2. Bài 5. Ammonia – Muối ammonium

CH tr 33 MĐ

Từ ammonia, thông qua phản ứng nào có thể sản xuất phân đạm chứa ion ammonium? Ammonia đóng vai trò gì trong phản ứng đó?

Phương pháp giải:

Phản ứng sản xuất phân bón: ammonia với acid.

Vai trò của ammonia: base.

Lời giải chi tiết:

Trong công nghiệp, phản ứng giữa ammonia với acid được dùng để sản xuất phân bón.

Ví dụ:

NH₃ + HCl → NH₄Cl

NH₃ + HNO₃ → NH₄NO₃

2NH₃ + H₂SO₄ → (NH₄)₂SO₄

Trong các phản ứng này ammonia đóng vai trò là base.

Phản ứng sản xuất phân bón: ammonia với acid.

Vai trò của ammonia: base.

CH tr 33 CH

1. Viết cấu hình electron của các nguyên tử H (Z = 1) và N (Z = 7).

2. Trình bày các bước lập công thức Lewis của phân tử ammonia.

Phương pháp giải:

1. Cấu hình electron nguyên tử H (Z = 1): 1s¹.

Cấu hình electron nguyên tử N (Z = 7): 1s² 2s² 2p³.

2. Các bước lập công thức Lewis của phân tử ammonia (NH₃):

Cách 1: Viết công thức Lewis dựa vào công thức electron

Bước 1: Viết công thức electron.

Bước 2: Thay 1 cặp electron dùng chung bằng 1 gạch nối giữa hai nguyên tử ta được công thức Lewis.

Lời giải chi tiết:

1. Cấu hình electron nguyên tử H (Z = 1): 1s¹.

Cấu hình electron nguyên tử N (Z = 7): 1s² 2s² 2p³.

2. Các bước lập công thức Lewis của phân tử ammonia (NH₃):

Cách 1: Viết công thức Lewis dựa vào công thức electron

Bước 1: Viết công thức electron:

Bước 2: Từ công thức electron, thay 1 cặp electron dùng chung bằng 1 gạch nối giữa hai nguyên tử ta được công thức Lewis:       

CH tr 34 CH1

Từ đặc điểm cấu tạo của phân tử ammonia, hãy giải thích tại sao các phân tử ammonia có khả năng tạo liên kết hydrogen mạnh với nhau.

Phương pháp giải:

Phân tử ammonia có khả năng tạo liên kết hydrogen do:

– Trong phân tử còn 1 cặp electron tự do.

– Liên kết N – H phân cực.

Lời giải chi tiết:

Trong phân tử nitrogen:

– Nguyên tử nitrogen còn một cặp electron không liên kết, tạo ra vùng có mật độ điện tích âm trên nguyên tử nitrogen.

– Liên kết N – H phân cực, cặp electron dùng chung lệch về phía nguyên tử nitrogen làm cho nguyên tử hydrogen mang một phần điện tích dương.

Do đó, các phân tử ammonia có khả năng tạo liên kết hydrogen mạnh với nhau.

CH tr 34 CH2

Hãy giải thích tại sao ammonia tan tốt trong nước

Phương pháp giải:

Ammnia có thể tạo liên kết hydrogen với nhau và với phân tử nước.

Lời giải chi tiết:

Vì tạo được liên kết hydrogen với nước nên ammonia tan nhiều trong nước.

CH tr 34 HĐ

Trong công nghiệp, phản ứng giữa ammonia với acid được dùng để sản xuất phân bón:

NH₃ + HCl → NH₄Cl

NH₃ + HNO₃ → NH₄NO₃

2NH₃ + H₂SO₄ → (NH₄)₂SO₄

Xác định chất cho, chất nhận proton trong mỗi phản ứng trên. Dùng mũi tên để biểu diễn sự cho, nhận đó.

Phương pháp giải:

Trong phản ứng với acid, NH₃ đóng vai trò base, nhận proton.

Lời giải chi tiết:

+ Xét phản ứng: NH₃ + HCl → NH₄Cl

Chất cho proton là HCl, chất nhận proton là NH₃:

+ Xét phản ứng: NH₃ + HNO₃ → NH₄NO₃

Chất cho proton là HNO₃, chất nhận proton là NH₃:

+ Xét phản ứng: 2NH₃ + H₂SO₄ → (NH₄)₂SO₄

Chất cho proton là H₂SO₄, chất nhận proton là NH₃:

CH tr 35 CH

Trong hai phản ứng oxi hóa ammonia bằng oxygen ở trên, hãy:

a) Xác định các nguyên tử có sự thay đổi số oxi hoá.

b) Viết quá trình oxi hoá, quá trình khử.

Phương pháp giải:

a) Các nguyên tử có sự thay đổi số oxi hoá trong 2 phản ứng là nitrogen và oxygen.

b) Quá trình oxi hóa là quá trình nitrogen nhường e. Quá trình khử là quá trình oxygen nhận e.

Lời giải chi tiết:

CH tr 35 HĐ1

Sưu tầm một số hình ảnh để báo cáo, thuyết trình về ứng dụng của ammonia trong thực tiễn. Sử dụng các tính chất vật lí và hoá học để giải thích cơ sở khoa học của các ứng dụng này.

Phương pháp giải:

Ứng dụng của ammonia trong thực tiễn:

+ Tác nhân làm lạnh.

+ Sản xuất nitric acid.

+ Làm dung môi.

+ Sản xuất phân đạm.

Lời giải chi tiết:

Hình ảnh về ứng dụng của ammonia trong thực tiễn:

Thuyết trình về ứng dụng của ammonia trong thực tiễn: 

Trong thời gian gần đây, sản lượng ammonia toàn cầu đạt hàng trăm triệu tấn mỗi năm, trong đó khoảng 80% được sử dụng cho mục đích sản xuất phân bón ammonium và urea ((NH₂)₂CO) để cung cấp nguyên tố nitrogen cho cây trồng và đất. Phương pháp tổng hợp phân bón ammonium bao gồm phản ứng của ammonia với dung dịch acid tương ứng. Ví dụ, phản ứng sau được sử dụng để tạo ra phân bón ammonium sulfate:

2NH₃(aq) + H₂SO₄(aq) → (NH₄)₂SO₄(aq).

 Ammonia cũng được sử dụng làm nguyên liệu quan trọng để sản xuất nitric acid và một số chất gây nổ như ammonium nitrate trong khai thác quặng mỏ. Ngoài ra, ammonia lỏng được sử dụng như một chất làm lạnh trong các hệ thống làm lạnh công nghiệp, cũng như là một dung môi để hoà tan một số chất và thực hiện nhiều phản ứng khác trong dung môi này.

CH tr 35 HĐ2

Vận dụng kiến thức về cân bằng hoá học, tốc độ phản ứng, biến thiên enthalpy để giải thích các điều kiện của phản ứng sản xuất ammonia, cụ thể:

1. Nếu tăng hoặc giảm nhiệt độ sẽ ảnh hưởng đến sự chuyển dịch cân bằng và tốc độ phản ứng như thế nào?

2. Nếu giảm áp suất, cân bằng chuyển dịch theo chiều nào? Tại sao không thực hiện ở áp suất cao hơn?

3. Vai trò của chất xúc tác trong phản ứng là gì?

Phương pháp giải:

Trong công nghiệp, quá trình sản xuất ammonia thường được thực hiện ở nhiệt độ 400 °C – 450 °C, áp suất 150 – 200 bar, xúc tác Fe.

N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)     Δ_rH^o = -91,8 kJ

1. Δ_rH^o < 0 => phản ứng tỏa nhiệt => Tăng nhiệt độ thì cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch, giảm nhiệt độ thì cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận. Tuy nhiên nếu ở nhiệt độ quá thấp thì tốc độ của phản ứng nhỏ, phản ứng diễn ra chậm nên thực tế, phản ứng xảy ra tốt nhất ở 400-450^oC.

2. Số mol khí sau phản ứng nhỏ hơn số mol khí trước phản ứng nên giảm áp suất thì phản ứng chuyển dịch theo chiều nghịch.

Sản xuất ammonia ở áp suất 150 – 200 bar mà không thực hiện ở áp suất cao hơn.

Giải thích: khi tăng áp suất thì nồng độ NH₃ tăng không nhiều, trong khi đó tiêu tốn năng lượng nhiều và yêu cầu thiết bị chịu được áp suất cao.

3. Việc sử dụng xúc tác bột sắt giúp phản ứng nhanh đạt trạng thái cân bằng.

Lời giải chi tiết:

Trong công nghiệp, quá trình sản xuất ammonia thường được thực hiện ở nhiệt độ 400 °C – 450 °C, áp suất 150 – 200 bar, xúc tác Fe.

N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)     Δ_rH^o = -91,8 kJ

1. Vì  Δ_rH^o  = -91,8 kJ < 0 nên phản ứng thuận toả nhiệt. Vậy:

+ Nếu tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch (tức chiều phản ứng thu nhiệt) làm giảm hiệu suất phản ứng.

+ Nếu giảm nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận (tức chiều phản ứng toả nhiệt) làm tăng hiệu suất phản ứng.

Tuy nhiên, khi thực hiện phản ứng ở nhiệt độ quá thấp thì tốc độ của phản ứng nhỏ, phản ứng diễn ra chậm. Thực tế, người ta đã chọn nhiệt độ phù hợp, khoảng 400 ^oC – 450 ^oC.

2. Khi giảm áp suất, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm tăng áp suất của hệ – tức chiều làm tăng số mol khí, hay chiều nghịch.

Quá trình sản xuất NH₃ được thực hiện ở áp suất 150 – 200 bar mà không thực hiện ở áp suất cao hơn. Điều này được giải thích như sau: Khi thực hiện ở áp suất cao sẽ thu được nồng độ NH₃ tại thời điểm cân bằng lớn, tuy nhiên khi tăng áp suất thì sự tăng nồng độ NH₃ không tăng nhanh chỉ tăng chậm. Ngoài ra, khi tăng áp suất thì tiêu tốn năng lượng và yêu cầu thiết bị phải chịu được áp suất cao, do đó phải tính toán chính xác khi tăng áp suất để mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất. Thực tế chứng minh quá trình sản xuất NH₃ được thực hiện ở áp suất 150 – 200 bar đem lại hiệu quả cao nhất.

3. Việc sử dụng chất xúc tác là bột sắt có tác dụng làm cho phản ứng nhanh đạt tới trạng thái cân bằng.

CH tr 36 TN

Nhận biết ion ammonium trong phân đạm.

Chuẩn bị: phân bón potassium nitrate và phân bón ammonium chloride dạng rắn, dung dịch NaOH 20%, giấy pH; bình xịt tia nước cất, 2 ống nghiệm, kẹp gỗ, đèn cồn.

Tiến hành:

– Cho khoảng 1 g phân bón potassium nitrate vào ống nghiệm (1) và khoảng 1 g phân bón ammonium chloride vào ống nghiệm (2).

– Thêm vào mỗi ống nghiệm khoảng 3 mL nước cất, lắc đều cho tan hết.

– Nhỏ 1 mL dung dịch NaOH 20% vào mỗi ống nghiệm, đun nóng nhẹ trên đèn cồn.

– Đưa hai mẩu giấy pH đã tẩm ướt vào miệng mỗi ống nghiệm.

Quan sát hiện tượng và trả lời câu hỏi:

Dựa vào dấu hiệu nào để nhận biết ion ammonium? Giải thích bằng phương trình hoá học.

Phương pháp giải:

– Dấu hiệu để nhận biết ion ammonium: sinh ra khí có mùi khai.

– PTHH: NH₄Cl + NaOH → NH₃ + NaCl + H₂O

Lời giải chi tiết:

– Hiện tượng:

+ Hai mẫu phân bón đều dễ tan trong nước.

+ Đun nhẹ hai ống nghiệm đều thấy thoát ra khí không màu, có mùi khai và xốc.

+ So sánh màu ở mẩu giấy pH với thang pH thấy tạo thành môi trường base.

– Dấu hiệu để nhận biết ion ammonium: Khi đun nóng hỗn hợp muối ammonium với dung dịch kiềm sinh ra khí ammonia có mùi khai.

Phương trình hoá học:

NH₄Cl + NaOH → NH₃ + NaCl + H₂O

CH tr 37 CH

a) So sánh phân tử ammonia và ion ammonium về dạng hình học, số liên kết cộng hóa trị, số oxi hóa của nguyên tử nitrogen.

b) Viết phương trình hóa học minh họa tính acid/base của ammonia và ammonium.

Phương pháp giải:

a) Phân tử ammonia có 3 liên kết cộng hóa trị, phân tử ammonium có 4 liên kết cộng hóa trị, số oxi hóa của nitrogen ở cả hai phân tử đều là -3.

b) NH₃ có tính base, NH₄⁺ có tính acid.

Lời giải chi tiết:

CH tr 37 CH

– Vận dụng được kiến thức về cân bằng hoá học, tốc độ phản ứng, enthalpy cho phản ứng tổng hợp ammonia trong quá trình Haber – Bosch.

– Nhận biết được ion ammonium trong phân đạm.

Lời giải chi tiết:

– Trong công nghiệp, quá trình sản xuất ammonia thường được thực hiện ở nhiệt độ 400 ^oC – 450 ^oC, áp suất 150 – 200 bar, xúc tác Fe.

N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)     Δ_rH^o = -91,8 kJ

+ Về áp suất: người ta đã tăng áp suất của hệ phản ứng trong buồng tổng hợp lên đến gần 200 bar. Đó là do khi tăng áp suất, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm áp suất của hệ – tức chiều giảm số mol khí, hay chiều tạo ammonia (chiều thuận).

+ Về nhiệt độ: Vì phản ứng thuận toả nhiệt (Δ_rH^o = -91,8 kJ < 0) nên cần phải giảm nhiệt độ để cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận, tạo ammonia. Tuy nhiên, khi thực hiện phản ứng ở nhiệt độ quá thấp thì tốc độ của phản ứng nhỏ, phản ứng diễn ra chậm. Thực tế, người ta đã chọn nhiệt độ phù hợp, khoảng 400 ^oC – 450 ^oC.

+ Việc sử dụng xúc tác là bột sắt trong quá trình Haber có tác dụng làm cho phản ứng nhanh đạt tới trạng thái cân bằng.

– Nhận biết ion ammonium trong phân đạm: Khi đun nóng hỗn hợp phân đạm chứa muối ammonium với dung dịch kiềm sinh ra khí ammonia có mùi khai.

Phương trình hoá học minh hoạ:

Lý thuyết

>> Xem chi tiết: Lý thuyết Ammonia – muối ammonium – Hóa học 11 – Kết nối tri thức