Phản ứng giữa đồng (Cu) và axit sulfuric đặc (H2SO4 đặc) là một trong những phản ứng quan trọng trong hóa học vô cơ. Phản ứng này thuộc loại phản ứng oxi hóa khử, trong đó đồng bị oxi hóa và lưu huỳnh trong axit sulfuric bị khử. Bài viết này sẽ trình bày chi tiết về phản ứng, điều kiện, cơ chế, ứng dụng và các bài tập liên quan đến phản ứng giữa Cu và H2SO4 đặc, nóng.
Phương Trình Phản Ứng Cu + H2SO4 Đặc Nóng
Phương trình hóa học của phản ứng giữa đồng và axit sulfuric đặc nóng là:
Cu + 2H2SO4 (đặc, nóng) → CuSO4 + SO2↑ + 2H2O
Trong đó:
- Cu: Đồng kim loại
- H2SO4: Axit sulfuric đặc, nóng
- CuSO4: Đồng(II) sulfat
- SO2: Lưu huỳnh đioxit (khí sunfuro)
- H2O: Nước
Điều Kiện Phản Ứng
Alt text: Thí nghiệm đun nóng hỗn hợp đồng và axit sunfuric đặc để tạo khí SO2, minh họa phản ứng oxi hóa khử.
Phản ứng xảy ra ở điều kiện thường, nhưng tốc độ phản ứng tăng đáng kể khi đun nóng. Axit sulfuric phải là đặc, vì axit loãng không phản ứng với đồng.
Cơ Chế Phản Ứng
Phản ứng giữa Cu và H2SO4 đặc, nóng là một phản ứng oxi hóa khử. Đồng (Cu) đóng vai trò là chất khử, bị oxi hóa từ số oxi hóa 0 lên +2 trong CuSO4. Lưu huỳnh trong H2SO4 đóng vai trò là chất oxi hóa, bị khử từ số oxi hóa +6 xuống +4 trong SO2.
Quá trình oxi hóa khử có thể được biểu diễn bằng các bán phản ứng như sau:
- Oxi hóa: Cu → Cu2+ + 2e-
- Khử: S+6 + 2e- → S+4
Hiện Tượng Phản Ứng
Khi cho Cu tác dụng với H2SO4 đặc, nóng, có thể quan sát các hiện tượng sau:
- Lá đồng (Cu) tan dần trong dung dịch.
- Dung dịch chuyển sang màu xanh lam do sự tạo thành của ion Cu2+ (CuSO4).
Alt text: Màu xanh đặc trưng của dung dịch đồng sunfat CuSO4 tạo thành sau phản ứng giữa đồng và axit sunfuric đặc, nóng.
- Có khí mùi hắc (SO2) thoát ra. Khí SO2 là một chất gây ô nhiễm không khí và có thể nhận biết bằng mùi đặc trưng của nó.
Tính Chất Hóa Học Của Cu
Tác dụng với phi kim
Đồng có thể phản ứng với một số phi kim như oxi, clo, brom, lưu huỳnh…
-
Với oxi:
2Cu + O2 → 2CuO (khi đun nóng)
-
Với clo:
Cu + Cl2 → CuCl2 (khi đun nóng)
Tác dụng với axit
-
Cu không tác dụng với HCl và H2SO4 loãng.
-
Với HNO3 và H2SO4 đặc:
Cu + 2H2SO4 (đặc) → CuSO4 + SO2 + 2H2O
Cu + 4HNO3 (đặc) → Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O
3Cu + 8HNO3 (loãng) → 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O
Alt text: Khí nitơ đioxit (NO2) màu nâu đỏ sinh ra từ phản ứng giữa đồng và axit nitric đặc, một dấu hiệu nhận biết quan trọng.
Tác dụng với dung dịch muối
Đồng có thể khử ion kim loại đứng sau nó trong dãy điện hóa:
Cu + 2AgNO3 → Cu(NO3)2 + 2Ag
Tính Chất Hóa Học Của H2SO4 Đặc
Tính oxi hóa mạnh
Axit sulfuric đặc là một chất oxi hóa mạnh, có thể oxi hóa hầu hết các kim loại (trừ Au và Pt), nhiều phi kim và hợp chất.
-
Với kim loại:
2Fe + 6H2SO4 → Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O
Cu + 2H2SO4 → CuSO4 + SO2 + 2H2O
(Al, Fe, Cr bị thụ động hóa trong H2SO4 đặc, nguội)
-
Với phi kim:
C + 2H2SO4 → CO2 + 2SO2 + 2H2O
S + 2H2SO4 → 3SO2 + 2H2O
Tính háo nước
H2SO4 đặc có khả năng hút nước mạnh, có thể làm than hóa các hợp chất hữu cơ:
C12H22O11 (đường) → 12C + 11H2O (H2SO4 đặc)
Sau đó, một phần C sinh ra có thể bị oxi hóa bởi H2SO4 đặc:
C + 2H2SO4 (đặc) → CO2 + 2SO2 + 2H2O
Ứng Dụng Của Phản Ứng
Phản ứng giữa Cu và H2SO4 đặc có nhiều ứng dụng quan trọng trong công nghiệp và phòng thí nghiệm:
- Điều chế CuSO4: CuSO4 là một hợp chất quan trọng được sử dụng trong nông nghiệp (thuốc trừ sâu), công nghiệp (mạ điện, sản xuất thuốc nhuộm) và y học (chất khử trùng).
- Điều chế SO2: SO2 được sử dụng trong sản xuất axit sulfuric, chất tẩy trắng và chất bảo quản thực phẩm.
- Phân tích hóa học: Phản ứng được sử dụng để xác định sự có mặt của Cu hoặc H2SO4 đặc trong một mẫu.
Bài Tập Vận Dụng
Câu 1: Cho 6,4 gam Cu tác dụng với H2SO4 đặc, nóng dư. Tính thể tích khí SO2 thu được ở điều kiện tiêu chuẩn.
Giải:
nCu = 6,4/64 = 0,1 mol
Cu + 2H2SO4 → CuSO4 + SO2 + 2H2O
nSO2 = nCu = 0,1 mol
VSO2 = 0,1 * 22,4 = 2,24 lít
Câu 2: Cho 19,2 gam Cu tác dụng với H2SO4 đặc, nóng. Sau phản ứng thu được 4,48 lít SO2 (đktc) và dung dịch X. Cô cạn dung dịch X thu được bao nhiêu gam muối khan?
Giải:
nCu = 19,2/64 = 0,3 mol
nSO2 = 4,48/22,4 = 0,2 mol
Cu + 2H2SO4 → CuSO4 + SO2 + 2H2O
Theo phương trình, nCu phản ứng = nSO2 = 0,2 mol
=> nCu dư = 0,3 – 0,2 = 0,1 mol
nCuSO4 = nSO2 = 0,2 mol
mCuSO4 = 0,2 * 160 = 32 gam
Câu 3: Cho m gam Cu tác dụng với 200 ml dung dịch H2SO4 98% (D=1,84 g/ml), đun nóng. Sau khi phản ứng hoàn toàn thu được 8,96 lít khí SO2 (đktc). Tính m.
Giải:
mdd H2SO4 = 200 * 1,84 = 368 gam
nH2SO4 = (368 * 98%) / 98 = 3,68 mol
nSO2 = 8,96 / 22,4 = 0,4 mol
Cu + 2H2SO4 → CuSO4 + SO2 + 2H2O
Theo phương trình, nCu = nSO2 = 0,4 mol
mCu = 0,4 * 64 = 25,6 gam
Kết Luận
Phản ứng giữa Cu và H2SO4 đặc, nóng là một phản ứng quan trọng trong hóa học vô cơ, có nhiều ứng dụng trong công nghiệp và phòng thí nghiệm. Việc nắm vững cơ chế, điều kiện và các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng này là rất quan trọng để hiểu rõ hơn về tính chất của đồng và axit sulfuric.
