HÓA HỌC 11 · SULFUR VÀ NITROGEN TRONG CÔNG NGHIỆP VÀ MÔI TRƯỜNG — Từ khói lò đến mưa acid: vòng đời nguyên tử S và N, khử SO2 khí thải, sulfuric acid, nitric acid và chốt chặn ô nhiễm
Bài khái niệm Hóa học 11 dựng quanh hành trình của một nguyên tử sulfur và một nguyên tử nitrogen: từ than, quặng, không khí qua lò đốt, khí quyển, giọt mưa…
HÓA HỌC 11 · SULFUR VÀ NITROGEN · LUKATO AI · BÀI KHÁI NIỆM
Vòng đời một nguyên tử sulfur và nitrogen
Từ khói lò đến mưa acid: bậc oxi hóa, SO 2 , tháp khử sulfur khí thải, sulfuric acid, NO x , nitric acid, phân đạm và chốt chặn ô nhiễm
Hãy theo dõi một nguyên tử sulfur (lưu huỳnh) nằm trong cục than, và một nguyên tử nitrogen trôi trong không khí. Nguyên tử ấy đi qua lò đốt, ống khói, đám mây, giọt mưa, rồi rơi xuống mặt hồ hay bức tường đá vôi. Ở mỗi trạm dừng, nó mang một số oxi hóa khác nhau; mỗi lần chuyển trạm là một phản ứng. Bài này dạy em đọc hành trình ấy: vì sao SO 2 và NO x sinh ra, vì sao chúng biến thành mưa acid, vì sao nước mưa sạch vẫn có pH khoảng 5,6, nhà máy giữ SO 2 lại bằng đá vôi như thế nào, công nghiệp biến cùng những nguyên tử ấy thành sulfuric acid, nitric acid và phân đạm ra sao, và rốt cuộc ta chặn ở đâu . Có sơ đồ, câu "em thử xem" và ba phòng thí nghiệm. Mọi tình huống và con số tự đặt đều là hư cấu.
12 SƠ ĐỒ TỰ DỰNG 3 PHÒNG THÍ NGHIỆM THUẦN KHÁI NIỆM 8 CÂU TRẮC NGHIỆM TỰ SOẠN
BẢN ĐỒ BÀI
Một nguyên tử, nhiều trạm dừng, bốn chốt chặn
Câu hỏi trung tâm của bài: sulfur và nitrogen đi từ nguyên liệu → sản phẩm công nghiệp → chất ô nhiễm → trở lại đất, nước như thế nào, và ta chặn ở đâu? Thay vì học rời từng chất, ta đi theo một nguyên tử. Mỗi trạm là một địa chỉ trên bậc thang số oxi hóa; mỗi mũi tên là một phản ứng có điều kiện riêng.
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Hình 1. Bản đồ bài: hàng trên là hành trình của nguyên tử S, hàng dưới là của nguyên tử N. Ô xanh lá là các chốt chặn; ô xanh lam là các nhà máy biến chính những nguyên tử ấy thành sản phẩm.
Thư viện đã có các bài Cân bằng hóa học, Công nghiệp sulfuric acid (cân bằng, tốc độ, tháp tiếp xúc nhiều tầng) và Hóa vô cơ ứng dụng (phân bón). Ở đây những chủ đề đó chỉ được nhắc đúng một câu khi cần nối mạch, không dạy lại. Trọng tâm của bài là đường đi và số phận của nguyên tử .
Câu hỏi · Đọc hành trình thế nào? · Ở mục
Vì sao H 2 S chỉ có tính khử còn SO 2 vừa khử vừa oxi hóa? · Xem nguyên tử đang ở bậc thấp nhất, cao nhất hay ở giữa thang · 1
SO 2 từ đâu ra? Vì sao nó thành mưa acid, và mưa pH 5,6 có phải mưa acid không? · Trạm +4 → trạm +6; so với "mặt bằng" CO 2 · 2
Nhà máy giữ SO 2 lại bằng gì, cần bao nhiêu, được gì? · Đếm nguyên tử: 1 S ↔ 1 CaCO 3 ↔ 1 thạch cao · 3
Cùng bước S(+4) → S(+6), vì sao trong mây là ô nhiễm, trong nhà máy là sản phẩm? · Cùng các trạm; khác ở chỗ có kiểm soát và thu gom hay không · 4
NO trong khói xe đến từ đâu? Phân đạm làm từ không khí bằng cách nào? · N 2 ở trạm 0 rất bền; nhiệt độ cao hoặc xúc tác mới đẩy được nó · 5
Chặn ô nhiễm ở đâu thì hiệu quả nhất? · Chặn càng gần nguồn càng tốt; nơi nhận chỉ chữa triệu chứng · 6
Vuốt ngang để xem hết bảng
Công cụ A · Số oxi hóa là địa chỉ
H là +1 (trừ hydride kim loại như NaH, nơi H là −1), O là −2 (trừ peroxide như H 2 O 2 , nơi O là −1); tổng số oxi hóa bằng điện tích của phân tử hay ion. Đi lên thang: nhường electron; đi xuống: nhận electron.
Công cụ B · Bảo toàn nguyên tố
Nguyên tử không mất đi: 1 nguyên tử S trong than cho đúng 1 SO 2 , cần đúng 1 CaCO 3 , cho đúng 1 thạch cao. Tỉ lệ theo mol, không theo khối lượng.
Công cụ C · Thang pH
pH = −lg[H + ]. Giảm 1 đơn vị pH nghĩa là [H + ] gấp 10 lần. Mưa acid là mưa có pH < 5,6, mốc bằng pH của nước cân bằng với CO 2 không khí; pH thấp hơn mốc là dấu hiệu có acid khác (H 2 SO 4 , HNO 3 ).
Giả định của bài (dùng suốt bài). (a) Nguyên tử khối theo quy ước phổ thông: H 1; C 12; N 14; O 16; S 32; Ca 40. (b) Hằng số cân bằng ở 25 °C là giá trị làm tròn thường dùng, ghi "khoảng": hằng số Henry của CO 2 khoảng 0,034 mol/(L·atm); K a1 , K a2 của CO 2 trong nước khoảng 4,5×10 −7 và 4,7×10 −11 ; K a1 , K a2 của SO 2 trong nước khoảng 1,4×10 −2 và 6,3×10 −8 . (c) Mô hình pH nước mưa của bài là gần đúng : coi H 2 SO 4 , HNO 3 phân li hoàn toàn, nước mưa cân bằng với CO 2 của không khí ở áp suất khí quyển 1 atm (áp suất riêng của CO 2 bằng nồng độ ppm × 10 −6 atm), bỏ qua các chất khác (bụi, NH 3 , muối biển). (d) Nồng độ CO 2 trong không khí: khoảng 280 ppm thời tiền công nghiệp, khoảng 420 ppm hiện nay.
Về chữ "hư cấu". Mọi lượng than, phần trăm sulfur, hiệu suất, nồng độ trong nước mưa và tình huống nhà máy trong bài đều do bài tự đặt, được kiểm bằng máy tính, và mang nhãn hư cấu . Chỉ các hằng số và dữ kiện nêu ở giả định (a) đến (d) là số thật hoặc quy ước. Phần ngoài chương trình bắt buộc mang nhãn MỞ RỘNG .
MỤC 1 · BẬC THANG SỐ OXI HÓA VÀ HAI VÒNG TUẦN HOÀN
Mỗi trạm dừng là một số oxi hóa
Một nguyên tử sulfur không "biến thành" chất khác: nó chỉ đổi bạn đồng hành (O, H, Ca, Fe…) và đổi số oxi hóa. Nếu em biết nguyên tử đang ở bậc nào của thang, em đoán được nó còn đi lên hay đi xuống được không, tức là chất ấy có tính khử, tính oxi hóa, hay cả hai.
1.1 Đọc địa chỉ: tính số oxi hóa
Quy tắc dùng trong bài: H là +1 (trừ hydride kim loại như NaH), O là −2 (trừ peroxide), kim loại nhóm IA là +1, nhóm IIA là +2; tổng số oxi hóa của mọi nguyên tử bằng điện tích của phân tử (0) hay ion. Số oxi hóa là một điện tích quy ước , không phải điện tích thật của nguyên tử.
Chất · Phép tính (x là số oxi hóa cần tìm) · Số oxi hóa · Ghi chú
H 2 S · 2(+1) + x = 0 · S: −2 · bậc thấp nhất của S
FeS 2 (pyrite) · (+2) + 2x = 0 · S: −1 · hai nguyên tử S nối nhau thành ion disulfide S 2 2−
SO 2 , CaSO 3 · x + 2(−2) = 0; (+2) + x + 3(−2) = 0 · S: +4 · bậc giữa
H 2 SO 4 , SO 4 2− · 2(+1) + x + 4(−2) = 0; x + 4(−2) = −2 · S: +6 · bậc cao nhất của S
NH 3 , NH 4 + · x + 3(+1) = 0; x + 4(+1) = +1 · N: −3 · bậc thấp nhất của N
NO 2 · x + 2(−2) = 0 · N: +4 · khí nâu đỏ
HNO 3 , NO 3 − · (+1) + x + 3(−2) = 0; x + 3(−2) = −1 · N: +5 · bậc cao nhất của N
Vuốt ngang để xem hết bảng
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Hình 2. Hai bậc thang số oxi hóa. Đi lên là nhường electron (bị oxi hóa), đi xuống là nhận electron (bị khử). Vạch đứt là bậc không có chất tiêu biểu trong bài.
Quy tắc ba bậc. Nguyên tử ở bậc thấp nhất (S −2 trong H 2 S, N −3 trong NH 3 ) chỉ còn đường đi lên: xét theo nguyên tố đó, chất chỉ thể hiện tính khử. Nguyên tử ở bậc cao nhất (S +6 trong H 2 SO 4 , N +5 trong HNO 3 ) chỉ còn đường đi xuống: chỉ thể hiện tính oxi hóa. Nguyên tử ở bậc giữa (S, SO 2 , N 2 , NO, NO 2 ) đi được cả hai chiều.
Đọc đúng phạm vi. Quy tắc nói về một nguyên tố trong chất, không phải mọi nguyên tử trong phân tử. Với dung dịch H 2 SO 4 loãng, sắt bị oxi hóa bởi ion H + , còn S vẫn ở +6: Fe + H 2 SO 4 → FeSO 4 + H 2 . Với H 2 SO 4 đặc, nóng, chính S(+6) nhận electron và đi xuống +4: Cu + 2H 2 SO 4 → CuSO 4 + SO 2 + 2H 2 O.
1.2 Hai vòng tuần hoàn: tự nhiên quay chậm, con người đẩy nhanh
Trong tự nhiên, sulfur và nitrogen vốn đi vòng: núi lửa phun SO 2 , tia sét tạo NO, vi khuẩn chuyển hóa các hợp chất của S và N trong đất và nước. Từ khi con người đốt than, dầu với khối lượng khổng lồ, nung quặng sulfide để luyện kim và chạy hàng triệu động cơ, một dòng nguyên tử rất lớn bị đẩy thêm vào nhánh "khí quyển → mưa acid".
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Hình 3. Hai vòng tuần hoàn rút gọn. Nhánh trên (đốt, nung, nhiệt độ cao) là nơi con người đẩy thêm rất nhiều nguyên tử; nhánh dưới (vi khuẩn, trầm tích) quay chậm hơn nhiều.
Hai điều khiến vòng này thành vấn đề môi trường: (1) SO 2 và NO x theo gió đi xa, nên mưa acid có thể rơi rất xa nguồn thải, cả ở vùng hay nước khác; (2) khi đã thành H 2 SO 4 và HNO 3 trong giọt mưa thì không thu hồi được nữa. Vì vậy câu hỏi "chặn ở đâu" phải được trả lời ở các trạm trước khí quyển (mục 3, 5, 6).
PHÒNG A Bậc thang số oxi hóa và hành trình một nguyên tử hư cấu
Hai chế độ. "Trạm": chọn nguyên tố và một bậc; lab liệt kê các chất ở bậc đó, vai trò của nguyên tử, các phản ứng đưa nó đi lên (bị oxi hóa), đi xuống (bị khử) hoặc giữ nguyên bậc. "Hành trình": chọn một hành trình (con đường thật, còn câu chuyện về một nguyên tử riêng lẻ là hư cấu) và bấm từng bước; lab vẽ số oxi hóa qua các trạm và đếm số electron mà một nguyên tử đã nhường, đã nhận. Mọi phương trình trong lab đều đã được kiểm cân bằng; lab chỉ chọn các phản ứng tiêu biểu của bài, không phải mọi phản ứng có thể.
Mẫu có sẵn
Chế độ
Nguyên tố
Bậc của S
Bậc của N
Chất ở trạm
Vai trò
Đi lên (bị oxi hóa)
Đi xuống (bị khử)
Giữ nguyên bậc
Hành trình
Lộ trình
Bước hiện tại
Đếm electron
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Chốt ý mục 1: số oxi hóa là địa chỉ của nguyên tử; bậc thấp nhất chỉ khử, bậc cao nhất chỉ oxi hóa, bậc giữa làm được cả hai S: −2 (H 2 S), −1 (FeS 2 ), 0, +4 (SO 2 ), +6 (H 2 SO 4 ). N: −3 (NH 3 ), 0 (N 2 ), +2 (NO), +4 (NO 2 ), +5 (HNO 3 ). Con người đẩy rất nhiều nguyên tử vào nhánh dẫn tới mưa acid.
Trong phân bón NH 4 NO 3 , nitrogen có số oxi hóa bao nhiêu? Một bạn tính "trung bình +1". Bạn ấy sai ở đâu?
Tách muối thành hai ion rồi tính riêng cho từng nguyên tử N.
Giải thích. NH 4 NO 3 gồm ion NH 4 + (N ở −3) và ion NO 3 − (N ở +5). Con số +1 chỉ là trung bình cộng của hai nguyên tử ở hai trạm rất khác nhau: không có nguyên tử N nào ở +1. Khi xét vai trò oxi hóa – khử, phải xét từng nguyên tử: N(−3) chỉ có thể nhường electron, N(+5) chỉ có thể nhận electron.
MỤC 2 · SO 2 VÀ MƯA ACID
Từ trạm +4 lên trạm +6 trong một giọt mưa
Phần lớn nguyên tử sulfur rời mặt đất dưới dạng SO 2 . Chất khí này đứng ở bậc giữa của thang, nên nó có tới ba "gương mặt". Một trong số đó, khả năng bị oxi hóa tiếp lên +6, là lí do SO 2 biến thành sulfuric acid trong mây.
2.1 SO 2 sinh ra từ đâu?
Đốt nhiên liệu chứa sulfur. Than đá và dầu mỏ chứa một lượng sulfur (dạng hợp chất hữu cơ, pyrite…). Khi nhiên liệu cháy, sulfur cháy theo: S + O 2 → SO 2 . Nhà máy nhiệt điện chạy than là một nguồn SO 2 lớn.
Nung quặng sulfide để luyện kim. Nhiều kim loại (zinc, copper, lead…) nằm trong quặng sulfide. Bước đầu tiên là nung quặng trong không khí: 2ZnS + 3O 2 → 2ZnO + 2SO 2 ; với pyrite: 4FeS 2 + 11O 2 → 2Fe 2 O 3 + 8SO 2 .
Nguồn tự nhiên. Núi lửa phun SO 2 theo từng đợt, tập trung quanh núi lửa; nguồn từ con người thải liên tục, quanh năm, dồn ở vùng công nghiệp và đô thị.
SO 2 là khí không màu, mùi hắc, độc, nặng hơn không khí (M = 64 so với khoảng 29 của không khí), tan khá tốt trong nước.
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Hình 4. Hai nguồn SO 2 và ba vai trò của nó. Cùng một chất, gặp base thì là oxide acid, gặp chất oxi hóa thì là chất khử, gặp chất khử mạnh hơn thì là chất oxi hóa.
2.2 Ba gương mặt của SO 2
Vai trò · Số oxi hóa của S · Phương trình tiêu biểu · Dấu hiệu, ý nghĩa
Oxide acid · +4 → +4 · SO 2 + H 2 O ⇌ H 2 SO 3
SO 2 + 2NaOH → Na 2 SO 3 + H 2 O
SO 2 + CaO → CaSO 3 · dung dịch acid yếu; base và vôi giữ được SO 2 (nền tảng của mục 3)
Chất khử · +4 → +6 · SO 2 + Br 2 + 2H 2 O → H 2 SO 4 + 2HBr
2SO 2 + O 2 ⇌ 2SO 3 (xúc tác V 2 O 5 ) · nước bromine màu vàng cam nhạt dần rồi mất màu; con đường lên +6 trong mây và trong nhà máy acid
Chất oxi hóa · +4 → 0 · SO 2 + 2H 2 S → 3S + 2H 2 O · xuất hiện chất rắn màu vàng (S); chỉ xảy ra khi gặp chất khử mạnh hơn như H 2 S
Vuốt ngang để xem hết bảng
Dung dịch SO 2 trong nước thường được viết là H 2 SO 3 (sulfurous acid), nhưng phân tử H 2 SO 3 không tách ra được ở dạng tinh khiết; phần lớn SO 2 tan ở dạng phân tử hydrate hóa. Đây là một acid yếu.
2.3 SO 2 và SO 3 : khác một nguyên tử O, khác hẳn tính chất
· SO 2 · SO 3
Số oxi hóa của S · +4 (bậc giữa) · +6 (bậc cao nhất)
Vai trò oxi hóa – khử · vừa khử vừa oxi hóa · chỉ oxi hóa
Ở nhiệt độ phòng · chất khí · chất lỏng hoặc rắn dễ bay hơi (sôi ở khoảng 45 °C)
Với nước · tan, tạo acid yếu (cân bằng ⇌) · SO 3 + H 2 O → H 2 SO 4 : phản ứng mạnh, tỏa rất nhiều nhiệt, tạo acid mạnh
Muốn thành H 2 SO 4 · phải bị oxi hóa thêm (nhường 2 e mỗi S) · chỉ cần kết hợp nước
Vuốt ngang để xem hết bảng
2.4 Từ ống khói đến giọt mưa; vì sao mưa sạch vẫn có pH khoảng 5,6
Trong khí quyển, SO 2 bị oxi hóa chậm nhờ các tác nhân như gốc OH, hydrogen peroxide, ozone, và bụi kim loại làm xúc tác. Trong giọt mây, một con đường quan trọng là SO 2 + H 2 O 2 → H 2 SO 4 . Viết gộp, toàn bộ quá trình là 2SO 2 + O 2 + 2H 2 O → 2H 2 SO 4 . Nitrogen oxide đi con đường tương tự để thành HNO 3 (mục 5). Hai acid mạnh này rơi xuống theo mưa, sương, tuyết, hoặc bám vào bụi rồi lắng xuống.
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Hình 5. Bên trái: SO 2 , NO x bị oxi hóa thành acid mạnh trong mây. Bên phải: pH nước mưa tính bằng mô hình gần đúng của bài (25 °C, nồng độ trong 1 L nước mưa là hư cấu).