Chuyên đề Nito và hợp chất

Axít nitric bị phân hủy khi có nhiệt độ cao hoặc ánh sáng với nồng độ tăng lên mà điều này có thể làm tăng lên sự biến đổi tương đối áp suất hơi trên bề mặt chất lỏng do các ôxít nitơ tạ

Lời mở đầu

heo chúng tôi được biết acid nitric là một chất quan trọng, có nhiều tính chất phức tạp và ứng dụng trong đời sống Hơn nữa HNO3 cũng xuất hiện trong những dạng bài tập mà học sinh hay gặp trong các kỳ thi mà đặc biệt là thi Đại Học Thông thường những bài tập về HNO3 thường khá phức tạp và xảy ra theo nhiều phương trình phản ứng khác nhau Để giúp các bạn học sinh hiểu sâu hơn về HNO3 , đồng thời giải quyết tốt các bài toán một cách nhanh chóng cũng như cũng không còn lúng túng khi gặp những dạng toán về HNO3 chúng tôi sẽ giới thiệu đến bạn đọc những nội dung sau:

T

- Giới thiệu chung về HNO 3

- Các dạng bài tập về HNO 3 và phương pháp giải

- Bài tập tự giải và đáp số

Đó là nội dung mà chúng tôi muốn đề cập đến Tuy nhiên để có kết quả tốt hơn, các bạn cần thường xuyên

ôn tập, củng cố các chuẩn kiến thức, chuẩn kĩ năng đã được thầy cô truyền dạy ở trường Với những kiến thức mà chúng tôi được biết trong quá trình học tập và tìm hiểu trong các tài liệu, chúng tôi tin rằng đề tài này sẽ giúp ích thiết thực cho các bạn học sinh cũng như bản thân chúng tôi trong quá trình học tập

Do thời gian và hiểu biết có hạn, trong qúa trình làm đề tài có thể còn có những khiếm khuyết và mong mọi người thông cảm Chúng tôi xin cảm ơn và rất mong nhận được những góp ý xây dựng của thầy cô giáo và các bạn học sinh để lần sau sẽ hoàn chỉnh hơn

I- Tìm hiểu chung về HNO3 :

Mưa axit

Nó là một chất axít độc và ăn mòn có thể dễ gây cháy Axit nitric tinh khiết không màu sắc còn nếu để lâu

sẽ có màu hơi vàng do sự tích tụ của các ôxít nitơ Nếu một dung dịch có hơn 86% axít nitric, nó được gọi

là axít nitric bốc khói Axít nitric bốc khói có đặc trưng axít nitric bốc khói trắng và axít nitric bốc khói đỏ, tùy thuộc vào số lượng điôxít nitơ hiện diện

Ăn mòn đá vôi do axit HNO 3

4HNO3 → 2H2O + 4NO2 + O2 (72 °C)

Điều này có nghĩa axít nitric khan nên được cất chứa ở nhiệt độ dưới 0 °C để tránh bị phân hủy Chất nitơ điôxít (NO2) vẫn hòa tan trong axít nitric tạo cho nó có màu vàng, hoặc đỏ ở nhiệt độ cao hơn Trong khi axít tinh khiết có xu hướng bốc khói trắng khi để ra không khí, axít với điôxít nitơ bốc khói hơi có màu nâu hơi đỏ cho nên mới có tên axít bốc khói trắng và axít bốc khói đỏ như nêu trên

Axít nitric có thể pha trộn với nước với bất kỳ tỷ lệ nào và khi chưng cất tạo ra một azeotrope một nồng độ 68% HNO3 và có nhiệt độ sôi ở 120,5 °C tại áp suất 1 atm Có hai chất hydrat được biết đến; monohydrat (HNO2.H2O) và trihydrat (HNO3·3H2O).

Ôxít nitơ (NOx) tan được trong axít nitric và đặc điểm này ảnh hưởng ít nhiều đến tất cả các đặc trưng lý tính phụ thuộc vào nồng độ của các ôxít này, chủ yếu bao gồm áp suất hơi trên chất lỏng và nhiệt độ sôi cũng như màu sắc được đề cập ở trên Axít nitric bị phân hủy khi có nhiệt độ cao hoặc ánh sáng với nồng

độ tăng lên mà điều này có thể làm tăng lên sự biến đổi tương đối áp suất hơi trên bề mặt chất lỏng do các ôxít nitơ tạo ra một phần hoặc toàn bộ trong axít

Axít nitric là một axít mạnh với một hắng số cân bằng axít (Ka) = −2: trong dung dịch nước, nó hoàn toàn điện ly thành các ion nitrat NO3− và một proton hydrat, hay còn gọi là ion hiđrôni, H3O+

HNO3 + H2O → H3O+ + NO3

-b.Các đặc tính ôxi hóa

b.1, Phản ứng với kim loại

Là một chất ôxi hóa mạnh, axít nitric phản ứng mãnh liệt với nhiều chất hữu cơ và phản ứng có thể gây nổ Tùy thuộc vào nồng độ axít, nhiệt độ và tác nhân gây giảm liên quan, sản phẩm tạo ra cuối cùng có thể gồm nhiều loại Phản ứng xảy ra với tất cả kim loại, ngoại trừ dãy kim loại quý và một số hợp kim Trong phần lớn các trường hợp, các phản ứng ôxi hóa chủ yếu với axít đặc thường tạo ra điôxít nitơ (NO2)

Cu + 4HNO3 → Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O

Tính chất axít thể hiện rõ đối với axít loãng, đi đôi với việc tạo ra ôxít nitơ (NO)

3Cu + 8HNO3 → 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O

Do axít nitric là một chất ôxi hóa, hiđrô (H) thường hiếm khi được tạo ra Cho nên khi kim loại phản ứng với axít nitric loãng và lạnh ( gần 0°C ) thì mới giải phóng hiđrô:

Mg(rắn) + 2HNO3 (lỏng) → Mg(NO3)2 (lỏng) + H2 (khí)

* Lưu ý: - Ag, Cu tác dụng với cả HNO 3 loãng cho muối nitrat + NO + H 2 O

- Pt và Au chỉ tan trong nước cường toan (3HCl + HNO 3 )

b.3, Phản ứng với phi kim

Khi phản ứng với các nguyên tố á kim, ngoại trừ silic và halogen, các nguyên tố này thường bị ôxi hóa đến trạng thái ôxi hóa cao nhất và tạo ra điôxít nitơ đối với axít đặc và ôxít nitơ đối với axít loãng

3FeO + 10HNO3(l) →3Fe(NO3)3 + NO +5H2O

5.Tổng hợp và sản xuất axit nitric

Axit nitric được tạo ra bằng cách pha trộn điôxit nitơ (NO2) với nước với sự có mặt của ôxi hay sử dụng không khí để ôxi hóa axít nitrơ cũng tạo ra axit nitric Axit nitric loãng có thể cô đặc đến 68% axit với một hỗn hợp azeotropic với 32% nước Việc cô đặc hơn được thực hiện bằng cách chưng cất với axit sunfuric với vai trò là chất khử nước Trong quy mô phòng thí nghiệm, cách chưng cất như thế phải được tiến hành bằng dụng cụ thủy tinh với áp suất thấp để tránh phân hủy axit này Các mối nối bằng thủy tinh và nút bần cũng nên tránh dùng do axit nitric tấn công các chất này Dung dịch axit nitric cấp thương mại thường có nồng độ giữa 52% và 68% axit nitric Việc sản xuất axit nitric được thực hiện bằng công nghệ Ostwald do Wilhelm Ostwald phát minh.

Trong phòng thí nghiệm, axit nitric có thể điều chế bằng cách cho nitrat đồng (II) hoặc cho phản ứng những khối lượng bằng nhau nitrat kali (KNO3) vơi axit sulfuric (H2SO4) 96%, và chưng cất hỗn hợp này tại nhiệt độ sôi của axit nitric là 83 °C cho đến khi còn lại chất kết tinh màu trắng, potassium hydrogen sulfate (KHSO4), còn lưu lại trong bình Axit nitric bốc khói đỏ thu được có thể chuyển thành axit nitric màu trắng Cần lưu ý khi thí nghiệm thì phải dùng các trang thiết bị bằng thủy tinh, hay nhất là bình cổ công nguyên khối do axit nitric khan tấn công cả nút bần, áo và da, và sự rò rỉ có thể cực kỳ nguy hiểm

H2SO4+ KNO3 → KHSO4 + HNO3

((*)Tại sao điều chế HNO 3 bốc khói phải sử dụng H 2 SO 4 đặc và KNO 3 rắn?

vì HNO3 và H2SO4 đều là axit mạnh nên để điều chế HNO3 thì không thể dùng phương pháp bình thường cho axit mạnh tác dụng với dd muối

HNO3 có thể bay hơi và tan nhiều trong nước còn H2SO4 bay hơi rất ít

dùng H2SO4 đặc và KNO3 rắn để hạn chế lượng nước có mặt trong pứ

Đun nóng hỗn hợp là để làm cho HNO3 bị bay tách ra khỏi hỗn hợp pứ

H2SO4 + KNO3 = KHSO4 + HNO3

ở nhiệt độ cao hơn

H2SO4 + 2KNO3 = K2SO4 + 2HNO3 )

Chất NOx hòa tan được loại bỏ bằng cách sử dụng áp suất giảm tại nhiệt độ phòng (10-30 phút với áp suất

200 mmHg hay 27 kPa) Axit nitric bốc khói trắng thu được có tỷ trọng 1.51 g/cm³ Quy trình này cũng được thực hiện dưới áp suất và nhiệt độ giảm trong một bước để tạo ra ít khí điôxit nitơ hơn

axit này cũng có thể được tổng hợp bằng cách ôxi hóa ammoniac, nhưng sản phẩm bị pha loãng bởi nước

do phản ứng tạo ra Tuy nhiên, phương pháp tổng hợp này quan trọng trong việc sản xuất nitrat ammoni từ amôniăc theo công nghệ Haber, do sản phẩm cuối cùng có thể sản xuất từ nitơ, hyđrô và ôxi là nguyên liệu đầu vào chính

Axit nitric bốc khói trắng, cũng gọi là axit nitric 100% hay WFNA, rất gần giống với sản phẩm axit nitric khan Một đặc tính kỹ thuật của axit nitric bốc khói trắng là nó có tối đa 2% nước và tối đa 0,5% NO2 hòa tan Axit nitric bốc khói đỏ hay RFNA, chứa một lượng điôxit nitơ (NO2) đáng kể thoát khỏi dung dịch với màu nâu đỏ Một công thức của RFNA thể hiện ít nhất 17% NO2, nhóm khác là 13% NO2 Trong trường hợp, axit nitric bị ức chế bốc khói (hoặc IWFNA, hoặc IRFNA) có thể làm tăng khi cho thêm thêm khoảng 0,6 đến 0,7% hiđro florit, HF Chất florit này được bổ sung vào để chống ăn mòn trong các bồn chứa kim loại (chất florit tạo ra một lớp florit kim loại bảo vệ kim loại đó).

6.Sử dụng

Axit HNO3 là 1 trong những hóa chất cơ bản quan trọng

+)Thường được dùng làm thuốc thử trong phòng thí nghiệm, axit nitric được sử dụng để sản xuất thuốc nổ bao gồm nitroglycerin, trinitrotoluen (TNT) và cyclotrimethylenetrinitramin (RDX), tên lửa, cũng như phân bón (như phân đạm một lá nitrat amoni)

+)Axit nitric cũng được sử dụng trong phòng thí nghiệm trường học để tiến hành các thí nghiệm liên quan đến việc thử clorit Cho axit nitric tác dụng với mẫu thử, sau đó cho dung dịch bạc nitrat vào để tìm kết tủa trắng của bạc clorua

+)Trong kỹ thuật ICP-MS và ICP-AES, axit nitric (với nồng độ từ 0,5% đến 2,0%) được sử dụng như một hợp chất nền để xác định dấu vết kim loại trong các dung dịch Trong kỹ thuật này cần phải dùng axit nitric cực tinh khiết vì một số lượng ion kim loại nhỏ có thể gây ảnh hưởng đến kết quả phân tích

+)Axít này còn được sử dụng trong ngành luyện kim và tinh lọc vì nó phản ứng với phần lớn kim loại và trong các tổng hợp chất hữu cơ Khi kết hợp với axít clohyđric, nó tạo thành nước cường toan, một trong những chất phản ứng có thể hòa tan vàng và bạch kim (platinum)

Một trong những ứng dụng cho IWFNA là một chất ôxi hóa trong nhiên liệu lỏng tên lửa

***Ngoài ra, axit nitric còn được dùng làm chất thử màu (colorometric test) để phân biệt heroin và

morphine

7.Nguy hiểm

Axít Nitric là một chất ôxi hóa mạnh, và các phản ứng của axít nitric với các hợp chất như cyanit, carbit, và bột kim loại có thể gây nổ Các phản ứng của axít nitric với nhiều hợp chất vô cơ như turpentine, rất mãnh liệt và tự bốc cháy

Axít đặc làm cho màu da người chuyển qua màu vàng do phản ứng với chất protein keratin Vết màu vàng này sẽ chuyển thành màu cam khi được trung hòa

II., Phương pháp giải và các dạng bài tập:

A) Các định luật cần vận dụng

1 Định luật bảo toàn khối lượng:

Nội dung: Khối lượng các chất tham gia phản ứng bằng khối lượng các chất được tạo thành sau phản ứng.

Trong đó chúng ta cần vận dụng các hệ quả

Hệ quả1: Gọi mT là tổng khối lượng các chất trước phản ứng, ms là khối lượng các chất sau phản ứng Dù phản ứng xảy ra với hiệu suất bất kỳ ta đều có: mT = mS

Hệ quả 2: Khi cation kim loại kết hợp với anion phi kim để tạo ra các hợp chất ta luôn có: Khối

lượng chất = khối lượng của cation+khối lượng anion Khối lượng của cation hoặc anion ta coi như bằng khối lượng của nguyên tử cấu tạo thành

2 Định luật bảo toàn nguyên tố

Nội dung định luật: Tổng khối lượng một nguyên tố trước phản ứng bằng tổng khối lượng của nguyên tố đó sau phản ứng Nội dung định luật có thể hiểu là tổng số mol của một nguyên tố được bảo toàn trong phản ứng

3 Định luật bảo toàn electron

Trong phản ứng oxi hóa khử: Số mol electron mà chất khử cho đi bằng số mol electron mà chất oxi hóa nhận về

Khi vận dụng định luật bảo toàn electron vào dạng toán này cần lưu ý:

- Trong phản ứng hoặc một hệ phản ứng chỉ cần quan tâm đến trạng thái đầu và trạng thái cuối mà không cần quan tâm đến trạng thái trung gian

- Nếu có nhiều chất oxi hóa và chất khử thì số mol electron trao đổi là tổng số mol của tất cả chất nhường hoặc nhận electron

B Các ví dụ điển hình

Đề bài 1: Nung nóng 12,6 gam Fe ngoài không khí sau một thời gian thu được m gam hỗn hợp X gồm Fe,

FeO, Fe2O3 và Fe3O4 Hỗn hợp này phản ứng hết với dung dịch HNO3 loãng (dư), thu được 4,2 lít khí NO (sản phẩm khử duy nhất, ở đktc) Tính m?

Phân tích đề:

Sơ đồ phản ứng

Như vậy: + Khối lượng oxit sẽ là tổng của khối lượng sắt và oxi

+ Cả quá trình chất nhường e là Fe chất nhận là O và HNO3

Tổng electron nhường: 0,225*3 mol Tổng electron nhận: 2x + 0,375 (mol)

Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có:0,225*3= 2x + 0,5625 → x = 0,05625

Đề Bài 2: Nung nóng m gam bột sắt ngoài không khí, sau phản ứng thu được 20 gam hỗn hợp X gồm Fe,

FeO, Fe2O3 và Fe3O4 Hòa tan hết X trong dung dịch HNO3 loãng thu được 5,6 lít hỗn hợp khí Y gồm NO

và NO2 có tỉ khối so với H2 là 19 Tính m và thể tích HNO3 1M đã dùng?

Phân tích đề:

sơ đồ phản ứng

3 2

2

3 4 ( )

2 2 5

2 1 3

− + +

+ +

+ → + →

Tổng electron nhường: 3x mol Tổng electron nhận: 2y + 0,125+ 0,125x3 (mol)

Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: 3x = 2y + 0,5 (2)

2y y

0,1250,125 3x

y0,1250,125

Như vậy nFe = 0,3 mol vậy m = 16,8 gam.

Theo định luật bảo toàn nguyên tố ta có:

HNO

Đề bài 3: Cho một luồng khí CO đi qua ống sứ đựng m gam Fe2O3 nung nóng Sau một thời gian thu được 10,44 gam chất rắn X gồm Fe, FeO, Fe2O3 và Fe3O4 Hòa tan hết X trong dung dịch HNO3 đặc, nóng thu được 4,368 lít NO2 (sản phẩm khử duy nhất ở đktc) Tính m ?

Giải:

Theo đề ra ta có: n NO2 =0,195mol

Gọi số mol Fe và O tương ứng trong X là x và y ta có: 56x + 16y = 10,44 (1).

2

2 1

− + +

Phân tích đề:

Ta coi như trong hỗn hợp X ban đầu gồm Fe và O Như vậy xét cả quá trình chất nhường e là Fe chất nhận

e là O và NO3− Nếu chúng ta biết được số tổng số mol Fe trong X thì sẽ biết được số mol muối Fe(NO3)3 trong dung dịch sau phản ứng Do đó chúng ta sẽ giải bài toán này như sau:

2y y

y0,1950,195

2 3

− + +

+ →

Tổng electron nhường: 3x (mol) Tổng electron nhận: 2y + (mol)

Áp dụng định luật bảo toàn electron ta có: 3x = 2y + (2)

Như vậy n Fe =n Fe NO( 3 3 ) =0,16mol vậy m = 38,72 gam.

Với bài toán này ta cũng có thể quy về bài toán kinh điển: Đốt m gam sắt sau phản ứng sinh ra 11,36 gam hỗn hợp gồm Fe, FeO, Fe2O3 và Fe3O4 Hỗn hợp này phản ứng hết với dung dịch HNO3 loãng (dư), thu được 1,344 lít khí NO (sản phẩm khử duy nhất, ở đktc)

Chúng ta sẽ tính m rồi từ suy ra số mol Fe và từ đó tính số mol của sắt

Phát triển bài toán:

chất nhận e bây giờ là HNO3 thì cho 2 sản phẩm

Trường hợp 2: Nếu đề ra yêu cầu tính thể tích hoặc khối lượng của HNO3 thì ta tính số mol dựa vào bảo toàn nguyên tố N khi đó ta sẽ có:

0,060,18

0,18

0,18

y

III Bài tập tự giải :

(**)Một số bài tập trong đề thi ĐH

Câu 1: (Đại học khối B-2007)

Khi cho Cu tác dụng với dung dịch chứa H2SO4 loãng và NaNO3, vai trò của NaNO3 trong phản ứng là

A chất oxi hóa B chất khử

C chất xúc tác D môi trờng

Câu 2: (Cao đẳng khối A-2007)

Kim loại phản ứng đợc với dung dịch HCl, dung dịch Cu(NO3)2, dung dịch HNO3 (đặc nguội) Kim loại M là

Câu 3: (Đại học khối A-2007)

Cho từng chất: Fe, FeO, Fe(OH)2, Fe(OH)3, Fe3O4, Fe2O3, Fe(NO3)2, Fe(NO3)3, FeSO4, Fe2(SO4)3, FeCO3lần lợt phản ứng với HNO3 đặc, nóng Số phản ứng thuộc loại phản ứng oxi hóa - khử là

Câu 6: Khi bị nhiệt phân, dãy muối nitrat nào sau đây cho sản phẩm là kim loại, khí nitơ đioxit, khí oxi.

A Zn(NO3)2, KNO3, Pb(NO3)2 B Ca(NO3)2, LiNO3, KNO3

C Cu(NO3)2, LiNO3, KNO3 D Hg(NO3)2, AgNO3

Câu 7: (Đại học khối A-2007)

Để nhận biết ba axit đặc nguội: HCl, H2SO4, HNO3 đựng riêng biệt trong 3 lọ mất nhãn, ta dùng thuốc thử là

Câu 10: Cho 11,0 gam hỗn hợp X gồm Al và Fe vào dung dịch HNO3 loãng d, thu đợc 6,72 lit khí NO (đktc) Khối lợng của Al và Fe trong hỗn hợp X tơng ứng là.

A 5,4 g và 5,6 g B 5,6 g và 5,4 g

C 8,1 g và 2,9 g D 2,9 g và 8,1 g

Câu 11: Hòa tan hoàn toàn hỗn hợp gồm Zn và ZnO bằng dung dịch HNO3 loãng d Kết thúc thí nghiệm không có khí thoát ra, dung dịch thu đợc có chứa 8 gam NH4NO3 và 113,4 gam Zn(NO3)2 Phần trăm số mol của Zn có trong hỗn hợp ban đầu là

Câu 12: (Đaị học khối B-2007)

Thực hiện hai thí nghiệm

1 Cho 3,84 gam Cu phản ứng với 80 ml dung dịch HNO3 1M thoát ra V1 lít khí NO

2 Cho 3,84 gam Cu phản ứng với 80 ml dung dịch chứa HNO3 1M và H2SO4 0,5M thoát ra V2 lít NO

Biết NO là sản phẩm khử duy nhất, các thể tích khí đo ở cùng điều kiện Quan hệ giữa V1 và V2 là

Câu 13: Nhiệt phân hoàn toàn 18,8 gam muối nitrat của kim loại M (hóa trị II), thu đợc 8 gam oxit tơng

ứng M là kim loại nào dới đây

Câu 15: (Cao đẳng khối A-2008)

Cho 3,6 gam Mg tác dụng hết với dung dịch HNO3 (d), sinh ra 2,24 lit khí X (sản phẩm khử duy nhất) Khí X là

Câu 16: (Đại học khối A-2007)

Hòa tan hoàn toàn hỗn hợp gồm 0,12 mol FeS2 và a mol Cu2S vào axit HNO3 (vừa đủ), thu đợc dung dịch X (chỉ chứa hai muối sunfat) và khí duy nhất NO Giá trị của a là

Câu 17: (Đại học khối A-2007)

Hòa tan hoàn toàn 12 gam hỗn hợp Fe và Cu (tỉ lệ mol 1:1) bằng axit HNO3, thu đợc V lit (đktc) hỗn hợp khí X (gồm NO và NO2) và dung dịch Y (chỉ chứa hai muối và axit d) Tỉ khối của X đối với H2bằng 19 Giá trị của V là