Fe + H2SO4 loãng | Phương trình, hiện tượng và bài tập

Fe + H2SO4 loãng tạo muối sắt(II) sulfate (FeSO4) và khí hydrogen (H2) theo phương trình: Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2↑. Hiện tượng là sắt tan dần, xuất hiện bọt khí không màu và dung dịch có màu lục nhạt. Khi H2SO4 loãng dư, phản ứng vẫn tạo FeSO4, không tạo muối sắt(III).

Bài viết hướng dẫn phương trình, hiện tượng, điều kiện sắt tác dụng với H2SO4 loãng và bài tập tính số mol, thể tích H2, khối lượng muối theo chương trình Khoa học tự nhiên 9 – Kết nối tri thức.

Fe tác dụng với H₂SO₄ loãng là phản ứng gì?

Sắt tác dụng với H2SO4 loãng là phản ứng thế, tạo muối sắt(II) sulfate và khí hydrogen. Đây là phản ứng minh họa tính chất của kim loại đứng trước hydrogen trong dãy hoạt động hóa học, gắn với Bài 18 và Bài 19 Khoa học tự nhiên 9 – Kết nối tri thức. [1]

Fe đứng trước H trong dãy hoạt động hóa học nên phản ứng được với dung dịch sulfuric acid loãng. Sắt nhường electron, còn ion H⁺ của acid nhận electron để tạo H2.

Phản ứng tạo ra hai sản phẩm:

• Muối sắt(II) sunfat FeSO₄: tan trong nước, chứa ion Fe²⁺ và ion SO₄²⁻.

• Khí hiđro H₂: là chất khí không màu, thoát ra khỏi dung dịch dưới dạng các bọt khí.

Phương trình hóa học Fe + H₂SO₄ loãng

Phương trình hóa học đã cân bằng

Khi sắt tác dụng với dung dịch sulfuric acid (axit sunfuric) loãng, phương trình đã cân bằng là:

\[\mathrm{Fe}+\mathrm{H}_{2}\mathrm{SO}_{4}\rightarrow\mathrm{FeSO}_{4}+\mathrm{H}_{2}\uparrow\]

Các hệ số nguyên tối giản đều bằng 1; tỉ lệ mol Fe : H2SO4 : FeSO4 : H2 = 1 : 1 : 1 : 1.

Cách kiểm tra phương trình đã cân bằng

Học sinh có thể kiểm tra bằng cách đếm số nguyên tử của mỗi nguyên tố ở hai vế:

Số nguyên tử Fe, H, S, O ở hai vế đều bằng nhau nên phương trình đã cân bằng. Hệ số 1 thường được lược bỏ khi viết.

Vì sao sản phẩm là FeSO₄ chứ không phải Fe₂(SO₄)₃?

Phần mở rộng về electron: Trong phản ứng với H2SO4 loãng, Fe nhường hai electron, tăng số oxi hóa từ 0 lên +2. Fe là chất khử:

\[\mathrm{Fe}\rightarrow\mathrm{Fe}^{2+}+2e^{-}\]

Ion H⁺ là chất oxi hóa, nhận electron và tạo H2:

\[2\mathrm{H}^{+}+2e^{-}\rightarrow\mathrm{H}_{2}\]

Trong dung dịch, muối FeSO4 tan tồn tại dưới dạng các ion, chủ yếu là Fe²⁺ và SO₄²⁻; không tạo kết tủa FeSO4. Sản phẩm của phản ứng đang xét là muối sắt(II), không phải Fe2(SO4)3. [2]

Ion sulfate không trực tiếp tham gia quá trình nhường – nhận electron. Phương trình ion rút gọn thể hiện bản chất phản ứng:

\[\mathrm{Fe}+2\mathrm{H}^{+}\rightarrow\mathrm{Fe}^{2+}+\mathrm{H}_{2}\uparrow\]

So sánh với HCl: Fe tác dụng với HCl tạo FeCl2 và H2; Fe tác dụng với H2SO4 loãng tạo FeSO4 và H2. Trong cả hai trường hợp, sắt tạo muối sắt(II).

Điều kiện phản ứng và trường hợp H2SO4 loãng dư

Fe có tác dụng với H2SO4 loãng nguội không? Có. Phản ứng xảy ra ở nhiệt độ thường, không bắt buộc đun nóng hoặc dùng chất xúc tác. Bề mặt sắt sạch giúp quan sát hiện tượng rõ hơn; nồng độ acid, nhiệt độ và diện tích bề mặt kim loại ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng.

H2SO4 loãng là acid mạnh hay yếu? Dung dịch H2SO4 loãng vẫn thể hiện tính chất của một acid mạnh. “Loãng” nói về nồng độ, không đồng nghĩa với acid yếu.

Phân biệt với acid đặc: Fe bị thụ động hóa trong H2SO4 đặc nguội ở điều kiện thông thường. Với H2SO4 đặc nóng, acid dư, phản ứng thường được xét ở chương trình THPT tạo muối sắt(III) và SO2; không áp dụng phương trình sinh H2 của acid loãng cho trường hợp đó. [3]

Fe + H2SO4 loãng dư ra gì?

Khi H2SO4 loãng dư, Fe phản ứng hết và dung dịch còn acid dư; sản phẩm muối vẫn là FeSO4. Trong bài toán chỉ có Fe và acid loãng, không có chất oxi hóa khác, tăng lượng acid không làm FeSO4 tự chuyển thành Fe2(SO4)3. Nếu Fe dư thì acid hết trước, phần sắt chưa phản ứng còn lại ở dạng rắn.

Có thể ôn tính chất và phân biệt nồng độ của sulfuric acid để chọn đúng phương trình khi làm bài.

Hiện tượng Fe + H₂SO₄ loãng

Cách tiến hành thí nghiệm phương trình Fe + H₂SO₄ loãng

Trong phòng thí nghiệm dưới sự hướng dẫn của giáo viên, dùng một mẩu sắt sạch và lượng nhỏ dung dịch H2SO4 loãng để quan sát:

1. Cho dung dịch H₂SO₄ loãng vào ống nghiệm.

2. Thả mẩu sắt sạch vào dung dịch.

3. Quan sát bề mặt sắt và sự thay đổi của dung dịch.

Hiện tượng và giải thích

Hiện tượng Fe + H2SO4 loãng: Sắt tan dần và xuất hiện bọt khí H2 không màu trên bề mặt kim loại.

Sắt chuyển thành ion Fe²⁺ đi vào dung dịch nên mẩu sắt nhỏ dần. Dung dịch FeSO4 có màu lục nhạt; nếu dung dịch quá loãng, màu có thể khó quan sát. Mức độ sủi bọt không cố định cho mọi thí nghiệm.

Lưu ý khi quan sát: Để lâu ngoài không khí, một phần Fe²⁺ có thể bị oxygen oxi hóa thành Fe³⁺, làm màu dung dịch thay đổi. Điều này không có nghĩa phản ứng ban đầu giữa Fe và H2SO4 loãng trực tiếp tạo muối sắt(III). [2]

Bài tập Fe + H₂SO₄ loãng có lời giải chi tiết

Các bài dưới đây dùng M(Fe) = 56, M(H2SO4) = 98, M(FeSO4) = 152 g/mol. Thể tích khí đều được tính ở 25 °C, 1 bar, với thể tích mol 24,79 L/mol. Khối lượng muối tính theo công thức FeSO4, không phải tinh thể ngậm nước.

Ôn lại công thức tính số mol, sau đó dùng tỉ lệ 1 : 1 của phương trình để tìm đại lượng cần tính.

Dạng 1. Tính khối lượng sắt khi biết thể tích khí hiđro

Bài tập 1: Cho sắt phản ứng hoàn toàn với H2SO4 loãng dư, thu được 4,958 L H2 ở 25 °C, 1 bar. Tính khối lượng Fe đã phản ứng.

Phân tích đề bài: Đề bài cho thể tích H₂ và yêu cầu tính khối lượng Fe. Trước hết, cần tính số mol H₂, sau đó dựa vào tỉ lệ mol giữa Fe và H₂ trong phương trình để tính số mol Fe rồi tính khối lượng.

Bước 1: Viết phương trình Fe + H2SO4 loãng → FeSO4 + H2↑.

Bước 2: Tính số mol H2.

\[n(\mathrm{H}_{2})=\frac{4{,}958}{24{,}79}=0{,}20\ \mathrm{mol}\]

Bước 3: Tính số mol và khối lượng Fe.

Theo phương trình, n(Fe) = n(H2) = 0,20 mol.

\[m(\mathrm{Fe})=0{,}20\times56=11{,}2\ \mathrm{g}\]

Đáp số: 11,2 gam

Dạng 2. Tính thể tích khí hiđro sinh ra

Bài tập 2: Cho 8,4 g Fe tác dụng hoàn toàn với H2SO4 loãng dư. Tính thể tích H2 ở 25 °C, 1 bar.

Phân tích đề bài: Đề bài cho khối lượng Fe và yêu cầu tính thể tích khí H₂. Trước hết, cần tính số mol Fe, sau đó dựa vào tỉ lệ mol giữa Fe và H₂ trong phương trình để tính số mol H₂ rồi tính thể tích.

\[n(\mathrm{Fe})=\frac{8{,}4}{56}=0{,}15\ \mathrm{mol}\]

Phương trình: Fe + H2SO4 loãng → FeSO4 + H2↑.

Theo phương trình, n(H2) = n(Fe) = 0,15 mol.

\[V(\mathrm{H}_{2})=0{,}15\times24{,}79=3{,}7185\ \mathrm{L}\]

Đáp số: 3,7185 L H2.

Dạng 3. Tính khối lượng muối FeSO₄ tạo thành

Bài tập 3: Cho 11,2 g Fe tác dụng hoàn toàn với H2SO4 loãng dư. Tính khối lượng FeSO4 tạo thành.

Phân tích đề bài: Đề bài cho khối lượng Fe và yêu cầu tính khối lượng FeSO₄ . Trước hết, cần tính số mol Fe, sau đó dựa vào tỉ lệ mol giữa Fe và FeSO₄ trong phương trình để tính số mol FeSO₄ rồi tính khối lượng.

\[n(\mathrm{Fe})=\frac{11{,}2}{56}=0{,}20\ \mathrm{mol}\]

Phương trình: Fe + H2SO4 loãng → FeSO4 + H2↑.

Theo phương trình, n(FeSO4) = n(Fe) = 0,20 mol.

\[m(\mathrm{FeSO}_{4})=0{,}20\times152=30{,}4\ \mathrm{g}\]

Đáp số: 30,4 g

Bài tập vận dụng: tính lượng acid, chất dư và muối tạo thành

Bài 1 – Tính lượng acid phản ứng: Cho 5,6 g Fe phản ứng vừa đủ với H2SO4 loãng. Tính khối lượng H2SO4 đã phản ứng.

Phân tích: Tính số mol Fe, suy ra số mol H2SO4 theo tỉ lệ 1 : 1, rồi tính khối lượng acid.

\[n(\mathrm{Fe})=\frac{5{,}6}{56}=0{,}10\ \mathrm{mol}\]

Phương trình: Fe + H2SO4 loãng → FeSO4 + H2↑.

Theo phương trình, n(H2SO4) = n(Fe) = 0,10 mol.

\[m(\mathrm{H}_{2}\mathrm{SO}_{4})=0{,}10\times98=9{,}8\ \mathrm{g}\]

Đáp số: 9,8 g H2SO4.

Bài 2 – Xác định chất dư: Cho 6,72 g Fe vào 100 mL dung dịch H2SO4 loãng 0,8 M. Sau khi phản ứng kết thúc, tính khối lượng Fe còn lại và thể tích H2 ở 25 °C, 1 bar.

Phân tích: Đề cho lượng cả Fe và H2SO4 nên cần xác định chất hết trước khi tính sản phẩm.

\[\begin{aligned}n(\mathrm{Fe})&=\frac{6{,}72}{56}=0{,}12\ \mathrm{mol}\\n(\mathrm{H}_{2}\mathrm{SO}_{4})&=0{,}8\times0{,}100\\&=0{,}080\ \mathrm{mol}\end{aligned}\]

Tỉ lệ phản ứng Fe : H2SO4 = 1 : 1. Vì 0,080 mol H2SO4 ít hơn 0,12 mol Fe nên acid hết, Fe dư.

Số mol Fe đã phản ứng và H2 tạo thành đều bằng 0,080 mol.

Khối lượng Fe còn lại (kí hiệu mr) và thể tích H2 là:

\[m(\mathrm{Fe})=(0{,}12-0{,}080)\times56=2{,}24\ \mathrm{g}\]

\[V(\mathrm{H}_{2})=0{,}080\times24{,}79=1{,}9832\ \mathrm{L}\]

Đáp số: 2,24 g Fe còn lại và 1,9832 L H2.

Bài 3 – H2SO4 loãng dư: Cho 2,8 g Fe vào dung dịch H2SO4 loãng chứa 9,8 g H2SO4. Sau khi phản ứng hoàn toàn, tính khối lượng FeSO4 tạo thành và khối lượng H2SO4 còn dư.

Phân tích: So sánh số mol theo tỉ lệ 1 : 1 để tìm chất hết. Lượng muối được tính theo số mol Fe đã phản ứng.

\[\begin{aligned}n(\mathrm{Fe})&=\frac{2{,}8}{56}=0{,}050\ \mathrm{mol}\\n(\mathrm{H}_{2}\mathrm{SO}_{4})&=\frac{9{,}8}{98}=0{,}10\ \mathrm{mol}\end{aligned}\]

Fe hết, H2SO4 dư. Có n(FeSO4) = 0,050 mol và n(H2SO4 dư) = 0,10 − 0,050 = 0,050 mol.

Khối lượng muối và khối lượng acid còn dư (mr) là:

\[m(\mathrm{FeSO}_{4})=0{,}050\times152=7{,}6\ \mathrm{g}\]

\[m(\mathrm{H}_{2}\mathrm{SO}_{4})=0{,}050\times98=4{,}9\ \mathrm{g}\]

Đáp số: 7,6 g FeSO4 và 4,9 g H2SO4 dư.

Phản ứng Fe + H₂SO₄ loãng → FeSO₄ + H₂↑ là phản ứng thế, tạo muối sắt(II) sulfate và khí hydrogen theo tỉ lệ mol 1 : 1 : 1 : 1. Sắt tan dần, xuất hiện bọt khí không màu; dung dịch có thể có màu lục nhạt. Khi H₂SO₄ loãng dư, sản phẩm muối vẫn là FeSO₄.

Để giải bài tập chính xác, học sinh cần phân biệt acid loãng với acid yếu, xác định chất hết, chất dư và sử dụng đúng điều kiện đo thể tích khí. Đây là kiến thức nền tảng về tính chất kim loại và dãy hoạt động hóa học trong Khoa học tự nhiên 9.