Phản ứng giữa Fe(OH)2 và H2SO4 đặc nóng là một phản ứng oxi hóa khử quan trọng trong hóa học vô cơ. Bài viết này sẽ trình bày chi tiết về phản ứng này, bao gồm phương trình hóa học, điều kiện phản ứng, hiện tượng, cơ chế, và các bài tập vận dụng liên quan.
Phương trình hóa học của phản ứng
Phản ứng giữa Fe(OH)2 và H2SO4 đặc nóng xảy ra theo phương trình sau:
2Fe(OH)2 + 4H2SO4 đặc → Fe2(SO4)3 + SO2↑ + 6H2O
Điều kiện và hiện tượng của phản ứng
- Điều kiện: Phản ứng xảy ra ngay ở điều kiện thường, nhưng tốc độ phản ứng tăng nhanh khi đun nóng.
- Hiện tượng: Fe(OH)2 tan dần, đồng thời có khí SO2 không màu, mùi hắc thoát ra.
Cơ chế phản ứng
Xác định chất oxi hóa và chất khử
Trong phản ứng này, Fe(OH)2 đóng vai trò là chất khử, và H2SO4 đặc đóng vai trò là chất oxi hóa.
Fe+2(OH)2 + H2S+6O4 → Fe2+3(SO4)3 + S+4O2↑ + H2O
Quá trình oxi hóa và khử
- Quá trình oxi hóa: Fe+2 → Fe+3 + 1e
- Quá trình khử: S+6 + 2e → S+4
Cân bằng phương trình
2 x (Fe+2 → Fe+3 + 1e)
S+6 + 2e → S+4
Kết quả, ta có phương trình hóa học đã cân bằng:
2Fe(OH)2 + 4H2SO4 đặc → Fe2(SO4)3 + SO2↑ + 6H2O
Mở rộng kiến thức về Fe(OH)2 và H2SO4 đặc
Tính chất của Fe(OH)2
-
Fe(OH)2 nguyên chất là chất rắn, màu trắng hơi xanh, không tan trong nước.
-
Trong không khí, Fe(OH)2 dễ bị oxi hóa thành Fe(OH)3 màu nâu đỏ:
4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3↓
-
Điều chế Fe(OH)2: Cho dung dịch muối sắt(II) vào dung dịch kiềm, lúc đầu thu được kết tủa màu trắng hơi xanh:
Fe2+ + 2OH– → Fe(OH)2↓
Sau đó, kết tủa chuyển dần sang màu nâu đỏ. Để có Fe(OH)2 tinh khiết, cần điều chế trong điều kiện không có không khí.
Tính chất của H2SO4 đặc
-
Tính oxi hóa mạnh:
-
Oxi hóa hầu hết các kim loại (trừ Au và Pt) tạo muối hóa trị cao và thường giải phóng SO2 (có thể H2S, S nếu kim loại khử mạnh như Mg).
Ví dụ:
2Fe + 6H2SO4 →to Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O
Cu + 2H2SO4 →to CuSO4 + SO2 + 2H2O
Lưu ý: Al, Fe, Cr bị thụ động hóa trong H2SO4 đặc, nguội.
-
Tác dụng với nhiều phi kim:
C + 2H2SO4 →to CO2 + 2SO2 + 2H2O
S + 2H2SO4 →to 3SO2 + 2H2O
-
Tác dụng với nhiều hợp chất có tính khử:
2FeO + 4H2SO4 →to Fe2(SO4)3 + SO2 + 4H2O
2KBr + 2H2SO4 →to Br2 + SO2 + 2H2O + K2SO4
-
-
Tính háo nước: H2SO4 đặc chiếm nước kết tinh của nhiều muối ngậm nước, hoặc chiếm các nguyên tố H và O (thành phần của nước) trong nhiều hợp chất. Ví dụ, khi cho axit H2SO4 đặc vào đường, đường sẽ hóa thành than.
C12H22O11 →H2SO4đ 12C + 11H2O
Sau đó một phần C sinh ra lại bị H2SO4 đặc oxi hóa:
C + 2H2SO4 (đặc) → CO2 + 2SO2 + 2H2O
Bài tập vận dụng
Câu 1: Tính chất đặc biệt của H2SO4 đặc, nóng là tác dụng được với chất nào sau đây mà H2SO4 loãng không tác dụng?
A. BaCl2, NaOH, Zn
B. NH3, MgO, Ba(OH)2
C. Fe, Al, Ni
D. Cu, S, FeSO4
Đáp án: D
Giải thích: H2SO4 loãng không tác dụng được với kim loại đứng sau H, không phản ứng với phi kim, còn H2SO4 đặc nóng có thể oxi hóa được nhiều kim loại lên mức oxi hóa cao nhất, oxi hóa được một số phi kim như C, S,… và nhiều hợp chất như FeSO4…
Câu 2: Dùng 300 tấn quặng pirit (FeS2) có lẫn 20% tạp chất để sản xuất axit H2SO4 có nồng độ 98%. Biết rằng hiệu suất phản ứng là 90%. Khối lượng axit H2SO4 98% thu được là:
A. 320 tấn
B. 335 tấn
C. 350 tấn
D. 360 tấn
Đáp án: D
Giải thích:
Sơ đồ: FeS2 → 2SO2 → 2SO3 → 2H2SO4
Khối lượng FeS2 nguyên chất: 300 x (100-20)/100 = 240 tấn
Số mol FeS2: 240/120 = 2 kmol
Số mol H2SO4 (lý thuyết): 2 x 2 = 4 kmol
Khối lượng H2SO4 (lý thuyết): 4 x 98 = 392 tấn
Khối lượng H2SO4 (thực tế): 392 x 90/100 = 352.8 tấn
Khối lượng dung dịch H2SO4 98%: 352.8 x 100/98 = 360 tấn
Câu 3: Từ 800 tấn quặng pirit sắt (FeS2) chứa 25% tạp chất không cháy, có thể sản xuất được bao nhiêu m3 dung dịch H2SO4 93% (D = 1,83 g/ml)? Giả thiết tỉ lệ hao hụt là 5%.
A. 547m3
B. 574 m3
C. 647m3
D. 674 m3
Đáp án: A
Giải thích:
Khối lượng FeS2 nguyên chất: 800 x (100-25)/100 = 600 tấn
Sơ đồ: FeS2 → 2SO2 → 2SO3 → 2H2SO4
Số mol FeS2: 600/120 = 5 kmol
Số mol H2SO4 (lý thuyết): 2 x 2 = 10 kmol
Khối lượng H2SO4 (lý thuyết): 10 x 98 = 980 tấn
Khối lượng H2SO4 (thực tế): 980 x (100-5)/100 = 931 tấn
Khối lượng dung dịch H2SO4 93%: 931 x 100/93 = 1001.075 tấn
Thể tích dung dịch H2SO4 93%: 1001.075 x 10^9 / (1.83 x 10^3) = 547 x 10^6 ml = 547 m3
Câu 4: Cho 15,82 gam hỗn hợp Al, Fe, Cu tác dụng hết với dung dịch H2SO4 đặc nóng thu được dung dịch A và 9,632 lít khí SO2 (đktc). Cô cạn dung dịch A sẽ thu được số gam muối khan là:
A. 57,1 gam
B. 60,3 gam
C. 58,8 gam
D. 54,3 gam
Đáp án: A
Giải thích:
Số mol SO2 = 9,632/22,4 = 0,43 mol
Số mol SO42- = số mol SO2 = 0,43 mol
Khối lượng muối = khối lượng kim loại + khối lượng SO42- = 15,82 + 0,43 x 96 = 57,1 gam
Câu 5: Cho 18 gam kim loại M tác dụng với dung dịch H2SO4 đặc nóng dư thu được 3,36 lít khí SO2 (đktc) và 6,4 gam S và dung dịch X. Cô cạn dung dịch X thu được số gam muối khan là:
A. 75 gam
B. 90 gam
C. 96 gam
D. 86,4 gam
Đáp án: B
Giải thích:
Số mol SO2 = 3,36/22,4 = 0,15 mol
Số mol S = 6,4/32 = 0,2 mol
Số mol e nhận = số mol SO2 + 3 x số mol S = 0,15 + 3 x 0,2 = 0,75 mol
Số mol SO42- = 0,5 x số mol e nhận = 0,75 mol
Khối lượng muối = khối lượng kim loại + khối lượng SO42- = 18 + 0,75 x 96 = 90 gam
Câu 6: Cho 6,72 gam Fe vào dung dịch chứa 0,3 mol H2SO4 đặc, nóng (giả thiết SO2 là sản phẩm khử duy nhất). Sau khi phản ứng xảy ra hoàn toàn, thu được:
A. 0,03 mol Fe2(SO4)3 và 0,06 mol FeSO4
B. 0,05 mol Fe2(SO4)3 và 0,02 mol Fe dư
C. 0,02 mol Fe2(SO4)3 và 0,08 mol FeSO4
D. 0,12 mol FeSO4
Đáp án: A
Giải thích:
Số mol Fe = 6,72/56 = 0,12 mol
2Fe + 6H2SO4 → Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O
0,1 ← 0,3 → 0,05 mol
Fe dư + Fe2(SO4)3 → 3FeSO4
(0,12 – 0,1) → 0,02 0,06
Số mol FeSO4 = 0,06 mol; số mol Fe2(SO4)3 dư = 0,05 – 0,02 = 0,03 mol
Câu 7: Cho x mol Fe tan hoàn toàn trong dung dịch chứa y mol H2SO4 (tỉ lệ x : y = 2 : 5) thu được một sản phẩm khử duy nhất là SO2 và dung dịch chỉ chứa muối sunfat. Số mol electron do lượng Fe trên nhường khi bị hòa tan là:
A. 2x
B. 3x
C. 2y
D. y
Đáp án: D
Giải thích:
Gọi số mol Fe nhường là a
Ta có: nSO42- = 0,5 ne nhường = 0,5a
nSO2 = 0,5 ne nhận = 0,5a
Bảo toàn nguyên tố S: nH2SO4 = nSO42- + nSO2 = a = y
Câu 8: Cho m gam cacbon tác dụng hết với dung dịch H2SO4 đặc, nóng thu được V lít (đktc) hỗn hợp khí X gồm CO2 và SO2. Hấp thụ hết X bằng dung dịch NaOH vừa đủ thu được dung dịch Y chỉ chứa hai muối trung hòa. Cô cạn dung dịch Y thu được 35,8 gam muối khan. Giá trị của m và V lần lượt là:
A. 2,4 và 6,72
B. 2,4 và 4,48
C. 1,2 và 22,4
D. 1,2 và 6,72
Đáp án: D
Giải thích:
C + 2H2SO4 đặc →to CO2 + 2SO2 + 2H2O
Đặt nCO2 = x mol → nSO2 = 2x mol
Y gồm Na2CO3 và Na2SO3
nNa2CO3 = nCO2 = x mol; nNa2SO3 = nSO2 = 2x mol
mà mNa2CO3 + mNa2SO3 = 35,8 g
→ x = 0,1 mol
nC = x = 0,1 mol → mC = 1,2 g
→ nX = 0,3 mol → VX = 6,72 lít
Câu 9: Dung dịch H2SO4 đặc, nóng tác dụng được với dãy các chất nào sau đây, thu được sản phẩm không có khí thoát ra?
A. Fe, BaCO3, Cu
B. FeO, KOH, BaCl2
C. Fe2O3, Cu(OH)2, Ba(OH)2
D. S, Fe(OH)3, BaCl2
Đáp án: C
Giải thích:
Fe2O3 + 3H2SO4 → Fe2(SO4)3 + 3H2O
Cu(OH)2 + H2SO4 → CuSO4 + 2H2O
Ba(OH)2 + H2SO4 → BaSO4↓ + 2H2O
Câu 10: Cách pha loãng H2SO4 đặc an toàn là:
A. rót từ từ axit vào nước và khuấy đều
B. rót nhanh axit vào nước và khuấy đều
C. rót từ từ nước vào axit và khuấy đều
D. rót nhanh nước vào axit và khuấy đều
Đáp án: A
Giải thích:
Để pha loãng axit sunfuric đặc an toàn: Nhỏ từ từ axit vào nước và khuấy nhẹ bằng đũa thủy tinh. Tuyệt đối không làm ngược lại.
Câu 11: Axit sunfuric đặc thường được dùng để làm khô các chất khí ẩm. Khí nào sau đây có thể được làm khô nhờ axit sunfuric đặc?
A. Khí CO2
B. Khí H2S
C. Khí NH3
D. Khí SO3
Đáp án: A
Giải thích:
Nguyên tắc làm khô: chất được dùng làm khô phải có khả năng hút nước và không được phản ứng, hấp thụ với chất cần làm khô. H2S, NH3 sẽ phản ứng với H2SO4, SO3 bị hấp thụ với H2SO4 tạo oleum.
Câu 12: Cho FeCO3 tác dụng với H2SO4 đặc nóng, sản phẩm khí thu được gồm có:
A. CO2 và SO2
B. H2S và CO2
C. CO2
D. SO2
Đáp án: A
Giải thích:
2 FeCO3 + 4H2SO4 → Fe2(SO4)3 + SO2 + 4 H2O + 2 CO2
Câu 13: Khi cho Fe2O3 tác dụng với H2SO4 đặc nóng thì sản phẩm thu được là:
A. Fe2(SO4)3; SO2 và H2O
B. Fe2(SO4)3 và H2O
C. FeSO4; SO2 và H2O
D. FeSO4 và H2O
Đáp án: B
Giải thích:
Fe2O3 + 3 H2SO4 → Fe2(SO4)3 + 3H2O
(Vì trong Fe2O3 sắt đã ở số oxi hóa cao nhất nên không phải phản ứng oxi hóa khử)
Câu 14: Cho 2,8 gam Fe tác dụng hết với H2SO4 đặc, nóng dư thì thể tích khí SO2 thu được ở đktc là:
A. 3,36 lít
B. 1,68 lít
C. 33,6 lít
D. 16,8 lít
Đáp án: B
Giải thích:
n Fe = 0,05 mol
3nFe = 2nSO2 → nSO2 = 0,075 mol
→ VSO2 = 1,68 lít
