Nhiệt phân muối nitrat - Những điều cần nắm vững

Các loại muối nitrat hình thành do phản ứng của axit nitric HNO₃ với kim loại. Nó bao gồm các ion kim loại (ion amoni) và ion nitrat. Thường được sử dụng là natri nitrat, kali nitrat, amoni nitrat, canxi nitrat, nitrat chì, nitrat strontium…

Nitrate là một hợp chất ion chứa các ion nitrat NO₃^– và các ion dương tương ứng, chẳng hạn như các ion NH₄⁺ trong ammonium nitrate.

Nitrat hầu như không hòa tan trong nước, chỉ có urê nitrat hòa tan trong nước do đó nitrat trong dung dịch không thể bị kết tủa bởi hầu hết các cation khác.

Tính chất hóa học

Khi nitrat rắn được nung nóng, nó có thể giải phóng oxy. Nitrat kim loại hoạt động mạnh nhất chỉ giải phóng một phần oxy và trở thành nitrite. Phần còn lại của nitrat kim loại bị phân hủy thành oxit kim loại, oxy và nitơ dioxide.

Nitrate là một chất oxy hóa mạnh trong các dung dịch nước khi có nhiệt độ cao hoặc axit, nhưng ít oxy hóa trong các dung dịch nước kiềm hoặc trung tính.

Các ion nitrat và kim loại có thể được phối hợp theo nhiều cách khác nhau, bao gồm liên kết đơn, liên kết đôi….

Các loại muối nitrat phổ biến

A. Natri Nitrat – NaNO₃

1.Tính chất vật lý

- Natri nitrat có nhiệt độ nóng chảy 306,8 °C và mật độ 2,257 g/cm3 (ở 20 °C), là một tinh thể hình kim cương màu vàng trong suốt hoặc trắng không màu.

- Nó có vị đắng và mặn, hòa tan trong nước và amoniac lỏng, ít tan trong glycerin và ethanol và dễ bị phân hủy.

- Khi hòa tan trong nước, nhiệt độ của dung dịch được hạ xuống và dung dịch ở trạng thái trung tính. Khi đun nóng, natri nitrat dễ bị phân hủy thành natri nitrit và oxy.

- Natri nitrat có thể được sử dụng để đốt cháy và phải được lưu trữ ở nơi thoáng mát. Nó bị oxy hóa và có thể gây cháy hoặc nổ nếu cọ xát hoặc va chạm với chất hữu cơ.

2. Tính chất hóa học

a. Tính oxi hóa của muối nitrat trong môi trường axit

- Thí nghiệm: Cho Cu và H₂SO₄ loãng vào dung dịch NaNO₃ và đun nóng nhẹ.

- Hiện tượng: Dung dịch chuyển sang màu xanh và có khí không màu hóa nâu trong không khí.

- Phương trình hóa học:

3Cu + 2NaNO₃ + 4H₂SO₄ → 3CuSO₄ + Na₂SO₄ + 2NO + 4H₂O

3Cu +  8H⁺  +     2NO₃^-   →  3Cu²⁺    +   2NO­   +  4H₂O  

2NO  +  O₂   →   NO₂  (nâu đỏ)

* Lưu ý: Phản ứng này được dùng để nhận biết ion nitrat

 b. Nhiệt phân muối nitrat

 - Muối nitrat của các kim loại hoạt động mạnh (trước Mg): bị phân huỷ thành muối nitrit và oxi:

M(NO₃)_n → M(NO₂)_n + n/2O₂                       

Thí dụ:  

KNO₃ → KNO₂ + 1/2O₂

Oxi sinh ra đốt cháy cacbon.  

 - Muối nitrat của các kim loại từ Mg → Cu:  bị phân huỷ thành oxit kim loại tương ứng, NO₂ và O₂:

 2M(NO₃)_n → M₂O_n + 2nNO₂ + n/2O₂              

 Thí dụ: 

2Fe(NO₃)₃ → Fe₂O₃ + 6NO₂ + 3/2O₂

2Cu(NO₃)₂ → 2CuO + 4NO₂ + O₂

 - Muối nitrat của các kim loại kém hoạt động (sau Cu) : bị phân huỷ thành kim loại tương ứng, NO₂ và O₂.

M(NO₃)_n → M + nNO₂ + n/2O₂                           

 Thí dụ:  

AgNO₃ → Ag + NO₂ + 1/2O₂

 - Một số phản ứng đặc biệt:

2Fe(NO₃)₂ → Fe₂O₃ + 4NO₂ + 1/2O₂

NH₄NO₃ → N₂O + 2H₂O

NH₄NO₂ → N₂ + 2H₂O

Các lưu ý khi giải bài tập về phản ứng nhiệt phân muối nitrat:

- Khối lượng chất rắn giảm bằng khối lượng khí đã sinh ra.

- Khí sinh ra sau phản ứng thường được dẫn qua nước. Khi đó có phương trình phản ứng:

4NO₂ + O₂ + 2H₂O → 4HNO₃

3. Ứng dụng

 - Muối nitrat được dùng như một chất nguyên liệu; trong phân bón, nghề làm pháo hoa, nguyên liệu của bom khói, chất bảo quản, và như một tên lửa đẩy, cũng như thuỷ tinh và men gốm.

B. Amoni nitrat – NH₄NO₃

Ammonium nitrate (NH₄NO₃) là một loại muối amoni tinh thể trong suốt không màu, không mùi hoặc tinh thể trắng. Nó hòa tan cao trong nước, dễ dàng hấp thụ độ ẩm và kết tụ và hấp thụ một lượng nhiệt lớn khi hòa tan. Chịu tác động mạnh hoặc phân hủy nổ do nhiệt, phân hủy bởi kiềm. Nó là một chất oxy hóa được sử dụng trong phân bón hóa học và nguyên liệu hóa học.

1. Những tính chất lý hóa của Amoni nitrat NH₄NO₃

a. Đặc điểm tính chất vật lý của Amoni nitrat

- Đây là hóa chất có dạng rắn, màu trắng, hút ẩm mạnh và tan được trong nước.

- Khối lượng mol NH4NO3: 0.04336 g/mol. 

- Số CAS của NH4NO3: 6484-52-2.

- Tỷ trọng của NH4NO3: 1.73 g/cm³, rắn.

- Điểm nóng chảy: NH4NO3 là 169 °C.

- Điểm sôi của NH4NO3: 210 °C.

- Độ hòa tan trong nước của NH₄NO₃ theo từng nhiệt độ:

119 g/100 ml (0 °C).

190 g/100 ml (20 °C).

286 g/100 ml (40 °C).

421 g/100 ml (60 °C).

630 g/100 ml (80 °C).

1024 g/100 ml (100 °C).

b. Tính chất hóa học của NH₄NO₃

Chúng có thể bị nhiệt phân dưới tác dụng của nhiệt độ từ 190 đến 245 độ C làm xuất hiện bọt khí do Dinito Oxit (N2O) được sinh ra, theo phương trình phản ứng sau: 

NH₄NO₃ ⟶ 2H₂O + N₂O

- Amoni nitrat có thể tác dụng được với axit như HCl, H₂SO₄ theo phương trình sau đây:

HCl + NH₄NO₃ ⟶ HNO₃ + NH₄Cl

H₂SO₄ + 2NH₄NO₃ ⟶ (NH4)₂SO₄ + 2HNO₃

- Đây là chất có thể tác dụng với các bazơ như: 

KOH + NH₄NO₃ ⟶ H₂O + KNO₃ + NH₃ 

NaOH + NH₄NO₃ ⟶ NaNO₃ + NH₄OH

Ca(OH)₂ + 2NH₄NO₃ ⟶ Ca(NO₃)₂ + 2H₂O + 2NH₃.

- Amoni nitrat có thể tác dụng với các muối như: 

Na₃PO₄ + NH₄NO₃ + Be(NO₃)₂ ⟶ 3NaNO₃ + Be(NH₄PO₄).

2. Amoni nitrat (NH4NO3) dùng để làm gì? Những ứng dụng quan trọng

Amoni nitrat được sử dụng rộng rãi hiện nay bởi đem đến nhiều ứng dụng trong sản xuất và đời sống như sau: 

a. Amoni nitrat - Làm nguyên liệu phân bón

Amoni nitrat dưới dạng phân bón sẽ giúp bổ sung hàm lượng Nitơ cho các loại cây thông qua nitrat và amoni. Đây là một loại phân bón rất dễ được hấp thụ và giúp cho các loại cây trồng đạt được hiệu quả kinh tế cao, đồng thời thúc đẩy tăng trưởng và tăng năng suất cho cây trồng.

Ngoài ra loại phân này sẽ không làm chua đất và một số cây trồng cần được bổ sung thêm nitrat như bông, đay, mía, ngô khoai, cà phê, cao su... hay các loại cây ăn quả lưu niên.

b. Amoni nitrat - Giúp sản xuất thuốc nổ

NH₄NO₃ hiện là chất được chính phủ quản lý vì nó là chất dễ nổ và đang được ứng dụng để sản xuất thuốc nổ vì các đặc tính: chất oxy hóa mạnh và tính hút ẩm cao vô cùng dễ gây cháy nổ.

c. Các ứng dụng quan trọng khác 

• Ngoài ra chúng còn được sử dụng trong sản xuất túi ướp lanh gồm hai lớp: một lớp chứa amoni nitrat khô và lớp còn lại chứa nước.
• Sử dụng cho ngành công nghiệp dệt may, ngành công nghiệp mạ điện, khai khoáng, công nghiệp hàn…
• Amoni nitrat còn được sử dụng cho các ngành hóa chất, làm cho oxydol, phèn amoni.

3. Những thông tin cần biết về Amoni nitrat - NH₄NO₃

a. Amoni nitrat rất dễ bắt cháy

Chúng là chất oxy hóa mạnh. Khi tiếp xúc với các vật liệu dễ cháy hoặc chất hữu cơ sẽ gây cháy.

Chúng tự động bốc cháy ở nhiệt độ 3000 độ C tương đương 5720 độ F.

b. Là chất dễ bắt nổ

Là những chất oxy hóa và có khả năng tự gây cháy/nổ khi tiếp xúc trực tiếp với bột kim loại và một vài chất hữu cơ như Urê và axit axetic.

c. Lưu ý khi sử dụng và bảo quản NH₄NO₃

- Không bọc chúng ở nhiệt độ cao vì sẽ khiến nó dễ phát nổ.

- Không để chúng tiếp xúc trực tiếp với bột kim loại và các chất hữu cơ khác như ure, axit axetic...

- Nên bảo quản NH₄NO₃ ở nhiệt độ thích hợp và thông thoáng.

- Khi xảy ra cháy nổ không sử dụng các bình chữa cháy carbon tetrachloride hoặc có dung dịch axit, bởi vì amoni nitrat nhiễm các chất này sẽ vô cùng nguy hiểm (dễ nổ).

C. Canxi Nitrat – Ca(NO₃)₂

1. CANXI NITRAT LÀ GÌ?

- Canxi nitrat là một hợp chất vô cơ có màu trắng hạt cánh nhỏ, hấp thụ độ ẩm từ không khí, tan trong nước,có tính oxy hóa mạnh, dễ bắt nổ khi tiếp xúc với các vật phẩm hữu cơ.

- Tên gọi khác: Calcium Nitrate, kalksalpeter, nitrocalcite, norwegian saltpeter, lime nitrate.

- Công thức hóa học: Ca(NO₃)₂

- Thành phần dinh dưỡng: N(NO₃): 15,5%; CaO: 26,5%

- Nó là một sản phẩm có vai trò vô cùng quan trọng trong làm vườn và các ngành công nghiệp, nông nghiệp. 

2. TÍNH CHẤT CỦA CANXI NITRAT

Tính chất của canxi nitrat

- Khối lượng riêng: 2.504 g/cm³ (khan); 1.896 g/cm³ (ngậm 4 nước)

- Khối lượng mol: 164.088 g/mol (khan); 236.15 g/mol (ngậm 4 nước)

- Điểm nóng chảy: 561 °C (834 K; 1.042°F) (khan); 42.7°C (109°F; 316 K) (ngậm 4 nước)

- Điểm sôi: phân hủy (khan); 132°C (270°F; 405 K) (ngậm 4 nước)

- Độ hòa tan trong nước: 1212 g/l (20°C); 2710 g/l (40°C), có thể tan trong amoniac, gần như không hòa tan trong axit nitric.

3. PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT CALCIUM NITRATE

Tùy vào mục đích sử dụng mà canxi nitrat có những cách sản xuất khác nhau.

Ca(NO₃)₂ được sản xuất bằng cách xử lý đá vôi bằng axit nitric HNO₃, sau đó được trung hòa với amoniac:

CaCO₃ + HNO₃ → Ca(NO₃)₂ + CO₂ + H₂O

Ca(NO₃)₂ cũng là một sản phẩm trung gian của quy trình Odda :

Ca₃(PO₄)₂ + HNO₃ + H₂O → H₃PO₄ + Ca + H₂O

Ngoài ra, Ca(NO₃)₂ cũng có thể được điều chế từ dung dịch amoni nitrat  NH₄NO₃ và canxi hydroxit Ca(OH)₂ :

NH₄NO₃ + Ca(OH)₂ → Ca(NO₃)₂ + NH₄OH

4. ỨNG DỤNG CỦA CANXI NITRAT

Sử dụng là nguyên liệu phân bón

Ca(NO₃)₂ có tác dụng cải tạo và phục hồi đất bằng cách giúp hạ phèn, khử mặn, phục hồi cấu trúc đất làm cho đất thông thoáng, thấm nước tốt.

Phân bón chứa Ca(NO₃)₂ hòa tan hoàn toàn trong nước, nên giúp bổ sung canxi cho cây trồng và đạm nitrat nhanh, hiệu quả cao, nhất là đối với vùng đất thiếu canxi (canxi là 1 trong 4 chất trung lượng cần thiết cho cây trồng).

Ca(NO₃)₂ giúp tăng khả năng hấp thu các chất vi trung lượng, tăng độ pH cho đất, giúp cây trồng chống chịu sâu bệnh, đặc biệt các loại bệnh do thiếu dinh dưỡng. Cung cấp canxi nitrat làm tăng tỉ lệ đậu trái cho cây trồng, giảm thiểu hiện tượng rụng hoa và rụng trái non, giúp lúa cứng cây, chống đổ ngã.

Giúp cây trồng tăng khả chống chịu với các điều kiện bất lợi của thời tiết, môi trường (nóng, khô hạn, đất phèn, đất mặn, đất chua…).

Giúp tăng năng suất, sản lượng và chất lượng nông sản. Phân bón này rất thích hợp cho các loại cây trồng lâu năm như: cà phê, chôm chôm,…

Phân bón canxi nitrat có thể hòa tan trong nước nên dùng để bón lót hay bón thúc đều được, có thể phun trực tiếp lên thân, lá. Sau khi bón cây trồng có thể hấp thu ngay, mang lại hiệu quả nhanh và tiết kiệm do không bị bốc hơi và ít bị rửa trôi hơn so với bón đạm Urê. Bên canh đó ưu điểm của đạm nitrate là không làm chua đất.

Do đó, canxi nitrat được xem là xương sống trong dung dịch thủy canh và cây trồng.

Sử dụng trong ngành xây dựng

Ca(NO₃)₂ được sử dụng làm chất phụ gia bê tông nhằm giúp đẩy nhanh quá trình đông cứng.

Các Ion Canxi đẩy nhanh quá trình hình thành của vôi tôi canxi hidroxit để tạo khối, còn ion nitrat giúp hình thành hidroxit sắt giúp tạo nên một lớp bảo vệ, chống ăn mòn của cốt thép, bê tông.

Xử lý nước thải

Canxi nitrat được sử dụng trong quá trình xử lý nước thải để ngăn ngừa phát sinh mùi hôi, giảm sự bốc mùi, cáu cạn của nước.

Với sự xuất hiện của nitrat, quá trình tổng hợp sunfat ngừng lại giúp ức chế quá trình hình thành H₂S là chất có mùi trứng thối rất độc.

Một số ứng dụng khác

– Canxi nitrat còn được sử dụng trong sản xuất cao su là chất làm đông mủ cao su hiệu quả hơn.

– Nó còn được dùng để làm lạnh trong phòng mát

– Canxi nitrate cùng với kali nitrat và natri Nitrat được dùng để hấp thụ và lưu trữ năng lượng trong các nhà máy điện năng lượng mặt trời.