Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu | Fe ra FeSO4 | CuSO4 ra Cu
1. Phương trình phản ứng Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu
Phản ứng hóa học giữa sắt (Fe) và đồng sunfat (CuSO4) được biểu diễn bằng phương trình: Fe +
CuSO4 → FeSO4 + Cu. Đây là một phản ứng dịch chuyển đơn, trong đó sắt thay thế đồng trong
hợp chất để tạo ra sắt sunfat và đồng kim loại.
Trong quá trình phản ứng, nguyên tử sắt mất đi electron và trở thành ion sắt (II), trong khi các ion
đồng (II) thu được electron và trở thành nguyên tử đồng. Các ion sắt (II) kết hợp với các ion sunfat
để tạo thành sắt (II) sunfat, một chất rắn màu xanh nhạt. Các nguyên tử đồng được lắng đọng dưới
dạng kim loại màu nâu đỏ trên bề mặt sắt.
Phương trình hóa học cho thấy tỉ lệ mol giữa 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 là bằng nhau. Để tính khối lượng của
các chất, ta sử dụng công thức sau:
- Khối lượng của sắt (m(Fe)) được tính bằng số mol sắt (n(Fe)) nhân với khối lượng mol sắt (M(Fe)).
- Khối lượng của đồng sunfat (m(CuSO4)) được tính bằng số mol đồng sunfat (n(CuSO4)) nhân
với khối lượng mol đồng sunfat (M(CuSO4)).
- Khối lượng của sắt sunfat (m(FeSO4)) được tính bằng số mol sắt sunfat (n(FeSO4)) nhân với
khối lượng mol sắt sunfat (M(FeSO4)).
- Khối lượng của đồng (m(Cu)) được tính bằng số mol đồng (n(Cu)) nhân với khối lượng mol đồng (M(Cu)).
Ví dụ, giả sử chúng ta cho phản ứng 5,6 gam sắt với một lượng dư dung dịch đồng sunfat, chúng
ta có thể tính toán khối lượng của các sản phẩm như sau:
- Số mol sắt (n(Fe)) = khối lượng sắt (m(Fe)) / khối lượng mol sắt (M(Fe)) = 5,6 / 56 = 0,1 mol.
- Vì 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)) cũng đều bằng 0,1 mol.
Từ đó, ta có thể tính toán khối lượng của các chất như sau:
- Khối lượng của đồng sunfat (m(CuSO4)) = số mol đồng sunfat (n(CuSO4)) × khối lượng mol
đồng sunfat (M(CuSO4)) = 0,1 × 159,5 = 15,95 gam.
- Khối lượng của sắt sunfat (m(FeSO4)) = số mol sắt sunfat (n(FeSO4)) × khối lượng mol sắt
sunfat (M(FeSO4)) = 0,1 × 151,9 = 15,19 gam.
- Khối lượng của đồng (m(Cu)) = số mol đồng (n(Cu)) × khối lượng mol đồng (M(Cu)) = 0,1 × 63,5 = 6,35 gam.
2. Giải thích hiện tượng khi cho đinh sắt vào dung dịch CuSO4
2.1 Cách thức thực hiện
Để tiến hành phản ứng trên, chúng ta cần chuẩn bị các dụng cụ và chất hoá học 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 vào để thanh sắt ngập hoàn toàn.
- Đặt bình cầu lên giá ba chân và nung nóng dung dịch bằng bếp điện hoặc bếp cồn. Quan sát các
hiện tượng xảy ra trong bình cầu: dung dịch màu xanh lam của đồng sunfat dần chuyển sang màu
xanh lục của sắt sunfat, đồng thời xuất hiện những hạt màu đỏ nâu của đồng kim loại trên thanh sắt.
- Sau khi phản ứng kết thúc, tắt bếp và để bình cầu nguội tự nhiên.
- Sử dụng que thủy tinh nhẹ nhàng gạt các hạt đồng kim loại ra khỏi thanh sắt và thu gom chúng vào một cốc thủy tinh.
- Lọc dung dịch sắt sunfat qua giấy lọc để tách riêng dung dịch và các chất rắn. Khi lọc xong,
chúng ta thu được dung dịch màu xanh lục trong suốt.
Qua các bước trên, chúng ta đã thực hiện thành công phản ứng giữa thanh sắt và dung dịch đồng
sunfat. Kết quả thu được bao gồm dung dịch sắt sunfat màu xanh lục trong suốt và các hạt đồng
kim loại màu đỏ nâu đã được tách ra. Việc thực hiện phản ứng này cần tuân thủ các quy tắc an
toàn hóa học, bao gồm đeo kính bảo hộ và áo bảo hộ, và nên được thực hiện dưới sự hướng dẫn
của người có kinh nghiệm hoặc chuyên gia.
2.2. Điều kiện xảy ra phản ứng
Phản ứng Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu là một phản ứng thế, trong đó kim loại sắt (Fe) thế chỗ
đồng (Cu) trong dung dịch muối sunfat đồng (CuSO4). Để phản ứng này xảy ra một cách hiệu quả,
cần tuân theo một số điều kiện quan trọng:
- Điều kiện nhiệt độ: Phản ứng này thường diễn ra ở nhiệt độ phòng, tức là nhiệt độ thông thường
trong môi trường xảy ra phản ứng.
- Điều kiện nồng độ dung dịch CuSO4: Nồng độ dung dịch CuSO4 phải đủ cao để có đủ ion Cu2+
để tác dụng với Fe. Nếu nồng độ quá thấp, phản ứng sẽ diễn ra chậm hoặc không hoàn toàn.
- Điều kiện nhiệt độ dung dịch CuSO4: Nhiệt độ dung dịch CuSO4 cũng cần đủ cao để tăng tốc
độ phản ứng và giảm khả năng oxy hóa của Fe. Nhiệt độ cao giúp phản ứng diễn ra nhanh hơn và
hạn chế quá trình oxy hóa của Fe.
- Thời gian tiếp xúc: Thời gian tiếp xúc giữa Fe và CuSO4 cần đủ lâu để phản ứng hoàn toàn diễn
ra. Khi thời gian tiếp xúc ngắn, phản ứng có thể không hoàn toàn và không đạt được hiệu suất cao.
- Tỉ lệ mol giữa Fe và CuSO4: Lượng Fe cần lớn hơn lượng CuSO4 theo tỉ lệ mol để đảm bảo có
đủ Fe thế chỗ hết ion Cu2+ trong dung dịch. Nếu tỉ lệ này không đúng, phản ứng sẽ không diễn ra
hoàn toàn và có thể dư CuSO4 không phản ứng.
Tổng kết lại, để thực hiện phản ứng Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu, chúng ta cần đảm bảo nhiệt độ
phòng, nồng độ đủ cao của dung dịch CuSO4, nhiệt độ dung dịch CuSO4 đủ cao, thời gian tiếp
xúc đủ lâu và tỉ lệ mol Fe/CuSO4 đúng. Việc tuân thủ các điều kiện này sẽ đảm bảo phản ứng diễn
ra thành công và đạt được hiệu suất tốt.
2.3 Giải thích hiện tượng
Khi đặt một chiếc đinh sắt vào dung dịch CuSO4, xảy ra một phản ứng oxi-hoá khử. Fe (sắt) có
khả năng cạnh tranh với Cu (đồng) trong dung dịch muối, do đó Fe sẽ oxi-hoá thành Fe2+ và Cu2+
sẽ bị khử thành Cu (trạng thái không tích điện, nên có màu đỏ). Phương trình phản ứng cho sự chuyển đổi này là: Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu
Trong quá trình này, Fe oxi-hoá từ trạng thái 0 thành trạng thái +2 và Cu2+ khử từ trạng thái +2
thành trạng thái 0. Sản phẩm cuối cùng là FeSO4 (sắt(II) sunfat) và Cu (đồng). Màu xanh của dung
dịch CuSO4 biến mất do Cu2+ bị khử và kết tủa trên bề mặt đinh sắt.
Lưu ý rằng phản ứng này chỉ xảy ra khi đinh sắt được đặt trong dung dịch muối CuSO4. Nếu
ngược lại, khi đặt một chiếc đinh đồng vào dung dịch FeSO4, không có hiện tượng màu đỏ bám
vào đinh đồng xảy ra, vì Cu không đủ mạnh để đẩy Fe ra khỏi dung dịch.
3. Bài tập vận dụng
Câu 1: Cho m gam Fe tác dụng hết với dung dịch CuSO4 dư, thu được 12,8 gam Cu. Giá trị của m là: A. 22,4. B. 12,6. C. 16,8. D. 11,2. Đáp án:
Để giải bài toán, ta cần sử dụng quy tắc bảo toàn khối lượng trong phản ứng hóa học. Theo đề bài,
khi m gam Fe tác dụng hết với dung dịch CuSO4 dư, thu được 12,8 gam Cu.
Ta có phương trình phản ứng: CuSO4 + Fe → FeSO4 + Cu
Theo đó, số mol Cu bị tạo thành sẽ bằng số mol CuSO4 ban đầu. Vì số mol Cu là 0,2 mol (12,8
gam Cu / khối lượng mol của Cu), nên số mol CuSO4 ban đầu cũng là 0,2 mol.
Molar ratio giữa Cu và Fe trong phản ứng là 1:1. Vì vậy, số mol Fe sử dụng trong phản ứng cũng là 0,2 mol.
Khối lượng mol của Fe là 56 g/mol. Vậy, khối lượng Fe cần tác dụng sẽ là:
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, đáp án đúng là D. 11,2.
Câu 2: Phản ứng nào sau 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, ta có thể sử dụng nguyên tắc dãy hoạt động hóa
học. Theo nguyên tắc này, kim loại đứng trước trong dãy hoạt động hóa học có thể thay thế kim
loại đứng sau trong một phản ứng.
Trong trường hợp này, phản ứng được cho là: Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu
Trong dãy hoạt động hóa học, Fe đứng trước Cu. Vì vậy, Fe có khả năng thay thế Cu trong CuSO4.
Khi phản ứng xảy ra, Fe sẽ thế vào CuSO4, tạo thành FeSO4 và Cu.
Vì vậy, phản ứng A. Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu là phản ứng xảy ra đúng theo nguyên tắc dãy hoạt động hóa học.
Vậy, đáp án đúng là A. Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu.
Câu 3: Cho phản ứng hóa học: Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu.
Trong phản ứng trên xảy ra
A. Sự oxi hóa Fe và sự oxi hóa Cu.
B. sự khử Fe2+ và sự oxi háo Cu.
C. sự oxi hóa Fe và sự khử Cu2+.
D. sự khử Fe2+ và sự khử Cu2+. Đáp án:
Trong phản ứng hóa học Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu, ta có các quá trình oxi hóa và khử xảy ra.
Để xác định quá trình oxi hóa và khử trong phản ứng này, ta cần xem xét các thay đổi của các
nguyên tử và ion trong phản ứng.
Trong phản ứng này, Fe đã mất đi hai electron để tạo thành Fe2+ trong FeSO4. Do đó, Fe đã bị
oxi hóa từ trạng thái 0 đến trạng thái +2. Đồng thời, Cu2+ trong CuSO4 đã nhận hai electron để
tạo thành Cu, kim loại đồng. Vì vậy, Cu2+ đã bị khử từ trạng thái +2 về trạng thái 0.
Từ nhận xét trên, ta có thể kết luận rằng trong phản ứng Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu, sự oxi hóa
xảy ra với Fe và sự khử xảy ra với Cu2+.
Vậy, đáp án đúng là C. sự oxi hóa Fe và sự khử Cu2+.
Câu 4: Để nhận biết 3 lọ mất nhãn đựng 3 dung dịch CuCl2, FeCl3, MgCl2 ta dùng: A. Quỳ tím và nước B. Dung dịch Ca(NO3)2 C. Dung dịch AgNO3 D. Dung dịch NaOH Đáp án:
Để nhận biết 3 dung dịch CuCl2, FeCl3 và MgCl2, ta có thể sử dụng dung dịch NaOH.
Qua phản ứng với dung dịch NaOH, các ion kim loại sẽ tạo ra các kết tủa tương ứng. Trong trường hợp này:
Dung dịch CuCl2: Khi tác dụng với dung dịch NaOH, sẽ tạo ra kết tủa màu xanh lá cây (Cu(OH)2).
Dung dịch FeCl3: Khi tác dụng với dung dịch NaOH, sẽ tạo ra kết tủa màu nâu đỏ (Fe(OH)3).
Dung dịch MgCl2: Khi tác dụng với dung dịch NaOH, không tạo ra kết tủa.
Do đó, dựa vào sự có hay không có kết tủa và màu sắc của kết tủa sau phản ứng với dung dịch
NaOH, ta có thể nhận biết được các dung dịch CuCl2, FeCl3 và MgCl2.
Vậy, đáp án đúng là D. Dung dịch NaOH.