Fe + HNO3 đặc nóng, loãng | Phương trình và cách cân bằng

Phản ứng Fe + HNO3 là phản ứng oxi hóa – khử giữa sắt và axit nitric, trong đó HNO3 đóng vai trò chất oxi hóa mạnh nên không giải phóng khí H2. Khi Fe tác dụng với HNO3 loãng, sản phẩm khử thường là khí NO, trong khi Fe + HNO3 đặc nóng thường tạo khí NO2 và muối sắt(III) nitrat Fe(NO3)3.

Bài viết trình bày các phương trình hóa học, hiện tượng phản ứng, cách cân bằng Fe + HNO3 theo từng trường hợp và giải thích hiện tượng thụ động hóa của sắt trong HNO3 đặc nguội.

Fe + HNO3 là phản ứng gì?

Phản ứng Fe + HNO3 là phản ứng oxi hóa – khử. Trong đó, sắt đóng vai trò là chất khử (nhường electron), còn ion \(NO_3^{-}\) trong môi trường acid \(H^{+}\) đóng vai trò là chất oxi hóa (nhận electron) [1].

Khác với HCl và H2SO4 loãng (thường oxi hóa Fe lên số oxi hóa +2 và giải phóng H2), HNO3 có tính oxi hóa mạnh vì nitrogen trong phân tử ở số oxi hóa +5. Khi HNO3 dư và phản ứng xảy ra, sắt thường bị oxi hóa lên số oxi hóa +3. [1]

Fe + HNO3 tạo ra chất gì?

Sắt tác dụng với axit nitric (HNO3) thường tạo muối sắt(III) nitrat, nước và sản phẩm khử của nitrogen. Loại khí tạo thành phụ thuộc chủ yếu vào nồng độ axit và điều kiện phản ứng.

Trong phản ứng oxi hóa – khử, HNO3 có thể tạo các sản phẩm khử như \(NO_2\), \(NO\), \(N_2O\), \(N_2\), \(NH_4NO_3\), tùy điều kiện phản ứng.

Các sản phẩm khử được tạo ra phụ thuộc trực tiếp vào nồng độ dung dịch acid, nhiệt độ và bản chất của chất khử:

• Nồng độ acid: Fe + HNO3 đặc nóng thường tạo NO2 (nitrogen có số oxi hóa +4), còn Fe + HNO3 loãng thường tạo NO (nitrogen có số oxi hóa +2). Trong những điều kiện thích hợp, sản phẩm khử của HNO3 còn có thể là N2O, N2 hoặc NH4NO3; không thể xác định sản phẩm chỉ từ độ loãng của acid.

• Nhiệt độ: Nhiệt độ ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng; HNO3 đặc, nóng thường tạo khí NO2, trong khi Fe có thể bị thụ động hóa trong HNO3 đặc, nguội.

Sản phẩm của phản ứng Fe + HNO3 theo từng điều kiện

Sản phẩm của phản ứng Fe + HNO3 phụ thuộc vào nồng độ axit, nhiệt độ và lượng sắt tham gia. Sơ đồ dưới đây tổng hợp các trường hợp Fe tác dụng với HNO3 loãng, HNO3 đặc nóng, HNO3 đặc nguội và khi Fe dư.

Sơ đồ tổng quan các sản phẩm khử khi cho sắt tác dụng với dung dịch nitric acid ở các trường hợp:

Phương trình và cách cân bằng Fe + HNO3 theo từng trường hợp

Nguyên tắc chính: Để cân bằng chính xác các phương trình oxi hóa – khử giữa Fe và \(HNO_3\), một phương pháp thông dụng là phương pháp thăng bằng electron dựa trên nguyên tắc: tổng số electron chất khử nhường bằng tổng số electron chất oxi hóa nhận.

Fe + HNO3 loãng: Phương trình và cách cân bằng

Khi cho sắt tác dụng với dung dịch \(HNO_3\) loãng (đủ hoặc dư), sản phẩm thu được gồm muối iron (III) nitrate \(Fe\left(NO_3\right)_3\), khí nitrogen monoxide (NO, không màu, hóa nâu ngoài không khí) và nước.

Phương trình hóa học:

\[Fe+4HNO_3\,(\text{loãng})\rightarrow Fe(NO_3)_3+NO+2H_2O\]

Các bước cân bằng theo phương pháp thăng bằng electron:

Bước 1: Xác định số oxi hóa của các nguyên tố thay đổi

• Chất khử: Fe (0) -> Fe (+3)

• Chất oxi hóa: \(HNO_3\) (+5) -> NO (+2)

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

Quá trình oxi hóa: \(Fe\rightarrow Fe^{3+}+3e^-\)

Quá trình khử: \(NO_3^-+4H^++3e^-\rightarrow NO+2H_2O\)

Bước 3: Tìm hệ số thích hợp cho chất khử và chất oxi hóa

\(1\times(Fe\rightarrow Fe^{3+}+3e^-)\)
\(1\times(NO_3^-+4H^++3e^-\rightarrow NO+2H_2O)\)

Bước 4: Điền hệ số vào phương trình và cân bằng các nguyên tố còn lại

• Đặt 1 vào \(Fe\left(NO_3\right)_3\) và 1 vào NO.

• Tổng số nguyên tử nitrogen (N) ở vế phải = 3 N(muối) + 1 N(NO) = 4

\(\rightarrow\) Do đó, hệ số của \(HNO_3\) là 4.

• Cân bằng nguyên tử H: có 4 nguyên tử H ở vế trái nên đặt hệ số 2 trước H2O.

• Kiểm tra số nguyên tử oxygen của 2 vế (12 = 9 + 1 + 2), phương trình cân bằng chính xác.

Fe + HNO3 đặc nóng: Phương trình và cách cân bằng

Khi phản ứng với dung dịch \(HNO_3\) đặc và đun nóng, sắt bị oxi hóa đến số oxi hóa +3, còn \(HNO_3\) bị khử thành khí nitrogen dioxide \(NO_2\) có màu nâu đỏ.

Phương trình hóa học:

\[Fe+6HNO_3\,(\text{đặc, nóng})\xrightarrow{t^\circ}Fe(NO_3)_3+3NO_2+3H_2O\]

Cân bằng phản ứng theo phương pháp thăng bằng electron:

Quá trình oxi hóa: \(Fe\rightarrow Fe^{3+}+3e^-\)

Quá trình khử: \(NO_3^-+2H^++e^-\rightarrow NO_2+H_2O\) (nhân hệ số 3).

Tổng số nguyên tử N vế phải = 3 N(muối) + 3 N(\(NO_2\)) = 6

Do đó, cần 6 phân tử \(HNO_3\) và tạo thành 3 phân tử \(H_2O\).

Trường hợp Fe dư: Tạo muối Fe(NO3)2

Khi cho một lượng sắt dư tác dụng với dung dịch \(HNO_3\), ban đầu sắt vẫn bị oxi hóa thành muối iron (III) nitrate \(Fe\left(NO_3\right)_3\). Tuy nhiên, do lượng sắt vẫn còn dư và muối \(Fe\left(NO_3\right)_3\) có tính oxi hóa, nên tiếp tục xảy ra phản ứng oxi hóa – khử giữa Fe dư và \(Fe\left(NO_3\right)_3\), khử ion \(Fe^{3+}\) về ion \(Fe^{2+}\).

Phương trình phản ứng giữa Fe dư và \(Fe\left(NO_3\right)_3\):

\[Fe+2Fe\left(NO_3\right)_3\rightarrow3Fe\left(NO_3\right)_2\]

Phương trình phản ứng tổng quát:

\[3Fe+8HNO_3\,(\text{loãng})\rightarrow3Fe\left(NO_3\right)_2+2NO+4H_2O\]

Lưu ý: Nếu HNO3 dư, muối sắt thu được thường là \(Fe(NO_3)_3\). Nếu Fe còn dư sau khi acid phản ứng hết, sắt tiếp tục khử Fe3+ thành Fe2+ nên muối sắt cuối cùng chủ yếu là \(Fe(NO_3)_2\). Với tỉ lệ chất phản ứng phù hợp, dung dịch có thể đồng thời chứa cả hai muối.

Vì sao Fe bị thụ động hóa trong HNO3 đặc nguội?

Một trong những tính chất đặc biệt quan trọng cần lưu ý đối với kim loại sắt là hiện tượng thụ động hóa trong môi trường acid đậm đặc ở nhiệt độ thường.

Khi tiếp xúc với HNO3 đặc, nguội (hoặc H2SO4 đặc, nguội), bề mặt sắt hình thành lớp màng oxit bảo vệ bám chặt, làm giảm đáng kể sự tiếp xúc giữa acid và phần kim loại bên trong. Hiện tượng này gọi là thụ động hóa, khiến sắt hầu như không tan trong các acid nói trên ở điều kiện thường. [1]

Ứng dụng hiện tượng thụ động hóa của Fe

Trong công nghiệp, một số loại thùng hoặc bồn bằng thép phù hợp có thể được dùng để chứa HNO3 đặc ở nhiệt độ thường nhờ hiện tượng thụ động hóa. Tuy nhiên, khả năng chống ăn mòn phụ thuộc vào nồng độ acid, nhiệt độ và đặc tính vật liệu; không phải mọi loại bồn bằng sắt đều phù hợp. [1]

Hiện tượng khi Fe tác dụng với HNO3

Sự biến đổi của chất rắn: Mảnh sắt hoặc đinh sắt tan dần trong dung dịch, kích thước nhỏ lại hoặc biến mất nếu sử dụng acid dư.

Màu sắc dung dịch: Sắt tan dần trong acid nếu phản ứng xảy ra; dung dịch chứa ion Fe3+ thường có màu vàng nhạt đến vàng nâu, trong khi ion Fe2+ có màu xanh lục nhạt. Màu dung dịch còn phụ thuộc vào nồng độ và các chất cùng có mặt.

Sự thoát khí và màu sắc của khí:

• Khí NO (không màu): xuất hiện khi cho Fe tác dụng với dung dịch \(HNO_3\) loãng, khí sủi trên bề mặt kim loại, sau đó tiếp xúc với khí oxygen trong không khí hóa thành khí màu nâu đỏ (\(NO_2\)).

\[2NO+O_2\rightarrow2NO_2\]

• Khí \(NO_2\): xuất hiện khi cho Fe tác dụng với dung dịch \(HNO_3\) đặc, nóng, khí màu nâu đỏ thoát ra mãnh liệt, có mùi hắc và độc.

Xem thêm: Nitrogen oxide và Các hợp chất của Nitrogen với Oxygen trong Hóa 11.

Định luật bảo toàn electron trong bài tập Fe + HNO3

Trong các bài tập vận dụng về phản ứng giữa Fe và \(HNO_3\) , một phương pháp quan trọng là áp dụng Định luật bảo toàn electron.

Định luật bảo toàn electron:

\(\sum n_{e\,(\text{nhường})}=\sum n_{e\,(\text{nhận})}\)

Các quá trình nhường electron của sắt:

\[Fe\rightarrow Fe^{3+}+3e^-\quad\Rightarrow\quad n_{e\,(\text{nhường})}=3n_{Fe}\]

\[Fe\rightarrow Fe^{2+}+2e^-\quad\Rightarrow\quad n_{e\,(\text{nhường})}=2n_{Fe}\]

Các quá trình nhận electron của nitrogen xét theo số oxi hóa:

\[N^{+5}+e^-\rightarrow N^{+4}\quad\Rightarrow\quad n_{e\,(\text{nhận})}=n_{NO_2}\]

\(n_{e\,(\text{nhận})}=3n_{NO}\)
\[N^{+5}+8e^-\rightarrow N^{-3}\quad\Rightarrow\quad n_{e\,(\text{nhận})}=8n_{NH_4NO_3}\]

Bài tập minh họa Fe + HNO3 có lời giải

Đề bài: Hòa tan hoàn toàn 11,2 gram bột sắt (Fe) vào dung dịch \(HNO_3\) loãng dư, thu được V lít khí NO (sản phẩm khử duy nhất, đo ở 25 °C và 1 bar (thể tích mol khí 24,79 L/mol)).

a) Tính giá trị của V.

b) Nếu thay vì dùng acid dư, người ta hòa tan 11,2 gram Fe vào dung dịch chứa 0,5 mol \(HNO_3\) loãng. Hãy xác định khối lượng muối thu được sau phản ứng.

Lời giải chi tiết:

Số mol sắt ban đầu: \(n_{Fe}=\frac{11,2}{56}=0,2\left(mol\right)\)

a) Vì \(HNO_3\) dư nên toàn bộ Fe bị oxi hóa thành \(Fe^{3+}\)

Quá trình nhường electron:

\[n_{e\,(\text{nhường})}=3n_{Fe}=3\times0{,}2=0{,}6\,(\text{mol})\]
Quá trình nhận electron:

\[n_{e\,(\text{nhận})}=3n_{NO}\]

Áp dụng định luật bảo toàn electron:

\[3.n_{NO}=0,6\rightarrow n_{NO}=0,2\left(mol\right)\]

Thể tích khí NO ở điều kiện chuẩn: \[V=0,2\times24,79=4,958\left(L\right)\]

b) Trường hợp cho 0,2 mol Fe tác dụng với 0,5 mol \(HNO_3\):

Phương trình ion thu gọn khi tạo muối iron (III):

\[Fe+4H^{+}+NO_3^{-}\rightarrow Fe^{3+}+NO_{}+2H_2O\]

Giả sử toàn bộ Fe tạo Fe(NO3)2 và NO thì cần \(n_{HNO_3}=\frac83 n_{Fe}=\frac83\times0{,}2\approx0{,}533\,(\text{mol})\). Vì chỉ có 0,5 mol HNO3, acid phản ứng hết trước và Fe còn dư; ion Fe3+ tạo thành trước đó bị Fe dư khử về Fe2+.

\[3Fe+8HNO_3\rightarrow3Fe\left(NO_3\right)_2+2NO+4H_2O\]

Từ phương trình:\[n_{Fe\left(NO_3\right)_2}=\frac38.n_{HNO_3}=\frac38.0,5=0,1875\left(mol\right)\]

Khối lượng muối iron (II) nitrate thu được là:

\[m_{Fe\left(NO_3\right)_2}=0,1875\times180=33,75\left(g\right)\]

Bài tập vận dụng Fe + HNO3 có đáp án

Bài tập 1 (Xác định thể tích khí): Cho 7,0 g Fe phản ứng hoàn toàn với HNO3 đặc nóng dư. Tính thể tích NO2 sinh ra (sản phẩm khử duy nhất) ở 0 °C và 1 atm, lấy thể tích mol khí bằng 22,4 L/mol.

A. 2,80 lít

B. 5,60 lít

C. 8,40 lít

D. 11,20 lít

Đáp án: C

Giải thích: \(n_{Fe}=\frac{7}{56}=0{,}125\,(\text{mol})\); \(n_{NO_2}=3n_{Fe}=0{,}375\,(\text{mol})\). Do đó \[V_{NO_2}=0{,}375\times22{,}4=8{,}4\,(L)\]

Bài tập 2 (Xác định muối khi biết lượng chất) Cho 8,4 gram bột Fe tác dụng với dung dịch chứa 0,5 mol \(HNO_3\)loãng. Sau khi phản ứng kết thúc thu được khí NO (sản phẩm khử duy nhất). Khối lượng muối thu được sau phản ứng là:

A. 27,00 g \(Fe\left(NO_3\right)_3\)

B. 27,00 g \(Fe\left(NO_3\right)_2\)

C. 18,00 g \(Fe\left(NO_3\right)_2\) và 12,10 g \(Fe\left(NO_3\right)_3\)

D. 13,50 g \(Fe\left(NO_3\right)_2\) và 18,15 g \(Fe\left(NO_3\right)_3\)

Đáp án: D

Giải thích: Gọi x, y lần lượt là số mol Fe(NO3)2 và Fe(NO3)3. Vì Fe phản ứng hết, \(x+y=0{,}15\). Theo lượng HNO3 tiêu thụ khi NO là sản phẩm khử duy nhất: \(\frac83x+4y=0{,}5\). Giải hệ được \(x=y=0{,}075\) mol, tương ứng 13,50 g Fe(NO3)2 và 18,15 g Fe(NO3)3.

Bài tập 3 (Thụ động hóa) Cho lần lượt các mẫu kim loại Fe, Al, Cu, Ag vào ống nghiệm chứa dung dịch \(HNO_3\) đặc, nguội. Số kim loại không tan trong dung dịch là:

A. 1

B. 2

C. 3

D. 4

Đáp án: B

Giải thích: Phản ứng giữa Fe và HNO3 đặc, nguội. Cả Fe và Al đều bị thụ động hóa trong \(HNO_3\) đặc nguội nên không tan. Cu và Ag phản ứng bình thường. Do đó có 2 kim loại không tan.

Phản ứng Fe + HNO3 là phản ứng oxi hóa – khử, tạo muối Fe(NO3)3 hoặc Fe(NO3)2 cùng các sản phẩm khử như NO, NO2 hoặc NH4NO3 tùy thuộc vào nồng độ axit, nhiệt độ và lượng chất tham gia. Trong đó, Fe tác dụng với HNO3 đặc nóng thường tạo NO2, còn HNO3 loãng thường tạo NO; sắt bị thụ động hóa trong HNO3 đặc nguội. Khi Fe dư, ion Fe3+ có thể bị khử thành Fe2+.

Để giải chính xác các dạng bài tập Fe + HNO3, học sinh cần nắm vững cách cân bằng phương trình bằng phương pháp thăng bằng electron và vận dụng định luật bảo toàn electron. Đồng thời, học sinh có thể củng cố kiến thức về phản ứng oxi hóa – khử qua các chuyên đề Hóa học 11 tại ZIM Academy.