Bài 9. Ôn tập chương 2
Tổng hợp và ôn tập kiến thức về nitrogen, sulfur và các hợp chất của chúng.
Tổng hợp kiến thức Chương 2: Nitrogen - Sulfur
1. So sánh Nitrogen và Sulfur
Bảng so sánh
| Đặc điểm | Nitrogen (N) | Sulfur (S) |
|---|---|---|
| Vị trí | Chu kì 2, nhóm VA | Chu kì 3, nhóm VIA |
| Cấu hình | 1s² 2s² 2p³ | [Ne] 3s² 3p⁴ |
| Trạng thái | Khí không màu | Rắn màu vàng |
| Số oxi hóa | -3, 0, +1, +2, +3, +4, +5 | -2, 0, +4, +6 |
| Tính trơ | Rất trơ (liên kết ba) | Hoạt động hơn |
| Ứng dụng chính | Sản xuất NH₃, HNO₃ | Sản xuất H₂SO₄ |
2. Tổng hợp hợp chất của Nitrogen
a) Ammonia (NH₃)
- Tính chất: Khí không màu, mùi khai, tan nhiều trong nước
- Tính bazơ yếu: NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻
- Tính khử: 2NH₃ + 3CuO → 3Cu + N₂ + 3H₂O
- Điều chế: N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ (t°, P, Fe)
- Ứng dụng: Phân bón, sản xuất HNO₃
b) Muối ammonium (NH₄⁺)
- Nhận biết: Đun với NaOH, có khí NH₃ mùi khai
- Nhiệt phân: NH₄Cl → NH₃ + HCl; NH₄NO₃ → N₂O + 2H₂O
- Ứng dụng: Phân bón (NH₄NO₃, (NH₄)₂SO₄)
c) Oxit nitrogen
- NO: Khí không màu, hóa nâu trong không khí (tạo NO₂)
- NO₂: Khí nâu đỏ, mùi hắc, độc, gây mưa axit
- N₂O: Khí cười, dùng gây mê
d) Axit nitric (HNO₃)
- Tính axit mạnh: HNO₃ + NaOH → NaNO₃ + H₂O
- Tính oxi hóa:
- HNO₃ loãng + Cu → Cu(NO₃)₂ + NO + H₂O
- HNO₃ đặc + Cu → Cu(NO₃)₂ + NO₂ + H₂O
- Thụ động: Al, Fe với HNO₃ đặc, nguội
- Điều chế: NH₃ → NO → NO₂ → HNO₃ (phương pháp Ostwald)
- Ứng dụng: Phân bón, thuốc nổ
3. Tổng hợp hợp chất của Sulfur
a) Hydrogen sulfide (H₂S)
- Tính chất: Khí không màu, mùi trứng thối, rất độc
- Tính axit yếu: H₂S + 2NaOH → Na₂S + 2H₂O
- Tính khử mạnh: H₂S + Br₂ → 2HBr + S
- Nhận biết: Làm đen giấy tẩm Pb(CH₃COO)₂
b) Sulfur dioxide (SO₂)
- Tính chất: Khí không màu, mùi hắc, độc
- Tính axit: SO₂ + 2NaOH → Na₂SO₃ + H₂O
- Tính oxi hóa: SO₂ + 2H₂S → 3S + 2H₂O
- Tính khử: SO₂ + Br₂ + 2H₂O → H₂SO₄ + 2HBr
- Tính tẩy màu: Làm mất màu nhiều chất màu hữu cơ
- Điều chế: S + O₂ → SO₂; Na₂SO₃ + H₂SO₄ → Na₂SO₄ + SO₂ + H₂O
- Ứng dụng: Sản xuất H₂SO₄, tẩy trắng, bảo quản
c) Axit sulfuric (H₂SO₄)
H₂SO₄ loãng:
- Tính axit mạnh: H₂SO₄ + 2NaOH → Na₂SO₄ + 2H₂O
- Tác dụng kim loại: H₂SO₄ + Zn → ZnSO₄ + H₂
H₂SO₄ đặc:
- Tính oxi hóa mạnh: Cu + 2H₂SO₄(đặc) → CuSO₄ + SO₂ + 2H₂O
- Tính háo nước: Làm khô khí, làm đen đường/giấy
- Thụ động: Al, Fe với H₂SO₄ đặc, nguội
Điều chế: S → SO₂ → SO₃ → H₂SO₄ (phương pháp tiếp xúc)
Ứng dụng: Phân bón, lọc dầu, ắc quy
d) Muối sulfate
- Nhận biết SO₄²⁻: Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓ (trắng, không tan axit)
- Muối quan trọng: CuSO₄.5H₂O, FeSO₄.7H₂O, (NH₄)₂SO₄, BaSO₄
4. Bảng công thức và phản ứng quan trọng
Các phản ứng cần nhớ
| Chất | Phản ứng quan trọng |
|---|---|
| N₂ | N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ N₂ + O₂ ⇌ 2NO |
| NH₃ | NH₃ + HCl → NH₄Cl 2NH₃ + 3CuO → 3Cu + N₂ + 3H₂O 4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O (Pt) |
| NO | 2NO + O₂ → 2NO₂ |
| NO₂ | 4NO₂ + O₂ + 2H₂O → 4HNO₃ |
| HNO₃ loãng | 3Cu + 8HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O |
| HNO₃ đặc | Cu + 4HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O |
| S | S + O₂ → SO₂ S + Fe → FeS S + 6HNO₃(đặc) → H₂SO₄ + 6NO₂ + 2H₂O |
| H₂S | H₂S + Br₂ → 2HBr + S H₂S + Pb²⁺ → PbS↓ + 2H⁺ |
| SO₂ | SO₂ + 2H₂S → 3S + 2H₂O SO₂ + Br₂ + 2H₂O → H₂SO₄ + 2HBr 2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃ (V₂O₅) |
| H₂SO₄ loãng | H₂SO₄ + Zn → ZnSO₄ + H₂ |
| H₂SO₄ đặc | Cu + 2H₂SO₄ → CuSO₄ + SO₂ + 2H₂O C + 2H₂SO₄ → CO₂ + 2SO₂ + 2H₂O |
Nhận biết ion
- NH₄⁺: Đun với NaOH → NH₃ (mùi khai)
- NO₃⁻: Cu + H₂SO₄ + NO₃⁻ → NO (không màu, hóa nâu)
- SO₄²⁻: Ba²⁺ → BaSO₄↓ (trắng, không tan axit)
Các dạng bài tập
Dạng 1: Dạng 1: Bài toán tổng hợp về nitrogen
Phương pháp giải:
Phương pháp:
- Xác định vai trò của hợp chất nitrogen
- Viết phương trình phản ứng
- Tính toán theo chuỗi phản ứng
Ví dụ:
a) Các phương trình:
(1) N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃
(2) 4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O (Pt, t°)
(3) 2NO + O₂ → 2NO₂
(4) 4NO₂ + O₂ + 2H₂O → 4HNO₃
b) Tính khối lượng HNO₃:
Bước 1: Tính số mol N₂
n(N₂) = 28 / 28 = 1 mol
Bước 2: Tính theo lý thuyết
Từ (1): n(NH₃) = 2 × n(N₂) = 2 mol
Từ (2): n(NO) = n(NH₃) = 2 mol
Từ (3): n(NO₂) = n(NO) = 2 mol
Từ (4): n(HNO₃) = n(NO₂) = 2 mol
Bước 3: Tính theo hiệu suất
Hiệu suất toàn bộ = 0.8⁴ = 0.4096 ≈ 41%
n(HNO₃) thực tế = 2 × 0.4096 = 0.8192 mol
m(HNO₃) = 0.8192 × 63 ≈ 51.6 g
Đáp án: 51.6 g
Dạng 2: Dạng 2: Bài toán tổng hợp về sulfur
Phương pháp giải:
Phương pháp:
- Xác định chuỗi phản ứng S → SO₂ → SO₃ → H₂SO₄
- Tính toán theo hiệu suất từng giai đoạn
Ví dụ:
a) Các phương trình:
(1) S + O₂ → SO₂
(2) 2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃ (V₂O₅, 400-500°C)
(3) SO₃ + H₂O → H₂SO₄
b) Tính khối lượng H₂SO₄ 98%:
Bước 1: Tính số mol S
n(S) = 32 / 32 = 1 mol
Bước 2: Tính theo lý thuyết
Từ các phương trình: 1 mol S → 1 mol H₂SO₄
n(H₂SO₄) lý thuyết = 1 mol
Bước 3: Tính theo hiệu suất
n(H₂SO₄) thực tế = 1 × 0.75 = 0.75 mol
m(H₂SO₄ nguyên chất) = 0.75 × 98 = 73.5 g
Bước 4: Tính khối lượng dung dịch 98%
m(dung dịch) = 73.5 / 0.98 = 75 g
Đáp án: 75 g dung dịch H₂SO₄ 98%
Dạng 3: Dạng 3: Bài toán tổng hợp thực tế
Phương pháp giải:
Phương pháp:
- Kết hợp kiến thức về N và S
- Phân tích tình huống thực tế
- Đề xuất giải pháp tổng hợp
Ví dụ:
a) Tính lượng nguyên liệu:
1. Tính lượng N₂ cho NH₄NO₃:
M(NH₄NO₃) = 80 g/mol
n(NH₄NO₃) = 100000000 / 80 = 1.25×10⁶ mol
Có 2 nguyên tử N trong NH₄NO₃
n(N) = 2 × 1.25×10⁶ = 2.5×10⁶ mol
Sản xuất NH₄NO₃: N₂ → NH₃ → HNO₃ → NH₄NO₃
n(N₂) lý thuyết = n(N) / 2 = 1.25×10⁶ mol
n(N₂) thực tế = 1.25×10⁶ / 0.8 = 1.5625×10⁶ mol
m(N₂) = 1.5625×10⁶ × 28 = 43.75×10⁶ g = 43.75 tấn
2. Tính lượng S cho H₂SO₄:
m(H₂SO₄) cần = 200 × 0.5 = 100 tấn
n(H₂SO₄) = 100000000 / 98 ≈ 1.02×10⁶ mol
S → SO₂ → SO₃ → H₂SO₄
n(S) lý thuyết = n(H₂SO₄) = 1.02×10⁶ mol
n(S) thực tế = 1.02×10⁶ / 0.8 = 1.275×10⁶ mol
m(S) = 1.275×10⁶ × 32 = 40.8×10⁶ g = 40.8 tấn
b) So sánh khí thải:
1. Khí thải NO₂ từ sản xuất HNO₃:
Giả sử 5% NH₃ không chuyển hết thành HNO₃
n(NO₂) thất thoát ≈ 0.05 × 1.25×10⁶ = 6.25×10⁴ mol
V(NO₂) = 6.25×10⁴ × 22.4 = 1.4×10⁶ lít = 1400 m³
2. Khí thải SO₂ từ sản xuất H₂SO₄:
Giả sử 2% SO₂ không chuyển hết thành SO₃
n(SO₂) thất thoát ≈ 0.02 × 1.02×10⁶ = 2.04×10⁴ mol
V(SO₂) = 2.04×10⁴ × 22.4 = 4.57×10⁵ lít = 457 m³
So sánh:
- NO₂: 1400 m³/ngày
- SO₂: 457 m³/ngày
- NO₂ nhiều gấp 3 lần SO₂
c) Biện pháp xử lý khí thải tổng hợp:
1. Xử lý NO₂:
a) Thu hồi NO₂:
- Dẫn NO₂ quay lại tháp hấp thụ
- 4NO₂ + O₂ + 2H₂O → 4HNO₃
- Tăng hiệu suất, giảm thải
b) Khử xúc tác (SCR):
4NO₂ + 4NH₃ + O₂ → 4N₂ + 6H₂O (V₂O₅, 300-400°C)
- Hiệu quả > 90%
- Sản phẩm vô hại (N₂, H₂O)
- Có thể dùng NH₃ dư từ quy trình
2. Xử lý SO₂:
a) Thu hồi SO₂:
- Dẫn SO₂ quay lại lò oxi hóa
- 2SO₂ + O₂ → 2SO₃
- Tăng hiệu suất H₂SO₄
b) Hấp thụ bằng kiềm:
SO₂ + Ca(OH)₂ → CaSO₃ + H₂O
- Hiệu quả 90-95%
- CaSO₃ có thể dùng làm phân bón
3. Xử lý đồng thời (Integrated system):
a) Hệ thống tích hợp:
- Lắp thiết bị xử lý chung cho cả NO₂ và SO₂
- Tiết kiệm chi phí, diện tích
b) Sử dụng chéo sản phẩm:
- NH₃ dư từ sản xuất phân đạm → Khử NO₂
- H₂SO₄ dư → Xử lý nước thải kiềm
- Tối ưu hóa quy trình
4. Giám sát và quản lý:
- Đo liên tục: Lắp cảm biến NO₂, SO₂ online
- Cảnh báo: Tự động cảnh báo khi vượt ngưỡng
- Báo cáo: Gửi báo cáo môi trường định kỳ
- Xử phạt: Phạt nặng nếu vi phạm
5. Biện pháp dài hạn:
- Nâng cao hiệu suất: Giảm lượng khí thải từ nguồn
- Công nghệ mới: Áp dụng công nghệ sạch hơn
- Năng lượng tái tạo: Sử dụng điện từ năng lượng sạch
- Tuần hoàn: Tái sử dụng nhiệt thải, hóa chất
Kết luận:
- Cần 43.75 tấn N₂ và 40.8 tấn S mỗi ngày
- Khí thải NO₂ (1400 m³) nhiều hơn SO₂ (457 m³)
- Cần hệ thống xử lý tích hợp: Thu hồi + Khử xúc tác (NO₂) + Hấp thụ kiềm (SO₂)
- Kết hợp giám sát liên tục và nâng cao hiệu suất sản xuất