Bài học

Ôn tập HNO₃ – muối nitrate và đề tổng hợp

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em hệ thống hoá được sự thay đổi số oxi hoá của nitrogen xuyên suốt khoá học, giải được một đề tổng hợp phối hợp cả $NH_3$ , muối ammonium, $HNO_3$ và muối nitrate trong cùng một bài, và tự tin bước vào bài kiểm tra cuối chương với đầy đủ các dạng bài đã luyện.

Sau bài này, em hệ thống hoá được sự thay đổi số oxi hoá của nitrogen xuyên suốt khoá học, giải được một đề tổng hợp phối hợp cả $NH_3$, muối ammonium, $HNO_3$ và muối nitrate trong cùng một bài, và tự tin bước vào bài kiểm tra cuối chương với đầy đủ các dạng bài đã luyện.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài này ôn lại toàn bộ Chương 4: tính acid mạnh và oxi hoá mạnh của $HNO_3$ (Bài 4.1), quy trình sản xuất công nghiệp và muối nitrate (Bài 4.2), đồng thời nối lại với Bài 5.1 vừa học để tạo một cái nhìn xuyên suốt cả khoá — từ $N_2$ số oxi hoá 0 đến $HNO_3$ số oxi hoá +5.

Khởi động

Xuyên suốt khoá học, nguyên tử nitrogen đã "đi qua" rất nhiều số oxi hoá khác nhau: từ 0 trong $N_2$ , xuống −3 trong $NH_3$ , rồi lại tăng dần qua $NO$ , $NO_2$ , đến +5 trong $HNO_3$ . Nếu vẽ một biểu đồ thể hiện hành trình đó, nó sẽ trông như thế nào — và tại sao việc nắm được toàn bộ hành trình này lại giúp em giải nhanh các bài chuỗi phản ứng phức tạp?

Xuyên suốt khoá học, nguyên tử nitrogen đã "đi qua" rất nhiều số oxi hoá khác nhau: từ 0 trong $N_2$, xuống −3 trong $NH_3$, rồi lại tăng dần qua $NO$, $NO_2$, đến +5 trong $HNO_3$. Nếu vẽ một biểu đồ thể hiện hành trình đó, nó sẽ trông như thế nào — và tại sao việc nắm được toàn bộ hành trình này lại giúp em giải nhanh các bài chuỗi phản ứng phức tạp?

Kiến thức trọng tâm

Nhìn lại toàn khoá học qua lăng kính số oxi hoá của nitrogen giúp hệ thống hoá mọi phản ứng đã học thành một bức tranh thống nhất. $N_2$ ở số oxi hoá 0 là điểm khởi đầu; nó có thể giảm xuống −3 (tạo $NH_3$ , khi phản ứng với $H_2$ — nitrogen là chất oxi hoá trong phản ứng này) hoặc tăng lên +2 (tạo $NO$ , khi phản ứng với $O_2$ ở nhiệt độ cực cao — nitrogen là chất khử). Từ $NH_3$ (−3), nếu gặp chất oxi hoá, N lại tăng trở lại: lên 0 (tạo $N_2$ , đốt không xúc tác) hoặc lên +2 (tạo $NO$ , đốt có xúc tác Pt — bước mở đầu sản xuất $HNO_3$ ). Từ $NO$ (+2), N tiếp tục tăng lên +4 (tạo $NO_2$ , phản ứng với $O_2$ dư) rồi lên +5 (tạo $HNO_3$ , hấp thụ vào nước). Ở đầu bên kia, $HNO_3$ (+5) khi phản ứng với kim loại lại giảm trở về +4 ( $NO_2$ , với acid đặc) hoặc +2 ( $NO$ , với acid loãng) — N đóng vai trò chất oxi hoá.

Nhìn theo cách này, mọi phản ứng trong khoá học đều là một bước dịch chuyển số oxi hoá của N theo một trong hai chiều — tăng (N là chất khử) hoặc giảm (N là chất oxi hoá) — trừ các phản ứng acid–base thuần tuý (như $NH_3 + HCl \to NH_4Cl$ hay $NH_4Cl + NaOH \to NH_3$ ) không làm thay đổi số oxi hoá của N chút nào, chỉ là phản ứng trao đổi proton. Phân biệt được hai loại phản ứng này — thay đổi số oxi hoá hay không — là kĩ năng cốt lõi để giải nhanh một đề tổng hợp có nhiều bước biến đổi liên tiếp.

Nhìn lại toàn khoá học qua lăng kính số oxi hoá của nitrogen giúp hệ thống hoá mọi phản ứng đã học thành một bức tranh thống nhất. $N_2$ ở số oxi hoá 0 là điểm khởi đầu; nó có thể **giảm** xuống −3 (tạo $NH_3$, khi phản ứng với $H_2$ — nitrogen là chất oxi hoá trong phản ứng này) hoặc **tăng** lên +2 (tạo $NO$, khi phản ứng với $O_2$ ở nhiệt độ cực cao — nitrogen là chất khử). Từ $NH_3$ (−3), nếu gặp chất oxi hoá, N lại tăng trở lại: lên 0 (tạo $N_2$, đốt không xúc tác) hoặc lên +2 (tạo $NO$, đốt có xúc tác Pt — bước mở đầu sản xuất $HNO_3$). Từ $NO$ (+2), N tiếp tục tăng lên +4 (tạo $NO_2$, phản ứng với $O_2$ dư) rồi lên +5 (tạo $HNO_3$, hấp thụ vào nước). Ở đầu bên kia, $HNO_3$ (+5) khi phản ứng với kim loại lại **giảm** trở về +4 ($NO_2$, với acid đặc) hoặc +2 ($NO$, với acid loãng) — N đóng vai trò chất oxi hoá. Nhìn theo cách này, mọi phản ứng trong khoá học đều là một bước dịch chuyển số oxi hoá của N theo một trong hai chiều — tăng (N là chất khử) hoặc giảm (N là chất oxi hoá) — trừ các phản ứng acid–base thuần tuý (như $NH_3 + HCl \to NH_4Cl$ hay $NH_4Cl + NaOH \to NH_3$) không làm thay đổi số oxi hoá của N chút nào, chỉ là phản ứng trao đổi proton. Phân biệt được hai loại phản ứng này — thay đổi số oxi hoá hay không — là kĩ năng cốt lõi để giải nhanh một đề tổng hợp có nhiều bước biến đổi liên tiếp.

Mỗi bước tăng trên biểu đồ ứng với một phản ứng trong đó N là chất khử; mỗi bước giảm ứng với N là chất oxi hoá.

Ví dụ

Đề tổng hợp: từ alcohol đến muối, phối hợp oxi hoá–khử và tính toán theo PTHH

1
Cho 5,6 gam Fe tác dụng hoàn toàn với dung dịch $HNO_3$ loãng dư, thu được khí $NO$ (sản phẩm khử duy nhất) và dung dịch chứa muối $Fe(NO_3)_3$ . (a) Viết phương trình hoá học, cân bằng bằng thăng bằng electron. (b) Tính thể tích khí $NO$ thu được ở đkc. (c) Nếu cho toàn bộ dung dịch sau phản ứng tác dụng với $NaOH$ dư, có hiện tượng gì xảy ra thêm nữa hay không?
Cho 5,6 gam Fe tác dụng hoàn toàn với dung dịch $HNO_3$ loãng dư, thu được khí $NO$ (sản phẩm khử duy nhất) và dung dịch chứa muối $Fe(NO_3)_3$. (a) Viết phương trình hoá học, cân bằng bằng thăng bằng electron. (b) Tính thể tích khí $NO$ thu được ở đkc. (c) Nếu cho toàn bộ dung dịch sau phản ứng tác dụng với $NaOH$ dư, có hiện tượng gì xảy ra thêm nữa hay không?
2
Fe: $0 \to +3$ , nhường 3e. N trong $HNO_3$ : $+5 \to +2$ (trong $NO$ ), nhận 3e. Tỉ lệ nhường – nhận bằng nhau (3e : 3e) nên hệ số Fe : NO = 1 : 1. Cân bằng đầy đủ: $Fe + 4HNO_3(loãng) \to Fe(NO_3)_3 + NO\uparrow + 2H_2O$ .
Fe: $0 \to +3$, nhường 3e. N trong $HNO_3$: $+5 \to +2$ (trong $NO$), nhận 3e. Tỉ lệ nhường – nhận bằng nhau (3e : 3e) nên hệ số Fe : NO = 1 : 1. Cân bằng đầy đủ: $Fe + 4HNO_3(loãng) \to Fe(NO_3)_3 + NO\uparrow + 2H_2O$.
3
$n(Fe) = \dfrac{5{,}6}{56} = 0{,}1$ mol. Theo PTHH, tỉ lệ $Fe : NO = 1 : 1$ , nên $n(NO) = 0{,}1$ mol.
$n(Fe) = \dfrac{5{,}6}{56} = 0{,}1$ mol. Theo PTHH, tỉ lệ $Fe : NO = 1 : 1$, nên $n(NO) = 0{,}1$ mol.
4
$V(NO) = 0{,}1 \times 24{,}79 \approx 2{,}48$ lít.
$V(NO) = 0{,}1 \times 24{,}79 \approx 2{,}48$ lít.
5
Dung dịch sau phản ứng chứa $Fe(NO_3)_3$ và có thể còn dư $HNO_3$ . Khi thêm $NaOH$ dư, ion $Fe^{3+}$ phản ứng với $OH^-$ tạo kết tủa nâu đỏ $Fe(OH)_3$ : $Fe(NO_3)_3 + 3NaOH \to Fe(OH)_3\downarrow + 3NaNO_3$ — đây là phản ứng trao đổi ion, không làm thay đổi số oxi hoá, khác hẳn phản ứng oxi hoá–khử ở bước đầu.
Dung dịch sau phản ứng chứa $Fe(NO_3)_3$ và có thể còn dư $HNO_3$. Khi thêm $NaOH$ dư, ion $Fe^{3+}$ phản ứng với $OH^-$ tạo kết tủa nâu đỏ $Fe(OH)_3$: $Fe(NO_3)_3 + 3NaOH \to Fe(OH)_3\downarrow + 3NaNO_3$ — đây là phản ứng trao đổi ion, không làm thay đổi số oxi hoá, khác hẳn phản ứng oxi hoá–khử ở bước đầu.
6
Vậy $V(NO) \approx 2{,}48$ lít ở đkc, và khi thêm $NaOH$ dư sẽ xuất hiện kết tủa nâu đỏ $Fe(OH)_3$ — bài toán phối hợp cả phản ứng oxi hoá–khử của $HNO_3$ (Chương 4) lẫn phản ứng trao đổi ion quen thuộc.
Vậy $V(NO) \approx 2{,}48$ lít ở đkc, và khi thêm $NaOH$ dư sẽ xuất hiện kết tủa nâu đỏ $Fe(OH)_3$ — bài toán phối hợp cả phản ứng oxi hoá–khử của $HNO_3$ (Chương 4) lẫn phản ứng trao đổi ion quen thuộc.

Ví dụ

Đề tổng hợp: chuỗi phản ứng và câu hỏi môi trường trong cùng một đề

1
(a) Hoàn thành chuỗi phản ứng: $N_2 \to NH_3 \to NO \to NO_2 \to HNO_3 \to NaNO_3$ , ghi rõ điều kiện. (b) Giải thích ngắn gọn vì sao việc bón phân đạm nitrate cần đúng liều lượng khuyến cáo, không nên bón dư thừa "cho chắc".
(a) Hoàn thành chuỗi phản ứng: $N_2 \to NH_3 \to NO \to NO_2 \to HNO_3 \to NaNO_3$, ghi rõ điều kiện. (b) Giải thích ngắn gọn vì sao việc bón phân đạm nitrate cần đúng liều lượng khuyến cáo, không nên bón dư thừa "cho chắc".
2
$N_2 + 3H_2 \xrightarrow{xt\ Fe,\ t^\circ,\ p} 2NH_3$ ; $4NH_3 + 5O_2 \xrightarrow{xt\ Pt,\ t^\circ} 4NO + 6H_2O$ ; $2NO + O_2 \to 2NO_2$ ; $4NO_2 + O_2 + 2H_2O \to 4HNO_3$ .
$N_2 + 3H_2 \xrightarrow{xt\ Fe,\ t^\circ,\ p} 2NH_3$; $4NH_3 + 5O_2 \xrightarrow{xt\ Pt,\ t^\circ} 4NO + 6H_2O$; $2NO + O_2 \to 2NO_2$; $4NO_2 + O_2 + 2H_2O \to 4HNO_3$.
3
$HNO_3 + NaOH \to NaNO_3 + H_2O$ — phản ứng trung hoà acid–base thông thường, không làm thay đổi số oxi hoá của N (giữ nguyên +5).
$HNO_3 + NaOH \to NaNO_3 + H_2O$ — phản ứng trung hoà acid–base thông thường, không làm thay đổi số oxi hoá của N (giữ nguyên +5).
4
Bón dư thừa nitrate khiến phần cây không hấp thụ hết bị nước mưa cuốn trôi vào ao, hồ, sông, gây hiện tượng phú dưỡng: tảo bùng phát, sau đó chết và bị phân giải, tiêu tốn oxygen hoà tan, làm sinh vật thuỷ sinh thiếu oxy và chết hàng loạt. Bón đúng liều lượng vừa đảm bảo cây hấp thụ hiệu quả, vừa tránh gây hại cho hệ sinh thái nước xung quanh.
5
Vậy chuỗi năm phản ứng bao trùm cả bốn chương đầu khoá học, còn câu (b) nhắc lại đúng bài học môi trường ở Chương 4 — một đề tổng hợp thực sự phối hợp cả kiến thức hoá học lẫn ý thức bảo vệ môi trường, đúng tinh thần đề thi học kì hiện nay.

Sai lầm thường gặp

Khi làm đề tổng hợp nhiều bước, nhiều em chỉ tập trung cân bằng đúng phương trình mà bỏ qua câu hỏi giải thích hiện tượng thực tế hoặc môi trường đi kèm — trong khi các đề kiểm tra học kì hiện nay luôn có ít nhất một câu như vậy để đánh giá năng lực vận dụng, không chỉ khả năng tính toán. Hãy dành thời gian trả lời đầy đủ cả phần giải thích, không chỉ phần phương trình và số liệu.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Số oxi hoá của N xuyên suốt khoá học trải từ −3 ( $NH_3$ ) đến +5 ( $HNO_3$ ), qua các mốc 0 ( $N_2$ ), +2 ( $NO$ ), +4 ( $NO_2$ ). Phản ứng làm N tăng số oxi hoá là phản ứng N đóng vai trò chất khử; giảm là chất oxi hoá; phản ứng acid–base thuần tuý không đổi số oxi hoá. Một đề tổng hợp tốt luôn phối hợp tính toán theo PTHH với câu hỏi giải thích hiện tượng thực tế hoặc môi trường.

Số oxi hoá của N xuyên suốt khoá học trải từ −3 ($NH_3$) đến +5 ($HNO_3$), qua các mốc 0 ($N_2$), +2 ($NO$), +4 ($NO_2$). Phản ứng làm N tăng số oxi hoá là phản ứng N đóng vai trò chất khử; giảm là chất oxi hoá; phản ứng acid–base thuần tuý không đổi số oxi hoá. Một đề tổng hợp tốt luôn phối hợp tính toán theo PTHH với câu hỏi giải thích hiện tượng thực tế hoặc môi trường.

Cầu nối

Đến đây, em đã hoàn thành toàn bộ khoá học Nitrogen và hợp chất của nitrogen — nền tảng vững chắc để tiếp tục sang chương trình Hóa học 11 phần sulfur, nơi nhiều phản ứng oxi hoá–khử và bài toán định lượng tương tự sẽ quay lại, chỉ khác nguyên tố trung tâm.