Tính chất của Nitric acid đặc, loãng và sự chuyển hóa oxide của nitrogen — Mô phỏng 3D Tương tác (Hóa học THPT)
Câu hỏi trọng tâm: Cùng là đồng (Cu) tác dụng với nitric acid (HNO₃), tại sao một ống thoát ra khí màu nâu đỏ, còn ống kia lại tạo khí không màu?
Phương trình / Nguyên lý cốt lõi: Cu + 4HNO₃(đặc) = Cu(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O · 3NO₂ + H₂O = 2HNO₃ + NO
Đối chiếu Chương trình GDPT 2018: Hóa học 11 — SGK GDPT 2018: Chương Nitrogen và Sulfur «Các oxide của nitrogen. Nitric acid»
Chuỗi bước khám phá và kết luận khoa học (9 bước)
- Bước 1 (Toàn bộ hệ thống thiết bị): Trong hệ thống dụng cụ trên bàn, bộ phận nào đang «tạo ra» khí, bộ phận nào đang «hấp thụ/tiêu thụ» khí? — Kết luận: Trên cùng một bàn thí nghiệm bố trí kết hợp hai thí nghiệm kinh điển của bài hợp chất nitrogen: một là «Phản ứng của Cu với HNO₃ đặc và loãng» (hai ống nghiệm có nhánh + cốc NaOH xử lí khí thải), hai là «Hòa tan và chuyển hóa NO / NO₂ trong ống tiêm». |
Cu + 4HNO₃(đặc) = Cu(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O - Bước 2 (Đẩy dây đồng xuống): Vừa nhúng dây đồng (Cu) vào dung dịch HNO₃ đặc, tại sao lập tức thoát ra khí màu nâu đỏ? — Kết luận: Nitric acid là chất oxi hóa rất mạnh: nó oxi hóa Cu thành Cu²⁺ và bản thân bị khử thành NO₂ (N từ +5 xuống +4, mỗi nguyên tử N nhận 1 electron); NO₂ là chất khí màu nâu đỏ. Thiết kế dây đồng di động giúp dừng phản ứng bất cứ lúc nào bằng cách kéo dây đồng lên khỏi mặt dung dịch. |
Cu + 4HNO₃(đặc) = Cu(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O - Bước 3 (Đổi sang HNO₃ loãng): Khi đổi sang dung dịch HNO₃ loãng, tại sao khí sinh ra lại không màu? Khí đó đã biến đổi thế nào khi gặp không khí? — Kết luận: Tính oxi hóa của HNO₃ loãng yếu hơn HNO₃ đặc, nhưng mức độ bị khử sâu hơn: N bị khử xuống +2 tạo thành khí NO không màu, ít tan trong nước (mỗi nguyên tử N nhận 3 electron). Khí NO vừa tiếp xúc với O₂ trong không khí lập tức chuyển thành khí NO₂ màu nâu đỏ (2NO + O₂ = 2NO₂) — vì vậy trạng thái «không màu» chỉ quan sát được khi không có O₂. |
3Cu + 8HNO₃(loãng) = 3Cu(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O - Bước 4 (Đổi sang lá sắt (Fe)): Đưa lá sắt (Fe) vào dung dịch HNO₃ đặc nguội, tại sao lại không thấy sủi bọt khí? — Kết luận: Ở nhiệt độ thường, bề mặt Fe và Al bị HNO₃ đặc oxi hóa tạo thành một lớp màng oxide bền, khít che phủ kim loại bên trong (hiện tượng thụ động hóa) làm phản ứng dừng lại ngay — do đó có thể dùng bồn chứa bằng Fe hoặc Al để đựng HNO₃ đặc nguội; nhưng nếu cho vào HNO₃ loãng thì Fe và Al vẫn phản ứng mãnh liệt. |
Hóa chất: Fe (hoặc Cu) + HNO₃ (nhiệt độ thường, HNO₃ đặc) - Bước 5 (Khí thải đi về đâu): Nếu để luồng khí màu nâu đỏ này thoát thẳng ra phòng thí nghiệm thì điều gì sẽ xảy ra? — Kết luận: Cả NO và NO₂ đều là những khí độc gây ô nhiễm và hại đường hô hấp. Cốc bên phải trong bộ dụng cụ chứa dung dịch NaOH với đầu ống dẫn nhúng dưới mặt thoáng để hấp thụ khí thải; việc lắp bộ phận xử lí khí thải quyết định độ an toàn và chuẩn mực của thí nghiệm. |
Khí thải: NO, NO₂ + Dung dịch NaOH - Bước 6 (Lí do dùng lọ màu nâu): Tại sao HNO₃ đặc bắt buộc phải bảo quản trong lọ thủy tinh màu nâu và đặt ở nơi thoáng mát? — Kết luận: HNO₃ đặc kém bền, khi có ánh sáng hoặc đun nóng sẽ bị phân hủy: 4HNO₃ = 4NO₂↑ + O₂↑ + 2H₂O; khí NO₂ sinh ra tan một phần vào dung dịch làm acid có màu vàng và làm tăng áp suất trong bình, vì vậy phải đựng trong lọ thủy tinh tối màu (màu nâu) và để ở nơi thoáng mát. |
4HNO₃ = 4NO₂↑ + O₂↑ + 2H₂O (ánh sáng hoặc đun nóng △) - Bước 7 (Hút không khí vào): Khí NO không màu trong ống tiêm khi hút thêm 10 mL không khí vào, tại sao lập tức chuyển sang màu nâu đỏ? — Kết luận: Trong không khí chỉ có khoảng 21 % thể tích là O₂: hút 10 mL không khí chỉ đưa vào 2.1 mL O₂, vừa đủ oxi hóa 4.2 mL NO thành NO₂ (2NO + O₂ = 2NO₂), vì vậy độ đậm của màu nâu đỏ phụ thuộc vào lượng không khí đã hút vào, phần NO dư vẫn không màu. |
2NO + O₂ = 2NO₂ - Bước 8 (Lắc ống tiêm và quan sát vi mô): Khi lắc nhẹ ống tiêm có sẵn nước, tại sao màu nâu đỏ lại biến mất và pít-tông lại dịch chuyển vào trong? — Kết luận: Khi NO₂ tác dụng với nước xảy ra phản ứng tự oxi hóa - khử: 3NO₂ + H₂O = 2HNO₃ + NO; trong 3 nguyên tử N(+4) có 2 nguyên tử tăng lên +5 và 1 nguyên tử giảm xuống +2 — nên NO₂ vừa là chất oxi hóa vừa là chất khử; cứ 3 thể tích NO₂ phản ứng chỉ để lại 1 thể tích khí NO, thể tích khí giảm đi 2/3 nên pít-tông bị đẩy vào trong. |
3NO₂ + H₂O = 2HNO₃ + NO - Bước 9 (Kiểm tra · Chuyển hóa khí NO): Kiểm tra: Chuyển hóa tối đa khí NO trong ống tiêm thành nitric acid, đồng thời đảm bảo cả hai nguyên tắc an toàn — Kết luận: Phần kiểm tra không thêm kết luận mới: Muốn chuyển hóa nhiều NO thành HNO₃ phải nạp không khí và lắc với nước nhiều lần; đồng thời nếu không xử lí khí thải hoặc không bảo quản đúng cách HNO₃ đặc thì thí nghiệm vẫn không đạt yêu cầu an toàn. |
2NO + O₂ = 2NO₂ · 3NO₂ + H₂O = 2HNO₃ + NO
Xem trang chi tiết bài giảng, hướng dẫn lớp học và câu hỏi ôn tập Tính chất của Nitric acid đặc, loãng và sự chuyển hóa oxide của nitrogen · Trang chủ VietLab 3D