Cu + HNO3 loãng: phương trình, cân bằng, hiện tượng

Trả lời nhanh

Đồng tác dụng với nitric acid loãng tạo copper(II) nitrate, khí nitrogen monoxide (NO) và nước:

3Cu + 8HNO₃ (loãng) → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O

Phản ứng xảy ra ở nhiệt độ thường, đun nhẹ thì nhanh hơn. Hiện tượng: đồng tan dần, dung dịch chuyển xanh lam, khí không màu thoát ra rồi hoá nâu đỏ khi gặp không khí.

Phương trình phản ứng Cu + HNO₃ loãng

3Cu + 8HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O

Chất tham gia: copper (đồng, Cu) – kim loại màu đỏ; nitric acid (HNO₃) loãng.
Sản phẩm: copper(II) nitrate Cu(NO₃)₂ (muối tan, dung dịch màu xanh), nitrogen monoxide NO (khí không màu), nước.
Loại phản ứng: phản ứng oxi hoá – khử; Cu là chất khử, HNO₃ là chất oxi hoá đồng thời là môi trường tạo muối.

Điều kiện và hiện tượng phản ứng

Điều kiện: HNO₃ loãng, nhiệt độ thường; có thể đun nóng nhẹ để phản ứng xảy ra nhanh hơn.

Hiện tượng quan sát được:

Mảnh đồng tan dần.
Dung dịch từ không màu chuyển sang màu xanh lam do tạo ion Cu²⁺.
Có bọt khí không màu (NO) thoát ra. Ở miệng ống nghiệm, khí này gặp oxygen trong không khí hoá thành NO₂ màu nâu đỏ: 2NO + O₂ → 2NO₂.

Lưu ý: thấy khí nâu đỏ ở miệng ống nghiệm không có nghĩa sản phẩm ban đầu là NO₂. Trong lòng dung dịch, khí sinh ra là NO không màu.

Cân bằng phương trình bằng phương pháp thăng bằng electron

Bước 1. Xác định số oxi hoá thay đổi: Cu⁰ → Cu⁺²; N⁺⁵ (trong HNO₃) → N⁺² (trong NO).

Bước 2. Viết quá trình oxi hoá và quá trình khử:

Quá trình oxi hoá: Cu⁰ → Cu⁺² + 2e (nhân 3)
Quá trình khử: N⁺⁵ + 3e → N⁺² (nhân 2)

Bước 3. Tìm hệ số: Bội chung nhỏ nhất của 2 và 3 là 6, nên có 3Cu và 2NO.

Bước 4. Hoàn thiện: 3Cu(NO₃)₂ chứa 6 nhóm NO₃^– làm môi trường, cộng 2 nguyên tử N bị khử thành NO, tổng cần 8HNO₃. Đếm H: 8 nguyên tử H tạo 4H₂O. Kiểm tra O: vế trái 24, vế phải 18 + 2 + 4 = 24. Phương trình đã cân bằng.

Phương trình ion thu gọn: 3Cu + 8H⁺ + 2NO₃^– → 3Cu²⁺ + 2NO↑ + 4H₂O.

Vì sao HNO₃ hoà tan được đồng, còn HCl hay H₂SO₄ loãng thì không?

Đồng đứng sau hydrogen trong dãy hoạt động hoá học, nên ion H⁺ không đủ mạnh để oxi hoá Cu. Vì vậy Cu không tan trong HCl hay H₂SO₄ loãng.

Với HNO₃, chất oxi hoá không phải H⁺ mà là N⁺⁵ trong ion nitrate. Ion NO₃^– trong môi trường acid có tính oxi hoá mạnh, oxi hoá được hầu hết kim loại (trừ Au, Pt). Vì thế phản ứng không giải phóng H₂ mà tạo sản phẩm khử của nitrogen.

Hệ quả thú vị: nếu cho đồng vào dung dịch H₂SO₄ loãng rồi thêm muối NaNO₃, đồng vẫn tan và có khí NO, vì môi trường đã có đủ H⁺ và NO₃^–.

So sánh Cu + HNO₃ loãng và HNO₃ đặc

Tiêu chí	HNO₃ loãng	HNO₃ đặc
Phương trình	3Cu + 8HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O	Cu + 4HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O
Sản phẩm khử	NO (N⁺²)	NO₂ (N⁺⁴)
Màu khí trong ống nghiệm	Không màu, hoá nâu ở miệng ống	Nâu đỏ ngay
Tỉ lệ mol Cu : HNO₃	3 : 8	1 : 4

So sánh thêm với phản ứng của đồng với sulfuric acid đặc tại Cu + H2SO4 đặc nóng: sản phẩm khử ở đó là SO₂.

Lỗi sai thường gặp

Viết sản phẩm là H₂: HNO₃ tác dụng với kim loại không giải phóng H₂.
Nhầm sản phẩm khử: với Cu, HNO₃ loãng cho NO; đặc cho NO₂. Kim loại mạnh hơn (Mg, Al, Zn) với HNO₃ rất loãng có thể tạo N₂O, N₂ hoặc NH₄NO₃.
Cân bằng thiếu HNO₃: nhiều em chỉ tính phần N bị khử (2 phân tử) mà quên 6 phân tử làm môi trường tạo muối.
Nhầm hệ số tỉ lệ khi tính toán: n_NO = 2/3 n_Cu, không phải bằng n_Cu.

Mẹo nhớ nhanh

Nhớ cụm “3 – 8 – 3 – 2 – 4” cho phương trình Cu + HNO₃ loãng. Còn để tính nhanh, dùng bảo toàn electron: 2n_Cu = 3n_NO, và n_{HNO₃ phản ứng} = 4n_NO (vì mỗi NO kèm 4H⁺ trong phương trình ion).

Bài tập vận dụng có lời giải

Bài 1. Hoà tan hoàn toàn 9,6 gam Cu trong dung dịch HNO₃ loãng dư, thu được V lít khí NO (sản phẩm khử duy nhất, đkc 25 °C, 1 bar). Tính V.

Lời giải: n_Cu = 9,6 : 64 = 0,15 mol. Theo bảo toàn electron: 2 × 0,15 = 3 × n_NO ⇒ n_NO = 0,1 mol. V = 0,1 × 24,79 = 2,479 lít.

Bài 2. Tính khối lượng HNO₃ đã phản ứng trong Bài 1.

Lời giải: n_HNO₃ = 8/3 × n_Cu = 8/3 × 0,15 = 0,4 mol (hoặc = 4n_NO = 0,4 mol). Khối lượng = 0,4 × 63 = 25,2 gam.

Bài 3. Cho 3,2 gam Cu vào 100 mL dung dịch chứa H₂SO₄ 0,5 M và NaNO₃ 0,2 M. Tính thể tích NO tối đa (đkc).

Lời giải: n_Cu = 0,05 mol; n_H⁺ = 0,1 mol; n_NO₃^– = 0,02 mol. Theo 3Cu + 8H⁺ + 2NO₃^–: so sánh tỉ lệ 0,05/3 ≈ 0,0167; 0,1/8 = 0,0125; 0,02/2 = 0,01. NO₃^– hết trước, n_NO = 0,02 mol. V = 0,02 × 24,79 ≈ 0,496 lít.

An toàn khi làm thí nghiệm

Khí NO và NO₂ độc, cần làm thí nghiệm với lượng nhỏ, trong tủ hút hoặc nơi thoáng khí.
Đeo kính bảo hộ và găng tay; nitric acid gây bỏng và làm vàng da.
Có thể nút ống nghiệm bằng bông tẩm dung dịch kiềm để hấp thụ khí thoát ra.

Câu hỏi thường gặp

Cu tác dụng với HNO3 loãng sinh ra khí gì?

Sinh ra khí nitrogen monoxide NO không màu; khí này gặp không khí hoá thành NO2 màu nâu đỏ ở miệng ống nghiệm.

Vì sao Cu không tác dụng với HCl nhưng tan trong HNO3?

Cu đứng sau H nên ion H+ không oxi hoá được Cu. Trong HNO3, chất oxi hoá là N+5 của ion nitrate, đủ mạnh để oxi hoá Cu thành Cu2+.

Tổng hệ số cân bằng của phương trình Cu + HNO3 loãng là bao nhiêu?

3 + 8 + 3 + 2 + 4 = 20.

Dung dịch sau phản ứng Cu + HNO3 có màu gì?

Màu xanh lam do có ion Cu2+ của muối copper(II) nitrate.