1. Cân bằng phương trình Fe3O4 + HNO3 -> Fe(NO3)3 + NO2 + H2O
Phản ứng giữa Fe3O4 (magnetit) và HNO3 (axit nitric) để tạo ra Fe(NO3)3 (nitrat sắt(III)), NO2 (nitơ dioxide) và H2O (nước) là một quá trình oxi hóa. Để cân bằng phương trình hóa học Fe3O4 + HNO3 -> Fe(NO3)3 + NO2 + H2O, trước hết cần điều chỉnh các hệ số trước các chất tham gia và các chất sản phẩm để đảm bảo tổng số nguyên tử của mỗi loại nguyên tử là bằng nhau trên cả hai bên của phản ứng. Dưới đây là cách cân bằng phản ứng này:
+ Vế bên trái ta có 3 nguyên tử Fe trong Fe3O4, vế bên phải có 1 nguyên tử Fe, chính vì vậy cần đặt hệ số 3 trước Fe(NO3)3 để cân bằng số lượng nguyên tử Fe.
+ Tiếp theo sẽ tiến hành cân bằng số nguyên tử N. Vế trái có 1 nguyên tử N trong HNO3, vế phải có 10 nguyên tử N trong 3Fe(NO3)3 và NO2, vì vậy đặt hệ số 10 trước HNO3 để cân bằng. Bằng cách điều chỉnh hệ số, bạn cũng cân bằng số lượng nguyên tử hidro và oxy trên cả hai bên của phản ứng.
+ Cuối cùng, đặt hệ số 5 trước H2O để cân bằng số lượng nguyên tử H trong H2O và HNO3 ở cả hai vế của phương trình. Đối chiếu lại nguyên tử O ở cả hai vế ta thấy vế trái có 30 nguyên tử O, vế phải cũng 30 nguyên tử O. Như vậy là số nguyên tử O của hai vế đã cân bằng nên không cần đặt thêm hệ số vào NO2 nữa. Sau khi điều chỉnh hệ số như vậy, cân bằng phương trình hóa học được: Fe3O4 + 10HNO3 -> 3Fe(NO3)3 + NO2 + 5H2O.
Hiện tượng phản ứng xảy ra:
+ Sự oxi hóa của magnetit (Fe3O4): Trong phản ứng này, magnetit (Fe3O4) bị oxi hóa thành nitrat sắt(III) (Fe(NO3)3). Cụ thể, các nguyên tử sắt trong magnetit tăng số valence từ Fe(II) lên Fe(III) bằng cách nhận thêm electron. Tạo thành nitơ dioxide (NO2): Phản ứng này cũng tạo ra khí nitơ dioxide (NO2), một khí nâu đỏ có mùi khá đặc trưng. NO2 là sản phẩm khí tạo ra trong quá trình này.
+ Sự giải phóng nhiệt: Phản ứng giải phóng nhiệt, nghĩa là nhiệt độ của hệ thống tăng lên. Điều này thường xảy ra trong các phản ứng oxi hóa mạnh. Sự tạo thành nước (H2O): Cuối cùng, nước (H2O) được tạo ra trong phản ứng này. Lưu ý rằng phản ứng này phải được thực hiện cẩn thận vì axit nitric (HNO3) là một chất oxi hóa mạnh và nitơ dioxide (NO2) là một khí độc. Nên thực hiện trong điều kiện an toàn và kiểm soát nhiệt độ.
2. Tính chất vật lý và tính chất hoá học của Fe3O4
Fe3O4, còn được gọi là magnetit, là một hỗn hợp của hai oxit FeO và Fe2O3. Sau đây là một số tính chất vật lý và hoá học quan trọng của Fe3O4:
- Tính chất vật lý:
+ Màu sắc: Magnetit có màu đen đặc trưng.
+ Tính chất từ tính: Magnetit là một từ tính mạnh và được sử dụng trong nhiều ứng dụng từ tính, bao gồm việc sản xuất nam châm và trong công nghiệp điện tử.
+ Tính chất dẫn điện: Magnetit là một chất bán dẫn điện và có khả năng truyền dẫn điện trong một số trường hợp. Khối lượng riêng: Khối lượng riêng của magnetit khoảng 5,2 - 5,3 g/cm³.
+ Điểm nóng chảy: Magnetit có điểm nóng chảy ở khoảng 1.565 độ C (2.849 độ F).
- Tính chất hoá học:
+ Oxi hóa: Magnetit là một chất bị oxi hóa và có thể tham gia vào các phản ứng oxi hóa với các chất khác, chẳng hạn như axit nitric (HNO3), để tạo ra nitrat sắt(III) (Fe(NO3)3) và nitơ dioxide (NO2), như phản ứng:
Fe3O4 + 10HNO3 -> 3Fe(NO3)3 + NO2 + 5H2O.
+ Hoà tan: Magnetit có thể hoà tan trong axit sulfuric nồng độ cao, tạo ra ion sắt (II) và ion sắt (III) trong dung dịch.
+ Tính chất nam châm: Magnetit có khả năng tạo ra từ tính mạnh và có thể thu hút các vật thể bằng tính chất nam châm của nó.
+ Tính kháng acid: Magnetit có thể chịu được ảnh hưởng của các acid yếu mà không bị hoà tan hoàn toàn. Magnetit là một khoáng vật quan trọng trong tự nhiên và đã được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp và khoa học khác nhau, bao gồm sản xuất từ tính, trong sản xuất thép, và nhiều ứng dụng điện tử.
3. Một số bài tập vận dụng có liên quan
Câu 1. Cho 61,2 gam hỗn hợp X gồm Cu và Fe3O4 tác dụng với dung dịch HNO3 loãng, đun nóng và khuấy đều. Sau khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn, thu được 3,36 lít khí NO (sản phẩm khử duy nhất, ở đktc), dung dịch Y và còn lại 2,4 gam kim loại. Cô cạn dung dịch Y, thu được m gam muối khan. Xác định giá trị của m?
Hướng dẫn giải:
nNO = 0,15 (mol)
Gọi a là số mol Cu trong X đã phản ứng. Gọi b là số mol Fe3O4 trong X
Ta có: 64a + 232b = 61,2 – 2,4
Các nguyên tố Cu, Fe, O trong hỗn hợp X khi phản ứng với HNO3 chuyển thành muối Cu2+, Fe2+ (vì dư kim loại), H2O do đó theo bảo toàn e: 2a + 2.3b – 2.4b = 3.0,15
Từ đó: a = 0,375; b = 0,15
Muối khan gồm có: Cu(NO3)2 (a = 0,375 mol) và Fe(NO3)2 (3b = 0,45 mol)
mmuối = 188.0,375 + 180.0,45 = 151,5 (gam)
Câu 2. Hoà tan m gam Fe3O4 vào dung dịch HNO3 loãng dư thu được khí NO duy nhất. Nếu đem khí NO thoát ra trộn với O2 vừa đủ để hấp thụ hoàn toàn trong nước đựng dung dịch HNO3. Biết thể tích oxi phản ứng là 0,336 lít (đktc). Giá trị của m là:
A. 34,8 gam
B. 13,92 gam
C. 23,2 gam
D. 20,88 gam
Hướng dẫn giải:
- Ý tưởng: Chỉ có Fe và O thay đổi số oxi hoá, N không thay đổi số oxi hoá. Dựa vào vào định luật bảo toàn e tính được số mol Fe3O4 (1. nFe3O4 = 4. nO2). Tính m = 232.4.nO2
- Phép tính: m = 232 . 4. 0,336/22,4 = 13,92 (g)
Chọn đáp án B
Câu 3. Cho hỗn hợp gồm 4 kim loại có hoá trị không đổi: Mg, Ni, Zn, Al được chia làm 2 phần bằng nhau: Phần 1: Tác dụng với dung dịch HCl dư thu được 3,36 lít H2; Phấn 2: Hoà tan hết trong dung dịch HNO3 loãng dư thu được V lit một khí không màu hoá nâu ngoài không khí (các thể tích đo ở đktc). Giá trị của V là:
A. 2,24 lit
B. 3,36 lit
C. 4,48 lit
D. 5,6 lit
Hướng dẫn giải:
Vì kim loại có hoá trị không đổi nên số mol e nhường trong 2 thí nghiệm giống nhau -> số mol e nhận ở 2 thí nghiệm cũng bằng nhau. Khí không màu, hoá nâu ngoài không khí là NO.
Từ đó ta có: 2. nH2 = 3. nNO hay 2 nH2 = 3 nNO
Phép tính: V NO = V = 2/3 . 3,36 = 2,24 (lit)
Chọn đáp án A.
Câu 4. Hỗn hợp X gồm Al, Mg, FeO, Fe3O4 trong đó oxi chiếm 20,22%. Cho 25,32g X tác dụng với HNo3 sinh ra 0,14NO; 0,02 N2O và dung dịch Y. Cô cạn Y thu được m gam muối. Nung muối này trong không khí đến khối lượng không đổi 30,92g chất rắn. Giá trị của m là bào nhiêu?
A. 108,45g
B. 104,48g
C. 135,25g
D. 176,84g
Hướng dẫn giải:
Theo gt ta có: nO = 0,32 (mol) ⇒ m KL = 20,2 (g)
Ta có: nO / oxit = 0,67 (mol) ⇒ n NO3 / muoi KL = 1,34 (mol)
Gọi số mol NH4NO3 là x (mol) Ta có: 10 x + 0 , 14.4 + 0 , 02.10 + 0,32.2 = 2 x + 0,14 + 0,04 + 1,34 (Bảo toàn H) ⇒ x = 0,015 (mol) ⇒ m = 104,48 (g)
Chọn đáp án B
Câu 5. Cho 108.8 gam hỗn hợp X gồm Fe2O3; FeO và Fe3O4 tác dụng với HCl vừa đủ. Thu được 50,8 gam muối FeCl2 và m gam muối FeCl3. Giá trị của m là?
A. 125,5g
B. 135,5g
C. 162,5g
D. 172,5g
Hướng dẫn giải:
n FeCl2 = 50,8 /127 = 0,4 (mol)
Đặt : n FeCl3 = x (mol)
BTNT (Cl) : nHCl = 0,4.2 + x .3 = 0,8 + 3 x (mol)
BTNT (H) : n H2O .2 = n HCl .1 ⇒ n H2O = 0,4 + 1,5 x (mol)
BTKL : m X + m HCl = m muối + m H2O ⇒ 108 ,8 + ( 0,8 + 3x ) .36,5 = 50,8 + 162,5 x + ( 0,4 + 1,5x ) .18 ⇒ x = 1
⇒ m FeCl3 = 1.162 , 5 = 162,5 (g)
Chọn đáp án C
=> Bạn đọc có thể tham khảo thêm bài viết Cân bằng phương trình Fe3O4 + H2SO4 → FeSO4 + Fe2(SO4)3 + H2O
