Giải chi tiết Hóa học 11 Chân trời mới bài 5: Một số hợp chất với oxygen của nitrogen

MỞ ĐẦU

Câu hỏi. Nitrogen tạo ra những hợp chất nào với oxygen? Chúng được tạo thành từ đâu và có những tính chất gì?

Hướng dẫn trả lời:

Nitrogen tạo ra những hợp chất với oxygen là NO, NO₂, N₂O, N₂O₃, N₂O₅,...

Ở nhiệt độ khoảng 3000^oC (hoặc nhiệt độ của lò hồ quang điện), Nitrogen kết hợp trực tiếp với oxygen, tạo ra khí nitrogen monoxide NO.

Ở điều kiện thường, khí NO không màu kết hợp ngay với oxygen của không khí, tạo ra khí nitrogen dioxide NO₂ màu nâu đỏ.

Ngoài các oxide trên, còn có các oxide khác của nitơ như N₂O, N₂O₃, N₂O₅, chúng không điều chế được bằng tác dụng trực tiếp giữa nitrogen và oxygen.

Các oxide của Nitrogen là chất khí và có các tính chất hoá học khác nhau

1. CÁC OXIDE CỦA NITROGEN - HIỆN TƯỢNG MƯA ACID

Tìm hiểu về nguồn gốc của các oxide của nitrogen trong không khí 

Thảo luận 1. Hãy tìm hiểu và cho biết hiện tượng nào trong tự nhiên và quá trình nào trong đời sống con người là nguồn tạo ra các khí NO, NO₂ trong không khí.

Hướng dẫn trả lời:

Ở nhiệt độ khoảng 3000^oC (hoặc nhiệt độ của lò hồ quang điện), Nitrogen kết hợp trực tiếp với oxygen, tạo ra khí nitrogen monoxide NO.

Ở điều kiện thường, khí NO không màu kết hợp ngay với oxygen của không khí, tạo ra khí nitrogen dioxide NO₂ màu nâu đỏ.

Oxide của nitrogen được hình thành từ sự cháy của các nhiên liệu, là phản ứng giữa nitrogen và oxygen. Do đó, ở những nơi có lưu lượng xe cơ giới cao thì nồng độ NO_x cũng cao. Ngoài ra, tại những nơi có các hoạt động nông nghiệp, nhà máy xử lý nước thải, … Oxide của nitrogen cũng xuất hiện với mức độ lớn.

Tìm hiểu về hiện tượng mưa acid

Thảo luận 2. Quan sát hình 5.2 mô tả quá trình hình thành mưa acid

Hướng dẫn trả lời:

Trong thành phần các chất đốt tự nhiên như than đá và dầu mỏ có chứa một lượng lớn lưu huỳnh, còn trong không khí lại chứa nhiều nitrogen. Quá trình đốt sản sinh ra các khí độc hại như: Sulfur dioxide(SO₂) và Nitrogen dioxide (NO₂). Các khí này hòa tan với hơi nước trong không khí tạo thành các Sulfuric acid (H₂SO₄) và nitric acid (HNO₃). Khi trời mưa, các hạt acid này tan lẫn vào nước mưa, làm độ pH của nước mưa giảm. Nếu nước mưa có độ pH dưới 5,6 được gọi là mưa acid. 

Thảo luận 3. Viết các phương trình hóa học của chuỗi phản ứng tạo thành nitric acid từ đã cho rằng trong không khí N₂ → NO → NO₂ → HNO₃

Hướng dẫn trả lời:

(1) N₂+ O₂ ⇄ 2NO (t^o/tia lửa điện)

(2) 2NO + O₂→ 2NO₂

(3) 4NO₂ + O₂ + 2H₂O → 4HNO₃

Thảo luận 4. Quan sát hình 5.3, hãy nêu một số tác hại của mưa acid

Hướng dẫn trả lời:

Quan sát hình 5.3, Một số tác hại của mưa acid là

• Làm xói mòn bề mặt các công trình kiến trúc.
• Ảnh hưởng lớn đến cây trồng.
• Ảnh hưởng xấu đến các loài sinh vật,...

2. NITRIC ACID

Tìm hiểu cấu tạo phân tử, tính chất vật lí của nitric acid

Thảo luận 5. Quan sát hình 5.4 a cho biết liên kết hóa học giữa các nguyên tử trong phân tử HNO₃ thuộc loại liên kết gì. Xác định số oxi hóa của nitrogen trong HNO₃. Dự đoán vai trò của HNO₃ trong phản ứng oxi hóa - khử 

Hướng dẫn trả lời:

5. Các liên kết hóa học giữa các nguyên tử trong phân tử HNO₃ là liên kết cộng hoá trị phân cực

Trong hợp chất HNO₃, N có số oxi hóa cao nhất là +5 

→ Dự đoán HNO₃ là một chất oxi hoá mạnh

Thảo luận 6. Tại sao phải bảo quản nitric acid trong lọ tối màu.

Hướng dẫn trả lời:

Do HNO3 là một acid kém bền.

+) Trong điều kiện thường, có ánh sáng dung dịch acid đặc bị phân hủy một phần giải phóng khí NO2 khí này tan trong trong dung dịch acid làm cho dung dịch có màu vàng.

⇒ Phải bảo quản HNO3 trong bình tối màu.

Tìm hiểu tính chất hóa học và một số ứng dụng thực tiễn quan trọng của nitric acid

Thảo luận 7. Hãy tìm hiểu và cho biết HNO3 được ứng dụng vào những lĩnh vực nào trong đời sống và sản xuất.

Hướng dẫn trả lời:

Ứng dụng HNO3

• Trong công nghiệp sản xuất vũ khí HNO3 là thành phần quan trọng trong sản xuất thuốc nổ TNT, nitrobenzene,...
• Trong nông nghiệp: Cùng với NH3, HNO3 là nguyên liệu trong sản xuất phân bón (phân đạm 1 lá, 2 lá, ...).
• Trong công nghiệp: HNO3 được ứng dụng trong quy trình sản xuất thuốc nhuộm, dệt vải, ...

Luyện tập. Viết phương trình hóa học của các phân tử khi cho cho dung dịch HNO₃ tác dụng với CuO, Ca(OH)₂, CaCO₃ các phản ứng này có phải phản ứng oxi hóa - khử không? Giải thích

Hướng dẫn trả lời:

CuO + 2HNO3 → Cu(NO3)2 + H2O

Ca(OH)2 + 2HNO3 → Ca(NO3)2 + 2H2O

CaCO3 + 2HNO3 → Ca(NO3)2 + CO2 + H2O 

các phản ứng này không phải phản ứng oxi hóa - khử, do không có sự tthay đổi số oxi hoá

3. HIỆN TƯỢNG PHÚ DƯỠNG

Tìm hiểu hiện tượng phú dưỡng.

Thảo luận 8. Hãy cho biết dấu hiệu nhận biết hiện tượng phú dưỡng 

Hướng dẫn trả lời:

Dấu hiệu: nước ao ám màu xanh của tảo phát triển.

Thảo luận 9. Hãy nêu một số phương pháp hạn chế hiện tượng phú dưỡng 

Hướng dẫn trả lời:

Các biện pháp hạn chế nguồn thải này được đề xuất như:

• Xây dựng hầm Biogas xử lý nước thải
• Tạo điều kiện để nước trong kênh rạch, ao, hồ được lưu thông.
• Xử lí nước thải trước khi cho chảy vào kênh rạch, ao, hồ.
• Sử dụng phân bón đúng liều lượng, đúng cách, đúng thời điểm trong năm để hạn chế sự rửa trôi ion NO3−, PO43− từ nguồn phân bón dư thừa vào kênh rạch, ao, hồ.

Vận dụng. Nước thải chăn nuôi làm một trong các yếu tố gây nên hiện tượng phù dưỡng cho ao hồ. Hãy giải thích điều này

Hướng dẫn trả lời:

Nước thải chăn nuôi là nguồn thải giàu chất hữu cơ nhất, thường đến từ các cơ sở chăn nuôi gia đình. Phân hữu cơ chứa lượng lớn nitrogen và phosphorus thúc đẩy quá trình phú dưỡng diễn ra theo tiến trình nhanh nhất.

BÀI TẬP

Bài tập 1. Trong công nghiệp, người ta sản xuất nitric acid (HNO₃) từ ammonia theo sơ đồ chuyển hoá sau:

NH₃ → NO→ NO₂ → HNO₃

a) Viết các phương trình hoá học xảy ra.

b) Để điều chế 200 000 tấn nitric acid có nồng độ 60% cần dùng bao nhiêu tấn

ammonia? Biết rằng hiệu suất của quá trình sản xuất nitric acid theo sơ đồ trên là 96,2%.

Hướng dẫn trả lời:

(1) 4NH₃ + 5O₂  → 6H₂O + 4NO

(2) 2NO + O₂ → 2NO₂
(3) 2H₂O + 4NO₂ + O₂ → 4HNO₃

b) 

Khối lượng HNO₃ nguyên chất là: 200000.60 / 100 = 120 000 tấn

Sơ đồ phản ứng điều chế HNO₃ từ NH₃

NH₃  → NO  → NO₂  → HNO₃ 

1mol                                 1 mol

17g                                    63g

x tấn                                  120 000 tấn

Theo sơ đồ điều chế n_HNO3 = n_NH3

⇒ m_NH3 = 120 000.17 : 63 = 32380,95 tấn

Hiệu suất H = 96,2%

Vậy khối lương amoniac cần dùng là: 32380,95 : 0,962 = 33 660 tấn

Bài tập 2. Trong thực tế, nhiều nơi nước thải, phân bón hóa học, thuốc trừ sâu chưa qua xử lý được thả trực tiếp vào ao hồ. Trường hợp nào có thể gây ra hiện tượng phú dưỡng. Giải thích.

Hướng dẫn trả lời:

Nước thải chưa qua xử lí là nguồn thải giàu chất hữu cơ nhất, thường đến từ các cơ sở chăn nuôi, nước thải sinh hoạt  gia đình,... do chứa lượng lớn nitrogen và phosphorus thúc đẩy quá trình phú dưỡng diễn ra theo tiến trình nhanh nhất.

Bài tập 3. Khí thải có chứa NO₂ góp phần gây gây ra mưa acid và hiện tượng phú dưỡng. Giải thích.

Hướng dẫn trả lời:

Khi đó, khí NO₂ ngoài môi trường được hòa tan trong nước mưa sẽ hình thành HNO₃, những hạt acid được hòa lẫn vào nước mưa, làm cho nước mưa có độ pH giảm gây hiện tượng mưa acid.

NO2  có thành phần nitrogen thúc đẩy quá trình phú dưỡng diễn ra nhanh.