Kali nitrat (KNO₃) khi đun nóng phân hủy thành kali nitrit (KNO₂) và khí oxi (O₂). Đây là một phản ứng phân hủy nhiệt điển hình của muối nitrat kim loại kiềm, trong đó anion nitrate bị khử từ số oxi hóa +5 của nitơ xuống +3 (nitrite), còn oxi phân tử được giải phóng ra khỏi mạng tinh thể. Phản ứng không cần chất xúc tác, diễn ra khi cung cấp đủ nhiệt sau khi KNO₃ đã nóng chảy. Do O₂ sinh ra liên tục, phản ứng có xu hướng dịch chuyển về phía sản phẩm trong hệ hở.
Phương trình hóa học
\[2KNO_3 \xrightarrow{\Delta} 2KNO_2 + O_2 \uparrow\]
Cân bằng phương trình:
\[2KNO_3 \xrightarrow{\Delta} 2KNO_2 + O_2 \uparrow\]
Biểu diễn thay đổi số oxi hóa (giải thích bản chất khử–oxi hóa trong cùng một loài anion):
- N: +5 (trong NO₃⁻) → +3 (trong NO₂⁻) là quá trình khử.
- O: 2O²⁻ (trong NO₃⁻) → O₂ (0) là quá trình oxi hóa.
Tổng thể là phản ứng phân hủy nội phân tử kèm thay đổi trạng thái oxi hóa của các nguyên tố trong anion.
Điều kiện phản ứng
Phản ứng xảy ra khi đun nóng KNO₃ ở trạng thái nóng chảy. Nhiệt độ bắt đầu phân hủy thường được ghi nhận từ khoảng 400 °C trở lên (KNO₃ nóng chảy ở khoảng 334 °C), tốc độ tăng theo nhiệt độ. Hệ phải thông thoáng để khí O₂ thoát ra, tránh áp suất tăng trong ống nghiệm hoặc bình kín.
Nguyên lý phản ứng
Về nhiệt động học, đây là phản ứng thu nhiệt cần cung cấp năng lượng để phá vỡ mạng tinh thể và liên kết trong anion nitrate. Khi đạt ngưỡng nhiệt độ thích hợp, sự hình thành NO₂⁻ bền hơn trong điều kiện nhiệt và giải phóng O₂ làm giảm năng lượng tự do của hệ. Trong hệ hở, việc loại O₂ liên tục khỏi vùng phản ứng làm giảm áp suất riêng phần của sản phẩm khí, kéo cân bằng về phía phân hủy theo nguyên lý Le Chatelier.
Về động học, tốc độ phản ứng tăng theo nhiệt độ và diện tích bề mặt. Hạt nhỏ, khuấy nhẹ trong trạng thái nóng chảy, hoặc dùng chén nông để tăng bề mặt tiếp xúc với môi trường giúp O₂ thoát nhanh và giảm khả năng phản ứng nghịch. Ở mức phổ thông và đại học cơ sở, không cần xúc tác; một số oxit kim loại chuyển tiếp có thể ảnh hưởng động học nhưng không phải yêu cầu bắt buộc cho minh họa hiện tượng.
Cách thực hiện phản ứng
Chuẩn bị
- Hóa chất: KNO₃ tinh thể khan (vài gam).
- Dụng cụ: ống nghiệm thủy tinh chịu nhiệt hoặc chén sứ/crucible nông, kẹp ống nghiệm, đèn cồn/đèn khí, nhiệt kế hồng ngoại (nếu có), nút cao su có ống dẫn khí và ống dẫn để thu khí (tùy chọn), chậu nước hoặc xilanh khí để thu O₂, đũa thủy tinh.
- Chỉ thị/thuốc thử kiểm chứng: tàn đóm gỗ (que đóm than hồng), dung dịch Griess (ở mức đại học để định tính nitrit), dung dịch amoni persulfat/iodid–tinh bột (tùy chọn kiểm chứng nâng cao).
- An toàn: kính, găng, áo choàng; khu vực thông gió tốt. Tránh mọi tiếp xúc KNO₃ nóng chảy với chất hữu cơ, bột kim loại, lưu huỳnh, photpho do nguy cơ cháy.
Thực hiện
- Cho lượng nhỏ KNO₃ vào ống nghiệm chịu nhiệt hoặc chén sứ nông.
- Gia nhiệt đều, tăng nhiệt từ từ đến trên điểm nóng chảy. Quan sát KNO₃ nóng chảy và tiếp tục đun để khởi phát phân hủy.
- Nếu muốn thu O₂, lắp nút có ống dẫn khí và dẫn khí vào chậu nước để hứng bằng ống nghiệm úp ngược hoặc thu bằng xilanh khí. Giữ tốc độ gia nhiệt vừa phải để dòng khí ổn định, tránh trào nóng chảy vào ống dẫn.
- Dừng gia nhiệt khi tốc độ thoát khí giảm rõ rệt. Để nguội tự nhiên, phá vỡ khối rắn thu được và bảo quản khô.
Lưu ý
- Không dùng bình kín hoàn toàn. O₂ sinh ra làm tăng áp suất, nguy cơ nổ bình nếu bị bít kín.
- Tránh đun quá mức gây phân hủy tiếp hoặc nhiễm bẩn do thủy tinh mềm hóa. Dùng dụng cụ chịu nhiệt tốt.
- Lấy lượng chất vừa đủ để kiểm chứng hiện tượng; lượng quá lớn làm khó kiểm soát nhiệt và an toàn.
- KNO₃ là chất oxi hóa mạnh, đặc biệt ở nhiệt độ cao. Không để gần chất dễ cháy, giấy, gỗ, dung môi hữu cơ.
- Tàn đóm dùng kiểm chứng O₂ phải là đóm than hồng, không bùng cháy sẵn; thao tác nhanh, tránh đưa đóm quá sâu vào ống nghiệm đang rất nóng.
Nhận biết phản ứng
Nhận biết phản ứng đang xảy ra
- Xuất hiện dòng khí không màu thoát ra đều khi tiếp tục gia nhiệt sau khi muối đã nóng chảy.
- Lượng chất rắn giảm nhẹ theo thời gian do giải phóng khí, đồng thời khối rắn nguội sau phản ứng có tính chất khác so với KNO₃ ban đầu (đó là KNO₂).
Nhận biết sản phẩm cuối cùng
- Đối với O₂: đưa tàn đóm than hồng vào miệng ống nghiệm vừa đun xong (ngắt nguồn nhiệt, chờ giảm bớt nhiệt và khí nóng), tàn đóm bùng sáng trở lại chứng tỏ sự hiện diện của oxi. Có thể thử với khí thu được trong ống nghiệm úp nước.
- Đối với KNO₂: kiểm chứng nitrit bằng một trong các cách sau (tùy điều kiện học thuật và an toàn):
- Dung dịch Griess: hòa tan lượng nhỏ chất rắn thu được trong nước, thêm thuốc thử Griess tạo màu hồng đặc trưng của phức azo khi có NO₂⁻.
- Oxi hóa–khử với iodid: trong môi trường axit nhẹ, NO₂⁻ oxi hóa I⁻ thành I₂, cho màu xanh với hồ tinh bột. Cần so sánh đối chứng để tránh nhầm với tạp chất oxi hóa khác.
- Phản ứng tạo NO/NO₂: thêm axit mạnh loãng cẩn thận vào dung dịch nitrit tạo HNO₂ không bền, phân hủy tạo NO/NO₂; hiện tượng khí nâu chỉ nên làm ở tủ hút và ở mức đại học, không khuyến nghị cho lớp phổ thông do an toàn.
Ứng dụng của phản ứng và của sản phẩm
Phản ứng nhiệt phân KNO₃ cung cấp cơ sở để hiểu xu hướng phân hủy của nitrat kim loại kiềm nói riêng và nitrat nói chung. Về giáo dục, đây là thí nghiệm minh họa cơ chế phân hủy có kèm thay đổi số oxi hóa, đồng thời là ví dụ kinh điển để thu oxi trong phòng thí nghiệm bằng cách đun muối vô cơ oxi hóa.
Kali nitrit (KNO₂) là hóa chất trung gian dùng trong tổng hợp vô cơ và hữu cơ, xử lý kim loại, nhuộm, và trong một số quy trình công nghiệp cần tác nhân nitrosyl hóa hoặc khử chọn lọc. Tuy nhiên, nitrit có độc tính, cần quản lý nghiêm ngặt theo quy định an toàn hóa chất. Oxi thu được tại chỗ có thể dùng ngay cho các thí nghiệm đốt cháy minh họa (lưu huỳnh, photpho đỏ, dây sắt nung đỏ), song phải chú ý rằng các phản ứng cháy trong oxi tinh khiết diễn ra mạnh hơn đáng kể so với trong không khí.