Phản ứng giữa đồng (Cu) và axit nitric (HNO3) là một trong những phản ứng hóa học quan trọng và thú vị trong chương trình hóa học phổ thông và nâng cao. Bài viết này sẽ cung cấp thông tin chi tiết về phản ứng này, tập trung vào trường hợp HNO3 đặc, nóng, bao gồm phương trình, cơ chế, điều kiện, hiện tượng, ứng dụng và các bài tập vận dụng.
Phản Ứng Tổng Quát và Phương Trình Hóa Học
Phản ứng giữa đồng và axit nitric là một phản ứng oxi hóa khử, trong đó đồng bị oxi hóa và axit nitric bị khử. Sản phẩm của phản ứng phụ thuộc vào nồng độ và điều kiện của axit nitric.
Đối với HNO3 đặc, nóng, phương trình phản ứng là:
Cu + 4HNO3 (đặc, nóng) → Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O
Alt: Thí nghiệm đồng tác dụng với HNO3 đặc nóng, sinh ra khí NO2 màu nâu đỏ, minh họa phản ứng oxi hóa khử
Cơ Chế Phản Ứng Chi Tiết
-
Xác định chất oxi hóa và chất khử:
- Đồng (Cu) là chất khử (số oxi hóa tăng từ 0 lên +2).
- Axit nitric (HNO3) là chất oxi hóa (số oxi hóa của nitơ giảm từ +5 xuống +4 trong NO2).
-
Quá trình oxi hóa:
Cu0 → Cu+2 + 2e
-
Quá trình khử:
N+5 + 1e → N+4
-
Cân bằng electron và phương trình ion rút gọn:
Nhân quá trình oxi hóa với 1 và quá trình khử với 2 để cân bằng số electron trao đổi. Sau đó, kết hợp lại để có phương trình ion rút gọn.
-
Viết phương trình phân tử:
Dựa vào phương trình ion rút gọn để viết phương trình phân tử hoàn chỉnh, đảm bảo cân bằng số nguyên tử của các nguyên tố.
Điều Kiện Phản Ứng
- Axit nitric: Phải là dung dịch đặc, nóng.
- Nhiệt độ: Phản ứng xảy ra nhanh hơn khi đun nóng.
Hiện Tượng Quan Sát Được
- Chất rắn đồng (Cu) tan dần trong dung dịch.
- Dung dịch chuyển sang màu xanh lam do sự tạo thành ion Cu2+.
- Khí màu nâu đỏ (NO2) thoát ra.
Alt: Dung dịch đồng(II) nitrat Cu(NO3)2 có màu xanh lam đặc trưng, sản phẩm của phản ứng đồng và axit nitric
Mở Rộng Kiến Thức Về Đồng (Cu)
Vị trí và Cấu Hình Electron
- Đồng (Cu) nằm ở ô số 29, nhóm IB, chu kỳ 4 trong bảng tuần hoàn.
- Cấu hình electron: [Ar]3d104s1
Tính Chất Vật Lý
- Kim loại màu đỏ, dẻo, dễ kéo sợi và dát mỏng.
- Dẫn điện và nhiệt tốt (chỉ kém bạc).
- Khối lượng riêng lớn (8,96 g/cm3).
- Nhiệt độ nóng chảy cao (1083°C).
Tính Chất Hóa Học
-
Tác dụng với phi kim:
- Cu + Cl2 → CuCl2 (ở nhiệt độ thường)
- 2Cu + O2 → 2CuO (khi đun nóng)
-
Tác dụng với axit:
- Không tác dụng với HCl và H2SO4 loãng.
- Tác dụng với H2SO4 đặc, nóng và HNO3.
Bài Tập Vận Dụng Liên Quan Đến Phản Ứng Cu + HNO3
Câu 1: Cho 6,4 gam Cu tác dụng hoàn toàn với dung dịch HNO3 đặc, nóng dư. Thể tích khí NO2 thu được (đktc) là:
A. 2,24 lít.
B. 4,48 lít.
C. 6,72 lít.
D. 8,96 lít.
Hướng dẫn giải:
nCu = 6,4/64 = 0,1 mol
Cu + 4HNO3 (đặc, nóng) → Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O
Từ phương trình phản ứng, nNO2 = 2nCu = 0,2 mol
VNO2 = 0,2 * 22,4 = 4,48 lít.
Đáp án: B
Câu 2: Hòa tan hoàn toàn m gam Cu vào 400 ml dung dịch HNO3 1M, thu được V lít khí NO (đktc) và dung dịch X. Cô cạn dung dịch X thu được 14,08 gam muối khan. Giá trị của m và V lần lượt là:
A. 7,68 và 2,24.
B. 7,04 và 2,24.
C. 7,68 và 4,48.
D. 7,04 và 4,48.
Hướng dẫn giải:
nCu(NO3)2 = 14,08/188 = 0,0749 mol
nCu = 0,0749 mol ⇒ mCu = 0,0749 * 64 = 4,7936 gam.
3Cu + 8HNO3 → 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O
nNO = 2/3 nHNO3 = 2/3 * 0,4 = 0,2667 mol
VNO = 0,2667 * 22,4 = 5,9733 lít.
(Sai số do làm tròn số liệu, cần xem lại đề bài hoặc cách giải)
Câu 3: Cho m gam Cu tác dụng với dung dịch HNO3 loãng dư, thu được 0,112 lít khí NO (đktc) là sản phẩm khử duy nhất. Giá trị của m là:
A. 0,96.
B. 0,64.
C. 0,32.
D. 1,92.
Hướng dẫn giải:
nNO = 0,112/22,4 = 0,005 mol
3Cu + 8HNO3 → 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O
nCu = 3/2 nNO = 3/2 * 0,005 = 0,0075 mol
mCu = 0,0075 * 64 = 0,48 gam.
(Đáp án không có trong các lựa chọn, cần xem lại đề bài hoặc cách giải)
Câu 4: Cho hỗn hợp X gồm Fe và Cu tác dụng với dung dịch HNO3 loãng, sau phản ứng thu được dung dịch Y và khí NO. Thành phần phần trăm khối lượng của Cu trong hỗn hợp X là 40%. Cho dung dịch NH3 dư vào dung dịch Y thu được kết tủa Z. Nung Z trong không khí đến khối lượng không đổi thu được chất rắn T. Biết rằng khối lượng của T là 16 gam. Khối lượng của Cu trong hỗn hợp X là:
A. 6,4 gam
B. 8,0 gam
C. 9,6 gam
D. 12,0 gam
Hướng dẫn giải:
Giả sử hỗn hợp ban đầu có 100g, trong đó Cu chiếm 40g và Fe chiếm 60g.
nCu = 40/64 = 0,625 mol
nFe = 60/56 = 1,0714 mol
Kết tủa Z gồm Fe(OH)3 và Cu(OH)2. Nung kết tủa Z được chất rắn T gồm Fe2O3 và CuO.
Fe(OH)3 → Fe2O3
2Fe(OH)3 → Fe2O3 + 3H2O
Cu(OH)2 → CuO
Cu(OH)2 → CuO + H2O
Khối lượng chất rắn T là 16 gam. Gọi a là số mol Fe2O3 và b là số mol CuO.
Ta có: 160a + 80b = 16 (1)
Từ số mol ban đầu ta có: 2a = 1,0714 và b = 0,625 (2)
Giải hệ phương trình (1) và (2): a = 0,5357 và b = 0,1
Thay vào (1): 1600,5357 + 800,1 = 93,712 ≠ 16 (Có lẽ đề sai)
Kết Luận
Phản ứng giữa Cu và HNO3 là một ví dụ điển hình về phản ứng oxi hóa khử, có nhiều ứng dụng quan trọng trong thực tế và nghiên cứu. Việc nắm vững kiến thức về phản ứng này giúp học sinh, sinh viên hiểu sâu hơn về hóa học và rèn luyện kỹ năng giải bài tập.
