Phản ứng hóa học Fe + HNO3: Công thức, cơ chế và ứng dụng

Phản ứng hóa học của Fe với HNO3 đặc nóng

Phương trình phản ứng: Fe + 6HNO₃ → Fe(NO₃)₃ + 3NO₂ + 3H₂O

Giải thích phản ứng

Trong phản ứng trên, Fe tác dụng với HNO₃ đặc tạo ra Fe(NO₃)₃, NO₂ và H₂O. Đây là một phản ứng oxi-hoá khá mạnh và xảy ra theo cơ chế khử-oxi.
Fe tác nhân khử trong phản ứng, chuyển từ trạng thái Fe(0) thành Fe(III) theo phản ứng:
Fe → Fe³⁺ + 3e^–
Trong khi đó, HNO₃ tác nhân oxi hóa, chuyển từ trạng thái oxi hóa -1 thành +5 theo phản ứng:
HNO₃ + 3H⁺ + 3e^– → NO₂ + 2H₂O
Tổng hợp lại, phản ứng cho thấy sự trao đổi electron giữa Fe và HNO₃, tạo ra các sản phẩm phụ. NO₂ trong phản ứng có màu nâu đỏ và thường được quan sát thấy dưới dạng khí thoát ra từ dung dịch.

Điều kiện phản ứng xảy ra phản ứng Fe và HNO3

Điều kiện phản ứng xảy ra:

HNO3 đặc nóng

Cân bằng phản ứng oxi hóa khử Fe + HNO3 → Fe(NO3)3 + NO2 ↑ + H2O

Phương trình phản ứng oxi hóa khử Fe + HNO3 → Fe(NO3)3 + NO2 ↑ + H2O:

Fe0 + HN+5O3 → Fe+3(NO3)3 + N+4O2 ↑ + H2O

Xác định sự thay đổi số oxi hóa:

Fe → Fe+3 + 3e

N+5 + 1e → N+4

Hiện tượng phản ứng xảy ra khi cho Fe tác dụng HNO3 đặc nóng

Khi cho Fe tác dụng HNO3 đặc nóng, có khí độc màu nâu đỏ thoát ra chính là NO2.

Tính chất hóa học cơ bản của sắt

Tác dụng với phi kim

Ở nhiệt độ cao, sắt phản ứng được với nhiều phi kim:

Với oxi: 3Fe + 2O2 → Fe3O4

Với clo: 2Fe + 3Cl2 → 2FeCl3

Với lưu huỳnh: Fe + S → FeS

Tác dụng với dung dịch axit

Tác dụng với với HCl, H2SO4 loãng:

Fe + 2HCl → FeCl2 + H2

Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2 ↑

Tác dụng với H2SO4 đặc, nóng; HNO3 đặc:

2Fe + 6H2SO4 → Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O

Không tác dụng với H2SO4 đặc nguội, HNO3 đặc, nguội.

Tác dụng với dung dịch muối

Đẩy được kim loại yếu hơn ra khỏi muối:

Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu

Bài tập tính khối lượng và phần trăm khối lượng của Fe trong phản ứng Fe + HNO3

Câu hỏi

Cho a gam bột Fe vào dung dịch HNO3 lấy dư, ta thu được 8,96 lít (đktc) hỗn hợp khí gồm NO2 và NO với tỉ khối đối với O2 là 1,3125. Tính phần trăm khối lượng của Fe đã dùng và phần trăm theo thể tích của NO2 và NO?

Đáp án

Phương trình phản ứng: 3Fe + 8HNO3 → 3Fe(NO3)2 + 2NO2 + 4H2O

Số mol Fe = mFe/MFe = a/56 (a là khối lượng bột Fe đã dùng)
Theo phương trình phản ứng, số mol NO2 = (2/3) * số mol Fe
Số mol NO = số mol Fe

Theo định luật Avogadro, V = nRT/P
Vậy thể tích khí NO2 sinh ra là: VNO2 = (2/3) * a * 22.4 / 8.96 = 0.1667a (lít)
Thể tích khí NO sinh ra là: VNO = a * 22.4 / 8.96 = 0.25a (lít)

Tỉ khối của hỗn hợp khí đối với O2 bằng 1.3125, ta có:
(0.1667a/22.4 + 0.25a/22.4) / (8.96/22.4) = 1.3125
Suy ra: a = 5.6 gam

Vậy phần trăm khối lượng của Fe đã dùng là: 100% * a/giá trị ban đầu = 100% * 5.6/a
Phần trăm theo thể tích của NO2 và NO lần lượt là: VNO2/Vhỗn hợp * 100% và VNO/Vhỗn hợp * 100%

Giải thích

Dựa vào định luật bảo toàn khối lượng và khối lượng mol, ta có thể tính được số mol của Fe và NO2, từ đó tính được phần trăm theo thể tích của NO, NO2. Theo đó, số mol Fe là 0,1 mol và khối lượng tương ứng là 5,6 gam. Phần trăm theo thể tích của NO, NO2 lần lượt là:

• Phần trăm theo thể tích của NO2: VNO2/Vhỗn hợp * 100% = 0.1667a/8.96 * 100% = 25%
• Phần trăm theo thể tích của NO: VNO/Vhỗn hợp * 100% = 0.25a/8.96 * 100% = 75%

Vậy phần trăm khối lượng của Fe đã dùng là: 100% * a/giá trị ban đầu = 100% * 5.6/a

Kết luận: Trong phản ứng Fe + HNO3, khi cho a gam bột Fe vào dung dịch HNO3 lấy dư, ta thu được hỗn hợp khí gồm NO2 và NO với tỉ khối đối với O2 là 1,3125. Phần trăm khối lượng của Fe đã dùng là 100% * 5.6/a và phần trăm theo thể tích của NO2 và NO lần lượt là 25% và 75%.

Nguồn tham khảo: https://en.wikipedia.org/wiki/Nitric_acid