Lý thuyết trọng tâm

I. Các oxide của nitrogen

1. Công thức, tên gọi

Oxide của nitrogen được ký hiệu chung là NOₓ, một loại hợp chất điển hình gây ô nhiễm không khí.

2. Nguồn gốc phát sinh NOₓ trong không khí

a) Nguồn gốc tự nhiên

• Núi lửa phun trào
• Cháy rừng
• Mưa dông kèm theo sấm sét
• Sự phân hủy các hợp chất hữu cơ

b) Nguồn gốc nhân tạo (chủ yếu)

• Hoạt động giao thông vận tải
• Sản xuất công nghiệp
• Nông nghiệp
• Nhà máy nhiệt điện
• Đời sống sinh hoạt

c) Tác hại của NOₓ

NOₓ là một trong các nguyên nhân gây ra:

• Mưa acid
• Sương mù quang hóa
• Hiệu ứng nhà kính
• Thủng tầng ozone
• Hiện tượng phú dưỡng
• Ô nhiễm môi trường

3. Mưa acid

a) Định nghĩa

• Nước mưa thông thường có pH khoảng 5,6 (chủ yếu do có $\text{CO}_2$ hòa tan tạo môi trường acid yếu).
• Khi nước mưa có pH nhỏ hơn 5,6 thì gọi là hiện tượng mưa acid.

b) Tác nhân gây mưa acid

Tác nhân chính gây mưa acid là $\text{SO}_2$ và NOₓ, phát thải chủ yếu do các hoạt động:

• Sản xuất công nghiệp
• Nhiệt điện
• Giao thông
• Khai thác và chế biến dầu mỏ

c) Cơ chế hình thành

Với sự xúc tác của các ion kim loại trong khói bụi, khí $\text{SO}_2$ và NOₓ bị oxi hóa bởi oxygen, ozone, hydrogen peroxide, gốc tự do… rồi hòa tan vào nước, tạo thành sulfuric acid và nitric acid:

$$2\text{SO}_2 + \text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{xúc tác}} 2\text{H}_2\text{SO}_4$$

$$4\text{NO}_2 + \text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow 4\text{HNO}_3$$

Các giọt acid li ti tạo thành theo mưa rơi xuống bề mặt Trái Đất.

d) Tác hại của mưa acid

Mưa acid gây tác động xấu đối với môi trường, con người và sinh vật, rõ rệt nhất khi nước mưa có giá trị pH dưới 4,5:

• Ảnh hưởng đến sinh vật (cây trồng, động vật)
• Ăn mòn các công trình xây dựng, kiến trúc bằng đá và kim loại
• Làm chua đất, ảnh hưởng đến nông nghiệp
• Ô nhiễm nguồn nước

II. Nitric acid (hno₃)

1. Cấu tạo

Đặc điểm cấu tạo của phân tử nitric acid:

2. Tính chất vật lí

3. Tính chất hóa học

a) Tính acid mạnh

Nitric acid có khả năng cho proton, thể hiện tính chất của một acid Brønsted-Lowry.

Phương trình điện li:

$$\text{HNO}_3 \rightarrow \text{H}^+ + \text{NO}_3^-$$

Ứng dụng trong công nghiệp sản xuất phân bón:

$$\text{NH}_3 + \text{HNO}_3 \rightarrow \text{NH}_4\text{NO}_3$$

$$\text{CaCO}_3 + 2\text{HNO}_3 \rightarrow \text{Ca(NO}_3\text{)}_2 + \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}$$

→ Ammonium nitrate ($\text{NH}_4\text{NO}_3$) cung cấp nguyên tố nitrogen ở cả dạng ammonium và dạng nitrate.

b) Tính oxi hóa mạnh

Phân tử nitric acid chứa nguyên tử nitrogen có số oxi hóa cao nhất (+5) nên nitric acid có khả năng nhận electron, thể hiện tính oxi hóa mạnh.

Ứng dụng:

• Dùng để phá mẫu quặng trong việc nghiên cứu, xác định hàm lượng các kim loại trong quặng.
• Sản xuất thuốc nổ (TNT, nitroglycerin, thuốc súng không khói)
• Sản xuất thuốc nhuộm

Nước cường toan (aqua regia):

Nitric acid đặc tạo với hydrochloric acid đặc hỗn hợp có tính oxi hóa mạnh (thường gọi là nước cường toan) có khả năng hòa tan vàng (gold), platinum.

Tỉ lệ: $\text{HNO}_3$ : HCl = 1 : 3

$$\text{Au} + \text{HNO}_3 + 3\text{HCl} \xrightarrow{t^\circ} \text{AuCl}_3 + \text{NO} + 2\text{H}_2\text{O}$$

III. Hiện tượng phú dưỡng

1. Nguyên nhân

Hiện tượng phú dưỡng là do sự dư thừa dinh dưỡng đã cung cấp nguồn thức ăn dồi dào cho sinh vật phù du phát triển rất mạnh.

Điều kiện xảy ra hiện tượng phú dưỡng:

• Hàm lượng nitrogen trong nước (ion nitrate, nitrite, ammonium) đạt ≥ 300 µg/L
• Hàm lượng phosphorus (các dạng ion phosphate) đạt ≥ 20 µg/L

Nguồn dinh dưỡng gây phú dưỡng:

• Nước thải nông nghiệp, công nghiệp và sinh hoạt
• Chảy tràn trên mặt đất khi mưa, lũ
• Dư thừa thức ăn chăn nuôi trong nuôi trồng thủy sản

2. Hệ quả

Hiện tượng phú dưỡng gây ra nhiều hệ quả nghiêm trọng:

3. Biện pháp hạn chế

• Xử lý nước thải trước khi thải ra môi trường
• Hạn chế sử dụng phân bón hóa học dư thừa
• Vớt bớt rong, tảo
• Sục khí oxygen vào nước
• Nuôi các loài cá ăn rong, tảo
• Quản lý chặt chẽ nguồn nước thải từ các khu công nghiệp, nông nghiệp

Phương pháp giải các dạng bài tập

Bài này thiên về nội dung thực tiễn và môi trường, phần tính toán xoay quanh pH của mưa acid, tính chất acid mạnh của $\text{HNO}_3$ và ngưỡng phú dưỡng.

Các công thức và số liệu cần thuộc:

Khối lượng mol hay dùng (g/mol):

$$\text{HNO}_3 = 63 \quad \text{NO}_2 = 46 \quad \text{NH}_4\text{NO}_3 = 80 \quad \text{CaCO}_3 = 100 \quad \text{Ca(NO}_3)_2 = 164 \quad \text{NO}_3^- = 62 \quad \text{Au} = 197$$

Dạng 1: Tính pH và đánh giá mức độ acid của nước mưa

Phương pháp giải

Bước 1: Chuyển đổi qua lại giữa pH và nồng độ ion:

$$[\text{H}^+] = 10^{-\text{pH}} \qquad \text{pH} = -\lg[\text{H}^+] \qquad [\text{OH}^-] = \frac{10^{-14}}{[\text{H}^+]}$$

Bước 2: Nếu đề cho khối lượng acid trong nước mưa, tính nồng độ $\text{H}^+$ trước:

$$n_{\text{HNO}_3} = \frac{m}{63} \Rightarrow [\text{H}^+] = \frac{n}{V} \quad (\text{HNO}_3 \text{ là acid mạnh, một nấc})$$

Bước 3: Đối chiếu với hai mốc của bài:

Bước 4: Khi so sánh độ acid của hai mẫu nước, so sánh nồng độ $\text{H}^+$ chứ không so sánh trực tiếp pH:

$$\frac{[\text{H}^+]_1}{[\text{H}^+]_2} = 10^{,\text{pH}_2 – \text{pH}_1}$$

Điểm các em hay nhầm: pH giảm $1$ đơn vị thì nồng độ $\text{H}^+$ tăng gấp 10 lần, chứ không phải tăng thêm một chút. Mẫu nước pH $= 3{,}6$ có tính acid mạnh gấp $100$ lần mẫu pH $= 5{,}6$.

Ví dụ mẫu 1

Đề bài: Một mẫu nước mưa thu được sau trận mưa dông có pH $= 4{,}0$.

a) Tính nồng độ ion $\text{H}^+$ và $\text{OH}^-$ trong mẫu nước đó.

b) Mẫu nước trên có phải là mưa acid không? Mức độ tác hại thế nào?

c) Nồng độ ion $\text{H}^+$ của mẫu này gấp bao nhiêu lần nước mưa thông thường (pH $= 5{,}6$)?

Lời giải

Câu a.

$$[\text{H}^+] = 10^{-\text{pH}} = 10^{-4}\ \text{M}$$

$$[\text{OH}^-] = \frac{10^{-14}}{10^{-4}} = 10^{-10}\ \text{M}$$

Câu b. Vì $\text{pH} = 4{,}0 < 5{,}6$ nên đây là mưa acid. Hơn nữa $4{,}0 < 4{,}5$ nên mẫu nước này đã ở mức gây tác hại rõ rệt: ảnh hưởng đến cây trồng và động vật, ăn mòn công trình bằng đá và kim loại, làm chua đất.

Câu c.

$$\frac{[\text{H}^+]_{\text{mẫu}}}{[\text{H}^+]_{\text{thường}}} = \frac{10^{-4}}{10^{-5{,}6}} = 10^{1{,}6} \approx 40\ \text{lần}$$

Kết luận: Mẫu nước có tính acid mạnh gấp khoảng $40$ lần nước mưa thông thường.

Ví dụ mẫu 2

Đề bài: Giả thiết trong $1$ L nước mưa của một khu công nghiệp có chứa $6{,}3\times 10^{-4}$ gam $\text{HNO}_3$ và coi đây là acid duy nhất trong mẫu. Tính pH của mẫu nước mưa và cho biết đó có phải mưa acid không.

Lời giải

Số mol $\text{HNO}_3$:

$$n = \frac{6{,}3\times 10^{-4}}{63} = 10^{-5}\ \text{mol}$$

$\text{HNO}_3$ là acid mạnh, điện li hoàn toàn: $\text{HNO}_3 \rightarrow \text{H}^+ + \text{NO}_3^-$

$$[\text{H}^+] = \frac{10^{-5}}{1} = 10^{-5}\ \text{M} \Rightarrow \text{pH} = 5$$

Kết luận: pH $= 5 < 5{,}6$ nên đây là mưa acid, tuy nhiên vẫn trên mốc $4{,}5$ nên mức độ tác hại chưa nghiêm trọng.

Dạng 2: Tính lượng chất theo quá trình hình thành mưa acid

Phương pháp giải

Bước 1: Xác định phương trình phù hợp với tác nhân mà đề cho:

$$4\text{NO}_2 + \text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow 4\text{HNO}_3$$

$$2\text{SO}_2 + \text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{xúc tác}} 2\text{H}_2\text{SO}_4$$

Bước 2: Nhận xét rút gọn để tính nhanh: tỉ lệ $\text{NO}_2 : \text{HNO}_3$ là $1 : 1$, tỉ lệ $\text{SO}_2 : \text{H}_2\text{SO}_4$ cũng là $1 : 1$.

Bước 3: Đổi thể tích khí về số mol. Chú ý đổi $\text{m}^3$ sang lít trước:

$$1\ \text{m}^3 = 1,000\ \text{L} \Rightarrow n = \frac{V\ (\text{L})}{24{,}79}$$

Bước 4: Nếu đề hỏi lượng chất dùng để trung hoà lượng acid đó, dùng phản ứng của $\text{HNO}_3$ với chất có tính base:

$$\text{CaCO}_3 + 2\text{HNO}_3 \rightarrow \text{Ca(NO}_3)_2 + \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}$$

Ví dụ mẫu

Đề bài: Một nhà máy nhiệt điện thải vào khí quyển $4{,}958\ \text{m}^3$ khí $\text{NO}_2$ (đkc) trong một giờ. Giả thiết toàn bộ lượng $\text{NO}_2$ này chuyển hoá thành $\text{HNO}_3$ theo phản ứng tạo mưa acid.

a) Tính khối lượng $\text{HNO}_3$ tạo thành trong một giờ.

b) Tính khối lượng $\text{CaCO}_3$ cần dùng để trung hoà hết lượng $\text{HNO}_3$ đó.

Lời giải

Câu a.

Đổi đơn vị thể tích:

$$V = 4{,}958\ \text{m}^3 = 4,958\ \text{L}$$

$$n_{\text{NO}_2} = \frac{4,958}{24{,}79} = 200\ \text{mol}$$

Theo phương trình $4\text{NO}_2 + \text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow 4\text{HNO}_3$, tỉ lệ $\text{NO}_2 : \text{HNO}_3 = 1 : 1$:

$$n_{\text{HNO}_3} = 200\ \text{mol} \Rightarrow m = 200 \times 63 = 12,600\ \text{g} = 12{,}6\ \text{kg}$$

Câu b.

$$\text{CaCO}_3 + 2\text{HNO}_3 \rightarrow \text{Ca(NO}_3)_2 + \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}$$

$$n_{\text{CaCO}_3} = \frac{200}{2} = 100\ \text{mol} \Rightarrow m = 100 \times 100 = 10,000\ \text{g} = 10\ \text{kg}$$

Kết luận: Mỗi giờ nhà máy gián tiếp tạo ra $12{,}6$ kg $\text{HNO}_3$, cần $10$ kg $\text{CaCO}_3$ để trung hoà.

Liên hệ thực tế: Đây chính là cơ sở của việc bón vôi khử chua cho đất bị ảnh hưởng bởi mưa acid, và cũng giải thích vì sao các công trình bằng đá vôi, đá hoa cương bị mưa acid ăn mòn dần.

Dạng 3: Tính chất acid mạnh của nitric acid

Phương pháp giải

$\text{HNO}_3$ là acid mạnh, điện li hoàn toàn nên có đầy đủ tính chất của một acid.

Bước 1: Viết phương trình phản ứng phù hợp:

Bước 2: Tính số mol chất đề cho. Với dung dịch: $n = C_M \cdot V$ (với $V$ tính bằng lít).

Bước 3: Xác định chất hết nếu đề cho cả hai chất, rồi tính theo chất hết.

Bước 4: Nếu đề yêu cầu tính thể tích $\text{HNO}_3$ nguyên chất, dùng khối lượng riêng $D = 1{,}53$ g/mL:

$$V = \frac{m}{D}$$

Ví dụ mẫu

Đề bài:

a) Cho $200$ mL dung dịch $\text{HNO}_3$ $1$ M tác dụng với $\text{NH}_3$ dư. Tính khối lượng phân đạm thu được.

b) Cho $10$ gam $\text{CaCO}_3$ tác dụng hết với dung dịch $\text{HNO}_3$ dư. Tính thể tích khí $\text{CO}_2$ thoát ra (đkc) và khối lượng muối tạo thành.

c) Tính thể tích $\text{HNO}_3$ nguyên chất (khối lượng riêng $1{,}53$ g/mL) chứa $0{,}2$ mol $\text{HNO}_3$.

Lời giải

Câu a.

$$n_{\text{HNO}_3} = C_M \cdot V = 1 \times 0{,}2 = 0{,}2\ \text{mol}$$

$$\text{NH}_3 + \text{HNO}_3 \rightarrow \text{NH}_4\text{NO}_3$$

Vì $\text{NH}_3$ dư nên tính theo $\text{HNO}_3$, tỉ lệ $1 : 1$:

$$n_{\text{NH}_4\text{NO}_3} = 0{,}2\ \text{mol} \Rightarrow m = 0{,}2 \times 80 = 16\ \text{g}$$

Câu b.

$$n_{\text{CaCO}_3} = \frac{10}{100} = 0{,}1\ \text{mol}$$

$$\text{CaCO}_3 + 2\text{HNO}_3 \rightarrow \text{Ca(NO}_3)_2 + \text{CO}_2\uparrow + \text{H}_2\text{O}$$

$$n_{\text{CO}_2} = 0{,}1\ \text{mol} \Rightarrow V = 0{,}1 \times 24{,}79 = 2{,}479\ \text{L}$$

$$n_{\text{Ca(NO}_3)_2} = 0{,}1\ \text{mol} \Rightarrow m = 0{,}1 \times 164 = 16{,}4\ \text{g}$$

Câu c.

$$m_{\text{HNO}_3} = 0{,}2 \times 63 = 12{,}6\ \text{g} \Rightarrow V = \frac{12{,}6}{1{,}53} \approx 8{,}24\ \text{mL}$$

Kết luận: a) $16$ g $\text{NH}_4\text{NO}_3$; b) $2{,}479$ L $\text{CO}_2$ và $16{,}4$ g $\text{Ca(NO}_3)_2$; c) khoảng $8{,}24$ mL.

Nhận xét: Phân đạm $\text{NH}_4\text{NO}_3$ ở câu a có ưu điểm là cung cấp nitrogen ở cả hai dạng ion ammonium $\text{NH}_4^+$ và ion nitrate $\text{NO}_3^-$, nên cây trồng hấp thụ được nhanh.

Dạng 4: Đánh giá nguy cơ phú dưỡng của nguồn nước

Phương pháp giải

Bước 1: Đổi khối lượng nguyên tố về đơn vị microgam ($\mu\text{g}$):

$$1\ \text{mg} = 10^3\ \mu\text{g} \qquad 1\ \text{g} = 10^6\ \mu\text{g}$$

Bước 2: Tính hàm lượng theo đơn vị $\mu\text{g/L}$:

$$\text{hàm lượng} = \frac{\text{khối lượng nguyên tố}\ (\mu\text{g})}{\text{thể tích nước}\ (\text{L})}$$

Bước 3: Đối chiếu với cả hai ngưỡng:

$$\text{N} \ge 300\ \mu\text{g/L} \qquad \text{và} \qquad \text{P} \ge 20\ \mu\text{g/L}$$

Chỉ khi cả hai cùng đạt ngưỡng thì nguồn nước mới có nguy cơ phú dưỡng cao. Nguyên tố chưa đạt ngưỡng chính là yếu tố giới hạn.

Bước 4: Nếu đề yêu cầu quy đổi hàm lượng nguyên tố sang hàm lượng ion, dùng tỉ lệ khối lượng mol. Ví dụ với ion nitrate:

$$n_{\text{NO}_3^-} = n_{\text{N}} = \frac{m_{\text{N}}}{14} \Rightarrow m_{\text{NO}_3^-} = n \times 62$$

Lưu ý: Hàm lượng nitrogen tính theo nguyên tố N, gộp chung mọi dạng tồn tại là $\text{NO}_3^-$, $\text{NO}_2^-$ và $\text{NH}_4^+$; hàm lượng phosphorus tính theo nguyên tố P trong các dạng ion phosphate.

Ví dụ mẫu

Đề bài: Phân tích một mẫu nước hồ thể tích $5$ L, người ta xác định được trong mẫu có $1{,}75$ mg nitrogen (ở các dạng ion) và $0{,}08$ mg phosphorus.

a) Tính hàm lượng nitrogen và phosphorus của mẫu nước theo $\mu\text{g/L}$.

b) Mẫu nước này đã đủ điều kiện xảy ra hiện tượng phú dưỡng chưa? Yếu tố nào đang giới hạn?

c) Giả sử toàn bộ nitrogen tồn tại ở dạng ion nitrate, tính hàm lượng $\text{NO}_3^-$ trong mẫu theo mg/L.

Lời giải

Câu a.

Đổi sang microgam:

$$m_{\text{N}} = 1{,}75\ \text{mg} = 1,750\ \mu\text{g} \qquad m_{\text{P}} = 0{,}08\ \text{mg} = 80\ \mu\text{g}$$

Hàm lượng trong mẫu:

$$\text{N} = \frac{1,750}{5} = 350\ \mu\text{g/L} \qquad \text{P} = \frac{80}{5} = 16\ \mu\text{g/L}$$

Câu b. Đối chiếu với hai ngưỡng:

Nitrogen đã vượt ngưỡng nhưng phosphorus thì chưa, nên mẫu nước chưa đủ điều kiện xảy ra phú dưỡng. Phosphorus là yếu tố giới hạn: nếu nguồn nước tiếp tục nhận thêm phosphate từ nước thải sinh hoạt hoặc phân bón dư thừa cho tới khi vượt $20\ \mu\text{g/L}$ thì nguy cơ phú dưỡng sẽ xuất hiện.

Câu c.

$$n_{\text{N}} = \frac{350\times 10^{-6}}{14} = 2{,}5\times 10^{-5}\ \text{mol/L}$$

Mỗi ion $\text{NO}_3^-$ chứa $1$ nguyên tử N nên $n_{\text{NO}_3^-} = n_{\text{N}}$:

$$m_{\text{NO}_3^-} = 2{,}5\times 10^{-5} \times 62 = 1{,}55\times 10^{-3}\ \text{g/L} = 1{,}55\ \text{mg/L}$$

Kết luận: Hàm lượng $\text{NO}_3^-$ trong mẫu là $1{,}55$ mg/L.

Liên hệ thực tế: Vì phosphorus thường là yếu tố giới hạn ở nhiều ao hồ nên các biện pháp hạn chế phú dưỡng thường tập trung vào kiểm soát nguồn phosphate trong nước thải sinh hoạt và nông nghiệp.

Dạng 5: Tính toán với nước cường toan

Phương pháp giải

Nước cường toan là hỗn hợp $\text{HNO}_3$ đặc và HCl đặc theo tỉ lệ mol $1 : 3$, có khả năng hoà tan vàng và platinum.

Bước 1: Dùng phương trình đã cho trong bài:

$$\text{Au} + \text{HNO}_3 + 3\text{HCl} \xrightarrow{t^\circ} \text{AuCl}_3 + \text{NO} + 2\text{H}_2\text{O}$$

Bước 2: Tính số mol Au: $n = \dfrac{m}{197}$.

Bước 3: Từ tỉ lệ $\text{Au} : \text{HNO}_3 : \text{HCl} : \text{AuCl}_3 : \text{NO} = 1 : 1 : 3 : 1 : 1$, suy ra các đại lượng cần tìm.

Bước 4: Quy thể tích khí NO về đkc: $V = n \times 24{,}79$.

Ví dụ mẫu

Đề bài: Hoà tan hoàn toàn $3{,}94$ gam vàng bằng nước cường toan.

a) Tính số mol $\text{HNO}_3$ và HCl đã phản ứng.

b) Tính thể tích khí NO sinh ra ở đkc.

c) Tính khối lượng muối $\text{AuCl}_3$ tạo thành. Cho $M_{\text{AuCl}_3} = 303{,}5$ g/mol.

Lời giải

$$n_{\text{Au}} = \frac{3{,}94}{197} = 0{,}02\ \text{mol}$$

Câu a. Theo tỉ lệ trong phương trình:

$$n_{\text{HNO}_3} = 0{,}02\ \text{mol} \qquad n_{\text{HCl}} = 3 \times 0{,}02 = 0{,}06\ \text{mol}$$

Câu b.

$$n_{\text{NO}} = 0{,}02\ \text{mol} \Rightarrow V = 0{,}02 \times 24{,}79 = 0{,}4958\ \text{L}$$

Câu c.

$$m_{\text{AuCl}_3} = 0{,}02 \times 303{,}5 = 6{,}07\ \text{g}$$

Kết luận: Cần $0{,}02$ mol $\text{HNO}_3$ và $0{,}06$ mol HCl; thu $0{,}4958$ L khí NO và $6{,}07$ g $\text{AuCl}_3$.

Nhận xét: Tỉ số $n_{\text{HNO}_3} : n_{\text{HCl}} = 0{,}02 : 0{,}06 = 1 : 3$, đúng bằng tỉ lệ pha chế nước cường toan nêu trong bài. Có thể dùng nhận xét này để kiểm tra nhanh kết quả.

Bảng tra nhanh: chọn phương pháp theo dữ kiện đề bài

ThS. Lê Thị Mai Nhi

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Hoá Học THPT

Trình độ: Thạc sĩ Hóa học, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 10+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Chuyên Nguyễn Huệ