Bài 6. Một số hợp chất của nitrogen với oxygen
Tìm hiểu về các oxit của nitrogen (NO, NO₂, N₂O) và axit nitric (HNO₃).
Lý thuyết Hợp chất của nitrogen với oxygen
1. Các oxit của nitrogen
a) Nitrogen monoxide (NO)
Tính chất vật lý:
- Khí không màu
- Không mùi
- Ít tan trong nước
- Độc
Tính chất hóa học:
1. Tác dụng với O₂:
2NO + O₂ → 2NO₂ (khí nâu đỏ)
Hiện tượng: Khí không màu hóa nâu đỏ trong không khí
2. Tác dụng với nước (có O₂):
4NO + 3O₂ + 2H₂O → 4HNO₃
b) Nitrogen dioxide (NO₂)
Tính chất vật lý:
- Khí màu nâu đỏ
- Mùi hắc, độc
- Tan trong nước
Tính chất hóa học:
1. Tác dụng với nước:
4NO₂ + O₂ + 2H₂O → 4HNO₃
Hoặc: 2NO₂ + H₂O → HNO₃ + HNO₂
2. Tác dụng với bazơ:
2NO₂ + 2NaOH → NaNO₃ + NaNO₂ + H₂O
c) Dinitrogen oxide (N₂O)
Tính chất:
- Khí không màu
- Mùi thơm nhẹ, ngọt
- Gây mê (khí cười)
- Ít tan trong nước
Ứng dụng: Gây mê trong y học
d) Tác hại của oxit nitrogen
- Ô nhiễm không khí: NO₂ gây mưa axit
- Sức khỏe: Gây bệnh hô hấp, kích ứng mắt
- Môi trường: Phá hủy tầng ozon
- Nguồn: Khí thải xe cộ, nhà máy
2. Axit nitric (HNO₃)
a) Tính chất vật lý
- Chất lỏng không màu
- Nặng hơn nước (d = 1.52)
- Tan vô hạn trong nước, tỏa nhiệt
- Dễ bay hơi
- Để lâu trong ánh sáng bị phân hủy → Vàng (do NO₂)
b) Tính chất hóa học
1. Tính axit mạnh:
HNO₃ → H⁺ + NO₃⁻
a) Tác dụng với bazơ:
HNO₃ + NaOH → NaNO₃ + H₂O
2HNO₃ + Ca(OH)₂ → Ca(NO₃)₂ + 2H₂O
b) Tác dụng với oxit bazơ:
2HNO₃ + CuO → Cu(NO₃)₂ + H₂O
c) Tác dụng với muối:
2HNO₃ + CaCO₃ → Ca(NO₃)₂ + H₂O + CO₂↑
2. Tính oxi hóa mạnh:
a) Tác dụng với kim loại:
Kim loại trước H (trừ Al, Fe với HNO₃ đặc, nguội):
HNO₃ loãng: Sản phẩm khử chủ yếu là NO
3Cu + 8HNO₃(loãng) → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O
HNO₃ đặc: Sản phẩm khử chủ yếu là NO₂
Cu + 4HNO₃(đặc) → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O
Kim loại hoạt động mạnh (Mg, Al, Zn) với HNO₃ rất loãng:
4Mg + 10HNO₃(rất loãng) → 4Mg(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O
Hoặc: 8Al + 30HNO₃(rất loãng) → 8Al(NO₃)₃ + 3N₂↑ + 15H₂O
Lưu ý:
- Al, Fe thụ động hóa với HNO₃ đặc, nguội
- Au, Pt không tan trong HNO₃, chỉ tan trong nước cường toan (HNO₃ + 3HCl)
b) Tác dụng với phi kim:
S + 6HNO₃(đặc) → H₂SO₄ + 6NO₂ + 2H₂O
P + 5HNO₃(đặc) → H₃PO₄ + 5NO₂ + H₂O
C + 4HNO₃(đặc) → CO₂ + 4NO₂ + 2H₂O
c) Tác dụng với hợp chất:
3FeO + 10HNO₃(loãng) → 3Fe(NO₃)₃ + NO↑ + 5H₂O
FeS + 12HNO₃(đặc) → Fe(NO₃)₃ + H₂SO₄ + 9NO₂ + 5H₂O
3. Muối nitrate
a) Tính chất chung
- Muối của axit mạnh
- Tan nhiều trong nước
- Dễ bị nhiệt phân
b) Nhiệt phân muối nitrate
1. Muối nitrate của kim loại hoạt động mạnh (trước Mg):
2NaNO₃ → 2NaNO₂ + O₂↑
2KNO₃ → 2KNO₂ + O₂↑
2. Muối nitrate của kim loại từ Mg đến Cu:
2Cu(NO₃)₂ → 2CuO + 4NO₂↑ + O₂↑
2Pb(NO₃)₂ → 2PbO + 4NO₂↑ + O₂↑
3. Muối nitrate của kim loại sau Cu (Ag, Hg):
2AgNO₃ → 2Ag + 2NO₂↑ + O₂↑
c) Nhận biết ion NO₃⁻
Phương pháp:
- Cho Cu và H₂SO₄ loãng vào dung dịch chứa NO₃⁻
- Đun nóng nhẹ
- Có khí không màu (NO) thoát ra, hóa nâu trong không khí
3Cu + 8H⁺ + 2NO₃⁻ → 3Cu²⁺ + 2NO↑ + 4H₂O
4. Điều chế và ứng dụng HNO₃
a) Điều chế HNO₃
1. Trong phòng thí nghiệm:
NaNO₃ + H₂SO₄(đặc) → NaHSO₄ + HNO₃↑
Điều kiện: Đun nóng nhẹ (< 150°C)
2. Trong công nghiệp (phương pháp Ostwald):
Giai đoạn 1: Oxi hóa NH₃
4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O (xúc tác Pt, t° = 800-900°C)
Giai đoạn 2: Oxi hóa NO
2NO + O₂ → 2NO₂
Giai đoạn 3: Hấp thụ NO₂
4NO₂ + O₂ + 2H₂O → 4HNO₃
b) Ứng dụng của HNO₃
1. Sản xuất phân bón:
- NH₄NO₃ (ammonium nitrate)
- Ca(NO₃)₂ (calcium nitrate)
- KNO₃ (potassium nitrate)
2. Sản xuất thuốc nổ:
- TNT (trinitrotoluene)
- Nitroglycerin
- Thuốc súng không khói
3. Công nghiệp:
- Sản xuất chất màu, dược phẩm
- Sản xuất tơ nhân tạo
- Chế biến kim loại
4. Phòng thí nghiệm:
- Hóa chất phân tích
- Chất oxi hóa mạnh
c) An toàn khi sử dụng HNO₃
- Đeo găng tay, kính bảo hộ
- Làm việc trong tủ hút
- Tránh tiếp xúc với da, mắt
- Bảo quản nơi tối, mát
- Không để gần chất dễ cháy
Các dạng bài tập
Dạng 1: Dạng 1: Tính chất của HNO₃ với kim loại
Phương pháp giải:
Phương pháp:
- Xác định nồng độ HNO₃ (loãng hay đặc)
- Xác định sản phẩm khử (NO, NO₂, N₂, NH₄⁺)
- Viết phương trình và tính toán
Ví dụ:
Tính số mol Cu:
n(Cu) = 19.2 / 64 = 0.3 mol
a) Với HNO₃ loãng:
3Cu + 8HNO₃(loãng) → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O
n(NO) = 2/3 × n(Cu) = 2/3 × 0.3 = 0.2 mol
V(NO) = 0.2 × 22.4 = 4.48 lít
b) Với HNO₃ đặc:
Cu + 4HNO₃(đặc) → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O
n(NO₂) = 2 × n(Cu) = 2 × 0.3 = 0.6 mol
V(NO₂) = 0.6 × 22.4 = 13.44 lít
Đáp án: a) 4.48 lít NO; b) 13.44 lít NO₂
Dạng 2: Dạng 2: Bài toán hỗn hợp khí
Phương pháp giải:
Phương pháp:
- Xác định các khí trong hỗn hợp
- Viết phương trình phản ứng
- Lập hệ phương trình và giải
Ví dụ:
a) Tính thể tích mỗi khí:
Bước 1: Tính số mol Cu
n(Cu) = 12.8 / 64 = 0.2 mol
Bước 2: Gọi số mol
Gọi n(NO) = x mol, n(NO₂) = y mol
Bước 3: Lập phương trình
Phương trình 1 (bảo toàn electron):
Cu → Cu²⁺ + 2e: 0.2 × 2 = 0.4 mol e
N⁺⁵ + 3e → N⁺² (NO): 3x mol e
N⁺⁵ + 1e → N⁺⁴ (NO₂): y mol e
→ 3x + y = 0.4 ... (1)
Phương trình 2 (khối lượng mol trung bình):
M(hỗn hợp) = 19 × 2 = 38 g/mol
(30x + 46y) / (x + y) = 38
30x + 46y = 38x + 38y
8y = 8x
→ x = y ... (2)
Bước 4: Giải hệ
Từ (1) và (2): 3x + x = 0.4 → x = 0.1 mol
y = 0.1 mol
Bước 5: Tính thể tích
V(NO) = 0.1 × 22.4 = 2.24 lít
V(NO₂) = 0.1 × 22.4 = 2.24 lít
b) Tính khối lượng HNO₃:
Bảo toàn nguyên tố N:
n(HNO₃) = n(NO₃⁻ trong muối) + n(NO) + n(NO₂)
n(Cu²⁺) = 0.2 mol → n(NO₃⁻) = 2 × 0.2 = 0.4 mol
n(HNO₃) = 0.4 + 0.1 + 0.1 = 0.6 mol
m(HNO₃) = 0.6 × 63 = 37.8 g
Đáp án: a) 2.24 lít NO và 2.24 lít NO₂; b) 37.8 g
Dạng 3: Dạng 3: Bài toán thực tế về ô nhiễm không khí
Phương pháp giải:
Phương pháp:
- Phân tích nguồn gây ô nhiễm
- Tính toán lượng chất thải
- Đề xuất biện pháp xử lý
Ví dụ:
a) Tính khối lượng than:
Bước 1: Tính số mol NO₂
m(NO₂) = 1000 tấn = 10⁶ kg = 10⁹ g
M(NO₂) = 46 g/mol
n(NO₂) = 10⁹ / 46 ≈ 2.17×10⁷ mol
Bước 2: Tính khối lượng N
n(N) = n(NO₂) = 2.17×10⁷ mol
m(N) = 2.17×10⁷ × 14 ≈ 3.04×10⁸ g = 304 tấn
Bước 3: Tính khối lượng than
Than chứa 2% N
m(than) = 304 / 0.02 = 15200 tấn
b) Tính thể tích NO₂:
V(NO₂) = 2.17×10⁷ × 22.4 ≈ 4.86×10⁸ lít
= 486000 m³
c) Tác hại và biện pháp:
Tác hại của NO₂:
1. Đối với sức khỏe:
- Hệ hô hấp: Kích ứng phổi, gây viêm phế quản, hen suyễn
- Mắt: Kích ứng, đỏ mắt, chảy nước mắt
- Da: Gây kích ứng, bỏng hóa học
- Nguy hiểm: Nồng độ cao có thể gây tử vong
2. Đối với môi trường:
- Mưa axit: 4NO₂ + O₂ + 2H₂O → 4HNO₃
- Làm axit hóa đất, nước
- Phá hủy rừng, cây trồng
- Ăn mòn công trình, di tích
3. Ô nhiễm không khí:
- Tạo sương khói quang hóa (smog)
- Giảm tầm nhìn
- Phá hủy tầng ozon
Biện pháp xử lý khí thải NO₂:
1. Phương pháp hấp thụ bằng kiềm:
2NO₂ + 2NaOH → NaNO₃ + NaNO₂ + H₂O
Ưu điểm:
- Hiệu quả cao (> 95%)
- Chi phí thấp
- Dễ vận hành
Nhược điểm:
- Tạo nước thải chứa muối nitrate
- Cần xử lý nước thải sau
2. Phương pháp khử xúc tác (SCR - Selective Catalytic Reduction):
4NO₂ + 4NH₃ + O₂ → 4N₂ + 6H₂O (xúc tác V₂O₅, t° = 300-400°C)
Ưu điểm:
- Hiệu quả rất cao (> 90%)
- Sản phẩm vô hại (N₂, H₂O)
- Không tạo chất thải phụ
Nhược điểm:
- Chi phí đầu tư cao
- Cần NH₃ (tốn kém)
- Cần nhiệt độ cao
3. Phương pháp hấp phụ:
Dùng than hoạt tính hấp phụ NO₂
Ưu điểm:
- Đơn giản, dễ vận hành
- Không cần hóa chất
Nhược điểm:
- Hiệu quả thấp (60-70%)
- Cần thay than thường xuyên
4. Biện pháp phòng ngừa:
- Giảm phát thải: Sử dụng than sạch (ít N), đốt ở nhiệt độ thấp hơn
- Năng lượng sạch: Chuyển sang khí tự nhiên, năng lượng tái tạo
- Công nghệ mới: Lò đốt hiện đại, kiểm soát nhiệt độ
- Giám sát: Lắp thiết bị đo liên tục, cảnh báo vượt ngưỡng
Kết luận:
- Nhà máy đốt 15200 tấn than, thải 486000 m³ NO₂
- NO₂ gây hại nghiêm trọng cho sức khỏe và môi trường
- Cần áp dụng công nghệ xử lý khí thải (SCR là tốt nhất)
- Kết hợp biện pháp phòng ngừa để giảm phát thải từ nguồn