Fe + HCl | Phương trình, hiện tượng và bài tập có lời giải

Fe + HCl là phản ứng giữa sắt và dung dịch axit clohiđric, tạo muối sắt(II) chloride (FeCl₂) và khí hydrogen (H₂), theo phương trình Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑. Ở nhiệt độ thường, sắt tan dần, xuất hiện bọt khí và dung dịch có thể có màu lục nhạt.

Bám sát kiến thức về kim loại trong Khoa học tự nhiên 9 – Kết nối tri thức, bài viết trình bày điều kiện, hiện tượng sắt tác dụng với HCl, cách cân bằng phương trình và giải thích vì sao tạo FeCl₂ thay vì FeCl₃. Nội dung kèm bài tập Fe + HCl có lời giải, vận dụng tỉ lệ mol để tính khối lượng muối, thể tích khí và xác định chất dư.

Phương trình hóa học của phản ứng Fe + HCl

Khi sắt (Fe) tác dụng với dung dịch axit clohiđric (hydrochloric acid, HCl) loãng ở điều kiện thường, phản ứng tạo ra muối sắt(II) clorua (iron(II) chloride, FeCl₂) và khí hiđro (hydrogen, H₂). Phản ứng không cần đun nóng hoặc chất xúc tác.

Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑

Như vậy, câu trả lời cho câu hỏi Fe + HCl ra gì là FeCl₂ và H₂; tỉ lệ số mol Fe : HCl : FeCl₂ : H₂ bằng 1 : 2 : 1 : 1.

Cách cân bằng phương trình Fe + HCl

Để cân bằng phương trình, học sinh có thể thực hiện theo ba bước:

1. Viết sơ đồ phản ứng: Fe + HCl → FeCl₂ + H₂.

2. Cân bằng nguyên tử clo: vế phải có 2 nguyên tử Cl trong FeCl₂, trong khi mỗi phân tử HCl chỉ có 1 nguyên tử Cl. Vì vậy, đặt hệ số 2 trước HCl.

3. Kiểm tra và hoàn thành: hai vế đều có 1 nguyên tử Fe, 2 nguyên tử H và 2 nguyên tử Cl. Phương trình hoàn chỉnh là Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑.

Khi cân bằng, chỉ thay đổi hệ số trước công thức, không thay đổi chỉ số trong HCl, FeCl₂ hoặc H₂.

Vì sao Fe tác dụng với HCl tạo thành muối sắt(II)?

Theo dãy hoạt động hóa học của kim loại, sắt đứng trước hiđro. Vì vậy, sắt có thể đẩy hiđro ra khỏi dung dịch HCl loãng, tạo thành muối và giải phóng khí H₂. Đây là kiến thức thuộc Bài 18: Tính chất chung của kim loại và Bài 19: Dãy hoạt động hóa học trong Khoa học tự nhiên 9, bộ sách Kết nối tri thức với cuộc sống.

Sắt có thể tạo ra hai ion phổ biến là Fe²⁺ và Fe³⁺, tương ứng với trạng thái sắt(II) và sắt(III). Tuy nhiên, trong phản ứng trực tiếp giữa Fe và dung dịch HCl, sản phẩm muối là FeCl₂, không phải FeCl₃.

Giải thích mở rộng theo sự trao đổi electron: Fe nhường 2 electron tạo Fe²⁺; ion H⁺ nhận electron tạo H₂. Ion Cl⁻ không tham gia quá trình trao đổi electron.

Fe → Fe²⁺ + 2e⁻

2H⁺ + 2e⁻ → H₂

Phương trình ion rút gọn: Fe + 2H⁺ → Fe²⁺ + H₂↑.

Fe + HCl loãng dư vẫn tạo FeCl₂ và H₂. HCl dư chỉ có nghĩa là còn acid sau khi Fe phản ứng hết; việc dùng dư HCl không làm sản phẩm muối chuyển thành FeCl₃.

Hiện tượng và cách tiến hành thí nghiệm Fe + HCl

Chuẩn bị dụng cụ và hóa chất

Để quan sát phản ứng, có thể sử dụng:

• Một ống nghiệm sạch.

• Một lượng nhỏ đinh sắt sạch hoặc mẩu sắt nhỏ.

• Dung dịch HCl loãng.

• Kẹp ống nghiệm và các dụng cụ bảo hộ cần thiết.

Thí nghiệm cần được tiến hành trong phòng học hoặc phòng thí nghiệm có sự hướng dẫn của giáo viên.

Các bước tiến hành

1. Cho một lượng nhỏ dung dịch HCl loãng vào ống nghiệm.

2. Thả một đinh sắt sạch vào dung dịch.

3. Quan sát bề mặt đinh sắt và dung dịch trong một khoảng thời gian thích hợp.

Hiện tượng sắt tác dụng với HCl loãng

• Sắt tan dần do Fe chuyển vào dung dịch dưới dạng ion Fe²⁺.

• Bọt khí không màu xuất hiện trên bề mặt đinh sắt và thoát ra khỏi dung dịch; đó là khí H₂.

• Dung dịch FeCl₂ mới tạo thành thường có màu xanh lục nhạt. Màu sắc có thể khó nhận ra nếu dung dịch rất loãng, vì vậy không nên chỉ dựa vào màu sắc để kết luận phản ứng có xảy ra hay không.

Học sinh có thể đối chiếu với phản ứng Mg + HCl để so sánh hiện tượng kim loại tan và giải phóng khí hiđro trong cùng loại dung dịch acid.

Cách giải bài tập Fe + HCl theo phương trình hóa học

Các bài tập dưới đây sử dụng M(Fe) = 56 g/mol; M(HCl) = 36,5 g/mol; M(FeCl₂) = 127 g/mol. Quy trình giải gồm tính số mol chất đã biết, dùng tỉ lệ hệ số trong phương trình rồi đổi sang đại lượng đề yêu cầu.

Lưu ý điều kiện khí: ở 25°C và 1 bar, thể tích mol khí được lấy là 24,79 L/mol; ở 0°C và 1 atm, giá trị thường dùng trong bài tập phổ thông là 22,4 L/mol. Cần đọc đúng nhiệt độ, áp suất của đề, không dùng hai giá trị thay thế cho nhau.

Dạng 1: Tính thể tích khí hiđro sinh ra

Ví dụ 1: Cho 5,6 gam sắt tác dụng hoàn toàn với dung dịch HCl dư. Tính thể tích khí hiđro thu được ở 0°C và 1 atm.

Phân tích: từ khối lượng Fe, tính số mol Fe; dựa vào tỉ lệ mol Fe : H₂ = 1 : 1 để tìm số mol H₂ và thể tích khí.

Bước 1: n(Fe) = 5,6 / 56 = 0,1 mol.

Bước 2: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑.

Theo phương trình: n(H₂) = n(Fe) = 0,1 mol.

Bước 3: V(H₂) = 0,1 × 22,4 = 2,24 L.

Đáp số: 2,24 L H₂. Nếu cùng lượng khí này được tính ở 25°C và 1 bar thì V(H₂) = 0,1 × 24,79 = 2,479 L.

Dạng 2: Tính khối lượng HCl cần dùng

Ví dụ 2: Cần bao nhiêu gam HCl nguyên chất để phản ứng vừa đủ với 8,4 gam Fe?

Phân tích: từ số mol Fe, dùng tỉ lệ mol Fe : HCl = 1 : 2 để tính số mol HCl, sau đó tính khối lượng acid.

Bước 1: n(Fe) = 8,4 / 56 = 0,15 mol.

Bước 2: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑.

Theo phương trình: n(HCl) = 2n(Fe) = 2 × 0,15 = 0,3 mol.

Bước 3: m(HCl) = 0,3 × 36,5 = 10,95 gam.

Đáp số: 10,95 gam HCl. Đây là khối lượng HCl nguyên chất, không phải khối lượng dung dịch HCl.

Bài tập Fe + HCl có lời giải

Bài 1: Tính thể tích khí ở điều kiện chuẩn

Cho 2,8 gam Fe tác dụng hoàn toàn với dung dịch HCl dư. Tính thể tích khí H₂ thu được ở 25°C và 1 bar.

Phương trình: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑.

n(Fe) = 2,8 / 56 = 0,05 mol; n(H₂) = n(Fe) = 0,05 mol.

V(H₂) = 0,05 × 24,79 = 1,2395 L.

Đáp án: 1,2395 L H₂.

Bài 2: Tính khối lượng muối FeCl₂

Cho 28 gam Fe tác dụng hoàn toàn với dung dịch HCl dư. Tính khối lượng FeCl₂ tạo thành.

Phương trình: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑.

n(Fe) = 28 / 56 = 0,5 mol; n(FeCl₂) = n(Fe) = 0,5 mol.

m(FeCl₂) = 0,5 × 127 = 63,5 gam.

Đáp án: 63,5 gam FeCl₂. Đây là khối lượng muối tạo thành, không phải khối lượng dung dịch sau phản ứng.

Bài 3: Tính khối lượng acid phản ứng

Cho 5,6 gam Fe phản ứng vừa đủ với dung dịch HCl. Tính khối lượng HCl nguyên chất đã tham gia phản ứng.

Phương trình: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑.

n(Fe) = 5,6 / 56 = 0,1 mol; n(HCl) = 2 × 0,1 = 0,2 mol.

m(HCl) = 0,2 × 36,5 = 7,3 gam.

Đáp án: 7,3 gam HCl.

Bài 4: Xác định chất phản ứng hết và chất dư

Cho 11,2 gam Fe vào dung dịch chứa 0,3 mol HCl. Sau khi phản ứng kết thúc, tính khối lượng Fe còn dư và thể tích H₂ ở 25°C, 1 bar.

Phương trình: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑.

n(Fe) ban đầu = 11,2 / 56 = 0,2 mol.

So sánh n(Fe) / 1 = 0,2 với n(HCl) / 2 = 0,15. Vì 0,15 < 0,2 nên HCl phản ứng hết, Fe dư.

n(Fe) phản ứng = n(H₂) = 0,3 / 2 = 0,15 mol.

m(Fe) dư = (0,2 − 0,15) × 56 = 2,8 gam.

V(H₂) = 0,15 × 24,79 = 3,7185 L.

Đáp án: 2,8 gam Fe dư và 3,7185 L H₂.

Một số lưu ý khi làm bài tập liên quan đến Fe + HCl

Phân biệt Fe dư và HCl dư

Đây là hai trường hợp khác nhau, ảnh hưởng trực tiếp đến cách xác định lượng chất phản ứng:

• Fe dư: HCl phản ứng hết, còn lại một phần Fe chưa phản ứng. Lượng Fe thực tế tham gia phản ứng được xác định từ lượng HCl đã phản ứng.

• HCl dư: Fe phản ứng hết, còn HCl trong dung dịch. Khi đó, n(H₂) = n(Fe) ban đầu.

Nếu đề cho lượng ban đầu của cả hai chất, cần so sánh n(Fe) với n(HCl) / 2. Giá trị nhỏ hơn quyết định lượng sản phẩm; nếu hai giá trị bằng nhau thì hai chất phản ứng vừa đủ.

Lưu ý về FeCl₂ khi tiếp xúc với không khí

FeCl₂ chứa ion Fe²⁺. Khi dung dịch tiếp xúc với không khí trong thời gian dài, một phần Fe²⁺ có thể bị oxygen oxi hóa thành Fe³⁺. Vì vậy, dung dịch để lâu có thể thay đổi thành phần và màu sắc. Quá trình này cần phân biệt với phản ứng ban đầu giữa Fe và HCl tạo FeCl₂.

Tránh nhầm công thức và sản phẩm

Không viết Fe + HCl → FeCl₃ + H₂ hoặc thay HCl bằng H₂SO₄ khi giải bài đang xét. Luôn cân bằng phương trình trước khi lập tỉ lệ mol và dùng đúng thể tích mol khí theo điều kiện đề bài.

Phản ứng Fe + HCl loãng xảy ra ở điều kiện thường theo phương trình Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑. Sắt tan dần, giải phóng khí hiđro và tạo dung dịch muối sắt(II) clorua. Khi giải bài tập, học sinh cần nắm tỉ lệ mol Fe : HCl : H₂ = 1 : 2 : 1, xác định chất phản ứng hết và tính thể tích khí theo đúng điều kiện đề bài.

Học sinh có thể ôn tập các chuyên đề Khoa học tự nhiên 9 để củng cố tính chất hóa học của kim loại và dãy hoạt động hóa học theo chương trình Kết nối tri thức.