[Hóa học 9 · HSG] Tám quy trình hóa học trong công nghiệp và đời sống: bài giảng khái niệm tương tác
Bài giảng khái niệm Hóa học 9 định hướng học sinh giỏi, chủ đề chọn từ bốn đề HSG 2025-2026 (Lào Cai, Ninh Bình, Quảng Trị, Cần Thơ): sulfuric acid và oleum…
Hóa
LUKATO AI KHTN 9 · Hóa học · Bài giảng khái niệm
0%
HSG KHTN 9 · HÓA HỌC · BÀI GIẢNG KHÁI NIỆM TƯƠNG TÁC
Tám quy trình hóa học mà đề học sinh giỏi luôn hỏi lại
Sulfuric acid, nhôm, phân lân, nước sạch, thu giữ CO 2 , nhiên liệu sinh học, xà phòng và phép thử nồng độ cồn. Bốn đề học sinh giỏi lớp 9 năm học 2025–2026 của Lào Cai, Ninh Bình, Quảng Trị và Cần Thơ đều xoay quanh những quy trình này. Ở đây bạn học bản chất của từng quy trình: nguyên liệu, phản ứng, điều kiện, lí do kĩ thuật, rồi kéo thanh trượt để thấy nó vận hành.
Nguyên liệu → phản ứng → điều kiện → vì sao làm vậy Các phương trình trên trang đã được kiểm cân bằng nguyên tố bằng chương trình máy tính; các con số quy chuẩn được đối chiếu với văn bản gốc
Sulfuric acid
Tổng quan
Đề thi hỏi về quy trình, không hỏi về mẹo
Đọc kĩ bốn đề sẽ thấy một điểm chung: phần lớn câu hỏi bắt đầu bằng một quy trình có thật trong công nghiệp hoặc đời sống, rồi hỏi “viết phương trình”, “vì sao lại làm như vậy”, “chất nào đóng vai trò gì”. Học sinh nắm chắc quy trình thì trả lời được mọi biến thể; học sinh chỉ thuộc dạng bài sẽ lúng túng khi số liệu thay đổi. Bài giảng này không giải đề. Nó dựng lại từng quy trình từ gốc.
1 Mỗi chất có một vai trò
Cryolite hạ nhiệt độ nóng chảy, V 2 O 5 là xúc tác, vôi tôi cung cấp ion OH − , H 2 SO 4 đặc vừa xúc tác vừa hút nước. Câu hỏi “vai trò của …” là câu hỏi về chức năng trong quy trình.
2 Mỗi điều kiện có một lí do
Phun nước dạng mưa để tăng diện tích tiếp xúc với không khí. Hấp thụ SO 3 bằng acid đặc để tránh sương mù acid. Nước làm lạnh đi từ dưới lên để luôn đầy ống. Điều kiện kĩ thuật luôn có lí do hóa học hoặc vật lí.
3 Bảo toàn là sợi chỉ xuyên suốt
Nguyên tố không mất đi qua các giai đoạn. Một mol oleum cho (n + 1) mol H 2 SO 4 ; mỗi mol Fe cuối cùng nằm trong một mol Fe(OH) 3 ; trong chu trình calcium chỉ có CO 2 đi qua. Nhìn theo nguyên tố, mọi quy trình đều trở nên đơn giản.
Tám phòng quy trình
Phòng thí nghiệm
Đọc lí thuyết, rồi kéo để thấy quy trình vận hành
Mỗi phòng gồm: lí thuyết trọng tâm, các phương trình hóa học có ghi điều kiện, hình mô phỏng tương tác và một câu chốt khái niệm. Số liệu trong các mô phỏng là số liệu minh họa để thấy xu hướng, không lấy từ đề thi. Số thập phân dùng dấu phẩy như trong sách giáo khoa.
Phòng 1 · Sulfuric acid và oleum: phương pháp tiếp xúc
Sulfuric acid là một trong những hóa chất được sản xuất nhiều nhất thế giới; nó có mặt trong phân bón, chất tẩy rửa, luyện kim, ắc quy. Phương pháp tiếp xúc đi qua ba giai đoạn và kết thúc bằng một chất trung gian ít người để ý: oleum.
Công nghiệp acid
Lí thuyết trọng tâm
Ba giai đoạn
(1) Tạo SO 2 bằng cách đốt lưu huỳnh hoặc quặng pyrite FeS 2 . (2) Oxi hóa SO 2 thành SO 3 bằng oxygen của không khí, ở 450–500 °C, có xúc tác V 2 O 5 . (3) Hấp thụ SO 3 bằng H 2 SO 4 đặc tạo oleum, rồi pha oleum vào lượng nước thích hợp để được acid có nồng độ mong muốn.
Vì sao không hấp thụ SO 3 bằng nước
SO 3 kết hợp với nước tỏa nhiệt rất mạnh. Nhiệt làm nước bay hơi, SO 3 gặp hơi nước tạo những hạt sương mù acid li ti, khó ngưng tụ, bay theo khí thải, gây thất thoát và ăn mòn thiết bị. Hấp thụ bằng H 2 SO 4 đặc thì SO 3 tan êm vào acid.
Oleum
Oleum có công thức chung H 2 SO 4 ·nSO 3 : cứ 1 mol H 2 SO 4 hòa tan thêm n mol SO 3 . Khi gặp nước, mỗi phân tử SO 3 biến thành một phân tử H 2 SO 4 . Vì vậy 1 mol oleum cho (n + 1) mol H 2 SO 4 . Đây là chìa khóa của mọi câu hỏi “xác định công thức oleum”.
Pha loãng tỏa nhiệt
Hòa tan H 2 SO 4 đặc hay oleum vào nước làm dung dịch nóng lên: quá trình tỏa nhiệt, năng lượng truyền từ hệ ra môi trường. Quy tắc an toàn: rót từ từ acid vào nước và khuấy đều, không bao giờ rót nước vào acid (nước nhẹ hơn, sôi tức thì ngay trên bề mặt và bắn acid ra ngoài).
Phương trình hóa học
Chọn một giai đoạn để xem chi tiết.
Chọn giai đoạn
Kéo n để thay đổi thành phần oleum.
Oleum H 2 SO 4 ·nSO 3
Số mol SO 3 trong 1 mol H 2 SO 4 : n
Khối lượng mol oleum — 98 + 80n (g/mol)
Số mol H 2 SO 4 sau pha loãng — từ 1 mol oleum
H 2 SO 4 thu được từ 1 g oleum — gam
Phần trăm SO 3 “tự do” — theo khối lượng
Vì nước tham gia phản ứng, khối lượng H 2 SO 4 thu được lớn hơn khối lượng oleum ban đầu. Khi n = 0, oleum chỉ là H 2 SO 4 100 %.
Tỏa nhiệt hay thu nhiệt?
Chọn chất hòa tan vào nước ở 25 °C. Mô phỏng định tính: chiều thay đổi nhiệt độ là đúng, độ lớn chỉ để minh họa.
Chốt khái niệm: Phương pháp tiếp xúc là chuỗi S → SO 2 → SO 3 → H 2 SO 4 . Nguyên tố lưu huỳnh được bảo toàn qua mọi giai đoạn, và oleum chỉ là một “kho chứa” SO 3 tan trong acid: thêm nước vào, mỗi SO 3 thành một H 2 SO 4 .
Phòng 2 · SO 2 , mưa acid và chất lượng không khí
Cùng một chất SO 2 vừa là nguyên liệu quý của nhà máy acid vừa là chất ô nhiễm của nhà máy nhiệt điện. Phòng này theo dấu SO 2 từ ống khói đến giọt mưa, rồi học cách nhận biết và đo nó.
Môi trường
Lí thuyết trọng tâm
Nguồn phát thải
Than đá, dầu mỏ và nhiều quặng kim loại có chứa lưu huỳnh. Khi đốt, lưu huỳnh cháy thành SO 2 . Nhà máy nhiệt điện than, lò luyện kim, động cơ dùng nhiên liệu nhiều lưu huỳnh là các nguồn chính; núi lửa là nguồn tự nhiên.
Từ SO 2 đến mưa acid
SO 2 tan trong nước tạo H 2 SO 3 ; một phần bị oxi hóa thành SO 3 (có bụi, ánh sáng xúc tác) rồi thành H 2 SO 4 . Nước mưa bình thường có pH khoảng 5,6 vì hòa tan CO 2 ; mưa có pH thấp hơn 5,6 gọi là mưa acid. Mưa acid làm chua đất, hại cây, ăn mòn kim loại và công trình đá vôi.
Tính chất để nhận biết
SO 2 là oxide acid (làm đục nước vôi trong giống CO 2 ) và có tính khử: làm mất màu nước bromine và dung dịch thuốc tím. CO 2 không làm mất màu hai dung dịch này. Vì vậy muốn phân biệt SO 2 với CO 2 phải dùng thuốc thử oxi hóa, không dùng nước vôi.
Đo nồng độ trong không khí
Nồng độ khí trong không khí đo bằng µg/m³ (1 µg = 10 -6 g = 10 -3 mg). QCVN 05:2023/BTNMT quy định SO 2 trung bình 1 giờ tối đa 350 µg/Nm³, trung bình 24 giờ 125 µg/Nm³, trung bình năm 50 µg/Nm³ (Nm³ là mét khối ở điều kiện chuẩn của quy chuẩn). Giá trị so sánh phải cùng thời gian lấy trung bình.
Phương trình hóa học
Kéo các thanh trượt.
Từ khối lượng mẫu đến nồng độ
Khối lượng SO 2 phân tích được
Thể tích không khí đã lấy mẫu
Nồng độ SO 2 —
Chuỗi đổi đơn vị: mg × 1000 = µg; chia cho số m³. Chỉ được so với giới hạn 1 giờ khi mẫu được lấy trung bình trong 1 giờ.
pH của mẫu nước mưa
Ống nghiệm thuốc thử
Chọn thuốc thử và khí sục vào. Quan sát xem hiện tượng có giúp phân biệt hai khí hay không.
Chốt khái niệm: SO 2 có hai “bộ mặt”: oxide acid (gây mưa acid, làm đục nước vôi) và chất khử (làm mất màu bromine, thuốc tím). Nhận biết dựa vào bộ mặt thứ hai; đánh giá ô nhiễm dựa vào nồng độ theo đúng thời gian lấy trung bình.
Phòng 3 · Điện phân nóng chảy nhôm oxide
Nhôm là kim loại phổ biến nhất trong vỏ Trái Đất nhưng chỉ được sản xuất hàng loạt từ khi có điện phân. Hiểu bể điện phân là hiểu ba câu hỏi kinh điển: cryolite để làm gì, ion đi về đâu, vì sao cực dương bị mòn.
Luyện kim
Lí thuyết trọng tâm
Vì sao phải điện phân
Nhôm đứng rất cao trong dãy hoạt động hóa học, nên Al 2 O 3 rất bền; C hay CO không khử được nó ở điều kiện lò cao như khi khử sắt oxide. Cách duy nhất có hiệu quả công nghiệp là dùng dòng điện tách nhôm ra khỏi Al 2 O 3 ở trạng thái nóng chảy. Nguyên liệu là quặng bauxite (thành phần chính Al 2 O 3 ·2H 2 O), được tinh chế thành Al 2 O 3 trước khi điện phân.
Ba vai trò của cryolite
Al 2 O 3 nóng chảy ở khoảng 2050 °C. Hòa tan nó trong cryolite Na 3 AlF 6 nóng chảy: (1) hạ nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp xuống khoảng 900–1000 °C, tiết kiệm năng lượng; (2) tạo chất lỏng dẫn điện tốt hơn; (3) tạo lớp lỏng nhẹ hơn nhôm, phủ lên nhôm nóng chảy, ngăn nhôm bị oxi hóa bởi không khí.
Hai điện cực
Cực âm (cathode) là lớp than chì lót đáy bể: ion Al 3+ về đây, nhận electron thành nhôm lỏng, tụ ở đáy và được tháo ra. Cực dương (anode) là các khối than chì (trong công nghiệp là khối carbon nung từ than cốc) nhúng từ trên xuống: ion O 2− về đây, nhường electron thành oxygen.
Vì sao anode bị mòn
Oxygen sinh ra ở nhiệt độ gần 1000 °C phản ứng ngay với chính cực than chì, tạo hỗn hợp CO và CO 2 . Anode vì thế tiêu hao liên tục và phải thay định kì. Than chì vẫn được chọn vì rẻ, dẫn điện tốt, chịu nhiệt; vật liệu trơ chịu được oxygen nóng trong muối florua nóng chảy rất khó chế tạo và đắt, hiện vẫn đang được nghiên cứu.
Phương trình hóa học
ion Al 3+ về cực âm ion O 2− về cực dương nhôm lỏng
Vận hành bể
Có cryolite Bỏ chọn để thấy nhiệt độ cần thiết khi chỉ có Al 2 O 3
Thời gian vận hành kể từ khi thay anode
Phần oxygen cháy thành CO (phần còn lại thành CO 2 )
Nhiệt độ bể —
Al 2 O 3 cần cho 1 tấn Al — nếu hiệu suất 100 %
Than chì anode tiêu hao cho 1 tấn Al —
Chốt khái niệm: Điện phân nóng chảy dùng năng lượng điện để tách một kim loại rất hoạt động khỏi oxide của nó. Cryolite giải quyết bài toán nhiệt độ; than chì giải quyết bài toán vật liệu nhưng phải trả giá bằng việc anode bị đốt cháy thành CO và CO 2 .
Phòng 4 · Phân lân superphosphate
Cây cần phosphorus để ra rễ, ra hoa, chắc hạt, nhưng chỉ hút được phosphorus ở dạng ion phosphate tan trong nước. Toàn bộ công nghệ phân lân là câu chuyện biến quặng không tan thành muối tan.
Phân bón
Lí thuyết trọng tâm
Từ quặng không tan đến muối tan
Quặng phosphorite (thành phần chính Ca 3 (PO 4 ) 2 ) và quặng apatite (3Ca 3 (PO 4 ) 2 ·CaF 2 , viết gọn Ca 5 (PO 4 ) 3 F) hầu như không tan trong nước. Cho tác dụng với acid mạnh sẽ chuyển chúng thành calcium dihydrogen phosphate Ca(H 2 PO 4 ) 2 , muối tan mà rễ cây hấp thụ được.
Đơn và kép
Superphosphate đơn: quặng tác dụng trực tiếp với H 2 SO 4 đặc; sản phẩm là hỗn hợp Ca(H 2 PO 4 ) 2 và CaSO 4 (thành phần của thạch cao, không có giá trị dinh dưỡng lân). Superphosphate kép: giai đoạn 1 dùng H 2 SO 4 điều chế H 3 PO 4 và lọc bỏ CaSO 4 ít tan; giai đoạn 2 cho H 3 PO 4 tác dụng với quặng. Phân kép không chứa CaSO 4 nên giàu lân hơn.
Độ dinh dưỡng
Độ dinh dưỡng của phân lân được quy đổi thành phần trăm khối lượng P 2 O 5 tương ứng với lượng phosphorus có trong phân, dù trong phân không hề có phân tử P 2 O 5 . Mỗi Ca(H 2 PO 4 ) 2 chứa 2 nguyên tử P, ứng với 1 P 2 O 5 . Trên bao bì, ba số N–P–K lần lượt là %N, %P 2 O 5 , %K 2 O.
Không bón chung với vôi
Vôi Ca(OH) 2 là base. Gặp Ca(H 2 PO 4 ) 2 , nó chuyển lân dễ tan trở lại Ca 3 (PO 4 ) 2 khó tan, cây không hấp thụ được. Muốn khử chua bằng vôi, phải bón vôi trước và cách xa thời điểm bón lân.
Phương trình hóa học
Pha trộn bao phân
Phần khối lượng không phải tạp chất
Ca(H 2 PO 4 ) 2 trong 100 kg phân —
CaSO 4 trong 100 kg phân —
Độ dinh dưỡng (% P 2 O 5 ) —
Đọc nhãn N–P–K
Chốt khái niệm: Phân lân có giá trị vì phosphorus ở dạng tan. Độ dinh dưỡng là một quy ước tính theo P 2 O 5 ; phân kép giàu lân hơn phân đơn vì đã loại CaSO 4 ra khỏi sản phẩm.
Phòng 5 · Khử sắt trong nước sinh hoạt
Nước giếng khoan trong vắt lúc mới bơm lên, để một lúc thì ngả vàng, có mùi tanh, làm ố quần áo và thiết bị vệ sinh. Thủ phạm là sắt, và cách xử lí dựa trên một khái niệm duy nhất: biến sắt tan thành sắt không tan.
Nước sạch
Lí thuyết trọng tâm
Giới hạn cho phép
QCVN 01-1:2018/BYT quy định hàm lượng sắt trong nước sạch dùng cho sinh hoạt tối đa 0,3 mg/L. Đổi đơn vị: 1 mg/L = 1 g/m³, vì 1 m³ = 1000 L. Nước có sắt vượt mức có vị tanh, màu vàng, gây ố và tạo cặn trong đường ống.
Hai dạng của sắt
Trong nước ngầm thiếu oxygen, sắt tồn tại chủ yếu ở dạng ion Fe 2+ tan, không màu nên nước trông trong. Khi gặp không khí, Fe 2+ bị oxygen oxi hóa thành Fe 3+ , tạo Fe(OH) 3 màu nâu đỏ không tan: đó là lí do nước giếng để lâu thì vàng và có cặn.
Giàn mưa: làm thoáng
Phun nước thành tia nhỏ dạng mưa giúp tăng mạnh diện tích tiếp xúc giữa nước và không khí: oxygen hòa tan nhiều hơn để oxi hóa Fe 2+ , đồng thời khí CO 2 hòa tan thoát ra làm pH tăng, giúp kết tủa hình thành nhanh. Sau đó nước qua bể lắng và bể lọc cát để giữ Fe(OH) 3 .
Vôi tôi
Ca(OH) 2 cung cấp ion OH − để sắt kết tủa thành Fe(OH) 3 . Khi sắt ở dạng muối sulfate, nhìn theo bảo toàn: mỗi gốc SO 4 2− của muối sắt kết hợp với một Ca 2+ thành CaSO 4 . Vì vậy số mol Ca(OH) 2 vừa đủ bằng số mol gốc sulfate: 1 mol cho mỗi mol FeSO 4 , 3 mol cho mỗi mol Fe 2 (SO 4 ) 3 .
Phương trình hóa học
Fe 2+ tan Fe(OH) 3 kết tủa
Điều khiển trạm xử lí
Phun dạng mưa qua giàn Bỏ chọn: nước đổ thành dòng lớn, ít tiếp xúc với không khí