Fe Tác Dụng Với H2SO4: Chi Tiết Phản Ứng và Bài Tập Vận Dụng

Phản ứng giữa sắt (Fe) và axit sunfuric (H2SO4) là một trong những phản ứng hóa học quan trọng và thường gặp trong chương trình hóa học phổ thông. Đặc biệt, phản ứng của Fe với H2SO4 đặc, nóng tạo ra khí SO2 là một ví dụ điển hình cho phản ứng oxi hóa khử. Bài viết này sẽ cung cấp thông tin chi tiết về phản ứng này, điều kiện thực hiện, hiện tượng quan sát được và các bài tập vận dụng để giúp bạn nắm vững kiến thức.

Phản Ứng Tổng Quát: Fe + H2SO4

Tùy thuộc vào nồng độ và điều kiện phản ứng (nhiệt độ), sắt có thể phản ứng với axit sunfuric theo hai hướng chính:

• H2SO4 loãng: Fe + H2SO4 (loãng) → FeSO4 + H2↑
• H2SO4 đặc, nóng: 2Fe + 6H2SO4 (đặc, nóng) → Fe2(SO4)3 + 3SO2↑ + 6H2O

Trong bài viết này, chúng ta sẽ tập trung vào phản ứng thứ hai, khi Fe Tác Dụng Với H2so4 đặc, nóng tạo ra khí SO2.

2Fe + 6H2SO4 → Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O: Phân Tích Chi Tiết

Cân Bằng Phản Ứng Oxi Hóa Khử

Để hiểu rõ bản chất của phản ứng, ta cần xem xét quá trình oxi hóa khử xảy ra:

1. Xác định chất oxi hóa và chất khử:

   • Fe⁰ + H₂S⁺⁶O₄ → Fe⁺³₂(SO₄)₃ + S⁺⁴O₂↑ + H₂O
   • Chất khử: Fe (sắt)
   • Chất oxi hóa: H₂SO₄ (axit sunfuric)

2. Quá trình oxi hóa: Fe⁰ → Fe⁺³ + 3e

3. Quá trình khử: S⁺⁶ + 2e → S⁺⁴

4. Cân bằng electron:

   • 2 x (Fe⁰ → Fe⁺³ + 3e)
   • 3 x (S⁺⁶ + 2e → S⁺⁴)

5. Phương trình hóa học đã cân bằng:

   • 2Fe + 6H₂SO₄ → Fe₂(SO₄)₃ + 3SO₂ + 6H₂O

Điều Kiện Phản Ứng

• Nhiệt độ: Phản ứng xảy ra khi đun nóng.
• Nồng độ: H2SO4 phải là đặc.

Cách Tiến Hành

1. Chuẩn bị một ống nghiệm chứa một mẩu sắt nhỏ (ví dụ: đinh sắt).
2. Nhỏ từ từ axit H2SO4 đặc vào ống nghiệm.
3. Đun nóng nhẹ ống nghiệm trên ngọn lửa đèn cồn.

Hiện Tượng Quan Sát Được

• Sắt tan dần trong dung dịch.
• Có khí không màu, mùi hắc (SO2) thoát ra.

Phản ứng giữa Fe và H2SO4 đặc nóng, tạo ra khí SO2 có mùi đặc trưng và dung dịch muối sắt (III).

Tính Chất Hóa Học Liên Quan

Tính Chất Của Sắt (Fe)

• Tính khử: Fe là kim loại có tính khử trung bình. Tùy thuộc vào điều kiện, Fe có thể nhường 2 hoặc 3 electron.
  • Fe → Fe²⁺ + 2e
  • Fe → Fe³⁺ + 3e
• Tác dụng với phi kim: Ở nhiệt độ cao, Fe tác dụng với nhiều phi kim như O2, Cl2, S,…
• Tác dụng với axit:
  • Với axit loãng (HCl, H2SO4 loãng): tạo muối Fe(II) và H2.
  • Với axit đặc, nóng (HNO3, H2SO4 đặc): tạo muối Fe(III), sản phẩm khử (SO2, NO2,…) và H2O.
• Tác dụng với dung dịch muối: Fe có thể khử ion kim loại đứng sau nó trong dãy điện hóa.

Tính Chất Của Axit Sunfuric (H2SO4)

• Tính axit mạnh (khi loãng):
  • Làm quỳ tím hóa đỏ.
  • Tác dụng với kim loại giải phóng H2.
  • Tác dụng với oxit bazơ, bazơ tạo muối và nước.
  • Tác dụng với muối tạo muối mới và axit mới.
• Tính oxi hóa mạnh (khi đặc):
  • Oxi hóa hầu hết kim loại (trừ Au, Pt) tạo muối hóa trị cao và giải phóng SO2 (hoặc H2S, S nếu kim loại có tính khử mạnh).
  • Oxi hóa nhiều phi kim như C, S,…
  • H2SO4 đặc có tính háo nước, có thể gây ra hiện tượng than hóa các hợp chất hữu cơ.

Bài Tập Vận Dụng

Câu 1: Cho 5,6 gam Fe tác dụng hoàn toàn với dung dịch H2SO4 đặc, nóng dư. Tính thể tích khí SO2 (đktc) thu được.

Hướng dẫn giải:

• nFe = 5,6/56 = 0,1 mol
• Theo phương trình: 2Fe → 3SO2
• nSO2 = (3/2) nFe = (3/2) 0,1 = 0,15 mol
• VSO2 = 0,15 * 22,4 = 3,36 lít

Câu 2: Cho m gam hỗn hợp Cu và Fe tác dụng với dung dịch H2SO4 đặc, nóng dư thu được 6,72 lít khí SO2 (đktc). Biết Fe chiếm 56% về khối lượng trong hỗn hợp ban đầu. Tính m.

Hướng dẫn giải:

• nSO2 = 6,72/22,4 = 0,3 mol
• Gọi số mol Cu là x, số mol Fe là y.
• Theo đề bài: 56y/(64x + 56y) = 0,56
• Bảo toàn electron: 2x + 3y = 2 * nSO2 = 0,6
• Giải hệ phương trình, ta được x = 0,1, y = 0,133
• m = 64 0,1 + 56 0,133 = 13,84 gam

Câu 3: Cho 11,2 gam Fe phản ứng hoàn toàn với dung dịch H2SO4 đặc, nóng thu được V lít SO2 (đktc) và dung dịch X. Cô cạn dung dịch X thu được bao nhiêu gam muối khan?

Hướng dẫn giải:

• nFe = 11,2/56 = 0,2 mol
• Theo phương trình: 2Fe → Fe2(SO4)3
• nFe2(SO4)3 = (1/2) nFe = (1/2) 0,2 = 0,1 mol
• mFe2(SO4)3 = 0,1 * 400 = 40 gam

Câu 4: Hòa tan hoàn toàn a gam Fe vào H2SO4 đặc, nóng thu được khí SO2. Hấp thụ hết lượng khí SO2 này vào dung dịch nước brom dư, sau đó trung hòa dung dịch thu được bằng dung dịch NaOH vừa đủ, thu được 25,2 gam muối. Tìm a.

Hướng dẫn giải:

• SO2 + Br2 + 2H2O → H2SO4 + 2HBr
• H2SO4 + 2NaOH → Na2SO4 + 2H2O
• 2HBr + 2NaOH → 2NaBr + 2H2O
• Ta có: nNa2SO4 = nH2SO4 = nSO2 và nNaBr = 2nHBr = 2nSO2
• Gọi x là số mol SO2, ta có: 142x + 103.2x = 25,2 => x = 0,1 mol
• Theo phương trình: 2Fe -> 3SO2 => nFe = 2/3 nSO2 = 0,067 mol
• Vậy a = 0,067*56 = 3,73 gam

Lưu Ý Quan Trọng

• Khi làm bài tập về phản ứng Fe tác dụng với H2SO4, cần xác định rõ điều kiện phản ứng (loãng hay đặc, nóng) để viết đúng phương trình hóa học.
• Cẩn thận khi tính toán số mol và áp dụng định luật bảo toàn electron.
• Chú ý đến các hiện tượng quan sát được trong quá trình phản ứng để xác định sản phẩm.

Hy vọng bài viết này đã cung cấp cho bạn đầy đủ thông tin và kiến thức cần thiết về phản ứng Fe tác dụng với H2SO4, đặc biệt là phản ứng tạo SO2. Chúc bạn học tốt!