Cân bằng phản ứng hóa học Zn + HNO3 → Zn(NO3)2 + N2 + H2O

1. Các đặc điểm vật lý và hóa học của Kẽm (Zn) là gì?

Kẽm (Zn) là nguyên tố hóa học với số nguyên tử 30 trong bảng tuần hoàn, sở hữu các đặc điểm vật lý và hóa học như sau:

Các đặc điểm vật lý của Kẽm (Zn):

• Tính chất kim loại: Kẽm là một kim loại màu bạc sáng và có bề mặt bóng loáng khi mới cắt hoặc mài. Nó có cấu trúc tinh thể hình lục giác gần giống với lưới hcp (hexagonal close-packed).
• Tính chất dẫn điện và nhiệt: Kẽm dẫn điện và nhiệt rất tốt, làm cho nó hữu ích trong công nghiệp điện tử và điện học.
• Điểm nóng chảy: Kẽm nóng chảy ở khoảng 419.5 °C (787.1 °F), thuộc nhóm kim loại có điểm nóng chảy thấp.
• Điểm sôi: Kẽm sôi ở khoảng 907 °C (1665 °F).
• Khối lượng riêng: Kẽm có khối lượng riêng xấp xỉ 7.14 g/cm³.
• Kẽm có thể kết hợp với các kim loại khác để tạo thành các hợp kim như đồng-niken-kẽm (mạ bạc), kẽm-aluminium, và các hợp kim chống gỉ khác.

Tính chất hóa học của Kẽm (Zn):

• Độ phản ứng: Kẽm là kim loại khá phản ứng hóa học, có thể phản ứng với acid để sinh ra khí hiđro (H2) và hòa tan trong dung dịch acid để tạo thành các hợp chất kẽm.
• Khả năng bảo vệ: Kẽm có khả năng bảo vệ các kim loại khác khỏi sự oxi hóa thông qua hiện tượng 'bảo vệ hy sinh' trong môi trường ăn mòn. Nó tạo lớp oxide bảo vệ bản thân và thường được dùng để mạ thép.
• Hợp chất kẽm: Kẽm tạo nhiều hợp chất với các phi kim và kim loại khác, như kẽm oxit (ZnO), kẽm sulfide (ZnS), và các hợp chất hữu cơ chứa kẽm.
• Sự phân giải: Kẽm có thể phân giải trong dung dịch axit và tạo thành các hợp chất kẽm trong nước.
• Ứng dụng: Kẽm được sử dụng trong chế tạo pin, sản xuất hợp kim, ống dẫn nước, và làm lớp chống gỉ cho thép. Nó cũng có mặt trong phân bón nông nghiệp.

2. Tính chất hóa học của HNO3

Axit nitric (HNO3) là một axit mạnh với nhiều tính chất hóa học quan trọng. Dưới đây là các tính chất hóa học chính của HNO3:

• Tính chất axit mạnh: HNO3 là một axit mạnh, có khả năng phân li các hợp chất kiềm và kim loại hiệu quả. Nó tạo ra các ion hiđroni (H+) khi hòa tan trong dung dịch.
• Tính ăn mòn: HNO3 có khả năng ăn mòn và oxi hóa nhiều vật liệu, bao gồm cả kim loại và hợp chất hữu cơ. Axit này thường được dùng để sản xuất các hợp chất nitrat từ kim loại, ví dụ như sắt nitrat (Fe(NO3)3).
• Sự phân hủy: HNO3 có thể phân hủy dưới ánh sáng và nhiệt, tạo ra các sản phẩm nitro và nitronitrat.
• Tác dụng với kim loại: HNO3 phản ứng với nhiều kim loại để tạo thành các hợp chất nitrat. Ví dụ, sắt khi phản ứng với HNO3 sẽ tạo ra sắt nitrat (Fe(NO3)3).
• Tạo hợp chất nitrat: HNO3 thường được dùng để sản xuất các hợp chất nitrat như amon nitrat (NH4NO3), kali nitrat (KNO3), và natri nitrat (NaNO3). Những hợp chất này được sử dụng trong ngành phân bón và chất nổ.
• Tác dụng với hợp chất hữu cơ: HNO3 có thể phản ứng với các hợp chất hữu cơ để tạo ra hợp chất nitro, là cơ sở cho sản xuất chất nổ như nitroglycerin.
• Tạo khí nitơ dioxide (NO2): Trong môi trường ẩm, HNO3 phân hủy để sinh ra khí nitơ dioxide (NO2), một khí màu nâu đỏ với mùi mạnh, có thể gây hại cho sức khỏe và môi trường.
• Sản xuất kháng sinh: HNO3 được sử dụng trong ngành dược phẩm để sản xuất các sản phẩm kháng sinh như penicillin.

HNO3 là một axit quan trọng với nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như công nghiệp hóa chất, phân bón, và chất nổ. Tính chất ăn mòn mạnh và khả năng tạo hợp chất nitrat làm cho HNO3 là một thành phần thiết yếu trong nhiều quy trình hóa học và sản xuất công nghiệp.

3. Cân bằng phản ứng hóa học Zn + HNO3 → Zn(NO3)2 + N2 + H2O

Để cân bằng phản ứng hóa học Zn + HNO3 → Zn(NO3)2 + N2 + H2O bằng phương pháp cân bằng electron, thực hiện các bước sau:

Bước 1: Xác định số oxi hóa của từng nguyên tử và ion trong phản ứng. Trong phản ứng này, Zn có số oxi hóa +2, N trong HNO3 có số oxi hóa +5, O trong HNO3 có số oxi hóa -2, và N2 trong sản phẩm có số oxi hóa 0.

Bước 2: Áp dụng quy tắc cân bằng electron để điều chỉnh số oxi hóa. Cần điều chỉnh số oxi hóa của Zn từ +2 xuống +0 (bỏ 2 electron) và của N trong HNO3 từ +5 xuống 0 (bỏ 5 electron).

Bước 3: Sử dụng hệ số để cân bằng số lượng electron trong phản ứng. Chèn các hệ số sao cho tổng số electron mất đi ở bên trái bằng tổng số electron nhận được ở bên phải.

Dựa trên sự thay đổi số oxi hóa từ Bước 2, phản ứng có thể được viết lại như sau:

5Zn + 12HNO3 → 5Zn(NO3)2 + N2 + 6H2O

Và đây là phản ứng đã được cân bằng bằng phương pháp cân bằng electron.

4. Bài tập ứng dụng phản ứng 5Zn + 12HNO3 → 5Zn(NO3)2 + N2 + 6H2O với đáp án chi tiết

Dưới đây là các bài tập ứng dụng của phản ứng:

Bài tập 1: Tính khối lượng Zn(NO3)2 thu được khi 20 g Zn phản ứng hoàn toàn với lượng dư HNO3.

Đáp án 1: Phản ứng xảy ra như sau:

5Zn + 12HNO3 → 5Zn(NO3)2 + N2 + 6H2O

Tính toán số mol của Zn như sau:

Khối lượng mol của Zn được tính bằng cách chia khối lượng Zn cho khối lượng mol Zn, tức là 20 g / 65.38 g/mol ≈ 0.306 mol Zn

Theo phản ứng, mỗi mol Zn sẽ sinh ra 5 mol Zn(NO3)2, nên có thể tính:

Số mol Zn(NO3)2 = 0.306 mol Zn x 5 = 1.53 mol Zn(NO3)2

Khối lượng mol của Zn(NO3)2 là 189.39 g/mol.

Khối lượng của Zn(NO3)2 được tính bằng số mol Zn(NO3)2 nhân với khối lượng mol của Zn(NO3)2, tức là 1.53 mol x 189.39 g/mol ≈ 290 g Zn(NO3)2

Bài tập 2: Tính khối lượng H2O sinh ra khi 25 g Zn phản ứng hoàn toàn với HNO3 dư.

Đáp án 2: Phương trình phản ứng là:

5Zn + 12HNO3 → 5Zn(NO3)2 + N2 + 6H2O

Dựa trên kết quả Bài tập 1, 20 g Zn tạo ra 290 g Zn(NO3)2. Vậy, 25 g Zn sẽ tạo ra:

25 g Zn x (290 g Zn(NO3)2 / 20 g Zn) = 362.5 g Zn(NO3)2

Theo phản ứng, mỗi mol Zn(NO3)2 sẽ sản xuất 6 mol H2O. Do đó, số mol H2O tạo thành là:

Số mol H2O = 1.53 mol Zn(NO3)2 x 6 = 9.18 mol H2O

Khối lượng mol của H2O là 18.02 g/mol.

Khối lượng H2O = Số mol H2O x Khối lượng mol H2O = 9.18 mol x 18.02 g/mol ≈ 165.43 g H2O

Bài tập 3: Tính số mol Zn cần để chế tạo 150 g Zn(NO3)2.

Đáp án 3: Phản ứng hóa học:

5Zn + 12HNO3 → 5Zn(NO3)2 + N2 + 6H2O

Khối lượng mol của Zn(NO3)2 là 189.39 g/mol.

Số mol Zn(NO3)2 = Khối lượng Zn(NO3)2 / Khối lượng mol Zn(NO3)2 = 150 g / 189.39 g/mol ≈ 0.792 mol Zn(NO3)2

Vì mỗi mol Zn phản ứng sinh ra 5 mol Zn(NO3)2, ta tính được:

Số mol Zn = 0.792 mol Zn(NO3)2 x (1 mol Zn / 5 mol Zn(NO3)2) = 0.158 mol Zn

Bài tập 4: Tính số mol N2 sản sinh khi phản ứng hoàn toàn 10 g Zn.

Đáp án 4: Phản ứng hóa học:

5Zn + 12HNO3 → 5Zn(NO3)2 + N2 + 6H2O

Dựa trên Bài tập 3, chúng ta đã tính được rằng 10 g Zn tạo ra 0.158 mol Zn.

Mỗi mol Zn sản xuất 1 mol N2 theo phản ứng, vì vậy:

Số mol N2 = 0.158 mol

Bài tập 5: Tính khối lượng Zn cần thiết để chế tạo 100 g Zn(NO3)2.

Đáp án 5: Phản ứng hóa học:

5Zn + 12HNO3 → 5Zn(NO3)2 + N2 + 6H2O

Khối lượng mol của Zn(NO3)2 là 189.39 g/mol.

Số mol Zn(NO3)2 = Khối lượng Zn(NO3)2 / Khối lượng mol Zn(NO3)2 = 100 g / 189.39 g/mol ≈ 0.528 mol Zn(NO3)2

Mỗi mol Zn phản ứng sinh ra 5 mol Zn(NO3)2, do đó:

Số mol Zn = 0.528 mol Zn(NO3)2 x (1 mol Zn / 5 mol Zn(NO3)2) = 0.106 mol Zn

Bài tập 6: Xác định khối lượng H2O sinh ra khi phản ứng hoàn toàn 50 g Zn.

Đáp án 6: Phản ứng hóa học:

5Zn + 12HNO3 → 5Zn(NO3)2 + N2 + 6H2O

Theo Bài tập 3, 10 g Zn tạo ra 0.158 mol Zn. Vậy, 50 g Zn sẽ tạo ra:

50 g Zn x (0.158 mol Zn / 10 g Zn) = 0.79 mol Zn

Theo phản ứng, mỗi mol Zn tạo ra 6 mol H2O. Do đó, số mol H2O sinh ra là:

Số mol H2O = 0.79 mol Zn x 6 = 4.74 mol H2O

Khối lượng mol của H2O là 18.02 g/mol.

Khối lượng H2O = Số mol H2O x Khối lượng mol H2O = 4.74 mol x 18.02 g/mol ≈ 85.33 g H2O

Bài tập 7: Xác định số mol N2 sinh ra khi phản ứng hoàn toàn 100 g Zn.

Đáp án 7: Phản ứng hóa học:

5Zn + 12HNO3 → 5Zn(NO3)2 + N2 + 6H2O

Theo Bài tập 4, 10 g Zn sản sinh 0.158 mol Zn. Vậy, 100 g Zn sẽ sinh ra:

100 g Zn x (0.158 mol Zn / 10 g Zn) = 1.58 mol Zn

Mỗi mol Zn tạo ra 1 mol N2 theo phản ứng, nên số mol N2 tạo ra là:

Số mol N2 = 1.58 mol

Bài tập 8: Tính khối lượng Zn cần thiết để sản xuất 250 g H2O.

Đáp án 8: Phản ứng hóa học:

5Zn + 12HNO3 → 5Zn(NO3)2 + N2 + 6H2O

Theo Bài tập 6, 50 g Zn sinh ra 85.33 g H2O. Vì vậy, để tạo ra 250 g H2O, cần:

250 g H2O x (50 g Zn / 85.33 g H2O) = 147.17 g Zn

Bài tập 9: Xác định khối lượng Zn cần thiết để sinh ra 10 mol N2.

Đáp án 9: Phản ứng hóa học:

5Zn + 12HNO3 → 5Zn(NO3)2 + N2 + 6H2O

Theo Bài tập 4, 10 g Zn sản xuất 0.158 mol Zn. Vì mỗi mol Zn tạo ra 1 mol N2, nên:

10 mol Zn sẽ sản sinh 10 mol N2

Khối lượng Zn cần để tạo ra 10 mol N2 sẽ tương đương với khối lượng Zn cần để tạo ra 10 mol Zn(NO3)2 (như đã tính trong Bài tập 3), tức là 10 x 189.39 g ≈ 1893.9 g Zn

Hy vọng những bài tập này sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về phản ứng 5Zn + 12HNO3 và các phép tính liên quan.