Cu + H2SO4 đặc nóng | Phương trình và hiện tượng

Phản ứng Cu + H2SO4 đặc nóng là phản ứng oxi hóa – khử tiêu biểu, thể hiện tính oxi hóa mạnh của sulfuric acid đặc khi đun nóng. Khác với H2SO4 loãng, Cu tác dụng với H2SO4 đặc nóng tạo muối CuSO4, khí SO2 và H2O.

Bài viết trình bày phương trình Cu + H2SO4 đặc nóng, điều kiện và hiện tượng phản ứng, cách cân bằng bằng phương pháp electron, vai trò chất oxi hóa – chất khử cùng các bài tập tính toán có lời giải chi tiết.

Cu + H2SO4 đặc nóng: Phương trình phản ứng và sản phẩm

Khi cho đồng tác dụng với sulfuric acid đặc và đun nóng, phản ứng xảy ra theo phương trình:

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

Trong đó:

• Cu: đồng kim loại, chất tham gia phản ứng.

• H₂SO₄: sulfuric acid đặc, nóng, vừa tạo môi trường acid vừa đóng vai trò chất oxi hóa.

• CuSO₄: đồng(II) sulfate, muối tạo thành trong dung dịch.

• SO₂: sulfur dioxide, khí có mùi hắc và độc.

• H₂O: nước tạo thành sau phản ứng.

Phương trình đã được cân bằng với hệ số tối giản là 1 : 2 : 1 : 1 : 2.

Từ phương trình hóa học, tỉ lệ mol được xác định như sau:

n(Cu) : n(H₂SO₄) : n(CuSO₄) : n(SO₂) : n(H₂O) = 1 : 2 : 1 : 1 : 2

Điều này có nghĩa là khi phản ứng hoàn toàn, cứ 1 mol Cu phản ứng với 2 mol H₂SO₄ theo phương trình sẽ tạo ra 1 mol CuSO₄, 1 mol SO₂ và 2 mol H₂O.

Các hệ thức thường dùng khi giải bài tập là:

• n(H₂SO₄) = 2 × n(Cu)

• n(CuSO₄) = n(Cu)

• n(SO₂) = n(Cu)

• n(H₂O) = 2 × n(Cu)

Các hệ thức này áp dụng khi Cu phản ứng hết theo phương trình trên và không có phản ứng phụ làm thay đổi lượng sản phẩm.

Phản ứng diễn ra rõ rệt khi sử dụng sulfuric acid đặc và đun nóng. Đồng không phản ứng với sulfuric acid loãng trong điều kiện thông thường vì Cu đứng sau hydrogen trong dãy hoạt động hóa học, không đẩy được hydrogen ra khỏi dung dịch acid loãng theo phản ứng thế thông thường.

Ngược lại, sulfuric acid đặc, nóng có tính oxi hóa mạnh. Sulfur trong sulfuric acid có thể nhận electron, nhờ đó oxi hóa Cu thành ion Cu²⁺ và tạo ra SO₂. [1]

Phản ứng này thuộc loại phản ứng oxi hóa – khử vì số oxi hóa của Cu tăng từ 0 lên +2, còn số oxi hóa của S giảm từ +6 xuống +4.

Khi hòa tan trong nước, CuSO₄ phân li thành Cu²⁺ và SO₄²⁻. Có thể biểu diễn cân bằng ion của phản ứng dưới dạng hình thức sau (không dùng để suy ra trạng thái điện li thực tế của H₂SO₄ đặc):

Cu + 4H⁺ + SO₄²⁻ → Cu²⁺ + SO₂↑ + 2H₂O

Biểu thức trên giúp kiểm tra cân bằng nguyên tố và điện tích. Trong môi trường H₂SO₄ đặc, nóng, thành phần các dạng ion phức tạp hơn dung dịch loãng; vì vậy, phương trình phân tử là cách biểu diễn chính cần ghi nhớ. Một phần sulfur trong H₂SO₄ bị khử từ +6 xuống +4 để tạo SO₂.

Hiện tượng Cu + H2SO4 đặc nóng và điều kiện phản ứng

Khi Cu tác dụng với H₂SO₄ đặc, nóng, có thể nhận biết qua các hiện tượng sau:

• Lá đồng màu đỏ nâu tan dần.

• Có khí không màu thoát ra, mùi hắc, gây kích ứng đường hô hấp. Khí này là SO₂.

• Dung dịch chứa ion Cu²⁺ có màu xanh lam. Màu sắc thường thể hiện rõ hơn khi dung dịch được pha loãng thích hợp.

Các hiện tượng trên phù hợp với phương trình: [1]

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

Đồng tan dần vì Cu bị oxi hóa thành Cu²⁺. Khí SO₂ hình thành do sulfur trong H₂SO₄ bị khử từ số oxi hóa +6 xuống +4. Dung dịch chuyển xanh do sự hiện diện của ion Cu²⁺.

Về nguyên tắc, thí nghiệm được thực hiện bằng cách cho một lượng nhỏ đồng vào dụng cụ chịu nhiệt phù hợp, thêm acid sulfuric đặc và đun nóng có kiểm soát. Khi phản ứng xảy ra, khí SO₂ được tạo thành, đồng tan dần và hình thành dung dịch chứa CuSO₄.

Do sulfuric acid đặc gây bỏng nghiêm trọng và SO₂ là khí độc, thí nghiệm chỉ nên được tiến hành bởi người có chuyên môn, trong tủ hút và với thiết bị bảo hộ thích hợp. Không ngửi trực tiếp khí thoát ra, không tiến hành trong không gian kín và không đậy kín dụng cụ đang sinh khí. Khí thải phải được thu gom, xử lý theo quy trình an toàn của phòng thí nghiệm.

So sánh Cu tác dụng với H₂SO₄ đặc nóng và H₂SO₄ loãng

Điểm quan trọng nhất là không thể chỉ dựa vào tính acid để dự đoán phản ứng. Với H₂SO₄ đặc, nóng, sulfur ở mức oxi hóa +6 có khả năng nhận electron, vì vậy đồng vẫn có thể phản ứng dù đứng sau hydrogen trong dãy hoạt động hóa học.

Cách cân bằng Cu + H2SO4 đặc nóng bằng electron

Xét phương trình:

Cu + 2H₂SO₄ → CuSO₄ + SO₂ + 2H₂O

Số oxi hóa của các nguyên tố thay đổi như sau:

• Cu trong kim loại: từ 0 lên +2 trong CuSO₄.

• S trong H₂SO₄: từ +6 xuống +4 trong SO₂.

Như vậy, Cu nhường electron nên bị oxi hóa; sulfur nhận electron nên bị khử.

Bảng xác định số oxi hóa:

• Cu: từ 0 lên +2, xảy ra quá trình oxi hóa.

• S: từ +6 xuống +4, xảy ra quá trình khử.

Chất khử là Cu vì Cu nhường electron, làm chất khác bị khử.

Quá trình oxi hóa:

Cu → Cu²⁺ + 2e

Chất oxi hóa là H₂SO₄ vì sulfur trong H₂SO₄ nhận electron và tạo thành SO₂.

Quá trình khử:

S⁺⁶ + 2e → S⁺⁴

Mỗi nguyên tử Cu nhường 2 electron và mỗi nguyên tử S bị khử từ +6 xuống +4 nhận 2 electron. Vì số electron nhường bằng số electron nhận, hai quá trình có tỉ lệ 1 : 1. [1]

Từ đó, hệ số của Cu và SO₂ đều bằng 1. Tiếp tục cân bằng các nguyên tố còn lại, thu được phương trình:

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

Đây là phương pháp thăng bằng electron, dựa trên nguyên tắc tổng số electron nhường bằng tổng số electron nhận.

Một điểm dễ nhầm là hai phân tử H₂SO₄ trong phương trình không có cùng vai trò trực tiếp.

• Một phân tử H₂SO₄ có sulfur bị khử từ +6 xuống +4, tạo SO₂. Phần này thể hiện vai trò chất oxi hóa.

• Phần sulfate còn lại kết hợp với Cu²⁺ tạo thành CuSO₄, đồng thời môi trường acid cung cấp H⁺ cho quá trình tạo nước.

Vì vậy, H₂SO₄ đặc, nóng vừa cung cấp gốc sulfate để tạo muối, vừa thể hiện tính oxi hóa. Khi làm bài, học sinh cần phân biệt vai trò chất oxi hóa của sulfur trong H₂SO₄ với vai trò tạo môi trường acid và cung cấp gốc sulfate.

Theo phương trình phản ứng, Cu nhường 2 electron và sulfur tạo SO₂ nhận 2 electron. Do đó:

2 × n(Cu) = 2 × n(SO₂)

Suy ra: n(Cu) = n(SO₂)

Hệ thức này được sử dụng để tính lượng khí SO₂ khi biết lượng Cu đã phản ứng hết. Với hỗn hợp nhiều kim loại, cần xác định số electron mà từng kim loại nhường rồi mới áp dụng bảo toàn electron.

Cu + H₂SO₄ đặc nóng và các phản ứng dễ nhầm

Phân biệt H₂SO₄ loãng và H₂SO₄ đặc nóng

H₂SO₄ loãng thể hiện tính acid thông thường và phản ứng với nhiều kim loại đứng trước hydrogen, giải phóng H₂. Trong khi đó, H₂SO₄ đặc, nóng còn thể hiện tính oxi hóa mạnh, có thể oxi hóa những kim loại như Cu và tạo SO₂.

Để hệ thống thêm sự khác nhau giữa H₂SO₄ loãng và đặc, học sinh có thể xem phần tính chất hóa học của sulfuric acid trong chương trình Hóa học 11.

Vì vậy, không viết phương trình sau cho phản ứng giữa Cu với H₂SO₄ đặc, nóng:

Cu + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂↑

Sản phẩm khí đúng trong phản ứng đang xét là SO₂, không phải H₂.

Phân biệt CuO và Cu tác dụng với H₂SO₄

Đồng kim loại và đồng(II) oxide có bản chất khác nhau nên phản ứng với acid cũng khác nhau.

Trường hợp 1: Đồng kim loại tác dụng với H₂SO₄ đặc, nóng.

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

Đây là phản ứng oxi hóa – khử, có khí SO₂ thoát ra.

Trường hợp 2: Đồng(II) oxide tác dụng với H₂SO₄.

CuO + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O

Đây là phản ứng giữa oxide base và acid. Số oxi hóa của Cu không thay đổi, không tạo SO₂.

Lưu ý về hiện tượng thụ động hóa

Nhôm (Al), sắt (Fe) và chromium (Cr) có thể bị thụ động hóa trong H₂SO₄ đặc, nguội do hình thành lớp bảo vệ trên bề mặt. Đồng không được xem là kim loại bị thụ động hóa theo quy tắc này; Cu phản ứng với H₂SO₄ đặc khi có điều kiện thích hợp, đặc biệt là khi đun nóng.

So sánh phản ứng Cu + H₂SO₄ đặc nóng và Cu + HNO₃

Phản ứng giữa Cu và H₂SO₄ đặc, nóng có thể được sử dụng để điều chế SO₂ trong phòng thí nghiệm, nhưng cần kiểm soát nghiêm ngặt việc thu gom khí độc.

Khi so sánh với HNO₃, cần nhớ rằng sản phẩm khử phụ thuộc vào nồng độ acid và điều kiện phản ứng. Chẳng hạn, Cu tác dụng với HNO₃ đặc thường tạo NO₂, còn với HNO₃ loãng thường tạo NO. Đối với H₂SO₄ đặc, nóng trong phản ứng đang xét, sản phẩm khử là SO₂.

Phương trình minh họa phản ứng của Cu với HNO₃ đặc:

Cu + 4HNO₃ (đặc) → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O

Bài tập Cu + H2SO4 đặc nóng có lời giải

Các bài tập dưới đây được chia thành ba dạng: nhận biết phản ứng, tính toán theo phương trình và vận dụng bảo toàn electron.

Bài tập lý thuyết, hiện tượng và viết phương trình

Bài 1. Cho một lá đồng vào ống nghiệm chứa H₂SO₄ loãng và một lá đồng khác vào ống nghiệm chứa H₂SO₄ đặc, nóng. Nêu hiện tượng ở mỗi ống nghiệm và giải thích.

Hướng dẫn giải

Với H₂SO₄ loãng, đồng không tan trong điều kiện thông thường. Với H₂SO₄ đặc, nóng, đồng tan dần, tạo dung dịch chứa CuSO₄ và khí SO₂ không màu, mùi hắc.

Bài 2. Hoàn thành phương trình hóa học sau và xác định chất oxi hóa, chất khử:

Cu + H₂SO₄ → CuSO₄ + SO₂ + H₂O

Hướng dẫn giải

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

Cu là chất khử; H₂SO₄ là chất oxi hóa.

Bài 3. Chọn phát biểu đúng về phản ứng giữa Cu và H₂SO₄ đặc, nóng.

A. Cu phản ứng tạo CuSO₄ và khí H₂.

B. Cu bị oxi hóa, sulfur trong H₂SO₄ bị khử.

C. Cu bị khử từ số oxi hóa 0 xuống +2.

D. H₂SO₄ chỉ đóng vai trò là acid, không có tính oxi hóa.

Hướng dẫn giải

Chọn B. Cu tăng số oxi hóa từ 0 lên +2, còn S giảm từ +6 xuống +4.

Bài tập tính toán theo phương trình hóa học

Bài 4. Cho 8,0 gam Cu phản ứng hoàn toàn với H₂SO₄ đặc, nóng dư. Tính thể tích khí SO₂ thu được ở điều kiện chuẩn (25 °C, 1 bar), với thể tích mol khí là 24,79 lít/mol.

Hướng dẫn giải

Số mol Cu:

n(Cu) = 8,0 / 64 = 0,125 mol

Theo phương trình, n(SO₂) = n(Cu) = 0,125 mol.

Thể tích SO₂:

V(SO₂) = 0,125 × 24,79 ≈ 3,099 lít

Kết quả: 3,099 lít SO₂.

Bài 5. Cho 9,6 gam Cu phản ứng hoàn toàn với H₂SO₄ đặc, nóng. Tính số mol H₂SO₄ đã phản ứng theo phương trình hóa học.

Hướng dẫn giải

Số mol Cu:

n(Cu) = 9,6 / 64 = 0,15 mol

Theo tỉ lệ phương trình:

n(H₂SO₄) = 2 × 0,15 = 0,3 mol

Kết quả: 0,3 mol H₂SO₄.

Bài 6. Cho 12,8 gam Cu tác dụng hoàn toàn với H₂SO₄ đặc, nóng dư. Tính khối lượng CuSO₄ tạo thành. Biết Cu = 64, S = 32, O = 16.

Hướng dẫn giải

Số mol Cu:

n(Cu) = 12,8 / 64 = 0,2 mol

Vì n(CuSO₄) = n(Cu) = 0,2 mol.

Khối lượng mol của CuSO₄:

M(CuSO₄) = 64 + 32 + 16 × 4 = 160 g/mol

Khối lượng CuSO₄:

m(CuSO₄) = 0,2 × 160 = 32 gam

Kết quả: 32 gam CuSO₄.

Bài tập bảo toàn electron với hỗn hợp kim loại

Bài 7. Hỗn hợp gồm 2,7 gam Al, 5,6 gam Fe và 6,4 gam Cu phản ứng hoàn toàn với H₂SO₄ đặc, nóng dư. Giả sử các kim loại tạo muối sulfate tương ứng với Al³⁺, Fe³⁺ và Cu²⁺, đồng thời sản phẩm khử duy nhất của sulfur là SO₂.

Tính:

a) Tổng số mol SO₂ thu được.

b) Tổng khối lượng các muối sulfate khan tạo thành.

Cho Al = 27, Fe = 56, Cu = 64, S = 32, O = 16.

Hướng dẫn giải

Bước 1. Tính số mol từng kim loại.

n(Al) = 2,7 / 27 = 0,1 mol

n(Fe) = 5,6 / 56 = 0,1 mol

n(Cu) = 6,4 / 64 = 0,1 mol

Bước 2. Áp dụng bảo toàn electron.

Các quá trình nhường electron:

Al → Al³⁺ + 3e

Fe → Fe³⁺ + 3e

Cu → Cu²⁺ + 2e

Tổng số mol electron nhường:

n(e) = 0,1 × 3 + 0,1 × 3 + 0,1 × 2 = 0,8 mol

Mỗi mol SO₂ tương ứng với 2 mol electron nhận, do đó:

n(SO₂) = 0,8 / 2 = 0,4 mol

Kết quả câu a: 0,4 mol SO₂.

Bước 3. Tính khối lượng muối sulfate.

Muối tạo thành gồm Al₂(SO₄)₃, Fe₂(SO₄)₃ và CuSO₄.

Số mol Al₂(SO₄)₃:

n(Al₂(SO₄)₃) = 0,1 / 2 = 0,05 mol

Số mol Fe₂(SO₄)₃:

n(Fe₂(SO₄)₃) = 0,1 / 2 = 0,05 mol

Số mol CuSO₄:

n(CuSO₄) = 0,1 mol

Khối lượng mol của Al₂(SO₄)₃:

M(Al₂(SO₄)₃) = 2 × 27 + 3 × (32 + 4 × 16) = 342 g/mol

Khối lượng Al₂(SO₄)₃:

m(Al₂(SO₄)₃) = 0,05 × 342 = 17,1 gam

Khối lượng mol của Fe₂(SO₄)₃:

M(Fe₂(SO₄)₃) = 2 × 56 + 3 × (32 + 4 × 16) = 400 g/mol

Khối lượng Fe₂(SO₄)₃:

m(Fe₂(SO₄)₃) = 0,05 × 400 = 20 gam

Khối lượng CuSO₄:

m(CuSO₄) = 0,1 × 160 = 16 gam

Vậy tổng khối lượng muối sulfate khan là:

m(muối) = 17,1 + 20 + 16 = 53,1 gam

Kết quả câu b: 53,1 gam muối sulfate khan.

Lưu ý: Đây là bài toán theo giả thiết sản phẩm đã cho. Trong thực tế, sản phẩm phản ứng của từng kim loại với H₂SO₄ đặc, nóng có thể phụ thuộc vào điều kiện cụ thể.

Tóm lại, phản ứng Cu + H2SO4 đặc nóng là phản ứng oxi hóa – khử, trong đó Cu là chất khử, còn H2SO4 đặc thể hiện tính oxi hóa mạnh, tạo CuSO4, khí SO2 và H2O. Khi đun nóng, đồng tan dần, dung dịch chuyển màu xanh lam và khí SO2 không màu thoát ra. Khác với H2SO4 đặc nóng, H2SO4 loãng không phản ứng với Cu trong điều kiện thông thường. Nắm vững phương trình phản ứng, hiện tượng và cách cân bằng bằng phương pháp electron sẽ giúp học sinh giải quyết các bài tập liên quan và củng cố kiến thức trong chuyên đề Hóa học 11 tại ZIM Academy.