Buzz
1. Phương trình phản ứng Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu
Phản ứng giữa sắt (Fe) và đồng sunfat (CuSO4) được biểu diễn như sau: Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu. Đây là phản ứng dịch chuyển đơn, trong đó sắt thay thế đồng trong hợp chất để tạo ra sắt sunfat và đồng kim loại.
Trong phản ứng, sắt mất electron và chuyển thành ion sắt (II), trong khi ion đồng (II) nhận electron và trở thành nguyên tử đồng. Ion sắt (II) kết hợp với ion sunfat để tạo thành sắt (II) sunfat, một chất rắn màu xanh nhạt. Đồng kim loại lắng đọng trên bề mặt sắt, tạo thành lớp màu nâu đỏ.
Phương trình hóa học cho thấy tỷ lệ mol của các chất tham gia và sản phẩm là 1:1:1:1. Điều này có nghĩa là số mol của sắt, đồng sunfat, sắt sunfat và đồng đều bằng nhau. Để tính khối lượng các chất, sử dụng công thức sau:
- Để tính khối lượng sắt (m(Fe)), ta nhân số mol sắt (n(Fe)) với khối lượng mol của sắt (M(Fe)).
- Khối lượng đồng sunfat (m(CuSO4)) được tính bằng cách nhân số mol đồng sunfat (n(CuSO4)) với khối lượng mol của đồng sunfat (M(CuSO4)).
- Khối lượng sắt sunfat (m(FeSO4)) tính bằng số mol sắt sunfat (n(FeSO4)) nhân với khối lượng mol của sắt sunfat (M(FeSO4)).
- Để xác định khối lượng đồng (m(Cu)), ta nhân số mol đồng (n(Cu)) với khối lượng mol của đồng (M(Cu)).
Ví dụ, khi phản ứng 5,6 gam sắt với dung dịch đồng sunfat dư, ta có thể tính toán khối lượng các sản phẩm như sau:
- Số mol sắt (n(Fe)) được tính bằng khối lượng sắt (m(Fe)) chia cho khối lượng mol sắt (M(Fe)), cụ thể là 5,6 / 56 = 0,1 mol.
- Do tỉ lệ mol giữa các chất là 1:1:1:1, nên số mol của đồng sunfat (n(CuSO4)), sắt sunfat (n(FeSO4)), và đồng (n(Cu)) đều bằng 0,1 mol.
Vì vậy, ta có thể tính khối lượng các chất như sau:
- Để tính khối lượng đồng sunfat (m(CuSO4)), ta nhân số mol đồng sunfat (n(CuSO4)) với khối lượng mol của đồng sunfat (M(CuSO4)), kết quả là 0,1 × 159,5 = 15,95 gam.
- Để tính khối lượng sắt sunfat (m(FeSO4)), ta nhân số mol sắt sunfat (n(FeSO4)) với khối lượng mol của sắt sunfat (M(FeSO4)), kết quả là 0,1 × 151,9 = 15,19 gam.
- Khối lượng đồng (m(Cu)) được tính bằng số mol đồng (n(Cu)) nhân với khối lượng mol của đồng (M(Cu)), cụ thể là 0,1 × 63,5 = 6,35 gam.
2. Giải thích hiện tượng khi đưa đinh sắt vào dung dịch CuSO4.
2.1 Phương pháp thực hiện
Để thực hiện phản ứng này, cần chuẩn bị các dụng cụ và hóa chất sau: thanh sắt, dung dịch đồng sunfat, bình cầu, giá ba chân, bếp điện hoặc bếp cồn, que thủy tinh, giấy lọc và cốc thủy tinh. Các bước thực hiện như sau:
- Đặt thanh sắt vào bình cầu và đổ dung dịch đồng sunfat sao cho thanh sắt được ngâm hoàn toàn trong dung dịch.
- Đặt bình cầu lên giá ba chân và dùng bếp điện hoặc bếp cồn để nung nóng dung dịch. Quan sát sự chuyển màu trong bình cầu: dung dịch xanh lam của đồng sunfat chuyển dần sang xanh lục của sắt sunfat, đồng thời các hạt đồng kim loại màu đỏ nâu sẽ xuất hiện trên thanh sắt.
- Khi phản ứng kết thúc, tắt nguồn nhiệt và để bình cầu nguội tự nhiên.
- Dùng que thủy tinh để nhẹ nhàng gạt các hạt đồng kim loại ra khỏi thanh sắt và chuyển chúng vào một cốc thủy tinh.
- Lọc dung dịch sắt sunfat qua giấy lọc để tách riêng dung dịch và các chất rắn. Sau khi lọc, thu được dung dịch xanh lục trong suốt.
Qua các bước này, phản ứng giữa thanh sắt và dung dịch đồng sunfat đã hoàn tất. Kết quả thu được là dung dịch sắt sunfat màu xanh lục trong suốt và các hạt đồng kim loại màu đỏ nâu. Lưu ý thực hiện phản ứng theo các quy tắc an toàn hóa học, bao gồm việc đeo kính bảo hộ và áo bảo hộ, và nên thực hiện dưới sự giám sát của người có kinh nghiệm hoặc chuyên gia.
2.2. Các điều kiện cần thiết cho phản ứng
Phản ứng Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu là một phản ứng thế, trong đó sắt (Fe) thay thế đồng (Cu) trong dung dịch muối đồng sunfat (CuSO4). Để phản ứng này diễn ra hiệu quả, cần đảm bảo một số điều kiện quan trọng:
- Nhiệt độ phản ứng: Phản ứng thường xảy ra ở nhiệt độ phòng, tức là nhiệt độ bình thường trong môi trường.
- Nồng độ dung dịch CuSO4: Dung dịch CuSO4 cần có nồng độ đủ cao để cung cấp đủ ion Cu2+ cho phản ứng với Fe. Nếu nồng độ quá thấp, phản ứng sẽ diễn ra chậm hoặc không hoàn toàn.
- Nhiệt độ dung dịch CuSO4: Nhiệt độ của dung dịch CuSO4 cần được duy trì ở mức cao để tăng tốc độ phản ứng và giảm hiện tượng oxy hóa của Fe. Nhiệt độ cao giúp phản ứng diễn ra nhanh chóng và hạn chế oxy hóa của Fe.
- Thời gian tiếp xúc: Để phản ứng giữa Fe và CuSO4 hoàn toàn, thời gian tiếp xúc cần phải đủ dài. Nếu thời gian tiếp xúc quá ngắn, phản ứng có thể không hoàn toàn và hiệu suất không cao.
- Tỉ lệ mol giữa Fe và CuSO4: Số lượng Fe phải lớn hơn số lượng CuSO4 theo tỷ lệ mol để đảm bảo toàn bộ ion Cu2+ trong dung dịch được thay thế bởi Fe. Nếu tỷ lệ không chính xác, phản ứng sẽ không hoàn tất và có thể còn dư CuSO4 không phản ứng.
Tóm lại, để thực hiện phản ứng Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu hiệu quả, cần đảm bảo các yếu tố như nhiệt độ phòng, nồng độ dung dịch CuSO4 đủ cao, nhiệt độ dung dịch CuSO4 thích hợp, thời gian tiếp xúc đủ lâu và tỉ lệ mol Fe/CuSO4 chính xác. Tuân thủ các điều kiện này sẽ giúp phản ứng diễn ra thành công và đạt hiệu suất cao.
2.3 Giải thích hiện tượng
Khi cho một chiếc đinh sắt vào dung dịch CuSO4, xảy ra phản ứng oxi-hoá khử. Sắt (Fe) có khả năng cạnh tranh với đồng (Cu) trong dung dịch, dẫn đến việc Fe bị oxi-hoá thành Fe2+ và Cu2+ bị khử thành đồng kim loại (Cu) không tích điện, xuất hiện màu đỏ. Phương trình phản ứng cho quá trình này là:
Fe phản ứng với CuSO4 tạo ra FeSO4 và Cu
Trong quá trình này, sắt (Fe) bị oxy hóa từ trạng thái 0 thành trạng thái +2, trong khi đồng (Cu2+) bị khử từ trạng thái +2 về trạng thái 0. Kết quả là FeSO4 (sắt(II) sunfat) và Cu (đồng) xuất hiện. Màu xanh của dung dịch CuSO4 biến mất do Cu2+ bị khử và bám vào bề mặt đinh sắt.
Lưu ý rằng phản ứng này chỉ xảy ra khi đinh sắt được ngâm trong dung dịch CuSO4. Ngược lại, khi đinh đồng được đặt vào dung dịch FeSO4, không có hiện tượng màu đỏ bám vào đinh đồng vì đồng không đủ mạnh để đẩy sắt ra khỏi dung dịch.
3. Bài tập ứng dụng
Câu 1: Cho m gam Fe phản ứng hoàn toàn với dung dịch CuSO4 dư, thu được 12,8 gam Cu. Xác định giá trị của m:
A. 22,4.
B. 12,6.
C. 16,8.
D. 11,2.
Đáp án:
Để giải quyết bài toán, chúng ta cần áp dụng nguyên tắc bảo toàn khối lượng trong phản ứng hóa học. Theo đề bài, khi m gam Fe phản ứng hoàn toàn với dung dịch CuSO4 dư, sẽ thu được 12,8 gam Cu.
Phương trình phản ứng được viết như sau:
CuSO4 + Fe → FeSO4 + Cu
Số mol Cu tạo ra sẽ bằng số mol CuSO4 ban đầu. Với số mol Cu là 0,2 mol (tính từ 12,8 gam Cu chia cho khối lượng mol của Cu), do đó số mol CuSO4 ban đầu cũng là 0,2 mol.
Tỉ lệ mol giữa Cu và Fe trong phản ứng là 1:1. Vì vậy, số mol Fe tham gia phản ứng cũng là 0,2 mol.
Khối lượng mol của Fe là 56 g/mol. Do đó, khối lượng Fe cần sử dụng được tính như sau:
mFe = số mol Fe × khối lượng mol Fe = 0,2 mol × 56 g/mol = 11,2 gam
Vậy, giá trị của m là 11,2 gam. Do đó, lựa chọn chính xác là D. 11,2.
Câu 2: Phản ứng nào dưới đây xảy ra:
A. Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu
B. Fe + ZnSO4 → FeSO4 + Zn
C. 2Fe + 3CuSO4 → Fe2(SO4)3 + 3Cu
D. 2Ag + Fe(NO3)2 → 2AgNO3 + Fe
Đáp án:
Để xác định phản ứng xảy ra trong các lựa chọn, chúng ta có thể áp dụng nguyên tắc dãy hoạt động của kim loại. Theo nguyên tắc này, kim loại đứng trước trong dãy hoạt động có thể thay thế kim loại đứng sau trong phản ứng.
Trong tình huống này, phản ứng hóa học được xác định như sau:
Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu
Theo dãy hoạt động hóa học, Fe đứng trước Cu. Do đó, Fe có khả năng thay thế Cu trong CuSO4. Khi phản ứng xảy ra, Fe sẽ thay thế Cu trong CuSO4, tạo ra FeSO4 và Cu.
Vì thế, phản ứng A. Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu là chính xác theo nguyên tắc của dãy hoạt động hóa học.
Do đó, lựa chọn chính xác là A. Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu.
Câu 3: Xét phản ứng hóa học sau: Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu.
Trong phản ứng này xảy ra
A. Oxid hóa Fe và giảm hóa Cu.
B. Khử Fe2+ và oxy hóa Cu.
C. Oxid hóa Fe và khử Cu2+.
D. Khử Fe2+ và khử Cu2+.
Đáp án:
Trong phản ứng hóa học Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu, chúng ta quan sát các quá trình oxi hóa và khử xảy ra. Để xác định chính xác, cần phân tích sự thay đổi của các nguyên tử và ion trong phản ứng này.
Trong phản ứng, Fe đã mất hai electron và chuyển thành Fe2+ trong FeSO4, nghĩa là Fe bị oxi hóa từ trạng thái 0 đến +2. Đồng thời, Cu2+ trong CuSO4 nhận hai electron và chuyển thành Cu, tức là Cu2+ bị khử từ trạng thái +2 về trạng thái 0.
Từ phân tích trên, có thể kết luận rằng trong phản ứng Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu, Fe bị oxi hóa còn Cu2+ bị khử.
Do đó, đáp án chính xác là C. Oxid hóa Fe và khử Cu2+.
Câu 4: Để phân biệt 3 lọ mất nhãn chứa các dung dịch CuCl2, FeCl3, MgCl2, ta có thể sử dụng:
A. Quỳ tím và nước
B. Dung dịch Ca(NO3)2
C. Dung dịch AgNO3
D. Dung dịch NaOH
Đáp án:
Để phân biệt ba dung dịch CuCl2, FeCl3 và MgCl2, bạn có thể sử dụng dung dịch NaOH.
Khi phản ứng với dung dịch NaOH, các ion kim loại sẽ tạo ra các kết tủa đặc trưng. Cụ thể:
Dung dịch CuCl2: Khi kết hợp với dung dịch NaOH, sẽ tạo kết tủa màu xanh lá cây (Cu(OH)2).
Dung dịch FeCl3 phản ứng với NaOH tạo kết tủa màu nâu đỏ (Fe(OH)3).
Dung dịch MgCl2 không tạo kết tủa khi phản ứng với NaOH.
Nhờ vào sự xuất hiện hoặc không có kết tủa cùng với màu sắc của kết tủa sau khi phản ứng với NaOH, chúng ta có thể phân biệt các dung dịch CuCl2, FeCl3 và MgCl2.
Do đó, đáp án chính xác là D. Dung dịch NaOH.
