Bài học

Nitric acid, muối nitrate và vấn đề môi trường

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em viết đúng phương trình phản ứng của $HNO_3$ loãng và đặc với kim loại (phân biệt sản phẩm khử NO/NO2), giải thích được tính thụ động hóa của $HNO_3$ đặc nguội với Al, Fe, và dự đoán được sản phẩm phân hủy nhiệt của muối nitrate theo mức độ hoạt động của kim loại.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước đã cho khí $NO$ sinh ra từ $NH_3$ có xúc tác Pt — đây chính là nguyên liệu trung gian để sản xuất $HNO_3$ trong công nghiệp ( $NO \to NO_2 \to HNO_3$ ). Em cũng cần nhớ dãy hoạt động hóa học kim loại và khái niệm chất oxi hóa/khử đã ôn xuyên suốt chương này.

Bài trước đã cho khí $NO$ sinh ra từ $NH_3$ có xúc tác Pt — đây chính là nguyên liệu trung gian để sản xuất $HNO_3$ trong công nghiệp ($NO \to NO_2 \to HNO_3$). Em cũng cần nhớ dãy hoạt động hóa học kim loại và khái niệm chất oxi hóa/khử đã ôn xuyên suốt chương này.

Khởi động

Đồng (Cu) đứng sau hydrogen trong dãy hoạt động hóa học nên không phản ứng với acid $HCl$ hay $H_2SO_4$ loãng để giải phóng khí $H_2$ . Vậy vì sao đồng vẫn tan được trong dung dịch $HNO_3$ ?

Đồng (Cu) đứng sau hydrogen trong dãy hoạt động hóa học nên không phản ứng với acid $HCl$ hay $H_2SO_4$ loãng để giải phóng khí $H_2$. Vậy vì sao đồng vẫn tan được trong dung dịch $HNO_3$?

Kiến thức trọng tâm

Nitric acid ( $HNO_3$ ) là acid mạnh, đồng thời là chất oxi hóa rất mạnh — mạnh hơn hẳn $HCl$ hay $H_2SO_4$ loãng. Vì vậy $HNO_3$ phản ứng được với hầu hết kim loại, kể cả những kim loại đứng sau hydrogen như $Cu$ , $Ag$ — nhưng phản ứng KHÔNG giải phóng khí $H_2$ như acid thông thường, mà giải phóng một sản phẩm khử của nitrogen (thường là $NO_2$ hoặc $NO$ tùy nồng độ acid). Với $HNO_3$ đặc: $Cu + 4HNO_3(đặc) \to Cu(NO_3)_2 + 2NO_2\uparrow + 2H_2O$ (khí $NO_2$ màu nâu đỏ). Với $HNO_3$ loãng: $3Cu + 8HNO_3(loãng) \to 3Cu(NO_3)_2 + 2NO\uparrow + 4H_2O$ (khí $NO$ không màu, hóa nâu ngay trong không khí do $2NO + O_2 \to 2NO_2$ ). Quy tắc chung: $HNO_3$ càng đặc, sản phẩm khử càng ít bị khử sâu (dừng ở $NO_2$ ); $HNO_3$ càng loãng, sản phẩm khử bị khử sâu hơn (tới $NO$ , thậm chí $N_2O$ hay $NH_4NO_3$ với kim loại rất mạnh và acid rất loãng — mức đó thuộc phạm vi nâng cao, không yêu cầu ở chương trình chuẩn).

Trường hợp đặc biệt — thụ động hóa: $HNO_3$ đặc, NGUỘI lại không phản ứng với $Al$ , $Fe$ , $Cr$ — vì tạo ra một lớp oxide mỏng, bền, bám chặt trên bề mặt kim loại (gọi là lớp thụ động), ngăn acid tiếp xúc tiếp với kim loại bên trong. Đây là lý do thùng chứa và xe bồn chuyên chở $HNO_3$ đặc thường làm bằng nhôm hoặc thép, dù về lý thuyết các kim loại này đứng trước hydrogen và "đáng lẽ" phải phản ứng mạnh.

Muối nitrate: tất cả các muối nitrate đều tan tốt trong nước — đây là tính chất không đổi bất kể kim loại nào. Khi đun nóng, muối nitrate bị phân hủy nhiệt, sản phẩm phụ thuộc mức độ hoạt động của kim loại trong dãy hoạt động hóa học: với kim loại hoạt động mạnh (trước $Mg$ , ví dụ $K$ , $Na$ ), sản phẩm là muối nitrite + $O_2$ : $2KNO_3 \xrightarrow{t^\circ} 2KNO_2 + O_2$ ; với kim loại hoạt động trung bình (từ $Mg$ đến trước $Cu$ , kể cả $Cu$ ), sản phẩm là oxide kim loại + $NO_2$ + $O_2$ : $2Cu(NO_3)_2 \xrightarrow{t^\circ} 2CuO + 4NO_2\uparrow + O_2\uparrow$ .

Vấn đề môi trường: dư thừa muối nitrate (từ phân bón hóa học rửa trôi vào ao hồ, sông suối) là một nguyên nhân chính gây hiện tượng phú dưỡng — tảo và thực vật thủy sinh phát triển bùng nổ do dư dinh dưỡng, sau đó chết hàng loạt, phân hủy tiêu tốn oxygen hòa tan, làm cá và sinh vật thủy sinh khác chết ngạt.

Tính oxi hóa mạnh của $HNO_3$ đặc, nóng không chỉ thể hiện với kim loại mà còn với một số phi kim: $C + 4HNO_3(đặc, t^\circ) \to CO_2\uparrow + 4NO_2\uparrow + 2H_2O$ — đây là minh chứng thêm cho vị trí "vua của các acid" của $HNO_3$ , vì hầu hết acid thông thường (kể cả $H_2SO_4$ loãng) hoàn toàn không phản ứng được với carbon ở dạng đơn chất. Trong công nghiệp, $HNO_3$ còn là nguyên liệu thiết yếu để sản xuất phân đạm ammonium nitrate ( $NH_4NO_3$ ) và thuốc nổ TNT — hai ứng dụng lớn nhất minh họa vì sao quy trình Ostwald tổng hợp $HNO_3$ từ $NH_3$ giữ vai trò trọng yếu trong công nghiệp hóa chất.

**Nitric acid** ($HNO_3$) là acid mạnh, đồng thời là chất oxi hóa rất mạnh — mạnh hơn hẳn $HCl$ hay $H_2SO_4$ loãng. Vì vậy $HNO_3$ phản ứng được với hầu hết kim loại, kể cả những kim loại đứng sau hydrogen như $Cu$, $Ag$ — nhưng phản ứng KHÔNG giải phóng khí $H_2$ như acid thông thường, mà giải phóng một sản phẩm khử của nitrogen (thường là $NO_2$ hoặc $NO$ tùy nồng độ acid). Với $HNO_3$ đặc: $Cu + 4HNO_3(đặc) \to Cu(NO_3)_2 + 2NO_2\uparrow + 2H_2O$ (khí $NO_2$ màu nâu đỏ). Với $HNO_3$ loãng: $3Cu + 8HNO_3(loãng) \to 3Cu(NO_3)_2 + 2NO\uparrow + 4H_2O$ (khí $NO$ không màu, hóa nâu ngay trong không khí do $2NO + O_2 \to 2NO_2$). Quy tắc chung: $HNO_3$ càng đặc, sản phẩm khử càng ít bị khử sâu (dừng ở $NO_2$); $HNO_3$ càng loãng, sản phẩm khử bị khử sâu hơn (tới $NO$, thậm chí $N_2O$ hay $NH_4NO_3$ với kim loại rất mạnh và acid rất loãng — mức đó thuộc phạm vi nâng cao, không yêu cầu ở chương trình chuẩn). **Trường hợp đặc biệt — thụ động hóa**: $HNO_3$ đặc, NGUỘI lại không phản ứng với $Al$, $Fe$, $Cr$ — vì tạo ra một lớp oxide mỏng, bền, bám chặt trên bề mặt kim loại (gọi là lớp thụ động), ngăn acid tiếp xúc tiếp với kim loại bên trong. Đây là lý do thùng chứa và xe bồn chuyên chở $HNO_3$ đặc thường làm bằng nhôm hoặc thép, dù về lý thuyết các kim loại này đứng trước hydrogen và "đáng lẽ" phải phản ứng mạnh. **Muối nitrate**: tất cả các muối nitrate đều tan tốt trong nước — đây là tính chất không đổi bất kể kim loại nào. Khi đun nóng, muối nitrate bị phân hủy nhiệt, sản phẩm phụ thuộc mức độ hoạt động của kim loại trong dãy hoạt động hóa học: với kim loại hoạt động mạnh (trước $Mg$, ví dụ $K$, $Na$), sản phẩm là muối nitrite + $O_2$: $2KNO_3 \xrightarrow{t^\circ} 2KNO_2 + O_2$; với kim loại hoạt động trung bình (từ $Mg$ đến trước $Cu$, kể cả $Cu$), sản phẩm là oxide kim loại + $NO_2$ + $O_2$: $2Cu(NO_3)_2 \xrightarrow{t^\circ} 2CuO + 4NO_2\uparrow + O_2\uparrow$. **Vấn đề môi trường**: dư thừa muối nitrate (từ phân bón hóa học rửa trôi vào ao hồ, sông suối) là một nguyên nhân chính gây hiện tượng phú dưỡng — tảo và thực vật thủy sinh phát triển bùng nổ do dư dinh dưỡng, sau đó chết hàng loạt, phân hủy tiêu tốn oxygen hòa tan, làm cá và sinh vật thủy sinh khác chết ngạt. Tính oxi hóa mạnh của $HNO_3$ đặc, nóng không chỉ thể hiện với kim loại mà còn với một số phi kim: $C + 4HNO_3(đặc, t^\circ) \to CO_2\uparrow + 4NO_2\uparrow + 2H_2O$ — đây là minh chứng thêm cho vị trí "vua của các acid" của $HNO_3$, vì hầu hết acid thông thường (kể cả $H_2SO_4$ loãng) hoàn toàn không phản ứng được với carbon ở dạng đơn chất. Trong công nghiệp, $HNO_3$ còn là nguyên liệu thiết yếu để sản xuất phân đạm ammonium nitrate ($NH_4NO_3$) và thuốc nổ TNT — hai ứng dụng lớn nhất minh họa vì sao quy trình Ostwald tổng hợp $HNO_3$ từ $NH_3$ giữ vai trò trọng yếu trong công nghiệp hóa chất.

Với 3 mol Cu, HNO3 đặc cho 6 mol NO2, HNO3 loãng cho 2 mol NO — biểu đồ quy đổi tỉ lệ theo 1 mol Cu để dễ so sánh trực quan.

Ví dụ

Cân bằng phản ứng

HNO_3

với kim loạiCân bằng phản ứng $HNO_3$ với kim loại

1
Hoàn thành và cân bằng phương trình: $Fe + HNO_3(đặc, t^\circ) \to ?$ ; và cho biết vì sao không dùng $HNO_3$ đặc NGUỘI để mạ hoặc bảo quản trong bình sắt.
Hoàn thành và cân bằng phương trình: $Fe + HNO_3(đặc, t^\circ) \to ?$; và cho biết vì sao không dùng $HNO_3$ đặc NGUỘI để mạ hoặc bảo quản trong bình sắt.
2
Với $HNO_3$ đặc nóng, $Fe$ phản ứng bình thường (không bị thụ động hóa khi đun nóng), tạo muối sắt(III) và khí $NO_2$ : $Fe + 6HNO_3(đặc, t^\circ) \to Fe(NO_3)_3 + 3NO_2\uparrow + 3H_2O$ .
Với $HNO_3$ đặc nóng, $Fe$ phản ứng bình thường (không bị thụ động hóa khi đun nóng), tạo muối sắt(III) và khí $NO_2$: $Fe + 6HNO_3(đặc, t^\circ) \to Fe(NO_3)_3 + 3NO_2\uparrow + 3H_2O$.
3
Ở nhiệt độ thường (nguội), $HNO_3$ đặc tạo lớp oxide thụ động bền trên bề mặt $Fe$ , ngăn phản ứng tiếp diễn — đây chính là lý do các bình, thùng chứa $HNO_3$ đặc thường làm bằng thép (chứa Fe) mà không lo bị ăn mòn khi vận chuyển ở nhiệt độ thường.
Ở nhiệt độ thường (nguội), $HNO_3$ đặc tạo lớp oxide thụ động bền trên bề mặt $Fe$, ngăn phản ứng tiếp diễn — đây chính là lý do các bình, thùng chứa $HNO_3$ đặc thường làm bằng thép (chứa Fe) mà không lo bị ăn mòn khi vận chuyển ở nhiệt độ thường.
4
Vậy: đun nóng thì $Fe$ phản ứng bình thường với $HNO_3$ đặc; để nguội thì $Fe$ bị thụ động hóa, không phản ứng — hai điều kiện nhiệt độ cho hai kết quả hoàn toàn khác nhau.
Vậy: đun nóng thì $Fe$ phản ứng bình thường với $HNO_3$ đặc; để nguội thì $Fe$ bị thụ động hóa, không phản ứng — hai điều kiện nhiệt độ cho hai kết quả hoàn toàn khác nhau.

Ví dụ

Tính toán và phân hủy nhiệt muối nitrate — dạng thi

1
Hòa tan hoàn toàn 6,4 gam $Cu$ vào dung dịch $HNO_3$ loãng dư. Tính thể tích khí $NO$ thu được (đkc, $V_m = 24{,}79$ lít/mol). Sau đó nung nóng hoàn toàn muối $Cu(NO_3)_2$ tạo thành, viết phương trình và cho biết chất rắn còn lại sau khi nung.
Hòa tan hoàn toàn 6,4 gam $Cu$ vào dung dịch $HNO_3$ loãng dư. Tính thể tích khí $NO$ thu được (đkc, $V_m = 24{,}79$ lít/mol). Sau đó nung nóng hoàn toàn muối $Cu(NO_3)_2$ tạo thành, viết phương trình và cho biết chất rắn còn lại sau khi nung.
2
$n(Cu) = \dfrac{6{,}4}{64} = 0{,}1$ mol.
$n(Cu) = \dfrac{6{,}4}{64} = 0{,}1$ mol.
3
$3Cu + 8HNO_3(loãng) \to 3Cu(NO_3)_2 + 2NO\uparrow + 4H_2O$ . Theo tỉ lệ: $n(NO) = \dfrac{2}{3}n(Cu) = 0{,}0\overline{6}$ mol; $n(Cu(NO_3)_2) = n(Cu) = 0{,}1$ mol.
$3Cu + 8HNO_3(loãng) \to 3Cu(NO_3)_2 + 2NO\uparrow + 4H_2O$. Theo tỉ lệ: $n(NO) = \dfrac{2}{3}n(Cu) = 0{,}0\overline{6}$ mol; $n(Cu(NO_3)_2) = n(Cu) = 0{,}1$ mol.
4
$V(NO) = 0{,}0\overline{6} \times 24{,}79 \approx 1{,}65$ lít.
$V(NO) = 0{,}0\overline{6} \times 24{,}79 \approx 1{,}65$ lít.
5
$Cu$ thuộc nhóm kim loại hoạt động trung bình nên: $2Cu(NO_3)_2 \xrightarrow{t^\circ} 2CuO + 4NO_2\uparrow + O_2\uparrow$ . Vậy chất rắn còn lại sau khi nung là $CuO$ (màu đen), và $V(NO)$ sinh ra ở giai đoạn hòa tan ban đầu là $\approx 1{,}65$ lít (đkc).
$Cu$ thuộc nhóm kim loại hoạt động trung bình nên: $2Cu(NO_3)_2 \xrightarrow{t^\circ} 2CuO + 4NO_2\uparrow + O_2\uparrow$. Vậy chất rắn còn lại sau khi nung là $CuO$ (màu đen), và $V(NO)$ sinh ra ở giai đoạn hòa tan ban đầu là $\approx 1{,}65$ lít (đkc).

Sai lầm thường gặp

Nhiều học sinh nghĩ $Al$ , $Fe$ hoàn toàn không phản ứng với $HNO_3$ đặc trong mọi trường hợp — SAI, chúng chỉ bị thụ động hóa khi $HNO_3$ đặc và NGUỘI; nếu đun nóng, phản ứng vẫn xảy ra bình thường và sinh khí $NO_2$ .

Nhiều học sinh nghĩ $Al$, $Fe$ hoàn toàn không phản ứng với $HNO_3$ đặc trong mọi trường hợp — SAI, chúng chỉ bị thụ động hóa khi $HNO_3$ đặc và NGUỘI; nếu đun nóng, phản ứng vẫn xảy ra bình thường và sinh khí $NO_2$.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

$HNO_3$ là acid mạnh + chất oxi hóa mạnh: phản ứng cả kim loại yếu (Cu, Ag), đặc → $NO_2$ , loãng → $NO$ ; đặc nguội thụ động hóa Al, Fe, Cr. Muối nitrate đều tan; phân hủy nhiệt: kim loại mạnh → nitrite + $O_2$ , kim loại trung bình → oxide + $NO_2$ + $O_2$ . Dư nitrate gây phú dưỡng.

$HNO_3$ là acid mạnh + chất oxi hóa mạnh: phản ứng cả kim loại yếu (Cu, Ag), đặc → $NO_2$, loãng → $NO$; đặc nguội thụ động hóa Al, Fe, Cr. Muối nitrate đều tan; phân hủy nhiệt: kim loại mạnh → nitrite + $O_2$, kim loại trung bình → oxide + $NO_2$ + $O_2$. Dư nitrate gây phú dưỡng.

Chương tiếp theo chuyển sang sulfur — phi kim còn lại của Chương 2 chương trình gốc, cũng có chuỗi oxi hóa tương tự nitrogen: từ đơn chất, qua oxide, tới acid mạnh và muối.