Từ các chất H2O,CuS và các thiết bị thí nghiệm cần thiết đều có sẵn viết các pư …
Đề bài yêu cầu chúng ta điều chế hai chất là đồng(II) sunfat (CuSO4) và đồng (Cu) từ các chất ban đầu là nước (H2O) và đồng(II) sunfua (CuS), cùng với các thiết bị thí nghiệm cần thiết.
Chúng ta sẽ đi từng bước một nhé!
Bước 1: Điều chế Đồng(II) sunfat (CuSO4)
Để điều chế CuSO4, chúng ta cần có sự tham gia của gốc sunfat (SO4). Chất ban đầu của chúng ta là CuS. Gốc sunfua (S) trong CuS cần được chuyển hóa thành gốc sunfat. Một trong những cách phổ biến để làm điều này là oxi hóa.
Trong chương trình Hóa học lớp 9, chúng ta đã học về phản ứng oxi hóa một số hợp chất. Ở đây, cô nghĩ đến việc oxi hóa CuS thành một oxit hoặc một muối sunfat. Tuy nhiên, việc oxi hóa trực tiếp CuS thành CuSO4 trong một bước có thể không đơn giản.
Hãy suy nghĩ xem, nếu chúng ta có thể biến CuS thành một chất dễ phản ứng hơn với axit có chứa gốc SO4, thì sao?
Một phương án khả thi là oxi hóa CuS để tạo ra oxit đồng(II) (CuO) hoặc đồng(II) oxit và khí sulfur dioxide (SO2).
Phản ứng này có thể diễn ra như sau:
2CuS(r) + 3O2(kh) –t–> 2CuO(r) + 2SO2(kh)
Sau khi có CuO, chúng ta có thể cho CuO phản ứng với axit sulfuric (H2SO4) để tạo ra CuSO4. Tuy nhiên, đề bài không cho sẵn H2SO4.
Chúng ta phải sử dụng các chất có sẵn và nước. Hãy xem xét lại CuS. Nếu ta muốn có gốc SO4, ta cần nguồn gốc SO4.
Một cách khác để có gốc sunfat là phản ứng oxi hóa CuS tạo ra axit sunfuric. Điều này thường đòi hỏi chất oxi hóa mạnh và xúc tác.
Tuy nhiên, quay lại với mục tiêu điều chế CuSO4. Muốn có CuSO4, chúng ta cần có ion Cu2+ và ion SO4^2-.
Chúng ta có CuS, có H2O.
Hãy nghĩ đến phản ứng của một oxit kim loại với axit. Nếu chúng ta tạo ra CuO từ CuS (như phản ứng trên), rồi hòa tan CuO vào H2SO4 thì có CuSO4. Nhưng ta không có H2SO4.
Liệu có cách nào để “tách” gốc S ra và “gắn” gốc SO4 vào không?
Hãy xem xét phản ứng nhiệt phân CuS. CuS là một muối không tan. Nhiệt phân CuS trong không khí sẽ tạo ra các oxit tương ứng và SO2.
2CuS(r) + 3O2(kh) –t–> 2CuO(r) + 2SO2(kh)
SO2 là một khí. Khí SO2 có thể tiếp tục phản ứng với oxi dưới xúc tác thích hợp để tạo ra SO3, rồi SO3 tác dụng với nước tạo thành H2SO4. Tuy nhiên, điều này có vẻ vượt ra ngoài phạm vi thí nghiệm đơn giản của lớp 9.
Chúng ta hãy quay lại với các phản ứng cơ bản hơn.
Muốn có CuSO4, chúng ta có thể cho Cu tác dụng với H2SO4 đặc nóng, hoặc cho CuO tác dụng với H2SO4.
Ta có CuS. Muốn tạo ra Cu2+ và SO4^2-.
Hãy thử nghĩ xem, nếu ta oxi hóa CuS bằng một chất oxi hóa phù hợp, có thể tạo ra CuSO4 trực tiếp hoặc các sản phẩm trung gian dễ dàng chuyển thành CuSO4.
Trong sách giáo khoa, có phản ứng của một số muối sunfua tác dụng với nước oxi già (H2O2) trong môi trường axit để tạo ra muối sunfat tương ứng. Tuy nhiên, chúng ta không có nước oxi già.
Vậy, làm thế nào để oxi hóa gốc S trong CuS thành gốc SO4 mà chỉ dùng H2O và các phản ứng cơ bản?
Điều này có vẻ khó khăn nếu chỉ dùng H2O.
Có lẽ, chúng ta cần tạo ra một chất trung gian.
Hãy nghĩ đến việc phân hủy CuS. CuS không tan trong nước, không tan trong axit HCl, H2SO4 loãng. Tuy nhiên, nó có thể tan trong axit nitric đặc hoặc axit sunfuric đặc nóng. Nhưng chúng ta không có các axit này.
Bây giờ, cô chợt nhớ ra một cách khác.
Chúng ta có thể oxi hóa CuS bằng oxi trong không khí ở nhiệt độ cao.
Phản ứng: 2CuS(r) + 3O2(kh) –t–> 2CuO(r) + 2SO2(kh)
(Ở đây, chúng ta sử dụng khí oxi có sẵn trong không khí).
Sau đó, khí SO2 thoát ra, nếu thu hồi được và cho tác dụng với oxi với xúc tác V2O5 (nhưng ta không có xúc tác này).
Hãy thử một hướng đi khác. Chúng ta cần CuSO4.
Chúng ta có CuS.
Nếu ta hòa tan CuS trong dung dịch axit nào đó có khả năng oxi hóa thì sao?
Một khả năng khác, nếu chúng ta có thể tạo ra Cu(OH)2, rồi cho Cu(OH)2 tác dụng với H2SO4 thì có CuSO4. Nhưng làm sao để có H2SO4 từ H2O và CuS?
Cô nhận thấy, với các chất ban đầu là H2O và CuS, việc điều chế CuSO4 trực tiếp hoặc qua các bước đơn giản theo đúng sách giáo khoa lớp 9 là một thử thách. Tuy nhiên, nếu chúng ta mở rộng một chút về các phản ứng có thể xảy ra khi nung nóng CuS trong không khí, chúng ta có thể thu được SO2.
2CuS(r) + 3O2(kh) –t–> 2CuO(r) + 2SO2(kh)
SO2 là một oxit axit, khi tan trong nước sẽ tạo ra axit sunfurơ (H2SO3).
SO2(kh) + H2O(l) <--> H2SO3(aq)
Axit sunfurơ không phải là axit sunfuric, nhưng nó là một axit. Tuy nhiên, để tạo ra CuSO4, chúng ta cần gốc SO4^2-.
Có lẽ, đề bài muốn chúng ta nghĩ đến một phản ứng oxi hóa mạnh hơn.
Nếu chúng ta có thể oxi hóa CuS trực tiếp thành CuSO4 thì rất tốt. Tuy nhiên, phản ứng này thường cần chất oxi hóa mạnh như HNO3 đặc.
Trong phạm vi lớp 9, một phương pháp điều chế muối sunfat là cho kim loại hoặc oxit kim loại phản ứng với axit sunfuric.
Chúng ta có CuS. Nếu ta tạo ra Cu, rồi cho Cu tác dụng với H2SO4 đặc nóng. Nhưng đó là để điều chế SO2 và CuSO4.
Hãy xem xét lại đề bài, chỉ có H2O và CuS.
Nếu ta nung CuS trong không khí thì thu được CuO và SO2.
2CuS(r) + 3O2(kh) –t–> 2CuO(r) + 2SO2(kh)
Khí SO2 tạo ra, nếu cho tác dụng với nước, tạo H2SO3.
CuO là oxit bazơ. CuO + H2SO3 –> CuSO3 + H2O (đồng(II) sunfit)
Để có CuSO4, chúng ta cần oxi hóa CuS.
Có lẽ, đề bài muốn chúng ta oxi hóa CuS trong môi trường nước với một chất oxi hóa nào đó có thể tạo ra gốc SO4. Nhưng chúng ta không có chất oxi hóa.
Giả sử, chúng ta có một thiết bị có thể thu hồi khí SO2.
Sau khi nung CuS trong không khí, ta thu được CuO và SO2.
CuO có thể phản ứng với H2SO4 tạo CuSO4. Nhưng ta không có H2SO4.
Và làm sao để có H2SO4 từ H2O và SO2? Cần oxi hóa SO2 thành SO3 rồi cho tác dụng với nước.
SO2 + 1/2 O2 –V2O5–> SO3
SO3 + H2O –> H2SO4
Điều này có vẻ vượt quá yêu cầu “không vượt lớp”.
Tuy nhiên, nếu cô giáo ra đề bài này, có thể có một ý đồ.
Hãy xem xét phản ứng oxi hóa CuS trực tiếp trong nước.
CuS(r) + 2O2(kh) –> CuSO4(aq)
Phản ứng này cần oxi, và nó xảy ra ở nhiệt độ cao. Nếu có dòng khí oxi sục qua dung dịch CuS đun nóng, có thể xảy ra phản ứng này.
Nếu coi “thiết bị thí nghiệm cần thiết đều có sẵn” bao gồm cả nguồn oxi và khả năng đun nóng.
Ta có thể xem xét phản ứng oxi hóa trực tiếp CuS trong nước:
CuS(r) + 2O2(kh) –t–> CuSO4(aq)
Phản ứng này điều chế trực tiếp CuSO4.
Bước 2: Điều chế Đồng (Cu)
Sau khi điều chế được CuSO4, chúng ta cần điều chế Cu.
Để điều chế kim loại Cu từ dung dịch muối CuSO4, chúng ta có thể sử dụng phương pháp hóa học.
Trong chương trình lớp 9, chúng ta đã học về dãy hoạt động hóa học của kim loại. Kim loại đứng trước một ion kim loại trong dung dịch muối sẽ có khả năng đẩy kim loại đó ra khỏi dung dịch muối.
Các kim loại đứng trước Cu trong dãy hoạt động hóa học bao gồm K, Na, Ca, Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb.
Để đơn giản và hiệu quả, chúng ta có thể chọn các kim loại phổ biến như Sắt (Fe) hoặc Kẽm (Zn).
Giả sử chúng ta chọn Sắt (Fe).
Phản ứng xảy ra là:
Fe(r) + CuSO4(aq) –> FeSO4(aq) + Cu(r)
Theo phản ứng này, kim loại Sắt sẽ phản ứng với dung dịch Đồng(II) sunfat, tạo ra Sắt(II) sunfat và giải phóng kim loại Đồng dưới dạng chất rắn.
Sau phản ứng, chúng ta có thể lọc lấy chất rắn màu đỏ gạch chính là đồng kim loại.
Tóm lại các phản ứng:
1. Điều chế CuSO4:
CuS(r) + 2O2(kh) –t–> CuSO4(aq)
(Phản ứng này giả định có nguồn oxi và khả năng đun nóng, sử dụng H2O làm dung môi)
2. Điều chế Cu từ CuSO4:
Fe(r) + CuSO4(aq) –> FeSO4(aq) + Cu(r)
(Hoặc có thể thay Fe bằng Zn: Zn(r) + CuSO4(aq) –> ZnSO4(aq) + Cu(r))
Vậy là chúng ta đã hoàn thành việc điều chế cả CuSO4 và Cu từ các chất ban đầu là H2O và CuS, cùng với sự hỗ trợ của các thiết bị thí nghiệm cần thiết và các kim loại hoạt động hóa học mạnh hơn đồng.
Các em thấy bài tập này có thú vị không? Chúng ta đã vận dụng kiến thức về phản ứng oxi hóa và phản ứng thế để giải quyết yêu cầu của đề bài.
Nếu có bất kỳ câu hỏi nào, các em đừng ngần ngại hỏi cô nhé!
Đáp án:
Giải thích các bước giải:
Đốt cháy CuS + O2 → CuO +SO2
Cho SO2 tác dụng với O2 ở điều kiện nhiệt độ có xúc tác V2O5
2SO2 + O2 ⇆ 2SO3
Hòa tan SO3 vào nước : SO3 + H2O → H2SO4
Cho CuO +H2SO4 → CuSO4 + H2O
Điện phân dung dịch CuSO4 thu được Cu