Phản ứng giữa đồng (Cu) và axit nitric loãng (HNO3 loãng) là một thí nghiệm hóa học phổ biến, thể hiện tính oxi hóa mạnh của HNO3. Phản ứng này không chỉ quan trọng trong học tập mà còn có nhiều ứng dụng trong thực tế. Dưới đây là phương trình phản ứng, cơ chế, điều kiện thực hiện và các bài tập vận dụng liên quan đến phản ứng của Cu với HNO3 loãng.
Phương Trình Phản Ứng
Phương trình hóa học tổng quát cho phản ứng giữa đồng và axit nitric loãng là:
3Cu + 8HNO3 (loãng) → 3Cu(NO3)2 + 2NO↑ + 4H2O
Chi Tiết Quá Trình Phản Ứng
Cân Bằng Phương Trình Phản Ứng
Để cân bằng phương trình này, ta thực hiện các bước sau:
-
Xác định sự thay đổi số oxi hóa:
- Cu⁰ → Cu⁺² (Đồng bị oxi hóa)
- N⁺⁵ → N⁺² (Nitơ trong HNO3 bị khử)
-
Viết quá trình oxi hóa và khử:
- Oxi hóa: Cu⁰ → Cu⁺² + 2e
- Khử: N⁺⁵ + 3e → N⁺²
-
Cân bằng số electron trao đổi:
- 3 x (Cu⁰ → Cu⁺² + 2e)
- 2 x (N⁺⁵ + 3e → N⁺²)
-
Kết hợp và cân bằng phương trình:
- 3Cu + 8HNO3 → 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O
Phương Trình Ion Thu Gọn
Phương trình ion thu gọn của phản ứng:
3Cu + 8H⁺ + 2NO₃⁻ → 3Cu²⁺ + 2NO↑ + 4H₂O
Điều Kiện Phản Ứng
Phản ứng xảy ra ở điều kiện thường, không cần đun nóng. Để phản ứng diễn ra hiệu quả, axit nitric cần ở trạng thái loãng.
Cách Tiến Hành
- Chuẩn bị một ống nghiệm chứa các mảnh đồng (Cu).
- Nhỏ từ từ dung dịch axit nitric loãng vào ống nghiệm.
Hiện Tượng
Khi cho Cu tác dụng với HNO3 loãng, ta quan sát được các hiện tượng sau:
-
Kim loại đồng tan dần.
-
Dung dịch chuyển sang màu xanh lam do sự tạo thành của Cu(NO3)2.
-
Khí không màu NO thoát ra, sau đó hóa nâu ngoài không khí do phản ứng với oxi:
2NO(k) + O2(k) → 2NO2(k) (màu nâu đỏ)
Vai Trò Các Chất Trong Phản Ứng
- Cu: Chất khử (bị oxi hóa)
- HNO3: Chất oxi hóa (bị khử)
Tính Chất Hóa Học Liên Quan
Tính Chất Hóa Học Của HNO3
-
Tính axit:
-
HNO3 là một axit mạnh, tan hoàn toàn trong nước, phân ly thành H⁺ và NO₃⁻.
-
Tác dụng với bazơ, oxit bazơ, và muối của axit yếu hơn.
Ví dụ:
CuO + 2HNO3 → Cu(NO3)2 + H2O
CaCO3 + 2HNO3 → Ca(NO3)2 + CO2 + H2O
-
-
Tính oxi hóa mạnh:
HNO3 là một chất oxi hóa mạnh, đặc biệt khi ở nồng độ cao và nhiệt độ cao.
-
Tác dụng với kim loại:
Phản ứng với hầu hết kim loại (trừ Au và Pt) tạo ra muối nitrat, nước và sản phẩm khử của nitơ (NO2, NO, N2O, N2, NH4NO3).
- HNO3 loãng thường tạo ra NO.
- HNO3 đặc thường tạo ra NO2.
-
Tác dụng với phi kim:
Oxi hóa nhiều phi kim như S, C, P.
Ví dụ:
S + 6HNO3 → H2SO4 + 6NO2 + 2H2O
C + 4HNO3 → CO2 + 4NO2 + 2H2O
-
Tác dụng với hợp chất:
Oxi hóa hợp chất vô cơ và hữu cơ.
Ví dụ:
4HNO3 + FeO → Fe(NO3)3 + NO2 + 2H2O
-
Tính Chất Hóa Học Của Đồng
-
Tác dụng với phi kim:
Đồng phản ứng với một số phi kim như clo, oxi, lưu huỳnh khi đun nóng.
Cu + Cl2 → CuCl2
2Cu + O2 → 2CuO
-
Tác dụng với axit:
Đồng không tác dụng với axit HCl và H2SO4 loãng.
Với H2SO4 đặc, nóng và HNO3, đồng thể hiện tính khử.
Cu + 2H2SO4 đặc → CuSO4 + SO2 + 2H2O
Cu + 4HNO3 đặc → Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O
3Cu + 8HNO3 loãng → 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O
Bài Tập Vận Dụng
Câu 1: Cho 6,4 gam Cu tác dụng với dung dịch HNO3 loãng dư, thể tích khí NO thu được ở điều kiện tiêu chuẩn là:
A. 1,12 lít
B. 2,24 lít
C. 3,36 lít
D. 4,48 lít
Hướng dẫn giải
Số mol Cu = 6,4/64 = 0,1 mol
3Cu + 8HNO3 → 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O
Từ phương trình, số mol NO = (2/3) số mol Cu = (2/3) 0,1 = 0,067 mol
Thể tích NO = 0,067 * 22,4 = 1,493 lít (gần 1,12 lít nhất)
Đáp án đúng là: A
Câu 2: Cho m gam Cu tác dụng với 100 ml dung dịch HNO3 2M, sau phản ứng thu được 4,48 lít khí NO (đktc). Giá trị của m là:
A. 9,6 gam
B. 19,2 gam
C. 14,4 gam
D. 28,8 gam
Hướng dẫn giải
Số mol HNO3 = 0,1 * 2 = 0,2 mol
Số mol NO = 4,48/22,4 = 0,2 mol
3Cu + 8HNO3 → 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O
Từ phương trình, số mol Cu = (3/2) số mol NO = (3/2) 0,2 = 0,3 mol
Khối lượng Cu = 0,3 * 64 = 19,2 gam
Đáp án đúng là: B
Câu 3: Cho 19,2 gam Cu tác dụng với 500 ml dung dịch HNO3 loãng 2M. Sau khi phản ứng hoàn toàn, thể tích khí NO thoát ra (đktc) là:
A. 4,48 lít
B. 3,36 lít
C. 2,24 lít
D. 1,12 lít
Hướng dẫn giải
Số mol Cu = 19,2/64 = 0,3 mol
Số mol HNO3 = 0,5 * 2 = 1 mol
3Cu + 8HNO3 → 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O
Số mol Cu cần = (3/8) số mol HNO3 = (3/8) 1 = 0,375 mol > 0,3 mol
Vậy Cu hết, HNO3 dư
Số mol NO = (2/3) số mol Cu = (2/3) 0,3 = 0,2 mol
Thể tích NO = 0,2 * 22,4 = 4,48 lít
Đáp án đúng là: A
Câu 4: Cho m gam Cu tác dụng với dung dịch HNO3 loãng dư thu được 4,48 lít khí NO (đktc). Giá trị của m là:
A. 9,6 gam
B. 19,2 gam
C. 14,4 gam
D. 28,8 gam
Hướng dẫn giải
Số mol NO = 4,48/22,4 = 0,2 mol
3Cu + 8HNO3 → 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O
Từ phương trình, số mol Cu = (3/2) số mol NO = (3/2) 0,2 = 0,3 mol
Khối lượng Cu = 0,3 * 64 = 19,2 gam
Đáp án đúng là: B
Câu 5: Hoà tan hoàn toàn 12,8 gam Cu vào dung dịch HNO3 loãng thấy thoát ra V lít khí NO duy nhất (đktc). Giá trị của V là:
A. 2,24 lít
B. 4,48 lít
C. 3,36 lít
D. 1,12 lít
Hướng dẫn giải
Số mol Cu = 12,8/64 = 0,2 mol
3Cu + 8HNO3 → 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O
Từ phương trình, số mol NO = (2/3) số mol Cu = (2/3) 0,2 = 0,133 mol
Thể tích NO = 0,133 * 22,4 = 2,98 lít (gần 3,36 lít nhất)
Đáp án đúng là: C
