Bài học

Tính acid mạnh và tính oxi hoá mạnh của nitric acid

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em viết và cân bằng được phản ứng của nitric acid với kim loại (bằng phương pháp thăng bằng electron), phân biệt được sản phẩm khử tạo thành giữa $HNO_3$ loãng và đặc, và giải thích được vì sao $HNO_3$ đặc, nguội lại không hoà tan được nhôm và sắt.

Kiến thức nền cần nhớ

Ở lớp 10, em đã học phương pháp thăng bằng electron để cân bằng phản ứng oxi hoá–khử: tổng electron chất khử nhường bằng tổng electron chất oxi hoá nhận. Course 2 cũng cho em biết $HNO_3$ là một trong các acid mạnh, phân li hoàn toàn trong nước. Bài này kết hợp cả hai mảng kiến thức đó để xử lí phản ứng đặc trưng của nitric acid.

Khởi động

Đồng (Cu) đứng sau hydrogen trong dãy hoạt động hoá học, không phản ứng được với acid $HCl$ hay $H_2SO_4$ loãng để giải phóng khí $H_2$ . Nhưng nếu nhỏ nitric acid vào một mẩu dây đồng, dung dịch lập tức chuyển màu xanh lam kèm khí thoát ra. Vì sao $HNO_3$ lại "phá" được quy tắc dãy hoạt động hoá học mà các acid khác phải tuân theo?

Đồng (Cu) đứng sau hydrogen trong dãy hoạt động hoá học, không phản ứng được với acid $HCl$ hay $H_2SO_4$ loãng để giải phóng khí $H_2$. Nhưng nếu nhỏ nitric acid vào một mẩu dây đồng, dung dịch lập tức chuyển màu xanh lam kèm khí thoát ra. Vì sao $HNO_3$ lại "phá" được quy tắc dãy hoạt động hoá học mà các acid khác phải tuân theo?

Kiến thức trọng tâm

Với các acid thông thường, khi phản ứng với kim loại, chính ion $H^+$ đóng vai trò chất oxi hoá, nhận electron tạo khí $H_2$ — và chỉ kim loại đứng trước hydrogen trong dãy hoạt động mới phản ứng được. Với $HNO_3$ , chất oxi hoá không phải $H^+$ mà là nguyên tử N trong ion $NO_3^-$ (số oxi hoá +5) — và N ở mức +5 có thể nhận electron mạnh đến mức phản ứng được với hầu hết kim loại, kể cả những kim loại đứng sau hydrogen như đồng (Cu), bạc (Ag) — chỉ trừ một số rất ít như vàng (Au), platinum (Pt). Vì cơ chế oxi hoá khác hẳn, phản ứng của kim loại với $HNO_3$ không giải phóng khí $H_2$ mà giải phóng các sản phẩm khử của N ở số oxi hoá thấp hơn +5, tuỳ theo nồng độ acid.

Với $HNO_3$ loãng, sản phẩm khử thường là khí $NO$ không màu (hoá nâu ngay trong không khí do phản ứng với $O_2$ ):

$3Cu + 8HNO_3(loãng) \to 3Cu(NO_3)_2 + 2NO\uparrow + 4H_2O$

Với $HNO_3$ đặc, sản phẩm khử là khí $NO_2$ màu nâu đỏ:

$Cu + 4HNO_3(đặc) \to Cu(NO_3)_2 + 2NO_2\uparrow + 2H_2O$

Cả hai phản ứng đều dùng phương pháp thăng bằng electron để cân bằng: đồng nhường 2 electron ( $Cu \to Cu^{2+} + 2e$ ), còn N nhận electron để giảm số oxi hoá — nhận 3e cho mỗi $NO$ (từ +5 xuống +2), hoặc nhận 1e cho mỗi $NO_2$ (từ +5 xuống +4).

Hiện tượng thụ động hoá (passivation): với $HNO_3$ đặc, nguội, hai kim loại nhôm (Al) và sắt (Fe) lại không phản ứng — bề mặt kim loại tạo một lớp oxide mỏng, bền, bám chặt, ngăn acid tiếp xúc tiếp với lớp kim loại bên dưới. Nhờ hiện tượng này, $HNO_3$ đặc, nguội có thể được vận chuyển, bảo quản trong bồn chứa bằng nhôm hoặc thép mà không ăn mòn — nhưng cần lưu ý: nếu đun nóng, lớp thụ động này bị phá vỡ và phản ứng lại xảy ra bình thường.

Nitric acid $HNO_3$ là một acid mạnh, phân li hoàn toàn trong nước ($HNO_3 \to H^+ + NO_3^-$), nên mang đầy đủ tính chất chung của acid: làm quỳ tím hoá đỏ, phản ứng với base, oxide base, muối carbonate. Nhưng điều khiến $HNO_3$ khác hẳn các acid thông thường như $HCl$, $H_2SO_4$ loãng nằm ở **tính oxi hoá mạnh** của ion $NO_3^-$ trong môi trường acid. Với các acid thông thường, khi phản ứng với kim loại, chính ion $H^+$ đóng vai trò chất oxi hoá, nhận electron tạo khí $H_2$ — và chỉ kim loại đứng trước hydrogen trong dãy hoạt động mới phản ứng được. Với $HNO_3$, chất oxi hoá không phải $H^+$ mà là **nguyên tử N trong ion $NO_3^-$** (số oxi hoá +5) — và N ở mức +5 có thể nhận electron mạnh đến mức phản ứng được với hầu hết kim loại, kể cả những kim loại đứng sau hydrogen như đồng (Cu), bạc (Ag) — chỉ trừ một số rất ít như vàng (Au), platinum (Pt). Vì cơ chế oxi hoá khác hẳn, phản ứng của kim loại với $HNO_3$ **không giải phóng khí $H_2$** mà giải phóng các sản phẩm khử của N ở số oxi hoá thấp hơn +5, tuỳ theo nồng độ acid. **Với $HNO_3$ loãng**, sản phẩm khử thường là khí $NO$ không màu (hoá nâu ngay trong không khí do phản ứng với $O_2$): $$3Cu + 8HNO_3(loãng) \to 3Cu(NO_3)_2 + 2NO\uparrow + 4H_2O$$ **Với $HNO_3$ đặc**, sản phẩm khử là khí $NO_2$ màu nâu đỏ: $$Cu + 4HNO_3(đặc) \to Cu(NO_3)_2 + 2NO_2\uparrow + 2H_2O$$ Cả hai phản ứng đều dùng phương pháp thăng bằng electron để cân bằng: đồng nhường 2 electron ($Cu \to Cu^{2+} + 2e$), còn N nhận electron để giảm số oxi hoá — nhận 3e cho mỗi $NO$ (từ +5 xuống +2), hoặc nhận 1e cho mỗi $NO_2$ (từ +5 xuống +4). **Hiện tượng thụ động hoá (passivation)**: với $HNO_3$ đặc, **nguội**, hai kim loại nhôm (Al) và sắt (Fe) lại không phản ứng — bề mặt kim loại tạo một lớp oxide mỏng, bền, bám chặt, ngăn acid tiếp xúc tiếp với lớp kim loại bên dưới. Nhờ hiện tượng này, $HNO_3$ đặc, nguội có thể được vận chuyển, bảo quản trong bồn chứa bằng nhôm hoặc thép mà không ăn mòn — nhưng cần lưu ý: nếu đun nóng, lớp thụ động này bị phá vỡ và phản ứng lại xảy ra bình thường.

Sản phẩm khử của HNO₃ phụ thuộc nồng độ acid; Al, Fe bị thụ động hoá trong HNO₃ đặc, nguội.

Ví dụ

Cân bằng phản ứng Cu với HNO3 đặc bằng phương pháp thăng bằng electron

1
Cân bằng phương trình phản ứng giữa đồng và nitric acid đặc, biết sản phẩm khử là khí $NO_2$ .
Cân bằng phương trình phản ứng giữa đồng và nitric acid đặc, biết sản phẩm khử là khí $NO_2$.
2
Trong $Cu$ , đồng có số oxi hoá 0; trong $Cu(NO_3)_2$ , đồng có số oxi hoá +2 — tăng, đồng là chất khử. Trong $HNO_3$ , N có số oxi hoá +5; trong $NO_2$ , N có số oxi hoá +4 — giảm, N là chất oxi hoá.
Trong $Cu$, đồng có số oxi hoá 0; trong $Cu(NO_3)_2$, đồng có số oxi hoá +2 — tăng, đồng là chất khử. Trong $HNO_3$, N có số oxi hoá +5; trong $NO_2$, N có số oxi hoá +4 — giảm, N là chất oxi hoá.
3
Quá trình nhường: $Cu \to Cu^{2+} + 2e$ . Quá trình nhận: $N^{+5} + 1e \to N^{+4}$ (mỗi $NO_2$ nhận 1 electron).
Quá trình nhường: $Cu \to Cu^{2+} + 2e$. Quá trình nhận: $N^{+5} + 1e \to N^{+4}$ (mỗi $NO_2$ nhận 1 electron).
4
Để tổng electron nhường bằng tổng electron nhận, cần 1 $Cu$ (nhường 2e) ứng với 2 $NO_2$ (mỗi cái nhận 1e, tổng 2e). Vậy hệ số tạm thời là 1 $Cu$ và 2 $NO_2$ .
Để tổng electron nhường bằng tổng electron nhận, cần 1 $Cu$ (nhường 2e) ứng với 2 $NO_2$ (mỗi cái nhận 1e, tổng 2e). Vậy hệ số tạm thời là 1 $Cu$ và 2 $NO_2$.
5
Đặt hệ số 1 cho $Cu$ , 1 cho $Cu(NO_3)_2$ , 2 cho $NO_2$ ; cân bằng N còn lại (2 trong muối + 2 trong $NO_2$ = 4) bằng hệ số 4 cho $HNO_3$ ; cân bằng H bằng hệ số 2 cho $H_2O$ . Phương trình: $Cu + 4HNO_3(đặc) \to Cu(NO_3)_2 + 2NO_2\uparrow + 2H_2O$ . Kiểm tra O: vế trái 12, vế phải 6+4+2=12 — khớp.
Đặt hệ số 1 cho $Cu$, 1 cho $Cu(NO_3)_2$, 2 cho $NO_2$; cân bằng N còn lại (2 trong muối + 2 trong $NO_2$ = 4) bằng hệ số 4 cho $HNO_3$; cân bằng H bằng hệ số 2 cho $H_2O$. Phương trình: $Cu + 4HNO_3(đặc) \to Cu(NO_3)_2 + 2NO_2\uparrow + 2H_2O$. Kiểm tra O: vế trái 12, vế phải 6+4+2=12 — khớp.

Ví dụ

Tính thể tích khí NO sinh ra khi hoà tan một lượng đồng trong HNO3 loãng

1
Hoà tan hoàn toàn 9,6 gam đồng trong dung dịch $HNO_3$ loãng dư, thu được khí $NO$ (sản phẩm khử duy nhất). Tính thể tích khí $NO$ thu được ở đkc.
Hoà tan hoàn toàn 9,6 gam đồng trong dung dịch $HNO_3$ loãng dư, thu được khí $NO$ (sản phẩm khử duy nhất). Tính thể tích khí $NO$ thu được ở đkc.
2
$n(Cu) = \dfrac{9{,}6}{64} = 0{,}15$ mol.
$n(Cu) = \dfrac{9{,}6}{64} = 0{,}15$ mol.
3
Theo $3Cu + 8HNO_3 \to 3Cu(NO_3)_2 + 2NO\uparrow + 4H_2O$ , tỉ lệ mol $Cu : NO = 3 : 2$ . Suy ra $n(NO) = \dfrac{2}{3} \times 0{,}15 = 0{,}10$ mol.
Theo $3Cu + 8HNO_3 \to 3Cu(NO_3)_2 + 2NO\uparrow + 4H_2O$, tỉ lệ mol $Cu : NO = 3 : 2$. Suy ra $n(NO) = \dfrac{2}{3} \times 0{,}15 = 0{,}10$ mol.
4
$V(NO) = 0{,}10 \times 24{,}79 \approx 2{,}48$ lít.
$V(NO) = 0{,}10 \times 24{,}79 \approx 2{,}48$ lít.
5
Vậy thể tích khí $NO$ thu được ở đkc xấp xỉ 2,48 lít — lưu ý đây là sản phẩm khử của $HNO_3$ loãng, khác hẳn khí $NO_2$ nếu đề cho $HNO_3$ đặc.
Vậy thể tích khí $NO$ thu được ở đkc xấp xỉ 2,48 lít — lưu ý đây là sản phẩm khử của $HNO_3$ loãng, khác hẳn khí $NO_2$ nếu đề cho $HNO_3$ đặc.

Sai lầm thường gặp

Nhiều em áp dụng thói quen từ $HCl$ , $H_2SO_4$ loãng, cho rằng đồng "không phản ứng được với acid" nên bỏ sót phản ứng với $HNO_3$ , hoặc viết nhầm sản phẩm khí là $H_2$ . Hãy nhớ: với $HNO_3$ , chất oxi hoá là N trong $NO_3^-$ chứ không phải $H^+$ , nên phản ứng xảy ra được với cả kim loại đứng sau hydrogen, và sản phẩm khí luôn là oxide của nitrogen ( $NO$ hoặc $NO_2$ ), không bao giờ là $H_2$ .

Nhiều em áp dụng thói quen từ $HCl$, $H_2SO_4$ loãng, cho rằng đồng "không phản ứng được với acid" nên bỏ sót phản ứng với $HNO_3$, hoặc viết nhầm sản phẩm khí là $H_2$. Hãy nhớ: với $HNO_3$, chất oxi hoá là N trong $NO_3^-$ chứ không phải $H^+$, nên phản ứng xảy ra được với cả kim loại đứng sau hydrogen, và sản phẩm khí luôn là oxide của nitrogen ($NO$ hoặc $NO_2$), không bao giờ là $H_2$.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

$HNO_3$ vừa là acid mạnh vừa là chất oxi hoá mạnh nhờ N ở số oxi hoá +5 trong $NO_3^-$ . Phản ứng với hầu hết kim loại (trừ Au, Pt), không giải phóng $H_2$ mà giải phóng $NO$ (loãng) hoặc $NO_2$ (đặc) — cân bằng bằng phương pháp thăng bằng electron. $HNO_3$ đặc, nguội thụ động hoá Al, Fe nhờ lớp oxide bảo vệ bề mặt.

$HNO_3$ vừa là acid mạnh vừa là chất oxi hoá mạnh nhờ N ở số oxi hoá +5 trong $NO_3^-$. Phản ứng với hầu hết kim loại (trừ Au, Pt), không giải phóng $H_2$ mà giải phóng $NO$ (loãng) hoặc $NO_2$ (đặc) — cân bằng bằng phương pháp thăng bằng electron. $HNO_3$ đặc, nguội thụ động hoá Al, Fe nhờ lớp oxide bảo vệ bề mặt.

Cầu nối

Bài tiếp theo trả lời câu hỏi: nitric acid với tính oxi hoá mạnh như vậy được sản xuất bằng cách nào trong công nghiệp, và muối nitrate của nó — sản phẩm của mọi phản ứng vừa học — có tính chất và tác động môi trường ra sao.