Xin chào các em học sinh thân mến! Hôm nay, cô trò chúng ta sẽ cùng nhau chinh phục một bài tập về dãy chuyển hóa các hợp chất của Nitơ trong chương trình Hóa học lớp 11. Các em hãy mở sách giáo khoa ra và cùng theo dõi nhé.

Dãy chuyển hóa của chúng ta như sau: N2O5 suy ra HNO3 suy ra NO2 suy ra NaNO3 suy ra NaNO2.

Chúng ta sẽ đi lần lượt từng bước một.

Bước 1: Từ N2O5 suy ra HNO3

Để chuyển từ N2O5 sang HNO3, chúng ta cần một phản ứng hóa hợp đơn giản. N2O5 là một oxit axit. Khi oxit axit tác dụng với nước sẽ tạo thành axit tương ứng. Axit tương ứng của N2O5 chính là HNO3.

Phương trình phản ứng:
N2O5 + H2O → 2HNO3

Giải thích:
Đây là phản ứng cộng nước của oxit axit. Phân tử N2O5 gồm 2 nguyên tử Nitơ và 5 nguyên tử Oxy. Phân tử nước gồm 2 nguyên tử Hydro và 1 nguyên tử Oxy. Khi kết hợp lại, chúng ta sẽ có 2 nguyên tử Hydro, 2 nguyên tử Nitơ và (5+1) = 6 nguyên tử Oxy. Sắp xếp lại theo đúng công thức của axit nitric, ta được 2HNO3.

Bước 2: Từ HNO3 suy ra NO2

Để chuyển từ HNO3 sang NO2, chúng ta có thể thực hiện phản ứng nhiệt phân axit nitric. Tuy nhiên, axit nitric là một axit mạnh, nó khó bị nhiệt phân ở điều kiện thường. Một cách phổ biến hơn để thu được NO2 từ HNO3 là cho HNO3 tác dụng với một chất khử. Tuy nhiên, trong phạm vi chương trình lớp 11, cách đơn giản và thường gặp nhất để biểu diễn sự chuyển hóa này là xem xét phản ứng của HNO3 với kim loại hoạt động yếu hoặc trung bình, hoặc là phản ứng với một chất có tính khử. Nhưng ở đây, chúng ta có thể nghĩ đến phản ứng của HNO3 với một chất khử khác để tạo ra NO2.

Một phương pháp khác, dựa trên tính chất hóa học của HNO3 là chất oxi hóa mạnh, có thể cho phản ứng với một kim loại hoặc phi kim, nhưng để thu được NO2 thì ta cần cân nhắc kỹ.

Trong sách giáo khoa lớp 11, người ta thường xét phản ứng nhiệt phân các muối nitrat hoặc phản ứng của các oxit nitơ. Tuy nhiên, để chuyển trực tiếp từ HNO3 sang NO2, chúng ta có thể xem xét phản ứng nhiệt phân nhưng cần điều kiện đặc biệt hoặc phản ứng với một chất khử.

Tuy nhiên, nếu xét theo cách mà sách giáo khoa thường giới thiệu các tính chất của HNO3, thì việc tạo ra NO2 trực tiếp từ HNO3 bằng một phản ứng đơn giản không phải là phổ biến. Chúng ta hãy thử xem xét một hướng khác liên quan đến tính chất oxi hóa của HNO3.

Nếu ta cho HNO3 tác dụng với một kim loại có tính khử trung bình, ví dụ đồng (Cu), thì sản phẩm khí thu được có thể là NO2.
Cu + 4HNO3 (đặc) → Cu(NO3)2 + 2NO2↑ + 2H2O

Giải thích:
Trong phản ứng này, HNO3 vừa đóng vai trò là axit, vừa đóng vai trò là chất oxi hóa. Đồng (Cu) bị oxi hóa từ số oxi hóa 0 lên +2 trong Cu(NO3)2. Nitơ trong HNO3 có số oxi hóa +5 bị khử xuống +4 trong NO2.

Bước 3: Từ NO2 suy ra NaNO3

Để chuyển từ NO2 sang NaNO3, chúng ta cần thực hiện phản ứng hóa hợp. NO2 là một oxit không phải là oxit axit điển hình vì nó có thể tác dụng với nước tạo ra hỗn hợp hai axit. Tuy nhiên, nó có thể tham gia vào các phản ứng oxi hóa – khử.

Để tạo ra NaNO3, ta có thể cho NO2 tác dụng với dung dịch kiềm, ví dụ NaOH.
2NO2 + 2NaOH → NaNO3 + NaNO2 + H2O

Giải thích:
Phản ứng này gọi là phản ứng tự oxi hóa – khử của NO2 trong môi trường kiềm. Một phần NO2 bị oxi hóa lên số oxi hóa +5 trong NaNO3, phần còn lại bị khử xuống số oxi hóa +3 trong NaNO2.

Tuy nhiên, đề bài yêu cầu NaNO3 là sản phẩm, không phải NaNO2. Vậy ta cần một cách khác.
Một cách khác để tạo ra NaNO3 từ NO2 là oxi hóa NO2 thành N2O5 trước, sau đó cho N2O5 tác dụng với NaOH.
Tuy nhiên, chúng ta đang đi từ NO2.
Hãy xem xét lại phản ứng với NaOH: 2NO2 + 2NaOH → NaNO3 + NaNO2 + H2O. Phản ứng này cho cả NaNO3 và NaNO2.

Nếu chúng ta muốn chỉ tạo ra NaNO3, ta có thể cho NO2 tác dụng với nước và oxi.
4NO2 + 2H2O + O2 → 4HNO3
Sau đó, trung hòa HNO3 bằng NaOH:
HNO3 + NaOH → NaNO3 + H2O

Giải thích:
Ở phản ứng đầu tiên, NO2 kết hợp với nước và oxi để tạo thành axit nitric. Phản ứng này cần có oxi.
Ở phản ứng thứ hai, axit nitric tác dụng với natri hiđroxit theo phản ứng trung hòa axit-bazơ thông thường, tạo ra muối natri nitrat và nước.

Bước 4: Từ NaNO3 suy ra NaNO2

Để chuyển từ NaNO3 sang NaNO2, chúng ta có thể thực hiện phản ứng nhiệt phân muối natri nitrat. Tuy nhiên, NaNO3 bền với nhiệt. Để thu được NaNO2, chúng ta cần dùng tác nhân khử khi nung nóng.

Một cách phổ biến là dùng phản ứng nhiệt phân với các chất khử. Ví dụ, cho NaNO3 tác dụng với chì (Pb) nóng chảy.
NaNO3 + Pb → NaNO2 + PbO

Giải thích:
Ở nhiệt độ cao, NaNO3 bị phân hủy, và chì đóng vai trò là chất khử, nó khử Nitơ trong NaNO3 từ số oxi hóa +5 xuống +3 trong NaNO2.

Một cách khác, cũng trong chương trình lớp 11, đó là phản ứng nhiệt phân các muối nitrat. Tuy nhiên, để thu được muối nitrit từ muối nitrat, cần có điều kiện đặc biệt.
Trong thực tế và phòng thí nghiệm, người ta thường dùng cách sau:
Cho NaNO3 tác dụng với các chất khử khác ở nhiệt độ cao.

Tuy nhiên, nếu chúng ta quay lại bước 3 với phản ứng:
2NO2 + 2NaOH → NaNO3 + NaNO2 + H2O
Ta có NaNO2 ở đó. Có lẽ đề bài muốn chúng ta đi theo một chiều khác.

Chúng ta hãy xem xét lại dãy chuyển hóa. Có thể có cách hiểu khác cho bước 3.
Nếu chúng ta oxi hóa NO2 thành N2O5:
2NO2 + 1/2 O2 → N2O5 (điều kiện thích hợp)
Sau đó cho N2O5 tác dụng với NaOH:
N2O5 + 2NaOH → NaNO3 + NaNO2 + H2O (vẫn ra cả hai muối)

Có lẽ đề bài muốn chúng ta đi theo hướng tạo ra muối natri nitrat trước rồi mới chuyển sang muối natri nitrit.

Hãy xem xét lại bước 3. Từ NO2 ra NaNO3.
Cách phổ biến trong SGK là oxi hóa NO2 thành NO hoặc NO2 phản ứng với nước.
Nếu ta cho NO2 phản ứng với nước và một chất khử, ví dụ Hydro sunfua (H2S):
2NO2 + 2H2S → N2 + 2S + 4H2O (sản phẩm không có NaNO3)

Quay lại cách dùng NaOH. Nếu ta khống chế tỉ lệ để ưu tiên NaNO3, điều đó khó.

Chúng ta xem xét lại đề bài. Có thể cách hiểu về dãy chuyển hóa là theo các tính chất đã học.

Xem lại cách chuyển hóa từ NO2 sang NaNO3.
Nếu chúng ta cho NO2 phản ứng với H2O và O2 như đã trình bày ở trên:
4NO2 + 2H2O + O2 → 4HNO3
Sau đó, dùng NaOH để trung hòa:
HNO3 + NaOH → NaNO3 + H2O
Phản ứng này là hợp lý.

Cuối cùng, bước 4: Từ NaNO3 suy ra NaNO2.
Chúng ta đã đề cập đến phản ứng nhiệt phân có chất khử.
Xét phản ứng nhiệt phân NaNO3 trong môi trường có chất khử.
Ví dụ: Nung nóng NaNO3 với cacbon.
2NaNO3 + C → 2NaNO2 + CO2↑
(Phản ứng này có thể xảy ra ở nhiệt độ cao)

Giải thích:
Ở nhiệt độ cao, NaNO3 bị phân hủy. Cacbon (C) đóng vai trò là chất khử, nó khử Nitơ trong NaNO3 từ số oxi hóa +5 xuống +3 trong NaNO2. Đồng thời, cacbon bị oxi hóa thành CO2.

Như vậy, chúng ta đã hoàn thành dãy chuyển hóa:
1. N2O5 + H2O → 2HNO3
2. Cu + 4HNO3 (đặc) → Cu(NO3)2 + 2NO2↑ + 2H2O
3. 4NO2 + 2H2O + O2 → 4HNO3
HNO3 + NaOH → NaNO3 + H2O
4. 2NaNO3 + C → 2NaNO2 + CO2↑

Các em thấy đó, mỗi bước chuyển hóa đều dựa trên những tính chất hóa học cơ bản của các chất. Quan trọng là chúng ta phải nhớ và áp dụng đúng.

Chúc các em học tốt môn Hóa học!