Đây là bản xem thử. Phiên bản đầy đủ trong ứng dụng có bài tập, AI chấm ngay và theo dõi tiến độ học.
Bài học
Tính oxi hóa mạnh và tính háo nước của sulfuric acid đặc
Mục tiêu bài học
Sau bài này, em viết được phương trình phản ứng của H2SO4 đặc với kim loại (kể cả kim loại đứng sau H), giải thích được hiện tượng than hóa đường bằng tính háo nước, và nêu được quy tắc an toàn khi pha loãng acid đặc.
Kiến thức nền cần nhớ
Bài trước em đã học H2SO4 loãng chỉ phản ứng với kim loại đứng trước H, giải phóng khí H2. Bài này học tiếp tính chất của chính chất đó nhưng ở dạng đặc — hoàn toàn khác biệt, tương tự cách HNO3 đặc khác HNO3 loãng mà em đã gặp ở Course 3.
Khởi động
Nếu nhỏ vài giọt H2SO4 đặc vào một cốc đường trắng, chỉ sau ít phút, khối đường chuyển sang màu đen, sủi bọt và trào lên như một khối than xốp. Đường không hề bị đốt bằng lửa — vậy phản ứng nào đã biến đường thành than?
Kiến thức trọng tâm
**Tính oxi hóa mạnh.** Khác với H2SO4 loãng, H2SO4 đặc (đặc biệt khi đun nóng) oxi hóa được hầu hết kim loại, kể cả những kim loại đứng SAU hydrogen như đồng (Cu), bạc (Ag) — và sản phẩm khử KHÔNG phải khí H2 mà thường là khí SO2: $Cu + 2H_2SO_4$ (đặc, $t^\circ$) $\to CuSO_4 + SO_2\uparrow + 2H_2O$. Ở đây, sulfur trong H2SO4 (số oxi hóa +6) là chất oxi hóa, bị khử xuống +4 (SO2); đồng bị oxi hóa từ 0 lên +2.
Giống hệt hiện tượng đã gặp với HNO3 đặc nguội ở Course 3, H2SO4 đặc NGUỘI (không đun nóng) làm thụ động hóa nhôm (Al) và sắt (Fe) — tạo một lớp oxide bền, mỏng bám trên bề mặt kim loại, ngăn phản ứng tiếp tục xảy ra. Vì vậy, người ta có thể dùng bình chứa bằng nhôm hoặc thép để chuyên chở H2SO4 đặc nguội an toàn — điều không thể làm được với H2SO4 loãng.
**Tính háo nước.** H2SO4 đặc có ái lực rất mạnh với nước, đến mức có thể tách nguyên tử hydrogen và oxygen ra khỏi các hợp chất hữu cơ chứa nhóm –OH theo đúng tỉ lệ H:O = 2:1, dù hợp chất đó không hề chứa nước tự do. Với đường sucrose $C_{12}H_{22}O_{11}$: $C_{12}H_{22}O_{11} \xrightarrow{H_2SO_4 \text{ đặc}} 12C + 11H_2O$ — khối đường chuyển thành carbon (than) màu đen. Lượng nước mới sinh lập tức bị H2SO4 đặc hấp thụ tiếp, đồng thời phản ứng tỏa nhiệt mạnh làm khối than nóng lên, tiếp tục phản ứng với chính H2SO4 đặc dư: $C + 2H_2SO_4$ (đặc, $t^\circ$) $\to CO_2\uparrow + 2SO_2\uparrow + 2H_2O$ — chính lượng khí CO2 và SO2 sinh ra đẩy khối than xốp trào lên khỏi cốc.
Vì phản ứng hòa tan H2SO4 đặc vào nước tỏa nhiệt cực mạnh, nguyên tắc bắt buộc khi pha loãng là luôn rót từ từ acid vào nước, vừa rót vừa khuấy đều — TUYỆT ĐỐI không đổ nước vào acid đặc, vì nước nhẹ hơn acid đặc sẽ nổi lên trên và sôi đột ngột ngay tại chỗ tiếp xúc, bắn tóe các giọt acid nóng gây bỏng nguy hiểm.
Ví dụ
Viết phương trình H2SO4 đặc tác dụng kim loại
1
Viết phương trình hóa học khi đun nóng: (a) đồng với H2SO4 đặc; (b) sắt với H2SO4 đặc, nóng. Nêu điểm khác biệt so với phản ứng của các kim loại này với H2SO4 loãng.
$2Fe + 6H_2SO_4$ (đặc, $t^\circ$) $\to Fe_2(SO_4)_3 + 3SO_2\uparrow + 6H_2O$ (sắt bị oxi hóa lên hóa trị III do H2SO4 đặc là chất oxi hóa mạnh).
4
Với H2SO4 loãng, Cu hoàn toàn không phản ứng (Cu đứng sau H); với H2SO4 đặc nóng, Cu bị oxi hóa, sinh khí SO2 chứ không phải H2. Với Fe, H2SO4 loãng chỉ tạo muối Fe(II) còn H2SO4 đặc nóng oxi hóa Fe lên tận Fe(III).
5
H2SO4 đặc là chất oxi hóa mạnh hơn hẳn H2SO4 loãng — phản ứng được với cả kim loại đứng sau H, và oxi hóa kim loại lên số oxi hóa cao hơn khi kim loại có nhiều hóa trị.
Ví dụ
Giải thích hiện tượng than hóa đường và tính khối lượng khí sinh ra
1
Nhỏ H2SO4 đặc dư vào 3,42 gam đường sucrose (C12H22O11, M=342 g/mol). Viết các phương trình hóa học xảy ra và tính tổng số mol khí (CO2 và SO2) sinh ra, giả sử phản ứng xảy ra hoàn toàn qua cả hai giai đoạn.
Vậy tổng cộng 0,36 mol khí (gồm CO2 và SO2) thoát ra — chính lượng khí lớn này đẩy khối than xốp trào lên khỏi miệng cốc trong thí nghiệm, tạo nên hiện tượng quan sát được rất rõ bằng mắt thường.
Sai lầm thường gặp
Nhiều học sinh nghĩ H2SO4 đặc nguội "không phản ứng gì" với Al, Fe nên có thể dùng tùy ý mà không cần cẩn trọng. Thực ra đây là hiện tượng thụ động hóa — kim loại vẫn có một lớp oxide mỏng hình thành ngay ban đầu rồi ngừng phản ứng, chứ không phải hoàn toàn trơ; nếu bề mặt thụ động bị phá vỡ hoặc đun nóng, phản ứng oxi hóa mạnh vẫn có thể xảy ra trở lại.
Luyện tập có hướng dẫn
Luyện tập độc lập
Kiểm tra nhanh
Ghi nhớ
H2SO4 đặc có tính oxi hóa mạnh (oxi hóa cả kim loại sau H, sinh SO2, không sinh H2) nhưng thụ động hóa Al, Fe khi nguội; có tính háo nước mạnh (than hóa hợp chất hữu cơ chứa nhóm -OH). Luôn rót acid vào nước khi pha loãng.
Bài tiếp theo học các muối sulfate — sản phẩm cuối cùng của rất nhiều phản ứng vừa học, cùng cách nhận biết ion sulfate bằng thuốc thử đặc trưng.
Tính oxi hóa mạnh. Khác với H2SO4 loãng, H2SO4 đặc (đặc biệt khi đun nóng) oxi hóa được hầu hết kim loại, kể cả những kim loại đứng SAU hydrogen như đồng (Cu), bạc (Ag) — và sản phẩm khử KHÔNG phải khí H2 mà thường là khí SO2: Cu+2H2SO4 (đặc, t∘) →CuSO4+SO2↑+2H2O. Ở đây, sulfur trong H2SO4 (số oxi hóa +6) là chất oxi hóa, bị khử xuống +4 (SO2); đồng bị oxi hóa từ 0 lên +2.
Giống hệt hiện tượng đã gặp với HNO3 đặc nguội ở Course 3, H2SO4 đặc NGUỘI (không đun nóng) làm thụ động hóa nhôm (Al) và sắt (Fe) — tạo một lớp oxide bền, mỏng bám trên bề mặt kim loại, ngăn phản ứng tiếp tục xảy ra. Vì vậy, người ta có thể dùng bình chứa bằng nhôm hoặc thép để chuyên chở H2SO4 đặc nguội an toàn — điều không thể làm được với H2SO4 loãng.
Tính háo nước. H2SO4 đặc có ái lực rất mạnh với nước, đến mức có thể tách nguyên tử hydrogen và oxygen ra khỏi các hợp chất hữu cơ chứa nhóm –OH theo đúng tỉ lệ H:O = 2:1, dù hợp chất đó không hề chứa nước tự do. Với đường sucrose C12H22O11: C12H22O11H2SO4đặc12C+11H2O — khối đường chuyển thành carbon (than) màu đen. Lượng nước mới sinh lập tức bị H2SO4 đặc hấp thụ tiếp, đồng thời phản ứng tỏa nhiệt mạnh làm khối than nóng lên, tiếp tục phản ứng với chính H2SO4 đặc dư: C+2H2SO4 (đặc, t∘) →CO2↑+2SO2↑+2H2O — chính lượng khí CO2 và SO2 sinh ra đẩy khối than xốp trào lên khỏi cốc.
Vì phản ứng hòa tan H2SO4 đặc vào nước tỏa nhiệt cực mạnh, nguyên tắc bắt buộc khi pha loãng là luôn rót từ từ acid vào nước, vừa rót vừa khuấy đều — TUYỆT ĐỐI không đổ nước vào acid đặc, vì nước nhẹ hơn acid đặc sẽ nổi lên trên và sôi đột ngột ngay tại chỗ tiếp xúc, bắn tóe các giọt acid nóng gây bỏng nguy hiểm.
Cu+2H2SO4 (đặc, t∘) →CuSO4+SO2↑+2H2O.
2Fe+6H2SO4 (đặc, t∘) →Fe2(SO4)3+3SO2↑+6H2O (sắt bị oxi hóa lên hóa trị III do H2SO4 đặc là chất oxi hóa mạnh).
n(C12H22O11)=3,42/342=0,01 mol.
C12H22O11H2SO4đặc12C+11H2O. Theo phương trình, n(C)=12×n(đường)=12×0,01=0,12 mol.
C+2H2SO4 (đặc, t∘) →CO2↑+2SO2↑+2H2O. Mỗi mol C sinh 1 mol CO2 và 2 mol SO2, nên n(CO2)=n(C)=0,12 mol; n(SO2)=2×n(C)=0,24 mol.
n(khıˊ)=n(CO2)+n(SO2)=0,12+0,24=0,36 mol.
Nhiều học sinh nghĩ H2SO4 đặc nguội "không phản ứng gì" với Al, Fe nên có thể dùng tùy ý mà không cần cẩn trọng. Thực ra đây là hiện tượng thụ động hóa — kim loại vẫn có một lớp oxide mỏng hình thành ngay ban đầu rồi ngừng phản ứng, chứ không phải hoàn toàn trơ; nếu bề mặt thụ động bị phá vỡ hoặc đun nóng, phản ứng oxi hóa mạnh vẫn có thể xảy ra trở lại.