Hôm nay, chúng ta sẽ cùng nhau giải một bài tập rất điển hình trong chương trình Hóa học lớp 11 về quá trình sản xuất nitric acid. Đây là một dạng bài toán quan trọng, kết hợp giữa kiến thức về chuỗi phản ứng và tính toán hiệu suất. Các em hãy cùng cô phân tích và giải bài tập này nhé.

—

a) Viết các phương trình hoá học xảy ra.

Quá trình sản xuất nitric acid từ ammonia trong công nghiệp gồm 3 giai đoạn chính. Chúng ta sẽ viết phương trình hoá học cho từng giai đoạn:

Giai đoạn 1: Oxi hoá ammonia (NH₃) bằng oxygen ở nhiệt độ cao (khoảng 850 – 900°C) và có xúc tác (thường là platinum, Pt) để tạo ra nitrogen monoxide (NO).
\[4NH_3 + 5O_2 \xrightarrow{t^\circ, xt} 4NO + 6H_2O\]

Giai đoạn 2: Oxi hoá nitrogen monoxide (NO) bằng oxygen trong không khí ở nhiệt độ thường để tạo ra nitrogen dioxide (NO₂). Khí NO không màu sẽ chuyển thành khí NO₂ có màu nâu đỏ.
\[2NO + O_2 \rightarrow 2NO_2\]

Giai đoạn 3: Cho nitrogen dioxide (NO₂) tác dụng với oxygen và nước để tạo ra nitric acid (HNO₃).
\[4NO_2 + O_2 + 2H_2O \rightarrow 4HNO_3\]

b) Tính khối lượng ammonia cần dùng.

Để giải quyết bài toán này, chúng ta sẽ thực hiện theo các bước sau đây. Các em hãy chú ý nhé.

Bước 1: Tính khối lượng HNO₃ nguyên chất có trong 5000 tấn dung dịch.

Đề bài cho chúng ta 5000 tấn dung dịch nitric acid có nồng độ 60%. Vậy khối lượng HNO₃ nguyên chất là:
\[m_{\text{HNO}_3 \text{ nguyên chất}} = m_{\text{dung dịch}} \times \frac{C\%}{100\%}\]
\[m_{\text{HNO}_3 \text{ nguyên chất}} = 5000 \times \frac{60}{100} = 3000 \text{ (tấn)}\]

Đây là khối lượng HNO₃ thực tế thu được sau quá trình sản xuất.

Bước 2: Viết sơ đồ hợp thức của cả quá trình và tính khối lượng NH₃ theo lý thuyết.

Từ 3 phương trình ở câu a, ta có thể rút ra một sơ đồ chuyển hoá tóm tắt để tính toán cho nhanh:
\[NH_3 \rightarrow NO \rightarrow NO_2 \rightarrow HNO_3\]
Bảo toàn nguyên tố Nitrogen (N), ta thấy tỉ lệ mol giữa NH₃ và HNO₃ là 1:1.
\[\text{NH}_3 \rightarrow \text{HNO}_3\]
Ta có khối lượng mol của NH₃ là \(14 + 3 \times 1 = 17\) g/mol và của HNO₃ là \(1 + 14 + 3 \times 16 = 63\) g/mol.

Từ sơ đồ, ta thấy:
Cứ 17 tấn NH₃ thì theo lý thuyết sẽ sản xuất được 63 tấn HNO₃.

Vậy, để sản xuất được 3000 tấn HNO₃, khối lượng NH₃ cần dùng theo lý thuyết là:
\[m_{\text{NH}_3 \text{ (lý thuyết)}} = 3000 \times \frac{17}{63} \approx 809,524 \text{ (tấn)}\]

Bước 3: Tính khối lượng NH₃ thực tế cần dùng có tính đến hiệu suất.

Hiệu suất của cả quá trình là 3,8%. Đây là hiệu suất tính từ chất tham gia ban đầu (NH₃) đến sản phẩm cuối cùng (HNO₃).

Vì NH₃ là chất tham gia, để tính lượng thực tế cần dùng, chúng ta áp dụng công thức:
\[H\% = \frac{\text{Lượng lý thuyết}}{\text{Lượng thực tế}} \times 100\% \implies \text{Lượng thực tế} = \frac{\text{Lượng lý thuyết} \times 100\%}{H\%}\]

Vậy, khối lượng NH₃ thực tế cần dùng là:
\[m_{\text{NH}_3 \text{ (cần dùng)}} = \frac{m_{\text{NH}_3 \text{ (lý thuyết)}}}{3,8\%} = \frac{809,524}{0,038} \approx 21303,26 \text{ (tấn)}\]

Đáp số:
Vậy, để điều chế 5000 tấn nitric acid nồng độ 60% với hiệu suất 3,8%, cần dùng 21303,26 tấn ammonia.

—

Cô hy vọng phần giải chi tiết này đã giúp các em hiểu rõ hơn về bài toán. Nếu có bất kỳ thắc mắc nào, đừng ngần ngại hỏi nhé. Chúc các em học tốt