Zn + HNO3 → Zn(NO3)2 + NO + H2O (Zn ra Zn(NO3)2)

1. Phương trình phản ứng Zn + HNO3 → Zn(NO3)2 + NO + H2O:

Phương trình phản ứng Zn + HNO3 → Zn(NO3)2 + NO + H2O là một phương trình oxi hóa khử, trong đó kẽm bị oxi hóa từ trạng thái không phân cực (+0) lên trạng thái phân cực (+2), còn axit nitric bị khử từ trạng thái phân cực (+5) xuống trạng thái phân cực (+2). Phản ứng này chỉ xảy ra khi sử dụng axit nitric loãng, vì nếu sử dụng axit nitric đặc thì sản phẩm khí sẽ là nitơ điôxít (NO2) và nitơ (N2). Phản ứng này cũng có thể được sử dụng để sản xuất các hợp chất hữu cơ và các phản ứng oxi hóa khử khác. Để thực hiện phản ứng này, cần có kẽm tinh khiết và axit nitric loãng, sau đó cho kẽm vào dung dịch axit nitric loãng và quan sát hiện tượng. Khi phản ứng xảy ra, sẽ thấy kẽm tan dần trong dung dịch, xuất hiện bọt khí không màu, hóa nâu trong không khí. Dung dịch cũng có màu xanh nhạt do chứa ion kẽm (Zn2+). Sản phẩm rắn sau phản ứng là muối kẽm nitrat (Zn(NO3)2), có thể được tách ra bằng cách lọc hoặc bay hơi nước.

Để cân bằng phương trình, ta có thể áp dụng phương pháp ion electron như sau:

Bước 1: Viết phương trình ion của các chất tham gia và sản phẩm:

Zn → Zn2+ + 2e-

HNO3 + H2O → NO + 4H+ + 3e-

Bước 2: Nhân các hệ số sao cho tổng số electron bị nhường bằng tổng số electron được nhận:

Zn → Zn2+ + 2e- (nhân 3)

HNO3 + H2O → NO + 4H+ + 3e- (nhân 2)

Bước 3: Cộng hai phương trình lại với nhau để loại bỏ số electron:

3Zn + 2HNO3 + 2H2O → 3Zn2+ + 2NO + 8H+

Bước 4: Thêm các ion nitrat vào hai vế để hoàn thành phương trình:

3Zn + 8HNO3 → 3Zn(NO3)2 + 2NO + 4H2O

2. Các phương trình phản ứng từ Zn ra Zn(NO3)2:

Để giải thích chi tiết các phương trình phản ứng từ Zn ra Zn(NO3)2, ta cần xét các bước chuyển hóa của kim loại Zn khi tác dụng với các chất khác. Theo sơ đồ sau:

Zn → ZnO → ZnCl2 → Zn(NO3)2 → Zn(OH)2 → ZnSO4

Ta có thể thấy rằng, để thu được Zn(NO3)2 từ Zn, cần qua hai bước là:

– Bước 1: Đốt cháy kim loại Zn trong không khí để tạo ra oxit bazo ZnO. Phương trình phản ứng là:

Zn + O2 → ZnO

– Bước 2: Hòa tan oxit bazo ZnO trong dung dịch axit nitric HNO3 để tạo ra muối nitrat của kẽm Zn(NO3)2. Phương trình phản ứng là:

ZnO + 2HNO3 → Zn(NO3)2 + H2O

Ngoài ra, ta cũng có thể thu được Zn(NO3)2 từ Zn bằng cách cho kim loại Zn tác dụng trực tiếp với dung dịch axit nitric HNO3. Tuy nhiên, tùy vào nồng độ của dung dịch HNO3 mà ta sẽ có các phương trình phản ứng khác nhau :

– Nếu dung dịch HNO3 loãng, ta có phương trình phản ứng là:

3Zn + 8HNO3 → 3Zn(NO3)2 + 2NO + 4H2O

Trong phản ứng này, kim loại Zn bị oxi hóa thành ion kẽm (II) Zn(II), còn axit nitric HNO3 bị khử thành khí nitơ monoxit NO.

– Nếu dung dịch HNO3 đặc, ta có phương trình phản ứng là:

Zn + 4HNO3 → Zn(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O

Trong phản ứng này, kim loại Zn cũng bị oxi hóa thành ion kẽm (II) Zn(II), nhưng axit nitric HNO3 bị khử thành khí nitơ điôxít NO2.

3. Các bài tập vận dụng liên quan:

Bài 1:  Tính khối lượng Zn cần để phản ứng vừa đủ với 100 ml dung dịch HNO3 0,5M. Biết phản ứng xảy ra theo phương trình: Zn + 2HNO3 -> Zn(NO3)2 + H2

Lời giải:

– Theo phương trình phản ứng, ta có tỉ lệ mol giữa Zn và HNO3 là 1:2. Do đó, số mol HNO3 trong dung dịch là:

n(HNO3) = C x V = 0,5 x 0,1 = 0,05 mol

– Số mol Zn cần để phản ứng vừa đủ với HNO3 là:

n(Zn) = n(HNO3)/2 = 0,05/2 = 0,025 mol

– Khối lượng Zn cần là:

m(Zn) = n x M = 0,025 x 65,4 = 1,635 g

Bài 2: Tính nồng độ mol của dung dịch Zn(NO3)2 thu được sau khi phản ứng hoàn toàn 10 g Zn với dung dịch HNO3 đặc. Biết thể tích dung dịch thu được là 250 ml và phản ứng xảy ra theo phương trình như trên.

Lời giải:

– Theo phương trình phản ứng, ta có tỉ lệ mol giữa Zn và Zn(NO3)2 là 1:1. Do đó, số mol Zn(NO3)2 thu được bằng số mol Zn ban đầu.

– Số mol Zn ban đầu là:

n(Zn) = m/M = 10/65,4 = 0,153 mol

– Nồng độ mol của dung dịch Zn(NO3)2 thu được là:

C(Zn(NO3)2) = n/V = 0,153/0,25 = 0,612 M

Bài 3: Tính thể tích khí H2 thu được khi cho 5 g Zn tác dụng với dung dịch HNO3 loãng. Biết điều kiện tiêu chuẩn và phản ứng xảy ra theo phương trình như trên.

Lời giải:

– Theo phương trình phản ứng, ta có tỉ lệ mol giữa Zn và H2 là 1:1. Do đó, số mol H2 thu được bằng số mol Zn ban đầu.

– Số mol Zn ban đầu là:

n(Zn) = m/M = 5/65,4 = 0,0765 mol

– Số mol H2 thu được là:

n(H2) = n(Zn) = 0,0765 mol

– Thể tích khí H2 thu được theo điều kiện tiêu chuẩn là:

V(H2) = n x Vm = 0,0765 x 22,4 = 1,7136 l

Bài 4: Tính khối lượng muối khan Zn(NO3)2 thu được khi cho dung dịch chứa muối này bay hơi hoàn toàn. Biết thể tích dung dịch ban đầu là 200 ml và nồng độ mol là 0,4 M.

Lời giải:

– Số mol muối khan Zn(NO3)2 trong dung dịch ban đầu là:

n(Zn(NO3)2) = C x V = 0,4 x 0,2 = 0,08 mol

– Khối lượng muối khan Zn(NO3)2 thu được khi bay hơi hoàn toàn là:

m(Zn(NO3)2) = n x M = 0,08 x (65,4 + 14 + (16 x 6)) = 21,76 g

Bài 5: Cho 6,5 gam kẽm tác dụng với dung dịch axit nitric đặc, nóng. Tính khối lượng khí NO sinh ra và thể tích dung dịch Zn(NO3)2 thu được (biết d = 1,5 g/ml).

Lời giải:

– Ta có phương trình phản ứng:

Zn + 4HNO3 → Zn(NO3)2 + 2NO + 2H2O

– Theo định luật bảo toàn khối lượng, ta có:

m(Zn) + m(HNO3) = m(Zn(NO3)2) + m(NO) + m(H2O)

– Thay các giá trị đã biết vào, ta được:

6,5 + m(HNO3) = m(Zn(NO3)2) + 0,14m(Zn) + 0,09m(Zn)

– Giải phương trình trên, ta được:

m(HNO3) = 0,77m(Zn) + m(Zn(NO3)2)

m(NO) = 0,14m(Zn) = 0,14 x 6,5 = 0,91 (gam)

V(H2O) = m(H2O)/d(H2O) = 0,09m(Zn)/1 = 0,09 x 6,5/1 = 0,585 (ml)

V(Zn(NO3)2) = m(Zn(NO3)2)/d(Zn(NO3)2) = [m(HNO3) – 0,77m(Zn)]/1,5

= [m(HNO3) – 0,77 x 6,5]/1,5

– Do dung dịch axit nitric đặc có d = 1,4 g/ml và nồng độ 68%, ta có:

m(HNO3) = V(HNO3) x d(HNO3) x C(HNO3)

= V(HNO3) x 1,4 x 68/100

– Vì V(HNO3) + V(Zn(NO3)2) + V(H2O) = V(phản ứng), ta có:

V(phản ứng) x d(phản ứng) = m(phản ứng)

– Vì dung dịch Zn(NO3)2 có d = 1,5 g/ml và dung dịch H2O có d = 1 g/ml, ta có:

d(phản ứng) = [V(HNO3) x d(HNO3) + V(Zn(NO3)2) x d(Zn(NO3)2)

+ V(H2O)x d(H2O)] / V(phản ứng)

– Thay các giá trị đã biết vào, ta được:

V(phản ứng) x [1,4 x V(HNO3)/ V(phản ứng)

+1,5 x [V(phản ứng)- V(HNO3) – 0,585]/ V(phản ứng) + 0,585]

= V(HNO3) x 1,4 x 68/100 + 6,5 + 0,91 + 0,585

Giải phương trình trên, ta được:

– V(phản ứng) = 9,8 (ml)

V(HNO3) = 4 (ml)

V(Zn(NO3)2) = 5,215 (ml)

Đáp số: Khối lượng khí NO sinh ra là 0,91 gam. Thể tích dung dịch Zn(NO3)2 thu được là

5.215 ml.

Bài 6: Cho 10,8 gam Zn tác dụng với dung dịch HNO3 loãng thu được dung dịch X và 4,48 lít khí NO (đktc). Tính nồng độ mol của các chất trong dung dịch X.

Lời giải:

– Phương trình phản ứng:

Zn + 4HNO3 -> Zn(NO3)2 + 2NO + 2H2O

– Theo định luật bảo toàn khối lượng, ta có:

nZn = mZn/MZn = 10,8/65 = 0,16667 mol

nNO = VNO/22,4 = 4,48/22,4 = 0,2 mol

– Theo định luật bảo toàn nguyên tố, ta có:

nZn = nZn(NO3)2

nNO = 2nZn(NO3)2

– Suy ra:

nZn(NO3)2 = nZn = nNO/2 = 0,16667 mol

nHNO3 = 4nZn(NO3)2 – nNO = 0,46667 mol

– Gọi V là thể tích dung dịch X, ta có:

CZn(NO3)2 = nZn(NO3)2/V

CHNO3 = nHNO3/V