Phản ứng giữa sắt (Fe) và axit sunfuric loãng (H2SO4) là một trong những phản ứng hóa học quan trọng trong chương trình hóa học phổ thông. Phản ứng này thuộc loại phản ứng oxi hóa khử và phản ứng thế, tạo ra muối sắt(II) sunfat (FeSO4) và khí hidro (H2).
Phương Trình Phản Ứng Fe + H2SO4 Loãng
Phương trình hóa học của phản ứng được biểu diễn như sau:
Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2↑
Điều Kiện Để Phản Ứng Xảy Ra
Phản ứng giữa Fe và H2SO4 loãng diễn ra ở điều kiện thường. Axit sunfuric sử dụng phải là dung dịch loãng.
Tính Chất Hóa Học Mở Rộng Của Sắt (Fe)
Ngoài phản ứng với H2SO4 loãng, sắt còn có nhiều tính chất hóa học quan trọng khác:
Tác Dụng Với Phi Kim
- Với Oxi (O2): Sắt cháy trong oxi tạo thành oxit sắt từ (Fe3O4)
3Fe + 2O2 →to Fe3O4 - Với Clo (Cl2): Sắt tác dụng với clo tạo thành sắt(III) clorua (FeCl3)
2Fe + 3Cl2 →to 2FeCl3 - Với Lưu Huỳnh (S): Sắt tác dụng với lưu huỳnh tạo thành sắt(II) sunfua (FeS)
Fe + S →to FeS
Alt text: Thí nghiệm minh họa phản ứng hóa học giữa bột sắt và bột lưu huỳnh khi đun nóng, tạo thành hợp chất sắt(II) sunfua.
Tác Dụng Với Axit
- Với HCl và H2SO4 loãng:
Fe + 2HCl → FeCl2 + H2
Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2 - Với H2SO4 đặc, nóng và HNO3:
2Fe + 6H2SO4 → Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O
Fe + 4HNO3 → Fe(NO3)3 + NO↑ + 2H2O
Fe + 6HNO3 → Fe(NO3)3 + 3NO2↑ + 3H2O
Cần lưu ý rằng sắt không tác dụng với H2SO4 đặc nguội và HNO3 đặc nguội do bị thụ động hóa.
Tác Dụng Với Dung Dịch Muối
Sắt có khả năng đẩy các kim loại yếu hơn ra khỏi dung dịch muối của chúng, tạo thành muối sắt tương ứng và giải phóng kim loại mới.
Ví dụ:
Fe + Cu(NO3)2 → Fe(NO3)2 + Cu
Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu
Đặc biệt:
Fe + 2Ag+ → Fe2+ + 2Ag
Nếu Ag+ dư, phản ứng tiếp tục xảy ra:
Fe2+ + Ag+ → Fe3+ + Ag
Alt text: Hình ảnh minh họa thí nghiệm: đinh sắt tác dụng với dung dịch đồng (II) sunfat, tạo thành lớp đồng màu đỏ bám trên đinh sắt.
Tác Dụng Với Nước
Ở nhiệt độ thường, sắt không khử được nước. Tuy nhiên, ở nhiệt độ cao, sắt có thể khử hơi nước tạo ra H2 và Fe3O4 hoặc FeO.
3Fe + 4H2O →to570oC Fe3O4 + 4H2
Fe + H2O →to> 570oC FeO + H2
Trạng Thái Tự Nhiên Của Sắt
Sắt là một trong những nguyên tố phổ biến nhất trên Trái Đất, chiếm khoảng 5% khối lượng vỏ Trái Đất. Trong tự nhiên, sắt tồn tại chủ yếu dưới dạng các hợp chất trong các loại quặng khác nhau:
- Quặng manhetit (Fe3O4)
- Quặng hematit đỏ (Fe2O3)
- Quặng hematit nâu (Fe2O3.nH2O)
- Quặng xiderit (FeCO3)
- Quặng pirit (FeS2)
Bài Tập Vận Dụng Liên Quan Đến Phản Ứng Fe + H2SO4 Loãng
Câu 1: Cho 5,6 gam Fe tác dụng hoàn toàn với dung dịch H2SO4 loãng dư. Thể tích khí H2 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 Fe: nFe = 5,6/56 = 0,1 mol
Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2
Theo phương trình, nH2 = nFe = 0,1 mol
Thể tích H2: VH2 = 0,1 * 22,4 = 2,24 lít
Đáp án B
Câu 2: Hòa tan hoàn toàn m gam Fe vào dung dịch H2SO4 loãng, thu được dung dịch chứa một chất tan duy nhất và 4,48 lít khí H2 (đktc). Giá trị của m là:
A. 5,6 gam
B. 11,2 gam
C. 16,8 gam
D. 22,4 gam
Hướng dẫn giải:
Số mol H2: nH2 = 4,48/22,4 = 0,2 mol
Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2
Theo phương trình, nFe = nH2 = 0,2 mol
Khối lượng Fe: mFe = 0,2 * 56 = 11,2 gam
Đáp án B
Câu 3: Ngâm một lá sắt có khối lượng 5 gam trong 50 ml dung dịch CuSO4 15% có khối lượng riêng là 1,12 g/ml. Sau một thời gian, người ta lấy lá sắt ra, rửa sạch, sấy khô, cân lại thấy khối lượng là 5,16 gam. Tính nồng độ % của CuSO4 trong dung dịch sau phản ứng.
Hướng dẫn giải:
Khối lượng dung dịch CuSO4: mdd = 50 * 1,12 = 56 gam
Khối lượng CuSO4 trong dung dịch ban đầu: mCuSO4 = 56 * 15% = 8,4 gam
Số mol CuSO4 ban đầu: nCuSO4 = 8,4/160 = 0,0525 mol
Phương trình phản ứng: Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu
Khối lượng lá sắt tăng lên là do Cu bám vào: 5,16 – 5 = 0,16 gam
Gọi x là số mol Fe phản ứng: 56x + 64x = 0,16 => x = 0,02 mol
Số mol CuSO4 còn dư: 0,0525 – 0,02 = 0,0325 mol
Khối lượng CuSO4 còn dư: 0,0325 * 160 = 5,2 gam
Khối lượng dung dịch sau phản ứng: 56 – (560,02) + (640,02) = 56,16 gam
Nồng độ % của CuSO4 trong dung dịch sau phản ứng: (5,2/56,16) * 100% = 9,26%
Câu 4: Cho 11,2 gam Fe phản ứng hoàn toàn với dung dịch H2SO4 loãng, thu được dung dịch X. Cho dung dịch X phản ứng với dung dịch NaOH dư, thu được kết tủa Y. Nung Y trong không khí đến khối lượng không đổi, thu được m gam chất rắn. Giá trị của m là:
A. 8 gam
B. 16 gam
C. 12 gam
D. 24 gam
Hướng dẫn giải:
Số mol Fe: nFe = 11,2/56 = 0,2 mol
Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2
FeSO4 + 2NaOH → Fe(OH)2 + Na2SO4
4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3
2Fe(OH)3 →to Fe2O3 + 3H2O
Theo sơ đồ, nFe2O3 = 1/2 nFe = 0,1 mol
Khối lượng Fe2O3: mFe2O3 = 0,1 * 160 = 16 gam
Đáp án B
Thông qua việc nắm vững kiến thức về phản ứng giữa Fe và H2SO4 loãng, cùng với các tính chất hóa học liên quan, bạn có thể giải quyết các bài tập hóa học một cách hiệu quả.