Cân bằng hóa học, nitrogen và sulfur (lớp 11)

Phần vô cơ lớp 11 xuất hiện đều trong đề tốt nghiệp: câu nhiều lựa chọn về chuyển dịch cân bằng, tính chất của $\ce{NH3}$⁠, $\ce{HNO3}$⁠, $\ce{H2SO4}$⁠; câu đúng/sai về chuẩn độ acid – base, mưa acid hoặc phân bón; câu trả lời ngắn tính hằng số cân bằng, pH, độ dinh dưỡng của phân bón. Học theo hai trục: cân bằng (Le Chatelier, pH) và nguyên tố (N, S và hợp chất).

Kiến thức trọng tâm

Cân bằng hóa học

• Phản ứng thuận nghịch đạt trạng thái cân bằng khi tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch; đây là cân bằng động (phản ứng vẫn xảy ra, nồng độ các chất không đổi).
• Với $a\mathrm{A} + b\mathrm{B} \rightleftharpoons c\mathrm{C} + d\mathrm{D}$⁠:

• Không đưa chất rắn (và nước khi là dung môi) vào biểu thức $K_C$⁠. $K_C$ chỉ phụ thuộc nhiệt độ.

Nguyên lí chuyển dịch cân bằng Le Chatelier: cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm tác động từ bên ngoài.

Cân bằng trong dung dịch nước

• Chất điện li mạnh (acid mạnh, base mạnh, hầu hết muối) phân li hoàn toàn; chất điện li yếu (⁠$\ce{CH3COOH}$⁠, $\ce{NH3}$⁠, $\ce{H2S}$⁠…) phân li một phần, có cân bằng điện li.
• Thuyết Brønsted – Lowry: acid là chất cho $\ce{H+}$⁠, base là chất nhận $\ce{H+}$⁠. Một số chất vừa cho vừa nhận được $\ce{H+}$ (lưỡng tính), như $\ce{HCO3-}$⁠, $\ce{H2O}$⁠.

• pH $= -\lg[\ce{H+}]$⁠; ở 25 °C: $[\ce{H+}][\ce{OH-}] = 10^{-14}$⁠, pH + pOH = 14. Môi trường acid: pH < 7; trung tính: pH = 7; base: pH > 7. Máu người có pH khoảng 7,35 – 7,45.
• Chất chỉ thị: quỳ tím hóa đỏ trong môi trường acid, hóa xanh trong môi trường base; phenolphthalein không màu ở pH dưới khoảng 8,3 và hồng ở pH cao hơn.
• Ion thủy phân: $\ce{Al^{3+}}$⁠, $\ce{Fe^{3+}}$ tạo môi trường acid (phèn chua làm trong nước nhờ kết tủa keo $\ce{Al(OH)3}$⁠); $\ce{CO3^{2-}}$ tạo môi trường base.

Chuẩn độ acid – base: dùng burette nhỏ từ từ dung dịch chuẩn (đã biết nồng độ) vào dung dịch cần xác định (lấy bằng pipette vào bình tam giác, có vài giọt chất chỉ thị) đến khi chất chỉ thị đổi màu (điểm kết thúc chuẩn độ, rất gần điểm tương đương). Với acid và base một nấc: $C_{\text{acid}}V_{\text{acid}} = C_{\text{base}}V_{\text{base}}$⁠.

Nitrogen và hợp chất

Nitrogen (⁠$\ce{N2}$⁠): chiếm khoảng 78% thể tích không khí; liên kết ba $\ce{N#N}$ rất bền (945 kJ/mol) nên $\ce{N2}$ trơ ở nhiệt độ thường. Ở nhiệt độ cao, $\ce{N2}$ thể hiện tính oxi hóa (với $\ce{H2}$⁠) và tính khử (với $\ce{O2}$⁠, khi có tia lửa điện, sấm sét):

Ammonia (⁠$\ce{NH3}$⁠): khí mùi khai, tan rất nhiều trong nước. Phân tử dạng chóp tam giác, nguyên tử N còn một cặp electron riêng → tính base; N có số oxi hóa −3 (thấp nhất) → tính khử.

Sản xuất ammonia (quá trình Haber): khoảng 400 – 500 °C, áp suất cao (vài trăm bar), xúc tác iron; ammonia được hóa lỏng tách ra liên tục, khí $\ce{N2}$⁠, $\ce{H2}$ dư được tuần hoàn.

Muối ammonium: dễ tan, tác dụng với dung dịch kiềm khi đun nóng giải phóng $\ce{NH3}$ (làm quỳ tím ẩm hóa xanh) — dùng nhận biết ion $\ce{NH4+}$⁠; kém bền nhiệt.

Nitric acid (⁠$\ce{HNO3}$⁠): acid mạnh, chất oxi hóa mạnh: oxi hóa hầu hết kim loại (kể cả Cu, Ag) tạo $\ce{NO2}$⁠, NO… không giải phóng $\ce{H2}$⁠; Al, Fe, Cr bị thụ động trong $\ce{HNO3}$ đặc, nguội. Sản xuất theo sơ đồ $\ce{NH3}$ → NO → $\ce{NO2}$ → $\ce{HNO3}$⁠:

Môi trường: các oxide của nitrogen (từ động cơ, nhiệt điện) cùng $\ce{SO2}$ gây mưa acid (pH < 5,6); dư thừa ion nitrate, phosphate từ phân bón, nước thải gây hiện tượng phú dưỡng (tảo phát triển mạnh, nước thiếu oxygen).

Sulfur và hợp chất

Sulfur: số oxi hóa 0 (trung gian) → vừa có tính oxi hóa vừa có tính khử.

Sulfur dioxide (⁠$\ce{SO2}$⁠): khí độc, mùi hắc; vừa có tính khử vừa có tính oxi hóa; dùng tẩy màu, chống nấm mốc; là chất gây mưa acid.

Sulfuric acid (⁠$\ce{H2SO4}$⁠)

• Dung dịch loãng: acid mạnh (làm quỳ hóa đỏ; tác dụng kim loại đứng trước H, base, oxide base, muối).
• Đặc: tính háo nước (than hóa đường, giấy) và tính oxi hóa mạnh (oxi hóa Cu, C, S…; Al, Fe, Cr bị thụ động khi nguội).

• Pha loãng an toàn: rót từ từ acid đặc vào nước, khuấy đều; không làm ngược lại. Bị bỏng acid: rửa ngay bằng nhiều nước, sau đó dùng dung dịch $\ce{NaHCO3}$ loãng.
• Sản xuất (phương pháp tiếp xúc): S hoặc quặng pyrite → $\ce{SO2}$ → $\ce{SO3}$ (xúc tác $\ce{V2O5}$⁠, khoảng 450 °C) → hấp thụ $\ce{SO3}$ bằng $\ce{H2SO4}$ đặc tạo oleum, rồi pha loãng.
• Nhận biết ion sulfate: $\ce{Ba^{2+} + SO4^{2-} -> BaSO4 v}$ (kết tủa trắng).

Phân bón hóa học

Bón thừa phân hoặc bón sai thời điểm gây lãng phí, chai đất, ô nhiễm nguồn nước (phú dưỡng) và tồn dư nitrate trong rau.

Dạng bài thường gặp trong đề thi

Dạng 1: Tính hằng số cân bằng

Xem lời giải

1. $\ce{PCl5}$ phân hủy $0{,}50 - 0{,}30 = 0{,}20$ mol → tạo 0,20 mol $\ce{PCl3}$ và 0,20 mol $\ce{Cl2}$⁠.
2. Nồng độ cân bằng: $[\ce{PCl5}] = \dfrac{0{,}30}{5{,}0} = 0{,}060$ M; $[\ce{PCl3}] = [\ce{Cl2}] = \dfrac{0{,}20}{5{,}0} = 0{,}040$ M.
3. $K_C = \dfrac{0{,}040 \cdot 0{,}040}{0{,}060} \approx 0{,}027$⁠.

Dạng 2: Chuyển dịch cân bằng trong sản xuất (đúng/sai)

Xem lời giải

• a) Đúng. Chiều thuận làm số mol khí giảm từ 4 xuống 2.
• b) Sai. Chiều thuận tỏa nhiệt; tăng nhiệt độ cân bằng chuyển theo chiều nghịch, $K_C$ giảm. (Nhà máy vẫn dùng khoảng 400 – 500 °C để phản ứng đủ nhanh.)
• c) Sai. Xúc tác chỉ giúp nhanh đạt cân bằng, không làm thay đổi trạng thái cân bằng.
• d) Đúng. Giảm nồng độ sản phẩm → cân bằng chuyển dịch theo chiều tạo thêm sản phẩm.

Dạng 3: pH khi trộn dung dịch acid và base mạnh

Xem lời giải

1. $n_{\ce{H+}} = 0{,}015$ mol; $n_{\ce{OH-}} = 2 \cdot 0{,}05 \cdot 0{,}2 = 0{,}02$ mol (mỗi $\ce{Ba(OH)2}$ cho 2 $\ce{OH-}$⁠).
2. $\ce{H+ + OH- -> H2O}$ → $\ce{OH-}$ dư $0{,}005$ mol → $[\ce{OH-}] = \dfrac{0{,}005}{0{,}2} = 0{,}025$ M.
3. pOH $= -\lg 0{,}025 \approx 1{,}6$ → pH $\approx 12{,}4$⁠.

Dạng 4: Chuẩn độ acid – base

Xem lời giải

1. Thể tích NaOH trung bình: $\dfrac{12{,}50 + 12{,}45 + 12{,}55}{3} = 12{,}50$ mL.
2. Điểm kết thúc: dung dịch chuyển từ không màu sang hồng nhạt bền khoảng 30 giây.
3. $C_{\ce{HCl}}$ (đã pha) $= \dfrac{0{,}100 \cdot 12{,}50}{10{,}00} = 0{,}125$ M → nồng độ trong chai $= 0{,}125 \cdot 10 = 1{,}25$ M.

Dạng 5: Độ dinh dưỡng của phân bón

Xem lời giải

1. 1 mol $\ce{Ca(H2PO4)2}$ (⁠$M = 234$⁠) chứa 2 nguyên tử P, tương ứng 1 mol $\ce{P2O5}$ (⁠$M = 142$⁠).
2. Độ dinh dưỡng $= 85\% \cdot \dfrac{142}{234} \approx 51{,}6\%$ $\ce{P2O5}$⁠.

Lỗi thường gặp

Mẹo làm bài

Tự kiểm tra nhanh

1. Tính pH của dung dịch HCl 0,001 M và dung dịch NaOH 0,01 M ở 25 °C.

Xem đáp án

HCl: pH = 3. NaOH: pOH = 2 → pH = 12.

2. Cần bao nhiêu kilogram phân urea chứa 98% $\ce{(NH2)2CO}$ để cung cấp 60 kg nitrogen?

Xem đáp án

Khối lượng urea nguyên chất $= 60 \cdot \dfrac{60}{28} \approx 128{,}6$ kg → khối lượng phân $= \dfrac{128{,}6}{0{,}98} \approx 131{,}2$ kg.

3. Từ 1,0 tấn sulfur sản xuất được bao nhiêu tấn dung dịch $\ce{H2SO4}$ 98% nếu hiệu suất cả quá trình là 80%?

Xem đáp án

S → $\ce{H2SO4}$⁠: $\dfrac{1{,}0}{32} \cdot 98 \cdot 0{,}8 = 2{,}45$ tấn $\ce{H2SO4}$ → dung dịch 98%: $\dfrac{2{,}45}{0{,}98} = 2{,}5$ tấn.

4. Cân bằng sau có chuyển dịch khi tăng áp suất không? Vì sao?

Xem đáp án

Không: số mol khí hai vế bằng nhau (2 = 2).

5. Trong sản xuất ammonia, vì sao người ta làm lạnh hỗn hợp khí ra khỏi tháp tổng hợp để tách riêng $\ce{NH3}$⁠, rồi đưa $\ce{N2}$ và $\ce{H2}$ chưa phản ứng quay trở lại tháp?

Xem đáp án

Ammonia hóa lỏng ở nhiệt độ cao hơn nhiều so với $\ce{N2}$⁠, $\ce{H2}$ nên làm lạnh tách được $\ce{NH3}$⁠. Tách sản phẩm làm cân bằng $\ce{N2 + 3H2 <=> 2NH3}$ chuyển dịch theo chiều thuận, còn đưa $\ce{N2}$⁠, $\ce{H2}$ dư quay lại giúp tận dụng nguyên liệu, nâng hiệu suất chung.