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 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 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 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 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
1 Dạng 1: Bài toán tổng hợp về nitrogen
Phương pháp:
- Xác định vai trò của hợp chất nitrogen
- Viết phương trình phản ứng
- Tính toán theo chuỗi phản ứng
Ví dụ minh họa
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
2 Dạng 2: Bài toán tổng hợp về sulfur
Phương pháp:
- Xác định chuỗi phản ứng S → SO₂ → SO₃ → H₂SO₄
- Tính toán theo hiệu suất từng giai đoạn
Ví dụ minh họa
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%
3 Dạng 3: Bài toán tổng hợp thực tế
Phương pháp:
- Kết hợp kiến thức về N và S
- Phân tích tình huống thực tế
- Đề xuất giải pháp tổng hợp
Ví dụ minh họa
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
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