Phản ứng giữa đồng (Cu) và axit nitric (HNO3) là một trong những phản ứng hóa học quan trọng và thường gặp trong chương trình hóa học phổ thông và đại cương. Đặc biệt, phản ứng này thể hiện rõ tính chất oxi hóa mạnh của HNO3 và tính khử của Cu. Bài viết này sẽ đi sâu vào cơ chế phản ứng, các yếu tố ảnh hưởng và các bài tập vận dụng liên quan đến phản ứng “Cu Tác Dụng Với Hno3”.
Phản Ứng Tổng Quát và Điều Kiện
Phản ứng giữa Cu và HNO3 là phản ứng oxi hóa khử, trong đó Cu bị oxi hóa và HNO3 bị khử. Sản phẩm của phản ứng phụ thuộc vào nồng độ và nhiệt độ của HNO3.
-
Với HNO3 đặc, nóng:
Cu + 4HNO3 (đặc, nóng) → Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O
-
Với HNO3 loãng:
3Cu + 8HNO3 (loãng) → 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O
Ảnh: Minh họa thí nghiệm đồng tác dụng với axit nitric đặc, nóng, tạo ra khí nitơ đioxit có màu nâu đỏ đặc trưng.
Điều kiện phản ứng:
- HNO3 đặc: Phản ứng xảy ra ngay ở nhiệt độ thường hoặc khi đun nóng nhẹ.
- HNO3 loãng: Phản ứng xảy ra chậm hơn và cần đun nóng để tăng tốc độ phản ứng.
Cơ Chế Phản Ứng và Cân Bằng Phương Trình
Phản ứng với HNO3 đặc
-
Xác định chất oxi hóa và chất khử:
- Cu là chất khử (số oxi hóa tăng từ 0 lên +2)
- HNO3 là chất oxi hóa (số oxi hóa của N giảm từ +5 xuống +4)
-
Viết quá trình oxi hóa và khử:
- Oxi hóa: Cu0 → Cu+2 + 2e
- Khử: N+5 + 1e → N+4
-
Cân bằng electron:
- Nhân quá trình oxi hóa với 1 và quá trình khử với 2 để số electron cho bằng số electron nhận.
-
Viết phương trình ion thu gọn:
Cu + 2NO3- + 4H+ → Cu2+ + 2NO2 + 2H2O
-
Viết phương trình phân tử:
Cu + 4HNO3 (đặc) → Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O
Phản ứng với HNO3 loãng
-
Xác định chất oxi hóa và chất khử:
- Cu là chất khử (số oxi hóa tăng từ 0 lên +2)
- HNO3 là chất oxi hóa (số oxi hóa của N giảm từ +5 xuống +2)
-
Viết quá trình oxi hóa và khử:
- Oxi hóa: Cu0 → Cu+2 + 2e
- Khử: N+5 + 3e → N+2
-
Cân bằng electron:
- Nhân quá trình oxi hóa với 3 và quá trình khử với 2 để số electron cho bằng số electron nhận.
-
Viết phương trình ion thu gọn:
3Cu + 2NO3- + 8H+ → 3Cu2+ + 2NO + 4H2O
-
Viết phương trình phân tử:
3Cu + 8HNO3 (loãng) → 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O
Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Phản Ứng
- Nồng độ HNO3: HNO3 đặc cho sản phẩm khử là NO2, trong khi HNO3 loãng cho sản phẩm khử là NO.
- Nhiệt độ: Nhiệt độ cao làm tăng tốc độ phản ứng.
- Diện tích bề mặt của Cu: Cu ở dạng bột mịn phản ứng nhanh hơn so với Cu ở dạng khối.
- Khuấy trộn: Khuấy trộn giúp tăng khả năng tiếp xúc giữa Cu và HNO3, làm tăng tốc độ phản ứng.
Ứng Dụng Thực Tế
Phản ứng giữa Cu và HNO3 có nhiều ứng dụng trong thực tế, bao gồm:
- Sản xuất muối đồng(II) nitrat (Cu(NO3)2): Cu(NO3)2 được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như mạ điện, sản xuất thuốc trừ sâu và chất xúc tác.
- Phân tích hóa học: Phản ứng được sử dụng để nhận biết ion nitrat (NO3-) trong dung dịch.
- Điều chế khí NO và NO2: Trong phòng thí nghiệm, phản ứng được sử dụng để điều chế khí NO và NO2.
Bài Tập Vận Dụng
Câu 1: Cho 6,4 gam Cu tác dụng hoàn toàn với dung dịch HNO3 đặc, nóng dư. Tính thể tích khí NO2 thu được ở điều kiện tiêu chuẩn.
Giải:
nCu = 6,4 / 64 = 0,1 mol
Phương trình phản ứng:
Cu + 4HNO3 (đặc, nóng) → Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O
Theo phương trình, nNO2 = 2nCu = 2 * 0,1 = 0,2 mol
Vậy, VNO2 = 0,2 * 22,4 = 4,48 lít
Câu 2: Hòa tan hoàn toàn 19,2 gam Cu vào dung dịch HNO3 loãng, thu được V lít khí NO (sản phẩm khử duy nhất, ở đktc). Giá trị của V là:
Giải:
nCu = 19,2 / 64 = 0,3 mol
Phương trình phản ứng:
3Cu + 8HNO3 (loãng) → 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O
Theo phương trình, nNO = (2/3)nCu = (2/3) * 0,3 = 0,2 mol
Vậy, VNO = 0,2 * 22,4 = 4,48 lít
Câu 3: Cho m gam Cu tác dụng với 200 ml dung dịch HNO3 1M, sau phản ứng thu được 4,48 lít khí NO (đktc) và dung dịch X. Tính m.
Giải:
nNO = 4,48 / 22,4 = 0,2 mol
nHNO3 = 0,2 * 1 = 0,2 mol
Phương trình phản ứng:
3Cu + 8HNO3 (loãng) → 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O
Theo phương trình, nCu = (3/2)nNO = (3/2) * 0,2 = 0,3 mol
Vậy, mCu = 0,3 * 64 = 19,2 gam
Ảnh: Hình ảnh dung dịch đồng(II) nitrat Cu(NO3)2 có màu xanh lam đặc trưng.
Câu 4: Hỗn hợp X gồm Cu và Fe có khối lượng 20 gam. Cho X tác dụng với dung dịch HNO3 loãng dư, thu được 6,72 lít khí NO (đktc) là sản phẩm khử duy nhất. Tính phần trăm khối lượng của Cu trong X.
Giải:
Gọi số mol của Cu và Fe trong X lần lượt là x và y mol.
Ta có hệ phương trình:
- 64x + 56y = 20 (khối lượng hỗn hợp)
- 2x + 3y = 3 * (6,72 / 22,4) = 0,9 (số mol electron trao đổi)
Giải hệ phương trình trên, ta được: x = 0,15 và y = 0,2
Vậy, mCu = 0,15 * 64 = 9,6 gam
%mCu = (9,6 / 20) * 100% = 48%
Kết Luận
Phản ứng giữa Cu và HNO3 là một ví dụ điển hình về phản ứng oxi hóa khử trong hóa học vô cơ. Việc hiểu rõ cơ chế, điều kiện phản ứng và các yếu tố ảnh hưởng giúp chúng ta nắm vững kiến thức và vận dụng giải quyết các bài tập liên quan. Hy vọng bài viết này cung cấp cho bạn đọc cái nhìn tổng quan và chi tiết về phản ứng quan trọng này.
