H2SO4 Đặc + Cu: Phản Ứng Hóa Học Chi Tiết và Ứng Dụng

Phản ứng giữa đồng (Cu) và axit sunfuric đặc, đặc biệt khi đun nóng, là một trong những phản ứng quan trọng trong hóa học vô cơ. Bài viết này sẽ cung cấp thông tin chi tiết về phản ứng này, bao gồm phương trình hóa học, điều kiện phản ứng, cơ chế, hiện tượng quan sát được và ứng dụng liên quan.

Phương Trình Phản Ứng và Điều Kiện

Phương trình hóa học tổng quát:

Cu + 2H₂SO₄ (đặc, nóng) → CuSO₄ + SO₂ + 2H₂O

Điều kiện phản ứng:

• Nhiệt độ: Phản ứng xảy ra nhanh hơn khi đun nóng.
• Nồng độ axit: Axit sunfuric phải đặc. Axit loãng không phản ứng với đồng trong điều kiện thường.

Cơ Chế Phản Ứng và Cân Bằng

Phản ứng giữa Cu và H₂SO₄ đặc là một phản ứng oxi hóa khử. Đồng (Cu) bị oxi hóa, trong khi lưu huỳnh trong axit sunfuric (H₂SO₄) bị khử.

Alt text: Phản ứng giữa đồng và axit sunfuric đặc nóng minh họa sự thay đổi màu sắc dung dịch và sự tạo thành khí SO2, một hiện tượng quan trọng trong hóa học.

Quá trình cân bằng phản ứng:

1. Xác định số oxi hóa:
   • Cu⁰ → Cu⁺² + 2e
   • S⁺⁶ + 2e → S⁺⁴
2. Viết bán phản ứng:
   • Oxi hóa: Cu → Cu²⁺ + 2e⁻
   • Khử: S⁺⁶ + 2e⁻ → S⁺⁴
3. Cân bằng electron: Đảm bảo số electron cho và nhận bằng nhau.
4. Kết hợp các bán phản ứng:
   Cu + 2H₂SO₄ → CuSO₄ + SO₂ + 2H₂O

Hiện Tượng Quan Sát Được

Khi cho Cu tác dụng với H₂SO₄ đặc, nóng, ta quan sát được các hiện tượng sau:

• Đồng tan dần: Lá đồng màu đỏ (Cu) tan dần trong dung dịch.
• Dung dịch chuyển màu xanh: Dung dịch chuyển sang màu xanh lam do sự tạo thành ion Cu²⁺ (CuSO₄).
• Sủi bọt khí: Khí sulfur dioxide (SO₂) thoát ra, có mùi hắc đặc trưng.

Tính Chất Hóa Học Liên Quan

Tính chất hóa học của Cu

• Tác dụng với phi kim:

  • Oxi: 2Cu + O₂ → 2CuO (ở nhiệt độ cao)
  • Halogen: Cu + Cl₂ → CuCl₂

• Tác dụng với axit:

  • Không tác dụng với HCl, H₂SO₄ loãng (trừ khi có oxi)

  • Tác dụng với HNO₃ và H₂SO₄ đặc:

    • Cu + 2H₂SO₄ (đ) → CuSO₄ + SO₂ + 2H₂O
    • Cu + 4HNO₃ (đ) → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O
    • 3Cu + 8HNO₃ (loãng) → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O

• Tác dụng với dung dịch muối:

  • Cu + 2AgNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2Ag

Tính chất hóa học của H₂SO₄ đặc

• Tính oxi hóa mạnh:

  • Oxi hóa hầu hết các kim loại (trừ Au, Pt)

  • Tác dụng với nhiều phi kim:

    • C + 2H₂SO₄ → CO₂ + 2SO₂ + 2H₂O
    • S + 2H₂SO₄ → 3SO₂ + 2H₂O

  • Tác dụng với hợp chất có tính khử:

    • 2FeO + 4H₂SO₄ → Fe₂(SO₄)₃ + SO₂ + 4H₂O
    • 2KBr + 2H₂SO₄ → Br₂ + SO₂ + 2H₂O + K₂SO₄

• Tính háo nước:

  • H₂SO₄ đặc hấp thụ nước từ các hợp chất, gây ra hiện tượng than hóa. Ví dụ:
    • C₁₂H₂₂O₁₁ → 12C + 11H₂O
    • C + 2H₂SO₄ (đặc) → CO₂ + 2SO₂ + 2H₂O

Ứng Dụng Thực Tế

Phản ứng giữa Cu và H₂SO₄ đặc có nhiều ứng dụng trong công nghiệp và phòng thí nghiệm:

• Sản xuất CuSO₄: Đồng sunfat được sử dụng rộng rãi trong nông nghiệp (thuốc trừ sâu), công nghiệp (mạ điện, sản xuất thuốc nhuộm), và y học (chất khử trùng).
• Điều chế SO₂: Sulfur dioxide là một chất trung gian quan trọng trong sản xuất axit sunfuric và các hợp chất lưu huỳnh khác.
• Phân tích hóa học: Phản ứng được sử dụng để xác định sự có mặt của đồng hoặc sunfat trong mẫu.

Bài Tập Vận Dụng

Câu 1: Cho 6.4 gam Cu tác dụng với H₂SO₄ đặc, nóng, dư. Thể tích khí SO₂ thu được (đktc) là bao nhiêu?

Hướng dẫn giải:

• nCu = 6.4 / 64 = 0.1 mol
• Theo phương trình phản ứng: nSO₂ = nCu = 0.1 mol
• VSO₂ = 0.1 * 22.4 = 2.24 lít

Câu 2: Cho m gam Cu tác dụng với 200 ml dung dịch H₂SO₄ 98% (D=1.84 g/ml). Sau khi phản ứng hoàn toàn thu được 4.48 lít khí SO₂ (đktc). Tính m.

Hướng dẫn giải:

• nH₂SO₄ = (200 1.84 0.98) / 98 = 3.68 mol
• nSO₂ = 4.48 / 22.4 = 0.2 mol
• Theo phương trình phản ứng: nCu = nSO₂ = 0.2 mol
• mCu = 0.2 * 64 = 12.8 gam

Câu 3: Hiện tượng gì xảy ra khi cho Cu vào dung dịch H₂SO₄ đặc, nguội?

Hướng dẫn giải:

• Không có phản ứng xảy ra. Cu bị thụ động hóa bởi H₂SO₄ đặc, nguội.

Lưu Ý An Toàn

Khi thực hiện phản ứng giữa Cu và H₂SO₄ đặc, cần tuân thủ các biện pháp an toàn sau:

• Sử dụng kính bảo hộ, găng tay và áo choàng: Để tránh tiếp xúc trực tiếp với axit và khí SO₂.
• Thực hiện trong tủ hút: Khí SO₂ độc hại, cần được loại bỏ khỏi không gian làm việc.
• Pha loãng axit cẩn thận: Luôn thêm axit vào nước, không làm ngược lại.

Kết Luận

Phản ứng giữa H₂SO₄ đặc và Cu là một phản ứng oxi hóa khử quan trọng, có nhiều ứng dụng trong thực tế. Việc hiểu rõ cơ chế, điều kiện phản ứng và các hiện tượng quan sát được giúp chúng ta nắm vững kiến thức hóa học và áp dụng chúng vào thực tiễn. Quan trọng nhất, luôn tuân thủ các biện pháp an toàn khi làm việc với hóa chất để bảo vệ sức khỏe và môi trường.

Alt text: Thí nghiệm hóa học minh họa phản ứng của đồng và axit sunfuric đặc nóng trong phòng thí nghiệm, cần thực hiện cẩn thận và tuân thủ an toàn.