NO2 + O2 + H2O → HNO3: cân bằng phương trình, hiện tượng và bài tập
Lớp 11Hóa học

NO2 + O2 + H2O → HNO3: cân bằng phương trình, hiện tượng và bài tập

Trả lời nhanh

Phương trình đã cân bằng là 4NO2 + O2 + 2H2O → 4HNO3. Trong phản ứng này nitơ trong NO2 tăng số oxi hóa từ +4 lên +5, còn oxi trong O2 giảm từ 0 xuống -2. Phản ứng xảy ra ngay ở nhiệt độ thường, là bước cuối trong quy trình sản xuất axit nitric và cũng là một nguyên nhân gây mưa axit.

Phương trình phản ứng và điều kiện

Khi sục khí NO2 vào nước có mặt oxi (hoặc không khí dư), ta thu được dung dịch axit nitric:

4NO2 + O2 + 2H2O → 4HNO3

  • Điều kiện: nhiệt độ thường, oxi phải có mặt đủ theo tỉ lệ mol NO2 : O2 = 4 : 1.
  • Chất tham gia: NO2 (khí màu nâu đỏ), O2, H2O.
  • Sản phẩm: HNO3 là axit mạnh, tan hoàn toàn trong nước.

Cân bằng bằng phương pháp thăng bằng electron

Làm theo từng bước để không bị nhầm hệ số:

  1. Xác định số oxi hóa thay đổi: N+4 → N+5 (nhường 1e) và O20 → 2O-2 (nhận 4e).
  2. Viết hai quá trình: N+4 → N+5 + 1e (nhân 4) và O2 + 4e → 2O-2 (nhân 1).
  3. Đặt hệ số 4 trước NO2 và HNO3, hệ số 1 trước O2.
  4. Cân bằng hiđro: 4 nguyên tử H ở vế phải nên cần 2H2O ở vế trái.
  5. Kiểm tra oxi: vế trái 4×2 + 2 + 2 = 12, vế phải 4×3 = 12. Phương trình đã cân bằng.

Vai trò: NO2 là chất khử, O2 là chất oxi hóa, H2O là môi trường (không thay đổi số oxi hóa).

Vì sao phải có O2? Hiểu bản chất để không học vẹt

Nếu chỉ cho NO2 tác dụng với nước, phản ứng là tự oxi hóa – khử: 3NO2 + H2O → 2HNO3 + NO. Một phần NO2 lên HNO3, một phần xuống NO nên không thu được hết axit.

Khi có O2, khí NO vừa sinh ra bị oxi hóa ngay trở lại: 2NO + O2 → 2NO2. Cộng gộp hai phản ứng (nhân đôi phản ứng đầu) ta có:

  • 6NO2 + 2H2O → 4HNO3 + 2NO
  • 2NO + O2 → 2NO2
  • Cộng lại và giản ước: 4NO2 + O2 + 2H2O → 4HNO3

Nhờ vậy, toàn bộ nitơ được chuyển hết thành HNO3, hiệu suất cao hơn nhiều so với khi không có oxi.

Hiện tượng nhận biết

  • Khí màu nâu đỏ của NO2 nhạt dần rồi mất màu khi bị hấp thụ hết.
  • Dung dịch thu được làm quỳ tím chuyển sang đỏ vì có axit HNO3.
  • Nếu thiếu oxi, ở miệng ống có thể thấy khí NO không màu hóa nâu đỏ khi gặp không khí.

Ứng dụng thực tế

Trong công nghiệp, axit nitric được điều chế theo ba giai đoạn: oxi hóa NH3 thành NO (xúc tác Pt, khoảng 850 – 900°C), oxi hóa NO thành NO2, rồi hấp thụ NO2 vào nước có oxi để tạo HNO3. Ngoài ra, NO2 từ khí thải giao thông và nhà máy gặp oxi và hơi nước trong khí quyển cũng tạo thành HNO3, góp phần làm mưa có tính axit.

Những lỗi sai thường gặp

  • Viết hệ số 2NO2 + O2 + H2O: sai vì thiếu cân bằng electron (O2 nhận 4e nhưng 2NO2 chỉ nhường 2e).
  • Nhầm với phản ứng 3NO2 + H2O → 2HNO3 + NO khi đề bài có sẵn oxi.
  • Quên rằng khi O2 dư thì khí còn lại sau phản ứng là O2, còn khi NO2 dư thì khí còn lại là NO.

Bài tập vận dụng có đáp án

Bài 1. Hấp thụ hoàn toàn 4,48 lít NO2 (đktc) vào nước có dư oxi. Tính khối lượng HNO3 và thể tích O2 (đktc) cần dùng.

Đáp án: n(NO2) = 0,2 mol nên n(HNO3) = 0,2 mol, m = 0,2 × 63 = 12,6 g. n(O2) = 0,2 : 4 = 0,05 mol nên V = 1,12 lít.

Bài 2. Dẫn hỗn hợp gồm 0,4 mol NO2 và 0,05 mol O2 vào nước dư. Tính khối lượng HNO3 thu được.

Đáp án: 0,05 mol O2 phản ứng hết với 0,2 mol NO2 tạo 0,2 mol HNO3. Còn 0,2 mol NO2 phản ứng theo 3NO2 + H2O → 2HNO3 + NO, tạo 0,2 × 2/3 ≈ 0,133 mol HNO3. Tổng ≈ 0,333 mol, tức m = 0,333 × 63 = 21 g.

Bài 3. Cho 8 ml NO2 và 3 ml O2 (cùng điều kiện) hấp thụ vào nước. Khí nào còn dư, bao nhiêu ml?

Đáp án: 8 ml NO2 cần 2 ml O2 nên O2 dư 1 ml.

Mẹo nhớ nhanh

Nhớ dãy hệ số “4 – 1 – 2 – 4”: bốn NO2, một O2, hai nước, bốn axit nitric. Khi giải bài hấp thụ, hãy so sánh tỉ lệ mol NO2 : O2 với 4 : 1 để biết chất nào dư trước khi tính toán.

Câu hỏi thường gặp

Phương trình NO2 + O2 + H2O cân bằng như thế nào?

Phương trình cân bằng là 4NO2 + O2 + 2H2O → 4HNO3. Hệ số có được nhờ thăng bằng electron: 4 nguyên tử N nhường tổng cộng 4e, một phân tử O2 nhận 4e.

Vì sao cần O2 khi cho NO2 vào nước?

Chỉ có nước thì NO2 tự oxi hóa - khử thành HNO3 và NO. Oxi chuyển NO ngược về NO2 để toàn bộ nitơ thành HNO3, nên hiệu suất tạo axit cao hơn.

Hiện tượng của phản ứng NO2 + O2 + H2O là gì?

Khí nâu đỏ NO2 nhạt dần rồi mất màu, dung dịch tạo thành là axit nên làm quỳ tím hóa đỏ.

Khi nào dùng 3NO2 + H2O → 2HNO3 + NO?

Dùng khi đề bài không có oxi hoặc khi NO2 dư so với tỉ lệ 4 : 1 với O2; phần NO2 dư tác dụng với nước theo phương trình này.

Bài học liên quan