Phản ứng giữa sắt (Fe) và axit clohydric (HCl) là một trong những phản ứng hóa học cơ bản và quan trọng trong chương trình hóa học phổ thông và nâng cao. Đặc biệt, trường hợp Fe + HCl dư có những điểm cần lưu ý để giải quyết bài tập một cách chính xác. Bài viết này sẽ đi sâu vào cơ chế phản ứng, các yếu tố ảnh hưởng và bài tập ví dụ minh họa.
Cơ chế phản ứng Fe + HCl
Khi cho sắt (Fe) tác dụng với dung dịch axit clohydric (HCl), xảy ra phản ứng oxi hóa khử. Sắt bị oxi hóa từ số oxi hóa 0 lên +2, còn ion H+ trong HCl bị khử thành khí hidro (H2). Phương trình phản ứng tổng quát như sau:
Fe + 2HCl → FeCl2 + H2
Trong trường hợp HCl dư, toàn bộ lượng sắt sẽ phản ứng hết, tạo thành muối sắt(II) clorua (FeCl2) và khí hidro. Dung dịch sau phản ứng sẽ chứa FeCl2 và HCl dư.
Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng Fe + HCl
Tốc độ phản ứng giữa Fe và HCl phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm:
- Nồng độ HCl: Nồng độ HCl càng cao, tốc độ phản ứng càng nhanh.
- Kích thước hạt Fe: Sắt ở dạng bột mịn sẽ phản ứng nhanh hơn so với sắt ở dạng khối.
- Nhiệt độ: Nhiệt độ tăng sẽ làm tăng tốc độ phản ứng.
- Chất xúc tác: Một số chất có thể làm tăng tốc độ phản ứng, nhưng thường không cần thiết trong trường hợp này.
Bài tập ví dụ về Fe + HCl dư
Để hiểu rõ hơn về phản ứng Fe + HCl dư, xét bài tập sau:
Hòa tan hoàn toàn m gam Fe vào 200 ml dung dịch HCl 2M. Sau phản ứng thu được dung dịch X và 4.48 lít khí H2 (đktc).
a) Tính khối lượng m của Fe đã phản ứng.
b) Tính nồng độ mol của các chất trong dung dịch X, biết rằng thể tích dung dịch không thay đổi sau phản ứng.
Giải:
a) Số mol H2 thu được: n(H2) = 4.48 / 22.4 = 0.2 mol
Theo phương trình phản ứng: Fe + 2HCl → FeCl2 + H2
Số mol Fe phản ứng = số mol H2 = 0.2 mol
Khối lượng Fe phản ứng: m = 0.2 * 56 = 11.2 gam
b) Số mol HCl ban đầu: n(HCl) = 0.2 * 2 = 0.4 mol
Số mol HCl phản ứng = 2 số mol Fe = 2 0.2 = 0.4 mol
Vì số mol HCl phản ứng bằng số mol HCl ban đầu, nên HCl phản ứng hết.
Số mol FeCl2 tạo thành = số mol Fe = 0.2 mol
Nồng độ mol của FeCl2 trong dung dịch X: [FeCl2] = 0.2 / 0.2 = 1M
Tinh chế FeCl2 từ phản ứng sắt và axit clohydric
Bài tập phức tạp hơn với Fe + HCl dư và AgNO3
Xét bài toán phức tạp hơn, thường gặp trong các đề thi:
Hòa tan Fe vào dung dịch HCl dư, sau phản ứng thu được dung dịch X có 2 chất tan với nồng độ mol bằng nhau và 0,2 mol H2. Nhỏ AgNO3 dư vào dung dịch X, sau khi phản ứng hoàn toàn thu được khí NO (sản phẩm khử duy nhất của N+5) và m gam kết tủa. Giá trị của m là bao nhiêu?
Giải:
Đầu tiên, viết phương trình phản ứng:
Fe + 2HCl → FeCl2 + H2
Theo đề bài, n(H2) = 0.2 mol => n(Fe) = 0.2 mol.
Vì dung dịch X có 2 chất tan với nồng độ mol bằng nhau, suy ra HCl dư và n(HCl dư) = n(FeCl2) = 0.2 mol.
Khi cho AgNO3 vào dung dịch X, xảy ra các phản ứng:
3Fe2+ + 4H+ + NO3- → 3Fe3+ + NO + 2H2O (1)
Fe2+ + Ag+ → Fe3+ + Ag (2)
Cl- + Ag+ → AgCl (3)
Tính số mol các chất:
n(FeCl2) = 0.2 mol => n(Fe2+) = 0.2 mol, n(Cl-) = 0.4 mol
n(HCl dư) = 0.2 mol => n(H+) = 0.2 mol, n(Cl-) = 0.2 mol
Tổng số mol Cl- = 0.4 + 0.2 = 0.6 mol
Xét phản ứng (1): Do có H+ và NO3- từ AgNO3, Fe2+ sẽ bị oxi hóa trước.
n(Fe2+ pư) = (3/4) n(H+) = (3/4) 0.2 = 0.15 mol
n(Fe2+ còn lại) = 0.2 – 0.15 = 0.05 mol
Xét phản ứng (2): Fe2+ còn lại tiếp tục phản ứng với Ag+
n(Ag) = n(Fe2+ còn lại) = 0.05 mol
Xét phản ứng (3): Cl- phản ứng hoàn toàn với Ag+
n(AgCl) = n(Cl-) = 0.6 mol
Tính khối lượng kết tủa:
m(Ag) = 0.05 * 108 = 5.4 gam
m(AgCl) = 0.6 * 143.5 = 86.1 gam
m = m(Ag) + m(AgCl) = 5.4 + 86.1 = 91.5 gam
Kết luận
Hiểu rõ bản chất phản ứng Fe + HCl dư và các phản ứng xảy ra sau đó (ví dụ như với AgNO3) là rất quan trọng để giải quyết các bài tập hóa học liên quan đến sắt và axit. Việc nắm vững các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng và cách tính toán số mol các chất tham gia và tạo thành sẽ giúp bạn tự tin hơn khi đối mặt với các bài toán khó.
