(C6H10O5)n + nHNO3 (đặc) → (C6H7O2(ONO)3)n + nH2O

1. Phương trình hóa học (C6H10O5)n + nHNO3 (đặc) → (C6H7O2(ONO)3)n + nH2O:

(C6H10O5)n + 3nHNO3 -> (C6H7O2(ONO2)3)n + 3nH2O

Phương trình hóa học trên mô tả phản ứng nitrat hóa xenlulozơ, một loại polisacarit có trong thực vật. Phản ứng nitrat hóa xenlulozơ là quá trình tạo ra xenlulozơ trinitrat (C6H7O2(ONO2)3)n từ xenlulozơ (C6H10O5)n và axit nitric (HNO3) trong môi trường axit sunfuric đặc. Khi xenlulozơ được đun nóng với axit nitric đặc, các nhóm hydroxyl trên phân tử xenlulozơ sẽ bị thay thế bởi các nhóm nitrat, tạo ra một chất nổ mạnh gọi là nitro xenlulozơ hay sợi bông nổ. Nitro xenlulozơ là một hợp chất dễ cháy được tạo ra bằng cách nitrat hóa xenlulozơ khi tiếp xúc với axit nitric và axit sulfuric. Nitro xenlulozơ là thành phần chính của thuốc súng hiện đại và cũng được dùng trong một số loại sơn và phủ bề mặt. Trong cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20, nó là nguyên liệu của các loại sợi và nhựa tổng hợp đầu tiên.

Phương trình có dạng tổng quát là (C6H10O5)n + nHNO3 (đặc) → (C6H7O2(ONO)3)n + nH2O, trong đó n là số đơn vị xenlulozơ liên kết với nhau. Các nhóm nitrat được gắn vào các vị trí 2, 3 và 6 của mỗi đơn vị glucozơ trong phân tử xenlulozơ. 

Phản ứng này được khám phá bởi nhà hóa học người Thụy Điển Christian Schönbein vào năm 1846 và được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp quân sự và y tế. Nitro xenlulozơ có thể được dùng để chế tạo thuốc nổ, thuốc súng, đạn dược, chất nổ nhạy cảm và thuốc trợ tim. Tuy nhiên, nitro xenlulozơ cũng rất dễ cháy và phát nổ khi tiếp xúc với lửa, nhiệt độ cao, áp suất hoặc va chạm mạnh. Do đó, việc xử lý và bảo quản nitro xenlulozơ cần rất cẩn thận và tuân thủ các quy định an toàn. Nếu không cần thiết, không nên tiếp xúc trực tiếp với nitro xenlulozơ mà chỉ sử dụng các dụng cụ bảo hộ như găng tay, kính mắt và khẩu trang. 

2. Tìm hiểu về phản ứng (C6H10O5)n + nHNO3 (đặc) → (C6H7O2(ONO)3)n + nH2O:

2.1. Điều kiện xảy ra phản ứng:

Điều kiện để phản ứng xảy ra là cần có xúc tác bởi H2SO4 đặc và nhiệt độ cao.

2.2. Hiện tượng nhận biết xảy ra phản ứng:

Hiện tượng nhận biết phản ứng là sản phẩm thu được có màu vàng, khi đốt cháy nhanh, không khói không tàn.

2.3. Thực hiện phản ứng:

Để hiểu rõ hơn quá trình này, ta có thể xem xét các bước sau:

– Bước 1: Chuẩn bị dung dịch HNO3/H2SO4 đặc với nồng độ phù hợp. Dung dịch này có vai trò làm xúc tác, giúp tăng tốc độ phản ứng và hiệu suất sản phẩm.

– Bước 2: Cho xenlulozơ dạng bông vào dung dịch và đun nóng trong một thời gian nhất định. Trong quá trình này, nhóm hidroxy (-OH) trên xenlulozơ bị thay thế bởi nhóm nitro (-NO2) trong axit nitric, tạo ra liên kết xenlulozơ trinitrat.

– Bước 3: Lọc lấy chất rắn và rửa sạch bằng nước để loại bỏ các tạp chất. Chất rắn thu được là xenlulozơ trinitrat dạng bông màu trắng hoặc vàng nhạt.

– Bước 4: Ép khô và sấy khô xenlulozơ trinitrat. Chất này có tính chất nổ, vì vậy cần được bảo quản cẩn thận.

Quá trình này cần phải thực hiện với các biện pháp an toàn như sau:

– Đeo găng tay, kính bảo hộ, khẩu trang và quần áo bảo hộ khi tiếp xúc với các chất nguy hiểm như axit nitric, axit sunfuric và xenlulozơ trinitrat.

– Sử dụng bình thủy tinh có nắp đậy để chứa dung dịch HNO3/H2SO4 đặc và xenlulozơ trinitrat. Tránh để dung dịch bị rò rỉ, bắn tung tóe hoặc tiếp xúc với không khí.

– Đun nóng dung dịch trong một nồi nước nóng có nhiệt độ kiểm soát. Tránh để dung dịch sôi quá mức hoặc bị quá nóng. Giữ khoảng cách an toàn với nguồn lửa và các chất oxi hóa mạnh.

– Lọc lấy chất rắn và rửa sạch bằng nước lạnh. Tránh để chất rắn bị nén quá mức hoặc bị va đập mạnh. Sử dụng giấy lọc không chứa các chất hữu cơ hoặc kim loại.

– Ép khô và sấy khô xenlulozơ trinitrat ở nhiệt độ thấp. Tránh để chất rắn bị tiếp xúc với ánh sáng mặt trời, nhiệt độ cao hoặc các chất oxi hóa mạnh. Bảo quản xenlulozơ trinitrat trong các hộp kín, khô ráo và thoáng mát.

2.4. Ưu điểm và nhược điểm của phản ứng:

Quá trình xảy ra phản ứng hóa học có những ưu và nhược điểm như sau:

– Ưu điểm: Quá trình nitrat hóa xenlulozơ khá đơn giản, dễ thực hiện và có hiệu suất cao. Sản phẩm xenlulozơ trinitrat có tính chất nổ tốt, dễ bảo quản và vận chuyển. Ngoài ra, xenlulozơ trinitrat còn có ứng dụng trong y học, như làm màng phủ cho các thiết bị y tế, làm chất phóng xạ trong điều trị ung thư, làm chất kết dính trong phẫu thuật.

– Nhược điểm: Quá trình nitrat hóa xenlulozơ cần sử dụng các chất nguy hiểm như axit nitric và axit sunfuric đặc, có thể gây bỏng da, mắt và đường hô hấp. Sản phẩm xenlulozơ trinitrat cũng rất dễ cháy và nổ khi tiếp xúc với lửa, nhiệt độ cao hoặc các chất oxi hóa mạnh. Do đó, cần phải tuân thủ các biện pháp an toàn khi thực hiện quá trình này.

2.5. Các đặc điểm của quá trình nitrat hóa xenlulozơ:

– Xúc tác: Axit sunfuric đặc có vai trò làm xúc tác, giúp tăng tốc độ phản ứng và hiệu suất sản phẩm.

– Nhiệt độ và áp suất: Phản ứng diễn ra ở nhiệt độ cao (khoảng 50-60 độ C) và áp suất không quá cao (khoảng 1 atm) để duy trì sự ổn định của quá trình.

– Tỷ lệ phản ứng: Mỗi một đơn vị xenlulozơ tương ứng với ba đơn vị axit nitric, tạo ra một mạch xenlulozơ trinitrat.

– Cơ chế phản ứng: Trong quá trình phản ứng, nhóm hidroxy (-OH) trên xenlulozơ bị thay thế bởi nhóm nitro (-NO2) trong axit nitric, tạo ra liên kết xenlulozơ trinitrat.

2.6. Ứng dụng của xenlulozơ trinitrat:

Trong lĩnh vực y học, xenlulozơ trinitrat có những ứng dụng như sau:

– Làm màng phủ cho các thiết bị y tế, như ống thông, ống nội soi, ống thông khí quản, v.v. Màng phủ xenlulozơ trinitrat có tính chất kháng khuẩn, chống dính máu và tăng khả năng bền của thiết bị. 

– Làm chất phóng xạ trong điều trị ung thư. Xenlulozơ trinitrat có thể được kết hợp với các nguyên tử phóng xạ như iridium-192 hoặc palladium-103 để tạo ra các hạt phóng xạ nhỏ, có thể được cấy ghép vào khối u để tiêu diệt tế bào ung thư. 

– Làm chất kết dính trong phẫu thuật. Xenlulozơ trinitrat có thể được sử dụng để kết dính các mô bị đứt hoặc rách trong các ca phẫu thuật tim mạch, tiêu hóa, thần kinh, v.v. Xenlulozơ trinitrat có khả năng kết dính nhanh và mạnh, giảm nguy cơ nhiễm trùng và chảy máu. 

Trong lĩnh vực quân sự, xenlulozơ trinitrat có những ứng dụng như sau:

– Sử dụng làm chất nổ trong đạn, tên lửa, pháo hoa, phòng không và các vật liệu nổ khác. Chất này có thể tạo ra một lực nổ lớn và sinh ra nhiệt và ánh sáng. 

– Xenlulozơ trinitrat cũng có thể được kết hợp với các chất khác để tăng cường hiệu quả nổ, như nitrogliserin, nitroglycol, nitroguanidin và RDX.

Trong lĩnh vực công nghiệp, xenlulozơ trinitrat có những ứng dụng như sau:

– Sử dụng làm nguyên liệu để sản xuất các loại sợi, màng phim, sơn và mực in. Chất này có thể tạo ra các sản phẩm có tính đàn hồi, bền và trong suốt. 

– Được dùng để làm chất phủ gỗ, chất kết dính và chất bôi trơn.

3. Cách cân bằng phương trình hóa học (C6H10O5)n + nHNO3 (đặc) → (C6H7O2(ONO)3)n + nH2O:

Để cân bằng phương trình (C6H7O2(OH)3)N + NHNO3 = (C6H7O2(ONO2)3)N + NH2O bằng phương pháp đại số, bạn phải có kinh nghiệm giải các hệ phương trình tuyến tính. Các phương pháp phổ biến nhất là thay thế/loại bỏ đại số tuyến tính.

– Bước 1: Gắn với mỗi hợp chất của phương trình bằng một biến

Gắn với mỗi hợp chất (chất phản ứng hoặc sản phẩm) trong phương trình bằng một biến để biểu diễn các hệ số chưa biết.

a (C6H7O2(OH)3)N + b NHNO3 = c (C6H7O2(ONO2)3)N + d NH2O 

– Bước 2: Tạo một hệ phương trình

Tạo một phương trình cho mỗi nguyên tố (C, H, O, N) trong đó mỗi số hạng đại diện cho số lượng nguyên tử của nguyên tố trong mỗi chất phản ứng hoặc sản phẩm.

C: 6a + 0b = 6c + 0d

H: 10a + 1b = 7c + 2d

O: 5a + 3b = 11c + 1d

N: 1a + 2b = 4c + 1d

– Bước 3: Giải quyết tất cả các biến

Sử dụng phương pháp thay thế, loại bỏ hoặc dùng máy tính để giải cho từng biến.

+ Sử dụng phương pháp thay thế hoặc loại bỏ:

6a – 6c = 0

10a + 1b – 7c – 2d = 0

5a + 3b – 11c – 1d = 0

1a + 2b – 4c – 1d = 0

+ Sử dụng Hệ thống tuyến tính / Đại số:

Sử dụng hàm rref() của máy tính để chuyển đổi ma trận sau:

[ 6 0 -6 0 0]

[ 10 1 -7 -2 0]

[ 5 3 -11 -1 0]

[ 1 2 -4 -1 0]

+ Kết quả của ma trận có thể được sử dụng để xác định các hệ số. Trong trường hợp chỉ có một giải pháp duy nhất, cột cuối cùng của ma trận sẽ chứa các hệ số.

+ Đơn giản hóa kết quả để có được toàn bộ các giá trị số nguyên thấp nhất.

a = 1 ((C6H7O2(OH)3)N)

b = 3 (NHNO3)

c = 1 ((C6H7O2(ONO2)3)N)

d = 3 (NH2O)

– Bước 4: Thay thế hệ số và xác minh kết quả

Đếm số nguyên tử của mỗi nguyên tố ở mỗi bên của phương trình và xác minh rằng tất cả các nguyên tố và electron (nếu có điện tích / ion) đều cân bằng.

(C6H10O5)n + 3nHNO3 -> (C6H7O2(ONO2)3)n + 3nH2O

Vì có số lượng bằng nhau của mỗi nguyên tố trong các chất phản ứng và sản phẩm nên phương trình được cân bằng là:

(C6H7O2 (OH) 3) N + 3NHNO3 = (C6H7O2 (ONO2) 3) N + 3NH2O