Bài học

Phi kim tác dụng với oxygen — oxide acid

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em viết được phương trình phi kim tác dụng oxygen tạo oxide acid tương ứng, giải thích được mối liên hệ giữa oxide acid với hiện tượng mưa acid, và tính toán được lượng chất theo phương trình có khí ở điều kiện chuẩn.

Kiến thức nền cần nhớ

Ở Course 1 (Ôn nền Hóa học 8), em đã học oxide acid là oxide của phi kim, tác dụng với nước tạo acid tương ứng làm quỳ tím hoá đỏ, và tác dụng với dung dịch base tạo muối + nước. Bài trước đã nêu phi kim mạnh hoạt động hoá học phản ứng dễ dàng với oxygen; bài này khai thác sâu chính nhóm phản ứng đó.

Khởi động

Mưa acid gây hại nghiêm trọng cho công trình xây dựng bằng đá vôi và cây trồng. Vậy khí nào trong không khí là nguyên nhân chính gây mưa acid, và nó được sinh ra từ đâu?

Kiến thức trọng tâm

Khi đốt nóng, phi kim tác dụng với oxygen tạo thành oxide acid:

$C + O_2 \xrightarrow{t^\circ} CO_2$ — khí carbon dioxide, tan trong nước tạo acid carbonic yếu $H_2CO_3$ ;

$S + O_2 \xrightarrow{t^\circ} SO_2$ — khí lưu huỳnh dioxide, mùi hắc, độc, tan trong nước tạo acid sulfurous $H_2SO_3$ — một trong hai nguyên nhân chính gây mưa acid (cùng với các oxide của nitrogen);

$4P + 5O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2P_2O_5$ — chất rắn màu trắng, tan trong nước tạo acid phosphoric $H_3PO_4$ .

Các oxide acid này có chung tính chất: tác dụng với nước tạo dung dịch acid làm quỳ tím hoá đỏ; tác dụng với dung dịch base tạo muối và nước. Về nguồn gốc mưa acid: khí SO₂ và các oxide nitrogen (NOₓ) thải ra từ việc đốt nhiên liệu hoá thạch (than, dầu, khí đốt) trong nhà máy, phương tiện giao thông tan vào hơi nước có sẵn trong khí quyển, tạo thành $H_2SO_4$ và $HNO_3$ , rơi xuống mặt đất thành mưa acid — gây ăn mòn các công trình bằng đá vôi và kim loại, làm hại cây trồng, ô nhiễm đất và nguồn nước.

Các oxide acid này cũng có nhiều ứng dụng thực tế đáng chú ý. Khí $SO_2$ được dùng với liều lượng nhỏ, có kiểm soát để tẩy trắng giấy, bảo quản một số loại thực phẩm khô (như mứt, hoa quả sấy) nhờ khả năng diệt nấm mốc; đây cũng chính là nguyên liệu để sản xuất acid sulfuric $H_2SO_4$ — một trong những hoá chất công nghiệp quan trọng nhất. $P_2O_5$ có tính hút ẩm rất mạnh nên được dùng làm chất làm khô trong phòng thí nghiệm và trong một số quy trình sản xuất cần loại bỏ hơi nước triệt để.

Tính chất "tác dụng base tạo muối và nước" của oxide acid được áp dụng thẳng vào xử lý khí thải công nghiệp chứa $SO_2$ trước khi thải ra môi trường: khí thải được cho sục qua dung dịch base (thường là sữa vôi $Ca(OH)_2$ ) theo phản ứng $SO_2 + Ca(OH)_2 \to CaSO_3\downarrow + H_2O$ , giữ lại phần lớn $SO_2$ độc hại dưới dạng chất rắn thay vì để nó thoát thẳng vào khí quyển và góp phần gây mưa acid.

Khi đốt nóng, phi kim tác dụng với oxygen tạo thành **oxide acid**: $C + O_2 \xrightarrow{t^\circ} CO_2$ — khí carbon dioxide, tan trong nước tạo acid carbonic yếu $H_2CO_3$; $S + O_2 \xrightarrow{t^\circ} SO_2$ — khí lưu huỳnh dioxide, mùi hắc, độc, tan trong nước tạo acid sulfurous $H_2SO_3$ — một trong hai nguyên nhân chính gây mưa acid (cùng với các oxide của nitrogen); $4P + 5O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2P_2O_5$ — chất rắn màu trắng, tan trong nước tạo acid phosphoric $H_3PO_4$. Các oxide acid này có chung tính chất: tác dụng với nước tạo dung dịch acid làm quỳ tím hoá đỏ; tác dụng với dung dịch base tạo muối và nước. Về nguồn gốc mưa acid: khí SO₂ và các oxide nitrogen (NOₓ) thải ra từ việc đốt nhiên liệu hoá thạch (than, dầu, khí đốt) trong nhà máy, phương tiện giao thông tan vào hơi nước có sẵn trong khí quyển, tạo thành $H_2SO_4$ và $HNO_3$, rơi xuống mặt đất thành mưa acid — gây ăn mòn các công trình bằng đá vôi và kim loại, làm hại cây trồng, ô nhiễm đất và nguồn nước. Các oxide acid này cũng có nhiều ứng dụng thực tế đáng chú ý. Khí $SO_2$ được dùng với liều lượng nhỏ, có kiểm soát để tẩy trắng giấy, bảo quản một số loại thực phẩm khô (như mứt, hoa quả sấy) nhờ khả năng diệt nấm mốc; đây cũng chính là nguyên liệu để sản xuất acid sulfuric $H_2SO_4$ — một trong những hoá chất công nghiệp quan trọng nhất. $P_2O_5$ có tính hút ẩm rất mạnh nên được dùng làm chất làm khô trong phòng thí nghiệm và trong một số quy trình sản xuất cần loại bỏ hơi nước triệt để. Tính chất "tác dụng base tạo muối và nước" của oxide acid được áp dụng thẳng vào **xử lý khí thải công nghiệp** chứa $SO_2$ trước khi thải ra môi trường: khí thải được cho sục qua dung dịch base (thường là sữa vôi $Ca(OH)_2$) theo phản ứng $SO_2 + Ca(OH)_2 \to CaSO_3\downarrow + H_2O$, giữ lại phần lớn $SO_2$ độc hại dưới dạng chất rắn thay vì để nó thoát thẳng vào khí quyển và góp phần gây mưa acid.

Ví dụ

Hoàn thành và cân bằng phản ứng đốt phi kim trong oxygen

1
Hoàn thành và cân bằng các phương trình: C + O₂ → ?; S + O₂ → ?; P + O₂ → ?. Cho biết loại oxide tạo thành.
2
$C + O_2 \xrightarrow{t^\circ} CO_2$ — carbon dioxide, một oxide acid.
$C + O_2 \xrightarrow{t^\circ} CO_2$ — carbon dioxide, một oxide acid.
3
$S + O_2 \xrightarrow{t^\circ} SO_2$ — sulfur dioxide, một oxide acid, mùi hắc, độc.
$S + O_2 \xrightarrow{t^\circ} SO_2$ — sulfur dioxide, một oxide acid, mùi hắc, độc.
4
Phosphorus có hoá trị V trong oxide nên cần cân bằng theo tỉ lệ $4P + 5O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2P_2O_5$ — phosphorus pentoxide, chất rắn màu trắng, cũng là một oxide acid.
Phosphorus có hoá trị V trong oxide nên cần cân bằng theo tỉ lệ $4P + 5O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2P_2O_5$ — phosphorus pentoxide, chất rắn màu trắng, cũng là một oxide acid.

Ví dụ

Tính toán theo phương trình đốt phosphorus trong oxygen

1
Đốt cháy hoàn toàn 3,1 gam phosphorus (P) trong khí oxygen dư. Tính thể tích khí oxygen đã phản ứng (đkc: 25 °C, 1 bar, $V_m = 24{,}79$ lít/mol) và khối lượng $P_2O_5$ tạo thành.
Đốt cháy hoàn toàn 3,1 gam phosphorus (P) trong khí oxygen dư. Tính thể tích khí oxygen đã phản ứng (đkc: 25 °C, 1 bar, $V_m = 24{,}79$ lít/mol) và khối lượng $P_2O_5$ tạo thành.
2
$n(P) = \dfrac{3{,}1}{31} = 0{,}1$ mol.
$n(P) = \dfrac{3{,}1}{31} = 0{,}1$ mol.
3
$4P + 5O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2P_2O_5$ . Theo phương trình: $n(O_2) = \dfrac{5}{4}n(P) = 0{,}125$ mol; $n(P_2O_5) = \dfrac{1}{2}n(P) = 0{,}05$ mol.
$4P + 5O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2P_2O_5$. Theo phương trình: $n(O_2) = \dfrac{5}{4}n(P) = 0{,}125$ mol; $n(P_2O_5) = \dfrac{1}{2}n(P) = 0{,}05$ mol.
4
$V(O_2) = n \times V_m = 0{,}125 \times 24{,}79 \approx 3{,}10$ lít.
$V(O_2) = n \times V_m = 0{,}125 \times 24{,}79 \approx 3{,}10$ lít.
5
$M(P_2O_5) = 142$ g/mol; $m(P_2O_5) = 0{,}05 \times 142 = 7{,}1$ gam.
$M(P_2O_5) = 142$ g/mol; $m(P_2O_5) = 0{,}05 \times 142 = 7{,}1$ gam.
6
$V(O_2) \approx 3{,}10$ lít (đkc); $m(P_2O_5) = 7{,}1$ gam. Đây là dạng bài tính toán tiêu biểu cho mọi phản ứng phi kim + oxygen: luôn quy đổi khối lượng chất rắn/khí đã cho 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.
$V(O_2) \approx 3{,}10$ lít (đkc); $m(P_2O_5) = 7{,}1$ gam. Đây là dạng bài tính toán tiêu biểu cho mọi phản ứng phi kim + oxygen: luôn quy đổi khối lượng chất rắn/khí đã cho 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

Nhiều học sinh vẫn dùng $V_m = 22{,}4$ lít/mol (đktc cũ, 0 °C và 1 atm) một cách quán tính. Theo chương trình 2018, điều kiện chuẩn (đkc) là 25 °C, 1 bar, với $V_m = 24{,}79$ lít/mol — luôn đọc kỹ đề bài quy định điều kiện nào trước khi tính thể tích khí.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Phi kim + oxygen (đốt nóng) → oxide acid tương ứng: $C \to CO_2$ , $S \to SO_2$ , $P \to P_2O_5$ . Oxide acid tan trong nước tạo dung dịch acid làm quỳ tím hoá đỏ. $SO_2$ và $NO_x$ là nguyên nhân chính gây mưa acid.

Phi kim + oxygen (đốt nóng) → oxide acid tương ứng: $C \to CO_2$, $S \to SO_2$, $P \to P_2O_5$. Oxide acid tan trong nước tạo dung dịch acid làm quỳ tím hoá đỏ. $SO_2$ và $NO_x$ là nguyên nhân chính gây mưa acid.

Chương tiếp theo dành riêng cho phi kim carbon và các hợp chất carbon vô cơ quan trọng nhất: than, khí CO, khí CO₂ — bắt đầu bằng chính phản ứng cháy của carbon mà em vừa ôn lại ở bài này.