Phản ứng giữa oxit sắt từ (Fe3O4) và axit nitric đặc (HNO3) tạo ra sắt(III) nitrat (Fe(NO3)3), nitơ đioxit (NO2) và nước (H2O) là một phản ứng oxi hóa khử điển hình. Chúng ta sẽ đi sâu vào phương trình, điều kiện phản ứng, hiện tượng và các bài tập liên quan.
1. Phương trình hóa học của phản ứng
Phương trình hóa học cân bằng của phản ứng là:
Fe3O4 + 10HNO3 (đặc) → 3Fe(NO3)3 + NO2 ↑ + 5H2O
2. Điều kiện phản ứng
Phản ứng xảy ra ở điều kiện thường, tuy nhiên cần sử dụng HNO3 đặc.
3. Hiện tượng phản ứng
- Fe3O4 tan dần trong dung dịch axit nitric.
- Có khí màu nâu đỏ (NO2) thoát ra.
4. Cân bằng phương trình phản ứng
Để cân bằng phương trình phản ứng oxi hóa khử này, chúng ta thực hiện theo các bước sau:
-
Bước 1: Xác định số oxi hóa
Fe+8/3O4 + H+5NO3 → Fe+3(NO3)3 + N+4O2 + H2O
Chất khử: Fe3O4; Chất oxi hóa: HNO3
-
Bước 2: Viết quá trình oxi hóa và khử
- Quá trình oxi hóa: 3Fe+8/3 → 3Fe+3 + 1e
- Quá trình khử: N+5 + 1e → N+4
-
Bước 3: Cân bằng electron
1 x (3Fe+8/3 → 3Fe+3 + 1e)
1 x (N+5 + 1e → N+4) -
Bước 4: Hoàn thành phương trình
Fe3O4 + 10HNO3 → 3Fe(NO3)3 + NO2 + 5H2O
5. Tính chất hóa học của HNO3
HNO3 là một axit mạnh với tính oxi hóa cao.
-
Tính axit: HNO3 tác dụng với bazơ, oxit bazơ và muối của axit yếu hơn.
Ví dụ:
- MgO + 2HNO3 → Mg(NO3)2 + H2O
- Ca(OH)2 + 2HNO3 → Ca(NO3)2 + 2H2O
- BaCO3 + 2HNO3 → Ba(NO3)2 + CO2 + H2O
-
Tính oxi hóa mạnh: HNO3 tác dụng với hầu hết các kim loại (trừ Au và Pt), phi kim và nhiều hợp chất. Sản phẩm khử có thể là NO2 (với HNO3 đặc), NO (với HNO3 loãng), N2O, N2, NH4NO3.
Ví dụ:
- Cu + 4HNO3 (đặc) → Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O
- Fe + 4HNO3 (loãng) → Fe(NO3)3 + NO + 2H2O
- S + 6HNO3 → H2SO4 + 6NO2 + 2H2O
6. Tính chất của Fe3O4 (Oxit sắt từ)
-
Tính chất vật lý: Là chất rắn màu đen, có từ tính, không tan trong nước.
-
Tính chất hóa học:
-
Tính chất của oxit bazơ hỗn hợp: Tác dụng với axit tạo hỗn hợp muối sắt(II) và sắt(III).
Ví dụ: Fe3O4 + 8HCl → FeCl2 + 2FeCl3 + 4H2O
-
Tính khử: Tác dụng với chất oxi hóa mạnh.
Ví dụ: 3Fe3O4 + 28HNO3 → 9Fe(NO3)3 + NO + 14H2O
-
Tính oxi hóa: Tác dụng với chất khử mạnh ở nhiệt độ cao.
Ví dụ: Fe3O4 + 4H2 → 3Fe + 4H2O
-
7. Bài tập vận dụng
Câu 1: Cho 18,56 gam Fe3O4 tác dụng hoàn toàn với dung dịch HNO3 dư, thu được V lít khí NO2 (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:
nFe3O4 = 18,56/232 = 0,08 mol
Fe3O4 + 10HNO3 → 3Fe(NO3)3 + NO2 + 5H2O
nNO2 = nFe3O4 = 0,08 mol
VNO2 = 0,08 * 22,4 = 1,792 lít
=> Đáp án gần đúng nhất: A. 2,24 lít (có thể do sai số làm tròn hoặc điều kiện phản ứng khác)
Câu 2: Hòa tan hoàn toàn m gam Fe3O4 trong dung dịch HNO3 loãng dư thu được dung dịch X và 0,336 lít khí NO duy nhất (đktc). Cô cạn dung dịch X thu được 72,6 gam muối khan. Giá trị của m là:
A. 23,2
B. 24,36
C. 25,52
D. 26,68
Hướng dẫn giải:
nNO = 0,336/22,4 = 0,015 mol
Fe3O4 + HNO3 → Fe(NO3)3 + NO + H2O
Bảo toàn N: nHNO3 = 3nFe(NO3)3 + nNO
nFe(NO3)3 = 72,6/242 = 0,3 mol
=> nHNO3 = 3*0,3 + 0,015 = 0,915 mol
Bảo toàn Fe: nFe3O4 = 1/3 nFe(NO3)3 = 0,1 mol
mFe3O4 = 0,1 * 232 = 23,2 gam
=> Đáp án A: 23,2
Phản ứng giữa Fe3O4 và HNO3 là một ví dụ điển hình về phản ứng oxi hóa khử trong hóa học vô cơ. Việc nắm vững phương trình, điều kiện, hiện tượng và các bài tập liên quan sẽ giúp bạn hiểu sâu hơn về loại phản ứng này.
