AXIT NITRIC VÀ MUỐI NITRAT

Axit nitric ($HNO_3$) có công thức cấu tạo:

Trong hợp chất $HNO_3$, nguyên tố nitơ có số oxi hóa cao nhất là $+5$
II- TÍNH CHẤT VẬT LÍ
* Axit nitric tinh khiết là chất lỏng không màu, bốc khói mạnh trong không khí ẩm, $D=1,53 g/cm^3$, sôi ở $86^0C$. Axit nitric tinh khiết kém bền, ngay ở điều kiện thường khi có ánh sáng bị phân hủy một phần giải phóng khí nitơ đioxit ($NO_2$). Khí này tan trong dung dịch axit, làm cho dung dịch có màu vàng.
* Axit nitric tan trong nước theo bất kì tỉ lệ nào. Trong phòng thí nghiệm thường có loại axit đặc nồng độ $68\%,  D=1,40 g/cm^3$.
III - TÍNH CHẤT HÓA HỌC
$1$. Tính axit
Axit nitric là một trong số các axit mạnh, trong dung dịch loãng nó phân li hoàn toàn thành $H^+$ và $NO_3^-$.
Dung dịch $HNO_3$ làm đỏ quỳ tím, tác dụng với oxit bazơ, bazơ và muối của axit yếu hơn tạo ra muối nitrat. Thí dụ:
                                      $CuO+2HNO_3\xrightarrow[{}]{{}} Cu(NO_3)_2+H_2O$
                               $Ca(OH)_2+2HNO_3\xrightarrow[{}]{{}} Ca(NO_3)_2+2H_2O$
                              $CaCO_3+2HNO_3\xrightarrow[{}]{{}} Ca(NO_3)_2+CO_2+H_2O$
$2$. Tính oxi hóa
Axit nitric là một trong những axit có tính oxi hóa mạnh. Tùy thuộc vào nồng độ của axit và bản chất của chất khử mà $HNO_3$ có thể bị khử đến một số sản phẩm khác nhau của nitơ.
a) Với kim loại
Trong dung dịch $HNO_3$, ion $NO_3^-$ có khả năng oxi hóa mạnh hơn ion $H^+$, nên $HNO_3$ oxi hóa được hầu hết các kim loại, kể cả các kim loại có tính khử yếu như $Cu, Ag,...,$ trừ $Au$ và $Pt$. Khi đó, kim loại bị oxi hóa đến mức oxi hóa cao nhất và tạo ra muối nitrat.
Khi tác dụng với kim loại có tính khử yếu như $Cu, Pb, Ag,..., HNO_3$ đặc bị khử đến $NO_2$, còn $HNO_3$ loãng bị khử đến $NO$. Thí dụ:
                       $\mathop{Cu}\limits^{0} + 4H\mathop{N}\limits^{+5}O_3 $(đặc)$ \xrightarrow[{}]{{}} \mathop{Cu}\limits^{+2}(NO_3)_2+ 2\mathop{N}\limits^{+4}O_2+2H_2O       $
               $3\mathop{Cu}\limits^{0} + 8H\mathop{N}\limits^{+5}O_3 $ (loãng)$ \xrightarrow[{}]{{}} 3\mathop{Cu}\limits^{+2}(NO_3)_2+2\mathop{N}\limits^{+2}  O+4H_2O     $
Khi tác dụng với những kim loại có tính khử mạnh như $Mg, Zn, Al,..., HNO_3$ loãng có thể bị khử đến $\mathop{N}\limits^{+1}_2O, \mathop{N}\limits^{0}_2$, hoặc    $\mathop{N}\limits^{-3}H_4NO_3  $. Thí dụ:
                $8\mathop{Al}\limits^{0} + 30 H\mathop{N}\limits^{+5}NO_3 $(loãng)$ \xrightarrow[{}]{{}} 8\mathop{Al}\limits^{+3}(NO_3)_3+3\mathop{N_2}\limits^{+1}O+15H_2O       $ 
          $4\mathop{Zn}\limits^{0}+10H\mathop{N}\limits^{+5}  O_3 $(rất loãng) $ \xrightarrow[{}]{{}} 4\mathop{Zn}\limits^{+2}(NO_3)_2 +\mathop{N}\limits^{-3}H_4NO_3 +3H_2O   $
$Fe,Al$ bị thụ động hóa trong dung dịch $HNO_3$ đặc, nguội vì tạo nên một màng oxit bền trên bề mặt các kim loại này, bảo vệ cho kim loại không tác dụng với axit nitric và những axit khác mà trước đó chúng tác dụng dễ dàng.
b) Với phi kim
Khi đun nóng, axit nitric đặc có thể oxi hóa được nhiều phi kim như $C,S,P,...$. Khi đó, các phi kim bị oxi hóa đến mức oxi hóa cao nhất, còn $HNO_3$ bị khử đến $NO_2$ hoặc $NO$ tùy theo nồng độ của axit.
Thí dụ:                        $\mathop{S}\limits^{0}+ 6H \mathop{N}\limits^{+5}O_3  $(đặc)$ \xrightarrow[{}]{{}}  H_2\mathop{S}\limits^{+6} O_4 + 6 \mathop{N}\limits^{+4}O_2 + 2H_2O      $
c) Với hợp chất
Khi đun nóng, axit nitric có thể oxi hóa được nhiều hợp chất như $H_2S, HI, SO_2, FeO$, muối sắt $(II)$,...
Thí dụ:                       $3H_2\mathop{S}\limits^{-2}+2H\mathop{N}\limits^{+5}O_3 $(loãng)$ \xrightarrow[{}]{{}} 3\mathop{S}\limits^{0} + 2\mathop{N}\limits^{+2}O + 4H_2O $
Nhiều chất hữu cơ bị phá hủy hoặc bốc cháy khi tiếp xúc với axit $HNO_3$ đặc.
IV-ỨNG DỤNG
Axit $HNO_3$ là một trong những hóa chất cơ bản quan trọng. Phần lớn axit $HNO_3$ sản xuất trong công nghiệp được dùng để điều chế phân đạm $NH_4NO_3, ...$ Axit $HNO_3$ còn được dùng để sản xuất thuốc nổ (thí dụ trinitrotoluen (TNT),...), thuốc nhuộm, dược phẩm,...
V- ĐIỀU CHẾ
$1.$ Trong phòng thí nghiệm
Axit $HNO_3$ được điều chế bằng cách cho natri nitrat hoặc kali nitrat rắn tác dụng với axit $H_2SO_4$ đặc, nóng:
$$NaNO_3+H_2SO_4\xrightarrow[{}]{{}} HNO_3 + NaHSO_4$$
Hơi axit $HNO_3$ thoát ra được dẫn vào bình, được làm lạnh và ngưng tụ ở đó. Phương pháp này chỉ được dùng để điều chế một lượng nhỏ axit $HNO_3$ bốc khói.

$2$. Trong công nghiệp
Axit $HNO_3$ được sản xuất từ amoniac. Quá trình sản xuất gồm ba giai đoạn:
* Oxi hóa khí amoniac bằng oxi không khí ở nhiệt độ $850 - 900^0C$, có mặt chất xúc tác là platin:
$$4NH_3 + 5 O_2 \xrightarrow[{Pt}]{{t^0}} 4NO+6H_2O;      \Delta H = -907kJ$$
Phản ứng này tỏa nhiệt và xảy ra gần như hoàn toàn.
* Oxi hóa $NO$ thành $NO_2$. Hỗn hợp chứa $NO$ được làm nguội và cho hóa hợp với oxi không khí tạo thành khí nitơ đioxit:
$$2NO+O_2\xrightarrow[{}]{{}}  2NO_2$$
* Chuyển hóa $NO_2$ thành $HNO_3$. Cho hỗn hợp nitơ đioxit vừa tạo thành và oxi tác dụng với nước, sẽ thu được dung dịch axit nitric:
$$4NO_2+2H_2O+O_2\xrightarrow[{}]{{}} 4HNO_3$$
Dung dịch $HNO_3$ thu được thường có nồng độ từ $52\%$ đến $68\%$. Để có axit nitric với nồng độ cao hơn $68\%$, người ta chưng cất dung dịch $HNO_3$ này với $H_2SO_4$ đậm đặc trong các thiết bị đặc biệt.

Muối nitrat là muối của axit nitric, thí dụ: natri nitrat ($NaNO_3$), đồng $(II)$ nitrat ($Cu(NO_3)_2$),...
I - TÍNH CHẤT CỦA MỐI NITRAT
$1.$ Tính chất vật lí
Tất cả các muối nitrat đều tan trong nước và là chất điện li mạnh. Trong dung dịch, chúng phân li hoàn toàn thành các ion. Ion $NO_3^-$ không có màu, nên màu của một số muối nitrat là do màu của cation kim loại trong muối tạo nên.
Thí dụ: $Cu(NO_3)_2$ có màu xanh.
Một số muối nitrat như $NaNO_3, NH_4NO_3$, ... hấp thụ hơi nước trong không khí nên dễ bị chảy rữa.
$2.$ Tính chất hóa học
Các muối nitrat dễ bị phân hủy. Độ bền nhiệt của muối nitrat phụ thuộc vào bản chất của cation tạo muối.
* Muối nitrat của các kim loại hoạt động mạnh (kali, natri,...) bị phân hủy thành muối nitrit và oxi:
Thí dụ:          $2KNO_3 \xrightarrow[{}]{{t^0}} 2KNO_2 +O_2 $
* Muối nitrat của magie, kẽm , sắt, chì, đồng,... bị phân hủy thành oxit kim loại tương ứng, $NO_2$ và $O_2$:
Thí dụ:          $2Mg(NO_3)_2\xrightarrow[{}]{{t^0}} 2MgO + 4NO_2 + O_2 $
* Muối nitrat của bạc, vàng, thủy phân,... bị phân hủy thành kim loại tương ứng, khí $NO_2$ và $O_2$.
Thí dụ:          $2AgNO_3 \xrightarrow[{}]{{t^0}} 2Ag + 2NO_2 +O_2 $
Ở nhiệt độ cao, muối nitrat phân hủy ra oxi nên chúng là các chất oxi hóa mạnh. Khi cho than nóng đỏ vào muối kali nitrat nóng chảy, than bùng cháy. Hỗn hợp muối nitrat nóng chảy với chất hữu cơ dễ bắt cháy và cháy mạnh.
$3$. Nhận biết ion nitrat
Trong môi trường trung tính, ion $NO_3^-$ không có tính oxi hóa. Khi có mặt ion $H^+$, ion $NO_3^-$ thể hiện tính oxi hóa giống như $HNO_3$. Và vậy để nhận ra ion $NO_3^-$ người ta đun nóng nhẹ dung dịch chứa $NO_3^-$ với đồng kim loại $H_2SO_4$ loãng:
                    $3Cu + 8H^+ + 2NO_3^- \xrightarrow[{}]{{}}  3Cu^ { 2+} + 2NO \uparrow +4H_2O$
                                                                            màu xanh       không màu
                                       $2NO+O_2\xrightarrow[{}]{{}} 2NO_2$
                                                                          nâu đỏ
Phản ứng tạo dung dịch màu xanh và khí màu nâu đỏ thoát ra.
II. ỨNG DỤNG CỦA MUỐI NITRAT
Các muối nitrat được sử dụng chủ yếu để làm phân bón hóa học (phân đạm) trong nông nghiệp, thí dụ : $NH_4NO_3, NaNO_3, KNO_3, Ca(NO_3)_2$
Kali nitrat còn được sử dụng để chế thuốc nổ đen (thuốc nổ có khói). Thuốc nổ đen chứa $75\%  KNO_3$, $10\%  S$ và $15\%  C$.

$1$. Cây xanh đồng hóa nitơ chủ yếu ở dạng muối nitrat và muối amoni, chuyển hóa thành protein thực vật. Động vật đồng hóa protein thực vật, tạo ra protein động vật. Các chất hữu cơ do động vật bài tiết ra (phân, nước tiểu,...) cũng như xác động vật lại chuyển thành hợp chất hữu cơ chứa nitơ. Nhờ những loại vi khuẩn khác nhau có trong đất, một phần các hợp chất này chuyển hóa thành amoniac, rồi thành muối nitrat, phần còn lại thoát ra ở dạng nitơ tự do bay vào khí quyển. Khi các chất hữu cơ (than gỗ, than đá, than bùn,...) bị đốt cháy, nitơ tự do cũng được thoát ra.
$2$. Trên thực tế, có một số quá trình tự nhiên cho phép bù lại một phần lượng nitơ bị mất.
* Trong mưa giông, khi có sự phóng điện do sấm sét một phần nitơ tự do trong khí quyển kết hợp với oxi tạo thành khí $NO$, rồi chuyển hóa thành $HNO_3$ và theo nước mưa thấm vào đất. $HNO_3$ chuyển thành muối nitrat khi kết hợp với muối cacbonat, thí dụ canxi cacbonat có trong đất.
* Một số loại vi khuẩn, đặc biệt là các vi khuẩn cố định đạm sống ở rễ cây họ đậu có khả năng hấp thụ nitơ từ khí quyển và chuyển hóa thành các hợp chất chứa nitơ.
$3$. Để tăng năng suất mùa màng, lượng nitơ chuyển từ khí quyển vào đất vẫn không thể đủ. Người ta ước tính lượng nitrat tái sinh tự nhiên chỉ bằng một nửa lượng nitrat bị hấp thụ. Do đó, cần phải bón vào đất những hợp chất chứa nitơ dưới dạng các loại phân bón hữu cơ và vô cơ.