FexOy + O2 → Fe2O3: cân bằng phương trình chi tiết

Trả lời nhanh

Phương trình đã cân bằng: 4Fe_xO_y + (3x − 2y)O₂ → 2xFe₂O₃ (điều kiện: nung nóng). Phản ứng chỉ xảy ra khi iron trong oxide chưa đạt số oxi hóa +3, tức với FeO (4FeO + O₂ → 2Fe₂O₃) và Fe₃O₄ (4Fe₃O₄ + O₂ → 6Fe₂O₃); Fe₂O₃ không phản ứng tiếp với O₂.

Phương trình FexOy + O2 và điều kiện phản ứng

Fe_xO_y là cách viết tổng quát cho một oxide của iron chưa biết công thức. Trong chương trình phổ thông, Fe_xO_y có thể là FeO, Fe₃O₄ hoặc Fe₂O₃. Khi nung trong oxygen (hoặc không khí), các oxide có iron ở mức oxi hóa thấp bị oxi hóa tiếp lên Fe₂O₃, oxide bền nhất của iron trong không khí:

4Fe_xO_y + (3x − 2y)O₂ ^t°→ 2xFe₂O₃

Chất khử: Fe_xO_y (iron tăng số oxi hóa từ +2y/x lên +3).
Chất oxi hóa: O₂ (oxygen giảm từ 0 xuống −2).
Điều kiện: đun nóng. Hệ số 3x − 2y phải dương, nghĩa là y/x < 3/2. Nếu Fe_xO_y là Fe₂O₃ thì 3x − 2y = 3·2 − 2·3 = 0: không có phản ứng.

Cân bằng FexOy + O2 bằng phương pháp thăng bằng electron

Bước 1. Xác định số oxi hóa

Trong Fe_xO_y, oxygen có số oxi hóa −2, nên số oxi hóa trung bình của iron là +2y/x (ví dụ FeO: +2; Fe₃O₄: +8/3). Trong Fe₂O₃, iron là +3. Oxygen trong O₂ là 0, trong sản phẩm là −2.

Bước 2. Viết quá trình oxi hóa và quá trình khử

Quá trình oxi hóa (tính cho cả phân tử Fe_xO_y, gồm x nguyên tử Fe): xFe^+2y/x → xFe⁺³ + (3x − 2y)e.
Quá trình khử: O₂ + 4e → 2O⁻².

Bước 3. Cân bằng số electron cho – nhận

Mỗi phân tử Fe_xO_y nhường (3x − 2y) electron, mỗi phân tử O₂ nhận 4 electron. Nhân quá trình oxi hóa với 4 và quá trình khử với (3x − 2y), số electron hai bên đều bằng 4(3x − 2y).

Bước 4. Đặt hệ số và kiểm tra

Đặt hệ số 4 trước Fe_xO_y, (3x − 2y) trước O₂. Số nguyên tử Fe vế trái là 4x, nên cần 2x phân tử Fe₂O₃. Kiểm tra oxygen: vế trái 4y + 2(3x − 2y) = 6x; vế phải 2x·3 = 6x. Hai vế bằng nhau, phương trình đã cân bằng.

Cách khác: cân bằng theo hệ số đại số

Gọi phương trình là aFe_xO_y + bO₂ → cFe₂O₃. Bảo toàn Fe: ax = 2c. Bảo toàn O: ay + 2b = 3c. Chọn a = 4 thì c = 2x và 2b = 6x − 4y, suy ra b = 3x − 2y. Kết quả trùng với cách thăng bằng electron.

Áp dụng cho từng oxide cụ thể

Oxide	x, y	3x − 2y	Phương trình
FeO	1, 1	1	4FeO + O₂ → 2Fe₂O₃
Fe₃O₄	3, 4	1	4Fe₃O₄ + O₂ → 6Fe₂O₃
Fe₂O₃	2, 3	0	Không phản ứng

Hiện tượng: FeO và Fe₃O₄ đều là chất rắn màu đen; sau khi nung trong không khí, chất rắn chuyển dần sang màu nâu đỏ của Fe₂O₃ và khối lượng chất rắn tăng lên (do nhận thêm oxygen). Chính vì FeO dễ bị oxi hóa nên khi điều chế FeO trong phòng thí nghiệm phải nung trong môi trường không có không khí.

Các phản ứng khác của FexOy thường gặp

Khi đã nắm cách cân bằng phương trình với O₂, em có thể dùng cùng cách suy luận cho các phản ứng sau (đã kiểm tra bảo toàn từng nguyên tố):

Khử bằng CO: Fe_xO_y + yCO ^t°→ xFe + yCO₂
Khử bằng H₂: Fe_xO_y + yH₂ ^t°→ xFe + yH₂O
Nhiệt nhôm: 3Fe_xO_y + 2yAl ^t°→ 3xFe + yAl₂O₃
Với HCl: Fe_xO_y + 2yHCl → (3x − 2y)FeCl₂ + (2y − 2x)FeCl₃ + yH₂O
Với H₂SO₄ đặc, nóng: 2Fe_xO_y + (6x − 2y)H₂SO₄ → xFe₂(SO₄)₃ + (3x − 2y)SO₂ + (6x − 2y)H₂O
Với HNO₃ loãng (tạo NO): 3Fe_xO_y + (12x − 2y)HNO₃ → 3xFe(NO₃)₃ + (3x − 2y)NO + (6x − y)H₂O

Điểm chung: hệ số (3x − 2y) luôn là số electron mà một phân tử Fe_xO_y nhường khi iron lên +3. Với Fe₂O₃, hệ số này bằng 0, nên Fe₂O₃ không tạo SO₂ hay NO mà chỉ phản ứng trao đổi với acid.

Bài tập vận dụng có lời giải

Các bài dưới đây dùng Fe = 56, O = 16; thể tích khí đo ở điều kiện chuẩn (25 °C, 1 bar), 1 mol khí chiếm 24,79 L.

Ví dụ 1. Nung 7,2 g một oxide Fe_xO_y trong oxygen dư, thu được 8 g Fe₂O₃. Tìm công thức oxide.

Lời giải: n(Fe₂O₃) = 8 : 160 = 0,05 mol, suy ra n(Fe) = 0,1 mol và m(Fe) = 5,6 g. Khối lượng oxygen trong oxide ban đầu: 7,2 − 5,6 = 1,6 g, tức n(O) = 0,1 mol. Tỉ lệ x : y = 0,1 : 0,1 = 1 : 1, oxide là FeO; phương trình 4FeO + O₂ → 2Fe₂O₃.

Ví dụ 2. Nung 23,2 g Fe_xO_y trong không khí đến khối lượng không đổi được 24 g Fe₂O₃. Tìm công thức oxide và thể tích O₂ đã phản ứng.

Lời giải: n(Fe₂O₃) = 0,15 mol, nên n(Fe) = 0,3 mol, m(Fe) = 16,8 g; m(O) trong oxide = 23,2 − 16,8 = 6,4 g, n(O) = 0,4 mol. x : y = 0,3 : 0,4 = 3 : 4, oxide là Fe₃O₄. Khối lượng chất rắn tăng 24 − 23,2 = 0,8 g chính là khối lượng O₂ đã phản ứng: n(O₂) = 0,8 : 32 = 0,025 mol, V = 0,025 · 24,79 ≈ 0,62 L. Kiểm tra bằng phương trình 4Fe₃O₄ + O₂ → 6Fe₂O₃: 0,1 mol Fe₃O₄ cần 0,025 mol O₂, đúng.

Ví dụ 3. Một oxide của iron có phần trăm khối lượng Fe là 72,41%. Xác định oxide và viết phương trình khi nung nó trong oxygen.

Lời giải: 56x/(56x + 16y) = 0,7241 cho x : y ≈ 3 : 4 (thử lại: 168/232 ≈ 72,41%). Oxide là Fe₃O₄, phương trình 4Fe₃O₄ + O₂ ^t°→ 6Fe₂O₃.

Ví dụ 4. Khử hoàn toàn 16 g Fe_xO_y bằng CO dư ở nhiệt độ cao, thu được 11,2 g Fe. Oxide này có phản ứng với O₂ khi nung không?

Lời giải: m(O) = 16 − 11,2 = 4,8 g, n(O) = 0,3 mol; n(Fe) = 0,2 mol. x : y = 2 : 3, oxide là Fe₂O₃. Vì iron đã ở mức +3 (3x − 2y = 0), oxide này không phản ứng với O₂.

Ví dụ 5. Hòa tan hết 6,96 g Fe_xO_y trong H₂SO₄ đặc, nóng, dư thu được 0,015 mol SO₂ (sản phẩm khử duy nhất). Tìm công thức oxide.

Lời giải: Mỗi mol Fe_xO_y nhường (3x − 2y) mol electron; mỗi mol SO₂ ứng với 2 mol electron nhận. Bảo toàn electron: [6,96 : (56x + 16y)]·(3x − 2y) = 0,03. Biến đổi: 20,88x − 13,92y = 1,68x + 0,48y, suy ra 19,2x = 14,4y, x : y = 3 : 4. Oxide là Fe₃O₄ (0,03 mol, thể tích SO₂ khoảng 0,372 L).

Lưu ý khi viết và cân bằng phương trình

Không viết phản ứng Fe₂O₃ + O₂; đây là lỗi hay bị trừ điểm.
Khi thay x, y cụ thể, nếu các hệ số có ước chung thì rút gọn về số nguyên tối giản.
Số oxi hóa +8/3 của Fe trong Fe₃O₄ chỉ là giá trị trung bình (oxide này chứa cả Fe⁺² và Fe⁺³), nhưng dùng giá trị trung bình vẫn cho hệ số đúng.
Với bài tìm công thức, hãy tính n(Fe) và n(O) riêng rồi lập tỉ lệ, đừng đoán theo khối lượng mol.

Bài tập tự luyện

Nung 21,6 g FeO trong không khí đến khối lượng không đổi. Tính khối lượng chất rắn thu được. Đáp án: 24 g Fe₂O₃.
Tính thể tích O₂ (điều kiện chuẩn) cần để chuyển hoàn toàn 0,2 mol Fe₃O₄ thành Fe₂O₃. Đáp án: 0,05 mol, khoảng 1,24 L.
Cân bằng phương trình Fe₃O₄ + HNO₃ → Fe(NO₃)₃ + NO + H₂O. Đáp án: 3Fe₃O₄ + 28HNO₃ → 9Fe(NO₃)₃ + NO + 14H₂O.

Câu hỏi thường gặp

Fe2O3 có phản ứng với O2 không?

Không. Trong Fe2O3, iron đã có số oxi hóa +3, mức cao nhất thường gặp, nên hệ số 3x − 2y bằng 0 và không có phản ứng với oxygen.

FeO + O2 cân bằng như thế nào?

Thay x = 1, y = 1 vào phương trình tổng quát được 4FeO + O2 → 2Fe2O3 (đun nóng).

Fe3O4 + O2 tạo ra gì?

Fe3O4 bị oxi hóa thành Fe2O3 khi nung nóng: 4Fe3O4 + O2 → 6Fe2O3.

Trong phản ứng FexOy + O2, chất nào là chất khử?

FexOy là chất khử vì iron trong đó tăng số oxi hóa lên +3; O2 là chất oxi hóa vì oxygen giảm từ 0 xuống −2.

Vì sao khối lượng chất rắn tăng khi nung FeO trong không khí?

Vì chất rắn nhận thêm oxygen để chuyển thành Fe2O3; phần khối lượng tăng đúng bằng khối lượng O2 đã phản ứng.