Giải bài 3 trang 29 Hoá 11 SGK Chân trời sáng tạo

14:19:5622/04/2023

Chào các em! Hôm nay, chúng ta sẽ cùng nhau giải chi tiết Bài 3 trang 29 SGK Hóa 11 thuộc bộ sách Chân trời sáng tạo. Đây là một bài toán thực tế rất thú vị, liên quan đến vấn đề ô nhiễm môi trường và ứng dụng hóa học để xử lý. Bài toán yêu cầu đề xuất các hóa chất để chuyển ion ammonium ( $N H_{4 +}$ ) thành khí nitrogen ( $N_{2}$ ) không độc

Đề bài:

Khi thải rác thải sinh hoạt chứa một lượng lớn ion ammonium vào ao, hồ sẽ sinh ra quá trình oxi hóa ammonium thành ion nitrate dưới tác dụng của vi khuẩn. Quá trình này làm giảm oxygen hòa tan trong nước, gây ngạt cho sinh vật sống dưới nước.

Người ta phải xử lý nguồn nước gây ô nhiễm đó bằng cách chuyển ion ammonium thành ammonia, rồi chuyển tiếp thành nitrogen không độc. Hãy đề xuất một số hóa chất thực hiện quá trình trên. Viết phương trình hóa học của phản ứng xảy ra.

Phân tích và Hướng dẫn giải:

Đề bài đưa ra một vấn đề ô nhiễm nước do ion ammonium ( $N H_{4 +}$ ) và đề xuất một phương pháp xử lý gồm hai giai đoạn:

Chuyển ion ammonium thành amoniac ( $N H_{3}$ ).
Chuyển amoniac thành khí nitrogen ( $N_{2}$ ) không độc.

Để thực hiện các quá trình này, chúng ta cần tìm các hóa chất có khả năng:

Giai đoạn 1: Phản ứng với ion $N H_{4 +}$ để tạo ra $N H_{3}$ . Đây là một phản ứng nhận biết điển hình của ion ammonium, xảy ra khi có sự tham gia của ion $O H^{-}$ .
Giai đoạn 2: Oxi hóa $N H_{3}$ thành $N_{2}$ . Để thực hiện phản ứng này, chúng ta cần một chất oxi hóa. Trong thực tế, các hợp chất chứa $N O_{2 -}$ có thể đóng vai trò này.

Lời giải chi tiết:

Để xử lý nguồn nước bị ô nhiễm do ion ammonium, chúng ta có thể thực hiện theo quy trình sau:

Giai đoạn 1: Chuyển ion ammonium thành ammonia

Để chuyển ion $N H_{4 +}$ thành amoniac ( $N H_{3}$ ), ta cần thêm vào dung dịch một chất kiềm. Các hóa chất kiềm phổ biến có thể sử dụng là:

Dung dịch natri hiđroxit ( $N a O H$ ).
Dung dịch kali hiđroxit ( $K O H$ ).
Dung dịch canxi hiđroxit ( $C a (O H)_{2}$ ).

Phản ứng này là một phản ứng trao đổi ion. Ví dụ, khi cho dung dịch $N a O H$ vào dung dịch chứa ion $N H_{4 +}$ :

$N H_{4 +} (a q) + O H^{-} (a q) \to N H_{3} (g) ↑ + H_{2} O (l)$

Hoặc với muối ammonium cụ thể:

$N H_{4} Cl (a q) + N a O H (a q) \to N H_{3} (g) ↑ + N a Cl (a q) + H_{2} O (l)$

Khí $N H_{3}$ tạo ra có thể thu được và chuyển sang giai đoạn tiếp theo.

Giai đoạn 2: Chuyển amoniac thành nitrogen không độc

Amoniac ( $N H_{3}$ ) có thể bị oxi hóa để tạo thành khí nitrogen ( $N_{2}$ ). Trong thực tế, quá trình này thường được thực hiện bởi vi khuẩn trong một quá trình gọi là anammox. Chúng ta có thể sử dụng các hóa chất chứa ion nitrit ( $N O_{2 -}$ ) để oxi hóa amoniac.

Phản ứng hóa học tổng quát diễn ra trong môi trường nước có thể được biểu diễn như sau:

$N H_{3} + H N O_{2} \to N_{2} ↑ + 2 H_{2} O$

(Lưu ý: $H N O_{2}$ là axit nitrơ, có thể được tạo ra từ ion nitrit $N O_{2 -}$ trong môi trường axit.)

Tuy nhiên, trong các nhà máy xử lý nước thải, quá trình này phức tạp hơn và có sự tham gia của vi khuẩn. Ion nitrit được tạo ra từ quá trình oxi hóa một phần amoniac. Sau đó, nitrit sẽ phản ứng với phần amoniac còn lại để tạo ra khí nitrogen.

$N H_{4 +} + N O_{2 -} \to N_{2} ↑ + 2 H_{2} O$

Vì vậy, các hóa chất cần thiết là dung dịch kiềm (như $N a O H$ ) và một chất oxi hóa có khả năng chuyển amoniac thành khí nitrogen.

Để xử lý nguồn nước ô nhiễm chứa ion ammonium, chúng ta cần một quy trình hai bước. Đầu tiên, sử dụng một dung dịch kiềm để chuyển $N H_{4 +}$ thành khí amoniac ( $N H_{3}$ ). Sau đó, sử dụng một chất oxi hóa (như ion nitrit $N O_{2 -}$ ) để chuyển amoniac thành khí nitrogen ( $N_{2}$ ) không độc, trả lại nguồn nước sạch cho môi trường.