Bài 5: Ammonia. Muối ammonium

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

Ví dụ:

\(\begin{aligned} & \mathrm{NH}_3+\mathrm{HCl} \rightarrow \mathrm{NH}_4 \mathrm{Cl} \\ & \mathrm{NH}_3+\mathrm{HNO}_3 \rightarrow \mathrm{NH}_4 \mathrm{NO}_3 \\ & 2 \mathrm{NH}_3+\mathrm{H}_2 \mathrm{SO}_4 \rightarrow\left(\mathrm{NH}_4\right)_2 \mathrm{SO}_4 \end{aligned}\)

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

Cấu hình electron nguyên tử \(H(Z=1)\) : \(1 \mathrm{~s}^1\).
Cấu hình electron nguyên tử \(N(Z=7): 1 s^2 2 s^2 2 p^3\).

Các bước lập công thức Lewis của phân tử ammonia (\(NH_3\)):

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:

Cách 2: Thực hiện lần lượt theo các bước sau:

Bước 1: Tính tổng số electron hóa trị trong phân tử:

Nitrogen (N) có 5 electron hóa trị, hydrogen có 1 electron hóa trị. Trong phân tử \(NH_3\) có 1 nguyên tử N và 3 nguyên tử H. Vậy tổng số electron hóa trị = 5 + 3.1 = 8 electron

Bước 2: Vẽ khung phân tử tạo bởi liên kết đơn giữa các nguyên tử:

Trong phân tử \(NH_3\), nguyên tử N cần 3 electron để đạt octet, mỗi nguyên tử H cần 1 electron để đạt octet. Vì vậy, N là nguyên tử trung tâm, còn các nguyên tử H được xếp xung quanh:

(1)

Bước 3: Tính số electron hóa trị chưa tham gia liên kết bằng cách lấy tổng số electron trừ số electron tham gia tạo liên kết:

Số electron hóa trị chưa tham gia liên kết trong sơ đồ là: 8 – 2.3 = 2 electron.

Bước 4: Hoàn thiện octet cho các nguyên tử có độ âm điện lớn hơn trong sơ đồ:

Từ công thức (1), nguyên tử H đã đủ octet, hoàn thiện octet cho N. Xung quanh nguyên tử N mới có 6 electron, ta bổ sung 2 electron vào nguyên tử N. Ta được công thức (2) chính là công thức Lewis của \(NH_3\):

(2)

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.

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

Xét phản ứng: \(NH_3 + HCl → NH_4Cl\)

Chất cho proton là HCl, chất nhận proton là \(NH_3\):

Xét phản ứng: \(NH_3 + HNO_3 → NH_4NO_3\)

Chất cho proton là \(HNO_3\), chất nhận proton là \(NH_3\):

Xét phản ứng: \(2NH_3 + H_2SO_4 → (NH_4)_2SO_4\)

Chất cho proton là \(H_2SO_4\), chất nhận proton là \(NH_3\):

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

b) 

\(4NH_3 + 3O_2\)  \(2N_2 + 6H_2O\)

Quá trình oxi hoá:

Quá trình khử:

\(4NH_3 + 5O_2\)  \(4NO + 6H_2O\)

Quá trình oxi hoá:

Quá trình khử:

Thuyết trình về ứng dụng của ammonia trong thực tiễn (tham khảo SGK Hoá học 10 – CD):

Gần đây, mỗi năm có khoảng hàng trăm triệu tấn ammonia được sản xuất trên toàn cầu. Trong đó, có khoảng 80% được sử dụng cho sản xuất phân đạm ammonium, urea \(((NH_2)_2CO\)),... để cung cấp nguyên tố nitrogen cho đất và cây trồng. Các phân đạm ammonium được tổng hợp bằng cách cho ammonia phản ứng với dung dịch acid tương ứng. Chẳng hạn, phản ứng dưới đây dùng để tạo ra phân bón với thành phần chính là ammonium sulfate.

\(2NH_3(aq) +H_2SO_4 (aq) → (NH_4)_2SO_4 (aq)\)

Ammonia còn là nguyên liệu quan trọng để sản xuất nitric acid, sản xuất một số chất gây nổ sử dụng trong khai thác quặng mỏ như ammonium nitrate,...

Giống như nitrogen lỏng, ammonia lỏng cũng được sử dụng với vai trò chất làm lạnh trong một số hệ thống làm lạnh công nghiệp.

Ngoài ra, ammonia lỏng được sử dụng làm dung môi để hoà tan một số chất. Nhiều phản ứng cũng được thực hiện trong dung môi ammonia lỏng.

Trong công nghiệp, quá trình sản xuất ammonia thường được thực hiện ở nhiệt độ 400 \(^{\circ}\)C – 450 \(^{\circ}\)C,áp suất 150 – 200 bar, xúc tác Fe.

1. Vì DrHo = -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 \(^{\circ}\)C - 450 \(^{\circ}\)C.

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 \(NH_3\) 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 \(NH_3\) 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 \(NH_3\) 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.

- 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:

\(NH_4NO_3 + NaOH\)  \(NaNO_3 + NH_3 + H_2O\)

\(NH_4Cl\) + NaOH  \(NaCl + NH_3 + H_2O\)

a)

b)

- \(NH_3\)có tính base. Một số phương trình hoá học minh hoạ:

\(NH_3 + HCl → NH_4Cl\)

\(2NH_3 + H_2SO_4 → (NH_4)_2SO_4.\)

- NH4+ có tính acid. Một số phương trình hoá học minh hoạ:

\(NH_4NO_3 + NaOH\)  \(NaNO_3 + NH_3 + H_2O\)

\(NH_4Cl\) + NaOH NaCl + \(NH_3\) + \(H_2O\)

Phương trình ion rút gọn:

\(NH_4+ + OH− → NH_3 + H_2O.\)

- Trong công nghiệp, quá trình sản xuất ammonia thường được thực hiện ở nhiệt độ 400 \(^{\circ}\)C – 450 \(^{\circ}\)C, áp suất 150 – 200 bar, xúc tác Fe.

+ 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 () 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 \(^{\circ}\)C - 450 \(^{\circ}\)C.

+ 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:

\(NH_4NO_3\) + NaOH  \(NaNO_3 + NH_3 + H_2O\)

\(NH_4Cl + NaOH\)   \(NaCl + NH_3 + H_2O\)