Giáo án Bài 8. Sulfuric acid và muối sulfate

Huy động kinh nghiệm ban đầu của HS về acid mạnh; nêu vấn đề cần giải quyết trong bài: vì sao phải pha loãng acid đúng cách và $H_2SO_4$ có những tính chất gì.

GV đưa tình huống: “Một bạn định pha loãng $H_2SO_4$ đặc bằng cách đổ nhanh nước vào acid trong cốc. Theo em, cách làm này có an toàn không? Vì sao?”. HS dự đoán, sau đó nêu 3 câu hỏi định hướng: (1) Tính chất nào của $H_2SO_4$ khiến việc pha loãng cần cẩn thận? (2) Acid loãng và acid đặc nóng có khác nhau về tính chất không? (3) Làm thế nào nhận biết ion sulfate trong mẫu?

HS dự đoán được: $H_2SO_4$ tan trong nước toả nhiệt mạnh; nếu đổ nước vào acid đặc, nhiệt tập trung ở lớp nước nhỏ có thể làm sôi và bắn acid gây bỏng. Quy tắc đúng là rót từ từ acid vào nước, khuấy và làm mát. HS ghi được 3 câu hỏi định hướng vào vở.

HS nêu được cấu tạo, tính chất vật lí và quy tắc pha loãng của $H_2SO_4$; viết được phương trình hoá học minh hoạ tính acid của dung dịch loãng.

HS làm việc theo nhóm 4 người với Phiếu học tập số 1 (phần A). Nhóm đọc mục nội dung bài học trên trang NeoEdu hoặc sách giáo khoa, trả lời: (1) $H_2SO_4$ có trạng thái, tính bay hơi và khả năng tan trong nước như thế nào? (2) Vì sao phải rót từ từ acid vào nước khi pha loãng? (3) Viết phương trình hoá học của dung dịch $H_2SO_4$ loãng với Zn, CuO và Na₂CO₃.

• $H_2SO_4$ là chất lỏng sánh, không bay hơi, tan trong nước toả nhiều nhiệt.
• Pha loãng: rót từ từ acid vào nước, khuấy và làm mát; không đổ nước vào acid đặc vì nhiệt tập trung cục bộ gây sôi, bắn acid.
• Tính acid của dung dịch loãng: $Zn + H_2SO_4 \rightarrow ZnSO_4 + H_2$; $CuO + H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + H_2O$; $Na_2CO_3 + H_2SO_4 \rightarrow Na_2SO_4 + CO_2 + H_2O$.
• Kết luận: dung dịch $H_2SO_4$ loãng có tính chất chung của acid: làm đổi màu quỳ tím, tác dụng với kim loại đứng trước H, oxide base và muối carbonate; Cu không khử được H⁺ của acid loãng.

HS giải thích được tính oxi hoá mạnh của $H_2SO_4$ đặc, nóng với Cu và phân biệt tính háo nước với tính oxi hoá qua mô phỏng.

Hoạt động theo trạm, hai nhóm 4 người luân phiên. Trạm 1: quan sát mô phỏng “Copper tác dụng với sulfuric acid đặc, nóng” trên NeoEdu, trả lời: (1) Số oxi hoá của Cu thay đổi như thế nào? (2) Số oxi hoá của S thay đổi từ bao nhiêu thành bao nhiêu, khí nào được tạo thành? (3) Vì sao đây không phải phản ứng Cu đẩy H₂ khỏi acid loãng? Trạm 2: quan sát mô phỏng “Tính háo nước của sulfuric acid đặc”, trả lời: (4) Đường đổi màu và khối rắn thay đổi như thế nào? (5) Vì sao đây là tính háo nước chứ không chỉ là tính oxi hoá? Lưu ý: mô phỏng là công cụ minh hoạ, không suy ra khối lượng hay lượng khí thực. Phiếu học tập số 1, phần B.

• Trạm 1: $Cu + 2H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + SO_2 + 2H_2O$. Cu nhường 2e (số oxi hoá từ $0$ lên $+2$); S trong một phần acid nhận 2e (số oxi hoá từ $+6$ xuống $+4$), tạo khí $SO_2$. Dung dịch có ion $Cu^{2+}$ (màu xanh trong điều kiện mô hình). Không tạo $H_2$ trong phản ứng này.
• Trạm 2: đường chuyển sẫm rồi đen, khối rắn tăng thể tích, hỗn hợp nóng. Sơ đồ minh hoạ: $C_{12}H_{22}O_{11} \rightarrow 12C + 11H_2O$: acid đặc lấy H và O từ đường theo tỉ lệ $2:1$ (tính háo nước). Carbon có thể bị acid oxi hoá tiếp nên không xem khối rắn là carbon tinh khiết.
• Kết luận phân biệt: tính háo nước là lấy nước từ hợp chất; tính oxi hoá là nhận electron của S(+6). Hai tính chất khác bản chất.
• Lưu ý: Fe, Al, Cr thụ động trong acid đặc nguội (giới hạn điều kiện), không khẳng định không phản ứng với acid đặc nóng.

HS mô tả được các giai đoạn sản xuất $H_2SO_4$ bằng phương pháp tiếp xúc và giải thích được điều kiện nhiệt độ, vai trò xúc tác, cách hấp thụ $SO_3$.

Mảnh ghép 4 khu vực. Mỗi nhóm chuyên gia tìm hiểu một khu trên mô phỏng 3D dây chuyền sản xuất: lò đốt sulfur, tháp làm khô và lọc bụi, tháp tiếp xúc 4 lớp $V_2O_5$, tháp hấp thụ $SO_3$ bằng $H_2SO_4$ 98 %. Câu hỏi chung: (1) Khu được phụ trách tạo ra chất gì, nhận vào chất gì? (2) Điều kiện nào được áp dụng và vì sao? (3) Vì sao hấp thụ $SO_3$ bằng acid đặc thay vì nước? Sau đó các chuyên gia về nhóm gốc để ghép thành dây chuyền hoàn chỉnh. Hoàn thành Phiếu học tập số 2 (phần A và bảng so sánh nhiệt độ), ghi biểu thức $K_C$ của giai đoạn oxi hoá.

• Giai đoạn 1: đốt sulfur tạo $SO_2$.
• Giai đoạn 2: làm khô và lọc bụi khí, loại hơi nước trước khi tiếp xúc.
• Giai đoạn 3: $2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3$ trên xúc tác $V_2O_5$ khoảng $450\,^\circ\mathrm{C}$; phản ứng toả nhiệt; $K_C=\dfrac{[SO_3]^2}{[SO_2]^2[O_2]}$.
• Giai đoạn 4: hấp thụ $SO_3$ bằng $H_2SO_4$ 98 % tạo oleum (dung dịch $SO_3$ trong $H_2SO_4$ đặc), sau đó pha loãng có kiểm soát để thu $H_2SO_4$.
• Số liệu mô phỏng minh hoạ (không phải số đo thực tế): ở $450\,^\circ\mathrm{C}$ khoảng $97\%$ $SO_2$ chuyển hoá; ở $380\,^\circ\mathrm{C}$ cân bằng thuận lợi hơn nhưng phản ứng chậm (khoảng $63\%$); ở $600\,^\circ\mathrm{C}$ phản ứng nhanh nhưng cân bằng dịch sang trái (khoảng $74\%$). Vậy $450\,^\circ\mathrm{C}$ là điểm dung hoà giữa tốc độ và hiệu suất.
• Xúc tác $V_2O_5$ làm tăng tốc độ, không làm đổi $K_C$. Hấp thụ bằng acid đặc tránh tạo sương acid khó thu.

HS trình bày được cách nhận biết ion sulfate bằng $Ba^{2+}$ trong môi trường acid loãng và lập luận được vai trò của mẫu đối chứng và giới hạn của kết luận.

Cá nhân rồi cặp đôi: đọc ví dụ trong bài và quan sát mô phỏng “Nhận biết ion sulfate” trên NeoEdu. Trả lời: (1) Có thể kết luận sulfate chỉ từ việc thêm $BaCl_2$ xuất hiện kết tủa trắng không? Nêu cách lập luận. (2) Vì sao phải acid hoá mẫu bằng HCl loãng trước khi thêm thuốc thử? (3) Viết phương trình ion rút gọn. (4) Mẫu trắng đối chứng dùng để làm gì? (5) Nếu 0,0100 mol sulfate kết tủa hoàn toàn, khối lượng BaSO₄ lí thuyết là bao nhiêu (M = 233 g/mol)?

• Không đủ kết luận: carbonate hoặc sulfite cũng có thể tạo muối barium ít tan, nên một kết tủa trắng bất kì chưa đủ.
• Acid hoá bằng HCl loãng để loại nhiễu carbonate, sulfite; BaSO₄ không tan trong acid loãng nên kết tủa trắng còn lại là bằng chứng sulfate.
• Phương trình ion: $Ba^{2+} + SO_4^{2-} \rightarrow BaSO_4$.
• Mẫu đối chứng không chứa sulfate không tạo BaSO₄, giúp loại trừ kết tủa do thuốc thử hoặc môi trường.
• Khối lượng lí thuyết: $m = 0{,}0100 \times 233 = 2{,}33$ g (theo giả thiết kết tủa hoàn toàn, không phải số cân thực).

Củng cố quy tắc pha loãng, tính oxi hoá, tính acid và phân biệt các tính chất của $H_2SO_4$ qua trò chơi trắc nghiệm nhanh.

Trò chơi “Đúng nhanh – chọn chắc” theo nhóm 4. GV chiếu từng câu, nhóm thảo luận 1 phút rồi giơ bảng đáp án. Đề: (1) Quy tắc pha loãng $H_2SO_4$ đặc được giáo viên áp dụng? A. Đổ nước nhanh vào acid; B. Cho acid từ từ vào nước, có làm mát; C. Đun acid trong bình kín; D. Pha trong chai uống nước. (2) Cu phản ứng với $H_2SO_4$ đặc nóng tạo khí nào theo phản ứng phổ thông? A. $H_2$; B. $O_2$; C. $SO_2$; D. $N_2$. (3) Chất nào phản ứng với $H_2SO_4$ loãng ở điều kiện phù hợp? A. Mg; B. CuO; C. Na₂CO₃; D. Cu kim loại không có O₂. (4) Ghép tính chất với biểu hiện: Tính acid – trung hoà NaOH; Tính oxi hoá khi đặc nóng – oxi hoá Cu tạo SO₂; Tính háo nước – than hoá đường.

Đáp án: (1) B: thêm acid từ từ vào nước giúp phân tán nhiệt, đổ ngược dễ bắn acid. (2) C: $Cu + 2H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + SO_2 + 2H_2O$. (3) A, B, C: Mg giải phóng $H_2$, CuO trung hoà tạo muối và nước, carbonate giải phóng $CO_2$; Cu không phản ứng với acid loãng thông thường (D sai). (4) Tính acid – trung hoà NaOH; tính oxi hoá khi đặc nóng – oxi hoá Cu tạo SO₂; tính háo nước – than hoá đường; cần phân biệt theo cơ chế và điều kiện.

HS vận dụng kiến thức nhận biết sulfate và tính toán theo phương trình để đề xuất quy trình có đối chứng cho một tình huống thực tế.

Tình huống: Một nhóm học sinh nghi ngờ mẫu nước giếng có chứa sulfate. Nhóm chuẩn bị mẫu thử và mẫu trắng đối chứng. Nhiệm vụ: (1) Đề xuất các bước nhận biết sulfate, nêu rõ bước acid hoá và bước đối chứng. (2) Nếu mẫu chứa 0,020 mol sulfate kết tủa hoàn toàn, tính khối lượng BaSO₄ lí thuyết (M = 233 g/mol). (3) Nêu một biện pháp bảo vệ môi trường khi sản xuất $H_2SO_4$ theo phương pháp tiếp xúc.

• Quy trình gợi ý: lấy mẫu thử và mẫu trắng; acid hoá mẫu bằng HCl loãng theo hướng dẫn GV; thêm dung dịch $BaCl_2$ vào cả hai ống; quan sát: mẫu thử có kết tủa trắng không tan trong acid, mẫu trắng không có kết tủa thì kết luận có sulfate.
• Tính toán: $n_{BaSO_4} = 0{,}020$ mol; $m = 0{,}020 \times 233 = 4{,}66$ g.
• Biện pháp: thu hồi và xử lí khí $SO_2$ dư trước khi thải; hấp thụ $SO_3$ bằng $H_2SO_4$ đặc thay vì nước để hạn chế sương acid.