Giáo án Bài 6. Một số hợp chất của nitrogen với oxygen

Huy động hiểu biết sẵn có của HS về mưa acid và xác định nhiệm vụ học tập: nguồn gốc các oxide của nitrogen và vai trò của $HNO_3$ trong môi trường.

GV chiếu mô phỏng cốc 50 mL nước mưa (pH $5{,}6$) trên trang NeoEdu và đặt câu hỏi: (1) Nước mưa có pH bao nhiêu thì được gọi là mưa acid? (2) Khí thải từ động cơ đốt trong, nhà máy có thể chứa những chất nào làm nước mưa có tính acid? (3) Nếu khí thải chứa nitrogen thì khi gặp oxygen và nước có thể tạo ra chất gì?

Dự kiến HS trả lời: mưa acid là mưa có pH nhỏ hơn khoảng $5{,}6$; khí thải có các oxide của nitrogen và sulfur; oxide của nitrogen gặp oxygen và nước có thể tạo nitric acid $HNO_3$.
GV chốt vấn đề: bài học sẽ làm rõ nguồn gốc và tác hại của $NO_x$, tính chất của $HNO_3$ và hiện tượng phú dưỡng.

Nêu được nguồn gốc, tính chất và tác hại của NO và $NO_2$; giải thích được quá trình hình thành $HNO_3$ trong khí quyển và hiện tượng mưa acid.

HS làm việc nhóm 4 người với Phiếu học tập số 1. Nhóm xem mô phỏng khí NO không màu dẫn ra miệng ống nghiệm và hoá nâu khi gặp oxygen, sau đó hoàn thành: (1) Viết phương trình NO bị $O_2$ oxi hoá. (2) Nêu màu sắc và tính độc của $NO_2$. (3) Nêu nguồn gốc $NO_x$ và tác hại. (4) Viết phương trình tổng quát $4NO_2 + O_2 + 2H_2O$ và nêu ý nghĩa. (5) Nêu ngưỡng pH của mưa acid và giải thích vì sao một mẫu nước mưa pH thấp chưa đủ để kết luận nguồn ô nhiễm.

Kiến thức HS rút ra:

• NO không màu, dễ bị oxygen oxi hoá: $2NO + O_2 \rightarrow 2NO_2$; $NO_2$ có màu nâu đỏ và độc.
• $NO_x$ sinh ra từ đốt nhiên liệu ở nhiệt độ cao; trong khí quyển, các quá trình oxi hoá tạo $HNO_3$, góp phần mưa acid và bụi nitrate.
• Phương trình $4NO_2 + O_2 + 2H_2O \rightarrow 4HNO_3$ là kết quả cuối, không phải một bước cơ chế duy nhất.
• Mưa acid có pH dưới khoảng $5{,}6$; pH thấp của một mẫu không tự chứng minh nguồn ô nhiễm, cần thêm dữ liệu so sánh.

Nêu được cấu tạo của $HNO_3$ (N có số oxi hoá +5); giải thích được $HNO_3$ là acid mạnh và oxi hoá mạnh; viết được phương trình Cu tác dụng với $HNO_3$ đặc và loãng.

HS làm việc theo cặp với Phiếu học tập số 2. Quan sát mô phỏng/video Cu tác dụng với $HNO_3$ đặc trên NeoEdu hoặc phòng thí nghiệm ảo (GV chỉ biểu diễn trong tủ hút có xử lí khí; nút bông tẩm kiềm không thay thế kiểm soát khí độc). Trả lời: (1) Số oxi hoá của N trong $HNO_3$ là bao nhiêu? (2) Hiện tượng khi Cu tác dụng với $HNO_3$ đặc, sản phẩm khử là gì? (3) Vì sao không có $H_2$? (4) Viết phương trình với $HNO_3$ loãng và so sánh sản phẩm khử. (5) Nêu lưu ý về Al, Fe, Cr trong $HNO_3$ đặc nguội.

Kiến thức HS rút ra:

• Trong $HNO_3$, N có số oxi hoá +5: $+1 + x + 3 \cdot (-2) = 0$, suy ra $x = +5$. $HNO_3$ là acid mạnh và chất oxi hoá mạnh.
• Với $HNO_3$ đặc: $Cu + 4HNO_3 \rightarrow Cu(NO_3)_2 + 2NO_2 + 2H_2O$; dung dịch có $Cu^{2+}$ (xanh), khí $NO_2$ nâu đỏ; Cu tăng số oxi hoá từ 0 lên +2, N giảm từ +5 xuống +4.
• Với $HNO_3$ loãng: $3Cu + 8HNO_3 \rightarrow 3Cu(NO_3)_2 + 2NO + 4H_2O$; sản phẩm khử điển hình là NO.
• Không tạo $H_2$ vì nitrogen +5 bị khử. Al, Fe, Cr có thể thụ động trong $HNO_3$ đặc nguội, nhưng điều này không bảo đảm an toàn khi tiếp xúc.

Giải thích được hiện tượng phú dưỡng do dư thừa nitrate, phosphate; nêu được cách đọc dữ liệu giả định và các biện pháp giảm phú dưỡng.

HS làm việc nhóm 4 người với Phiếu học tập số 3, phân tích bộ số liệu giả định về ao trước và sau dòng chảy mặt: nitrate tăng từ 2 lên 8 mg/L; oxygen hoà tan giảm từ 7 xuống 3 mg/L sau một tuần. Nhiệm vụ: (1) Giải thích chuỗi tác động từ nitrate, phosphate dư đến thiếu oxygen. (2) Tính mức giảm oxygen hoà tan. (3) Nêu vì sao số liệu này chỉ là tín hiệu để điều tra, chưa phải bằng chứng nhân quả hoàn chỉnh. (4) Nêu các thông số cần theo dõi thêm và biện pháp giảm phú dưỡng.

Kiến thức HS rút ra:

• Nitrate, phosphate dư làm tảo phát triển quá mức; khi tảo chết, vi sinh vật phân huỷ tiêu thụ oxygen hoà tan, khiến sinh vật nước thiếu oxygen.
• Mức giảm oxygen: $7 - 3 = 4$ mg/L (chênh lệch tuyệt đối, không phải giảm $4\%$).
• Số liệu chưa đủ kết luận nhân quả vì còn các biến khác; cần theo dõi thêm dinh dưỡng, oxygen, nhiệt độ, dòng chảy và có đối chứng.
• Biện pháp hiệu quả: giảm thất thoát phân bón, xử lí nước thải chứa dinh dưỡng tại nguồn; chỉ vớt tảo là biện pháp chưa triệt để.

Vận dụng kiến thức về NO, $NO_2$, $HNO_3$ và phương trình hoá học để giải các bài tập định tính và định lượng cơ bản.

HS làm việc cá nhân trong 6 phút, sau đó đối chiếu theo cặp trong 6 phút. Đề bài:

1. Khí NO vừa tạo ra từ Cu và $HNO_3$ loãng đổi màu khi ra không khí do đâu? A. NO chuyển thành $NO_2$; B. NO tạo $H_2$; C. $N_2$ bị phân huỷ; D. NO ngưng tụ.
2. Sản phẩm khử điển hình khi Cu phản ứng với $HNO_3$ đặc là gì? A. $H_2$; B. $NH_3$; C. $NO_2$; D. $N_2$ duy nhất.
3. $0{,}10$ mol Cu phản ứng hoàn toàn với $HNO_3$ đặc dư theo $Cu + 4HNO_3 \rightarrow Cu(NO_3)_2 + 2NO_2 + 2H_2O$. Tính số mol $NO_2$.
4. Ghép chất với đặc điểm: NO; $NO_2$; $HNO_3$ với các đặc điểm: không màu, dễ bị $O_2$ oxi hoá; khí nâu đỏ, độc; acid mạnh, có tính oxi hoá mạnh.

Đáp án:

1. A. $2NO + O_2 \rightarrow 2NO_2$ (khí nâu đỏ).
2. C. $NO_2$, theo $Cu + 4HNO_3 \rightarrow Cu(NO_3)_2 + 2NO_2 + 2H_2O$.
3. Theo tỉ lệ 1 : 2, số mol $NO_2 = 0{,}10 \times 2 = 0{,}20$ mol.
4. NO – không màu, dễ bị $O_2$ oxi hoá; $NO_2$ – khí nâu đỏ, độc; $HNO_3$ – acid mạnh, có tính oxi hoá mạnh.
   Lưu ý: các đặc điểm này dùng để nhận diện trên mô hình, không dùng ngửi hay quan sát trực tiếp khí độc.

Đánh giá đúng sai các nhận định về nitric acid và môi trường; vận dụng phương pháp electron để cân bằng phương trình Cu với $HNO_3$ loãng.

HS làm việc theo nhóm 2 người. Đề bài:
4. Đánh giá các nhận định (Đ/S): a) $HNO_3$ loãng là acid yếu. b) N trong $HNO_3$ có số oxi hoá +5. c) Fe có thể thụ động trong $HNO_3$ đặc nguội. d) Phú dưỡng có thể dẫn tới thiếu oxygen hoà tan.
5. Biện pháp nào góp phần giảm phú dưỡng? A. Bón phân theo nhu cầu và tránh rửa trôi; B. Xử lí nước thải chứa dinh dưỡng; C. Đổ thêm phân để tảo hút chất bẩn; D. Giảm xả phosphate vào nguồn nước.
7. Dữ liệu giả định: oxygen hoà tan giảm từ 7 xuống 3 mg/L. Tính mức giảm (mg/L).
8. Cân bằng phương trình Cu với $HNO_3$ loãng tạo NO bằng phương pháp electron.

Đáp án:
4. a) S ($HNO_3$ là acid mạnh dù loãng); b) Đ; c) Đ (lớp oxide bảo vệ làm giảm phản ứng, không bảo đảm an toàn); d) Đ (tảo chết bị vi sinh phân huỷ tiêu thụ oxygen).
5. A, B, D. Đáp án C sai vì thêm phân làm tăng dinh dưỡng, làm phú dưỡng nặng hơn.
7. $7 - 3 = 4$ mg/L (chênh lệch tuyệt đối).
8. Cu → Cu²⁺ + 2e; N(+5) + 3e → N(+2) trong NO. Nhân 3 và 2 để có 6e: $3Cu + 8HNO_3 \rightarrow 3Cu(NO_3)_2 + 2NO + 4H_2O$. Kiểm tra: N: $8 = 6 + 2$; H: $8 = 8$; O: $24 = 18 + 2 + 4$.

Vận dụng kiến thức về $NO_x$, mưa acid, phú dưỡng và $HNO_3$ để đề xuất phương án điều tra và biện pháp bảo vệ môi trường gắn với địa phương.

HS làm việc nhóm 4 người trong 8 phút, sau đó hoàn thiện ở nhà. Tình huống: một ao cá gần khu dân cư có nước xanh bất thường. Nhiệm vụ: (1) Nêu giả thuyết về phú dưỡng. (2) Liệt kê các thông số cần đo thêm (nitrate, phosphate, oxygen hoà tan, nhiệt độ, dòng chảy) và cách đối chứng. (3) Đề xuất hai biện pháp giảm $NO_x$ từ phương tiện giao thông (kể cả bộ chuyển đổi xúc tác trên ô tô). (4) Nêu ba ứng dụng của nitric acid trong đời sống và sản xuất.

Sản phẩm dự kiến: một phương án điều tra ngắn gồm giả thuyết, danh sách thông số và cách đối chứng; hai biện pháp giảm $NO_x$ (lắp bộ chuyển đổi xúc tác, hạn chế đốt nhiên liệu không kiểm soát); ba ứng dụng của $HNO_3$ (sản xuất phân bón nitrate, thuốc nổ, phẩm nhuộm).
Kết luận: không kết luận nguyên nhân khi chưa có đủ dữ liệu đo và đối chứng.