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 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 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 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 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
1 Dạng 1: Tính chất của HNO₃ với kim loại
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 minh họa
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
2 Dạng 2: Bài toán hỗn hợp khí
Phương pháp:
- Xác định các khí trong hỗn hợp
- Viết phương trình phản ứng
- Lập hệ phương trình và giải
Ví dụ minh họa
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
3 Dạng 3: Bài toán thực tế về ô nhiễm không khí
Phương pháp:
- Phân tích nguồn gây ô nhiễm
- Tính toán lượng chất thải
- Đề xuất biện pháp xử lý
Ví dụ minh họa
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
Sẵn sàng thử thách bản thân?
Hoàn thành 15 câu hỏi để củng cố kiến thức và kiểm tra mức độ hiểu bài
Làm bài tập ngay