Trả lời nhanh
Phương trình tổng quát (Mg đủ nhiều): 3Mg + 2Fe(NO3)3 → 3Mg(NO3)2 + 2Fe↓. Thực chất phản ứng xảy ra theo hai bước: Mg khử Fe3+ thành Fe2+ trước, sau đó Mg dư mới khử Fe2+ thành Fe. Vì vậy sản phẩm phụ thuộc vào tỉ lệ mol giữa Mg và Fe(NO3)3.
1. Phương trình phản ứng Mg + Fe(NO3)3
Magie là kim loại mạnh, đứng trước sắt trong dãy điện hoá, nên đẩy được sắt ra khỏi dung dịch muối. Riêng với muối sắt(III) thì quá trình diễn ra qua hai giai đoạn:
- Giai đoạn 1: Mg + 2Fe(NO3)3 → Mg(NO3)2 + 2Fe(NO3)2
- Giai đoạn 2: Mg + Fe(NO3)2 → Mg(NO3)2 + Fe↓
- Cộng hai giai đoạn: 3Mg + 2Fe(NO3)3 → 3Mg(NO3)2 + 2Fe↓
Điều kiện: phản ứng xảy ra ngay ở nhiệt độ thường, trong dung dịch nước.
2. Cân bằng bằng phương pháp electron
Chỉ có Mg và Fe thay đổi số oxi hoá (ion NO3– giữ nguyên):
- Chất khử: Mg0 → Mg2+ + 2e (nhường 2e)
- Chất oxi hoá: Fe3+ + 3e → Fe0 (nhận 3e)
Bội chung nhỏ nhất của 2 và 3 là 6, nên nhân Mg với 3 và Fe3+ với 2. Ta được 3Mg + 2Fe3+ → 3Mg2+ + 2Fe. Đưa về phân tử: 3Mg + 2Fe(NO3)3 → 3Mg(NO3)2 + 2Fe. Kiểm tra gốc NO3: vế trái 6, vế phải 3 × 2 = 6, đã cân bằng.
3. Vì sao Fe3+ bị khử về Fe2+ trước?
Hãy so sánh tính oxi hoá của các cặp oxi hoá – khử (thế điện cực chuẩn gần đúng):
| Cặp oxi hoá – khử | E° (V) | Nhận xét |
|---|---|---|
| Mg2+/Mg | ≈ –2,37 | Khử mạnh nhất |
| Fe2+/Fe | ≈ –0,44 | Fe2+ oxi hoá yếu |
| Fe3+/Fe2+ | ≈ +0,77 | Fe3+ oxi hoá mạnh |
Quy tắc α: chất oxi hoá mạnh nhất phản ứng với chất khử mạnh nhất trước. Fe3+ có tính oxi hoá mạnh hơn Fe2+ rất nhiều nên nhận electron của Mg trước. Chỉ khi Fe3+ đã hết mà Mg còn dư thì Fe2+ mới bị khử thành Fe kim loại.
4. Hiện tượng quan sát được
- Mảnh Mg (hoặc bột Mg) tan dần.
- Dung dịch ban đầu màu vàng nâu (Fe3+) nhạt dần, chuyển sang xanh lục nhạt (Fe2+).
- Nếu Mg còn dư, xuất hiện chất rắn màu xám đen bám trên Mg (Fe kim loại); khi Fe2+ hết, dung dịch gần như không màu (chỉ còn Mg2+).
- Có thể thấy vài bọt khí H2 li ti, vì dung dịch Fe(NO3)3 có tính axit yếu do Fe3+ thuỷ phân: Mg + 2H+ → Mg2+ + H2↑. Đây chỉ là phản ứng phụ, bài tập thường bỏ qua.
5. Sản phẩm theo tỉ lệ mol Mg : Fe(NO3)3
Đặt T = nMg : nFe(NO3)3. Cần 0,5 mol Mg để chuyển 1 mol Fe3+ thành Fe2+, rồi thêm 1 mol Mg nữa để chuyển hết Fe2+ thành Fe. Tổng cộng 1,5 mol.
| Tỉ lệ T | Dung dịch sau phản ứng | Chất rắn |
|---|---|---|
| T ≤ 0,5 | Mg(NO3)2, Fe(NO3)2, Fe(NO3)3 dư (T = 0,5 thì hết Fe3+) | Không có |
| 0,5 < T < 1,5 | Mg(NO3)2, Fe(NO3)2 dư | Fe |
| T = 1,5 | Chỉ Mg(NO3)2 | Fe |
| T > 1,5 | Chỉ Mg(NO3)2 | Fe và Mg dư |
Mẹo nhớ: “ba lên xuống hai, rồi mới xuống không” – Fe3+ xuống Fe2+ rồi mới xuống Fe.
6. Lỗi sai thường gặp
- Viết ngay Mg + Fe(NO3)3 → Mg(NO3)2 + Fe mà không cân bằng (hệ số đúng là 3, 2, 3, 2).
- Bỏ qua Fe(NO3)2 trung gian, dẫn đến sai khi Mg thiếu: lúc đó chưa có Fe kim loại.
- Cho rằng Mg dư chỉ “đẩy” Fe3+ thành Fe luôn; thực tế phải qua Fe2+, nhưng với Mg dư thì tổng quát vẫn đúng.
- Tính khối lượng muối quên M của Fe(NO3)2 = 180 và Mg(NO3)2 = 148.
7. Bài tập vận dụng
Bài 1. Cho 2,4 gam Mg vào dung dịch chứa 0,2 mol Fe(NO3)3. Tính khối lượng muối trong dung dịch sau phản ứng.
Giải: nMg = 0,1 mol, T = 0,5 nên Mg và Fe3+ phản ứng vừa đủ ở giai đoạn 1: Mg + 2Fe(NO3)3 → Mg(NO3)2 + 2Fe(NO3)2. Dung dịch chứa 0,1 mol Mg(NO3)2 và 0,2 mol Fe(NO3)2. Khối lượng muối = 0,1 × 148 + 0,2 × 180 = 14,8 + 36 = 50,8 gam; không có chất rắn.
Bài 2. Cho 4,8 gam Mg vào dung dịch chứa 0,2 mol Fe(NO3)3. Tính khối lượng chất rắn và các muối trong dung dịch.
Giải: nMg = 0,2 mol. Giai đoạn 1 dùng 0,1 mol Mg, tạo 0,2 mol Fe(NO3)2. Mg còn 0,1 mol khử 0,1 mol Fe2+ thành 0,1 mol Fe. Chất rắn: mFe = 0,1 × 56 = 5,6 gam. Dung dịch có 0,2 mol Mg(NO3)2 và 0,1 mol Fe(NO3)2 còn dư.
Bài 3. Cho 0,3 mol Mg phản ứng hoàn toàn với dung dịch chứa 0,2 mol Fe(NO3)3. Tính khối lượng Fe thu được.
Giải: T = 0,3 : 0,2 = 1,5, vừa đủ cho phản ứng tổng quát 3Mg + 2Fe(NO3)3 → 3Mg(NO3)2 + 2Fe. Thu được 0,2 mol Fe, tức 0,2 × 56 = 11,2 gam.
Bài 4 (điền khuyết). Khi cho Mg dư vào dung dịch Fe(NO3)3, sau phản ứng dung dịch chỉ chứa ………… và chất rắn gồm …………
Đáp án: Mg(NO3)2; Fe và Mg dư.
Câu hỏi thường gặp
Mg có đẩy được Fe ra khỏi Fe(NO3)3 không?
Có. Mg đứng trước Fe trong dãy điện hoá nên đẩy Fe ra khỏi muối khi Mg dư: 3Mg + 2Fe(NO3)3 → 3Mg(NO3)2 + 2Fe. Tuy nhiên Fe3+ bị khử về Fe2+ trước rồi mới tạo Fe.
Cho ít Mg vào dung dịch Fe(NO3)3 thì thu được gì?
Khi Mg thiếu (n Mg ≤ 0,5 n Fe(NO3)3), chỉ xảy ra Mg + 2Fe(NO3)3 → Mg(NO3)2 + 2Fe(NO3)2, chưa có sắt kim loại, dung dịch chuyển từ vàng nâu sang xanh lục nhạt.
Hiện tượng của phản ứng Mg với Fe(NO3)3 là gì?
Mg tan dần, màu vàng nâu của dung dịch nhạt dần, nếu Mg dư xuất hiện chất rắn xám đen là sắt bám ra; có thể kèm vài bọt khí H2 do môi trường axit yếu.
Cần tối thiểu bao nhiêu mol Mg để khử hết 1 mol Fe(NO3)3 thành Fe?
Cần 1,5 mol Mg: 0,5 mol để đưa Fe3+ về Fe2+ và 1 mol để đưa Fe2+ về Fe, đúng theo tỉ lệ 3Mg : 2Fe(NO3)3.