Câu hỏi: Hoàn thành và cân bằng phương trình hóa học sau: NO₂ + O₂ + H₂O → HNO₃
Đáp án đúng là 4NO₂ + O₂ + 2H₂O → 4HNO₃. Đây là phương trình tổng hợp axit nitric từ nitơ đioxit trong điều kiện dư oxi; hệ số 4 – 1 – 2 – 4 là bộ hệ số nguyên tối giản duy nhất thỏa mãn đồng thời bảo toàn nguyên tố N, O, H và bảo toàn electron.
Cân bằng phương trình NO₂ + O₂ + H₂O → HNO₃ theo từng bước
Phản ứng giữa khí nitơ đioxit, khí oxi và nước cho axit nitric được cân bằng bằng cách đếm nguyên tử từng nguyên tố, sau đó kiểm tra lại bằng bảo toàn electron.
- Đếm nguyên tử ở hai vế với hệ số chưa biết: gọi hệ số lần lượt là a, b, c, d cho NO₂, O₂, H₂O, HNO₃.
- Bảo toàn N: a = d (mỗi phân tử NO₂ có 1 N, mỗi phân tử HNO₃ có 1 N).
- Bảo toàn H: 2c = d (H₂O có 2 H, HNO₃ có 1 H).
- Bảo toàn O: 2a + 2b + c = 3d.
- Chọn d = 4 để các hệ số đều nguyên: khi đó a = 4, c = 2, thay vào phương trình O ta được 8 + 2b + 2 = 12, suy ra b = 1.
- Kiểm tra: vế trái có 4 N, 8 + 2 + 2 = 12 O, 4 H; vế phải có 4 N, 12 O, 4 H. Cân bằng nguyên tố hoàn toàn.
Kiểm tra thêm bằng số oxi hóa: N trong NO₂ là +4, trong HNO₃ là +5, mỗi nguyên tử N nhường 1 electron, tổng 4 electron; O trong O₂ có số oxi hóa 0, trong HNO₃ là −2, một phân tử O₂ nhận 4 electron. Số electron nhường bằng số electron nhận, nên hệ số trên cũng đúng theo bảo toàn electron.
Vì sao phương trình phải có mặt O₂?
Nếu chỉ cho NO₂ tác dụng với nước, sản phẩm không phải chỉ có HNO₃ mà còn sinh ra NO: 3NO₂ + H₂O → 2HNO₃ + NO. Đó là phản ứng trong đó N vừa bị oxi hóa lên +5 vừa bị khử xuống +2, tức NO₂ tự oxi hóa – tự khử.
Khi có oxi dư, lượng NO sinh ra bị oxi hóa tiếp: 2NO + O₂ → 2NO₂, rồi NO₂ lại tiếp tục vào nước. Cộng gộp nhiều vòng như vậy và triệt tiêu NO trung gian sẽ thu được phương trình tổng 4NO₂ + O₂ + 2H₂O → 4HNO₃. Vì thế trong công nghiệp, người ta luôn cấp dư không khí/oxi ở tháp hấp thụ để chuyển gần như toàn bộ NO₂ thành HNO₃ và hạn chế thất thoát NO.
Một điểm dễ nhầm: hệ số 4 – 1 – 2 – 4 không phải hệ số duy nhất “đọc ra được” từ phản ứng thực tế, mà là bộ hệ số nguyên tối giản. Nếu nhân đôi thành 8NO₂ + 2O₂ + 4H₂O → 8HNO₃ thì phương trình vẫn đúng về tỉ lệ nhưng không còn tối giản, và trong hóa học người ta quy ước dùng bộ tối giản.
Hệ thống kiến thức liên quan
Phương trình trên là mắt xích cuối của quy trình Ostwald – quy trình công nghiệp chính để sản xuất axit nitric từ amoniac.
- Oxi hóa amoniac: 4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O (xúc tác Pt, nhiệt độ cao).
- Oxi hóa NO thành NO₂: 2NO + O₂ → 2NO₂, xảy ra ngoài không khí ở nhiệt độ thường; NO không màu hóa nâu đỏ thành NO₂.
- Hấp thụ vào nước có oxi dư: 4NO₂ + O₂ + 2H₂O → 4HNO₃.
Về chất tham gia và sản phẩm: NO₂ là khí màu nâu đỏ, mùi hắc, độc, tan trong nước; O₂ là khí không màu, đóng vai trò chất oxi hóa; H₂O là dung môi hấp thụ; HNO₃ là axit mạnh, có tính oxi hóa mạnh và là thành phần chính của mưa axit khi NO₂ thoát ra môi trường. Ký hiệu “HNO” trong đề bài chính là cách viết tắt/thiếu chỉ số của axit nitric HNO₃ – cần đọc đúng công thức theo hóa trị: H(I), N(V), O(II) cho HNO₃.
Mẹo ghi nhớ và cách nhận diện dạng bài
Nhớ bộ số 4 – 1 – 2 – 4 theo câu “bốn NO₂, một O₂, hai H₂O, bốn HNO₃”. Cách kiểm tra nhanh: nhìn số nguyên tử H, vì H chỉ có ở H₂O và HNO₃ nên hệ số H₂O luôn bằng một nửa hệ số HNO₃ – đây là mắt xích dễ suy ra nhất.
Khi gặp dạng bài “NO₂ + O₂ + H₂O → HNO₃”, dấu hiệu nhận biết là có cả O₂ đứng riêng bên trái, tức phản ứng oxi hóa hoàn toàn NO₂, khác hẳn dạng chỉ có “NO₂ + H₂O” (sinh NO). Nếu đề cho NO₂ mà không cho O₂, đừng vội viết 4 – 1 – 2 – 4; hãy kiểm tra lại chất tham gia trước khi cân bằng.
