Bài học

Điều chế HNO₃ trong công nghiệp và muối nitrate — vấn đề môi trường

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em trình bày được ba giai đoạn sản xuất nitric acid trong công nghiệp từ ammonia, dự đoán được sản phẩm nhiệt phân muối nitrate theo mức độ hoạt động của kim loại, viết được phản ứng nhận biết ion nitrate, và giải thích được cơ chế gây ra hiện tượng phú dưỡng nguồn nước do dư thừa muối nitrate.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài này nối trực tiếp hai mảnh kiến thức đã học: phản ứng $4NH_3 + 5O_2 \xrightarrow{xt\ Pt} 4NO + 6H_2O$ ở Chương 2, và phản ứng $2NO + O_2 \to 2NO_2$ đã gặp ở bài Đơn chất nitrogen. Ghép hai phản ứng đó với một bước hấp thụ nước là đủ để tạo ra toàn bộ quy trình sản xuất $HNO_3$ công nghiệp.

Khởi động

Chương trước cho thấy $HNO_3$ oxi hoá được cả kim loại lẫn nhiều kim loại quý hiếm hoi mới chống lại được nó — vậy hoá chất mạnh mẽ này bản thân được sản xuất từ đâu? Điều bất ngờ là nguyên liệu khởi đầu lại chính là $NH_3$ , chất khí có tính base yếu mà em vừa học ở hai chương trước.

Chương trước cho thấy $HNO_3$ oxi hoá được cả kim loại lẫn nhiều kim loại quý hiếm hoi mới chống lại được nó — vậy hoá chất mạnh mẽ này bản thân được sản xuất từ đâu? Điều bất ngờ là nguyên liệu khởi đầu lại chính là $NH_3$, chất khí có tính base yếu mà em vừa học ở hai chương trước.

Kiến thức trọng tâm

Sản xuất nitric acid trong công nghiệp (quy trình Ostwald) gồm ba giai đoạn nối tiếp, tất cả đều là phản ứng em đã gặp ở các bài trước.

Giai đoạn 1 — oxi hoá ammonia: $4NH_3 + 5O_2 \xrightarrow{xt\ Pt/Rh,\ 850-900^\circ C} 4NO + 6H_2O$ .

Giai đoạn 2 — oxi hoá tiếp NO thành NO₂, thực hiện ở nhiệt độ thường: $2NO + O_2 \to 2NO_2$ .

Giai đoạn 3 — hấp thụ NO₂ vào nước, có dư oxygen: $4NO_2 + O_2 + 2H_2O \to 4HNO_3$ .

Dung dịch $HNO_3$ thu được ban đầu có nồng độ khoảng 60–68%, sau đó có thể chưng cất để nâng nồng độ nếu cần dùng làm $HNO_3$ đặc.

Muối nitrate — muối chứa ion $NO_3^-$ — có tính chất chung là tan tốt trong nước, không có ngoại lệ đáng kể (khác hẳn muối sulfate hay carbonate có nhiều muối không tan). Khi đun nóng, muối nitrate bị nhiệt phân, và sản phẩm phụ thuộc vào mức độ hoạt động hoá học của kim loại đi kèm — chia làm ba nhóm.

Kim loại hoạt động mạnh (trước Mg trong dãy hoạt động, ví dụ K, Na): nhiệt phân cho muối nitrite và khí oxygen.

$2KNO_3 \xrightarrow{t^\circ} 2KNO_2 + O_2\uparrow$

Kim loại hoạt động trung bình (từ Mg đến Cu): nhiệt phân cho oxide kim loại, khí $NO_2$ và khí $O_2$ .

$2Cu(NO_3)_2 \xrightarrow{t^\circ} 2CuO + 4NO_2\uparrow + O_2\uparrow$

Kim loại kém hoạt động (sau Cu, ví dụ Ag): nhiệt phân cho kim loại tự do, khí $NO_2$ và khí $O_2$ .

$2AgNO_3 \xrightarrow{t^\circ} 2Ag + 2NO_2\uparrow + O_2\uparrow$

Nhận biết ion nitrate: cho dung dịch nghi có $NO_3^-$ tác dụng với đồng kim loại và dung dịch $H_2SO_4$ loãng, đun nhẹ — dung dịch chuyển màu xanh lam (do $Cu^{2+}$ ), có khí không màu thoát ra rồi hoá nâu ngay trong không khí (do $NO$ chuyển thành $NO_2$ ) — cùng dấu hiệu đã gặp ở phản ứng $HNO_3$ với đồng.

Vấn đề môi trường — hiện tượng phú dưỡng (eutrophication): nitrate là thành phần chính trong phân đạm, nhưng khi bón dư thừa, phần không được cây hấp thụ bị nước mưa cuốn trôi vào ao, hồ, sông. Nồng độ $NO_3^-$ (cùng phosphate) tăng đột biến trong nước tạo điều kiện cho tảo và thực vật phù du phát triển bùng nổ (hiện tượng "nở hoa" của tảo). Khi lớp tảo dày đặc chết đi, vi sinh vật phân giải xác tảo tiêu tốn một lượng lớn oxygen hoà tan trong nước, khiến nồng độ oxygen giảm mạnh, gây ra hiện tượng cá và các sinh vật thuỷ sinh khác chết hàng loạt do thiếu oxygen.

**Sản xuất nitric acid trong công nghiệp** (quy trình Ostwald) gồm ba giai đoạn nối tiếp, tất cả đều là phản ứng em đã gặp ở các bài trước. **Giai đoạn 1 — oxi hoá ammonia**: $4NH_3 + 5O_2 \xrightarrow{xt\ Pt/Rh,\ 850-900^\circ C} 4NO + 6H_2O$. **Giai đoạn 2 — oxi hoá tiếp NO thành NO₂**, thực hiện ở nhiệt độ thường: $2NO + O_2 \to 2NO_2$. **Giai đoạn 3 — hấp thụ NO₂ vào nước, có dư oxygen**: $4NO_2 + O_2 + 2H_2O \to 4HNO_3$. Dung dịch $HNO_3$ thu được ban đầu có nồng độ khoảng 60–68%, sau đó có thể chưng cất để nâng nồng độ nếu cần dùng làm $HNO_3$ đặc. **Muối nitrate** — muối chứa ion $NO_3^-$ — có tính chất chung là **tan tốt** trong nước, không có ngoại lệ đáng kể (khác hẳn muối sulfate hay carbonate có nhiều muối không tan). Khi đun nóng, muối nitrate bị nhiệt phân, và sản phẩm phụ thuộc vào mức độ hoạt động hoá học của kim loại đi kèm — chia làm ba nhóm. **Kim loại hoạt động mạnh** (trước Mg trong dãy hoạt động, ví dụ K, Na): nhiệt phân cho muối nitrite và khí oxygen. $$2KNO_3 \xrightarrow{t^\circ} 2KNO_2 + O_2\uparrow$$ **Kim loại hoạt động trung bình** (từ Mg đến Cu): nhiệt phân cho oxide kim loại, khí $NO_2$ và khí $O_2$. $$2Cu(NO_3)_2 \xrightarrow{t^\circ} 2CuO + 4NO_2\uparrow + O_2\uparrow$$ **Kim loại kém hoạt động** (sau Cu, ví dụ Ag): nhiệt phân cho kim loại tự do, khí $NO_2$ và khí $O_2$. $$2AgNO_3 \xrightarrow{t^\circ} 2Ag + 2NO_2\uparrow + O_2\uparrow$$ **Nhận biết ion nitrate**: cho dung dịch nghi có $NO_3^-$ tác dụng với đồng kim loại và dung dịch $H_2SO_4$ loãng, đun nhẹ — dung dịch chuyển màu xanh lam (do $Cu^{2+}$), có khí không màu thoát ra rồi hoá nâu ngay trong không khí (do $NO$ chuyển thành $NO_2$) — cùng dấu hiệu đã gặp ở phản ứng $HNO_3$ với đồng. **Vấn đề môi trường — hiện tượng phú dưỡng (eutrophication)**: nitrate là thành phần chính trong phân đạm, nhưng khi bón dư thừa, phần không được cây hấp thụ bị nước mưa cuốn trôi vào ao, hồ, sông. Nồng độ $NO_3^-$ (cùng phosphate) tăng đột biến trong nước tạo điều kiện cho tảo và thực vật phù du phát triển bùng nổ (hiện tượng "nở hoa" của tảo). Khi lớp tảo dày đặc chết đi, vi sinh vật phân giải xác tảo tiêu tốn một lượng lớn oxygen hoà tan trong nước, khiến nồng độ oxygen giảm mạnh, gây ra hiện tượng cá và các sinh vật thuỷ sinh khác chết hàng loạt do thiếu oxygen.

Cả ba giai đoạn đều là các phản ứng đã học ở những bài trước, chỉ ghép nối tiếp nhau.

Phú dưỡng là hệ quả môi trường trực tiếp của việc bón phân đạm nitrate vượt quá nhu cầu của cây trồng.

Ví dụ

Dự đoán sản phẩm nhiệt phân của hai muối nitrate theo mức hoạt động kim loại

1
Dự đoán sản phẩm khi nhiệt phân riêng từng muối $KNO_3$ và $Cu(NO_3)_2$ , viết phương trình hoá học cho mỗi trường hợp.
Dự đoán sản phẩm khi nhiệt phân riêng từng muối $KNO_3$ và $Cu(NO_3)_2$, viết phương trình hoá học cho mỗi trường hợp.
2
Kali (K) đứng trước magnesium (Mg) trong dãy hoạt động hoá học — thuộc nhóm kim loại hoạt động mạnh, nên nhiệt phân muối nitrate cho muối nitrite và khí oxygen.
3
$2KNO_3 \xrightarrow{t^\circ} 2KNO_2 + O_2\uparrow$ .
$2KNO_3 \xrightarrow{t^\circ} 2KNO_2 + O_2\uparrow$.
4
Đồng (Cu) thuộc nhóm kim loại hoạt động trung bình (từ Mg đến Cu), nên nhiệt phân cho oxide kim loại, khí $NO_2$ và khí $O_2$ : $2Cu(NO_3)_2 \xrightarrow{t^\circ} 2CuO + 4NO_2\uparrow + O_2\uparrow$ .
Đồng (Cu) thuộc nhóm kim loại hoạt động trung bình (từ Mg đến Cu), nên nhiệt phân cho oxide kim loại, khí $NO_2$ và khí $O_2$: $2Cu(NO_3)_2 \xrightarrow{t^\circ} 2CuO + 4NO_2\uparrow + O_2\uparrow$.
5
Vậy $KNO_3$ nhiệt phân cho $KNO_2 + O_2$ (giữ nguyên số oxi hoá của kim loại), còn $Cu(NO_3)_2$ nhiệt phân cho $CuO + NO_2 + O_2$ — khác biệt bắt nguồn từ mức độ hoạt động hoá học của kim loại.
Vậy $KNO_3$ nhiệt phân cho $KNO_2 + O_2$ (giữ nguyên số oxi hoá của kim loại), còn $Cu(NO_3)_2$ nhiệt phân cho $CuO + NO_2 + O_2$ — khác biệt bắt nguồn từ mức độ hoạt động hoá học của kim loại.

Ví dụ

Phân tích một trường hợp phú dưỡng ao nuôi cá do bón phân dư thừa

1
Một ao nuôi cá cạnh cánh đồng được bón nhiều phân đạm $NH_4NO_3$ . Sau một thời gian, mặt ao xuất hiện lớp tảo xanh dày đặc, sau đó cá trong ao chết hàng loạt dù không có dấu hiệu nhiễm độc trực tiếp. Giải thích nguyên nhân bằng kiến thức đã học.
Một ao nuôi cá cạnh cánh đồng được bón nhiều phân đạm $NH_4NO_3$. Sau một thời gian, mặt ao xuất hiện lớp tảo xanh dày đặc, sau đó cá trong ao chết hàng loạt dù không có dấu hiệu nhiễm độc trực tiếp. Giải thích nguyên nhân bằng kiến thức đã học.
2
Phân bón dư thừa không được cây hấp thụ hết bị nước mưa cuốn trôi vào ao, làm tăng đột biến nồng độ ion $NO_3^-$ (và $NH_4^+$ ) trong nước ao.
Phân bón dư thừa không được cây hấp thụ hết bị nước mưa cuốn trôi vào ao, làm tăng đột biến nồng độ ion $NO_3^-$ (và $NH_4^+$) trong nước ao.
3
Nồng độ dinh dưỡng cao (đặc biệt là nitrate) tạo điều kiện lí tưởng cho tảo và thực vật phù du sinh trưởng rất nhanh, dẫn đến hiện tượng phú dưỡng — "nở hoa" của tảo trên mặt ao.
4
Khi lớp tảo dày chết đi, vi sinh vật trong nước phân giải xác tảo, quá trình này tiêu thụ một lượng lớn oxygen hoà tan. Nồng độ oxygen trong nước giảm mạnh khiến cá không đủ oxygen để hô hấp, dẫn đến chết hàng loạt — không phải do độc tính trực tiếp của nitrate.
5
Vậy nguyên nhân cá chết là hiện tượng phú dưỡng: phân bón dư thừa → tảo bùng phát → tảo chết, vi sinh vật phân giải tiêu tốn oxygen → thiếu oxygen hoà tan → cá chết hàng loạt.

Ví dụ

Tính khối lượng chất rắn còn lại sau khi nhiệt phân AgNO3

1
Nhiệt phân hoàn toàn 8,5 gam $AgNO_3$ (M = 170 g/mol). Tính khối lượng chất rắn thu được sau phản ứng, biết $2AgNO_3 \xrightarrow{t^\circ} 2Ag + 2NO_2\uparrow + O_2\uparrow$ .
Nhiệt phân hoàn toàn 8,5 gam $AgNO_3$ (M = 170 g/mol). Tính khối lượng chất rắn thu được sau phản ứng, biết $2AgNO_3 \xrightarrow{t^\circ} 2Ag + 2NO_2\uparrow + O_2\uparrow$.
2
$n(AgNO_3) = \dfrac{8{,}5}{170} = 0{,}05$ mol.
$n(AgNO_3) = \dfrac{8{,}5}{170} = 0{,}05$ mol.
3
Theo phương trình, tỉ lệ mol $AgNO_3 : Ag = 1 : 1$ , nên $n(Ag) = 0{,}05$ mol.
Theo phương trình, tỉ lệ mol $AgNO_3 : Ag = 1 : 1$, nên $n(Ag) = 0{,}05$ mol.
4
$m(Ag) = 0{,}05 \times 108 = 5{,}4$ g. Vì Ag là kim loại kém hoạt động, chất rắn còn lại sau nhiệt phân là kim loại Ag, không phải oxide.
$m(Ag) = 0{,}05 \times 108 = 5{,}4$ g. Vì Ag là kim loại kém hoạt động, chất rắn còn lại sau nhiệt phân là kim loại Ag, không phải oxide.
5
Vậy khối lượng chất rắn thu được là 5,4 gam kim loại bạc — khác với trường hợp $Cu(NO_3)_2$ hay $KNO_3$ , nơi chất rắn còn lại lần lượt là oxide hoặc muối nitrite.
Vậy khối lượng chất rắn thu được là 5,4 gam kim loại bạc — khác với trường hợp $Cu(NO_3)_2$ hay $KNO_3$, nơi chất rắn còn lại lần lượt là oxide hoặc muối nitrite.

Sai lầm thường gặp

Nhiều em áp dụng chung một công thức nhiệt phân cho mọi muối nitrate mà không phân loại theo mức độ hoạt động của kim loại, dẫn đến viết sai sản phẩm (ví dụ viết $Cu(NO_3)_2$ nhiệt phân cho $Cu$ kim loại thay vì $CuO$ ). Hãy luôn xác định trước kim loại thuộc nhóm nào trong ba nhóm hoạt động (trước Mg / từ Mg đến Cu / sau Cu) rồi mới chọn đúng dạng sản phẩm.

Nhiều em áp dụng chung một công thức nhiệt phân cho mọi muối nitrate mà không phân loại theo mức độ hoạt động của kim loại, dẫn đến viết sai sản phẩm (ví dụ viết $Cu(NO_3)_2$ nhiệt phân cho $Cu$ kim loại thay vì $CuO$). Hãy luôn xác định trước kim loại thuộc nhóm nào trong ba nhóm hoạt động (trước Mg / từ Mg đến Cu / sau Cu) rồi mới chọn đúng dạng sản phẩm.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Công nghiệp sản xuất $HNO_3$ theo ba giai đoạn nối tiếp từ $NH_3$ : oxi hoá thành $NO$ (xúc tác Pt) → oxi hoá thành $NO_2$ → hấp thụ vào nước tạo $HNO_3$ . Muối nitrate tan tốt, nhiệt phân theo ba nhóm hoạt động kim loại (mạnh → nitrite + O₂; trung bình → oxide + NO₂ + O₂; yếu → kim loại + NO₂ + O₂). Dư thừa nitrate từ phân bón gây phú dưỡng, làm cạn kiệt oxygen hoà tan trong nước.

Công nghiệp sản xuất $HNO_3$ theo ba giai đoạn nối tiếp từ $NH_3$: oxi hoá thành $NO$ (xúc tác Pt) → oxi hoá thành $NO_2$ → hấp thụ vào nước tạo $HNO_3$. Muối nitrate tan tốt, nhiệt phân theo ba nhóm hoạt động kim loại (mạnh → nitrite + O₂; trung bình → oxide + NO₂ + O₂; yếu → kim loại + NO₂ + O₂). Dư thừa nitrate từ phân bón gây phú dưỡng, làm cạn kiệt oxygen hoà tan trong nước.

Cầu nối

Chương cuối cùng của khoá học hệ thống hoá lại toàn bộ chuỗi biến đổi từ $N_2$ đến $HNO_3$ và muối nitrate, giúp em luyện các dạng bài tổng hợp thường gặp trong đề kiểm tra học kì.