Cân bằng phương trình hóa học sau: Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2

1. Khái niệm về cân bằng phản ứng hóa học

Cân bằng phản ứng hóa học là một khái niệm cơ bản trong hóa học, liên quan đến các phản ứng thuận nghịch và tốc độ phản ứng. Cân bằng hóa học xảy ra khi tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch, dẫn đến nồng độ của các chất tham gia và sản phẩm không thay đổi theo thời gian. Các yếu tố như nhiệt độ, áp suất, nồng độ và chất xúc tác có thể ảnh hưởng đến cân bằng hóa học. Để biểu diễn cân bằng hóa học, người ta sử dụng một hằng số gọi là hằng số cân bằng, tính bằng tỉ lệ giữa nồng độ của các sản phẩm và các chất phản ứng, với các mũi lên theo hệ số của chúng trong phương trình phản ứng.

Ví dụ: aA + bB ⇌ cC + dD, hằng số cân bằng được tính là K = [C]c[D]d / [A]a[B]b, trong đó [A], [B], [C], [D] là nồng độ của các chất A, B, C, D; a, b, c, d là hệ số của chúng trong phương trình.

Để cân bằng một phương trình hóa học, hãy thực hiện theo các bước sau:

- Ghi lại phương trình hóa học chưa cân bằng với các chất phản ứng ở bên trái và các sản phẩm ở bên phải, phân cách bởi dấu mũi tên.

- Đếm số lượng nguyên tử của từng nguyên tố ở cả hai bên của phương trình.

- Sử dụng các hệ số (các số nguyên đặt trước các chất) để điều chỉnh số lượng nguyên tử sao cho bằng nhau ở cả hai bên. Bắt đầu với các nguyên tố đơn lẻ, sau đó điều chỉnh các nguyên tố phức tạp hơn.

- Cuối cùng, cân bằng các nguyên tố hiđro và ôxy. Kiểm tra lại phương trình bằng cách đếm số nguyên tử của từng nguyên tố ở cả hai bên. Nếu số nguyên tử khớp nhau, phương trình đã được cân bằng. Nếu không, quay lại bước 3 và điều chỉnh các hệ số.

2. Cân bằng phương trình phản ứng Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2

Phương trình phản ứng của bạn: Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2

Trong phản ứng này, sắt (Fe) kết hợp với axit sulfuric (H2SO4) để tạo ra sunfat sắt (FeSO4) và khí hiđro (H2). Đây là một phản ứng oxi-hóa khử, trong đó sắt (Fe) bị oxi hóa từ trạng thái 0 lên +2 trong FeSO4, còn axit sulfuric (H2SO4) bị khử từ trạng thái +6 xuống +4 trong FeSO4. Khí hiđro (H2) được sinh ra trong quá trình này. Lưu ý rằng đây là phản ứng tổng quát và không đề cập đến các điều kiện cụ thể như nồng độ, áp suất, nhiệt độ, và chất xúc tác có thể được sử dụng.

Điều kiện để phản ứng xảy ra

Phản ứng này giữa sắt (Fe) và axit sulfuric (H2SO4) tạo ra sunfat sắt (FeSO4) và khí hiđro (H2) là một phản ứng oxi-hóa khử. Để phản ứng này xảy ra, cần có sự tương tác giữa sắt và axit sulfuric trong môi trường phù hợp. Các điều kiện cụ thể bao gồm:

– Cung cấp nhiệt độ: Phản ứng này thường cần nhiệt độ cao để xảy ra, thường là từ 100 đến 200 độ C.

– Môi trường axit: Phản ứng xảy ra trong môi trường axit, với axit sulfuric (H2SO4) thường được sử dụng để đảm bảo phản ứng.

– Tỷ lệ phản ứng: Để phản ứng diễn ra đầy đủ, cần có tỷ lệ hợp lý giữa sắt và axit sulfuric. Tỷ lệ này thường dựa trên khối lượng hoặc số mol của các chất tham gia.

– Sự hiện diện của chất xúc tác: Trong một số trường hợp, cần dùng chất xúc tác như Cu (đồng) để tăng tốc độ phản ứng. Lưu ý rằng các điều kiện có thể thay đổi tùy vào ứng dụng hoặc điều kiện thí nghiệm cụ thể.

Cân bằng phương trình Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2: Để cân bằng phương trình oxi-hóa khử này, cần đảm bảo số lượng nguyên tử của các nguyên tố ở cả hai vế đều bằng nhau. Phương trình ban đầu là: Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2

Để cân bằng số lượng nguyên tử của các nguyên tố, ta bắt đầu bằng cách xác định số hợp chất của từng nguyên tố: Fe có 1 hợp chất FeSO4, H có 2 hợp chất H2, và S có 1 hợp chất FeSO4.

Như vậy, số nguyên tử của Fe, H, và S đã được cân bằng. Tuy nhiên, số nguyên tử của O vẫn chưa đồng nhất. Trên phía trái của phương trình, số oxi (O) là 4 (2 từ H2SO4 và 2 từ FeSO4), trong khi phía phải chỉ có 2 oxi trong FeSO4. Để cân bằng oxi, ta cần thêm 2 O vào phía phải của phương trình. Phương trình cân bằng được là: Fe + H2SO4 → FeSO4 + 2H2O

Mẹo để cân bằng phương trình hóa học Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2 hiệu quả: Để cân bằng phương trình hóa học Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2, hãy thực hiện theo các bước sau:

- Xác định số nguyên tử của từng nguyên tố ở cả hai bên của phương trình.

Fe: 1 nguyên tử bên trái, 1 nguyên tử bên phải

H: 2 nguyên tử ở bên trái, 2 nguyên tử ở bên phải

S: 1 nguyên tử bên trái, 1 nguyên tử bên phải

O: 4 nguyên tử bên trái, 4 nguyên tử bên phải

Để cân bằng phương trình, ta điều chỉnh các hệ số trước các chất sao cho số nguyên tử của từng nguyên tố đồng nhất ở cả hai bên. Đặt hệ số trước FeSO4 và H2 là 1, ta sẽ có số nguyên tử của các nguyên tố như sau:

Fe: 1 nguyên tử bên trái, 1 nguyên tử bên phải

H: 2 nguyên tử bên trái, 4 nguyên tử bên phải (2 x 2)

S: 1 nguyên tử bên trái, 1 nguyên tử bên phải

O: 4 nguyên tử bên trái, 4 nguyên tử bên phải

Tiếp theo, để cân bằng số nguyên tử của hydro (H), ta cần thêm hệ số 2 trước H2SO4. Điều này sẽ cân bằng số nguyên tử hydro trong phương trình:

Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2

Fe: 1 nguyên tử bên trái, 1 nguyên tử bên phải

H: 4 nguyên tử bên trái, 4 nguyên tử bên phải

S: 1 nguyên tử bên trái, 1 nguyên tử bên phải

O: 4 nguyên tử bên trái, 4 nguyên tử bên phải

Hiện tại, phương trình đã được cân bằng về số nguyên tử và có dạng như sau:

Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2

Bạn có thể nhân toàn bộ phương trình với một hệ số chung để đơn giản hóa, chẳng hạn như chia tất cả các hệ số cho 2 để có phương trình cân bằng gọn hơn:

1/2 Fe + H2SO4 → FeSO4 + 1/2 H2

Hướng dẫn giải phương trình Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2:

Phản ứng giữa sắt (Fe) và axit sunfuric (H2SO4) để tạo ra sunfat sắt (FeSO4) và khí hidro (H2) là một phản ứng oxi-hóa khử. Đây là cách giải phương trình: Bắt đầu bằng cách viết phương trình phản ứng: Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2

Xác định số nguyên tử của các nguyên tố trong phương trình hóa học:

Fe: 1 H: 2 S: 1 O: 4

Điều chỉnh số nguyên tử của các nguyên tố để cân bằng phương trình:

Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2

Fe: 1 Fe: 1 H: 2 H: 2 S: 1 S: 1 O: 4 O: 4

Phương trình đã được điều chỉnh sao cho số nguyên tử của các nguyên tố ở hai bên đều bằng nhau.

Chú ý: Trong thực tế, phản ứng này thường diễn ra trong môi trường nước. Khi axit sunfuric hòa tan trong nước, nó phân ly thành ion hidro (H+) và ion sunfat (SO4^2-). Phản ứng oxi-hoá khử sau đó xảy ra giữa ion Fe^2+ và ion H+ để tạo ra FeSO4 và H2.

3. Hiện tượng của phản ứng Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2

Khi sắt (Fe) phản ứng với axit sunfuric (H2SO4), tạo ra sunfat sắt (FeSO4) và khí hiđro (H2), phản ứng này còn được biết đến như phản ứng màu nâu: 2Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2

Trong phản ứng này, mỗi phân tử axit sunfuric (H2SO4) tác động lên hai nguyên tử sắt (Fe), tạo thành một phân tử sunfat sắt (FeSO4) và giải phóng hai phân tử khí hiđro (H2). Phản ứng này xảy ra dưới điều kiện nhiệt độ và áp suất thích hợp. Sunfat sắt (FeSO4) có thể tồn tại dưới dạng rắn hoặc dung dịch tùy theo điều kiện. Khí hiđro (H2) là khí không màu, không mùi và không độc, dễ cháy trong không khí, và tạo ra nước (H2O) dưới dạng hơi nước. Phản ứng này thường xảy ra nhanh chóng và có thể tạo bọt hoặc hiện tượng bong tróc trong dung dịch axit sunfuric.

Phương trình đơn giản cho phản ứng này là: Fe + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂

Trong phản ứng này, sắt (Fe) tác dụng với axit sulfuric (H₂SO₄) để sản sinh sulfat sắt (FeSO₄) và khí hiđro (H₂).

4. Một số bài tập ứng dụng liên quan

Câu 1. Nhận xét nào sau đây là sai?

A. Crom là kim loại cứng nhất trong tất cả các kim loại

B. Cả nhôm và crom đều phản ứng với HCl theo tỷ lệ số mol tương đương.

C. Các vật dụng làm từ nhôm và crom đều có độ bền cao trong không khí và nước nhờ lớp màng oxit bảo vệ.

D. Cả sắt và nhôm đều bị thụ động hóa khi tiếp xúc với HNO3 đặc ở nhiệt độ thấp.

Đáp án B

Nhận xét sai là việc cho rằng nhôm và crom phản ứng với HCl theo tỷ lệ số mol giống nhau. Ví dụ, phương trình hóa học cho nhôm là 2Al + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2, trong khi crom phản ứng theo 1Cr + 2HCl → CrCl2 + H2.

Câu 2. Nhận định nào sau đây là không chính xác?

A. Crom là kim loại cứng nhất trong tất cả các kim loại.

B. Các kim loại như Al, Fe, và Cr đều bị thụ động hóa khi tiếp xúc với dung dịch HNO3 đặc ở nhiệt độ thấp hoặc H2SO4 đặc nguội.

C. Kim loại kiềm được sản xuất thông qua phương pháp điện phân dung dịch muối halogenua của chúng.

D. Lưu huỳnh có tính oxi hóa yếu, và Hg có thể phản ứng với lưu huỳnh ngay cả ở nhiệt độ thường. Đối với các kim loại khác, cần có xúc tác hoặc nhiệt độ cao để phản ứng xảy ra.

Đáp án là C

C là sai: Kim loại kiềm và kiềm thổ được sản xuất bằng phương pháp điện phân muối halogen nóng chảy, không phải dung dịch.

A. Crom là kim loại có độ cứng cao nhất, điều này là chính xác. Do đó, B cũng đúng.

Các kim loại Al, Fe và Cr đều bị thụ động hóa trong dung dịch HNO3 đặc nguội và H2SO4 đặc nguội, vì vậy D là đúng.

Lưu huỳnh có tính oxi hóa yếu và Hg có thể phản ứng với lưu huỳnh ở nhiệt độ thường. Các kim loại khác cần xúc tác hoặc nhiệt độ cao hơn để phản ứng xảy ra, nên D là đúng.

Câu 3. Để xác định sự hiện diện của Fe trong hỗn hợp chứa cả Fe và Ag, bạn nên sử dụng dung dịch nào?

A. HCl loãng

B. AgNO3

C. H2SO4 đặc, nguội

D. NaOH

Lựa chọn đúng là C

Để phát hiện sự hiện diện của Fe trong hỗn hợp Fe và Ag, chúng ta có thể sử dụng dung dịch: C. H2SO4 đặc, nguội, vì Fe sẽ bị thụ động trong dung dịch H2SO4 đặc nguội, trong khi Ag thì phản ứng với H2SO4 đặc nguội. Phương trình phản ứng hóa học minh họa là:

2Ag + 2H2SO4 → Ag2SO4 + SO2 + 2H2O

Câu 4. Tại sao có thể sử dụng thùng thép để chứa axit H2SO4 đặc nguội?

A. Vì H2SO4 làm thép bị thụ động hóa

B. Sắt sẽ bị thụ động khi tiếp xúc với axit H2SO4 đặc nguội

C. Axit H2SO4 đặc không phản ứng với kim loại ở nhiệt độ thường

D. Thép có chứa các thành phần phụ trợ không phản ứng với H2SO4 đặc

Lựa chọn đúng là B. Thùng thép có thể được sử dụng để chứa axit H2SO4 đặc nguội vì sắt bị thụ động trong môi trường axit H2SO4 đặc nguội

Câu 5. Khi cho Fe3O4 phản ứng với dung dịch H2SO4 đặc nóng, sản phẩm thu được là gì?

A. FeSO4, Fe2(SO4)3, H2O

B. Fe2(SO4)3, H2O

C. FeSO4, H2O

D. Fe2(SO4)3, SO2, H2O

Lựa chọn đúng là D. Khi cho Fe3O4 phản ứng với dung dịch H2SO4 đặc nóng, sản phẩm thu được là: Phương trình phản ứng hóa học là 2Fe3O4 + 10H2SO4 → 3Fe2(SO4)3 + SO2↑ + 10H2O.

Câu 6. Khi cho 5,6 gam Fe vào 200 ml dung dịch Cu(NO3)2 1M và HCl 2M, thu được khí NO và m gam kết tủa. Tìm giá trị của m. Biết rằng NO là sản phẩm khử duy nhất của NO3– và không có khí H2 thoát ra.

A. 6,4

B. 2,4

C. 3,2

D. 1,6

Lựa chọn đúng là C

Fe sẽ phản ứng với H+ và NO3– trước tiên

Phương trình phản ứng: 3Fe + 8H+ + 2NO3– → 3Fe2+ + 2NO + 4H2O.

Số mol: nFe = 0,2 mol ; nH+ = 0,4 mol ; nNO3– = 0,4 mol ; nCu2+ = 0,2 mol. (Vì 8nFe / 3 > nH+ nên chỉ tạo ra muối Fe2+)

Kết quả: Fe dư 0,05 mol. Phản ứng: Fe + Cu2+ → Cu + Fe2+ ; 0,05 → 0,05

=> Khối lượng kết tủa là 0,05 × 64 = 3,2 g

Câu 7. Khi cho 12 gam hỗn hợp hai kim loại Fe và Cu phản ứng hoàn toàn với dung dịch HNO3 63%, thu được dung dịch A và 11,2 lít khí NO2 (đktc). Tính nồng độ % của các chất trong dung dịch A.

A. 36,66% và 28,48%.

B. 27,19% và 21,12%.

C. 27,19% và 72,81%.

D. 78,88% và 21,12%.

Lựa chọn chính xác là B. Các phương trình phản ứng hóa học là:

Fe + 6HNO3 → Fe(NO3)3 + 3NO2 + 3H2O. Cu + 4HNO3 → Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O

Số mol NO2 là 0,5 mol nên số mol HNO3 = 2 × 0,5 = 1 mol.

Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng, ta có:

Khối lượng muối = Khối lượng kim loại + Khối lượng dung dịch HNO3 – Khối lượng NO2 = 12 + 1,63 × 100/63 – 46 × 0,5 = 89 gam

Gọi số mol của Fe và Cu lần lượt là a và b mol, ta có hệ phương trình sau:

56a + 64b = 12 (1) 3a + 2b = 0,5 (2)

Giải hệ phương trình (1) và (2), ta tìm được:

=> a = 0,1 ; b = 0,1. Khối lượng Fe(NO3)3 = 0,1 × (56 + 62 × 3) = 24,2 gam

Khối lượng Cu(NO3)2 = 0,1 × (64 + 62 × 2) = 18,8 gam

Khối lượng Fe(NO3)3 = (24,2 / 89) × 100% = 27,19%. Khối lượng Cu(NO3)2 = (18,8 / 89) × 100% = 21,1%