Bài 9: Axit nitric và muối nitrat

1.1. Cấu tạo phân tử

Hình 1: Công thức cấu tạo HNO₃

Hình 2: Mô hình phân tử HNO₃

- Trong ptử HNO₃: N có số oxi hóa là +5

1.2. Tính chất vật lí

- Axit nitric tinh khiết là chất lỏng, không màu, bốc khói mạnh trong không khí ẩm.

- Axit nitric kém bền. Ngay ở điều kiện thường, khi có ảnh sáng, dung dịch axit nitric bị phân hủy một phần giải phóng nitơ đioxit. Khí này tan trong dung dịch axit làm dung dịch có màu vàng.

Hình 3: Sự phân hủy HNO₃ dưới tác dụng của ánh sáng

- Axit nitric tan trong nước ở bất kì tỉ lệ nào. Trong phòng thí nghiệm thường có loại HNO₃ nồng độ 68%.

1.3. Tính chất hóa học

- HNO₃ phân li tạo  H⁺ và NO₃^-  ⇒ là axit mạnh

- ​HNO₃ với N có số oxi hóa cao nhất ⇒ tính oxi hóa

Hình 4: N trong axit nitric nhận e thể hiện tính oxi hóa

Tính axit

HNO₃ là axít mạnh

- Quỳ tím hoá đỏ

- Tác dụng với oxít bazơ, bazơ, muối của các axít yếu tạo muối nitrat.

2HNO₃ + CuO → Cu(NO₃)₂ + H₂O

2HNO₃ +Ca(OH)₂  → Ca(NO₃)₂+2H₂O

2HNO₃ + CaCO₃ →  Ca(NO₃)₂ + CO₂ + H₂O

- Các em chú ý quan sát thí nghiệm sau đây: 

Video 1: phản ứng giữa Na₂CO₃ và HNO₃

- Hiện tượng: Bột Na₂CO₃ tan ra. xuất hiện khí không màu

- Giải thích: Phản ứng giữa Na₂CO₃ và HNO₃ diễn ra, tạo khí không màu là CO₂

Tính oxi hoá

HNO₃ có số oxi hóa +5 có thể bị khử thành: N₂, N₂O, NO, NO₂, NH₄NO₃ tuỳ theo nồng độ HNO₃ và khả năng khử của chất tham gia. 

Tác dụng với kim loại

Hình 5: Các sản phẩm khử của HNO₃

Với M là kim loại, n là hóa trị cao nhất của M

*Lưu ý:

N₂O là khí vui, khí gây cười.

N₂ không duy trì sự sống, sự cháy

NH₄NO₃ không sinh ra ở dạng khí, nhưng khi cho kiềm vào dd, thấy có khí mùi khai.

- Oxi hoá hầu hết kim loại (trừ Au, Pt).

3Cu +8HNO_3(l)  → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O

Cu + 4HNO_3đ  →  Cu(NO₃)₂  + 2NO₂ + 2H₂O

- Fe, Al, Cr  thụ động hoá với HNO3 đặc, nguội.

- Các em chú ý quan sát các thí nghiệm sau đây: 

Video 2: Phản ứng của đồng tiền (Đồng) và axit nitric

- Hiện tượng: Đồng tiền với chất liệu bằng đồng tan ra, sủi bọt khí không màu, sau đó hóa nâu trong không khí, dung dịch chuyển thành màu xanh

- Giải thích: Đồng phản ứng với dung dịch axit nitric tạo dung dịch Cu²⁺ có màu xanh đặc trưng, thoát ra khí NO, khí NO phản ứng với oxi không khí tạo ra NO2 có màu nâu đỏ.

Tác dụng với phi kim

HNO₃ đặc, nóng oxi hóa được một số phi kim C,S,P,... tạo NO₂

C + 4HNO₃ → CO₂ + 4NO₂ + 2H₂O

S + HNO₃ → H₂SO₄ + 6NO₂ + 2H₂O

 

Video 3: Phản ứng giữa HNO₃ và S

- Hiện tượng: Bột lưu huỳnh tan ra một phần, có khí thoát ra. Khi thử dung dịch tạo thành bằng dung dịch BaCl₂ thấy có kết tủa trắng

- Giải thích: HNO₃ phản ứng với S tạo khí NO₂. Sản phẩm tạo thành có chứa H₂SO₄ nên  khi thử dung dịch bằng BaCl₂ thấy có kết tủa trắng BaSO₄

Tác dụng với  hợp chất

- HNO₃ đặc oxi hoá nhiều hợp chất vô cơ và hữu cơ

FeO + HNO₃ → Fe(NO₃)₃ + NO₂ + 2H₂O

- Vải, giấy, mùn cưa, dầu thông….bị phá huỷ khi tiếp xúc HNO₃ đặc

1.4. Ứng dụng

Hình 5: Ứng dụng axit nitric và muối nitrat

1.5. Điều chế

Trong phòng thí nghiệm

Cho tinh thể  NaNO₃ (hoặc KNO₃) tác dụng với H₂SO₄ đặc, đun nóng

NaNO₃ + H₂SO_4(đ) → HNO₃ + NaHSO₄       

Hình 6: Điều chế HNO₃ trong phòng thí nghiệm                   

Trong Công nghiệp

Sản xuất HNO₃ từ NH₃, không khí: Gồm 3 giai đoạn

- Oxi hoá khí NH₃ bằng oxi kk thành NO:

4NH₃+ 5O₂  →  4NO +6H₂O  

- Oxi hoá NO thành NO₂ bằng oxi kk ở điều kiện thường :   

2NO + O₂ → 2NO₂

- NO₂ tác dụng với nước và oxi không khí tạo HNO₃:

4NO₂ + O₂ + 2H₂O → 4HNO₃

Dung dịch HNO₃ có nồng độ 52 – 68 %

→ Để HNO₃ có nồng độ cao hơn: Chưng cất với H₂SO₄ đậm đặc.

2.1. Tính chất  của muối nitrat

Tính chất vật lý

Tất cả các muối nitrat đều tan trong nước và là chất điện li mạnh.

Ca(NO₃)₂ → Ca ²⁺ + 2NO₃^-

KNO₃ → K⁺ + NO₃^-

Tính chất hoá học

Các muối nitrat đều kém bền bởi nhiệt, khi đun nóng muối nitrat có tính OXH mạnh.

Sản phẩm phân huỷ phụ thuộc vào bản chất của cation kim loại: 

- Kim loại đứng trước Mg →​ muối Nitrit  +  O₂

Ví dụ: 2KNO₃ → 2KNO₂ + O₂

- Từ Mg đến Cu → Oxit kim loại  + NO₂ +  O₂

Ví dụ: 2Cu(NO₃)₂ → 2CuO + 4NO₂ + O₂

- Kim loại sau Cu → Kim loại + NO₂ + O₂     

Ví dụ: 2AgNO₃  →​ 2Ag + 2NO₂ + O₂

2.2. Ứng dụng của muối nitrat

Phân đạm trong nông nghiệp như NH₄NO₃, NaNO₃, KNO₃, Ca(NO₃)₂, ...

Kali nitrat còn được sử dụng làm thuốc nổ đen (thuốc nổ có khói)

Hình 7: Chu trình của Nitơ trong tự nhiên

(1). Cây xanh đồng hóa nitơ chủ yếu ở dạng muối nitrat và muối amoni, chuyển hóa thành protein thực vật. Động vật đồng hóa protein thực vật, tạo ra protein động vật. Các chất hữu cơ do động vật bài tiết ra (phân, nước tiểu,...) cũng như xác động vật lại chuyển thành hợp chất hữu cơ chứa nitơ. Nhờ những loại vi khuẩn khác nhau có trong đất, một phần các hợp chất này chuyển hóa thành amoniac, rồi thành muối nitrat, phần còn lại thoát ra ở dạng nitơ tự do bay vào khí quyển. Khi các chất hữu cơ (than gỗ, than đá, than bùn,...) bị đốt cháy, nitơ tự do cũng được thoát ra.

(2). Trên thực tế, có một số quá trình tự nhiên cho phép bù lại một phần lượng nitơ bị mất.

- Trong mưa giông, khi có sự phóng điện do sấm sét một phần nitơ tự do trong khí quyển kết hợp với oxi tạo thành khí NO, rồi chuyển hóa thành HNO₃ và theo nước mưa thấm vào đất. HNO₃ chuyển thành muối nitrat khi kết hợp với muối cacbonat, thí dụ canxi cacbonat có trong đất.

- Một số loại vi khuẩn, đặc biệt là các vi khuẩn cố định đạm sống ở rễ cây họ đậu có khả năng hấp thụ nitơ từ khí quyển và chuyển hóa thành các hợp chất chứa nitơ.

(3). Để tăng năng suất mùa màng, lượng nitơ chuyển từ khí quyển vào đất vẫn không thể đủ. Người ta ước tính lượng nitrat tái sinh tự nhiên chỉ bằng một nửa lượng nitrat bị hấp thụ. Do đó, cần phải bón vào đất những hợp chất chứa nitơ dưới dạng các loại phân bón hữu cơ và vô cơ.

Bài 1:

Cho hỗn hợp rắn gồm Mg, MgCO₃ vào dung dịch HNO₃ dư thu được một chất khí duy nhất và dung dịch X. Nhỏ dung dịch NaOH dư vào dung dịch X thu được kết tủa và khí thoát ra. Sản phẩm khử HNO₃ là

Hướng dẫn:

MgCO₃ khi phản ứng với axit tạo khí CO₂ ⇒ chính là khí duy nhất trong bài.

Vậy Mg + HNO₃ tạo sản phẩm khử không phải là khí ⇒ chỉ có thể là NH₄NO₃.

Bài 2:

Cho 11 gam hỗn hợp Al và Fe vào dung dịch HNO₃ loãng dư thì có 6,72 lit khí NO bay ra (đkc). Tính khối lượng mỗi kim loại trong hỗn hợp?

Hướng dẫn:

Gọi x, y lần lượt là số mol Al và Fe trong hỗn hợp, ta có: 27x + 56y = 11 (1)

PTPƯ:

Al + 4HNO₃ → Al(NO₃)₃ + NO + 2H₂O

x mol                                    x mol

Fe + 4HNO₃ → Fe(NO₃)₃ + NO + 2H₂O

y mol                                    y mol

Tổng số mol khí thu được:

nNO = x + y = 6,72 : 22,4 = 0,3 mol   (2)

Từ (1) và (2) ta có hệ phương trình:

\(\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}
{27x + 56y = 11}\\
{x + y = 0,3}
\end{array}} \right.\)

\( \Rightarrow \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}
{x = 0,2}\\
{y = 0,1}
\end{array}} \right.\)

 

Khối lượng Al = 27.0,2 = 5,4 (g)

Khối lượng Fe = 11 - 5,4 = 5,6 (g)

Bài 3:

Hoà tan hoàn toàn 2,32 gam hỗn hợp FeO và Fe₂O₃ vào dung dịch HNO₃ đặc, dư thì thu được 0,224 lít khí NO₂ (đtc). Tính khối lượng muối Fe(NO₃)₂ tạo thành sau phản ứng?

Hướng dẫn:

Số mol khí = 0,224 : 22,4 = 0,01 mol 

FeO+ 4HNO₃ → Fe(NO₃)₃ +NO₂ + 2H₂O

0,01mol           0,01mol     0,01mol

Khối lượng Fe₂O₃ = 2,32 - 72.0,01 = 1,6 (g)

→ nFe₂O₃ = 1,6 : 160 = 0,01 mol 

Fe₂O₃ + 6HNO₃ → 2Fe(NO₃)₃ + 3H₂O

0,01mol                0,02mol    

Khối lượng muối = 242.0,03 = 7,26 (g)

1.1. Cấu tạo phân tử

Hình 1: Công thức cấu tạo HNO₃

Hình 2: Mô hình phân tử HNO₃

- Trong ptử HNO₃: N có số oxi hóa là +5

1.2. Tính chất vật lí

- Axit nitric tinh khiết là chất lỏng, không màu, bốc khói mạnh trong không khí ẩm.

- Axit nitric kém bền. Ngay ở điều kiện thường, khi có ảnh sáng, dung dịch axit nitric bị phân hủy một phần giải phóng nitơ đioxit. Khí này tan trong dung dịch axit làm dung dịch có màu vàng.

Hình 3: Sự phân hủy HNO₃ dưới tác dụng của ánh sáng

- Axit nitric tan trong nước ở bất kì tỉ lệ nào. Trong phòng thí nghiệm thường có loại HNO₃ nồng độ 68%.

1.3. Tính chất hóa học

- HNO₃ phân li tạo  H⁺ và NO₃^-  ⇒ là axit mạnh

- ​HNO₃ với N có số oxi hóa cao nhất ⇒ tính oxi hóa

Hình 4: N trong axit nitric nhận e thể hiện tính oxi hóa

Tính axit

HNO₃ là axít mạnh

- Quỳ tím hoá đỏ

- Tác dụng với oxít bazơ, bazơ, muối của các axít yếu tạo muối nitrat.

2HNO₃ + CuO → Cu(NO₃)₂ + H₂O

2HNO₃ +Ca(OH)₂  → Ca(NO₃)₂+2H₂O

2HNO₃ + CaCO₃ →  Ca(NO₃)₂ + CO₂ + H₂O

- Các em chú ý quan sát thí nghiệm sau đây: 

Video 1: phản ứng giữa Na₂CO₃ và HNO₃

- Hiện tượng: Bột Na₂CO₃ tan ra. xuất hiện khí không màu

- Giải thích: Phản ứng giữa Na₂CO₃ và HNO₃ diễn ra, tạo khí không màu là CO₂

Tính oxi hoá

HNO₃ có số oxi hóa +5 có thể bị khử thành: N₂, N₂O, NO, NO₂, NH₄NO₃ tuỳ theo nồng độ HNO₃ và khả năng khử của chất tham gia. 

Tác dụng với kim loại

Hình 5: Các sản phẩm khử của HNO₃

Với M là kim loại, n là hóa trị cao nhất của M

*Lưu ý:

N₂O là khí vui, khí gây cười.

N₂ không duy trì sự sống, sự cháy

NH₄NO₃ không sinh ra ở dạng khí, nhưng khi cho kiềm vào dd, thấy có khí mùi khai.

- Oxi hoá hầu hết kim loại (trừ Au, Pt).

3Cu +8HNO_3(l)  → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O

Cu + 4HNO_3đ  →  Cu(NO₃)₂  + 2NO₂ + 2H₂O

- Fe, Al, Cr  thụ động hoá với HNO3 đặc, nguội.

- Các em chú ý quan sát các thí nghiệm sau đây: 

Video 2: Phản ứng của đồng tiền (Đồng) và axit nitric

- Hiện tượng: Đồng tiền với chất liệu bằng đồng tan ra, sủi bọt khí không màu, sau đó hóa nâu trong không khí, dung dịch chuyển thành màu xanh

- Giải thích: Đồng phản ứng với dung dịch axit nitric tạo dung dịch Cu²⁺ có màu xanh đặc trưng, thoát ra khí NO, khí NO phản ứng với oxi không khí tạo ra NO2 có màu nâu đỏ.

Tác dụng với phi kim

HNO₃ đặc, nóng oxi hóa được một số phi kim C,S,P,... tạo NO₂

C + 4HNO₃ → CO₂ + 4NO₂ + 2H₂O

S + HNO₃ → H₂SO₄ + 6NO₂ + 2H₂O

 

Video 3: Phản ứng giữa HNO₃ và S

- Hiện tượng: Bột lưu huỳnh tan ra một phần, có khí thoát ra. Khi thử dung dịch tạo thành bằng dung dịch BaCl₂ thấy có kết tủa trắng

- Giải thích: HNO₃ phản ứng với S tạo khí NO₂. Sản phẩm tạo thành có chứa H₂SO₄ nên  khi thử dung dịch bằng BaCl₂ thấy có kết tủa trắng BaSO₄

Tác dụng với  hợp chất

- HNO₃ đặc oxi hoá nhiều hợp chất vô cơ và hữu cơ

FeO + HNO₃ → Fe(NO₃)₃ + NO₂ + 2H₂O

- Vải, giấy, mùn cưa, dầu thông….bị phá huỷ khi tiếp xúc HNO₃ đặc

1.4. Ứng dụng

Hình 5: Ứng dụng axit nitric và muối nitrat

1.5. Điều chế

Trong phòng thí nghiệm

Cho tinh thể  NaNO₃ (hoặc KNO₃) tác dụng với H₂SO₄ đặc, đun nóng

NaNO₃ + H₂SO_4(đ) → HNO₃ + NaHSO₄       

Hình 6: Điều chế HNO₃ trong phòng thí nghiệm                   

Trong Công nghiệp

Sản xuất HNO₃ từ NH₃, không khí: Gồm 3 giai đoạn

- Oxi hoá khí NH₃ bằng oxi kk thành NO:

4NH₃+ 5O₂  →  4NO +6H₂O  

- Oxi hoá NO thành NO₂ bằng oxi kk ở điều kiện thường :   

2NO + O₂ → 2NO₂

- NO₂ tác dụng với nước và oxi không khí tạo HNO₃:

4NO₂ + O₂ + 2H₂O → 4HNO₃

Dung dịch HNO₃ có nồng độ 52 – 68 %

→ Để HNO₃ có nồng độ cao hơn: Chưng cất với H₂SO₄ đậm đặc.

2.1. Tính chất  của muối nitrat

Tính chất vật lý

Tất cả các muối nitrat đều tan trong nước và là chất điện li mạnh.

Ca(NO₃)₂ → Ca ²⁺ + 2NO₃^-

KNO₃ → K⁺ + NO₃^-

Tính chất hoá học

Các muối nitrat đều kém bền bởi nhiệt, khi đun nóng muối nitrat có tính OXH mạnh.

Sản phẩm phân huỷ phụ thuộc vào bản chất của cation kim loại: 

- Kim loại đứng trước Mg →​ muối Nitrit  +  O₂

Ví dụ: 2KNO₃ → 2KNO₂ + O₂

- Từ Mg đến Cu → Oxit kim loại  + NO₂ +  O₂

Ví dụ: 2Cu(NO₃)₂ → 2CuO + 4NO₂ + O₂

- Kim loại sau Cu → Kim loại + NO₂ + O₂     

Ví dụ: 2AgNO₃  →​ 2Ag + 2NO₂ + O₂

2.2. Ứng dụng của muối nitrat

Phân đạm trong nông nghiệp như NH₄NO₃, NaNO₃, KNO₃, Ca(NO₃)₂, ...

Kali nitrat còn được sử dụng làm thuốc nổ đen (thuốc nổ có khói)

Hình 7: Chu trình của Nitơ trong tự nhiên

(1). Cây xanh đồng hóa nitơ chủ yếu ở dạng muối nitrat và muối amoni, chuyển hóa thành protein thực vật. Động vật đồng hóa protein thực vật, tạo ra protein động vật. Các chất hữu cơ do động vật bài tiết ra (phân, nước tiểu,...) cũng như xác động vật lại chuyển thành hợp chất hữu cơ chứa nitơ. Nhờ những loại vi khuẩn khác nhau có trong đất, một phần các hợp chất này chuyển hóa thành amoniac, rồi thành muối nitrat, phần còn lại thoát ra ở dạng nitơ tự do bay vào khí quyển. Khi các chất hữu cơ (than gỗ, than đá, than bùn,...) bị đốt cháy, nitơ tự do cũng được thoát ra.

(2). Trên thực tế, có một số quá trình tự nhiên cho phép bù lại một phần lượng nitơ bị mất.

- Trong mưa giông, khi có sự phóng điện do sấm sét một phần nitơ tự do trong khí quyển kết hợp với oxi tạo thành khí NO, rồi chuyển hóa thành HNO₃ và theo nước mưa thấm vào đất. HNO₃ chuyển thành muối nitrat khi kết hợp với muối cacbonat, thí dụ canxi cacbonat có trong đất.

- Một số loại vi khuẩn, đặc biệt là các vi khuẩn cố định đạm sống ở rễ cây họ đậu có khả năng hấp thụ nitơ từ khí quyển và chuyển hóa thành các hợp chất chứa nitơ.

(3). Để tăng năng suất mùa màng, lượng nitơ chuyển từ khí quyển vào đất vẫn không thể đủ. Người ta ước tính lượng nitrat tái sinh tự nhiên chỉ bằng một nửa lượng nitrat bị hấp thụ. Do đó, cần phải bón vào đất những hợp chất chứa nitơ dưới dạng các loại phân bón hữu cơ và vô cơ.

Bài 1:

Cho hỗn hợp rắn gồm Mg, MgCO₃ vào dung dịch HNO₃ dư thu được một chất khí duy nhất và dung dịch X. Nhỏ dung dịch NaOH dư vào dung dịch X thu được kết tủa và khí thoát ra. Sản phẩm khử HNO₃ là

Hướng dẫn:

MgCO₃ khi phản ứng với axit tạo khí CO₂ ⇒ chính là khí duy nhất trong bài.

Vậy Mg + HNO₃ tạo sản phẩm khử không phải là khí ⇒ chỉ có thể là NH₄NO₃.

Bài 2:

Cho 11 gam hỗn hợp Al và Fe vào dung dịch HNO₃ loãng dư thì có 6,72 lit khí NO bay ra (đkc). Tính khối lượng mỗi kim loại trong hỗn hợp?

Hướng dẫn:

Gọi x, y lần lượt là số mol Al và Fe trong hỗn hợp, ta có: 27x + 56y = 11 (1)

PTPƯ:

Al + 4HNO₃ → Al(NO₃)₃ + NO + 2H₂O

x mol                                    x mol

Fe + 4HNO₃ → Fe(NO₃)₃ + NO + 2H₂O

y mol                                    y mol

Tổng số mol khí thu được:

nNO = x + y = 6,72 : 22,4 = 0,3 mol   (2)

Từ (1) và (2) ta có hệ phương trình:

\(\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}
{27x + 56y = 11}\\
{x + y = 0,3}
\end{array}} \right.\)

\( \Rightarrow \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}
{x = 0,2}\\
{y = 0,1}
\end{array}} \right.\)

 

Khối lượng Al = 27.0,2 = 5,4 (g)

Khối lượng Fe = 11 - 5,4 = 5,6 (g)

Bài 3:

Hoà tan hoàn toàn 2,32 gam hỗn hợp FeO và Fe₂O₃ vào dung dịch HNO₃ đặc, dư thì thu được 0,224 lít khí NO₂ (đtc). Tính khối lượng muối Fe(NO₃)₂ tạo thành sau phản ứng?

Hướng dẫn:

Số mol khí = 0,224 : 22,4 = 0,01 mol 

FeO+ 4HNO₃ → Fe(NO₃)₃ +NO₂ + 2H₂O

0,01mol           0,01mol     0,01mol

Khối lượng Fe₂O₃ = 2,32 - 72.0,01 = 1,6 (g)

→ nFe₂O₃ = 1,6 : 160 = 0,01 mol 

Fe₂O₃ + 6HNO₃ → 2Fe(NO₃)₃ + 3H₂O

0,01mol                0,02mol    

Khối lượng muối = 242.0,03 = 7,26 (g)