Viết các phương trình hoá học thể hiện chuyển hoá muối natri nitrat thành muối kali nitrat, biết có đầy đủ hoá chất để sử dụng cho quá trình chuyển hoá đó.

A. AXIT NITRIC

I. Cấu tạo phân tử

- Công thức cấu tạo của HN$O_3$:

Chú ý: Mũi tên trong công thức cấu tạo trên cho biết cặp electron liên kết chỉ do nguyên tử N cung cấp.

- Trong hợp chất HN$O_3$, nitơ có số oxi hóa cao nhất là +5.

II. Tính chất vật lý

- Axit nitric tinh khiết là chất lỏng không màu, bốc khói mạnh trong không khí ẩm.

- Axit nitric không bền, khi có ánh sáng phân hủy một phần sinh ra khí N$O_2$. Khí này tan trong dung dịch axit, làm cho dung dịch có màu vàng.

4HN$O_3$ $\stackrel{as}{\to }$  4N$O_2$↑ + $O_2$↑ + 2$H_2$O

- Axit nitric tan vô hạn trong nước. Trong phòng thí nghiệm thường có loại HN$O_3$ đặc nồng độ 68%, D = 1,4 g/cm^3.

III. Tính chất hóa học

1. Tính axit

- Axit nitric là một trong số các axit mạnh nhất, trong dung dịch phân li hoàn toàn:

    $HN{O}_3 \to H^{+} +N{O}_3^{-}$    

- Dung dịch axit HN$O_3$ có đầy đủ tính chất của một dung dịch axit: làm đỏ quỳ tím, tác dụng với oxit bazơ, bazơ, muối của axit yếu hơn.

Thí dụ:

2. Tính oxi hóa

- HN$O_3$ có tính oxi hóa mạnh.

- Kim loại hay phi kim khi gặp axit HN$O_3$ đều bị oxi hóa lên trạng thái có mức oxi hóa cao nhất.

a) Tác dụng với kim loại

- HN$O_3$ oxi hóa hầu hết các kim loại trừ vàng (Au) và platin (Pt).

  * Với những kim loại có tính khử yếu: Cu, Ag, ...

 * Khi tác dụng với những kim loại có tính khử mạnh hơn: Mg, Zn, Al, ... thì HN$O_3$ loãng có thể bị khử đến $N_2$O, $N_2$ hoặc N$H_4$N$O_3$.

   * Lưu ý: Fe, Al, Cr bị thụ động hóa trong dung dịch HN$O_3$ đặc, nguội.

b) Tác dụng với phi kim

- Khi đun nóng, HN$O_3$ đặc có thể tác dụng với phi kim: C, P, S, …(trừ $N_2$ và halogen).

Thí dụ:

S + 6HN$O_3$ (đ) → $H_2$S$O_4$ + 6N$O_2$↑ + 2$H_2$O

c) Tác dụng với hợp chất

- $H_2$S, HI, S$O_2$, FeO, muối sắt (II), … có thể tác dụng với HN$O_3$. 

Thí dụ:

- Nhiều hợp chất hữu cơ như giấy, vải, dầu thông, … bốc cháy khi tiếp xúc với HN$O_3$ đặc.

IV. Ứng dụng

- Phần lớn sử dụng để điều chế phân đạm N$H_4$N$O_3$, …

- Ngoài ra, sử dụng sản xuất thuốc nổ, thuốc nhuộm, dược phẩm, …

V. Điều chế

1. Trong phòng thí nghiệm

    Axit HN$O_3$ được điều chế bằng cách cho natri nitrat hoặc kali nitrat rắn tác dụng với axit $H_2$S$O_4$ đặc, nóng:

NaN$O_3$ (rắn)  + $H_2$S$O_4$ (đặc) $\stackrel{t^o}{\to }$ HN$O_3$ + NaHS$O_4$

Hình 1: Điều chế axit nitric trong phòng thí nghiệm

2. Trong công nghiệp

- Được điều chế từ N$H_3$ qua ba giai đoạn:

N$H_3$ $\stackrel{\left(1\right)}{\to }$  NO $\stackrel{\left(2\right)}{\to }$ N$O_2$  $\stackrel{\left(3\right)}{\to }$ HN$O_3$.

a) Oxi hóa khí amoniac bằng oxi không khí

         4N$H_3$ + 5$O_2$ $\underset{Pt}{\overset{850-900{}^{o}C}{\to }}$ 4NO + 6$H_2$O;      $\Delta H<0$

b) Oxi hóa NO thành N$O_2$ bằng oxi không khí ở điều kiện thường

2NO + $O_2$ → 2N$O_2$

c) Chuyển hóa N$O_2$ thành HN$O_3$

4N$O_2$ + 2$H_2$O + $O_2$ → 4HN$O_3$

Dung dịch HN$O_3$ thu được thường có nồng độ 52 – 68%. Để có HN$O_3$ có nồng độ cao hơn 68% người ta thường chưng cất axit này với HN$O_3$ đậm đặc.

B. MUỐI NITRAT

- Muối của axit nitric được gọi là nitrat.

Thí dụ: natri nitrat NaN$O_3$, bạc nitrat AgN$O_3$,…

I. Tính chất vật lý

- Tất cả các muối nitrat đều dễ tan trong nước, là chất điện li mạnh trong dung dịch phân li hoàn toàn thành các ion.

Thí dụ:

Ca(N$O_3$)2 → Ca2+ + 2$N{O}_3^{-}$

- Ion $N{O}_3^{-}$ không màu, màu của 1 số muối nitrat là do màu của cation kim loại.

II. Tính chất hóa học

1. Nhiệt phân muối nitrat

a) Muối nitrat của các kim loại hoạt động mạnh (kali, natri,…)

         Muối nitrat  $\stackrel{t^o}{\to }$Muối nitrit + $O_2$↑

Thí dụ:

         2NaN$O_3$$\stackrel{t^o}{\to }$  2NaN$O_2$ + $O_2$↑

b) Muối nitrat của Mg, Zn, Fe, Pb, Cu,…

         Muối nitrat $\stackrel{t^o}{\to }$ Oxit kim loại + N$O_2$↑ + $O_2$↑

Thí dụ:

c) Muối nitrat của những kim loại Ag, Au, Hg,…

         Muối nitrat $\stackrel{t^o}{\to }$ Kim loại + N$O_2$↑ + $O_2$↑

Thí dụ:

         2AgN$O_3$ $\stackrel{t^o}{\to }$ 2Ag + 2N$O_2$↑ + $O_2$↑

2. Nhận biết ion nitrat

- Trong môi trường trung tính $N{O}_3^{-}$ không có tính oxi hóa.

- Trong môi trường axit, ion $N{O}_3^{-}$ thể hiện tính oxi hóa giống như HN$O_3$.

⇒ Thuốc thử dùng để nhận biết ion $N{O}_3^{-}$ là một ít vụn đồng và dung dịch $H_2$S$O_4$ loãng, đun nóng.

Hiện tượng: dung dịch có màu xanh, khí không màu hóa nâu đỏ trong không khí.

3Cu + 8H+ + 2$N{O}_3^{-}$  → 3C$u_2$+ + 2NO↑ + 4$H_2$O

2NO + $O_2$ (không khí) → 2N$O_2$ (màu nâu đỏ)

III. Ứng dụng

- Các muối nitrat được sử dụng chủ yếu làm phân bón hóa học (phân đạm) trong nông nghiệp như N$H_4$N$O_3$, NaN$O_3$, KN$O_3$, Ca(N$O_3$)2.

Hình 2: Một số loại phân đạm

- KN$O_3$ còn được sử dụng để chế thuốc nổ đen (thuốc nổ khói). Thuốc nổ đen chứa 75% KN$O_3$, 10%S và 15% C.

C. Chu trình của nitơ trong tự nhiên

    Nguyên tố nitơ rất cần cho sự sống trên Trái Đất. Trong tự nhiên, luôn luôn diễn ra các quá trình chuyển hóa nitơ từ dạng này sang dạng khác theo một chu trình tuần hoàn khép kín.

Hình 3: Chu trình của nitơ trong tự nhiên