Bài học

CO và tính khử

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em nêu được tính chất vật lí của khí CO, viết được phương trình CO khử oxide kim loại (CuO, Fe₂O₃), liên hệ được ứng dụng luyện gang trong lò cao, và giải thích được cơ chế CO gây ngộ độc cho cơ thể người.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước đã chỉ ra carbon cháy thiếu oxygen sinh khí CO. Bài này khai thác tính chất hoá học đặc trưng nhất của CO: khả năng khử oxide kim loại, dựa trên nền dãy hoạt động hoá học kim loại đã học ở Course 2.

Khởi động

Vì sao khí CO cực kỳ nguy hiểm dù không màu, không mùi, khó phát hiện bằng giác quan thông thường — trong khi một khí độc khác như Cl₂ lại dễ nhận biết vì có mùi hắc, màu vàng lục?

Kiến thức trọng tâm

Carbon monoxide (CO) là khí không màu, không mùi, rất độc, ít tan trong nước. Đây là một oxide trung tính — không tác dụng với nước, acid hay base ở điều kiện thường, khác hẳn CO₂ là oxide acid.

Ở nhiệt độ cao, CO thể hiện tính khử mạnh: khử được oxide của các kim loại đứng sau nhôm (Al) trong dãy hoạt động hoá học — như ZnO, FeO, Fe₃O₄, Fe₂O₃, PbO, CuO — nhưng KHÔNG khử được oxide của các kim loại mạnh đứng trước hoặc bằng nhôm (Na₂O, CaO, Al₂O₃). Hai phản ứng tiêu biểu:

$CO + CuO \xrightarrow{t^\circ} Cu + CO_2$ (chất rắn màu đen CuO chuyển thành Cu màu đỏ)

$3CO + Fe_2O_3 \xrightarrow{t^\circ} 2Fe + 3CO_2$ (oxide sắt màu đỏ nâu bị khử thành sắt kim loại màu xám trắng).

Tính khử này được ứng dụng quan trọng trong luyện gang ở lò cao: than cốc cháy sinh ra khí CO, khí CO đi lên tiếp xúc và khử quặng sắt oxide thành sắt kim loại lỏng chảy xuống đáy lò.

Về độc tính: CO liên kết với hemoglobin trong máu (tạo carboxyhemoglobin) bền hơn oxygen khoảng 200–300 lần, chiếm chỗ của oxygen và ngăn cản máu vận chuyển oxygen đến các tế bào, gây ngạt, tổn thương não, thậm chí tử vong nếu hít phải nồng độ cao trong thời gian dài — vì thế luôn cần thông gió khi đốt than, dùng máy phát điện chạy xăng/dầu, hoặc bếp than trong không gian kín.

Trong thực tế sản xuất, lò cao luyện gang là một cột thép cao hàng chục mét, được nạp luân phiên quặng sắt, than cốc và đá vôi từ miệng lò; không khí nóng được thổi vào từ phía dưới làm than cốc cháy sinh nhiệt và khí CO, khí CO đi ngược lên trên khử dần các oxide sắt qua nhiều giai đoạn (từ $Fe_2O_3$ xuống $Fe_3O_4$ , rồi $FeO$ , cuối cùng thành $Fe$ ) trước khi sắt nóng chảy được tháo ra ở đáy lò. Đá vôi đóng vai trò tạo xỉ, loại bỏ tạp chất khỏi gang — một ứng dụng em sẽ gặp lại khi học về chu trình đá vôi ở chương sau.

Carbon monoxide (CO) là khí **không màu, không mùi, rất độc**, ít tan trong nước. Đây là một oxide trung tính — không tác dụng với nước, acid hay base ở điều kiện thường, khác hẳn CO₂ là oxide acid. Ở nhiệt độ cao, CO thể hiện **tính khử mạnh**: khử được oxide của các kim loại đứng sau nhôm (Al) trong dãy hoạt động hoá học — như ZnO, FeO, Fe₃O₄, Fe₂O₃, PbO, CuO — nhưng KHÔNG khử được oxide của các kim loại mạnh đứng trước hoặc bằng nhôm (Na₂O, CaO, Al₂O₃). Hai phản ứng tiêu biểu: $CO + CuO \xrightarrow{t^\circ} Cu + CO_2$ (chất rắn màu đen CuO chuyển thành Cu màu đỏ) $3CO + Fe_2O_3 \xrightarrow{t^\circ} 2Fe + 3CO_2$ (oxide sắt màu đỏ nâu bị khử thành sắt kim loại màu xám trắng). Tính khử này được ứng dụng quan trọng trong **luyện gang** ở lò cao: than cốc cháy sinh ra khí CO, khí CO đi lên tiếp xúc và khử quặng sắt oxide thành sắt kim loại lỏng chảy xuống đáy lò. Về độc tính: CO liên kết với hemoglobin trong máu (tạo carboxyhemoglobin) bền hơn oxygen khoảng 200–300 lần, chiếm chỗ của oxygen và ngăn cản máu vận chuyển oxygen đến các tế bào, gây ngạt, tổn thương não, thậm chí tử vong nếu hít phải nồng độ cao trong thời gian dài — vì thế luôn cần thông gió khi đốt than, dùng máy phát điện chạy xăng/dầu, hoặc bếp than trong không gian kín. Trong thực tế sản xuất, lò cao luyện gang là một cột thép cao hàng chục mét, được nạp luân phiên quặng sắt, than cốc và đá vôi từ miệng lò; không khí nóng được thổi vào từ phía dưới làm than cốc cháy sinh nhiệt và khí CO, khí CO đi ngược lên trên khử dần các oxide sắt qua nhiều giai đoạn (từ $Fe_2O_3$ xuống $Fe_3O_4$, rồi $FeO$, cuối cùng thành $Fe$) trước khi sắt nóng chảy được tháo ra ở đáy lò. Đá vôi đóng vai trò tạo xỉ, loại bỏ tạp chất khỏi gang — một ứng dụng em sẽ gặp lại khi học về chu trình đá vôi ở chương sau.

Ví dụ

Viết phương trình CO khử oxide kim loại

1
Dẫn khí CO dư đi qua bột CuO và bột Fe₂O₃ (riêng biệt), đun nóng. Viết phương trình hoá học và nêu hiện tượng quan sát được ở mỗi ống nghiệm.
2
$CO + CuO \xrightarrow{t^\circ} Cu + CO_2$ . Hiện tượng: chất rắn màu đen (CuO) chuyển dần thành chất rắn màu đỏ (Cu).
$CO + CuO \xrightarrow{t^\circ} Cu + CO_2$. Hiện tượng: chất rắn màu đen (CuO) chuyển dần thành chất rắn màu đỏ (Cu).
3
$3CO + Fe_2O_3 \xrightarrow{t^\circ} 2Fe + 3CO_2$ . Hiện tượng: chất rắn màu đỏ nâu (Fe₂O₃) chuyển dần thành chất rắn màu xám trắng (Fe).
$3CO + Fe_2O_3 \xrightarrow{t^\circ} 2Fe + 3CO_2$. Hiện tượng: chất rắn màu đỏ nâu (Fe₂O₃) chuyển dần thành chất rắn màu xám trắng (Fe).
4
Cả hai phản ứng đều thể hiện CO là chất khử: CO nhường oxygen của oxide kim loại, bản thân CO bị oxi hoá thành CO₂.

Ví dụ

Tính toán theo phương trình CO khử CuO

1
Dẫn từ từ khí CO dư qua 16 gam bột CuO đun nóng đến khi phản ứng hoàn toàn. Tính khối lượng chất rắn thu được sau phản ứng và thể tích khí CO₂ sinh ra (đkc: 25 °C, 1 bar, $V_m = 24{,}79$ lít/mol).
Dẫn từ từ khí CO dư qua 16 gam bột CuO đun nóng đến khi phản ứng hoàn toàn. Tính khối lượng chất rắn thu được sau phản ứng và thể tích khí CO₂ sinh ra (đkc: 25 °C, 1 bar, $V_m = 24{,}79$ lít/mol).
2
$M(CuO) = 80$ g/mol; $n(CuO) = \dfrac{16}{80} = 0{,}2$ mol.
$M(CuO) = 80$ g/mol; $n(CuO) = \dfrac{16}{80} = 0{,}2$ mol.
3
$CO + CuO \xrightarrow{t^\circ} Cu + CO_2$ . Vì CO dư nên CuO phản ứng hết: $n(Cu) = n(CO_2) = n(CuO) = 0{,}2$ mol.
$CO + CuO \xrightarrow{t^\circ} Cu + CO_2$. Vì CO dư nên CuO phản ứng hết: $n(Cu) = n(CO_2) = n(CuO) = 0{,}2$ mol.
4
$m(Cu) = 0{,}2 \times 64 = 12{,}8$ gam.
$m(Cu) = 0{,}2 \times 64 = 12{,}8$ gam.
5
$V(CO_2) = 0{,}2 \times 24{,}79 = 4{,}958 \approx 4{,}96$ lít.
$V(CO_2) = 0{,}2 \times 24{,}79 = 4{,}958 \approx 4{,}96$ lít.
6
Vì đề cho CO dư, chất rắn còn lại chỉ gồm Cu (toàn bộ CuO đã phản ứng hết); nếu đề chỉ cho CO đủ hoặc thiếu, ta phải xét thêm CuO có dư hay không trước khi kết luận khối lượng chất rắn sau phản ứng.

Sai lầm thường gặp

Học sinh hay viết nhầm CO khử được cả Al₂O₃, CaO, Na₂O. Thực tế, CO CHỈ khử được oxide của kim loại đứng SAU nhôm trong dãy hoạt động hoá học; các oxide kim loại mạnh (Na₂O, CaO, Al₂O₃) bền vững, CO không khử được ở nhiệt độ thường dùng trong lò cao. Ghi nhớ mẹo: chính vì lí do này mà nhôm không được luyện bằng phương pháp khử với CO như sắt, mà phải dùng phương pháp điện phân nóng chảy — một khác biệt quan trọng về công nghệ luyện kim loại.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

CO: không màu, không mùi, rất độc, oxide trung tính; có tính khử mạnh với oxide kim loại đứng sau Al ( $CO + CuO \to Cu + CO_2$ ); ứng dụng chủ chốt trong luyện gang ở lò cao; cực kỳ nguy hiểm khi tích tụ trong không gian kín.

CO: không màu, không mùi, rất độc, oxide trung tính; có tính khử mạnh với oxide kim loại đứng sau Al ($CO + CuO \to Cu + CO_2$); ứng dụng chủ chốt trong luyện gang ở lò cao; cực kỳ nguy hiểm khi tích tụ trong không gian kín.

Chương tiếp theo chuyển sang khí CO₂ — một sản phẩm quen thuộc của phản ứng cháy đủ oxygen — và cách dùng nó để nhận biết, cùng các muối carbonate liên quan.