Cu + AgNO3 | Phương trình, hiện tượng và bài tập

Cu + AgNO3 là phản ứng giữa đồng và dung dịch bạc nitrat, xảy ra ở nhiệt độ thường theo phương trình: Cu + 2AgNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2Ag. Hiện tượng quan sát được là đồng tan dần, bạc trắng xám bám trên dây đồng và dung dịch chuyển sang màu xanh lam do ion Cu²⁺.

Phản ứng thuộc nội dung tính chất hóa học của kim loại trong Khoa học tự nhiên 9, đồng thời liên hệ với cặp oxi hóa – khử và dãy điện hóa trong Hóa học 12. Bài viết trình bày cách cân bằng phương trình, giải thích hiện tượng, xác định chất oxi hóa, chất khử và vận dụng tỉ lệ mol để giải bài tập Cu dư, AgNO3 dư, tính khối lượng bạc và độ tăng khối lượng thanh đồng.

Phương trình Cu + AgNO3 và điều kiện phản ứng

Khi cho đồng (Cu) tác dụng với dung dịch bạc nitrat (silver nitrate, AgNO₃), Cu bị oxi hóa thành Cu²⁺, còn Ag⁺ bị khử thành bạc kim loại. Phương trình Cu + AgNO3 đã cân bằng: [1]

\[\text{Cu} + 2\text{AgNO}_3 \rightarrow \text{Cu(NO}_3)_2 + 2\text{Ag}\]

Trong đó, Cu là kim loại ở dạng rắn; \(\text{AgNO}_3\) và \(\text{Cu(NO}_3)_2\) đều là muối tan trong dung dịch; Ag sinh ra ở dạng rắn, bám trực tiếp lên bề mặt thanh đồng. Hệ số 2 đứng trước \(\text{AgNO}_3\) và trước Ag là bắt buộc để cân bằng số nguyên tử Ag và nhóm \(\text{NO}_3^-\) ở hai vế – học sinh rất hay bỏ sót hệ số này khi viết nhanh. Tỉ lệ số mol của phản ứng là 1 : 2 : 1 : 2, nghĩa là cứ 1 mol Cu phản ứng vừa đủ với 2 mol \(\text{AgNO}_3\).

Về điều kiện, phản ứng xảy ra ngay ở nhiệt độ thường khi nhúng kim loại Cu vào dung dịch \(\text{AgNO}_3\), không cần đun nóng hay xúc tác. Xét về phân loại, đây vừa là một phản ứng thế (nguyên tử Cu đã thay thế vị trí nguyên tử Ag trong muối), vừa là một phản ứng oxi hóa – khử vì có sự thay đổi số oxi hóa: Cu từ 0 tăng lên +2, còn Ag từ +1 giảm xuống 0 (phần bản chất oxi hóa – khử được trình bày chi tiết ở mục sau).

Học sinh cần phân biệt với phản ứng Cu + HNO₃. Cả hai có thể tạo Cu(NO₃)₂, nhưng trong dung dịch AgNO₃, Ag⁺ là chất oxi hóa và sản phẩm khử là Ag. Với HNO₃, nitrate trong môi trường acid bị khử, thường tạo NO hoặc NO₂ tùy điều kiện. Hai phản ứng khác nhau về chất oxi hóa và sản phẩm khử.

Hiện tượng khi cho Cu tác dụng với dung dịch AgNO3

Trong phòng thực hành, có thể quan sát phản ứng khi nhúng dây đồng sạch vào một lượng nhỏ dung dịch AgNO₃, ở nhiệt độ thường. Học sinh theo dõi đồng thời bề mặt kim loại và màu dung dịch theo hướng dẫn của giáo viên. [1]

Ban đầu, dung dịch \(\text{AgNO}_3\) trong suốt, không màu, dây đồng có màu đỏ và bề mặt sáng bóng. Sau khi nhúng vào dung dịch, trên bề mặt dây đồng xuất hiện một lớp bạc màu trắng xám, bám ngày càng dày theo thời gian; đồng thời dây đồng bị khuyết dần do kim loại Cu tan vào dung dịch dưới dạng ion \(\text{Cu}^{2+}\). Dung dịch ban đầu không màu cũng chuyển dần sang màu xanh lam, màu đậm dần theo thời gian phản ứng.

Lớp kim loại trắng bạc chính là Ag kim loại được giải phóng từ ion \(\text{Ag}^+\) trong dung dịch; còn màu xanh lam là màu đặc trưng của ion \(\text{Cu}^{2+}\) mới sinh ra trong dung dịch \(\text{Cu(NO}_3)_2\). Nồng độ ion \(\text{Cu}^{2+}\) càng lớn, màu xanh lam của dung dịch càng đậm – đây là dấu hiệu định tính giúp theo dõi mức độ phản ứng đã xảy ra.

Lưu ý an toàn: dung dịch \(\text{AgNO}_3\) có thể gây ố đen trên da và quần áo, đồng thời có tính oxi hóa nên cần tránh tiếp xúc trực tiếp. Khi thực hành, cần đeo găng tay, kính bảo hộ và thực hiện dưới sự hướng dẫn của giáo viên; sau thí nghiệm phải thu gom hóa chất và dụng cụ đúng quy định, không đổ trực tiếp ra môi trường.

Bản chất oxi hóa – khử và chiều phản ứng Cu + AgNO3

Cùng một phản ứng Cu + AgNO3, học sinh lớp 9 và lớp 12 có hai cách giải thích ở hai mức độ khác nhau, nhưng bản chất hoàn toàn thống nhất.

Giải thích theo dãy hoạt động hóa học (kiến thức lớp 9)

Trong dãy hoạt động hóa học, Cu đứng trước Ag, nên Cu có thể đẩy Ag ra khỏi dung dịch AgNO₃. Khi vận dụng quy tắc kim loại đứng trước đẩy kim loại đứng sau ra khỏi dung dịch muối, cần loại trừ các kim loại phản ứng mạnh với nước ở điều kiện thường như K, Na, Ca. [2]

Kết luận: Cu hoạt động hóa học mạnh hơn Ag. Ngược lại, trong điều kiện thí nghiệm thông thường, nhúng Ag vào dung dịch Cu(NO₃)₂ không xảy ra phản ứng thế tạo Cu.

Giải thích theo chất khử – chất oxi hóa (kiến thức lớp 12)

Ở mức độ sâu hơn, phản ứng Cu + AgNO3 là một phản ứng oxi hóa – khử điển hình. Trong đơn chất Cu, nguyên tử Cu có số oxi hóa 0; sau phản ứng, Cu trong \(\text{Cu(NO}_3)_2\) có số oxi hóa +2. Cu đã nhường electron, số oxi hóa tăng từ 0 lên +2, nên Cu đóng vai trò chất khử:

\[\text{Cu} \rightarrow \text{Cu}^{2+} + 2e^-\]

Ngược lại, ion \(\text{Ag}^+\) trong \(\text{AgNO}_3\) có số oxi hóa +1; sau phản ứng, Ag kim loại có số oxi hóa 0. Ion \(\text{Ag}^+\) đã nhận electron, số oxi hóa giảm từ +1 xuống 0, nên \(\text{Ag}^+\) đóng vai trò chất oxi hóa:

\[\text{Ag}^+ + e^- \rightarrow \text{Ag}\]

Vì mỗi nguyên tử Cu nhường ra 2 electron, trong khi mỗi ion \(\text{Ag}^+\) chỉ nhận 1 electron, nên cần đúng 2 ion \(\text{Ag}^+\) để cân bằng số electron nhường và nhận – đây chính là lý do hệ số 2 trước \(\text{AgNO}_3\) là bắt buộc. Viết dưới dạng phương trình ion rút gọn, trong đó ion \(\text{NO}_3^-\) có số lượng không đổi ở hai vế nên là ion khán giả, không tham gia trực tiếp vào phản ứng:

\[\text{Cu} + 2\text{Ag}^+ \rightarrow \text{Cu}^{2+} + 2\text{Ag}\]

Trong Hóa học 12 Kết nối tri thức, Bài 15: Thế điện cực và nguồn điện hóa học, Cu²⁺/Cu và Ag⁺/Ag là hai cặp oxi hóa – khử. Ở điều kiện chuẩn, E°(Cu²⁺/Cu) = +0,340 V và E°(Ag⁺/Ag) = +0,799 V. Vì thế, Ag⁺ có tính oxi hóa mạnh hơn Cu²⁺, còn Cu có tính khử mạnh hơn Ag; phản ứng diễn ra theo chiều Cu khử Ag⁺ thành Ag. Đây là chiều dự đoán theo quy tắc alpha (α). [3]

Học sinh có thể củng cố cách xác định chất khử, chất oxi hóa và cân bằng electron qua bài phản ứng oxi hóa – khử.

Ứng dụng và những lưu ý khi vận dụng phản ứng Cu + AgNO3

Phản ứng Cu + AgNO3 minh họa nguyên tắc thủy luyện: dùng chất khử thích hợp để chuyển ion kim loại trong dung dịch thành kim loại. Trong trường hợp này, Cu khử Ag⁺ và tách bạc ra ở dạng rắn. Khi vận dụng, cần xét khả năng phản ứng trong môi trường dung dịch.

Khi làm bài tập, đặt a = n(Cu) ban đầu và b = n(AgNO₃) ban đầu. Với phản ứng xảy ra hoàn toàn và không có chất phản ứng khác, số mol Cu phản ứng là x = min(a; b/2). Khi đó, n(Ag) = 2x và n[Cu(NO₃)₂] = x. Thành phần sau phản ứng được xác định như sau:

Một dạng bài mở rộng là thêm kim loại khác vào dung dịch sau phản ứng. Ví dụ, khi Cu và AgNO₃ đã phản ứng vừa đủ, lọc tách Ag rồi cho Fe dư vào dung dịch Cu(NO₃)₂, xảy ra phản ứng:

\[\text{Fe} + \text{Cu(NO}_3)_2 \rightarrow \text{Fe(NO}_3)_2 + \text{Cu}\]

Dạng bài này giúp học sinh làm quen với các phản ứng xảy ra nối tiếp nhau, trong đó mỗi bước đều phải xét lại vị trí các kim loại trong dãy hoạt động hóa học trước khi viết phương trình tiếp theo.

Bài tập vận dụng phản ứng Cu + AgNO3 có đáp án

Phần này gồm bốn dạng bài tập Cu + AgNO3, từ nhận biết đến tính toán chất dư và khối lượng chất rắn. Dùng khối lượng mol quy ước: M(Cu) = 64 g/mol, M(Ag) = 108 g/mol, M[Cu(NO₃)₂] = 188 g/mol.

Dạng 1: Dự đoán hiện tượng và viết phương trình

Đề bài: Xét hai ống nghiệm: (1) dây Cu sạch trong dung dịch AgNO₃; (2) dây Ag trong dung dịch Cu(NO₃)₂. Ống nào xảy ra phản ứng thế? Nêu hiện tượng và viết phương trình.

Phân tích: So sánh vị trí Cu và Ag trong dãy hoạt động hóa học để xác định chiều phản ứng.

Lời giải: Ống (1) xảy ra phản ứng: Cu tan dần, Ag trắng xám bám trên dây đồng và dung dịch chuyển xanh lam. Ống (2) không xảy ra phản ứng thế tạo Cu trong điều kiện thông thường.

\[\mathrm{Cu}+2\mathrm{AgNO_3}\rightarrow\mathrm{Cu(NO_3)_2}+2\mathrm{Ag}\]

Dạng 2: Tính khối lượng và xác định chất dư

Đề bài: a) Cho 7,68 gam Cu phản ứng hoàn toàn với dung dịch AgNO₃ dư. Tính khối lượng bạc tạo thành. b) Cho 0,10 mol Cu vào dung dịch chứa 0,15 mol AgNO₃. Khi phản ứng kết thúc, xác định chất dư, khối lượng Ag và khối lượng Cu(NO₃)₂ tạo thành.

Phân tích: Câu a tính theo Cu phản ứng hết. Câu b cần so sánh n(Cu) với n(AgNO₃)/2 trước khi tính sản phẩm.

Lời giải câu a:

\[n_{\mathrm{Cu}}=\dfrac{7{,}68}{64}=0{,}12\text{ mol}\]

\[n_{\mathrm{Ag}}=2n_{\mathrm{Cu}}=0{,}24\text{ mol}\]

\[m_{\mathrm{Ag}}=0{,}24\times108=25{,}92\text{ g}\]

Lời giải câu b: 0,10 mol Cu cần 0,20 mol AgNO₃, nhưng dung dịch chỉ có 0,15 mol. Vậy AgNO₃ phản ứng hết và Cu dư.

\[n_{\mathrm{Cu}\,\text{phản ứng}}=\dfrac{0{,}15}{2}=0{,}075\text{ mol}\]

\[n_{\mathrm{Cu}\,\text{dư}}=0{,}10-0{,}075=0{,}025\text{ mol}\]

\[m_{\mathrm{Ag}}=0{,}15\times108=16{,}2\text{ g}\]

\[m_{\mathrm{Cu(NO_3)_2}}=0{,}075\times188=14{,}1\text{ g}\]

Cu dư có khối lượng 0,025 × 64 = 1,6 gam; dung dịch sau phản ứng chứa Cu(NO₃)₂. Khối lượng 14,1 gam là khối lượng muối tạo thành, không phải khối lượng toàn bộ dung dịch.

Dạng 3: ộ tăng khối lượng thanh đồng

Đề bài: Nhúng thanh đồng 18 gam vào 150 mL dung dịch AgNO₃ 0,80 M. Sau khi phản ứng hoàn toàn, rửa, làm khô và cân thanh kim loại. Giả sử toàn bộ Ag sinh ra bám vào thanh, không bị thất thoát. Tính độ tăng khối lượng và khối lượng thanh sau phản ứng.

Phân tích: Gọi x là số mol Cu phản ứng. Thanh giảm 64x gam do Cu tan và tăng 216x gam do Ag bám vào. Vì vậy:

\[\Delta m=m_{\mathrm{Ag}\,\text{bám}}-m_{\mathrm{Cu}\,\text{tan}}=152x\]

Với cùng giả thiết, cũng có thể dùng Δm = 76n(AgNO₃ phản ứng), đơn vị gam. Cần phân biệt AgNO₃ ban đầu và AgNO₃ đã phản ứng.

Lời giải:

\[n_{\mathrm{Cu}\,\text{ban đầu}}=\dfrac{18}{64}=0{,}28125\text{ mol}\]

\[n_{\mathrm{AgNO_3}}=0{,}150\times0{,}80=0{,}12\text{ mol}\]

Để phản ứng hết 0,12 mol AgNO₃ chỉ cần 0,06 mol Cu, nhỏ hơn số mol Cu ban đầu. Vậy Cu dư, AgNO₃ phản ứng hết và x = 0,06 mol.

\[m_{\mathrm{Cu}\,\text{tan}}=0{,}06\times64=3{,}84\text{ g}\]

\[m_{\mathrm{Ag}\,\text{bám}}=0{,}12\times108=12{,}96\text{ g}\]

\[\Delta m=12{,}96-3{,}84=9{,}12\text{ g}\]

\[m_{\text{thanh sau}}=18+9{,}12=27{,}12\text{ g}\]

Dạng 4: Hỗn hợp Cu và Ag tác dụng với AgNO3

Đề bài: Cho hỗn hợp gồm 3,2 gam Cu và 2,16 gam Ag vào 100 mL dung dịch AgNO₃ 0,50 M. Phản ứng xảy ra hoàn toàn. Tính khối lượng chất rắn thu được.

Phân tích: Ag có sẵn không phản ứng thế với ion Ag⁺ trong dung dịch AgNO₃. Chỉ Cu phản ứng; chất rắn cuối cùng gồm Ag ban đầu, Ag mới sinh và Cu dư nếu có.

Lời giải:

\[n_{\mathrm{Cu}}=\dfrac{3{,}2}{64}=0{,}05\text{ mol}\]

\[n_{\mathrm{AgNO_3}}=0{,}100\times0{,}50=0{,}05\text{ mol}\]

0,05 mol Cu cần 0,10 mol AgNO₃, lớn hơn lượng có sẵn. Do đó AgNO₃ phản ứng hết và Cu dư.

\[n_{\mathrm{Cu}\,\text{phản ứng}}=\dfrac{0{,}05}{2}=0{,}025\text{ mol}\]

\[m_{\mathrm{Cu}\,\text{dư}}=(0{,}05-0{,}025)\times64=1{,}6\text{ g}\]

\[m_{\mathrm{Ag}\,\text{mới}}=0{,}05\times108=5{,}4\text{ g}\]

\[m_{\text{rắn}}=1{,}6+2{,}16+5{,}4=9{,}16\text{ g}\]

Những lỗi thường gặp với Cu + AgNO3

• Quên cân bằng hệ số 2 trước AgNO3 và Ag: Nhiều học sinh viết Cu + AgNO3 → Cu(NO3)2 + Ag mà không để ý số nguyên tử Ag và nhóm NO3 hai vế chưa bằng nhau. Cách khắc phục là sau khi viết sản phẩm, luôn đếm lại số nguyên tử của từng nguyên tố ở hai vế trước khi kết luận phương trình đã cân bằng.

• Nhầm với phản ứng Cu + HNO3: Học sinh dễ nhầm hai phản ứng vì cùng tạo ra Cu(NO3)2, nhưng Cu + HNO3 sinh khí NO hoặc NO2 chứ không sinh kim loại Ag. Cách khắc phục là luôn xác định rõ chất oxi hóa của từng phản ứng: với AgNO3 là ion Ag+, với HNO3 là ion NO3- trong môi trường acid.

• Viết sai trạng thái chất trong phương trình: Một số bài yêu cầu ghi rõ trạng thái (rắn, dung dịch) nhưng học sinh bỏ qua hoặc ghi nhầm Ag ở dạng dung dịch. Cách khắc phục là ghi nhớ Cu và Ag đều là chất rắn, còn AgNO3, Cu(NO3)2 là các chất tan trong dung dịch.

• Tính toán theo chất dư thay vì chất thiếu: Khi đề cho sẵn số mol của cả Cu và AgNO3 mà không nói rõ chất nào dư, học sinh thường mặc định tính theo chất đề cho trước, dẫn đến sai kết quả. Cách khắc phục là luôn so sánh tỉ lệ mol thực tế của hai chất với tỉ lệ hệ số 1 : 2 trong phương trình để xác định đúng chất phản ứng hết rồi mới tính toán.

• Bỏ sót Ag có sẵn khi tính khối lượng chất rắn: Ở dạng bài hỗn hợp Cu, Ag tác dụng với AgNO3, học sinh hay bỏ sót lượng Ag ban đầu khi cộng tổng khối lượng chất rắn sau phản ứng. Cách khắc phục là luôn liệt kê đầy đủ các thành phần rắn sau phản ứng: kim loại dư (nếu có), kim loại trơ có sẵn và kim loại mới sinh ra.

Phản ứng Cu + AgNO3 xảy ra theo phương trình Cu + 2AgNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2Ag, với hiện tượng đồng tan dần, bạc trắng xám bám trên thanh đồng và dung dịch chuyển xanh lam. Đây là phản ứng thế, đồng thời là phản ứng oxi hóa – khử: Cu là chất khử, Ag⁺ là chất oxi hóa.

Khi giải bài tập, học sinh cần vận dụng tỉ lệ mol Cu : AgNO₃ = 1 : 2 để xác định chất dư, chất phản ứng hết và tính khối lượng sản phẩm. Để củng cố tính chất kim loại và dãy hoạt động hóa học theo bộ sách Kết nối tri thức, học sinh có thể tham khảo chuyên đề Khoa học tự nhiên 9 tại ZIM Academy.