Công thức cấu tạo của HNO3 theo chương trình mới đầy đủ nhất
Lớp 11Hóa học

Công thức cấu tạo của HNO3 theo chương trình mới đầy đủ nhất

Trả lời nhanh

Công thức cấu tạo của HNO3 là H–O–NO2: nguyên tử N liên kết đơn với nhóm –OH, liên kết đôi với một nguyên tử O và liên kết cho – nhận (N→O) với nguyên tử O còn lại. Trong phân tử, nitrogen có số oxi hóa +5 (cao nhất) và hóa trị IV, vì vậy HNO3 vừa là acid mạnh vừa là chất oxi hóa mạnh.

Công thức phân tử và công thức cấu tạo của HNO3

Nitric acid có công thức phân tử HNO3, khối lượng mol M = 1 + 14 + 3·16 = 63 g/mol. Thành phần phần trăm khối lượng: %H ≈ 1,59%; %N ≈ 22,22%; %O ≈ 76,19%.

Khi viết công thức cấu tạo, em cần nhớ ba ý:

  • Nguyên tử H không gắn trực tiếp với N mà gắn với một nguyên tử O, tạo nhóm –OH. Đây là nguyên tử H phân li ra H+ khi acid tan trong nước.
  • Nguyên tử N là nguyên tử trung tâm, liên kết với cả ba nguyên tử O.
  • Giữa N và hai nguyên tử O còn lại có một liên kết đôi N=O và một liên kết cho – nhận N→O (cặp electron chung do N đóng góp).
Công thức cấu tạo phân tử HNO3: H liên kết với O, O liên kết với N, N có liên kết đôi với một O và liên kết cho – nhận với O còn lại
Hình 1. Công thức cấu tạo của nitric acid HNO3 với liên kết đôi N=O và liên kết cho – nhận N→O.

Công thức thu gọn thường viết là HO–NO2 hoặc HONO2. Trong chương trình mới, sách giáo khoa còn hay biểu diễn liên kết cho – nhận theo cách dùng điện tích hình thức: nguyên tử N mang điện tích +, một nguyên tử O liên kết đơn mang điện tích –. Hai cách viết này mô tả cùng một phân tử.

Vì sao N có hóa trị IV nhưng số oxi hóa +5?

Đây là điểm học sinh dễ nhầm nhất. Hóa trị trong hợp chất cộng hóa trị bằng số liên kết mà nguyên tử tạo ra: N có 1 liên kết với O của nhóm OH, 2 liên kết (liên kết đôi) với một O và 1 liên kết cho – nhận với O còn lại, tổng cộng 4 liên kết, nên hóa trị là IV. Nguyên tử N chỉ có 2 lớp electron, không có phân lớp d, nên không thể tạo 5 liên kết cộng hóa trị.

Số oxi hóa lại tính theo quy tắc đại số: với H là +1, O là –2 và phân tử trung hòa, ta có (+1) + x + 3·(–2) = 0, suy ra x = +5. Vì vậy câu trả lời chuẩn là: trong HNO3, nitrogen có hóa trị IV và số oxi hóa +5.

Hình dạng phân tử

Ba nguyên tử O bao quanh N nằm gần như trên một mặt phẳng, góc liên kết xấp xỉ 120°. Do hiện tượng cộng hưởng, hai liên kết giữa N và hai nguyên tử O không gắn H có độ dài gần bằng nhau, ngắn hơn liên kết N–OH. Kiến thức này giúp em hiểu vì sao ion nitrate NO3– rất bền và có dạng tam giác phẳng đều.

Các bước viết công thức cấu tạo HNO3

  1. Xác định nguyên tử trung tâm: N (nguyên tố có độ âm điện nhỏ hơn O, ít nguyên tử nhất ngoài H).
  2. Gắn H vào O để tạo nhóm –OH, rồi nối O đó với N bằng liên kết đơn.
  3. N còn 4 electron hóa trị chưa dùng (cấu hình 2s22p3, đã dùng 1 electron cho liên kết N–O). N dùng 2 electron độc thân tạo liên kết đôi với một nguyên tử O.
  4. Cặp electron tự do còn lại của N được dùng để tạo liên kết cho – nhận với nguyên tử O thứ ba.
  5. Kiểm tra: mỗi nguyên tử O và N đều đạt bát tử (8 electron lớp ngoài), H đạt 2 electron.

Nếu đếm electron hóa trị: 1 (H) + 5 (N) + 3·6 (O) = 24 electron, tức 12 cặp. Các liên kết O–H, O–N, N=O (2 cặp) và N→O dùng tất cả 5 cặp; 7 cặp còn lại là cặp electron tự do trên ba nguyên tử O (2 + 2 + 3). Tổng 5 + 7 = 12 cặp, khớp với số electron.

Tính chất vật lí của nitric acid

  • Chất lỏng không màu, bốc khói mạnh trong không khí ẩm; khối lượng riêng khoảng 1,51 g/cm3; sôi ở khoảng 83 °C.
  • Tan vô hạn trong nước. Dung dịch đặc thương mại thường có nồng độ khoảng 65–68%.
  • Kém bền: khi có ánh sáng hoặc đun nóng, một phần bị phân hủy: 4HNO3 → 4NO2 + O2 + 2H2O. Khí NO2 màu nâu đỏ tan lại vào dung dịch làm acid ngả màu vàng, vì vậy HNO3 được đựng trong chai màu sẫm, để nơi thoáng mát.

Tính chất hóa học suy ra từ công thức cấu tạo

Tính acid mạnh

Liên kết O–H trong nhóm –OH bị phân cực mạnh do ảnh hưởng hút electron của nhóm NO2, nên trong nước HNO3 phân li hoàn toàn: HNO3 → H+ + NO3–. Nitric acid làm quỳ tím hóa đỏ, tác dụng với base, basic oxide và muối của acid yếu hơn:

  • CuO + 2HNO3 → Cu(NO3)2 + H2O
  • CaCO3 + 2HNO3 → Ca(NO3)2 + CO2 + H2O

Tính oxi hóa mạnh

Vì N đang ở mức oxi hóa cao nhất +5, nó chỉ có thể nhận electron để xuống các mức thấp hơn: +4 (NO2), +2 (NO), +1 (N2O), 0 (N2) hoặc –3 (NH4NO3). Sản phẩm khử cụ thể phụ thuộc vào nồng độ acid và độ mạnh của chất khử.

Phản ứng Sản phẩm khử Ghi chú
Cu + 4HNO3 (đặc) → Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O NO2 (N +4) Khí nâu đỏ bay ra
3Cu + 8HNO3 (loãng) → 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O NO (N +2) NO không màu, hóa nâu trong không khí
Al + 4HNO3 (loãng) → Al(NO3)3 + NO + 2H2O NO Kim loại mạnh có thể cho N2O, N2, NH4NO3
C + 4HNO3 (đặc) → CO2 + 4NO2 + 2H2O NO2 Oxi hóa phi kim khi đun nóng
S + 6HNO3 (đặc) → H2SO4 + 6NO2 + 2H2O NO2 S bị oxi hóa lên +6

Lưu ý quan trọng: Fe, Al, Cr bị thụ động hóa trong HNO3 đặc, nguội (tạo lớp oxide bền trên bề mặt), nên người ta dùng bình bằng nhôm hoặc thép để chuyên chở acid đặc. Nitric acid không giải phóng H2 khi tác dụng với kim loại, vì ion NO3– trong môi trường acid oxi hóa mạnh hơn H+.

Điều chế và ứng dụng

Trong công nghiệp, HNO3 được sản xuất từ ammonia theo ba giai đoạn (phương pháp Ostwald):

  1. 4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O (xúc tác Pt–Rh, khoảng 850–900 °C)
  2. 2NO + O2 → 2NO2
  3. 4NO2 + O2 + 2H2O → 4HNO3

Trong phòng thí nghiệm, có thể đun nhẹ muối nitrate rắn với H2SO4 đặc: NaNO3 + H2SO4 → NaHSO4 + HNO3, hơi HNO3 thoát ra được ngưng tụ lại.

Ứng dụng chính: sản xuất phân đạm (NH4NO3, các loại phân nitrate), thuốc nổ (TNT, nitroglycerin), phẩm nhuộm, dược phẩm và dùng để tẩy rửa, khắc kim loại. Khi làm thí nghiệm với HNO3, em phải đeo kính, găng tay và làm trong tủ hút vì acid gây bỏng da và khí NO2 rất độc.

Bài tập vận dụng có lời giải

Bài 1. Trong phân tử HNO3, số liên kết cộng hóa trị mà nguyên tử N tạo ra và số oxi hóa của N lần lượt là bao nhiêu?

Đáp án: 4 liên kết (hóa trị IV) và số oxi hóa +5.

Bài 2. Hòa tan hết 6,4 g Cu trong dung dịch HNO3 loãng, dư. Tính thể tích khí NO (sản phẩm khử duy nhất) ở điều kiện chuẩn (25 °C, 1 bar).

Lời giải: nCu = 6,4 : 64 = 0,1 mol. Theo phương trình 3Cu → 2NO nên nNO = 0,1 · 2/3 ≈ 0,0667 mol. V = 0,0667 · 24,79 ≈ 1,65 lít.

Bài 3. Cho 3,2 g Cu tác dụng hết với HNO3 đặc, nóng. Tính thể tích NO2 thu được ở điều kiện chuẩn.

Lời giải: nCu = 0,05 mol. Bảo toàn electron: Cu nhường 2e, N+5 nhận 1e thành NO2, nên nNO2 = 2 · 0,05 = 0,1 mol, V = 0,1 · 24,79 = 2,479 lít.

Bài 4. Hòa tan 5,6 g Fe trong HNO3 loãng, dư thu được khí NO duy nhất. Tính số mol NO.

Lời giải: nFe = 0,1 mol; Fe → Fe3+ nhường 3e, tổng 0,3 mol e. N+5 → N+2 nhận 3e nên nNO = 0,3 : 3 = 0,1 mol.

Bài 5. Vì sao không dùng bình sắt để đựng dung dịch HNO3 loãng, nhưng lại có thể dùng để chở HNO3 đặc, nguội?

Đáp án: HNO3 loãng hòa tan được Fe (Fe + 4HNO3 → Fe(NO3)3 + NO + 2H2O), còn HNO3 đặc, nguội làm Fe thụ động nên không ăn mòn bình.

Những lỗi thường gặp khi viết công thức HNO3

  • Gắn H trực tiếp vào N (viết H–N…): sai, vì H nằm trong nhóm –OH.
  • Vẽ N tạo 5 liên kết (hai liên kết đôi N=O): sai quy tắc bát tử, N không thể có hóa trị V.
  • Nhầm hóa trị với số oxi hóa: hóa trị là IV, số oxi hóa là +5.
  • Quên mũi tên chỉ chiều liên kết cho – nhận: mũi tên đi từ N (nguyên tử cho cặp electron) đến O (nguyên tử nhận).

Câu hỏi thường gặp

Trong HNO3, nitrogen có hóa trị mấy?

Nitrogen có hóa trị IV vì tạo 4 liên kết cộng hóa trị (1 liên kết đơn với nhóm OH, 1 liên kết đôi với O và 1 liên kết cho – nhận với O còn lại), còn số oxi hóa của nó là +5.

Phân tử HNO3 có mấy liên kết cho – nhận?

Có 1 liên kết cho – nhận, đi từ nguyên tử N sang một nguyên tử O. Các liên kết còn lại là liên kết cộng hóa trị thông thường.

Vì sao HNO3 có tính oxi hóa mạnh?

Vì N trong HNO3 có số oxi hóa +5, mức cao nhất của nitrogen, nên chỉ có thể nhận electron để chuyển về các mức +4, +2, +1, 0 hoặc –3.

Công thức cấu tạo ion nitrate NO3- có dạng gì?

Ion NO3- có dạng tam giác phẳng, N ở tâm, ba nguyên tử O ở ba đỉnh; do cộng hưởng nên ba liên kết N–O có độ dài bằng nhau.

HNO3 đặc có tác dụng với Fe và Al không?

HNO3 đặc, nguội làm Fe, Al và Cr bị thụ động nên không phản ứng; khi đun nóng hoặc với acid loãng thì các kim loại này bị hòa tan.

Bài học liên quan