Hóa vô cơ ứng dụng: chất làm việc, người đi kèm và cửa sổ điều kiện của phân bón, phèn chua, Anammox, ắc quy chì và chất giặt rửa
Chuyên đề Hóa học THPT: hệ thống năm ứng dụng của hóa vô cơ trong đời sống và công nghiệp quanh ba câu hỏi, ai làm việc, bao nhiêu và trong cửa sổ điều kiện…
LUKATO AI · CHUYÊN ĐỀ HÓA HỌC THPT
PHÂN BÓN · PHÈN CHUA · ANAMMOX · ẮC QUY · CHẤT GIẶT RỬA
Năm ứng dụng,
một lõi và một vỏ
Từ ba câu hỏi (ai làm việc, bao nhiêu, trong cửa sổ điều kiện nào), bạn dựng cả hệ thống hóa vô cơ ứng dụng: độ dinh dưỡng của phân bón, phèn chua cần kiềm, Anammox gặp nhau ở 0, ắc quy chì đếm mol electron, chất giặt rửa đầu và đuôi, rồi vòng đời của N và P.
- 1. Mỗi sản phẩm là một lõi làm việc bọc trong lớp đi kèm
- 2. Quy mọi thứ về mol của lõi
- 3. Mỗi lõi chỉ làm việc trong một cửa sổ điều kiện
phòng thí nghiệm tương tác
bí kíp có chỗ vỡ
hiểu lầm được phản biện
01
Khái niệm lõi
Lõi làm việc và lớp đi kèm
Bao phân, cục phèn, bể xử lý nước thải, bình ắc quy, gói bột giặt: năm thứ rời rạc, nhưng chung một cấu trúc. Mỗi sản phẩm là một lõi làm việc (phần thật sự tạo ra hiệu quả) bọc trong lớp đi kèm (phần giúp sản phẩm tồn tại, rẻ và dễ dùng). Muốn hiểu bất kì ứng dụng nào, hỏi ba câu: ai làm việc , bao nhiêu và đo bằng gì , và làm việc trong cửa sổ điều kiện nào .
Phần vàng là phần khối lượng thuộc chất làm việc (nguyên tố hay ion), phần xanh là người đi kèm. Chất làm việc chiếm từ 5,7% (phèn chua, vì còn nước kết tinh và sunfat) đến 92,5% (sodium stearate): so sánh sản phẩm chỉ theo khối lượng là chưa đủ, cần hỏi lõi nằm ở đâu và bao nhiêu.
câu 1
Ai làm việc?
Gạch tên lõi: nguyên tố N, P, K trong phân bón; Al 3+ trong phèn chua; hai dạng N trong Anammox; Pb và PbO 2 trong ắc quy; đầu và đuôi của phân tử chất giặt rửa.
câu 2
Bao nhiêu, đo bằng gì?
Quy mọi thứ về mol của lõi : %N, %P 2 O 5 , %K 2 O; mol Al 3+ so với mol kiềm; tỉ lệ 1 : 1 của hai dạng N; mol electron của ắc quy; mol Ca 2+ của nước cứng.
câu 3
Cửa sổ điều kiện nào?
Mỗi lõi chỉ làm việc trong một khoảng: pH 5,5 đến 7,5 với phèn chua; không có O 2 với Anammox; không phóng cạn, không nạp quá với ắc quy; nước mềm hay cứng với xà phòng.
Năm ứng dụng trên một bảng
Ứng dụng · Lõi làm việc · Lớp đi kèm · Đếm bằng gì · Cửa sổ điều kiện
Phân bón · N, P, K ở dạng cây hút được (NH 4 + , NO 3 - , H 2 PO 4 - , K + ) · Cl - , SO 4 2- , Ca 2+ , chất độn · %N, %P 2 O 5 , %K 2 O (quy ước) · pH đất, độ ẩm, dạng cây hấp thụ được
Phèn chua · Al 3+ → Al(OH) 3 dạng keo · K + , SO 4 2- , nước kết tinh · 1 mol Al 3+ cần 3 mol kiềm · pH khoảng 5,5 đến 7,5 (gần đúng)
Anammox · N(-3) trong NH 4 + gặp N(+3) trong NO 2 - · vi khuẩn, nước thải · tỉ lệ mol 1 : 1 · không có O 2 , đủ ấm
Ắc quy chì · Pb ở bản âm, PbO 2 ở bản dương · H 2 SO 4 loãng, lưới chì, vỏ · mol electron (Q = I · t / F) · không phóng cạn, không nạp quá
Chất giặt rửa · đầu ưa nước và đuôi kị nước · Na + , phụ gia · mol anion hoạt động so với mol Ca 2+ , Mg 2+ · nước mềm hay cứng, pH
Cách đọc mọi bài hóa vô cơ ứng dụng
Làm lần lượt năm bước: gạch tên lõi , đổi mọi thứ về mol của lõi , viết điều kiện bật và tắt , liếc qua lớp đi kèm xem nó có gây phụ không, rồi mới kết luận. Phần lớn lỗi mất điểm nằm ở bước 2 (quên quy đổi) và bước 4 (quên người đi kèm).
1 Gạch tên lõi
2 Quy về mol của lõi
3 Viết điều kiện bật, tắt
4 Liếc lớp đi kèm
5 Kết luận
02
Phân bón
Độ dinh dưỡng: thước đo quy ước
Nhãn trên bao phân không ghi khối lượng muối mà ghi độ dinh dưỡng , và đây là một quy ước : đạm tính theo %N , lân tính theo %P 2 O 5 , kali tính theo %K 2 O . Phân NPK 16-16-8 nghĩa là trong 100 kg có 16 kg N, 16 kg P 2 O 5 quy đổi và 8 kg K 2 O quy đổi. Trong bao không có P 2 O 5 hay K 2 O thật; đó là thước đo chung để so các loại phân khác nhau trên một thang, như đổi mọi loại tiền ra một đồng tiền chung.
Mỗi thanh là phần khối lượng của chất đã quy đổi về N, P 2 O 5 hoặc K 2 O (giá trị lí thuyết của chất tinh khiết, dùng nguyên tử khối H = 1, C = 12, N = 14, O = 16, P = 31, S = 32, Cl = 35,5, K = 39, Ca = 40). Phân thật có tạp chất nên con số trên bao thường thấp hơn.
phân đạm
Độ dinh dưỡng = %N
Cây hút N dưới dạng NH 4 + và NO 3 - . Urea CO(NH 2 ) 2 được vi sinh vật thủy phân thành (NH 4 ) 2 CO 3 trước khi cây dùng được: CO(NH 2 ) 2 + 2H 2 O → (NH 4 ) 2 CO 3 .
phân lân
Độ dinh dưỡng = %P 2 O 5
Superphosphate kép là Ca(H 2 PO 4 ) 2 gần như nguyên chất; superphosphate đơn là hỗn hợp Ca(H 2 PO 4 ) 2 với CaSO 4 nên %P 2 O 5 thấp hơn nhiều. DAP cung cấp cả N lẫn P.
phân kali
Độ dinh dưỡng = %K 2 O
Hai loại phổ biến là potassium chloride KCl và potassium sulfate K 2 SO 4 . Cùng một mol K 2 O quy đổi, KCl cần ít khối lượng hơn vì người đi kèm (Cl - ) nhẹ hơn.
Phép quy đổi bạn cần thuộc
%K 2 O = %K · 94/78 = %K · 1,205 (94 là khối lượng mol K 2 O, 78 là khối lượng của 2 mol K)
%P 2 O 5 = %P · 142/62 = %P · 2,29 (142 là khối lượng mol P 2 O 5 , 62 là khối lượng của 2 mol P)
Chất · Khối lượng mol · Lõi quy đổi trong 1 mol · Độ dinh dưỡng lí thuyết
Urea CO(NH 2 ) 2 · 60 · 2 N = 28 · 46,7% N
Ammonium nitrate NH 4 NO 3 · 80 · 2 N = 28 · 35,0% N
Ammonium sulfate (NH 4 ) 2 SO 4 · 132 · 2 N = 28 · 21,2% N
DAP (NH 4 ) 2 HPO 4 · 132 · 2 N = 28; 1/2 P 2 O 5 = 71 · 21,2% N và 53,8% P 2 O 5
Ca(H 2 PO 4 ) 2 · 234 · P 2 O 5 = 142 · 60,7% P 2 O 5
Potassium chloride KCl · 74,5 · 1/2 K 2 O = 47 · 63,1% K 2 O
Potassium sulfate K 2 SO 4 · 174 · K 2 O = 94 · 54,0% K 2 O
Phòng thí nghiệm 1 · Pha một bao phân NPK LAB 1
Nguồn đạm
Nguồn kali
Khối lượng nguồn đạm (kg)
Khối lượng DAP (kg)
Khối lượng nguồn kali (kg)
Độ dinh dưỡng N
P 2 O 5 quy đổi
K 2 O quy đổi
Tổng lõi quy đổi
Bẫy: độ dinh dưỡng là cái nhãn, không phải thành phần thật
Bao phân 100 kg ghi 60% K 2 O không chứa 60 kg K 2 O mà chứa lượng K tương đương: 60 · 78/94 = 49,8 kg K. Nhãn cũng không cho biết dạng của nguyên tố (P tan trong nước hay không, N là amoni hay nitrate) và không kể người đi kèm có hại không: Cl - hại một số cây nhạy clorua, còn (NH 4 ) 2 SO 4 bón lâu làm đất chua vì NH 4 + bị nitrate hóa sinh ra H + .
Vì sao KCl chỉ nặng 74,5 g/mol mà độ dinh dưỡng đến 63,1%, còn K 2 SO 4 chỉ 54,0%?
Gợi ý 1 · Đếm K
1 mol K 2 O (94 g) chứa 2 mol K. Cần bao nhiêu mol mỗi muối để có 2 mol K?
Gợi ý 2 · So khối lượng
2 mol KCl nặng 149 g; 1 mol K 2 SO 4 nặng 174 g. Cùng 2 mol K nhưng khối lượng khác nhau.
Kết luận
%K 2 O = 94/149 = 63,1% với KCl và 94/174 = 54,0% với K 2 SO 4 . Chênh nhau vì người đi kèm: mỗi K đi kèm 35,5 g Cl nhưng 48 g SO 4 . Phần lõi cố định, phần đi kèm quyết định độ dinh dưỡng.
03
Xử lý nước
Phèn chua và Anammox
Nước vừa là môi trường vừa là thứ cần làm sạch. Hai ứng dụng của hóa vô cơ ở đây nghe khác hẳn nhau nhưng cùng một cách nghĩ: phèn chua gom hạt lơ lửng bằng Al 3+ , Anammox đưa nitrogen hòa tan thành khí N 2 . Cả hai đều có một con số phải khớp: tỉ lượng kiềm cho phèn chua, tỉ lệ 1 : 1 cho Anammox.
Phèn chua: Al 3+ cần kiềm để thành bông
Phèn chua KAl(SO 4 ) 2 ·12H 2 O (khối lượng mol 474) tan cho Al 3+ . Ion này thủy phân tạo Al(OH) 3 và giải phóng H + :
Al 3+ + 3H 2 O → ← Al(OH) 3 + 3H +
Nếu H + không bị lấy đi, cân bằng chặn lại và Al(OH) 3 không thành bông. Nước tự nhiên có HCO 3 - (độ kiềm) làm việc đó: Al 3+ + 3HCO 3 - → Al(OH) 3 + 3CO 2 . Vậy độ kiềm là nhiên liệu của phèn : mỗi mol Al 3+ cần 3 mol kiềm. Nước mềm ít kiềm thì thêm vôi Ca(OH) 2 (mỗi mol cho 2 mol OH - ).
Hạt keo trong nước đục mang điện âm nên đẩy nhau và không lắng. Al 3+ trung hòa điện của chúng và sinh ra Al(OH) 3 xốp; bông này cuốn hạt keo lại thành cục đủ nặng để lắng. Al(OH) 3 lưỡng tính nên chỉ tồn tại thành bông trong một khoảng pH: quá chua thì Al 3+ tan, quá kiềm thì tạo ion aluminat tan.
Anammox: cho hai dạng nitrogen gặp nhau ở giữa
Nước thải chăn nuôi hay phân bón rửa trôi có nhiều NH 4 + , gây độc cho cá và nuôi tảo. Cách cổ điển oxi hóa hết NH 4 + lên NO 3 - (số oxi hóa +5, tốn 2 mol O 2 cho mỗi mol N) rồi khử NO 3 - về N 2 bằng chất hữu cơ như methanol. Anammox (oxi hóa amoni kị khí) đi đường ngắn: chỉ biến một nửa NH 4 + thành NO 2 - , rồi vi khuẩn anammox cho N(-3) và N(+3) gặp nhau ở 0 :
NH 4 + + NO 2 - → N 2 + 2H 2 O (N(-3) nhường 3 e, N(+3) nhận 3 e, nên cần đúng 1 : 1)
Trục số oxi hóa (các vạch từ -3 đến +5) cho thấy hai cách bỏ nitrogen khỏi nước. Đường cũ đẩy toàn bộ NH 4 + lên +5 (nitrate) rồi kéo xuống 0, tốn cả O 2 lẫn chất hữu cơ. Anammox chỉ đẩy một nửa lên +3 rồi cho N(-3) và N(+3) gặp nhau ngay ở 0: electron nhường bằng electron nhận.
Mỗi gam N được loại · Đường cũ (nitrate hóa rồi khử bằng methanol) · Bán nitrit hóa + Anammox
Oxygen cần · 4,57 g (2 mol O 2 mỗi mol N) · 1,71 g (0,75 mol O 2 mỗi mol N)
Methanol cần · 1,90 g (5/6 mol mỗi mol N) · 0 (vi khuẩn dùng CO 2 làm nguồn C)
Sản phẩm cuối · N 2 · N 2
Phòng thí nghiệm 2 · Hai việc của nước: phèn chua và Anammox LAB 2
Kiềm tự nhiên của nước (mmol/L HCO 3 - )
Liều phèn chua (mg/L)
Vôi Ca(OH) 2 thêm vào (mg/L)
Nhôm từ phèn (mmol/L)
Kiềm có / cần (mmol/L)
Bông keo tạo ra (mg/L)
Nhôm còn tan (mg/L tính theo Al)
Amoni trong nước thải (mg N/L)
Phần NH 4 + đã oxi hóa thành NO 2 -
Nitrogen đã thoát ra N 2
N còn lại trong nước ra
O 2 mỗi gam N loại
So với đường cũ
Lưu ý: hai mô hình hợp thức, không phải thiết kế nhà máy
Phần phèn chua dùng phép đếm hợp thức (1 Al 3+ cần 3 kiềm) và không tính pH thật hay phần Al 3+ tan trở lại ở pH cao. Phần Anammox dùng phương trình lí tưởng NH 4 + + NO 2 - → N 2 + 2H 2 O; thực tế khoảng một phần chín nitrogen thành NO 3 - nên hiệu suất loại N chỉ khoảng 89%.
Vì sao nửa NH 4 + phải biến thành NO 2 - , không nhiều hơn, không ít hơn?
Gợi ý 1 · Electron
Mỗi N(-3) nhường 3 electron để lên 0; mỗi N(+3) nhận 3 electron để xuống 0.
Gợi ý 2 · Tỉ lệ
Electron nhường phải bằng electron nhận nên cứ 1 NH 4 + cần đúng 1 NO 2 - . Có 100 mol N thì 50 mol thành NO 2 - , 50 mol còn NH 4 + .
Kết luận
Dưới 50% thì NO 2 - hết trước và NH 4 + dư; trên 50% thì NH 4 + hết trước và NO 2 - dư (độc). Kéo thanh trượt trong Lab 2 để thấy cả hai lệch: hiệu suất chỉ đạt đỉnh đúng ở 50%.
04
Pin điện hóa
Ắc quy chì: đếm mol electron
Ắc quy chì là một pin có thể chạy ngược . Thứ chạy ngược chính là phản ứng, nên chỉ cần đếm mol electron đi qua là biết mọi thứ khác: bao nhiêu axit bị dùng, bao nhiêu nước sinh ra, bao nhiêu chì đã thành PbSO 4 .
Khi phóng điện, Pb ở bản âm nhường electron thành PbSO 4 ; PbO 2 ở bản dương nhận electron cũng thành PbSO 4 . Dung dịch H 2 SO 4 bị dùng và nước được sinh ra. Khi nạp, nguồn ngoài đẩy electron ngược lại và mọi thứ chạy ngược về Pb, PbO 2 , H 2 SO 4 .
· Bản âm · Bản dương · Cả ngăn
Khi phóng điện · Pb + SO 4 2- → PbSO 4 + 2e · PbO 2 + 4H + + SO 4 2- + 2e → PbSO 4 + 2H 2 O · Pb + PbO 2 + 2H 2 SO 4 → 2PbSO 4 + 2H 2 O
Khi nạp điện · PbSO 4 + 2e → Pb + SO 4 2- · PbSO 4 + 2H 2 O → PbO 2 + 4H + + SO 4 2- + 2e · 2PbSO 4 + 2H 2 O → Pb + PbO 2 + 2H 2 SO 4
đếm electron
1 Ah = 0,0373 mol e
1 Ah là 3600 C; chia cho hằng số Faraday 96485 C/mol được 0,0373 mol electron. Cứ 2 mol e thì phản ứng cả ngăn chạy một lần.
hệ quả cho axit
1 mol e = 98 g H 2 SO 4 bị dùng
Mỗi mol electron dùng 1 mol H 2 SO 4 và sinh 1 mol H 2 O. Dung dịch loãng dần: nồng độ axit là chiếc đồng hồ nhiên liệu của ắc quy.
hệ quả cho bản cực
Chì không biến mất
Pb và PbO 2 chuyển thành PbSO 4 bám ngay trên bản cực. Ắc quy "hết điện" khi vật liệu hoạt động đã thành PbSO 4 chứ không phải khi hết chì.
Phòng thí nghiệm 3 · Một ngăn ắc quy: phóng, nạp, nạp quá LAB 3
Điện lượng đã phóng (Ah)
Điện lượng nạp lại (Ah)
Mô hình một ngăn 2 V có 750 g dung dịch H 2 SO 4 38%, dung lượng danh định 60 Ah, hiệu suất nạp 100% cho tới khi đầy. Ắc quy 12 V gồm 6 ngăn như thế nối tiếp, mỗi ngăn có cùng dòng điện nên cùng số mol electron.
H 2 SO 4 trong dung dịch
Mức điện còn lại
Chì sunfat bám trên bản cực
Nước mất / chì dùng
Hai cái bẫy "ngoài cửa sổ"
Phóng quá cạn để PbSO 4 kết tinh thô, cứng, rất khó nạp lại (hiện tượng sunfat hóa). Nạp quá làm dòng điện điện phân nước: 2H 2 O → 2H 2 + O 2 . Khi đó chỉ có nước mất còn axit nguyên vẹn, nên cần bổ sung nước cất ; đổ thêm axit làm dung dịch đặc quá mức.
Vì sao khi nạp quá lại phải châm nước cất mà không châm axit?
Gợi ý 1 · Cái gì bay đi
Khí thoát ra là H 2 và O 2 , tức là nước bị phân hủy. H 2 SO 4 không bay hơi.
Gợi ý 2 · Cái gì còn lại
Lượng H 2 SO 4 trong ngăn không đổi, nhưng khối lượng nước giảm nên phần trăm axit tăng.
Kết luận
Thứ thiếu là nước, nên bù nước cất (không có ion lạ). Axit đã đủ; thêm axit chỉ làm dung dịch đặc quá, ăn mòn bản cực nhanh hơn.
05
Chất giặt rửa
Đầu, đuôi và vòng đời N, P
Chất giặt rửa tách chất bẩn bằng một thủ thuật hình học: phân tử có đầu ưa nước và đuôi kị nước . Đuôi chui vào dầu mỡ, đầu hướng ra nước, nhiều phân tử xếp thành mixen bao giọt dầu rồi kéo nó đi. Hai họ chất giặt rửa chỉ khác nhau ở đầu , và khác biệt nhỏ ấy quyết định chuyện giặt trong nước cứng.