Phương trình phản ứng hóa học: Fe3O4 + CO → FeO + CO2

1. Tính chất của từng thành phần trong phản ứng Fe3O4 + CO → FeO + CO2:

Phương trình hóa học: Fe3O4 + CO → 3FeO + CO2↑

1.1.Tính chất của Fe3O4:

– Fe3O4 có tên gọi là  Sắt oxide hay Oxide Sắt từ. Sắt oxide tồn tại dưới dạng chất rắn, có sắc thái màu đen dạng bột trong môi trường phòng thí nghiệm. Trong môi trường tự nhiên, oxide sắt từ phát hiện nhiều trong quặng mahetit, là thành phần chính của quặng Manhetit. Sắt oxide có từ tính và không tan trong nước. Mang trong mình số oxi hóa trung gian nên Fe3O4 có tính khử và tính oxi hóa. Fe3O4  có tính oxide bazo nên tác dụng với dung dịch axit như HCl, H2SO4 loãng tạo ra hỗn hợp muối sắt (II) và sắt (III). Nhờ có số oxi hóa trung gian nên Sắt oxide có tính khử và trở thành chất khử khi tác dụng với các chất có tính oxi hóa mạnh như tác dụng với HNO3 sẽ tạo ra Fe(NO3)3. Tính oxi hóa của Fe3O4 thể hiện khi chất này tác dụng với một số chất khử mạnh ở nhiệt độ cao như H2, CO, Al để tạo ra nguyên tố Fe.

Oxide sắt từ được tìm thấy rất nhiều trong tự nhiên dưới dạng là thành phần chính của quặng Manhetit, loại quặng này chứa hàm lượng sắt cao nên được sử dụng trong ngành công nghiệp gang thép để luyện gang thép. Bên cạnh đó Fe3O4 dạng hạt nano được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực y sinh, khoa học kỹ thuật và môi trường. Với lợi thế không độc hại cho tế bào, độ bão hòa từ cao, có khả năng phân hủy sinh học Fe3O4 dạng hạt nano đã được ứng dụng để tách chiết tế bào, phân phối thuốc hướng đích, chụp cộng hưởng từ MRI.

1.2. Tính chất của CO:

– CO  biết đến với tên gọi là Cacbon monoxide, đây là hợp chất giữa Cacbon và Oxy. Cacbon oxide tồn tại ở dạng chất khí, không màu, không mùi, trọng lượng nhẹ hơn không khí, là một chất rất độc và ít tan trong nước. Hợp chất Cacbon Monoxide là hợp chất có tính oxide trung tính nên thường không phản ứng với nước, oxide bazơ ở điều kiện thường. Bên cạnh đó, Cacbon Monoxide còn là một chất khử, có thể khử được với nhiều oxide kim loại ở nhiệt độ cao như Fe3O4, CuO để tạo ra kim loại nguyên chất và khí CO. Cacbon monoxide được biết đến ngoài đời là một dạng chất độc bởi một trong những trường hợp gây tử vong phổ biến là ngộ độc khí CO do hít phải. Các nguồn gây độc CO phổ biến trong các vụ ngộ độc bao gồm các vụ cháy nhà và xả khí ô tô không phù hợp, khí đốt, lò nung, bình đun nước nóng, bếp lò đốt bằng gỗ hoặc than và đốt dầu hỏa.

CO được sản xuất khi khí tự nhiên (metan hoặc propan) cháy. Hít phải khói thuốc lá gây ra CO trong máu nhưng không đủ để gây ngộ độc. Tùy vào từng nồng độ CO mà bị ngộ độc carbon monoxide (CO) hít phải có thể gây ra các triệu chứng cấp tính như nhức đầu, buồn nôn, yếu, đau thắt ngực, khó thở, mất ý thức, co giật và hôn mê. Các triệu chứng tâm thần thần kinh có thể phát triển vài tuần sau đó. Có thể chẩn đoán việc ngộ độc khí CO dựa vào nồng độ carboxyhemoglobin và khí máu động mạch, bao gồm cả đo độ bão hòa oxy. Điều trị ngộ độc CO bằng cách bổ sung oxy. Thường có thể ngăn ngừa được bằng các dụng cụ phát hiện CO tại nhà.

1.3. Tính chất của FeO:

– FeO có tên gọi là Sắt(II) oxide, tồn tại dưới dạng chất rắn màu đen, không có trong tự nhiên. Sắt(II) oxit có thể điều chế bằng cách dùng H2 hay CO khử sắt(III) oxit ở 500°C. Sắt(II) oxide là một hợp chất có tính bazơ, nên khi tác dụng với axit như HCl, sẽ tạo ra một chất rắn mang màu lục nhạt. Sắt(II) oxide còn thể hiện tính oxi hóa của mình khi tác dụng với nhiều chất khử như C, CO, H2, Al để tạo ra Fe nguyên chất.

Bên cạnh đó, FeO cũng đóng vai trò là một chất khử khi có thể tác dụng với các chất oxi hóa mạnh như dung dịch HNO3 để tạo ra muối sắt(III).  Trong ngành công nghiệp luyện sắt, hợp chất FeO được sử dụng làm thành phần quan trọng sản xuất ra sắt qua việc để FeO tác dụng với chất khử mạnh. FeO trong ngành sản xuất vật liệu gốm có thể được hình thành bởi phản ứng khử sắt(III) oxit trong lò nung. Khi sắt ba đã bị khử thành sắt hai trong men thì rất khó oxy hoá trở lại. Hầu hết các loại men sẽ có độ hoà tan sắt hai khi nung chảy cao hơn khi ở trạng thái rắn do đó sẽ có sắt oxit kết tinh trong men khi làm nguội, môi trường oxy hoá hay khử.

1.4. Tính chất của CO2: 

– CO2 có tên gọi là Cacbon dioxide hay khí Cacbonic. Đây là một hợp chất hóa học ở dạng khí có trong khí quyển Trái đất ở điều kiện bình thường. Carbon dioxide bao gồm một nguyên tử carbon và hai nguyên tử oxy. Khi ở thể rắn, carbon dioxide còn được gọi là đá khô hay đá khô. CO2 tồn tại dưới dạng chất khí không màu, không mùi, nặng hơn không khí. Khí CO2 hòa tan trong nước bọt nên khi hít phải carbon dioxide ở nồng độ cao sẽ tạo ra vị chua trong miệng và cảm giác châm chích ở mũi và cổ họng. Những hiệu ứng này xảy ra do khí hòa tan trong nước bọt, tạo ra dung dịch axit cacbonic yếu. Khí cacbonic có thể bị phân hủy ở nhiệt độ cao 2000 độ C, tạo thành CO và O2. Cacbon dioxide được hình thành dưới dạng chất rắn khi làm lạnh đột ngột (nhiệt độ dưới -78 °C).

Sau đó, chúng ngưng tụ thành các tinh thể màu trắng được gọi là băng khô. Đá khô sẽ thăng hoa mà không tan chảy thành CO2 lỏng dưới áp suất thường.Vì là hợp chất bị oxi hóa hoàn toàn nên nó không cháy . Khí cacbonic tan trong nước tạo thành axit cacbonic (là một axit rất yếu). Cacbon dioxide phản ứng với dung dịch bazơ có thể tạo ra muối trung hòa, muối axit hoặc hỗn hợp hai muối tùy vào tỉ lệ giữa các hợp chất. CO2 có tính chất hóa học đặc trưng của một oxit axit vì nó phản ứng với một oxit bazơ tạo thành muối.

– Với những đặc tính vật lý và tính chất hóa học của mình, khí cacbonic là hợp chất hóa học ngày nay được ứng dụng rộng rãi trong đời sống con người và trong nhiều ngành quan trọng như: Công nghiệp ứng dụng CO2 làm áo phao hay làm ống trong súng hơi, trong bơm xe đạp. Ống thép carbon nén cũng được bán để cung cấp khí nén cho súng hơi, bơm lốp xe đạp và nước khoáng.Trong nhiều loại bình chữa cháy hiện nay có chứa khí CO2 lỏng – carbon dioxide còn có vai trò dập tắt các đám cháy do chập cháy, chập điện. Trong ngành Y dược, CO2 là một dung môi tốt cho nhiều hợp chất hữu cơ, là chất thay thế ít độc hại hơn so với các dung môi truyền thống như clorua hữu cơ và được sử dụng để loại bỏ caffein khỏi cà phê. Bên cạnh đó, carbon dioxide là nguyên liệu chính cho quá trình quang hợp nên nó được bơm vào nhà kính để kích thích sự phát triển của thực vật .

Ngoài ra CO2 còn được dùng để diệt nhiều loại giun với nồng độ cao.Trong đời sống, khí cacbonic ở dạng đá khô (hay còn gọi là đá khói) được dùng để tạo hiệu ứng sương mù, xuất hiện nhiều trong các sự kiện: Đám cưới, game show,…Với ngành nước giải khát, CO2 được sử dụng để tạo gas cho nhiều loại nước uống có gas phổ biến như coca, pepsi, 7up, v.v. Tuy có nhều ứng dụng nhưng nếu tiếp xúc hoặc hít phải CO2 ở nồng độ cao sẽ làm giảm nồng độ oxy trong không khí , gây ra những ảnh hưởng nguy hiểm đến sức khỏe con người như mệt mỏi, khó thở, kích thích thần kinh, tăng nhịp tim và nhiều rối loạn khác. Khi lượng CO2 trong không khí quá cao – tuy không phải là hiện tượng hít phải khí độc nhưng lại gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe, thậm chí có thể gây tử vong cho con người. Ngoài ra, khi da tiếp xúc trực tiếp với khí carbon dioxide đông lạnh (đá khô) sẽ gây ra hiện tượng “bỏng lạnh” – làm tê liệt các bộ phận trên cơ thể.

Vậy khi phát hiện người bị ngộ độc khí CO2 thì cần phải có nhngữ phương pháp sơ cứu ban đầu như CO2 nặng hơn không khí nên di chuyển nạn nhân ngộ độc CO2 lên cao. (Lưu ý chỉ nên thực hiện việc này khi môi trường không gây nguy hiểm cho người sơ cứu và chỉ những người sơ cứu được đào tạo, huấn luyện chuyên nghiệp mới được tiến hành sơ cứu thở oxy cho người bị ngộ độc khí CO2). Nếu có yếu tố nguy hiểm đến tính mạng người bệnh, cần gọi cấp cứu để được giúp đỡ kịp thời.

2. Điều kiện xảy ra phản ứng Fe3O4 + CO → FeO + CO2:

2.1. Cơ chế hoạt động của các chất tham gia phản ứng Fe3O4 + CO → FeO + CO2:

– Bản chất của Fe3O4 (Oxit sắt từ). Trong phản ứng trên Fe3O4 là chất oxi hoá. Fe3O4 là chất oxi hóa khi tác dụng với các chất khử mạnh ở nhiệt độ cao như: H2, CO, Al, …Fe3O4 tính năng với dung dịch axit như HCl, H2SO4 loãng → hỗn hợp muối sắt ( II ) và sắt ( III )

– Bản chất của CO (Cacbon oxit).  Trong phản ứng trên CO là chất khử. CO khử oxit của các kim loại đứng sau Al trong dãy hoạt động hoá học của kim loại với điều kiện nhiệt độ cao.

2.2. Điều kiện để phản ứng Fe3O4 + CO → FeO + CO2 hoạt động:

– Để Fe3O4 phản ứng với CO thì cho Fe3O4 tác dụng với khí CO ở nhiệt độ cao, cụ thể là ở nhiệt độ: 500 – 600 độ C. Khi đó, phản ứng sẽ tạo ra hợp chất Sắt(II) Oxide (FeO) và phản ứng có  hiện tượng thoát khí CO2.

– Đây cũng là một trong các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình luyện quặng thành gang.

3. Bài tập vận dụng liên quan và hướng dẫn lời giải:

Câu 1. Trong lò cao, sắt oxit có thể bị khử theo 3 phản ứng:

3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2 (1)

Fe3O4 + CO → 3FeO + CO2 (2)

FeO + CO → Fe + CO2 (3)

Ở nhiệt độ khoảng 700- 800oC, thì có thể xảy ra phản ứng

A. (1).

B. (2).

C. (3).

D. cả (1), (2) và (3).

Đáp án: C.

Câu 2. Trong hỗn hợp gồm Al, Fe hoà tan m gam vào dung dịch H2SO4 loãng (dư). Sau khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn, thu được dung dịch X. Cho dung dịch Ba(OH)2 (dư) vào dung dịch X, thu được kết tủa Y. Nung Y trong không khí đến khối lượng không đổi, thu được chất rắn Z là:

A. hỗn hợp gồm Al2O3 và Fe2O3

B. hỗn hợp gồm BaSO4 và Fe2O3

C. hỗn hợp gồm BaSO4 và FeO

D. Fe2O3

Đáp án: B.

Câu 5. Thổi khí CO vào lò luyện thép phản ứng hóa học không xảy ra là:

A. O2 + Fe → 2FeO

B. C + O2 → CO2

C. FeO+ CO → Fe + CO2

D. FeO + Mn → Fe + MnO

Đáp án: A.