Fe2O3 + H2 → Fe + H2O: cân bằng, điều kiện, hiện tượng và bài tập
Lớp 9Hóa học

Fe2O3 + H2 → Fe + H2O: cân bằng, điều kiện, hiện tượng và bài tập

Trả lời nhanh

Sắt(III) oxit bị hiđro khử ở nhiệt độ cao tạo ra sắt kim loại và hơi nước theo phương trình Fe2O3 + 3H2 → 2Fe + 3H2O (điều kiện t°). Đây là phản ứng oxi hoá – khử: H2 là chất khử, Fe2O3 là chất oxi hoá. Hiện tượng là bột đỏ nâu chuyển dần thành chất rắn màu xám đen và có hơi nước ngưng tụ.

Phương trình hoá học đã cân bằng

Fe2O3 + 3H2 → 2Fe + 3H2O (điều kiện: nhiệt độ cao)

Cách cân bằng nhanh: bên phải có 2 nguyên tử Fe nên đặt hệ số 2 trước Fe. Fe2O3 có 3 nguyên tử oxi, nên cần 3 phân tử H2O. Khi đó cần 3 phân tử H2 ở vế trái để đủ hiđro. Kiểm tra lại: hai vế đều có 2Fe, 3O, 6H.

Điều kiện và hiện tượng

  • Điều kiện: nung nóng ở nhiệt độ cao, dòng khí H2 được dẫn qua ống chứa Fe2O3.
  • Hiện tượng: chất rắn màu đỏ nâu (Fe2O3) dần chuyển sang màu xám đen (Fe); trên thành ống nghiệm xuất hiện các giọt nước.
  • Nhận biết sản phẩm: kim loại sắt bị nam châm hút; hơi nước làm xanh sulfat đồng khan chuyển sang màu xanh lam.

Bản chất phản ứng oxi hoá – khử

Nguyên tố Số oxi hoá Vai trò
Fe +3 giảm xuống 0 Fe2O3 bị khử, là chất oxi hoá
H 0 tăng lên +1 H2 bị oxi hoá, là chất khử

Mỗi nguyên tử Fe nhận 3 electron, một phân tử Fe2O3 nhận 6 electron. Mỗi phân tử H2 nhường 2 electron, nên cần 3 phân tử H2. Cách kiểm tra bằng electron này luôn cho hệ số trùng với cân bằng thông thường.

Phản ứng diễn ra theo từng giai đoạn

Khi nung ở nhiệt độ tăng dần, oxit sắt có thể bị khử từng bước: Fe2O3 thành Fe3O4, rồi FeO, cuối cùng ra Fe. Các phương trình tương ứng:

  1. 3Fe2O3 + H2 → 2Fe3O4 + H2O
  2. Fe3O4 + H2 → 3FeO + H2O
  3. FeO + H2 → Fe + H2O

Nếu đề bài cho hỗn hợp sản phẩm gồm nhiều oxit, em phải viết các phản ứng trung gian, còn khi khử hoàn toàn thì chỉ cần dùng phương trình tổng.

Ứng dụng và lưu ý an toàn

Trong phòng thí nghiệm, người ta dùng H2 khử oxit sắt để điều chế sắt có độ sạch cao. Ngoài thực tế sản xuất gang thép, chất khử phổ biến hơn là than cốc và khí CO trong lò cao.

Khi làm thí nghiệm với H2, cần kiểm tra độ tinh khiết của khí trước khi nung vì hỗn hợp H2 với không khí có thể gây nổ. Sau khi phản ứng, tiếp tục cho H2 đi qua cho đến khi ống nguội để sắt không bị oxi hoá trở lại.

Bài tập có lời giải

Bài 1. Khử hoàn toàn 16 gam Fe2O3 bằng khí H2 dư. Tính khối lượng sắt thu được và thể tích H2 cần dùng ở điều kiện chuẩn (24,79 lít/mol).

  • Số mol Fe2O3 = 16 : 160 = 0,1 mol.
  • Theo phương trình, n(Fe) = 2 × 0,1 = 0,2 mol, nên m(Fe) = 0,2 × 56 = 11,2 gam.
  • n(H2) = 3 × 0,1 = 0,3 mol, nên V(H2) = 0,3 × 24,79 ≈ 7,44 lít.

Bài 2. Khử hết một lượng Fe2O3 bằng H2, thu được 5,6 gam Fe. Tính khối lượng nước tạo thành.

  • n(Fe) = 5,6 : 56 = 0,1 mol.
  • Theo phương trình, n(H2O) = 3/2 × n(Fe) = 0,15 mol.
  • m(H2O) = 0,15 × 18 = 2,7 gam.

Lỗi sai thường gặp

  • Quên điều kiện nhiệt độ cao nên cho rằng phản ứng xảy ra ở nhiệt độ thường.
  • Viết sản phẩm là FeO hay Fe3O4 khi đề bài nói khử hoàn toàn.
  • Cân bằng thiếu: để hệ số H2 bằng 2.
  • Nhầm vai trò: Fe2O3 là chất bị khử, H2 là chất khử.

Mẹo nhớ

Hiđro lấy oxi của oxit để tạo thành nước, còn kim loại được giải phóng. Nhớ số 3: ba phân tử H2 lấy đi ba nguyên tử O trong một phân tử Fe2O3.

Câu hỏi tự luyện

  1. Vì sao phải dùng H2 dư? Đáp án: Để khử hết oxit sắt và giữ sắt thu được không bị oxi hoá lại.
  2. Hoàn thành: CuO + H2 → ? Đáp án: CuO + H2 → Cu + H2O (nhiệt độ cao).

Câu hỏi thường gặp

Fe2O3 tác dụng với H2 tạo ra gì?

Tạo ra sắt kim loại và hơi nước theo phương trình Fe2O3 + 3H2 → 2Fe + 3H2O khi nung nóng.

Phản ứng Fe2O3 + H2 có cần điều kiện không?

Có, cần nhiệt độ cao. Ở nhiệt độ thường phản ứng gần như không xảy ra.

Trong phản ứng này chất nào là chất khử?

H2 là chất khử vì số oxi hoá tăng từ 0 lên +1, còn Fe2O3 là chất oxi hoá.

Hiện tượng của phản ứng là gì?

Chất rắn đỏ nâu chuyển dần sang màu xám đen, đồng thời có hơi nước ngưng tụ trên thành ống.

Bài học liên quan