HÓA HỌC 11 · NITROGEN QUA LĂNG KÍNH CÂN BẰNG VÀ ACID – BASE — Một nguyên tố, ba lăng kính
Bài giảng khái niệm tương tác Hóa học 11: thang số oxi hóa của nitrogen và vai trò chất khử, chất oxi hóa; cấu tạo NH3 và NH4+ trong không gian; hai cân bằng…
LUKATO AI Hóa học 11 · Bài giảng khái niệm
0%
11 HÓA HỌC 11 · CÂN BẰNG · ACID – BASE · NITROGEN
Một nguyên tố, ba lăng kính : electron, proton và cân bằng
Nitrogen có mặt ở gần như toàn bộ nửa đầu chương trình Hóa học 11. Nhìn theo electron, nguyên tử N leo từ −3 lên +5 và đổi vai chất khử, chất oxi hóa. Nhìn theo proton, NH 3 nhận H + để thành NH 4 + , một cặp acid – base liên hợp. Nhìn theo cân bằng, N 2 + O 2 ⇌ 2NO và N 2 + 3H 2 ⇌ 2NH 3 phản ứng khác nhau trước cùng một tác động. Sáu phòng dưới đây dựng từng khái niệm rồi cho bạn kiểm chứng.
Số oxi hóa → vai trò → cân bằng → ứng dụng mọi phương trình trong bài đã được máy kiểm bảo toàn nguyên tố và điện tích; cân bằng mới được tính lại bằng phương pháp số
Thang số oxi hóa
Tổng quan
Ba câu hỏi đặt cho mọi hợp chất của nitrogen
Đề kiểm tra giữa học kì I Hóa học 11 (cấu trúc mới: nhiều lựa chọn, đúng sai, trả lời ngắn, tự luận) thường hỏi đan xen cân bằng hóa học, acid – base và hóa học nitrogen. Bài giảng này không giải đề. Nó dựng lại khái niệm để bạn tự trả lời được mọi biến thể.
1 Electron đi đâu?
So sánh số oxi hóa của N trước và sau phản ứng. Tăng: chất chứa N là chất khử. Giảm: là chất oxi hóa. Không đổi: phản ứng không phải oxi hóa – khử đối với N, chất đó chỉ đóng vai acid hoặc base.
2 Proton đi đâu?
Theo Brønsted – Lowry, acid nhường H + , base nhận H + . NH 3 nhận H + thành NH 4 + ; NH 4 + nhường H + thành NH 3 . Mỗi acid đi kèm một base liên hợp, và một chất có thể là acid trong phản ứng này nhưng là base trong phản ứng khác.
3 Cân bằng nghiêng về đâu?
So sánh thương số phản ứng Q với hằng số cân bằng K. Mọi tác động (nồng độ, áp suất, nhiệt độ) đều được đọc qua câu hỏi: tác động này làm Q đổi hay làm K đổi, và hệ phải đi chiều nào để Q trở lại bằng K.
Sáu phòng khái niệm
Phòng thực hành
Đọc lí thuyết, rồi kiểm chứng bằng mô phỏng
Mỗi phòng có khối lí thuyết trọng tâm, phần tương tác và một câu chốt khái niệm. Nồng độ trong mô phỏng cân bằng là số liệu minh họa do bài giảng tự chọn, không lấy từ đề thi. Số thập phân dùng dấu phẩy như trong sách giáo khoa.
Phòng 1 · Thang số oxi hóa của nitrogen
Nguyên tử N có 5 electron hóa trị nên số oxi hóa trải từ −3 (N hút về phía mình 3 electron dùng chung, như trong NH 3 ) đến +5 (cả 5 electron hóa trị lệch về nguyên tố âm điện hơn, như trong HNO 3 ). Vị trí trên thang cho biết hợp chất có thể làm gì.
Oxi hóa – khử
Lí thuyết trọng tâm
Đọc thang từ dưới lên
−3: NH 3 , NH 4 + , nitride (Li 3 N, Mg 3 N 2 ). 0: N 2 . +1: N 2 O. +2: NO. +3: HNO 2 , NO 2 − . +4: NO 2 . +5: HNO 3 , NO 3 − , N 2 O 5 . Cách tính: trong hợp chất, H thường là +1, O thường là −2, tổng số oxi hóa bằng điện tích của phân tử hoặc ion.
Vị trí quyết định khả năng
Ở bậc thấp nhất (−3), N chỉ có thể tăng số oxi hóa: NH 3 thể hiện tính khử. Ở bậc cao nhất (+5), N chỉ có thể giảm: HNO 3 thể hiện tính oxi hóa. Ở bậc trung gian (0, +1, +2, +3, +4), chất có thể vừa khử vừa oxi hóa tùy chất phản ứng cùng.
Cùng một chất, hai vai
NH 3 là chất khử khi tác dụng với O 2 , Cl 2 , CuO, nhưng chỉ là base khi tác dụng với HCl hay H 2 O, vì số oxi hóa của N không đổi. Muốn biết vai trò, luôn so số oxi hóa trước và sau phản ứng, không đoán theo tên chất.
N 2 kém hoạt động nhưng không trơ hẳn
Liên kết ba N≡N rất bền (khoảng 945 kJ/mol) nên N 2 kém hoạt động ở điều kiện thường. Ở nhiệt độ cao, N 2 là chất oxi hóa với H 2 và kim loại hoạt động, và là chất khử với O 2 . Riêng lithium phản ứng với N 2 ngay ở nhiệt độ thường.
Chọn nhóm phản ứng
Số oxi hóa của N —
Electron mỗi nguyên tử N —
Vai trò của chất chứa N —
Chốt khái niệm: Vai trò của một chất không gắn cố định với tên chất mà với sự thay đổi số oxi hóa trong từng phản ứng. Xét theo nguyên tử N: NH 3 ở bậc −3 nên chỉ thể hiện tính khử; HNO 3 ở bậc +5 nên chỉ thể hiện tính oxi hóa; N 2 , NO, NO 2 ở giữa thang nên làm được cả hai vai.
Phòng 2 · NH 3 và NH 4 + trong không gian
Hình dạng phân tử quyết định tính chất: NH 3 còn một cặp electron chưa liên kết nên nhận được H + , phân cực và tan rất nhiều trong nước; NH 4 + đã dùng cặp electron ấy nên đối xứng hoàn toàn.
Cấu tạo
Lí thuyết trọng tâm
NH 3 : chóp tam giác
Nguyên tử N ở đỉnh, ba nguyên tử H ở đáy, còn một cặp electron chưa liên kết. Cặp electron này đẩy các liên kết N–H lại gần nhau, góc liên kết khoảng 107°, nhỏ hơn góc tứ diện 109,5°. Liên kết N–H phân cực và phân tử không đối xứng nên NH 3 là phân tử phân cực.
NH 4 + : tứ diện đều
Cặp electron chưa liên kết của N được dùng chung với ion H + (liên kết cho – nhận). Sau khi hình thành, bốn liên kết N–H hoàn toàn như nhau, góc 109,5°, ion có dạng tứ diện đều, không còn cặp electron tự do.
Cộng hóa trị khác số oxi hóa
Cộng hóa trị là số liên kết cộng hóa trị nguyên tử tạo thành: N có cộng hóa trị 3 trong NH 3 và 4 trong NH 4 + . Số oxi hóa của N trong cả hai đều là −3. Hai đại lượng khác nhau, đừng nhầm.
Từ cấu tạo đến tính chất
NH 3 tan rất nhiều trong nước nhờ phân cực và tạo liên kết hydrogen với nước. Cặp electron chưa liên kết là lí do NH 3 vừa là base (nhận H + ) vừa tạo phức với ion kim loại. NH 3 là khí nhẹ hơn không khí (M = 17 so với khoảng 29), mùi khai.
Kéo trên hình để xoay. Mô hình bóng – que: quả cầu xanh dương là N, quả cầu trắng là H, đám mây vàng là cặp electron chưa liên kết.
Điều khiển
Tự xoay Bỏ chọn để giữ yên và kéo bằng tay
Hình dạng —
Góc liên kết —
Cộng hóa trị của N —
Số oxi hóa của N —
Cặp electron chưa liên kết —
Chốt khái niệm: Gắn một ion H + vào cặp electron chưa liên kết biến chóp tam giác (NH 3 ) thành tứ diện đều, tức ion NH 4 + . Cộng hóa trị của N tăng từ 3 lên 4, còn số oxi hóa giữ nguyên −3: đây là phản ứng acid – base, không phải oxi hóa – khử.
Phòng 3 · Hai cân bằng của nitrogen
Cân bằng hóa học là trạng thái động: phản ứng thuận và nghịch vẫn xảy ra với tốc độ bằng nhau nên nồng độ các chất không đổi. Hai cân bằng của nitrogen là cặp đối chiếu hoàn hảo để học nguyên lí chuyển dịch.
Cân bằng hóa học
Lí thuyết trọng tâm
Biểu thức hằng số cân bằng
Với phản ứng aA + bB ⇌ cC + dD: K C = [C] c [D] d : ([A] a [B] b ), nồng độ tại trạng thái cân bằng, số mũ bằng hệ số. Chất rắn không có mặt trong biểu thức. K C chỉ phụ thuộc nhiệt độ; nồng độ, áp suất, xúc tác không làm K C đổi.
Q so với K
Thương số phản ứng Q có cùng dạng biểu thức với K nhưng dùng nồng độ ở thời điểm đang xét. Q < K: cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận. Q > K: chiều nghịch. Q = K: hệ đang cân bằng. Thêm, bớt chất (khí hoặc chất tan), nén hay giãn (khi số mol khí hai vế khác nhau) làm Q đổi; chỉ nhiệt độ làm K đổi.
Nguyên lí Le Chatelier
Cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm tác động bên ngoài. Tăng nồng độ một chất: chiều làm giảm chất đó. Tăng áp suất: chiều làm giảm tổng số mol khí; nếu số mol khí hai vế bằng nhau, áp suất không làm chuyển dịch. Tăng nhiệt độ: chiều thu nhiệt (ΔrH > 0).
Cặp đối chiếu
N 2 + O 2 ⇌ 2NO: thu nhiệt (ΔrH°298 ≈ +180 kJ), 2 mol khí thành 2 mol khí. N 2 + 3H 2 ⇌ 2NH 3 : tỏa nhiệt (ΔrH°298 ≈ −92 kJ), 4 mol khí thành 2 mol khí. Vì thế NO sinh ra nhiều ở nhiệt độ rất cao (tia sét, động cơ), còn NH 3 cần áp suất cao và nhiệt độ vừa phải kèm xúc tác.
Chọn cân bằng
Tác động lên hệ đang cân bằng
Q ngay sau tác động : K —
Chiều chuyển dịch —
Lượng sản phẩm khi cân bằng mới —
Chốt khái niệm: Muốn biết cân bằng chuyển dịch chiều nào, hỏi: tác động làm Q đổi hay làm K đổi? Áp suất không ảnh hưởng tới N 2 + O 2 ⇌ 2NO vì số mol khí hai vế bằng nhau, nhưng lại đẩy N 2 + 3H 2 ⇌ 2NH 3 theo chiều thuận. Nhiệt độ cao có lợi cho phản ứng tạo NO (thu nhiệt) và bất lợi cho phản ứng tạo NH 3 (tỏa nhiệt).
Phòng 4 · NH 3 , NH 4 + và thuyết Brønsted – Lowry
Thuyết Brønsted – Lowry định nghĩa acid và base qua sự chuyển proton, tức ion H + , nên áp dụng được cho cả phân tử lẫn ion, cả khi không có OH − trong công thức như NH 3 .
Acid – base
Lí thuyết trọng tâm
Acid nhường, base nhận
Acid là chất (phân tử hoặc ion) nhường H + ; base là chất nhận H + . Trong NH 3 + H 2 O ⇌ NH 4 + + OH − , chiều thuận: H 2 O là acid, NH 3 là base; chiều nghịch: NH 4 + là acid, OH − là base. Trong HCOOH + H 2 O ⇌ HCOO − + H 3 O + , nước lại là base.
Cặp acid – base liên hợp
Acid sau khi nhường H + trở thành base liên hợp của nó: NH 4 + và NH 3 ; H 2 O và OH − ; H 3 O + và H 2 O; HCOOH và HCOO − . Hai chất trong một cặp chỉ khác nhau đúng một H + .
Lưỡng tính và ion kim loại
Chất vừa nhường vừa nhận được H + là chất lưỡng tính: H 2 O, HCO 3 − , HS − . Ion kim loại có điện tích lớn, bán kính nhỏ như Al 3+ , Fe 3+ trong nước tồn tại dạng ion hydrate (bị hydrate hóa) và nhường H + của phân tử nước liên kết, nên thể hiện tính acid. Vì vậy dung dịch Al 2 (SO 4 ) 3 có môi trường acid.
pH, chỉ thị và chuẩn độ
pH = −lg[H + ]. Môi trường acid: [H + ] > 10 −7 M, pH < 7; trung tính: pH = 7; base: pH > 7 (ở 25 °C). [H + ] càng lớn thì pH càng nhỏ. Quỳ tím hóa đỏ trong acid, xanh trong base; phenolphthalein không màu trong acid và trung tính, hồng khi pH khoảng từ 8,2 trở lên. Trong chuẩn độ, dung dịch chuẩn là dung dịch đã biết chính xác nồng độ.
Chọn một chất hoặc ion
Thang pH và chỉ thị
pH của dung dịch
[H + ] —
Môi trường —
Màu chỉ thị —
Chốt khái niệm: Acid hay base là vai trò trong một phản ứng cụ thể, xác định bằng hướng di chuyển của H + . NH 3 là base vì nhận H + ; NH 4 + là acid liên hợp của nó, nên dung dịch muối ammonium của acid mạnh (NH 4 Cl, NH 4 NO 3 ) có môi trường acid.
Phòng 5 · Muối ammonium và điều chế NH 3
Muối ammonium là hợp chất ion gồm cation NH 4 + và anion gốc acid. Hai tính chất cần nắm: tác dụng với base giải phóng NH 3 , và bị nhiệt phân theo những cách khác nhau tùy anion.
Thực nghiệm
Lí thuyết trọng tâm
Nhận biết ion NH 4 +
Đun nóng muối ammonium với dung dịch kiềm: NH 4 + + OH − → NH 3 + H 2 O. Khí NH 3 thoát ra có mùi khai, làm giấy quỳ tím ẩm hóa xanh, làm giấy tẩm phenolphthalein ẩm hóa hồng. Đây là phản ứng acid – base: NH 4 + nhường H + cho OH − .
Nhiệt phân phụ thuộc anion
Anion gốc acid không có tính oxi hóa (Cl − , CO 3 2− , HCO 3 − ): muối phân hủy giải phóng NH 3 . Anion có tính oxi hóa (NO 3 − , NO 2 − ): xảy ra oxi hóa – khử nội phân tử giữa N(−3) và N(+5) hay N(+3), không thu được NH 3 . Vì thế câu “nhiệt phân muối ammonium luôn có NH 3 ” là sai.
Điều chế NH 3 trong phòng thí nghiệm
Đun hỗn hợp muối ammonium với base: 2NH 4 Cl + Ca(OH) 2 → CaCl 2 + 2NH 3 + 2H 2 O. NH 3 nhẹ hơn không khí nên thu bằng cách đẩy không khí với ống nghiệm úp ngược. Làm khô bằng CaO (vôi sống); không dùng H 2 SO 4 đặc, P 2 O 5 hay CaCl 2 khan vì các chất này đều tác dụng hoặc kết hợp với NH 3 .
Ứng dụng
Phần lớn NH 3 sản xuất ra dùng làm phân đạm (urea, ammonium nitrate, ammonium sulfate) và sản xuất nitric acid. NH 4 HCO 3 là “bột khai” làm nở bánh; NH 4 Cl dùng trong pin khô và hàn kim loại. Phân đạm dư thừa theo nước mưa ra ao hồ là một nguyên nhân gây phú dưỡng.
Nhiệt phân: chọn muối
Có giải phóng NH 3 ? —
Oxi hóa – khử? —
Bộ dụng cụ điều chế và thu NH 3
Chốt khái niệm: NH 4 + là acid yếu: gặp base mạnh thì nhường H + và giải phóng NH 3 (phản ứng nhận biết, điều chế). Khi nhiệt phân, số phận của muối do anion quyết định: anion không oxi hóa cho NH 3 , anion oxi hóa (NO 3 − , NO 2 − ) cho N 2 O hoặc N 2 .
Phòng 6 · Nitric acid và chu trình nitrogen
HNO 3 là acid mạnh và đồng thời là chất oxi hóa mạnh, vì N ở số oxi hóa cao nhất +5. Hai tính chất này cho phép hiểu cả phản ứng trong ống nghiệm lẫn vòng đời của nitrogen ngoài tự nhiên.
Ứng dụng, môi trường
Lí thuyết trọng tâm
Tính acid
HNO 3 phân li hoàn toàn trong nước: HNO 3 → H + + NO 3 − . Nó làm quỳ tím hóa đỏ, tác dụng với base, oxide base, muối của acid yếu. Với chất mà nguyên tố đã ở số oxi hóa cao nhất (CuO, Fe 2 O 3 , Fe(OH) 3 , CaCO 3 , NaOH), HNO 3 chỉ thể hiện tính acid.
Tính oxi hóa
Với chất còn có thể bị oxi hóa (hầu hết kim loại, trừ Au, Pt; phi kim C, S, P; hợp chất của Fe(+2)), N(+5) bị khử thành NO 2 (thường với acid đặc), NO (acid loãng), có khi N 2 O, N 2 , NH 4 NO 3 . HNO 3 oxi hóa được cả Cu, Ag đứng sau hydrogen; không giải phóng H 2 . Al, Fe, Cr bị thụ động hóa trong HNO 3 đặc, nguội.
Quy trình Ostwald
Công nghiệp sản xuất HNO 3 từ NH 3 qua ba giai đoạn: oxi hóa xúc tác NH 3 thành NO (xúc tác Pt, khoảng 850–900 °C); oxi hóa NO thành NO 2 bằng oxygen không khí; hấp thụ NO 2 cùng O 2 vào nước tạo HNO 3 . N đi từ −3 lên +2, +4 rồi +5.