Chuyên đề Hóa học Lớp 11: Bài toán tạo muối amoni NH4NO3 trong phản ứng với HNO3

Nội dung text: Chuyên đề Hóa học Lớp 11: Bài toán tạo muối amoni NH4NO3 trong phản ứng với HNO3

1. Hóa Học Mỗi Ngày – www.hoahocmoingay.com 1. Sơ lược về muối amoni: Thời xa xưa, trên các ốc đảo phồn vinh thuộc sa mạc Libi hiện lên những đền thờ thần Mặt trời cổ Ai Cập là thần Amôn. Những người thổ dân ở đây, khi chưng cất phân lạc đà đã thu được một loại muối trắng có các tính chất kì lạ: nó biến mất ở chỗ đun nóng và xuất hiện chỗ cách đó không xa; khi rắc muối này lên bề mặt những sản phẩm bằng kim loại đang nóng thì bề mặt kim loại trở nên sạch và sáng bóng; khi thêm muối này vào axit nitric thì thu được "nước vua" có khả năng hoà tan được cả vàng–vua kim loại. Vì những tính chất đặc biệt đó nên người ta gọi nó là muối thần Amôn. Đó chính là muối NH4Cl và ngày nay amoni được dùng để chỉ tất cả các muối + có chứa ion NH4 . + Ion NH4 có cấu tạo tứ diện đều với 4 nguyên tử H ở đỉnh và nguyên tử N ở + + + trung tâm. Về bán kính ion NH4 khá giống với K và Rb , tính tan tương tự như các muối của kim loại kiềm Điểm khác biệt là: - Muối amoni bị thủy phân tạo môi trường axit, có những muối bị thủy phân hoàn toàn như (NH4)2S. - Kém bền nhiệt, tùy thuộc vào bản chất của axit tạo muối, phản ứng nhiệt phân xảy ra một cách khác nhau. Muối của axit có tính oxh như HNO 2, HNO3 khi được đun nóng, axit được giải phóng sẽ oxh NH3 thành N2 hay oxit của nitơ. NH4NO2 -> N2 + 2H2O NH4NO3 -> N2O + 2H2O Muối của axit dễ bay hơi khi đung nóng sẽ phân hủy theo quá trình ngược với phản ứng kết hợp. Ví dụ: NH4Cl -> NH3+ HCl Các muối (NH4)2CO3, NH4HCO3 phân hủy ngay ở nhiệt độ thường, trong thực tế NH4HCO3 thường dùng để gây xốp cho các loại bánh. Muối amoni của axit khó bay hơi và nhiều nấc, khi đun nóng biến thành muối axit và giải phóng NH3. Ví dụ: (NH4)2SO4 -> NH4HSO4 + NH3. Nếu tiếp tục đun nóng NH4HSO4 phân hủy tạo SO2 + N2 + H2O Muối amoni trong thực tế ứng dụng làm phân đạm. Quan trọng hơn hết là các muối NH4Cl, (NH4)2SO4, NH4NO3. NH4Cl còn được dùng tạo khói mù trong chiến tranh, đánh sạch bề mặt kim loại trước khi hàn, dùng làm chất điện li trong pin khô và dùng trong công nghiệp nhuộm vải. SƯU TẦM 1
2. Hóa Học Mỗi Ngày – www.hoahocmoingay.com Các muối amoni thường được điều chế bằng cách cho NH 3 đi qua dung dịch axit tương ứng. 2. Sự tạo thành NH4NO3 trong phản ứng của chất khử với HNO3. +5 Chất khử tác dụng với dung dịch HNO3 thì sản phẩm N có thể là NO2, NO, N2O, + N2 hoặc NH4 tùy thuộc vào bản chất chất khử, nồng độ axit và nhiệt độ. Thông thường chất khử càng mạnh và nồng độ axit càng loảng thì N+5 bị khử về mức oxi hóa càng thấp. Trong chương trình hóa học ở bậc THPT ta thường gặp trường hợp chất khử mạnh như Mg, Al, Zn có khả năng khử HNO 3 về NH4NO3. Từ đây nếu khéo léo dấu đi sản phẩm NH 4NO3 trong bài toán thì sẽ tạo ra sự nhầm lẫn hoặc mất phương hướng giải quyết ở người học. Chỉ khi nào chứng minh được sự tồn tại của muối amoni thì mâu thuẩn mới được giải quyết và người học mới có cơ hội hoàn thành được bài toán. Sau đây tôi xin trình bày một số dạng toán về muối amoni, đặc biệt chú trọng bài toán chứng minh sự có mặt của muối amoni khi cho chất khử tác dụng với HNO3. 2.3.2.2. Các dạng bài toán về muối amoni. Dạng 1. Bài toán về ứng dụng của muối amoni. Bài toán: Hãy giải thích vì sao khi bón các loại phân đạm NH4NO3, (NH4)2SO4 thì độ chua của đất tăng lên. Giải thích tại sao khi urê dùng làm phân đạm ảnh hưởng không đáng kể lên độ chua của đất? Bài giải: + - Do muối NH4NO3 gồm NH4 có tính axit và NO3 có tính trung tính. Giải thích tương tự cho muối (NH4)2SO4 . + Urê: (NH2)2+ 2H2O -> (NH4)2CO3 .Muối (NH 4)2CO3 gồm NH 4 có tính axit yếu và 2- CO3 có tính bazơ yếu, nên muối này gần như trung tính, không làm thay đổi đáng kể độ chua của đất. Dạng 2. Tìm công thức của muối amoni. Bài toán 1: Khi nhiệt phân 1 muối vô cơ X thu được các chất ở trạng thái khí và hơi khác nhau, mỗi chất đều có 1 mol. Xác định công thức phân tử của X biết rằng nhiệt SƯU TẦM 2
3. Hóa Học Mỗi Ngày – www.hoahocmoingay.com độ dùng phân hủy không cao và phản ứng xẩy ra hoàn toàn. Khối lượng mol phân tử của X là 79 g/mol. Viết phương trình hóa học của các phản ứng xẩy ra? Bài giải: Một muối nhiệt phân khong cho chất rắn chỉ có thể là muối của thủy ngân hoặc muối amoni. Ta loại ngay muổi của thủy ngân do không phù hợp về mặt khối lượng mol. - 2- 2- Anion của gốc axit dễ bị nhiệt phân phải có gốc HCO 3 , hoặc CO 3 hoặc SO 3 - + hoặc HSO3 . Khi nhiệt phân các sản phẩm có số mol bằng 1, vậy NH4 phải kết hợp với các anion có hóa trị 1, nếu anion có hóa trị 2 sẽ tạo ra 2 mol NH3. Muối có công thức: NH4SO3 M = 99 ( loại) NH4HCO3 M = 79 ( thỏa mãn) Bài toán 2: Hoà tan 9,875 gam một muối hiđrocacbonat (Muối A) vào trong nước và cho tác dụng một lượng H 2SO4 vừa đủ,rồi đem cô cạn cẩn thận được 8,25 gam một muối sunfat trung hoà khan. Xác định công thức phân tử và gọi tên muối A Bài giải: Gọi công thức của muối A là M(HCO3)n, ta có phương trình hóa học của phản ứng 2M(HCO3)n + nH2SO4 -> M2(SO4)n + 2nCO2 + 2nH2O Từ quan hệ số mol M(HCO3)n gấp đôi số mol M2(SO4)n ta suy ra M = 18n n =1, 2, 3 ta chọn nghiệm thích hợp là n = 1, M = 18 => Muối A là NH4HCO3 Nhận xét: Có nhiều khi chúng ta kết luận không có kim loại nào thỏa mãn hoặc nghĩ mình đã giải sai nếu không xét đến muối moni. Dạng 3: Chứng minh sự có mặt của muối amoni trong bài toán chất khử tác dụng với dung dịch HNO3. A. Bài toán đơn giản Bài toán 1 : Cho vụn Zn vào dung dịch HNO 3 loãng thu được dung dịch A và hỗn hợp khí N2, N2O. Rót dung dịch NaOH cho đến dư vào dung dịch A thấy có khí thoát ra. Giải thích thí nghiệm, viết phương trình hóa học của các phản ứng. Bài giải : SƯU TẦM 3
4. Hóa Học Mỗi Ngày – www.hoahocmoingay.com Vì A tác dụng với dung dịch NaOH dư có khí thoát ra chứng tỏ A chứa muối amoni. Phương trình hóa học : 4Zn+ 10HNO3 4Zn(NO3)2 + N2O +5H2O 5Zn+ 12HNO3 5Zn(NO3)2 + N2 +6H2O 4Zn+ 10HNO3 4Zn(NO3)2 + NH4NO3 +3H2O Dung dịch A chứa Zn(NO3)2, NH4NO3 và có thể có HNO3 dư HNO3 + NaOH NaOH + H2O NH4NO3 + NaOH NaNO3 + NH3+ H2O Zn(NO3)2 + 2NaOH Zn(NO)2 + NaNO3 2NaOH + Zn(OH)2 Na2ZnO2 + 2H2O Nhận xét : 1- Đây là bài toán khá đơn giản học sinh trung bình cũng có thể nhận ra được sản phẩm chứa muối amoni. 2 - Từ bài toán này ta thay Zn bằng Mg, Al ta sẽ có bài tập tương tự. B. Bài toán phức tạp : Bài toán 2: Hòa tan hoàn toàn 1,68gam kim loại Mg vào V lít dung dịch HNO3 0,25M vừa đủ thu được dung dịch X và 0.448 lít (đktc) một chất khí Y duy nhất, nguyên chất. Cô cạn dung dịch X được 11,16g muối khan (quá trình cô cạn không làm muối phân hủy). Tìm công thức phân tử của khí Y và tính V. Bài giải: 1,68 0,448 nMg = = 0,07mol ; nY = = 0,02mol 24 22,4 Sau cô cạn dung dịch X chắc chắn sản phẩm có Mg(NO3)2 0,07mol => mMg (NO3)2 = 0,07.148 = 10,36g số mol NH4NO3 = = 0,01mol 80 Quá trình oxi hóa : Mg Mg2+ + 2e 0,07 0,14(mol) SƯU TẦM 4
5. Hóa Học Mỗi Ngày – www.hoahocmoingay.com - + + Quá trình khử : NO3 + 10H + 8e NH4 + 3H2O 0,1 0,08  0,01 (mol) - + xNO3 + (6x – 2y)H + (5x-2y)e NxOy + (3x-y)H2O 0,02(6x-2y) 0,02(5x-2y)  0,02(mol) Theo định luật bảo toàn e ta có: 0,14 = 0,08 + 0,02(5x-2y)  5x-2y =2. Nghiệm hợp lí là x=y=1 . Vậy sản phẩm là NO +  số mol HNO3 = số mol H = 0,1+ 0,08 = 0,18 mol => V= 0,72 lít Nhận xét : 1- Ở bài toán này học sinh có thể mắc một số sai lầm như sau: - Cho rằng sản phẩm duy nhất - Cho rằng bài toán thừa sữ kiện khối lượng muối 2- Phương pháp chứng minh đúng: Thấy được mâu thuẫn, khối lượng muối nitrat của kim loại bé hơn khối lượng muối khan sau phản ứng do bài toán cho => sản phẩm chứa muối amoni. Bài toán 3: Cho 1,68gam Mg tác dụng vừa đủ với 500 ml dung dịch HNO 3 aM thu được dung dịch Y và 0,448 lít (đktc) khí NO duy nhất. Tính a và khối lượng muối thu được. Bài giải: Số mol Mg = 0,07 mol; số mol NO = 0,02 mol Quá trình oxh: Mg Mg2+ + 2e 0,07 0,14(mol) Quá trình khử : - + NO3 + 4H + 3e NO + 2H2O 0,08 0,06  0,02 (mol) Ta thấy số mol e do chât khử nhường lớn hơn số mol e do chất oxh nhận . Do vậy +5 còn có một qúa trình khử N tạo sản phẩm khử trong dung dịch X đó là NH4NO3 - + + NO3 + 10H + 8e NH4 + 3H2O 0,1  0,08 0,01 (mol) + Ta có : Số mol HNO3 = số mol H =0,18 mol => a= 0,36 M SƯU TẦM 5
6. Hóa Học Mỗi Ngày – www.hoahocmoingay.com Khối lượng muối = 0,07.148 + 0,01.80 = 11.16 gam Nhận xét : 1- Đây là bài toán tương tự bài toán 2 nhưng không cho khối lượng muối tạo thành. Nếu thiếu cẩn thận học sinh có thể tính a và khối lượng muối như sau: Số mol Mg(NO3)2= số mol Mg = 0,07 mol => khối lượng muối = 0,07.148 = 10,36 gam - + NO3 + 4H + 3e NO + 2H2O 0,08  0,02 (mol) + => số mol HNO3 = số mol H = 0,08 mol => a= 0,08: 0,5 = 0,16 M 2- Cách chứng minh sự có mặt của muối amoni trong bài toán trên là: chứng minh được số mol e do chất khử nhường lớn hơn số mol e do N +5 nhận tạo khí do vậy sản phẩm khử có mặt muối amoni. Phức tạp hơn nữa khi chất khử là một hỗn hợp. Ta xét tiếp ví dụ sau: Bài toán 4: Cho hỗn hợp X gồm 0,15 mol Mg, 0,35 mol Fe phản ứng với V lít dung dịch HNO3 1M thu được dung dịch Y và hỗn hợp khí gồm 0,035 mol N 2O; 0,1 mol NO và còn lại 2,8 gam kim loại. Tìm V? Bài giải: Khi phản ứng với HNO3 Mg sẽ phản ứng trước. Khối lượng Fe ban đầu = 0,35.56 = 19,6 gam > 2,8 gam => sau phản ứng Fe dư và muối trong dung dịch là muối sắt (II). 2,8 Số mol Fe phản ứng = 0,35 – =0,3 mol 56 Quá trình oxh: Fe Fe2+ + 2e 0,3 0,6mol Mg Mg2+ + 2e 0,15 0,3(mol) Quá trình khử: - + NO3 + 10H + 8e N2O + 5H2O SƯU TẦM 6
7. Hóa Học Mỗi Ngày – www.hoahocmoingay.com 0,35  0,28 0,035 (mol) - + NO3 + 4H + 3e NO + 2H2O 0,4  0,3  0,1 (mol) 0,9 mol = ne nhường > ne nhận =0,58 mol => sản phẩm khử còn có NH4NO3 +5 Số mol e do N nhận tạo ra NH4NO3 là: 0,9 – 0,58 = 0,32 mol - + + NO3 + 10H + 8e NH4 + 5H2O 0,4  0,32 0,04 (mol) + Số mol HNO3 = số mol H = 1,15 mol => V= 1,15 lít Bài toán 5 : Hòa tan hỗn hợp X gồm Zn, FeCO 3, Ag bằng lượng dư dung dịch HNO 3 thu được hỗn hợp khí A gồm 2 chất khí có tỷ khối đối với H 2 bằng 19,2 và dung dịch B. Cho B tác dụng hết với dung dịch NaOH dư tạo kết tủa. Lọc kết tủa đem nung ở nhiệt độ cao đến khối không dổi được 5,64g chất rắn. Tính khối lượng hỗn hợp X, biết trong X khối lượng FeCO3 bằng khối lượng Zn; mỗi chất trong X khi tác dụng với dụng với dung dịch HNO3 ở trên chỉ cho 1 sản phẩm khử. Bài giải: M A =19,2.2=38,4 A gồm 2 chất khí, trong đó có CO 2(M= 44>38,4) khí còn lại có M b nNO > b+ >b = nCO 3 3 2 SƯU TẦM 7
8. Hóa Học Mỗi Ngày – www.hoahocmoingay.com 3 Trái với kết quả n =n vậy sản phẩm khí ngoài NO còn có NH NO . Sản CO2 2 NO 4 3 phẩm đó chỉ có thể do Zn khử. 4Zn + 10HNO3 4Zn(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O (1) 3FeCO3 + 10 HNO3 3Fe(NO3)3+ NO + 3 CO2  +5 H2O (2) 3Ag + 4 HNO3 3AgNO3 + NO + 2 H2O (3) 3 2 Dung dịch B chứa Fe , Ag , Zn , H , NH 4 , NO3 . Khi tác dụng với dung dịch NaOH dư + - H + OH H2O - NH 4 + OH NH3  +H2O 3 - Fe + 3OH Fe(OH)3  2 - 2 Zn + 4OH ZnO2 + 2H2O + - 2Ag + 2OH Ag2O + H2O Nung kết tủa:2Fe(OH)3 Fe2O3 + 3H2O 2Ag2O 4Ag + O2 Chất rắn thu được là:Fe2O3 , Ag 3 b c b= ( ) 2 3 b 160 + 180c= 5,64 2 m m 0,003.116 3,48 m 3,24g => b=c=0,003 FeCO3 Zn g, Ag => mX = 10,2g Nhận xét: Bài toán không cho sản phẩm khử duy nhất cho nên buộc ta xét 2 trường hợp khi xét NO là sản phẩm khử duy nhất ta thấy không phù hợp sản phẩm khử có NH4NO3 SƯU TẦM 8
9. Hóa Học Mỗi Ngày – www.hoahocmoingay.com đó chỉ có thể do Zn tạo ra( theo nguyên tắc chất có tính khử càng mạnh khử N 5về mức ô xi hóa càng thấp) sau khi giải quyết các vấn đề đó thì bài toán trở nên đơn giản. Một bài toán khá đặc biệt khi axít ban đầu chưa xác định Bài toán 6: Có 1 dung dịch axit A chưa biết, , để tác dụng hoàn toàn với dung dịch axit A cần 5,94g Al. Thu được khí X (đktc) và dung dịch muối B. Để tác dụng với muối B tạo dung dịch trong suốt cần 200g dung dịch NaOH 19,25%, A là: A. HCl B. CH3COOH C. HNO3 D. H2SO4 Bài giải: Ta có: 5,94 n = =0,22mol Al 27 19,25.2 n =n = =0,9625mol OH NaOH 1.40 3 4OH Al Al  Al(OH )4  số mol OH- cần dùng để phản ứng với muối nhôm là = 4.0,22=0,88 mol đáp án A. Nhận xét: 1- Với bài toán này học sinh sẽ gặp khó khăn trong quá trình phán đoán axit A vì cả 4 chất đều phản ứng được với Al tạo khí. Với những em học sinh cẩn thận trong tính toán mới nhận ra được sự có mặt của muối amoni từ đó chứng minh A là HNO3. 2- Cách chứng minh: So sánh lượng OH- cần phản ứng hết với muối của kim loại với lượng OH- cần dùng trong bài toán rồi kết luận. SƯU TẦM 9
10. Hóa Học Mỗi Ngày – www.hoahocmoingay.com SƯU TẦM 10