Nitric acid (HNO₃) | Công thức, tính chất, điều chế và ứng dụng

Nitric acid (HNO₃), hay acid nitric, là một acid mạnh có tính oxi hóa mạnh và là hóa chất quan trọng trong chương trình Hóa 11 cũng như trong công nghiệp. Nitric acid được sử dụng trong sản xuất phân bón, thuốc nổ, thuốc nhuộm và nhiều hợp chất nitrate. Trong dung dịch, nitric acid điện li tạo ion H+ và NO3−​, qua đó thể hiện rõ tính acid.

Bên cạnh tính acid, tính chất hóa học của nitric acid còn nổi bật ở khả năng oxi hóa nhiều kim loại và chất khử. Trong công nghiệp, nitric acid được sản xuất chủ yếu từ ammonia qua các giai đoạn tạo NO, NO₂ rồi chuyển thành HNO₃. Bài viết sẽ làm rõ nitric acid là gì, công thức và cấu tạo nitric acid, tính chất vật lí, tính chất hóa học, quá trình sản xuất nitric acid trong công nghiệp và các ứng dụng quan trọng của HNO₃.

Nitric acid là gì?

Nitric acid (HNO₃), còn gọi là acid nitric, là một acid vô cơ mạnh và có tính oxi hóa mạnh.

Công thức hóa học của nitric acid là HNO₃.

Trong phân tử HNO₃, nguyên tử nitrogen liên kết với ba nguyên tử oxygen.

Đặc điểm cấu tạo của phân tử:

• Nguyên tử N có số oxi hoá +5, là số oxi hoá cao nhất của nitrogen, làm HNO₃ có khả năng nhận electron và thể hiện tính oxi hóa mạnh.

• Liên kết O-H phân cực mạnh về phía nguyên tử oxygen, làm HNO₃ có khả năng cho proton và thể hiện tính acid.

• Liên kết N → O là liên kết cho nhận[1].

Tính chất vật lý của nitric acid

Nitric acid (HNO₃) tinh khiết là chất lỏng không màu, có mùi xốc và bốc khói mạnh trong không khí ẩm.

Một số tính chất vật lí của HNO₃:

• Khối lượng riêng: khoảng 1,53 g/mL.

• Nhiệt độ nóng chảy: khoảng −42 °C.

• Nhiệt độ sôi: khoảng 83 °C[1].

• Tan vô hạn trong nước.

HNO₃ kém bền khi có ánh sáng, dễ bị phân hủy một phần, đặc biệt khi để lâu. Phản ứng phân hủy có thể biểu diễn:

4HNO₃ → 4NO₂ + O₂ + 2H₂O

Khi HNO₃ đặc bị phân hủy dưới tác dụng của ánh sáng, một phần HNO₃ tạo thành NO₂. NO₂ hòa tan trong chính dung dịch acid, làm dung dịch HNO₃ đặc xuất hiện màu vàng (vàng nhạt đến vàng đậm tùy lượng NO₂). Vì vậy, HNO₃ đặc thường được bảo quản trong chai tối màu để hạn chế sự phân hủy do ánh sáng.

Tính chất hóa học của nitric acid

Nitric acid có hai tính chất hóa học quan trọng: tính acid mạnh và tính oxi hóa mạnh.

Tính acid

Trong dung dịch, HNO₃ là acid mạnh và phân li gần như hoàn toàn:

HNO₃ → H⁺ + NO₃⁻

Do có khả năng cho proton, HNO₃ thể hiện tính acid mạnh và tác dụng với nhiều chất.

Trong dung dịch nitric acid có những phần tử nào?

Do nitric acid là acid mạnh nên HNO₃ điện li gần như hoàn toàn trong nước. Theo cách biểu diễn phổ thông, dung dịch gồm chủ yếu ion H⁺, ion NO₃⁻ và H₂O; xét chính xác trong dung dịch nước, proton tồn tại chủ yếu dưới dạng H₃O⁺.

\[\mathrm{HNO_3 + H_2O \rightarrow H_3O^+ + NO_3^-}\]

Làm quỳ tím chuyển đỏ

Khi nhúng quỳ tím vào dung dịch HNO₃, quỳ tím chuyển sang màu đỏ do môi trường có H+.

Tác dụng với basic oxide

HNO₃ phản ứng với basic oxide tạo muối nitrate và nước:

MgO + 2HNO₃ → Mg(NO₃)₂ + H₂O

Fe₂O₃ + 6HNO₃ → 2Fe(NO₃)₃ + 3H₂O

Tác dụng với base

Phản ứng trung hòa tạo muối nitrate và nước:

NaOH + HNO₃ → NaNO₃ + H₂O

Ca(OH)₂ + 2HNO₃ → Ca(NO₃)₂ + 2H₂O

Tác dụng với muối của acid yếu hơn

HNO₃ có thể tác dụng với các muối chứa gốc của acid yếu, thường tạo muối nitrate, đồng thời tạo muối nitrate và acid yếu; nếu acid tạo thành không bền, acid có thể phân hủy tạo khí và nước.

CaCO₃ + 2HNO₃ → Ca(NO₃)₂ + CO₂↑ + H₂O

Ở đây H₂CO₃ tạo thành không bền nên phân hủy thành CO₂ và H₂O, làm phản ứng xảy ra.

Tính oxi hóa

Trong HNO₃, nitrogen có số oxi hóa +5, là số oxi hóa cao nhất của nitrogen. Vì vậy, nitrogen có khả năng nhận electron, làm HNO₃ có tính oxi hóa mạnh.

Nitric acid có thể oxi hóa:

• Kim loại.

• Một số phi kim.

• Một số chất có tính khử.

Tác dụng với kim loại

HNO₃ có thể oxi hóa hầu hết kim loại, trừ một số kim loại rất kém hoạt động như Au và Pt; Al, Fe, Cr bị thụ động hóa trong HNO₃ đặc, nguội.

Ví dụ với Cu với HNO₃ đặc:

Cu + 4HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O

Khí NO₂ sinh ra có màu nâu đỏ.

Ví dụ với Cu với HNO₃ loãng:

3Cu + 8HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O

NO là khí không màu. Khi tiếp xúc với oxygen trong không khí, NO bị oxi hóa thành NO₂:

2NO + O₂ → 2NO₂

Vì vậy, khi cho Cu tác dụng với HNO₃ loãng, ban đầu có thể tạo khí NO không màu, sau đó khí chuyển thành màu nâu đỏ do tạo NO₂.

Lưu ý: HNO₃ thường không tạo khí H₂ khi tác dụng với kim loại như các acid thông thường. Thay vào đó, HNO₃ bị khử tạo ra các sản phẩm chứa nitrogen như NO₂, NO, N₂O, N₂ hoặc NH₄NO₃, tùy điều kiện phản ứng.

Tác dụng với phi kim

HNO₃ đặc có thể oxi hóa một số phi kim như S, C, P.

Ví dụ:

S + 6HNO₃ → H₂SO₄ + 6NO₂↑ + 2H₂O

Trong phản ứng:

• S có số oxi hóa thay đổi từ 0 lên +6 → S bị oxi hóa.

• N trong HNO₃ có số oxi hóa thay đổi từ +5 xuống +4 trong NO₂ → HNO₃ bị khử.

Điều này chứng minh HNO₃ có tính oxi hóa mạnh.

Tác dụng với các chất có tính khử

HNO₃ có thể oxi hóa nhiều chất có tính khử như FeO, H₂S, SO₂, muối Fe(II)...

Ví dụ:

3FeO + 10HNO₃ → 3Fe(NO₃)₃ + NO↑ + 5H₂O

Trong phản ứng này:

• Fe trong FeO: +2 → +3, nên FeO bị oxi hóa.

• N trong HNO₃: +5 → +2 trong NO, nên HNO₃ bị khử.

Hiện tượng thụ động hóa

Một tính chất đặc biệt của HNO₃ là khi cho Al, Fe hoặc Cr vào HNO₃ đặc, nguội, các kim loại này hầu như không phản ứng. Hiện tượng này gọi là thụ động hóa.

Khi Al, Fe hoặc Cr tiếp xúc với HNO₃ đặc, nguội, trên bề mặt kim loại nhanh chóng hình thành một lớp màng oxit rất mỏng, bền và kín.

Lớp màng này có tác dụng bảo vệ kim loại bên trong:

Kim loại → tạo màng oxit bảo vệ → ngăn HNO₃ tiếp xúc với kim loại → phản ứng bị cản trở.

Do đó, mặc dù HNO₃ đặc có tính oxi hóa mạnh, Al, Fe và Cr không tiếp tục bị hòa tan đáng kể trong HNO₃ đặc, nguội.

Phương pháp sản xuất nitric acid trong công nghiệp

Trong công nghiệp, nitric acid được sản xuất chủ yếu từ ammonia (NH₃) theo phương pháp Ostwald. Quá trình gồm ba giai đoạn chính:

Giai đoạn 1: Oxi hóa ammonia thành nitrogen monoxide

Ammonia được oxi hóa bằng oxygen trong không khí ở nhiệt độ cao, có xúc tác platinum–rhodium, tạo thành nitrogen monoxide (NO) và water.

4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O
Pt, 850–900 °C

Giai đoạn 2: Oxi hóa nitrogen monoxide thành nitrogen dioxide

Nitrogen monoxide tiếp tục được oxi hóa bởi oxygen trong không khí, tạo thành nitrogen dioxide (NO₂).

2NO + O₂ → 2NO₂

Giai đoạn 3: Hấp thụ nitrogen dioxide tạo thành nitric acid

Nitrogen dioxide được hấp thụ vào nước. Trong điều kiện có oxygen, phản ứng tạo thành nitric acid:

4NO₂ + O₂ + 2H₂O → 4HNO₃

Như vậy, quá trình sản xuất nitric acid trong công nghiệp có thể khái quát bằng sơ đồ:

NH₃ → NO → NO₂ → HNO₃

Trong đó, ammonia là nguyên liệu ban đầu, còn oxygen trong không khí tham gia vào các giai đoạn oxi hóa.

Ứng dụng của nitric acid

Nitric acid là một hóa chất quan trọng trong công nghiệp và phòng thí nghiệm.

Sản xuất phân bón

HNO₃ được dùng để sản xuất các loại phân bón chứa nitrogen, đặc biệt là ammonium nitrate (NH₄NO₃) và các muối nitrate.

NH₃ + HNO₃ → NH₄NO₃

Sản xuất thuốc nổ và hợp chất hữu cơ

HNO₃ được sử dụng trong các phản ứng nitro hóa để sản xuất một số hợp chất nitro dùng trong thuốc nổ, thuốc nhuộm và dược phẩm.

Luyện kim và xi mạ

Dùng để làm sạch, tẩy rửa và xử lý bề mặt kim loại nhờ tính acid mạnh và tính oxi hóa mạnh.

Phòng thí nghiệm

HNO₃ được dùng làm thuốc thử, điều chế muối nitrate và hỗ trợ phân tích hóa học.

Bài tập nitric acid lớp 11

Câu 1. Trong phân tử HNO₃, số oxi hóa của nitrogen là

A. +3.
B. +4.
C. +5.
D. −3.

Đáp án: C

Hướng dẫn giải:
Gọi số oxi hóa của nitrogen là x. Trong HNO₃:

\((+1)+x+3(-2)=0\)

⇒ \(x=+5\)

Vậy nitrogen có số oxi hóa +5.

Câu 2. Phản ứng nào sau đây thể hiện tính acid của HNO₃?

A. Cu + 4HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O.
B. C + 4HNO₃ → CO₂ + 4NO₂ + 2H₂O.
C. CaCO₃ + 2HNO₃ → Ca(NO₃)₂ + CO₂ + H₂O.
D. 3Cu + 8HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O.

Đáp án: C

Hướng dẫn giải:
Trong phản ứng với CaCO₃, HNO₃ cho proton H⁺ để tạo CO₂ và H₂O. Đây là phản ứng thể hiện tính acid của HNO₃.

Câu 3. Kim loại nào sau đây bị thụ động hóa trong HNO₃ đặc, nguội?

A. Cu.
B. Ag.
C. Fe.
D. Zn.

Đáp án: C

Hướng dẫn giải:
Fe, Al và Cr bị thụ động hóa trong HNO₃ đặc, nguội do trên bề mặt kim loại hình thành lớp màng bảo vệ, làm giảm khả năng tiếp xúc giữa kim loại và acid.

Câu 4. Khi cho Cu tác dụng với HNO₃ đặc, sản phẩm khí thu được là

A. NO.
B. NO₂.
C. N₂.
D. NH₃.

Đáp án: B

Hướng dẫn giải:

Cu + 4HNO₃(đặc) → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O

Nitrogen trong HNO₃ có số oxi hóa +5 bị khử xuống +4 trong NO₂. Vì vậy, khí tạo thành là NO₂, có màu nâu đỏ.

Câu 5. Trong công nghiệp, HNO₃ được sản xuất từ ammonia theo sơ đồ:

NH₃ → NO → NO₂ → HNO₃

Phản ứng chuyển NO thành NO₂ là

A. 2NO + O₂ → 2NO₂.
B. 4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O.
C. 4NO₂ + O₂ + 2H₂O → 4HNO₃.
D. 2NO₂ + H₂O → HNO₃ + HNO₂.

Đáp án: A

Hướng dẫn giải:
Ở giai đoạn thứ hai, nitrogen monoxide (NO) được oxi hóa bởi oxygen trong không khí:

2NO + O₂ → 2NO₂.

Câu 6. Cho 6,4 g Cu tác dụng hoàn toàn với dung dịch HNO₃ đặc, dư.

a) Viết phương trình hóa học của phản ứng.
b) Tính thể tích khí NO₂ thu được ở điều kiện chuẩn (25 °C, 1 bar).

Hướng dẫn giải:

a) Phương trình hóa học:

Cu + 4HNO₃(đặc) → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O

b) Số mol Cu:

nCu = 6,4/64 = 0,1 mol

Theo phương trình:

nNO₂ = 2nCu = 0,2 mol

Ở 25 °C và 1 bar, thể tích mol khí gần 24,79 L/mol.

VNO₂ = 0,20 × 24,79 = 4,958 L

Vậy thể tích khí NO₂ thu được khoảng 4,96 L.

Câu 7. Cho 5,6 g Fe tác dụng với dung dịch HNO₃ loãng, vừa đủ. Sau phản ứng thu được khí NO là sản phẩm khử duy nhất của nitrogen.

a) Viết phương trình hóa học của phản ứng.
b) Tính số mol HNO₃ đã phản ứng.
c) Tính thể tích khí NO thu được ở điều kiện chuẩn (25 °C, 1 bar).

Hướng dẫn giải:

a) Phương trình hóa học:

Fe + 4HNO₃ → Fe(NO₃)₃ + NO + 2H₂O

b) Số mol Fe:

nFe = 5,6/56 = 0,1 mol

Theo phương trình:

nHNO₃ = 4nFe = 0,4 mol

c) Theo phương trình:

nNO = nFe = 0,1 mol

Thể tích khí NO:

VNO = 0,1 × 24,79 = 2,479 L

Vậy:

• n(HNO₃) = 0,4 mol.

• V(NO) ≈ 2,48 L.

HNO₃ là một acid mạnh, có tính oxi hóa mạnh do nitrogen trong phân tử có số oxi hóa +5. HNO₃ có các tính chất đặc trưng của acid và có khả năng oxi hóa nhiều kim loại, phi kim và chất có tính khử.

Trong công nghiệp, HNO₃ được sản xuất từ ammonia theo phương pháp Ostwald qua các giai đoạn: NH₃ → NO → NO₂ → HNO₃. Trong phòng thí nghiệm, HNO₃ có thể được điều chế từ nitrate và sulfuric acid đặc.

Nitric acid có nhiều ứng dụng quan trọng như sản xuất phân bón chứa nitrogen, thuốc nổ và nhiều hóa chất khác; đồng thời được sử dụng trong xử lí mẫu quặng. Khi giải bài tập, cần chú ý tính acid, tính oxi hóa và ảnh hưởng của nồng độ HNO₃ đến sản phẩm phản ứng.

Để tìm hiểu thêm các kiến thức liên quan và củng cố nội dung Hóa học 11, người học có thể tham khảo chuyên mục bài giảng Hóa học 11 tại ZIM Academy.