiocyanat) vào dung dịch: Dung dịch xuất hiện màu đỏ máu (do phức [Fe(SCN)]²⁺), chứng tỏ có Fe³⁺.
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, có cấu hình electron [Ar]3d⁵, và là một ion 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 ligand 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 oxalat (C₂O₄²⁻), một ligand lưỡng tính bidentate, Fe³⁺ tạo phức [Fe(C₂O₄)₃]³⁻ có tính bền vững cao do hiệu ứng vòng (chelate effect). Trong trường hợp của EDTA, một ligand 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 amphotere, tức có thể phản ứng với cả axit mạnh và bazơ mạnh. Trong môi trường axit (ví dụ như HNO₃), 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.
Phản ứng liên quan
Tác dụng với H₂SO₄:
\[2Fe{(OH)_3} + 3{H_2}S{O_4} \to F{e_2}{(S{O_4})_3} + 6{H_2}O\]
Tác dụng với HCl:
\[Fe{(OH)_3} + 3HCl \to FeC{l_3} + 3{H_2}O\]
Phản ứng nhận biết Fe³⁺:
\[Fe{(N{O_3})_3} + 3KSCN \to Fe{(SCN)_3}\downarrow + 3KN{O_3}\] (màu đỏ máu).
Hoặc kết tủa Fe³⁺: \[Fe{(N{O_3})_3} + 3NaOH \to Fe{(OH)_3} \downarrow + 3NaN{O_3}\]
Ứng Dụng
- Phòng thí nghiệm: Chuẩn bị dung dịch Fe³⁺ để phân tích hóa học (nhận biết ion, thí nghiệm định tính).
- Công nghiệp: Hòa tan Fe(OH)₃ trong quặng để tách sắt, phục vụ luyện kim.
- Xử lý môi trường: Fe(NO₃)₃ dùng trong xử lý nước thải, keo tụ chất lơ lửng.
Bài Tập Vận Dụng
Đề bài: Cho 10,7 g Fe(OH)₃ phản ứng hoàn toàn với HNO₃,Tính:
a) Thể tích dung dịch HNO₃ 2M cần dùng (lít).
b) Khối lượng Fe(NO₃)₃ thu được (g).
Giải:
Phương trình: \[Fe{(OH)_3} + 3HN{O_3}_{(loãng)} \to Fe{(N{O_3})_3} + 3{H_2}O\]
a) Thể tích HNO₃ 2M:
Số mol Fe(OH)₃:
\[{n_{Fe{(OH)_3}}} = \frac{10,7}{{107}} = 0,1mol\].
Tỉ lệ mol Fe(OH)₃:HNO₃ = 1:3, nên:
\[{n_{HN{O_3}}} = 0,1 \times 3 = 0,3mol\]
Thể tích HNO₃:
\[{V_{HN{O_3}}} = \frac{n}{{{C_M}}} = \frac{{0,3}}{2} = 0,15L\]
Đáp số: Thể tích HNO₃ cần dùng là 0,15 L (150 mL).
b) Khối lượng Fe(NO₃)₃:
Tỉ lệ mol Fe(OH)₃:Fe(NO₃)₃ = 1:1, nên:
\[{n_{Fe{{(N{O_3})}_3}}} = 0,1mol\].
Khối lượng phân tử Fe(NO₃)₃:
\[{M_{Fe{{(N{O_3})}_3}}} = 56 + (14 + 16 \times 3) \times 3 = 242{\rm{ }}gram/mol\].
Khối lượng Fe(NO₃)₃:
\[{m_{Fe{{(N{O_3})}_3}}} = 0,1 \times 242 = 24,2{\rm{ }}gram\].
Đáp số: Khối lượng Fe(NO₃)₃ thu được là 24,2 g.
