Bài học

Hệ thống hoá Fe, Cr, Cu — so sánh và nhận biết

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em so sánh được tính khử, số oxi hoá đặc trưng và màu sắc hợp chất giữa Fe, Cr, Cu, và lập được sơ đồ nhận biết các ion kim loại chuyển tiếp thường gặp bằng những thuốc thử đã học xuyên suốt khoá.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài này không dạy kiến thức mới, mà hệ thống lại toàn bộ Chương 1 đến Chương 4: cấu hình electron, tính khử, số oxi hoá, màu sắc hợp chất, và thuốc thử nhận biết của Fe, Cr, Cu. Em cần huy động lại tất cả các phương trình đã viết ở bốn chương trước để hoàn thành bài tổng hợp này.

Khởi động

Ba lọ mất nhãn chứa riêng biệt dung dịch FeCl₂, FeCl₃, CuSO₄ không màu nhãn. Chỉ quan sát màu và dùng tối đa hai thuốc thử, làm sao phân biệt được cả ba dung dịch chỉ trong vài phút?

Kiến thức trọng tâm

So sánh cấu hình electron và số oxi hoá đặc trưng. Cả ba kim loại đều thuộc khối nguyên tố d với cấu hình electron hoá trị đặc biệt: Fe $[Ar]3d^{6}4s^{2}$ , Cr $[Ar]3d^{5}4s^{1}$ (bán bão hoà), Cu $[Ar]3d^{10}4s^{1}$ (bão hoà). Số oxi hoá đặc trưng: Fe có $+2$ và $+3$ đều phổ biến; Cr có $+3$ bền và phổ biến nhất, còn $+6$ chỉ xuất hiện trong môi trường oxi hoá mạnh (như $CrO_3$ , $K_2Cr_2O_7$ ); Cu có $+2$ bền, còn $+1$ kém bền, ít gặp ở chương trình phổ thông.

So sánh tính khử. Theo thế điện cực chuẩn: $E^\circ(Cr^{3+}/Cr) = -0{,}74\ V < E^\circ(Fe^{2+}/Fe) = -0{,}44\ V < E^\circ(Cu^{2+}/Cu) = +0{,}34\ V$ . Nhớ quy tắc $E^\circ$ càng âm thì tính khử càng mạnh, ta có thứ tự tính khử giảm dần: $Cr > Fe > Cu$ . Tuy nhiên như đã phân tích ở Chương 3, độ bền hoá học THỰC TẾ của crom lại cao hơn dự đoán từ $E^\circ$ đơn thuần, vì lớp oxide $Cr_2O_3$ bảo vệ hình thành cực nhanh trên bề mặt — một ví dụ nhắc lại rằng thế điện cực chuẩn chỉ dự đoán khả năng phản ứng về mặt nhiệt động học, không tính đến các yếu tố động học như lớp màng bảo vệ bề mặt.

So sánh màu sắc — công cụ nhận biết nhanh nhất. $Fe^{2+}$ trong dung dịch có màu lục nhạt, $Fe^{3+}$ màu vàng nâu; $Fe(OH)_2$ trắng hơi xanh (hoá nâu đỏ ngoài không khí), $Fe(OH)_3$ nâu đỏ. $Cr^{3+}$ có màu lục hoặc tím tuỳ hợp chất, $Cr_2O_7^{2-}$ màu da cam, $CrO_4^{2-}$ màu vàng. $Cu^{2+}$ luôn có màu xanh lam đặc trưng, $Cu(OH)_2$ kết tủa xanh lam. Bảng màu này chính là công cụ đầu tiên và nhanh nhất để nhận biết sơ bộ một dung dịch chứa ion kim loại chuyển tiếp nào, trước khi cần dùng thêm thuốc thử.

Sơ đồ nhận biết bằng thuốc thử. Với ba dung dịch FeCl₂, FeCl₃, CuSO₄ ở phần khởi động: bước đầu quan sát màu — CuSO₄ có sẵn màu xanh lam đặc trưng, dễ nhận ra ngay không cần thuốc thử; giữa FeCl₂ (lục nhạt, khó phân biệt bằng mắt) và FeCl₃ (vàng nâu, có thể nhận ra nếu tinh mắt), dùng thêm dung dịch NaOH để xác nhận chắc chắn — FeCl₂ cho kết tủa trắng xanh hoá nâu dần, FeCl₃ cho kết tủa nâu đỏ ngay lập tức; hoặc dùng KSCN — chỉ FeCl₃ tạo màu đỏ máu. Cách làm này tận dụng đúng các phản ứng đặc trưng đã học riêng lẻ ở từng chương, ghép lại thành một quy trình nhận biết hoàn chỉnh.

**So sánh cấu hình electron và số oxi hoá đặc trưng.** Cả ba kim loại đều thuộc khối nguyên tố d với cấu hình electron hoá trị đặc biệt: Fe $[Ar]3d^{6}4s^{2}$, Cr $[Ar]3d^{5}4s^{1}$ (bán bão hoà), Cu $[Ar]3d^{10}4s^{1}$ (bão hoà). Số oxi hoá đặc trưng: Fe có $+2$ và $+3$ đều phổ biến; Cr có $+3$ bền và phổ biến nhất, còn $+6$ chỉ xuất hiện trong môi trường oxi hoá mạnh (như $CrO_3$, $K_2Cr_2O_7$); Cu có $+2$ bền, còn $+1$ kém bền, ít gặp ở chương trình phổ thông. **So sánh tính khử.** Theo thế điện cực chuẩn: $E^\circ(Cr^{3+}/Cr) = -0{,}74\ V < E^\circ(Fe^{2+}/Fe) = -0{,}44\ V < E^\circ(Cu^{2+}/Cu) = +0{,}34\ V$. Nhớ quy tắc $E^\circ$ càng âm thì tính khử càng mạnh, ta có thứ tự tính khử giảm dần: $Cr > Fe > Cu$. Tuy nhiên như đã phân tích ở Chương 3, độ bền hoá học THỰC TẾ của crom lại cao hơn dự đoán từ $E^\circ$ đơn thuần, vì lớp oxide $Cr_2O_3$ bảo vệ hình thành cực nhanh trên bề mặt — một ví dụ nhắc lại rằng thế điện cực chuẩn chỉ dự đoán khả năng phản ứng về mặt nhiệt động học, không tính đến các yếu tố động học như lớp màng bảo vệ bề mặt. **So sánh màu sắc — công cụ nhận biết nhanh nhất.** $Fe^{2+}$ trong dung dịch có màu lục nhạt, $Fe^{3+}$ màu vàng nâu; $Fe(OH)_2$ trắng hơi xanh (hoá nâu đỏ ngoài không khí), $Fe(OH)_3$ nâu đỏ. $Cr^{3+}$ có màu lục hoặc tím tuỳ hợp chất, $Cr_2O_7^{2-}$ màu da cam, $CrO_4^{2-}$ màu vàng. $Cu^{2+}$ luôn có màu xanh lam đặc trưng, $Cu(OH)_2$ kết tủa xanh lam. Bảng màu này chính là công cụ đầu tiên và nhanh nhất để nhận biết sơ bộ một dung dịch chứa ion kim loại chuyển tiếp nào, trước khi cần dùng thêm thuốc thử. **Sơ đồ nhận biết bằng thuốc thử.** Với ba dung dịch FeCl₂, FeCl₃, CuSO₄ ở phần khởi động: bước đầu quan sát màu — CuSO₄ có sẵn màu xanh lam đặc trưng, dễ nhận ra ngay không cần thuốc thử; giữa FeCl₂ (lục nhạt, khó phân biệt bằng mắt) và FeCl₃ (vàng nâu, có thể nhận ra nếu tinh mắt), dùng thêm dung dịch NaOH để xác nhận chắc chắn — FeCl₂ cho kết tủa trắng xanh hoá nâu dần, FeCl₃ cho kết tủa nâu đỏ ngay lập tức; hoặc dùng KSCN — chỉ FeCl₃ tạo màu đỏ máu. Cách làm này tận dụng đúng các phản ứng đặc trưng đã học riêng lẻ ở từng chương, ghép lại thành một quy trình nhận biết hoàn chỉnh.

Ví dụ

Hoàn thành sơ đồ nhận biết ba dung dịch mất nhãn

1
Trình bày đầy đủ cách phân biệt ba dung dịch mất nhãn FeCl₂, FeCl₃, CuSO₄ chỉ dùng dung dịch NaOH, kèm phương trình minh hoạ.
2
CuSO₄ có màu xanh lam đặc trưng ngay từ đầu, có thể nhận ra bằng mắt thường không cần thuốc thử — nhưng để chắc chắn và nhất quán, ta vẫn dùng chung một quy trình NaOH cho cả ba lọ.
3
$Fe^{2+} + 2OH^- \to Fe(OH)_2\downarrow$ (trắng xanh, hoá nâu đỏ dần ngoài không khí). $Fe^{3+} + 3OH^- \to Fe(OH)_3\downarrow$ (nâu đỏ ngay lập tức). $Cu^{2+} + 2OH^- \to Cu(OH)_2\downarrow$ (xanh lam, không đổi màu theo thời gian).
$Fe^{2+} + 2OH^- \to Fe(OH)_2\downarrow$ (trắng xanh, hoá nâu đỏ dần ngoài không khí). $Fe^{3+} + 3OH^- \to Fe(OH)_3\downarrow$ (nâu đỏ ngay lập tức). $Cu^{2+} + 2OH^- \to Cu(OH)_2\downarrow$ (xanh lam, không đổi màu theo thời gian).
4
Lọ cho kết tủa trắng xanh hoá nâu dần là FeCl₂; lọ cho kết tủa nâu đỏ ngay là FeCl₃; lọ cho kết tủa xanh lam bền là CuSO₄. Vậy chỉ với một thuốc thử NaOH, cả ba dung dịch đều được phân biệt rõ ràng qua màu kết tủa đặc trưng.

Ví dụ

Bài toán hỗn hợp Fe, Cu tác dụng dung dịch FeCl₃

1
Cho hỗn hợp rắn gồm 5,6 gam Fe và 6,4 gam Cu vào 200 ml dung dịch FeCl₃ 2M. Sau khi phản ứng xảy ra hoàn toàn, xác định chất rắn còn dư (nếu có) và thành phần dung dịch sau phản ứng.
2
Theo dãy điện hoá, kim loại mạnh hơn phản ứng với Fe³⁺ trước. Fe đứng trước Cu nên Fe phản ứng hết trước, sau đó mới đến Cu (nếu Fe³⁺ còn dư): $Fe + 2FeCl_3 \to 3FeCl_2$ , rồi $Cu + 2FeCl_3 \to CuCl_2 + 2FeCl_2$ .
Theo dãy điện hoá, kim loại mạnh hơn phản ứng với Fe³⁺ trước. Fe đứng trước Cu nên Fe phản ứng hết trước, sau đó mới đến Cu (nếu Fe³⁺ còn dư): $Fe + 2FeCl_3 \to 3FeCl_2$, rồi $Cu + 2FeCl_3 \to CuCl_2 + 2FeCl_2$.
3
$n_{Fe} = \dfrac{5{,}6}{56} = 0{,}1\ mol$ ; $n_{Cu} = \dfrac{6{,}4}{64} = 0{,}1\ mol$ ; $n_{FeCl_3} = 0{,}2 \times 2 = 0{,}4\ mol$ . Fe phản ứng hết cần $2 \times 0{,}1 = 0{,}2\ mol\ FeCl_3$ . (1) Số mol FeCl₃ còn lại sau khi Fe phản ứng hết: $0{,}4 - 0{,}2 = 0{,}2\ mol$ . (2)
$n_{Fe} = \dfrac{5{,}6}{56} = 0{,}1\ mol$; $n_{Cu} = \dfrac{6{,}4}{64} = 0{,}1\ mol$; $n_{FeCl_3} = 0{,}2 \times 2 = 0{,}4\ mol$. Fe phản ứng hết cần $2 \times 0{,}1 = 0{,}2\ mol\ FeCl_3$. (1) Số mol FeCl₃ còn lại sau khi Fe phản ứng hết: $0{,}4 - 0{,}2 = 0{,}2\ mol$. (2)
4
Cu phản ứng hết cần $2 \times 0{,}1 = 0{,}2\ mol\ FeCl_3$ — đúng bằng lượng còn lại ở (2). Vậy cả Fe và Cu đều phản ứng vừa đủ, KHÔNG còn chất rắn dư; dung dịch sau phản ứng chỉ chứa $FeCl_2$ và $CuCl_2$ , không còn $FeCl_3$ .
Cu phản ứng hết cần $2 \times 0{,}1 = 0{,}2\ mol\ FeCl_3$ — đúng bằng lượng còn lại ở (2). Vậy cả Fe và Cu đều phản ứng vừa đủ, KHÔNG còn chất rắn dư; dung dịch sau phản ứng chỉ chứa $FeCl_2$ và $CuCl_2$, không còn $FeCl_3$.

Sai lầm thường gặp

Với hỗn hợp Fe và Cu cùng tác dụng FeCl₃, học sinh thường quên mất THỨ TỰ phản ứng — Fe (mạnh hơn) phải phản ứng HẾT trước khi Cu bắt đầu phản ứng với FeCl₃ còn dư. Bỏ qua thứ tự này dễ dẫn đến kết luận sai về việc kim loại nào còn dư trong hỗn hợp.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Ba kim loại chuyển tiếp Fe, Cr, Cu có tính khử giảm dần Cr > Fe > Cu theo E°, nhưng độ bền thực tế của Cr cao hơn nhờ lớp oxide bảo vệ. Màu sắc là công cụ nhận biết nhanh: Fe²⁺ lục nhạt, Fe³⁺ vàng nâu, Cr³⁺ lục/tím, Cr₂O₇²⁻ da cam, CrO₄²⁻ vàng, Cu²⁺ xanh lam. Khi nhiều kim loại cùng phản ứng với một chất oxi hoá, kim loại mạnh hơn luôn phản ứng hết trước.

Bài cuối khoá luyện tập tổng hợp toàn bộ kiến thức Fe, Cr, Cu và phức chất theo đúng ba dạng câu hỏi của đề thi tốt nghiệp THPT 2025 môn Hoá học.