Cu + HNO3 | Phương trình phản ứng với axit loãng và đặc

Phản ứng Cu + HNO3 là phản ứng oxi hóa – khử tiêu biểu trong chương trình Hóa học 11, thể hiện tính oxi hóa mạnh của axit nitric. Khi Cu tác dụng với HNO3 loãng, sản phẩm khí thường là NO; với HNO3 đặc, sản phẩm khí là NO2, đồng thời tạo muối Cu(NO3)2 và H2O.

Bài viết trình bày phương trình Cu + HNO3, cách cân bằng bằng phương pháp electron, hiện tượng phản ứng, màu dung dịch Cu(NO3)2 và bài tập tính toán có lời giải chi tiết.

Cu + HNO3 tạo ra chất gì? Phương trình phản ứng

Đồng (Cu) không phản ứng với HCl hay H2SO4 loãng trong điều kiện thường nhưng phản ứng với nitric acid (HNO3) nhờ tính oxi hóa mạnh của acid. Phản ứng Cu + HNO3 thường tạo muối đồng(II) nitrate Cu(NO3)2, nước và các oxide của nitrogen, tùy nồng độ và điều kiện phản ứng.

Trong môi trường acid, ion NO3− có khả năng oxi hóa Cu thành Cu2+; nguyên tử nitrogen trong HNO3 có số oxi hóa +5 và có thể bị khử xuống các mức thấp hơn. Đây là biểu hiện tính oxi hóa mạnh của nitric acid trong chương trình Hóa học 11 Kết nối tri thức. [1]

Hai trường hợp phản ứng Cu + HNO3 thường gặp trong chương trình phổ thông:

• HNO3 đặc phản ứng với Cu cho sản phẩm khử là khí NO2.

• HNO3 loãng phản ứng với Cu cho sản phẩm khử là khí NO.

Hai phương trình cần nhớ:

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

3Cu + 8HNO3 (loãng) → 3Cu(NO3)2 + 2NO↑ + 4H2O

Đây là phản ứng oxi hóa – khử: Cu là chất khử (số oxi hóa từ 0 lên +2), còn HNO3 chứa nitrogen ở số oxi hóa +5, đóng vai trò chất oxi hóa ở phần tạo NO hoặc NO2; phần gốc nitrate còn lại tạo muối Cu(NO3)2. Sản phẩm khử cụ thể phụ thuộc điều kiện, nên NO và NO2 là những trường hợp điển hình chứ không phải quy tắc tuyệt đối.

So sánh phản ứng Cu với HNO3 loãng và HNO3 đặc

Cu + HNO3 loãng: Phương trình, điều kiện và khí NO

Phản ứng giữa Cu và dung dịch HNO3 loãng xảy ra ngay ở nhiệt độ thường, có thể đun nhẹ để phản ứng diễn ra nhanh hơn.

Phương trình phân tử:

3Cu + 8HNO3 (loãng) → 3Cu(NO3)2 + 2NO↑ + 4H2O

Phương trình ion thu gọn:

3Cu + 8H+ + 2NO3− → 3Cu2+ + 2NO↑ + 4H2O

Khi khí NO không màu thoát ra và tiếp xúc với oxygen trong không khí, NO có thể bị oxi hóa thành NO2 màu nâu đỏ. Vì vậy, dù sản phẩm khí ban đầu là NO, phần khí ở miệng ống nghiệm vẫn có thể chuyển màu nâu đỏ.

Cu + HNO3 đặc nóng: phương trình, điều kiện và khí NO2

Cu phản ứng với HNO3 đặc ngay ở nhiệt độ thường; nếu đun nóng, phản ứng xảy ra mãnh liệt hơn nhiều.

Phương trình phân tử:

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

Phương trình ion thu gọn:

Cu + 4H+ + 2NO3− → Cu2+ + 2NO2↑ + 2H2O

Trong các phương trình ion thu gọn trên, ion NO3− tham gia quá trình nhận electron trong môi trường acid, còn ion H+ tham gia cân bằng hydrogen và oxygen của phản ứng.

Cân bằng Cu + HNO3 bằng phương pháp thăng bằng electron

Phương pháp thăng bằng electron được sử dụng để cân bằng các phản ứng oxi hóa – khử, bao gồm phản ứng Cu với HNO3. Có thể ôn lại nền tảng tại bài phản ứng oxi hóa – khử. Các bước thực hiện gồm:

Bước 1: Xác định số oxi hóa thay đổi.

Cu: 0 → +2 (nhường electron).

N: +5 → +4 (nếu tạo NO2)

hoặc

N: +5 → +2 (nếu tạo NO)

Bước 2: Viết quá trình oxi hóa và quá trình khử.

Trường hợp tạo NO2:

Quá trình oxi hóa: Cu → Cu²⁺ + 2e

Quá trình khử: N⁺⁵ + 1e → N⁺

Cân bằng electron cho – nhận (bội số chung nhỏ nhất của 2 và 1 là 2): 1 Cu ứng với 2 NO2. Sau đó cân bằng N trong gốc nitrate đóng vai trò môi trường và cân bằng H, O, thu được:

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

Trường hợp tạo NO:

Quá trình oxi hóa: Cu → Cu²⁺ + 2e

Quá trình khử: N⁺⁵ + 3e → N⁺²

Bội số chung nhỏ nhất của 2 và 3 là 6, nên cần 3 Cu (nhường 3×2 = 6e) ứng với 2 N (nhận 2×3 = 6e). Cân bằng tiếp các nguyên tố còn lại, thu được:

3Cu + 8HNO3 (loãng) → 3Cu(NO3)2 + 2NO↑ + 4H2O

Bước 3 (kiểm tra lại) : Đếm số nguyên tử mỗi nguyên tố ở hai vế (Cu, N, H, O) phải bằng nhau; với phương trình ion, tổng điện tích hai vế cũng phải bằng nhau.

Hiện tượng Cu + HNO3 và dung dịch Cu(NO3)2 màu gì?

Khi cho Cu tác dụng với HNO3 đặc: đồng tan dần, dung dịch chuyển sang màu xanh lam, đồng thời khí màu nâu đỏ (NO2) thoát ra mạnh.

Khi cho Cu tác dụng với HNO3 loãng: đồng cũng tan dần, dung dịch chuyển màu xanh lam tương tự, nhưng khí thoát ra ban đầu không màu (NO); khí này nhanh chóng hóa nâu đỏ khi gặp oxygen trong không khí theo phản ứng:

2NO + O2 → 2NO2

Cu(NO3)2 màu gì? Dung dịch đồng(II) nitrate có màu xanh lam do ion Cu2+ được hydrate hóa trong nước. Đây là dấu hiệu thường gặp để nhận biết sản phẩm muối trong cả hai phản ứng.

Lưu ý an toàn: HNO3 có tính ăn mòn; NO2 là khí độc. Thí nghiệm chỉ nên do giáo viên hoặc người được đào tạo thực hiện trong tủ hút đạt chuẩn, có thiết bị bảo hộ và hệ thống xử lí khí phù hợp. Không tự thực hiện hoặc ngửi trực tiếp khí thoát ra.

Điểm dễ nhầm lẫn: NO là khí không màu nhưng có thể chuyển thành NO2 màu nâu đỏ khi tiếp xúc không khí; NO2 hình thành trực tiếp là khí màu nâu đỏ. Trong bài tập cần căn cứ điều kiện và sản phẩm khử đề cho, không suy diễn chỉ từ nồng độ acid.

CuO + HNO3 loãng và các phản ứng liên quan

CuO + HNO3 loãng

Phương trình:

CuO + 2HNO3 → Cu(NO3)2 + H2O

Đây là phản ứng giữa oxide base và acid (phản ứng trung hòa), không phải phản ứng oxi hóa – khử, vì số oxi hóa của Cu vẫn giữ nguyên +2 trước và sau phản ứng. Cần phân biệt rõ với phản ứng Cu với HNO3 (có electron trao đổi) để tránh nhầm lẫn khi làm bài. [1]

Về tính chất hóa học của acid nitric, xem thêm bài nitric acid (HNO3) tại ZIM Academy.

CuS + HNO3

Khác với CuO, đồng(II) sulfide (CuS) có thể bị HNO3 oxi hóa: Cu trong CuS vẫn có số oxi hóa +2, còn sulfide S2− có thể bị oxi hóa thành sulfate. Sản phẩm phụ thuộc điều kiện phản ứng; phương trình dưới đây là một trường hợp minh họa khi sản phẩm khử được giả định là NO và sulfur tạo H2SO4.

3CuS + 14HNO3 → 3Cu(NO3)2 + 3H2SO4 + 8NO↑ + 4H2O

Phương trình này được cân bằng bằng phương pháp thăng bằng electron tương tự Cu với HNO3, trong đó mỗi phân tử CuS nhường tổng cộng 8 electron (S²⁻ → S⁺⁶ nhường 8e, Cu không đổi số oxi hóa).

Từ Cu(NO3)2 trở lại Cu và các hợp chất khác của đồng

Có thể điều chế lại Cu kim loại từ dung dịch Cu(NO3)2 bằng hai cách:

1. Cho tác dụng với kim loại hoạt động hơn (ví dụ Fe)

2. Điện phân dung dịch Cu(NO3)2.

Ngoài ra, khi nhiệt phân Cu(NO3)2 sẽ thu được CuO, khí NO2 và khí O2, tạo thành một chuỗi chuyển hóa khép kín của đồng trong chương trình Hóa học 11.

Bài tập Cu + HNO3 có lời giải chi tiết

Phần câu hỏi

Dạng 1: Viết phương trình, nêu hiện tượng

Cho một mảnh đồng vào ống nghiệm chứa dung dịch HNO3 loãng. Nêu hiện tượng quan sát được và viết phương trình phản ứng xảy ra. Vì sao khí không màu có thể chuyển sang màu nâu đỏ khi tiếp xúc không khí?

Dạng 2: Tính theo phương trình hóa học

Cho 57,6 gam Cu tác dụng hoàn toàn với dung dịch HNO3 loãng dư. Tính thể tích khí NO thu được (ở đkc, 25°C và 1 bar, Vm = 24,79 lít/mol) và số mol HNO3 đã phản ứng.

Dạng 3: Bảo toàn electron

Cho m gam Cu tác dụng hết với dung dịch HNO3, thu được 4,958 lít (đkc) hỗn hợp khí NO và NO2 có tỉ khối so với H2 bằng 17. Tính m.

Dạng 4: Hỗn hợp kim loại và hợp chất đồng

Hòa tan hoàn toàn 12,8 gam hỗn hợp gồm Cu và CuO bằng dung dịch HNO3 loãng dư, thu được 0,99 lít khí NO (đkc, sản phẩm khử duy nhất) và dung dịch X. Tính khối lượng Cu(NO3)2 tạo thành sau phản ứng.

Phân tích câu hỏi và hướng dẫn giải

Dạng 1

Phân tích câu hỏi: Cần phân biệt khí NO được tạo ra ban đầu với NO2 xuất hiện khi NO gặp oxygen trong không khí. Với HNO3 loãng, NO là sản phẩm khử thường gặp trong điều kiện đang xét.

Hướng dẫn giải: Hiện tượng: mảnh Cu tan dần, dung dịch chuyển màu xanh lam, có khí không màu thoát ra và hóa nâu đỏ ngay khi tiếp xúc với không khí (do 2NO + O2 → 2NO2). Phương trình:

3Cu + 8HNO3 (loãng) → 3Cu(NO3)2 + 2NO↑ + 4H2O

Trong trường hợp đang xét, phản ứng Cu với HNO3 loãng tạo NO. Khi ra ngoài không khí, NO bị oxi hóa theo phương trình 2NO + O2 → 2NO2, gây hiện tượng khí chuyển màu nâu đỏ. Không được suy luận rằng HNO3 loãng không thể tạo NO2 trong mọi điều kiện.

Dạng 2

Phân tích câu hỏi: Đây là bài tập tính toán cơ bản theo tỉ lệ mol trong phương trình Cu với HNO3 loãng. Các bước cần thực hiện:

Bước 1: Đổi khối lượng Cu ra số mol

Bước 2: Dùng tỉ lệ hệ số trong phương trình để suy ra số mol NO và số mol HNO3 phản ứng

Bước 3: Đổi số mol khí ra thể tích theo điều kiện đề cho.

Hướng dẫn giải:

n(Cu) = 57,6 / 64 = 0,9 mol

Theo phương trình 3Cu + 8HNO3 → 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O:

n(NO) = (2/3) × 0,9 = 0,6 mol

V(NO) = 0,6 × 24,79 = 14,874 lít

n(HNO3) = (8/3) × 0,9 = 2,4 mol

Dạng 3

Phân tích câu hỏi: Đây là dạng bài kinh điển kết hợp hai công cụ:

(1) tính khối lượng mol trung bình từ tỉ khối hơi để tìm tỉ lệ mol giữa NO và NO2

(2) áp dụng định luật bảo toàn electron để liên hệ số mol Cu với tổng electron trao đổi. Không cần viết đầy đủ hai phương trình riêng biệt, chỉ cần làm việc với số mol electron.

Hướng dẫn giải:

Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp khí: M = 17 × 2 = 34 g/mol.

Gọi x, y lần lượt là số mol NO (M = 30) và NO2 (M = 46). Áp dụng công thức khối lượng mol trung bình:

(30x + 46y)/(x + y) = 34 ⇒ 30x + 46y = 34x + 34y.

Suy ra 12y = 4x ⇒ x = 3y.

Tổng số mol khí: n(hỗn hợp) = V / 24,79 = 4,958 / 24,79 = 0,2 mol

Vì x = 3y và x + y = 0,2 mol nên n(NO) = 0,15 mol; n(NO2) = 0,05 mol.

Áp dụng bảo toàn electron: electron Cu nhường = electron N nhận.

n(e nhận) = 3 × 0,15 + 1 × 0,05 = 0,50 mol.

n(Cu) = 0,50 / 2 = 0,25 mol.

m = 0,25 × 64 = 16,0 gam

Dạng 4

Phân tích câu hỏi: Đây là dạng bài hỗn hợp kết hợp Cu (có tính khử, tham gia phản ứng oxi hóa – khử) và CuO (chỉ tham gia phản ứng acid – base, không trao đổi electron). Các bước giải:

Bước 1: Đặt ẩn số mol cho từng chất

Bước 2: Lập phương trình khối lượng

Bước 3: Dùng bảo toàn electron chỉ tính riêng cho Cu kim loại (vì CuO không nhường electron) để tìm số mol Cu, từ đó suy ra số mol CuO và tổng số mol Cu²⁺ trong dung dịch để tính khối lượng muối.

Hướng dẫn giải:

Gọi a = n(Cu), b = n(CuO).

Phương trình khối lượng: 64a + 80b = 12,8 (1)

n(NO) = 0,99 / 24,79 ≈ 0,04 mol

Chỉ có Cu nhường electron (CuO không đổi số oxi hóa), áp dụng bảo toàn electron:

2a = 3 × n(NO) = 3 × 0,04 = 0,12 ⇒ a = 0,06 mol

Thay vào (1): 64×0,06 + 80b = 12,8 ⇒ 3,84 + 80b = 12,8 ⇒ b = 0,112 mol

Cả Cu và CuO sau phản ứng đều chuyển hết thành Cu(NO3)2, nên:

n(Cu(NO3)2) = a + b = 0,06 + 0,112 = 0,172 mol

m(muối) = 0,172 × 188 ≈ 32,34 gam

Câu hỏi thường gặp về phản ứng Cu + HNO3

Cu + HNO3 loãng ra khí gì?

Trong phản ứng điển hình của chương trình phổ thông, Cu tác dụng với HNO3 loãng tạo Cu(NO3)2, NO và H2O. Khí NO không màu có thể hóa nâu đỏ khi tiếp xúc với oxygen trong không khí.

Cu + HNO3 đặc nóng ra khí gì?

Cu tác dụng với HNO3 đặc nóng thường tạo NO2 màu nâu đỏ, đồng thời tạo dung dịch muối Cu(NO3)2 màu xanh lam và nước.

Cu tác dụng với HNO3 có tạo H2 không?

Không. Trong các phản ứng Cu với HNO3 thông thường, chất oxi hóa là HNO3 chứ không phải ion H+ tạo H2 như một số phản ứng của kim loại với acid không có tính oxi hóa mạnh.

Qua bài viết, học sinh đã nắm được hai phương trình trọng tâm: Cu + HNO3 đặc tạo khí NO2 (nâu đỏ), Cu + HNO3 loãng tạo khí NO (không màu, hóa nâu ngoài không khí). Cách cân bằng bằng phương pháp thăng bằng electron, hiện tượng và màu xanh lam đặc trưng của Cu(NO3)2, cùng các phản ứng liên quan của CuO, CuS cũng đã được trình bày chi tiết kèm bài tập bốn dạng thường gặp.

Khi gặp đề bài tương tự, điều đầu tiên cần làm là xác định đúng nồng độ acid để chọn đúng sản phẩm khử trước khi viết hay cân bằng phương trình. Xem thêm các bài giảng khác tại chuyên mục Hóa học 11 – ZIM Academy.