Giải chi tiết Hóa học 11 Cánh diều mới bài 7: Sulfuric acid và muối sulfate

MỞ ĐẦU 

Nhãn dán trên chai đựng dung dịch sulfuric acid thường có hình như Hình 7.1. Giải thích ý nghĩa của hình và nguyên nhân gây nên hiện tượng được mô tả trong hình.

Hướng dẫn trả lời:

Ý nghĩa của hình là cảnh báo sự nguy hiểm của sulfuric acid gây bỏng da khi rơi vào da. Nguyên nhân là sulfuric acid là một acid hút nước mạnh, quá trình hòa tan tỏa nhiệt lượng lớn.

I. SULFURIC ACID

1. Cấu tạo phân tử và tính chất vật lí

Câu hỏi 1: Hãy viết công thức Lewis của phân tử H₂SO₄.

Hướng dẫn trả lời:

2. Tính hóa học

Thí nghiệm 1: Tính oxi hoá của dung dịch sulfuric acid loãng và dung dịch sulfuric acid đặc

Chuẩn bị: Kim loại đồng dạng mảnh hoặc sợi, dung dịch sulfuric acid loãng và dung dịch sulfuric acid đặc, ống nghiệm, bông tẩm kiềm, đèn cồn.

Tiến hành:

- Cho mảnh đồng nhỏ vào ống nghiệm thứ nhất. Cho tiếp vào ống nghiệm khoảng 3 mL dung dịch sulfuric acid loãng. Đun nóng nhẹ ống nghiệm trên ngọn lửa đèn cồn.

- Cho mảnh đồng nhỏ vào ống nghiệm thứ hai. Cho tiếp vào ống nghiệm khoảng 3 mL dung dịch sulfuric acid đặc. Nút bông tẩm kiềm vào miệng ống nghiệm. Đun nóng nhẹ ống nghiệm trên ngọn lửa đèn cồn.

Yêu cầu: Quan sát hiện tượng và giải thích. Viết phương trình hoá học minh hoạ, xác định vai trò của các chất khi phản ứng xảy ra.

Hướng dẫn trả lời:

Hiện tượng:

Ống nghiệm (1): Không có hiện tượng xảy ra.

Ống nghiệm (2): Mảnh đồng màu đỏ tan dần trong dung dịch acid H₂SO₄ đặc, nóng, dung dịch chuyển thành màu xanh và thấy hiện tượng sủi bọt khí mùi hắc do sulfur dioxide (SO₂) sinh ra.

PTHH: Cu + 2H₂SO₄ → CuSO₄+ SO₂↑ + 2H₂O

Chất khử: Cu; Chất oxi hóa: H₂SO₄

Cu → Cu+2 + 2e

S+6 + 2e → S+4

Thí nghiệm 2: Tính háo nước và tính oxi hoá của dung dịch sulfuric acid đặc

Chuẩn bị: Đường kính hoặc bột gạo hay bột mì, cốc thuỷ tinh chịu nhiệt, chậu thủy tinh rộng, ống nhỏ giọt, dung dịch sulfuric acid đặc.

Tiến hành: Đặt cốc thủy tinh vào chậu thủy tinh. Cho một thìa nhỏ đường kính, hoặc bột gạo, hoặc bột mì vào cốc. Nhỏ từ từ vài mL dung dịch sulfuric acid đặc vào cốc.

Yêu cầu: Quan sát hiện tượng. Giải thích và viết phương trình hoá học.

Chú ý an toàn: Cần thận khi sử dụng dung dịch sulfuric acid.

Hướng dẫn trả lời:

Khi nhỏ sulfuric acid đặc vào đường kính hoặc tinh bột (bột gạo/ bột mì), ta thấy đường hoặc tinh bột (bột gạo/ bột mì) nhanh chóng hóa đen, sau đó khối rắn tăng thể tích rất nhanh và thoát khí mùi hắc (SO2)

Phương trình hoá học của các phản ứng:

C₁₂H₂₂O₁₁ + H₂SO₄ → 12C + H₂SO₄.11H₂O

(C₆H₁₀O₅)_n + H₂SO₄ đặc → 6nC + H₂SO₄.5nH₂O

C + 2H₂SO₄ → 12CO₂↑ + 2SO₂↑ + 2H₂O

Luyện tập 1: Hãy viết phương trình hoá học của phản ứng giữa dung dịch sulfuric acid loãng, dư với lần lượt từng chất sau: kẽm (zinc), zinc oxide, barium hydroxide, sodium carbonate.

Hướng dẫn trả lời:

H₂SO₄ + Zn → ZnSO₄ + H₂

H₂SO₄ + ZnO → ZnSO₄ + H₂O

H₂SO₄ + Ba(OH)₂ → BaSO₄ + 2H₂O

H₂SO₄ + Na₂CO₃ → Na₂SO₄ + CO₂ + H₂O

Câu hỏi 2: Số oxi hoá lớn nhất của sulfur trong các hợp chất là +6. Vậy H₂SO₄ có khả năng thể hiện tính khử không? Giải thích.

Hướng dẫn trả lời:

H₂SO₄ không có khả năng thể hiện tính khử. Vì S⁶ là số oxi hóa cao nhất của sulfur trong hợp chất nên không thể nhường electron để thể hiện tính khử. 

Luyện tập 2: Dự đoán hiện tượng xảy ra khi cho vài giọt dung dịch sulfuric acid đặc vào ống nghiệm chứa vài hạt cơm (thành phần chính là tinh bột ((C₆H₁₀O₅)_n). Viết phương trình hoá học minh họa.

Hướng dẫn trả lời:

Khi nhỏ sulfuric acid đặc vào tinh bột (hạt cơm), ta thấy tinh bột (hạt cơm) nhanh chóng hóa đen, sau đó khối rắn tăng thể tích rất nhanh và thoát khí mùi hắc (SO₂)

Phương trình hoá học của các phản ứng:

(C₆H₁₀O₅)_n + H₂SO₄ đặc → 6nC + H₂SO₄.5nH₂O

C + 2H₂SO₄ → 12CO₂↑ + 2SO₂↑ + 2H₂O

3. Bảo quản và xử lí bỏng sulfuric acid

Luyện tập 3: Phòng thí nghiệm có một lọ đựng dung dịch sulfuric acid đặc không còn nguyên chất, không sử dụng được nữa. Hãy đề xuất cách loại bỏ lọ acid này một cách an toàn mà ít gây ảnh hưởng đến môi trường và sức khỏe.

Hướng dẫn trả lời:

Sử dụng nước vôi Ca(OH)₂ để kết tủa ion SO₄²⁻ trong dung dịch acid.

H₂SO₄ + Ca(OH)₂ → CaSO₄ + H₂O

4. Ứng dụng và sản xuất sulfuric acid

Câu hỏi 3: "Nhờ có chất xúc tác nên phản ứng giữa SO₂ và O₂ ưu tiên diễn ra theo chiều thuận". Phát biểu trên là đúng hay sai? Giải thích.

Hướng dẫn trả lời:

Phát biểu trên là sai.

Vì chất xúc tác giúp hệ đạt nhanh tới trạng thái cân bằng bằng cách tăng tốc độ phản ứng thuận và phản ứng nghịch với số lần bằng nhau nên không làm chuyển dịch cân bằng (hay không ưu tiên diễn ra theo một chiều bất kì).

Vận dụng: Quá trình sản xuất sulfuric acid có thể ảnh hưởng đến môi trường và người tham gia sản xuất. Hãy tìm hiểu nguyên nhân và đề xuất một số biện pháp hạn chế những tác hại đó.

Hướng dẫn trả lời:

Trong có trình sản xuất sulfuric acid có quá trình đốt cháy khoáng vật pyrite tạo sulfur dioxide.

• Đối với môi trường, khí sulfur dioxide là nguyên nhân quan trọng gây mưa acid.
• Đối với con người, khí sulfur dioxide sẽ tạo cảm giác khó thở, gây ra bệnh viêm đường hô hấp, đau mắt. Khi vào cơ thể, khí này kết hợp với nước, tạo acid, từ đó làm giảm pH của máu, làm rối loạn nhiều quá trình chuyển hoá trong cơ thể, làm giảm khả năng vận chuyển oxygen của hồng cầu.

Để giảm lượng khí sulfur dioxide thải vào bầu khí quyển cần phối hợp thực hiện nhiều biện pháp như:

• Thay thế dần các nhiên liệu hóa thạch bằng nhiên liệu thân thiện môi trường như ethanol, hydrogen,... kết hợp với khai thác các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng gió.
• Dẫn khí thải của các nhà máy vào tháp hoặc bồn chứa các chất hấp phụ phù hợp, như than hoạt tính, hấp phụ khí sulfur dioxide, trước khi thải khí ra môi trường.
• Chuyển hoá sulfur dioxide thành các chất ít gây ô nhiễm hơn bằng các hóa chất như vôi sống (thành phần chính là CaO), vôi tôi (thành phần chính là Ca(OH)₂) hoặc đá với nghiền (thành phần chính là CaCO₃).

II. MUỐI SULFATE

1. Một số muối sulfate

Câu hỏi 4: Hai chất phụ gia thực phẩm đều màu trắng là bột thạch cao nung và bột "baking soda" NaHCO₃. Làm thế nào để phân biệt hai chất phụ gia này?

Hướng dẫn trả lời:

Sử dụng HCl để phân biệt:

• Bột tan trong HCl tạo khí: baking soda (NaHCO3).
• Bột không tan HCl: Thạch cao nung.

PTHH: NaHCO3 + HCl → NaCl + CO2 + H2O

2. Nhận biết ion SO₄²⁻ trong dung dịch

Luyện tập 4: Trình bày cách sử dụng dung dịch barium hydroxide để phân biệt ba phân đạm có thành phần chính lần lượt là NaNO₃, NH₄Cl, (NH₄)₂SO₄.

Hướng dẫn trả lời:

Lấy mỗi chất một ít ra các ống nghiệm tương ứng có đánh số từ 1 đến 3:

Cho dung dịch Ba(OH)2 lần lượt vào từng ống nghiệm và lắc đều cho tan hết phân đạm.

Trong ống nghiệm:

- Xuất hiện kết tủa và khí có mùi khai => (NH4)2SO4

- Xuất hiện khí có mùi khai => NH4Cl

- Không hiện tượng => NaNO3

PTHH: 

Ba(OH)2 + (NH4)2SO4 → BaSO4 + 2NH3 + 2H2O

Ba(OH)2 + 2NH4Cl → BaCl2 + 2NH3 + 2H2O

BÀI TẬP

Bài 1: a) Tính thể tích dung dịch H₂SO₄ 98% (D = 1,84 g mL⁻¹) cần dùng để pha chế thành 500 mL dung dịch H₂SO₄ 0,05 M.

b) Tính thể tích dung dịch H₂SO₄ 0,05 M cần dùng để trung hoà 10 mL dung dịch NaOH có pH = 13.

Hướng dẫn trả lời:

a) n_H2SO4 = 0,05.0,5 = 0,025 (mol)

m_H2SO4 = 0,025.98 = 2,45 (g)

m_ddH2SO4 = 

V_ddH2SO4 = 

b) Nồng độ mol H+ trong dung dịch NaOH là:

[H+] = 10^−pH = 10⁻¹³ M.

Nồng độ mol OH− trong dung dịch NaOH là:

[OH−] = 

n_NaOH = 0,1.10.10⁻³ = 10⁻⁴ (mol)

H₂SO₄ + 2NaOH → Na₂SO₄ + 2H₂O

=> nH_2SO4 = 10^−4/2 = 5.10⁻⁵ (mol)

V_ddH2SO4 = 

Bài 2: Các ao, hồ, suối, sông quanh miệng núi lửa thường có môi trường acid. Điển hình là hồ Kawah Ijen, miền Đông đảo Java, Indonesia. Hồ nằm cao hơn mặt nước biển 2 300 m, được cho là "hồ acid" lớn nhất thế giới. Giá trị pH của nước trong hồ dao động từ 0,13 đến 0,50 chủ yếu do sulfuric acid gây nên.

Hãy giải thích nguyên nhân có mặt của sulfuric acid trong hồ.

Hướng dẫn trả lời:

Sulfur dioxide được sinh ra từ núi lửa, ở nhiệt độ cao trong không khí sulfuric dioxide tác dụng với oxygen tạo sulfur trioxide. Khi gặp nước, sulfur trioxide tan tạo dung dịch sulfuric acid.

SO2 + 1/2O2 → SO3

SO3 + H2O → H2SO4

Bài 3: Dựa vào tính chất nào để phân biệt nhanh muối magnesium sulfate và muối barium sulfate?

Hướng dẫn trả lời:

Để phân biệt nhanh muối magnesium sulfate và muối barium sulfate, ta cho chúng tác dụng với nước: magnesium sulfate  hút nước, barium sulfate không tác dụng với nước.

Bài 4: Viết phương trình hoá học của các phản ứng theo dãy chuyển hoá dưới đây.

FeS₂ → SO₂ → SO₃ → H₂SO₄ → (NH₄)₂SO₄.

Hướng dẫn trả lời:

FeS₂ + O₂ → Fe₂O₃ + SO₂

SO2 + 1/2O2 → SO3

SO3 + H2O → H2SO4

NH₃ + H₂SO₄ → (NH₄)₂SO₄