Phản ứng giữa sắt (Fe) và axit nitric (HNO3) đặc nóng là một trong những phản ứng hóa học quan trọng, đặc biệt trong chương trình hóa học phổ thông và luyện thi đại học. Sản phẩm khí NO2 tạo thành có màu nâu đỏ đặc trưng, dễ dàng nhận biết. Dưới đây là thông tin chi tiết về phản ứng này, bao gồm phương trình hóa học, điều kiện phản ứng, hiện tượng và các bài tập vận dụng.
Phương Trình Phản Ứng và Cân Bằng
Phương trình hóa học tổng quát cho phản ứng Fe + HNO3 đặc nóng tạo ra NO2 là:
Fe + 6HNO3 (đặc, nóng) → Fe(NO3)3 + 3NO2 + 3H2O
Để cân bằng phương trình này, ta thực hiện các bước sau:
-
Xác định số oxi hóa:
- Fe: từ 0 lên +3
- N (trong HNO3): từ +5 xuống +4 (trong NO2)
-
Viết quá trình oxi hóa và khử:
- Oxi hóa: Fe0 → Fe+3 + 3e
- Khử: N+5 + 1e → N+4
-
Cân bằng số electron:
- 1 x (Fe0 → Fe+3 + 3e)
- 3 x (N+5 + 1e → N+4)
-
Kết hợp và hoàn thành phương trình:
Fe + 6HNO3 → Fe(NO3)3 + 3NO2 + 3H2O
Hiện tượng khí NO2 màu nâu đỏ thoát ra khi cho Fe tác dụng với HNO3 đặc nóng, một dấu hiệu nhận biết rõ ràng của phản ứng.
Điều Kiện Phản Ứng và Cách Thực Hiện
- Axit nitric (HNO3) phải đặc: Nồng độ axit có vai trò quan trọng trong việc quyết định sản phẩm khử của nitơ.
- Nhiệt độ cao (đun nóng): Phản ứng cần được đun nóng để xảy ra nhanh chóng và hoàn toàn.
Cách tiến hành thí nghiệm:
- Lấy khoảng 2-3 ml dung dịch HNO3 đặc vào ống nghiệm.
- Thả một mẩu sắt nhỏ (ví dụ: sợi dây sắt) vào ống nghiệm.
- Đun nóng nhẹ ống nghiệm trên ngọn lửa đèn cồn (hoặc bếp điện).
- Quan sát hiện tượng xảy ra.
Hiện Tượng Phản Ứng
Hiện tượng dễ nhận thấy nhất là sự xuất hiện của khí màu nâu đỏ. Đây chính là khí nitơ đioxit (NO2), một khí độc và có mùi hắc đặc trưng. Dung dịch trong ống nghiệm sẽ chuyển sang màu vàng do tạo thành muối sắt(III) nitrat (Fe(NO3)3).
Mở Rộng Kiến Thức Về Sắt (Fe)
Vị trí và Cấu hình electron
- Sắt (Fe) nằm ở ô số 26, chu kỳ 4, nhóm VIIIB trong bảng tuần hoàn.
- Cấu hình electron: [Ar]3d64s2
Tính chất vật lý
- Kim loại màu trắng xám, có ánh kim.
- Có tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt.
- Có tính nhiễm từ.
- Nóng chảy ở nhiệt độ cao (1540°C).
Tính chất hóa học quan trọng
- Tác dụng với phi kim:
- Fe + S → FeS (nhiệt độ)
- 3Fe + 2O2 → Fe3O4 (nhiệt độ)
- 2Fe + 3Cl2 → 2FeCl3 (nhiệt độ)
- Tác dụng với axit:
- Fe + 2HCl → FeCl2 + H2 (với HCl loãng)
- Fe + 4HNO3 (loãng) → Fe(NO3)3 + NO + 2H2O (với HNO3 loãng)
- Fe + 6HNO3 (đặc, nóng) → Fe(NO3)3 + 3NO2 + 3H2O (với HNO3 đặc nóng)
- Tác dụng với dung dịch muối:
- Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu
- Fe + 2AgNO3 → Fe(NO3)2 + 2Ag
Quặng hematit đỏ (Fe2O3), nguồn cung cấp sắt quan trọng, minh họa cho sự phong phú của sắt trong tự nhiên.
Bài Tập Vận Dụng
Câu 1: Cho 5,6 gam Fe tác dụng hoàn toàn với dung dịch HNO3 đặc nóng dư, thu được V lít khí NO2 (đktc). Giá trị của V là:
A. 2,24 lít
B. 4,48 lít
C. 6,72 lít
D. 3,36 lít
Hướng dẫn giải:
nFe = 5,6/56 = 0,1 mol
Fe + 6HNO3 → Fe(NO3)3 + 3NO2 + 3H2O
Từ phương trình, nNO2 = 3nFe = 3 x 0,1 = 0,3 mol
VNO2 = 0,3 x 22,4 = 6,72 lít
Đáp án C
Câu 2: Hòa tan hoàn toàn m gam Fe vào dung dịch HNO3 loãng dư, thu được 0,448 lít khí NO (đktc) là sản phẩm khử duy nhất. Giá trị của m là:
A. 1,12 gam
B. 0,56 gam
C. 1,68 gam
D. 2,24 gam
Hướng dẫn giải:
nNO = 0,448/22,4 = 0,02 mol
Quá trình cho và nhận electron:
Fe → Fe3+ + 3e
N5+ + 3e → N2+
Áp dụng định luật bảo toàn electron:
3nFe = 3nNO
=> nFe = nNO = 0,02 mol
mFe = 0,02 x 56 = 1,12 gam
Đáp án A
Câu 3: Cho một lượng bột Fe tác dụng với dung dịch HNO3 loãng, sau khi phản ứng hoàn toàn thu được dung dịch X và khí NO (sản phẩm khử duy nhất). Cô cạn dung dịch X thu được 18,15 gam muối khan. Số mol Fe đã phản ứng là:
A. 0,1 mol
B. 0,15 mol
C. 0,2 mol
D. 0,25 mol
Hướng dẫn giải:
Muối khan thu được là Fe(NO3)3 có khối lượng 18,15 gam.
nFe(NO3)3 = 18,15/242 = 0,075 mol
Vì toàn bộ Fe chuyển hết vào muối Fe(NO3)3 nên nFe = nFe(NO3)3 = 0,075 mol
Đáp án A
Câu 4: Cho 11,2 gam Fe phản ứng 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. 11,2 lít
D. 33,6 lít
Hướng dẫn giải:
nFe = 11,2/56 = 0,2 mol
Fe + 6HNO3 → Fe(NO3)3 + 3NO2 + 3H2O
=> nNO2 = 3nFe = 0,6 mol
V = 0,6.22,4 = 13,44 lít
Đáp án D
Câu 5: Ngâm một lá sắt có khối lượng 50 gam vào 200 ml dung dịch CuSO4. Sau khi phản ứng kết thúc, khối lượng lá sắt tăng lên 4%. Nồng độ mol của dung dịch CuSO4 ban đầu là:
A. 0,25M
B. 0,75M
C. 1,5M
D. 2,5M
Hướng dẫn giải:
mFe tăng = 50.4% = 2 gam
Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu
Độ tăng khối lượng là do Cu bám vào lá Fe
mCu – mFe = 64nCu – 56nFe = 2 gam
Mà nFe = nCu
=> 8nCu = 2
=> nCu = 0,25 mol
[CuSO4] = 0,25/0,2 = 1,25M
Đáp án D
