Bài học

Tính chất hóa học của sulfuric acid loãng

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em viết được phương trình hóa học của dung dịch sulfuric acid loãng tác dụng với kim loại, base, oxide base và muối carbonate, đồng thời giải quyết được bài toán tính toán theo phương trình có liên quan.

Kiến thức nền cần nhớ

Từ Course 2 (kim loại và dãy hoạt động hóa học), em đã biết acid mạnh tác dụng với kim loại đứng trước hydrogen trong dãy hoạt động giải phóng khí H2. $H_2SO_4$ loãng là một acid mạnh, phân li hoàn toàn trong nước: $H_2SO_4 \to 2H^+ + SO_4^{2-}$ .

Khởi động

Ắc quy chì-acid trong xe máy, ô tô sử dụng dung dịch sulfuric acid loãng làm chất điện li. Vì sao lại chọn đúng acid này, và nó phản ứng như thế nào với các kim loại, base thông thường mà em đã biết?

Kiến thức trọng tâm

$H_2SO_4$ loãng là acid mạnh, hai lần acid (diprotic — có hai nguyên tử H linh động), thể hiện đầy đủ các tính chất chung của một acid mạnh điển hình.

(1) Tác dụng kim loại (đứng trước H trong dãy hoạt động hóa học) → muối + khí H2: $Fe + H_2SO_4$ (loãng) $\to FeSO_4 + H_2\uparrow$ ; $Zn + H_2SO_4$ (loãng) $\to ZnSO_4 + H_2\uparrow$ . Kim loại đứng sau H (Cu, Ag, Au...) không phản ứng với H2SO4 loãng.

(2) Tác dụng base → muối + nước: $2NaOH + H_2SO_4 \to Na_2SO_4 + 2H_2O$ ; $Cu(OH)_2 + H_2SO_4 \to CuSO_4 + 2H_2O$ .

(3) Tác dụng oxide base → muối + nước: $CuO + H_2SO_4 \to CuSO_4 + H_2O$ ; $Fe_2O_3 + 3H_2SO_4 \to Fe_2(SO_4)_3 + 3H_2O$ .

(4) Tác dụng muối carbonate → muối mới + khí CO2 + nước: $CaCO_3 + H_2SO_4 \to CaSO_4 + CO_2\uparrow + H_2O$ ; $Na_2CO_3 + H_2SO_4 \to Na_2SO_4 + CO_2\uparrow + H_2O$ .

Một lưu ý thực tế: phản ứng của H2SO4 loãng với một khối đá vôi (CaCO3) lớn thường chậm dần và có thể gần như dừng lại, vì CaSO4 tạo thành ít tan, bám thành lớp mỏng bọc quanh khối đá vôi, ngăn cản acid tiếp xúc tiếp với phần đá bên trong. Đây là lý do trong công nghiệp và phòng thí nghiệm, để hòa tan đá vôi triệt để, người ta thường chọn acid khác như HCl, tạo muối tan hoàn toàn, thay vì dùng H2SO4.

$H_2SO_4$ loãng là acid mạnh, hai lần acid (diprotic — có hai nguyên tử H linh động), thể hiện đầy đủ các tính chất chung của một acid mạnh điển hình. **(1) Tác dụng kim loại** (đứng trước H trong dãy hoạt động hóa học) → muối + khí H2: $Fe + H_2SO_4$ (loãng) $\to FeSO_4 + H_2\uparrow$; $Zn + H_2SO_4$ (loãng) $\to ZnSO_4 + H_2\uparrow$. Kim loại đứng sau H (Cu, Ag, Au...) không phản ứng với H2SO4 loãng. **(2) Tác dụng base** → muối + nước: $2NaOH + H_2SO_4 \to Na_2SO_4 + 2H_2O$; $Cu(OH)_2 + H_2SO_4 \to CuSO_4 + 2H_2O$. **(3) Tác dụng oxide base** → muối + nước: $CuO + H_2SO_4 \to CuSO_4 + H_2O$; $Fe_2O_3 + 3H_2SO_4 \to Fe_2(SO_4)_3 + 3H_2O$. **(4) Tác dụng muối carbonate** → muối mới + khí CO2 + nước: $CaCO_3 + H_2SO_4 \to CaSO_4 + CO_2\uparrow + H_2O$; $Na_2CO_3 + H_2SO_4 \to Na_2SO_4 + CO_2\uparrow + H_2O$. Một lưu ý thực tế: phản ứng của H2SO4 loãng với một khối đá vôi (CaCO3) lớn thường chậm dần và có thể gần như dừng lại, vì CaSO4 tạo thành ít tan, bám thành lớp mỏng bọc quanh khối đá vôi, ngăn cản acid tiếp xúc tiếp với phần đá bên trong. Đây là lý do trong công nghiệp và phòng thí nghiệm, để hòa tan đá vôi triệt để, người ta thường chọn acid khác như HCl, tạo muối tan hoàn toàn, thay vì dùng H2SO4.

Với cùng 0,1 mol kim loại: Zn, Fe, Mg (hóa trị II) đều cho 0,1 mol

H_2

; riêng Al (hóa trị III, tỉ lệ mol

Al:H_2=2{:}3

) cho tới 0,15 mol

H_2

.Với cùng 0,1 mol kim loại: Zn, Fe, Mg (hóa trị II) đều cho 0,1 mol $H_2$; riêng Al (hóa trị III, tỉ lệ mol $Al:H_2=2{:}3$) cho tới 0,15 mol $H_2$.

Ví dụ

Viết phương trình cho bốn loại phản ứng của H2SO4 loãng

1
Hoàn thành các phương trình hóa học: (a) Al + H2SO4 (loãng); (b) MgO + H2SO4; (c) KOH + H2SO4; (d) K2CO3 + H2SO4.
2
$2Al + 3H_2SO_4$ (loãng) $\to Al_2(SO_4)_3 + 3H_2\uparrow$ (Al đứng trước H, hóa trị III trong muối).
$2Al + 3H_2SO_4$ (loãng) $\to Al_2(SO_4)_3 + 3H_2\uparrow$ (Al đứng trước H, hóa trị III trong muối).
3
$MgO + H_2SO_4 \to MgSO_4 + H_2O$ .
$MgO + H_2SO_4 \to MgSO_4 + H_2O$.
4
$2KOH + H_2SO_4 \to K_2SO_4 + 2H_2O$ .
$2KOH + H_2SO_4 \to K_2SO_4 + 2H_2O$.
5
$K_2CO_3 + H_2SO_4 \to K_2SO_4 + CO_2\uparrow + H_2O$ .
$K_2CO_3 + H_2SO_4 \to K_2SO_4 + CO_2\uparrow + H_2O$.
6
Bốn phản ứng lần lượt minh họa đủ bốn nhóm chất mà H2SO4 loãng phản ứng được: kim loại hoạt động, oxide base, base, muối carbonate — đúng tính chất chung của một acid mạnh.

Ví dụ

Bài toán tính thể tích khí theo phương trình

1
Hòa tan hoàn toàn 6,5 gam kẽm (Zn) vào dung dịch H2SO4 loãng dư. Tính thể tích khí H2 sinh ra ở đkc (25°C, 1 bar) và khối lượng muối ZnSO4 thu được sau phản ứng.
2
$M(Zn) = 65$ g/mol; $n(Zn) = 6{,}5/65 = 0{,}1$ mol.
$M(Zn) = 65$ g/mol; $n(Zn) = 6{,}5/65 = 0{,}1$ mol.
3
$Zn + H_2SO_4$ (loãng) $\to ZnSO_4 + H_2\uparrow$ . Theo phương trình, tỉ lệ Zn : H2 : ZnSO4 = 1:1:1, nên $n(H_2) = n(ZnSO_4) = n(Zn) = 0{,}1$ mol.
$Zn + H_2SO_4$ (loãng) $\to ZnSO_4 + H_2\uparrow$. Theo phương trình, tỉ lệ Zn : H2 : ZnSO4 = 1:1:1, nên $n(H_2) = n(ZnSO_4) = n(Zn) = 0{,}1$ mol.
4
$V(H_2) = n \times V_m = 0{,}1 \times 24{,}79 = 2{,}479$ lít.
$V(H_2) = n \times V_m = 0{,}1 \times 24{,}79 = 2{,}479$ lít.
5
$M(ZnSO_4) = 65+32+64 = 161$ g/mol; $m = 0{,}1 \times 161 = 16{,}1$ gam.
$M(ZnSO_4) = 65+32+64 = 161$ g/mol; $m = 0{,}1 \times 161 = 16{,}1$ gam.
6
Vậy $V(H_2) = 2{,}479$ lít (đkc) và $m(ZnSO_4) = 16{,}1$ gam — quy đổi khối lượng chất ban đầu về số mol trước, dùng tỉ lệ hệ số trong phương trình đã cân bằng, rồi mới đổi ngược lại ra khối lượng hoặc thể tích theo đúng đơn vị đề bài yêu cầu.
Vậy $V(H_2) = 2{,}479$ lít (đkc) và $m(ZnSO_4) = 16{,}1$ gam — quy đổi khối lượng chất ban đầu về số mol trước, dùng tỉ lệ hệ số trong phương trình đã cân bằng, rồi mới đổi ngược lại ra khối lượng hoặc thể tích theo đúng đơn vị đề bài yêu cầu.

Sai lầm thường gặp

Học sinh hay quên kiểm tra kim loại có đứng trước H trong dãy hoạt động hay không trước khi viết phản ứng giải phóng H2. Với Cu, Ag — những kim loại đứng sau H — phản ứng với H2SO4 loãng KHÔNG xảy ra theo kiểu giải phóng khí H2; tính chất của H2SO4 đặc với các kim loại này hoàn toàn khác, sẽ học ở bài sau.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

H2SO4 loãng là acid mạnh điển hình: + kim loại (trước H) → muối+H2; + base → muối+nước; + oxide base → muối+nước; + muối carbonate → muối mới+CO2+H2O. CaSO4 ít tan có thể làm chậm phản ứng với đá vôi khối lớn.

Bài tiếp theo học một "phiên bản" hoàn toàn khác của cùng một chất — sulfuric acid đặc, với tính oxi hóa mạnh và tính háo nước đặc trưng mà acid loãng hoàn toàn không có.