Phản ứng giữa Magie (Mg) và Axit Nitric (HNO3) loãng tạo ra khí Nitơ (N2) là một ví dụ điển hình của phản ứng oxi hóa khử. Bài viết này sẽ cung cấp thông tin chi tiết về phản ứng này, bao gồm phương trình hóa học cân bằng, điều kiện phản ứng, hiện tượng quan sát được, và các bài tập vận dụng liên quan.
Phương Trình Phản Ứng: 5Mg + 12HNO3 → 5Mg(NO3)2 + N2 + 6H2O
Phương trình hóa học cân bằng cho phản ứng giữa magie và axit nitric loãng tạo ra khí nitơ như sau:
5Mg + 12HNO3 (loãng) → 5Mg(NO3)2 + N2 + 6H2O
Giải thích quá trình cân bằng:
-
Bước 1: Xác định chất oxi hóa và chất khử
Mg0 + HN+5O3 → Mg+2(NO3)2 + N02 + H2O
Chất khử: Mg (Magie); Chất oxi hóa: HNO3 (Axit nitric)
-
Bước 2: Viết quá trình oxi hóa và khử
- Quá trình oxi hóa: Mg0 → Mg+2 + 2e
- Quá trình khử: 2N+5 + 10e → N02
-
Bước 3: Cân bằng electron
Nhân quá trình oxi hóa với 5 và quá trình khử với 1 để cân bằng số electron trao đổi.
-
Bước 4: Hoàn thành phương trình
Điền các hệ số vào phương trình phản ứng và kiểm tra sự cân bằng của các nguyên tố.
Điều Kiện và Cách Tiến Hành Phản Ứng
- Điều kiện: Phản ứng xảy ra ở điều kiện thường.
- Cách tiến hành: Nhỏ từ từ dung dịch HNO3 loãng vào ống nghiệm chứa mảnh Mg.
Hiện Tượng Quan Sát Được
- Magie (Mg) là chất rắn màu trắng bạc tan dần trong dung dịch.
- Xuất hiện bọt khí không màu, không mùi (khí N2) thoát ra.
Mở Rộng Kiến Thức Về HNO3 (Axit Nitric)
Cấu Tạo Phân Tử
Công thức cấu tạo của HNO3:
Alt text: Công thức cấu tạo của phân tử Axit Nitric (HNO3), thể hiện liên kết giữa các nguyên tử O, N, và H, mũi tên chỉ rõ liên kết cho nhận.
Trong HNO3, nitơ có số oxi hóa cao nhất là +5.
Tính Chất Vật Lý
-
Axit nitric tinh khiết là chất lỏng không màu, bốc khói mạnh trong không khí ẩm.
-
HNO3 không bền, dễ bị phân hủy bởi ánh sáng, tạo ra khí NO2 màu nâu đỏ:
4HNO3 → 4NO2↑ + O2↑ + 2H2O
-
HNO3 tan vô hạn trong nước. Dung dịch HNO3 đặc thường có nồng độ 68%, D = 1,4 g/cm3.
Tính Chất Hóa Học
Tính Axit Mạnh
-
HNO3 là một trong những axit mạnh nhất, phân li hoàn toàn trong dung dịch:
HNO3 → H+ + NO3–
-
Dung dịch HNO3 có đầy đủ tính chất của một axit:
- Làm đỏ quỳ tím.
- Tác dụng với oxit bazơ, bazơ, muối của axit yếu hơn.
Ví dụ:
CuO + 2HNO3 → Cu(NO3)2 + H2O
NaOH + HNO3 → NaNO3 + H2O
CaCO3 + 2HNO3 → Ca(NO3)2 + CO2↑ + H2O
Tính Oxi Hóa Mạnh
-
HNO3 có tính oxi hóa mạnh, có thể oxi hóa hầu hết các kim loại (trừ Au và Pt) và nhiều phi kim lên mức oxi hóa cao nhất.
-
Tác dụng với kim loại:
-
Với kim loại có tính khử yếu (Cu, Ag,…):
Cu + 4HNO3 (đặc) → Cu(NO3)2 + 2NO2↑ + 2H2O
3Cu + 8HNO3 (loãng) → 3Cu(NO3)2 + 2NO↑ + 4H2O
-
Với kim loại có tính khử mạnh (Mg, Zn, Al,…), HNO3 loãng có thể bị khử thành N2O, N2 hoặc NH4NO3:
8Al + 30HNO3 (loãng) → 8Al(NO3)3 + 3N2O + 15H2O
4Zn + 10HNO3 (loãng) → 4Zn(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O
-
Lưu ý: Fe, Al, Cr bị thụ động hóa trong HNO3 đặc, nguội.
-
-
Tác dụng với phi kim:
Khi đun nóng, HNO3 đặc có thể tác dụng với phi kim (C, P, S,… trừ N2 và halogen):
S + 6HNO3 (đ) → H2SO4 + 6NO2↑ + 2H2O
-
Tác dụng với hợp chất:
HNO3 có thể tác dụng với H2S, HI, SO2, FeO, muối sắt (II),…
3FeO + 10HNO3 (đ) → 3Fe(NO3)3 + NO↑ + 5H2O
3H2S + 2HNO3 (đ) → 3S↓ + 2NO↑ + 4H2O
-
Nhiều hợp chất hữu cơ như giấy, vải, dầu thông,… bốc cháy khi tiếp xúc với HNO3 đặc.
Ứng Dụng Của Axit Nitric
- Điều chế phân đạm NH4NO3,…
- Sản xuất thuốc nổ, thuốc nhuộm, dược phẩm,…
Điều Chế Axit Nitric
Trong Phòng Thí Nghiệm
HNO3 được điều chế bằng cách cho muối nitrate (NaNO3 hoặc KNO3) rắn tác dụng với H2SO4 đặc, nóng:
NaNO3 (rắn) + H2SO4 (đặc) → HNO3 + NaHSO4
Alt text: Sơ đồ điều chế Axit Nitric (HNO3) trong phòng thí nghiệm từ Natri Nitrat (NaNO3) và Axit Sunfuric (H2SO4) đặc.
Trong Công Nghiệp
Điều chế từ NH3 qua ba giai đoạn:
NH3 → NO → NO2 → HNO3
-
Oxi hóa NH3 bằng O2 (xúc tác Pt, 850-900°C):
4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O
-
Oxi hóa NO thành NO2 bằng O2 (điều kiện thường):
2NO + O2 → 2NO2
-
Chuyển hóa NO2 thành HNO3:
4NO2 + 2H2O + O2 → 4HNO3
Bài Tập Vận Dụng
Câu 1: Cho 2,4 gam Mg tác dụng với dung dịch HNO3 loãng dư, thu được V lít khí N2 (đktc). Giá trị của V là:
A. 0,224 lít
B. 2,24 lít
C. 0,448 lít
D. 4,48 lít
Hướng dẫn giải:
nMg = 2.4/24 = 0.1 mol
5Mg + 12HNO3 → 5Mg(NO3)2 + N2 + 6H2O
=> nN2 = nMg/5 = 0.1/5 = 0.02 mol
=> V = 0.02 * 22.4 = 0.448 lít
Đáp án C
Câu 2: Cho 5,6 gam Fe tác dụng với dung dịch HNO3 loãng dư, sản phẩm khử duy nhất là NO. Thể tích khí NO (đktc) thu được là:
A. 2,24 lít
B. 3,36 lít
C. 4,48 lít
D. 6,72 lít
Hướng dẫn giải:
nFe = 5.6/56 = 0.1 mol
Fe + 4HNO3 → Fe(NO3)3 + NO + 2H2O
=> nNO = nFe = 0.1 mol
=> V = 0.1 * 22.4 = 2.24 lít
Đáp án A
Câu 3: Hòa tan hoàn toàn m gam Al trong dung dịch HNO3 loãng, thu được 0,336 lít khí N2O (đktc) là sản phẩm khử duy nhất. Giá trị của m là:
A. 0,81 gam
B. 0,54 gam
C. 0,675 gam
D. 0,405 gam
Hướng dẫn giải:
nN2O = 0.336/22.4 = 0.015 mol
8Al + 30HNO3 → 8Al(NO3)3 + 3N2O + 15H2O
=> nAl = 8/3 nN2O = 8/3 0.015 = 0.04 mol
=> m = 0.04 * 27 = 1.08 gam (Có vẻ như không có đáp án đúng, cần kiểm tra lại đề bài)
Câu 4: Cho 6,4 gam Cu tác dụng với 120ml dung dịch HNO3 1M, thu được V lít khí NO (đktc). Giá trị của V là:
A. 0,448 lít
B. 0,896 lít
C. 1,12 lít
D. 1,344 lít
Hướng dẫn giải:
nCu = 6.4/64 = 0.1 mol
nHNO3 = 0.12 * 1 = 0.12 mol
3Cu + 8HNO3 → 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O
=> nNO = 2/8 nHNO3 = 2/8 0.12 = 0.03 mol (vì HNO3 hết)
=> V = 0.03 * 22.4 = 0.672 lít
Kết luận
Phản ứng giữa Mg và HNO3 loãng tạo N2 là một phản ứng oxi hóa khử thú vị và quan trọng trong hóa học vô cơ. Việc hiểu rõ về phương trình, điều kiện, hiện tượng và các bài tập liên quan sẽ giúp học sinh nắm vững kiến thức và vận dụng tốt vào giải bài tập.
