Fe3O4 + CO → Fe + CO2: Cân bằng và điều kiện

Trả lời nhanh

Fe₃O₄ bị khí CO khử ở nhiệt độ cao thành sắt kim loại: Fe₃O₄ + 4CO → 3Fe + 4CO₂ (điều kiện t°). Đây là phản ứng oxi hoá – khử: CO là chất khử lấy oxi của oxit sắt từ, còn Fe₃O₄ là chất oxi hoá. Cứ 1 mol Fe₃O₄ cần 4 mol CO và thu được 3 mol Fe.

Phương trình hoá học Fe₃O₄ + CO

Fe₃O₄ + 4CO → 3Fe + 4CO₂ (t°)

Nội dung	Chi tiết
Điều kiện	Nhiệt độ cao (CO dư để khử hoàn toàn)
Chất tham gia	Sắt từ oxit Fe₃O₄ (rắn, màu đen, có từ tính) và khí CO
Sản phẩm	Sắt Fe (rắn, màu xám) và khí CO₂
Hiện tượng	Chất rắn màu đen dần chuyển sang màu xám trắng của sắt; khí thoát ra làm đục nước vôi trong
Loại phản ứng	Oxi hoá – khử (nhiệt luyện)

Cân bằng phương trình theo electron

Trong Fe₃O₄, số oxi hoá trung bình của Fe là +8/3 (thực chất gồm 1 Fe²⁺ và 2 Fe³⁺). Ta làm theo các bước sau:

Quá trình nhận electron: 3Fe^+8/3 + 8e → 3Fe⁰ (3 nguyên tử Fe nhận tổng cộng 3 × 8/3 = 8 electron).
Quá trình nhường electron: C⁺² → C⁺⁴ + 2e (mỗi phân tử CO nhường 2 electron).
Cân bằng số electron: 8 ÷ 2 = 4, nên cần 4 phân tử CO cho 1 phân tử Fe₃O₄.
Hoàn thiện: Fe₃O₄ + 4CO → 3Fe + 4CO₂.
Kiểm tra oxi: vế trái 4 + 4 = 8, vế phải 4 × 2 = 8. Đúng.

Mẹo nhanh: với phản ứng khử oxit kim loại bằng CO hoặc H₂, số phân tử CO (hay H₂) cần dùng đúng bằng số nguyên tử oxi trong oxit. Fe₃O₄ có 4 oxi nên cần 4CO, và sinh ra 4CO₂.

Vì sao phản ứng xảy ra từng giai đoạn?

Trong thực tế (lò cao luyện gang), oxit sắt không bị khử thẳng thành Fe mà đi qua nhiều bước, tuỳ vùng nhiệt độ trong lò:

3Fe₂O₃ + CO → 2Fe₃O₄ + CO₂
Fe₃O₄ + CO → 3FeO + CO₂
FeO + CO → Fe + CO₂

Nếu cộng các bước từ Fe₃O₄ (nhân phương trình cuối với 3) ta được: Fe₃O₄ + 4CO → 3Fe + 4CO₂. Vì vậy trong bài tập, nếu đề nói “khử hoàn toàn” hoặc CO dư ở nhiệt độ cao thì viết thẳng phương trình tổng; nếu đề nói “khử không hoàn toàn” thì chất rắn sau phản ứng có thể gồm Fe, FeO, Fe₃O₄ dư.

Các phản ứng tương tự để so sánh

Chất khử	Phương trình
H₂	Fe₃O₄ + 4H₂ → 3Fe + 4H₂O (t° cao)
Al (nhiệt nhôm)	8Al + 3Fe₃O₄ → 4Al₂O₃ + 9Fe (t°)
C	Fe₃O₄ + 2C → 3Fe + 2CO₂ (t° cao, C đủ để tạo CO₂)

Kiểm tra dòng Al: vế phải có 4 × 2 = 8 Al, 4 × 3 = 12 O và 9 Fe; vế trái 3 × 3 = 9 Fe, 3 × 4 = 12 O. Cân bằng.

Lỗi sai thường gặp

Viết hệ số 1CO: nhiều bạn viết Fe₃O₄ + CO → Fe + CO₂ rồi quên cân bằng. Hãy nhớ đếm oxi ở cả hai vế.
Quên điều kiện t°: ở nhiệt độ thường CO không khử được Fe₃O₄.
Nhầm sản phẩm là Fe₂O₃ hay FeO: đó chỉ là sản phẩm trung gian khi thiếu CO hoặc nhiệt chưa đủ.
Cho CO khử oxit của kim loại mạnh: CO chỉ khử được oxit của kim loại đứng sau Al trong dãy hoạt động (như Fe, Zn, Cu), không khử được Al₂O₃, MgO, Na₂O.

Bài tập vận dụng

Bài 1. Khử hoàn toàn 23,2 gam Fe₃O₄ bằng CO dư ở nhiệt độ cao. Tính khối lượng Fe thu được và thể tích CO (đktc) đã phản ứng.

Giải: n(Fe₃O₄) = 23,2 : 232 = 0,1 mol. Theo phương trình: n(Fe) = 3 × 0,1 = 0,3 mol, m(Fe) = 0,3 × 56 = 16,8 gam. n(CO) = 4 × 0,1 = 0,4 mol, V = 0,4 × 22,4 = 8,96 lít.

Bài 2. Dẫn CO qua 23,2 gam Fe₃O₄ nung nóng, thu được 20,0 gam chất rắn (gồm Fe và các oxit sắt). Tính thể tích CO (đktc) đã phản ứng.

Giải: Khối lượng chất rắn giảm chính là khối lượng oxi bị CO lấy đi: 23,2 − 20,0 = 3,2 gam, tức 0,2 mol O. Mỗi CO lấy 1 nguyên tử O để thành CO₂ nên n(CO) = 0,2 mol, V = 0,2 × 22,4 = 4,48 lít.

Bài 3. Khi khử hoàn toàn một lượng Fe₃O₄ bằng CO, thu được 0,6 mol CO₂. Tính khối lượng Fe₃O₄ đã dùng.

Giải: Tỉ lệ Fe₃O₄ : CO₂ = 1 : 4 nên n(Fe₃O₄) = 0,6 : 4 = 0,15 mol, m = 0,15 × 232 = 34,8 gam.

Ứng dụng

Phản ứng khử oxit sắt bằng CO là cơ sở của quá trình luyện gang trong lò cao: than cốc cháy tạo CO, CO khử quặng hematit (Fe₂O₃) hoặc manhetit (Fe₃O₄) thành sắt. Sắt thu được hoà tan thêm cacbon tạo thành gang, sau đó được luyện tiếp thành thép.

Câu hỏi thường gặp

Fe3O4 tác dụng với CO tạo ra gì?

Ở nhiệt độ cao, Fe3O4 + CO tạo ra sắt (Fe) và khí cacbon đioxit (CO2) theo phương trình Fe3O4 + 4CO → 3Fe + 4CO2.

Trong phản ứng Fe3O4 + CO, chất nào là chất khử?

CO là chất khử vì số oxi hoá của C tăng từ +2 lên +4. Fe3O4 là chất oxi hoá vì sắt giảm từ +8/3 xuống 0.

Vì sao đôi khi phản ứng chỉ tạo FeO hoặc hỗn hợp oxit sắt?

Khi CO thiếu hoặc nhiệt độ chưa đủ cao, Fe3O4 bị khử từng bước: Fe3O4 thành FeO rồi mới thành Fe. Chất rắn sau phản ứng khi đó là hỗn hợp Fe, FeO, Fe3O4 dư.

Cách tính nhanh số mol CO phản ứng khi khử oxit sắt?

n(CO phản ứng) bằng n(O) bị lấy khỏi oxit, tức bằng độ giảm khối lượng chất rắn chia 16. Cũng bằng n(CO2) tạo thành.