Phương Trình Hóa Học Của Đồng Tác Dụng Với Axit Sunfuric Đặc, Nóng

Phản ứng giữa đồng (Cu) và axit sunfuric (H2SO4) đặc, nóng là một phản ứng oxi hóa khử quan trọng trong hóa học vô cơ. Bài viết này sẽ đi sâu vào phương trình hóa học, điều kiện phản ứng, cách cân bằng, hiện tượng, cũng như tính chất hóa học của đồng và axit sunfuric đặc, kèm theo các bài tập vận dụng minh họa.

1. Phương Trình Phản Ứng Đồng Tác Dụng Với Axit Sunfuric Đặc, Nóng

Phương trình hóa học biểu diễn phản ứng giữa đồng và axit sunfuric đặc, nóng là:

Cu + 2H₂SO₄ (đặc, nóng) → CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O

Phản ứng này cho thấy đồng, một kim loại tương đối kém hoạt động, có thể phản ứng với axit sunfuric đặc khi đun nóng, tạo thành đồng(II) sunfat, khí sulfur dioxide và nước.

2. Điều Kiện Phản Ứng

Phản ứng giữa đồng và axit sunfuric đặc có thể xảy ra ở nhiệt độ thường, tuy nhiên, quá trình phản ứng diễn ra nhanh và thuận lợi hơn khi có sự tác động của nhiệt độ cao (đun nóng).

3. Cách Cân Bằng Phương Trình Phản Ứng

Để cân bằng phương trình này, chúng ta áp dụng phương pháp thăng bằng electron cho phản ứng oxi hóa khử:

• Xác định sự thay đổi số oxi hóa:

  • Đồng (Cu) từ số oxi hóa 0 lên +2 trong CuSO₄.
  • Lưu huỳnh (S) trong H₂SO₄ có số oxi hóa +6, và trong SO₂ có số oxi hóa +4.

• Viết các bán phản ứng oxi hóa – khử:

  • Oxi hóa: Cu⁰ → Cu⁺² + 2e
  • Khử: S⁺⁶ + 2e → S⁺⁴

• Cân bằng electron: Số electron cho bằng số electron nhận. Trong trường hợp này, ta nhân bán phản ứng oxi hóa với 1 và bán phản ứng khử với 1.

• Áp dụng vào phương trình tổng quát:
  1 Cu + 2H₂SO₄ → 1 CuSO₄ + 1 SO₂↑ + 2H₂O

4. Hiện Tượng Quan Sát Được

Khi cho lá đồng (màu đỏ) vào dung dịch axit sunfuric đặc, hiện tượng quan sát được là:

• Lá đồng dần dần tan ra.
• Dung dịch chuyển sang màu xanh đặc trưng của ion Cu²⁺ (trong CuSO₄).
• Quan sát thấy hiện tượng sủi bọt khí, đó là khí sulfur dioxide (SO₂) có mùi hắc, khó chịu thoát ra.

5. Tính Chất Hóa Học Của Đồng (Cu)

Đồng là một kim loại chuyển tiếp với các tính chất hóa học đặc trưng sau:

• Tác dụng với phi kim:

  • Đồng phản ứng với oxi khi đun nóng tạo thành đồng(II) oxit (CuO). Lớp CuO này có thể bảo vệ đồng khỏi bị oxi hóa tiếp tục ở nhiệt độ thấp hơn.
  • 2Cu + O₂ → 2CuO (nung nóng)
  • Ở nhiệt độ rất cao (800-1000°C), CuO có thể phản ứng với Cu tạo thành đồng(I) oxit (Cu₂O).
  • CuO + Cu → Cu₂O (nung nóng)
  • Đồng cũng phản ứng với các halogen như clo (Cl₂), brom (Br₂) và lưu huỳnh (S) khi đun nóng.
  • Cu + Cl₂ → CuCl₂ (nung nóng)

• Tác dụng với axit:

  • Đồng không phản ứng với các dung dịch axit HCl và H₂SO₄ loãng ở điều kiện thường.
  • Tuy nhiên, khi có mặt oxi, đồng có thể phản ứng với dung dịch HCl. Phản ứng này xảy ra ở bề mặt tiếp xúc giữa dung dịch axit và không khí.
  • 2Cu + 4HCl + O₂ → 2CuCl₂ + 2H₂O
  • Đồng phản ứng mạnh với axit nitric (HNO₃) và axit sunfuric đặc (H₂SO₄ đặc):
    • Cu + 2H₂SO₄ (đặc) → CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O
    • Cu + 4HNO₃ (đặc) → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O
    • 3Cu + 8HNO₃ (loãng) → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O

• Tác dụng với dung dịch muối:

  • Đồng có khả năng khử ion kim loại đứng sau nó trong dãy hoạt động hóa học trong dung dịch muối.
  • Cu + 2AgNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2Ag

6. Tính Chất Hóa Học Của Axit Sunfuric Đặc (H₂SO₄ Đặc)

Axit sunfuric đặc sở hữu hai tính chất hóa học nổi bật:

• a) Tính oxi hóa mạnh:

  • H₂SO₄ đặc có khả năng oxi hóa hầu hết các kim loại (trừ vàng (Au) và bạch kim (Pt)) tạo thành muối có số oxi hóa cao và thường giải phóng khí SO₂. Đối với các kim loại có tính khử mạnh, có thể sinh ra H₂S hoặc S.
    • 2Fe + 6H₂SO₄ (đặc) → Fe₂(SO₄)₃ + 3SO₂↑ + 6H₂O (nung nóng)
    • Cu + 2H₂SO₄ (đặc) → CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O (nung nóng)
  • Lưu ý: Nhôm (Al), Sắt (Fe), Crom (Cr) bị thụ động hóa trong H₂SO₄ đặc, nguội, nghĩa là chúng không phản ứng hoặc phản ứng rất chậm.
  • Tác dụng với nhiều phi kim:
    • C + 2H₂SO₄ (đặc) → CO₂↑ + 2SO₂↑ + 2H₂O (nung nóng)
    • S + 2H₂SO₄ (đặc) → 3SO₂↑ + 2H₂O (nung nóng)
  • Tác dụng với nhiều hợp chất có tính khử:
    • 2FeO + 4H₂SO₄ (đặc) → Fe₂(SO₄)₃ + SO₂↑ + 4H₂O (nung nóng)
    • 2KBr + 2H₂SO₄ (đặc) → Br₂↑ + SO₂↑ + 2H₂O + K₂SO₄ (nung nóng)

• b) Tính háo nước:

  • Axit sunfuric đặc có khả năng hút nước mạnh. Nó có thể lấy nước kết tinh từ nhiều loại muối ngậm nước hoặc lấy các nguyên tố H và O (theo tỉ lệ của nước) từ nhiều hợp chất hữu cơ.
  • Ví dụ điển hình là khi cho axit H₂SO₄ đặc vào đường (C₁₂H₂₂O₁₁), đường sẽ bị hóa thành than (C).
  • C₁₂H₂₂O₁₁ → 12C + 11H₂O (dưới tác dụng của H₂SO₄ đặc)
  • Sau đó, một phần cacbon sinh ra có thể bị axit sunfuric đặc oxi hóa tiếp:
  • C + 2H₂SO₄ (đặc) → CO₂↑ + 2SO₂↑ + 2H₂O

7. Bài Tập Vận Dụng Minh Họa

Dưới đây là một số bài tập vận dụng liên quan đến phản ứng của đồng và axit sunfuric, giúp củng cố kiến thức:

Câu 1. Cho lá đồng vào dung dịch axit nitric đặc, hiện tượng quan sát được là gì?
A. Dung dịch chuyển sang màu vàng và có khí màu nâu đỏ thoát ra.
B. Dung dịch chuyển sang màu nâu đỏ và có khí màu xanh thoát ra.
C. Dung dịch chuyển sang màu xanh và có khí không màu thoát ra.
D. Dung dịch chuyển sang màu xanh và có khí màu nâu đỏ thoát ra.
Đáp án: D. Phương trình: 3Cu + 8HNO₃(đặc) → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O. Khí NO không màu hóa nâu trong không khí.

Câu 3. Hiện tượng quan sát được khi cho Cu vào dung dịch H₂SO₄ đặc là gì?
A. Dung dịch chuyển sang màu vàng và có khí màu nâu đỏ thoát ra.
B. Dung dịch chuyển sang màu nâu đỏ và có khí màu xanh thoát ra.
C. Dung dịch không chuyển màu và có khí không màu thoát ra.
D. Dung dịch chuyển sang màu xanh và có khí không màu mùi sốc thoát ra.
Đáp án: D. Phương trình: Cu + 2H₂SO₄(đặc) → CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O.

Câu 19. Hòa tan hoàn toàn 6,4 gam Cu trong dung dịch H₂SO₄ đặc thu được V lít khí SO₂ ở điều kiện tiêu chuẩn. Giá trị của V là bao nhiêu?
A. 2,24 lít
B. 3,36 lít
C. 4,48 lít
D. 8,96 lít
Hướng dẫn giải:
nCu = 6,4 / 64 = 0,1 mol.
Theo phương trình: Cu + 2H₂SO₄ → CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O
0,1 mol Cu tạo ra 0,1 mol SO₂.
V = 0,1 mol × 22,4 lít/mol = 2,24 lít.
Đáp án: A.

Câu 20. Cho 3,2 gam bột Cu tác dụng với 100 ml dung dịch hỗn hợp gồm HNO₃ 0,8M và H₂SO₄ 0,2M. Tính thể tích khí NO (đktc) sinh ra.
A. 1,792 lít
B. 0,746 lít
C. 0,672 lít
D. 0,448 lít
Hướng dẫn giải:
nCu = 3,2 / 64 = 0,05 mol.
n H⁺ = 0,1 × 0,8 + 0,2 × 0,2 = 0,08 + 0,04 = 0,12 mol.
n NO₃⁻ = 0,1 × 0,8 = 0,08 mol.
Phương trình phản ứng ion: 3Cu + 8H⁺ + 2NO₃⁻ → 3Cu²⁺ + 2NO↑ + 4H₂O
Tỉ lệ phản ứng là 3:8:2. Ta có:
0,05 mol Cu cần 0,05 × 8/3 ≈ 0,133 mol H⁺. Lượng H⁺ có là 0,12 mol, H⁺ thiếu.
0,05 mol Cu cần 0,05 × 2/3 ≈ 0,033 mol NO₃⁻. Lượng NO₃⁻ có là 0,08 mol, NO₃⁻ dư.
Do đó, H⁺ phản ứng hết.
n NO = 0,05 × 2/3 = 0,1/3 mol.
V = (0,1/3) × 22,4 ≈ 0,747 lít. Tuy nhiên, đáp án C là 0,672 lít, có thể tính theo H⁺ hết.
Nếu tính theo H⁺ hết: 0,12 mol H⁺ sẽ tạo ra 0,12 × 2/8 = 0,03 mol NO.
V = 0,03 × 22,4 = 0,672 lít.
Đáp án: C.

Tài liệu tham khảo:

• VietJack. (N/A). Phương trình hóa học của đồng tác dụng với dung dịch H2SO4 đặc, nóng. Truy cập từ [liên kết gốc]
• VietJack. (N/A). Tính chất hóa học của đồng. Truy cập từ [liên kết gốc]
• VietJack. (N/A). Tính chất hóa học của axit sunfuric đặc. Truy cập từ [liên kết gốc]