Fe + HNO3 → Fe(NO3)3 + NO2 + H2O

Phương trình hóa học

\[Fe +  HNO_{3 (đặc)} \xrightarrow{\Delta t} Fe(NO_3)_3 +  NO_2 \uparrow +  H_2O\]

Cân bằng oxi hóa – khử:

\[Fe + 6HNO_{3 (đặc)} \xrightarrow{\Delta t} Fe(NO_3)_3 + 3 NO_2 \uparrow + 3 H_2O\]

Phương trình ion:

\[Fe + 3NO_3^- + 6H^+ \xrightarrow{\Delta t} Fe^{3+} + 3 NO_2 \uparrow + 3H_2O\]

Điều kiện phản ứng

Nồng độ axit HNO₃: càng đậm đặc, tỉ lệ sản phẩm NO₂ càng cao; HNO₃ loãng có thể cho NO hoặc H₂ nếu rất loãng.

Nhiệt độ: phản ứng xảy ra nhanh ở nhiệt độ phòng; nhiệt độ cao làm tăng tốc phản ứng và sinh nhiều khí nóng.

Khuấy trộn: cần khuấy nhẹ để khí NO₂ thoát ra không bị giữ lại gây tái oxi hóa.

An toàn: phản ứng gây phát sinh khí độc NO₂ màu nâu đỏ, cần thực hiện trong hệ thống thông gió hoặc hút khí chuẩn.

Nguyên lý phản ứng

• sắt bị oxi hóa: \[Fe^0 \to Fe^{3+} + 3e\]
• Nitrogen trong HNO₃ bị khử từ mức oxi hóa +5 đến +4 (trong NO₂) hoặc +2 (trong NO).
• NO₂ là sản phẩm khử phổ biến khi HNO₃ đậm đặc: \[HNO_3 + H^+ + e \to NO_2 \uparrow + H_2O\]

sắt đóng vai trò chất khử mạnh, HNO₃ là chất oxi hóa. Phản ứng tổng thể là phản ứng oxi hóa‑khử phối hợp với proton hóa và tạo muối nitrat tan.

Cách thực hiện phản ứng

Chuẩn bị:

• Hoá chất: dải hoặc vụn Fe tinh khiết, HNO₃ đậm đặc (khoảng 68 %), nước cất.
• Dụng cụ: ống nghiệm chịu axit, bình tam giác, máy hút khí hoặc hệ thống phòng thí nghiệm có thông gió, ống dẫn khí, găng tay và kính an toàn.
• Thiết bị đo pH (nếu cần phân tích sau phản ứng).

Tiến hành:

1. Cho một lượng nhỏ dải Fe (khoảng 0,5 g) vào ống nghiệm khô.
2. Thêm từ từ HNO₃ đậm đặc vào uống nghiệm (khoảng 10 mL).
3. Quan sát khí NO₂ màu nâu đỏ bốc lên từ bề mặt dung dịch, xuất hiện nhiệt độ tăng, dung dịch có thể hơi sủi bọt.
4. Khuấy nhẹ để đảm bảo phản ứng đều. Khi phản ứng mạnh giảm, có thể thêm HNO₃ nếu thấy Fe còn dư.
5. Sau khi Fe tan hoàn toàn, lọc dung dịch nóng, để nguội và thu dung dịch Fe(NO₃)₃.
6. Thu muối nếu cần: cô cạn dung dịch để lấy tinh thể Fe(NO₃)₃·9H₂O, sấy nhẹ ở 50–60 °C nếu cần.

Lưu ý:

• Bình chứa phải chịu axit mạnh; tránh bồn kín vì khí NO₂ độc.
• Tránh dùng HNO₃ quá loãng nếu mong muốn tạo NO₂; sẽ thay đổi sản phẩm.
• Không đổ phản ứng trực tiếp ra môi trường không thu khí thích hợp.

Nhận biết phản ứng

Dấu hiệu phản ứng

• Khí NO₂ màu nâu đỏ tỏa ra rõ rệt nếu dùng HNO₃ đậm đặc.
• Nhấp nháy màu dung dịch và tăng nhiệt độ khi phản ứng xảy ra.
• sắt tan dần, lớp bề mặt kim loại biến mất.

Xác định sản phẩm

• Dung dịch chứa Fe(NO₃)₃ tan: thử với NaOH dư, xuất hiện kết tủa Fe(OH)₂, hóa đen khi đem nung:

\[FeSO_4+ 2NaOH \to Fe(OH)_2 \downarrow + Na_2SO_4\]

\[Fe(OH)_2 \xrightarrow{\Delta t} FeO + H_2O\]

• Khí NO₂ có màu đặc trưng, mùi hắc nhẹ; có thể kiểm tra bằng cách dẫn vào dung dịch nước: phân tán thành HNO₃ + NO₂ giải tan.
• pH dung dịch sau phản ứng thường ≤ 1 do dư HNO₃ nếu thêm quá nhiều.

Cơ chế chuyên sâu phản ứng

sắt (Fe) – Tác nhân khử mạnh

Trong phản ứng, sắt đóng vai trò chất khử, dễ dàng nhường electron cho tác nhân oxi hóa (NO₃⁻ trong môi trường HNO₃). Điều này bắt nguồn từ đặc điểm cấu trúc nguyên tử và cấu hình electron:

• Cấu hình electron: Fe: [Ar] 3d⁶ 4s²

• Hai electron lớp ngoài (3d⁶ 4s²) có năng lượng tương đối cao, dễ bị mất → Fe → Fe²⁺ + 2e⁻

HNO₃ – chất oxi hóa

HNO₃ không chỉ là môi trường axit mà còn là tác nhân oxi hóa mạnh. Trong môi trường đậm đặc, HNO₃ có thể khử xuống các dạng oxit nitơ thấp hơn như NO₂, NO, thậm chí NH₄⁺ nếu gặp chất khử mạnh.

Trong môi trường dung dịch, HNO₃ có khả năng chuyển NO₃⁻ thành sản phẩm khử đó là NO khi có các điều kiện:

• Nồng độ dung dịch axit cao nhưng không đậm đặc, có mặt proton và electron tự do từ Fe

• Sự tồn tại giữa các dạng nitơ khác nhau → một số NO₃⁻ được khử sâu xuống NO (N +2)

• Khí NO bay hơi lập tức hóa nâu trong không khí, làm phương trình dịch chuyển về hướng thuận, có lợi cho phản ứng

H⁺ – tạo môi trường thuận lợi cho phản ứng khử NO₃⁻:

• Làm tăng tính tan và tính hoạt động của các sản phẩm trung gian
  
• Proton hóa các gốc O trong NO₃⁻ giúp phá vỡ cấu trúc cộng hưởng, mở đường cho phản ứng khử
  
• Ổn định các sản phẩm khử nitơ ở dạng khí thông qua tạo liên kết hydrogen với H₂O. 
  

NO₃⁻ – nhận electron (chất oxi hóa thực sự):

• Trong NO₃⁻, nitơ đang ở trạng thái oxi hóa +5, mức cao nhất về mặt lý thuyết của nguyên tử N.
• N nằm ở chu kỳ 2, có bán kính nhỏ, mật độ điện tích cao, các orbital dễ tham gia vào phản ứng tái sắp xếp electron.
• Do cấu trúc liên kết không bền (Gồm 3 liên kết N=O có tính cộng hưởng mạnh nhưng không ổn định do có 2 electron tự do, dễ bị bẻ gãy khi có H⁺ và tác nhân khử), NO₃⁻ có xu hướng nhận electron để trở về trạng thái oxi hóa thấp hơn, như NO (+2), N₂O (+1), N₂ (0) hoặc NH₃ (–3) tùy vào điều kiện và chất khử.
  
• Trong phản ứng với Fe³⁺, nitrat bị khử về N₂O – một sản phẩm trung gian phổ biến khi nồng độ HNO₃ loãng và chất khử không quá mạnh.

Tiến trình cơ chế phản ứng

Bước 1. Tiếp xúc bề mặt

• Ion H⁺ trong HNO₃ đặc proton hóa bề mặt oxit mỏng FeO (nếu có), tạo điều kiện lộ ra bề mặt Fe kim loại.
• Fe bề mặt trở thành “ổ electron” sẵn sàng cho quá trình truyền electron.

Bước 2. Tấn công và nhận electron

• Ion NO₃⁻ (N⁺⁵) hoặc phức chất proton hóa HNO₃ → H₂NO₃⁺ di chuyển đến gần bề mặt Fe.
• Quá trình va chạm định hướng: orbital 4s chứa electron của Fe chồng lấn với orbital chống liên kết (π* hoặc σ*) của N–O trong HNO₃.
• Electron từ Fe → chuyển trực tiếp vào MO chống liên kết của N–O, làm suy yếu liên kết và hạ số oxi hóa của N từ +5 xuống +4.

Bước 3. Hình thành sản phẩm khử

• Khi nhận 1 electron:

\[NO_3^- + 2H^+ + e \longrightarrow HNO_2 + H_2O\]

• Khi nhận thêm electron trong môi trường HNO₃ đặc nóng, HNO₂ không bền → thoát ra dưới dạng khí NO₂ (nâu đỏ):

\[HNO_2 \longrightarrow NO_2 \uparrow + H^+ + e\]

Bước 4. Oxi hóa hoàn tất sắt

• Mỗi nguyên tử Fe mất 3 electron → Fe³⁺.
• Fe³⁺ liên kết ngay với 3 ion NO₃⁻ còn dư trong dung dịch → Fe(NO₃)₃ tan.

Bước 5. Cân bằng electron

• Fe nhường 3e⁻.
• 2 ion NO₃⁻ nhận electron → tạo 2 phân tử NO₂.
• Proton từ axit đồng thời kết hợp với nhóm oxy còn lại tạo thành H₂O.

Phân tích động học & năng lượng: Lý do sinh NO₂ (N⁺⁴) chứ không phải NO (N⁺²):

• Trong môi trường HNO₃ đặc, nóng, sự khử sâu hơn về NO kém thuận lợi vì NO dễ bị oxi hóa ngược lại thành NO₂ ngay khi hình thành.
• N⁺⁴ (NO₂) ổn định hơn trong môi trường nhiều O và nhiệt độ cao.

Nhiệt độ cao: tăng động năng va chạm, giảm hàng rào thế năng → phản ứng xảy ra mãnh liệt, tỏa nhiều nhiệt.

Cơ chế electron flow:

• Fe (4s orbital) → cung cấp electron.
• NO₃⁻/HNO₃ (LUMO chủ yếu trên N–O antibonding orbital) → nhận electron.
• Kết quả: Fe bị oxi hóa, N bị khử, O bị tách ra dưới dạng H₂O.

Sản phẩm khử của HNO₃ và điều kiện tạo thành

Vì sao NO₃⁻ loãng có tính oxi hóa mạnh, còn SO₄²⁻ loãng thì không?

So sánh mức oxi hóa và tính bền

• Nitơ có mức oxi hóa +5 là mức rất giàu năng lượng, dễ bị “rơi xuống” mức oxi hóa thấp hơn.
  
• Lưu huỳnh ở +6 tuy cũng cao, nhưng các liên kết trong SO₄²⁻ (đặc biệt là 4 liên kết S=O cộng hưởng bền chặt) khiến ion này rất khó bị khử, nhất là trong môi trường loãng, không có chất khử mạnh.
  

So sánh cấu trúc phân tử

● NO₃⁻:

• Gồm ba liên kết cộng hưởng N=O, phân bố điện tử không đều, dễ bị phá vỡ khi có mặt proton (H⁺).
  
• N nằm ở chu kỳ 2, có bán kính nhỏ, mật độ điện tích cao, có mức năng lượng orbital thấp, khi bị chi phối bởi các tác nhân axit/kìm dễ tham gia vào phản ứng tái sắp xếp electron.
  

● SO₄²⁻:

• Cấu trúc tetrahedron rất bền với 4 liên kết S=O mang tính π-đôi.
  
• Lưu huỳnh là nguyên tử chu kỳ 3, có d-orbital nên các liên kết cộng hóa trị mở rộng giúp cấu trúc ổn định hơn, rất khó bị khử trừ khi gặp tác nhân khử cực mạnh hoặc môi trường đặc biệt.
  

Liên kết và năng lượng chuyển hóa

• NO₃⁻ dễ dàng chấp nhận electron vì nitơ chưa có sự ổn định orbital đầy đủ → phản ứng khử dễ xảy ra
  
• SO₄²⁻ không có xu hướng tham gia vào phản ứng oxi hóa – khử vì:
  
  • Liên kết bền
    
  • Không có khả năng proton hóa tạo sản phẩm trung gian
  • Không nhận thêm electron một cách thuận lợi do cấu trúc rất ổn định và điện tích âm cao.

Vì vậy, trong các phản ứng oxi hóa – khử ở môi trường loãng, HNO₃ là tác nhân oxi hóa mạnh, trong khi H₂SO₄ chỉ thể hiện vai trò oxi hóa trong điều kiện đặc biệt (đặc, nóng).

Hiện tượng thụ động hóa – Cơ chế và bản chất

HNO₃ đặc nguội không phản ứng với các kim loại như sắt (Fe), crôm (Cr) và nhôm (Al) là do hiện tượng thụ động hóa – tức là bề mặt kim loại bị bao phủ bởi một lớp oxit bền, ngăn không cho axit tiếp xúc trực tiếp với kim loại bên trong.

Vậy lớp oxit đó hình thành từ đâu?

1. Do HNO₃ đặc có tính oxi hóa yếu ngay cả khi nguội

• Dù không mạnh như khi đun nóng, HNO₃ đặc nguội vẫn có tính oxi hóa nhẹ, đủ để oxi hóa lớp kim loại bề mặt thành oxit.
• Cụ thể:

Quá trình hình thành rất mỏng và nhanh

• Chỉ cần một lượng rất nhỏ kim loại bề mặt bị oxi hóa là đủ để hình thành lớp oxit mỏng vài nanomet.
• Sau khi lớp này hình thành, nó rất bền và không tan trong HNO₃ đặc, từ đó ngăn cản H⁺ và NO₃^– tiếp xúc sâu hơn với lớp kim loại bên dưới.

Vai trò của nhiệt độ trong phản ứng giữa Fe và HNO₃ đặc

Giảm độ nhớt – Tăng khả năng khuếch tán ion

• Ở nhiệt độ thường, HNO₃ đặc rất nhớt → khó khuếch tán H⁺ và NO₃^– vào bề mặt tấm Fe.
• Khi đun nóng, độ nhớt giảm → ion dễ tiếp xúc → phản ứng xảy ra nhanh hơn.

Kích hoạt tính oxi hóa của HNO₃

• Nhiệt độ cao giúp nhóm NO₃^– dễ nhận electron hơn → HNO₃ oxi hóa Fe thành Fe³⁺.
• sắt thời, N⁵⁺ bị khử thành NO₂ (khí) → phản ứng dịch chuyển theo chiều thuận (theo nguyên lý Le Chatelier).

Cung cấp năng lượng hoạt hóa

• Đun nóng Cung cấp năng lượng tối thiểu để phản ứng xảy ra.

Ứng dụng của phản ứng và sản phẩm

Về mặt công nghiệp và thực tiễn:

• Fe(NO₃)₃: dùng trong xử lý nước thải, làm chất keo tụ, điều chế sắt(III) oxit.
• NO₂: được tận dụng trong sản xuất axit nitric, tẩy trắng giấy, bảo quản thực phẩm.

Các tiền đề nghiên cứu xúc tác và điện hoá: phản ứng cho phép nghiên cứu cơ chế giảm nitrat trên bề mặt kim loại, một chủ đề quan trọng đối với công nghệ khử nitrat trong xử lý nước và tổng hợp hóa học.

Bài tập vận dụng liên quan Fe+HNO₃

Câu 1. Cho Fe tác dụng với HNO₃ đặc, nóng thu được khí X có màu nâu đỏ. Khí X là

A. N₂O.

B. N₂.

C. NO₂.

D. NO.

Đáp án C: Fe + 6HNO₃ → Fe(NO₃)₃ + 3NO₂ ↑ + 3H₂O – Dạng bài này thường xuất hiện trong đề thi lắm nha!Câu 2. Kim loại nào sau đây tác dụng với axit HCl loãng và khí clo không cho cùng loại muối clorua kim loại

A. Fe

B. Pb

C. Ag

D. Fe

Đáp án ALoại B và C do Cu, Pb không phản ứng với HCl.

Loại D do:

Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂

2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃

Câu 3. Cho dãy các chất: FeO, Fe(OH)₂, FeSO₄, Fe, Fe₂(SO₄)₃, Fe₂O₃. Số chất trong dãy bị oxi hóa khi tác dụng với dung dịch HNO₃ đặc, nóng là:

A. 6.

B. 3.

C. 5.

D. 4

Đáp án D. Những chất bị oxi hóa khi tác dụng với HNO₃ thì số oxi hóa trong hợp chất chưa phải là cao nhất. Bởi vì khi đó nguyên tố đó còn có thể cho đi electron để xảy ra được quá trình trao đổi electron.
Trong dãy trên có 4 chất là: FeO, Fe(OH)₂, FeSO₄ và Fe tương ứng với mức oxi hóa của Fe trong hợp chất là +2, +2, +2, 0.

Phương trình phản ứng:

• FeO + 4HNO₃ → Fe(NO₃)₃ + NO₂ + 2H₂O
• Fe(OH)₂ + 4HNO₃ → Fe(NO₃)₃ + NO₂ + 3H₂O
• FeSO₄ + 4HNO₃ → Fe(NO₃)₃ + NO₂ + H₂O + H₂SO₄
• Fe + HNO₃ → Fe(NO₃)₃ + NO₂ + H₂O

Câu 4. Để điều chế Fe(NO₃)₂ ta có thể dùng phản ứng nào sau đây?

A. Fe + dung dịch AgNO₃ dư | Loại vì Ag⁺ oxi hóa Fe → Fe⁺³

B. Fe + dung dịch Cu(NO₃)₂ được vì Cu⁺² chỉ oxi hóa Fe → Fe⁺²

C. Fe₂O₃ + dung dịch HNO₃ không được vì bản  chất Fe trong Fe2O3 đã có số oxi hóa là +3 rồi không hạ xuống được +2 nha.

D. FeS + dung dịch HNO₃ khi gặp HNO₃ thì 99,99% là số oxi hóa Fe→Fe⁺³

Đáp án BFe + dung dịch Cu(NO₃)₂

Fe + Cu(NO₃)₂ → Fe(NO₃)₂ + Cu

Câu 5. Dãy các chất và dung dịch nào sau đây khi lấy dư có thể oxi hoá Fe thành Fe (III)?

A. HCl, HNO₃ đặc, nóng, H₂SO₄ đặc, nóng

B. Cl₂, HNO₃ nóng, H₂SO₄ đặc, nguội

C. bột lưu huỳnh, H₂SO₄ đặc, nóng, HCl

D. Cl₂, AgNO_{3 dư}, HNO₃ loãng

Đáp án D

• Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂
• Fe + AgNO₃ → Fe(NO₃)₃ + Ag
• Fe + 6HNO₃ → Fe(NO₃)₃ + 3NO₂ ↑ + 3H₂O

Câu 6. Dãy các phi kim nào sau đây khi lấy dư tác dụng với Fe thì chỉ oxi hoá Fe thành Fe (III)?

A. Cl₂, O₂, S

B. Cl₂, Br₂, I₂

C. Br₂, Cl₂, F₂

D. O₂, Cl₂, Br₂

Đáp án C

• Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂
• Fe + 2HBr → FeBr₂ + H₂
• Fe + 2HI → FeI₂ + H₂

Câu 7. Cho m gam Fe tác dụng với dung dịch HNO₃ thấy sinh ra 0,1 mol NO là sản phẩm khử duy nhất của HNO₃ và còn lại 2,6 gam Fe không tan. Giá trị của m là:

A. 5,6

B. 7,2

C. 12

D. 10

Đáp án CDo Fe còn dư nên dung dịch chỉ chứa Fe(NO₃)_­2

2n_Fe = 3n_NO ⇒ n_Fe = 3/2 . 0,1 =0,15 mol

m_Fe = 0,15 . 56 + 2,6 = 12 g

Câu 8. Cho 5,6 gam Fe tác dụng hết với dung dịch HNO₃ (dư). Sau phản ứng sinh ra V lít khí NO₂ (ở đktc, sản phẩm khử duy nhất). Tính thể tích khí sinh ra?

A. 6,72 lít

B. 13,44 lít

C. 3,36 lít

D. 10,08 lít

Đáp án AFe + 6HNO₃ → Fe(NO₃)₃ + 3NO₂ + 3H₂O

n_Fe= 5,6/56 = 0,1 mol

Theo phương trình

→ n_NO2 = 3n_Fe=0,1 x 0,3= 0,3 mol

→ V = 0,3 x 22,4 = 6,72 lít

Câu 9. Cho a gam bột Fe vào dung dịch HNO₃ lấy dư, ta được 8,96 lít (đktc) hỗn hợp gồm hai khí NO₂ và NO và tỉ khối đối với O₂ bằng 1,3125. Thành phần phần trăm theo thể tích của NO, NO₂ và khối lượng a của Fe đã dùng là

A. 45% và 55% ; 5,6 gam.

B. 25% và 75%; 5,6 gam.

C. 25% và 75%; 11,2 gam.

D. 45% và 55%; 11,2 gam.

Đáp án BGọi x, y lần lượt là số mol của NO₂, NO

n_{Hỗn hợp khí} = 4,48 : 22,4 = 0,2 (mol)

=> x + y = 0,2 (1)

Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp khí là:

1,3125 . 32 = 42 (gam/mol)

=> Khối lượng của hỗn hợp khí trên là: 42 .0,2 = 8,4 (gam)

=> 46x + 30y = 8,4 (2)

Từ (1 và (2) ta giải hệ phương trình được

x = 0,15 ; y = 0,05

=> %NO₂ = 0,15: (0,15 + 0,05) . 100% = 75%

% NO = 25%

Áp dụng đinh luật bảo toàn electron ta có:

3. n_Fe = 1n_NO2 + 3.n_NO

=> 3 .n_Fe = 0,15 + 3.0,05 = 0,3 mol

=> n_Fe = 0,3 : 3 = 0,1 mol

=> m_Fe = 0,1 .56 = 5,6 gam

Câu 10. Thực hiện các thí nghiệm sau:

(1) Đốt dây sắt trong bình khí clo dư

(2) Cho Fe vào dung dịch HNO3 đặc, nguội

(3) Cho Fe vào dung dịch HCl loãng, dư

(4) Cho Fe vào dung dịch HCl loãng, dư

(5) Cho Fe vào dung dịch H2SO4 đặc, nóng

Số thí nghiệm tạo ra muối Fe(II) là:

A. 3

B. 4

C. 2

D. 1

Đáp án C