Trong chương trình Hóa học phổ thông, phản ứng giữa sắt (II) oxit và axit nitric là một trong những nội dung trọng tâm. Việc nắm vững phương trình FeO + HNO3 loãng không chỉ giúp bạn giải quyết các bài toán oxi hóa – khử phức tạp mà còn hiểu rõ hơn về tính chất hóa học đặc trưng của các hợp chất sắt. Bài viết dưới đây của hanoi1000.vn sẽ giúp bạn hiểu rõ thông tin một cách đầy đủ, dễ hiểu và chính xác nhất.
Phản ứng FeO + HNO₃ loãng là gì?
Trước khi đi sâu vào phương trình và cơ chế phản ứng, cần hiểu rõ bản chất của hai chất tham gia. FeO (sắt II oxit) là một oxit bazơ có số oxi hóa của sắt là +2 – mức oxi hóa trung gian nên vừa có tính khử, vừa có tính oxi hóa. Trong khi đó, HNO₃ loãng là một axit mạnh, đồng thời là chất oxi hóa mạnh.
Khi FeO tác dụng với dung dịch HNO₃ loãng, không chỉ xảy ra phản ứng trung hòa đơn thuần mà còn kèm theo sự thay đổi số oxi hóa của sắt và nitơ, tạo thành khí NO.
Phương trình hóa học FeO + HNO₃ loãng
Phản ứng giữa FeO và HNO3 loãng là một phản ứng oxi hóa – khử điển hình. Trong đó, nguyên tố Sắt (Fe) trong hợp chất FeO sẽ bị đẩy từ số oxi hóa thấp lên số oxi hóa cao nhất, đồng thời Nitơ trong axit sẽ bị khử xuống các mức thấp hơn để tạo ra sản phẩm khí.
3FeO + 10HNO₃ → 3Fe(NO₃)₃ + NO + 5H₂O
Trong phản ứng này, chúng ta quan sát thấy sự biến đổi của các chất từ dạng oxit bazơ và axit mạnh sang dạng muối tan và khí không màu. Đây là nền tảng quan trọng để thực hiện các bài toán định lượng trong phòng thí nghiệm cũng như các kỳ thi THPT Quốc gia, nơi các câu hỏi về sự thay đổi số oxi hóa của sắt luôn xuất hiện.
Cân bằng phản ứng FeO + HNO₃ loãng theo phương pháp electron
Để hiểu sâu và tránh học thuộc máy móc, phản ứng FeO + HNO3 loãng nên được cân bằng bằng phương pháp thăng bằng electron.
Trước tiên, xác định số oxi hóa của các nguyên tố chính:
- Sắt trong FeO: Fe²⁺
- Sắt trong Fe(NO₃)₃: Fe³⁺
- Nitơ trong HNO₃: N⁵⁺
- Nitơ trong NO: N²⁺
Quá trình oxi hóa:
Fe²⁺ → Fe³⁺ + 1e
Quá trình khử:
N⁵⁺ + 3e → N²⁺
Quy đồng electron:
- Nhân quá trình oxi hóa với 3
- Nhân quá trình khử với 1
Từ đó, hoàn thiện hệ số và cân bằng nguyên tử, ta thu được phương trình chuẩn:
3FeO + 10HNO₃ → 3Fe(NO₃)₃ + NO + 5H₂O
Điều kiện phản ứng và hiện tượng nhận biết thực tế
Việc nắm bắt các điều kiện và hiện tượng giúp học sinh dễ dàng làm các bài tập nhận biết hoặc mô tả thí nghiệm trong các bài kiểm tra tự luận. Phản ứng FeO + HNO3 loãng không yêu cầu điều kiện quá khắt khe về áp suất, nhưng các dấu hiệu hóa học xảy ra lại cực kỳ đặc trưng.
Dưới đây là những mô tả chi tiết giúp bạn hình dung rõ nét diễn biến xảy ra bên trong ống nghiệm khi thực hiện thí nghiệm này:
Điều kiện xảy ra phản ứng
Phản ứng diễn ra ngay ở nhiệt độ thường khi cho FeO tiếp xúc với dung dịch axit. Tuy nhiên, nếu muốn tốc độ phản ứng xảy ra nhanh hơn và khí thoát ra mạnh hơn, người ta thường đun nóng nhẹ dung dịch. Lưu ý rằng nồng độ axit cần được kiểm soát vì axit nitric đặc sẽ cho ra sản phẩm khí khác.
Hiện tượng hóa học quan sát được
Khi cho bột FeO màu đen vào ống nghiệm chứa dung dịch HNO3 loãng, bạn sẽ thấy:
- Chất rắn tan dần: Bột FeO màu đen biến mất theo thời gian.
- Sủi bọt khí: Có khí không màu thoát ra từ lòng chất lỏng.
- Sự đổi màu khí: Khí NO không màu khi thoát lên miệng ống nghiệm, tiếp xúc với oxi không khí sẽ ngay lập tức hóa nâu đỏ do tạo thành NO2 (2NO + O2 → 2NO2).
- Thay đổi màu dung dịch: Dung dịch ban đầu không màu chuyển sang màu vàng nhạt hoặc hơi nâu đỏ của muối sắt (III) nitrat Fe(NO3)3.
Bản chất của các chất tham gia: Tính khử và Tính oxi hóa
Hiểu về bản chất của FeO và HNO3 sẽ giúp bạn suy luận ra nhiều phản ứng khác tương tự mà không cần ghi nhớ quá nhiều. Trong hóa học vô cơ, việc xác định đúng vai trò “kẻ cho – người nhận” electron là chìa khóa để giải quyết các chuỗi phản ứng phức tạp.
Phân tích sâu hơn về đặc tính hóa học của hai tác nhân chính trong phản ứng này:
- FeO (Sắt II oxit): Đóng vai trò là chất khử. Vì sắt trong FeO đang ở mức oxi hóa trung gian (+2), nó chưa đạt đến trạng thái bão hòa điện tích. Nó có xu hướng nhường thêm 1 electron để đạt mức bền vững hơn là +3. Do đó, FeO thể hiện tính khử mạnh khi gặp các tác nhân oxi hóa.
- HNO3 (Axit nitric loãng): Đóng vai trò là chất oxi hóa. Nitơ trong axit nitric ở mức oxi hóa cao nhất (+5). Với cấu trúc này, nó có khả năng thu hút electron rất mạnh từ các kim loại hoặc hợp chất có hóa trị thấp. Tùy vào độ loãng, Nitơ sẽ nhận electron để giảm số oxi hóa xuống +2 (trong NO).
Những lưu ý mở rộng khi cho các oxit sắt tác dụng với HNO3
Không chỉ có FeO + HNO3 loãng, các oxit sắt khác như Fe3O4 hay Fe2O3 cũng có những phản ứng riêng biệt với axit nitric. Việc phân biệt rõ sự khác nhau giữa chúng giúp học sinh tránh được những “bẫy” thường gặp trong các bài thi trắc nghiệm lý thuyết về sản phẩm khử.
Hãy cùng so sánh sự khác biệt để có cái nhìn tổng quan nhất về họ hàng nhà oxit sắt khi gặp axit nitric:
- Với Fe2O3: Vì sắt đã ở mức oxi hóa tối đa (+3), nên phản ứng giữa Fe2O3 và HNO3 chỉ là phản ứng axit – bazơ thông thường, không có sự thay đổi số oxi hóa và không có khí thoát ra:
Fe2O3 + 6HNO3 → 2Fe(NO3)3 + 3H2O
- Với Fe3O4 (Sắt từ oxit): Vì Fe3O4 được coi là hỗn hợp của FeO và Fe2O3 (tỉ lệ 1:1), nên nó vẫn thể hiện tính khử và sinh ra khí NO tương tự FeO nhưng hệ số cân bằng phức tạp hơn:
3Fe3O4 + 28HNO3 → 9Fe(NO3)3 + NO + 14H2O - Ảnh hưởng của nồng độ axit: Nếu thay bằng HNO3 đặc, nóng, FeO sẽ phản ứng mãnh liệt hơn và sản phẩm khử thu được chủ yếu là khí NO2 (màu nâu đỏ) thay vì khí NO không màu.
Các dạng bài tập vận dụng liên quan đến phản ứng FeO + HNO₃ loãng
Để nắm vững phản ứng FeO + HNO3 loãng, học sinh cần luyện tập nhiều dạng bài khác nhau, từ nhận biết phản ứng, xác định vai trò các chất cho đến bài toán tính toán dựa trên bảo toàn electron. Dưới đây là một số dạng bài tiêu biểu thường gặp trong đề kiểm tra và đề thi.
Bài tập 1: Cho phản ứng giữa FeO và dung dịch HNO₃ loãng tạo thành Fe(NO₃)₃, NO và H₂O. Khi hệ số của FeO là 3 thì hệ số của HNO₃ trong phương trình phản ứng là bao nhiêu?
- 6
- 8
- 10
- 12
Hướng dẫn giải: Phương trình cân bằng của phản ứng là:
3FeO + 10HNO₃ → 3Fe(NO₃)₃ + NO + 5H₂O
→ Hệ số của HNO₃ là 10
Đáp án: C
Bài tập 2: Phát biểu nào sau đây đúng khi nói về phản ứng FeO + HNO3 loãng?
- FeO đóng vai trò là chất oxi hóa
- HNO₃ chỉ thể hiện tính axit
- Fe²⁺ bị oxi hóa thành Fe³⁺
- Không có sự thay đổi số oxi hóa
Hướng dẫn giải: Trong phản ứng:
- Fe²⁺ → Fe³⁺ (bị oxi hóa)
- N⁵⁺ → N²⁺ (bị khử)
→ Đây là phản ứng oxi hóa – khử, Fe²⁺ bị oxi hóa.
Đáp án: C
Bài tập 3: Trong phản ứng FeO + HNO₃ loãng → Fe(NO₃)₃ + NO + H₂O, chất oxi hóa và chất khử lần lượt là:
- FeO và HNO₃
- HNO₃ và FeO
- Fe(NO₃)₃ và NO
- NO và FeO
Hướng dẫn giải:
- Fe²⁺ trong FeO nhường electron → FeO là chất khử
- NO₃⁻ trong HNO₃ nhận electron → HNO₃ là chất oxi hóa
Đáp án: B
Bài tập 4: Hòa tan hoàn toàn 0,15 mol FeO bằng dung dịch HNO₃ loãng dư. Giả sử sản phẩm khử duy nhất của HNO₃ là NO. Tính số mol khí NO thu được.
Hướng dẫn giải: Phương trình phản ứng là 3FeO + 10HNO₃ → 3Fe(NO₃)₃ + NO + 5H₂O
Tỉ lệ mol:
- 3 mol FeO → 1 mol NO
→ nNO = 0,15 × 1 / 3 = 0,05 mol
Đáp án: 0,05 mol NO
Bài tập 5: Cho FeO lần lượt tác dụng với HNO₃ loãng và HNO₃ đặc, nóng. Phát biểu nào sau đây đúng?
- Cả hai trường hợp đều tạo khí NO
- HNO₃ loãng tạo NO, HNO₃ đặc tạo NO₂
- HNO₃ đặc không phản ứng với FeO
- Cả hai đều không phải phản ứng oxi hóa – khử
Hướng dẫn giải:
- HNO₃ loãng → sản phẩm khử: NO
- HNO₃ đặc, nóng → sản phẩm khử: NO₂
Đáp án: B
Bài tập 6: Khi cho FeO tác dụng với dung dịch HNO₃ loãng, hiện tượng nào sau đây xảy ra?
- Xuất hiện kết tủa trắng
- Có khí không màu thoát ra, hóa nâu ngoài không khí
- Dung dịch chuyển màu xanh lục
- Không có hiện tượng gì
Hướng dẫn giải: Khí NO sinh ra là khí không màu, ra ngoài không khí bị oxi hóa thành NO₂ màu nâu đỏ.
Đáp án: B
Bài tập 7: Hòa tan hoàn toàn một oxit sắt bằng dung dịch HNO₃ loãng thu được dung dịch chỉ chứa Fe(NO₃)₃ và khí NO. Oxit sắt ban đầu có thể là:
- FeO
- Fe₂O₃
- Fe₃O₄
- Fe₂O₃ hoặc Fe₃O₄
Hướng dẫn giải: Chỉ có Fe²⁺ mới bị oxi hóa lên Fe³⁺ tạo NO. Oxit chứa Fe²⁺ là FeO và Fe₃O₄, nhưng Fe₃O₄ còn chứa Fe³⁺.
→ Trường hợp chỉ xét phản ứng đơn giản nhất thường chọn FeO.
Đáp án: A
Kết luận
Phản ứng FeO + HNO3 loãng là một phản ứng quan trọng, thể hiện rõ tính oxi hóa mạnh của axit nitric và tính khử đặc trưng của hợp chất sắt(II). Việc nắm chắc phương trình, điều kiện, hiện tượng và bản chất phản ứng sẽ giúp học sinh học tốt phần hóa học vô cơ và làm chủ nhiều dạng bài tập trong các kỳ thi.
Nếu bạn đang ôn tập Hóa học THPT, đây là phản ứng nhất định phải nhớ và phải hiểu, không chỉ học thuộc.