Bài 5. Ammonia – muối ammonium – Hóa học 11 Kết nối tri thức

Yêu cầu cần đạt

Mô tả được công thức Lewis và dạng hình học của phân tử ammonia.
Từ cấu tạo của phân tử ammonia, giải thích được tính tan, tính base, tính khử. Viết được phương trình hoá học minh hoạ.
Vận dụng được kiến thức về cân bằng hoá học, tốc độ phản ứng, enthalpy cho phản ứng tổng hợp ammonia từ nitrogen và hydrogen trong quá trình Haber.
Trình bày được tính chất cơ bản của muối ammonium và nhận biết ion ammonium trong dung dịch.
Trình bày được ứng dụng của ammonia; ammonium nitrate và một số muối ammonium tan.
Thực hiện được (hoặc quan sát video) thí nghiệm nhận biết được ion ammonium trong phân đạm chứa ion ammonium.

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?

Ammonia

Cấu tạo phân tử

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.

Phân tử ammonia được tạo bởi một nguyên tử nitrogen liên kết với ba nguyên tử hydrogen và có dạng hình học là chóp tam giác.

Hình 5.1.. Hình ảnh (a) công thức Lewis của

N H_{3}

với cặp electron không liên kết trên

N

. Hình ảnh (b) dạng hình học chóp tam giác của

N H_{3}

Đặc điểm cấu tạo của phân tử ammonia:

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 nguyên tử nitrogen làm cho nguyên tử hydrogen mang một phần điện tích dương.
Liên kết $N - H$ tương đối bền với năng lượng liên kết là $386 k J / m o l$ .

Mục tiêu:

Ammonia

1. Cấu tạo phân tử

1

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

2

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

Hình 5.1. Lewis structure (a) showing N with a lone pair and three H atoms, and a trigonal pyramidal shape (b) with N at the apex and three H atoms at the base.

1

1. 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.

Hình 5.2. Diagram showing hydrogen bonds between ammonia molecules, represented as

\dots H - N \cdot \cdot \cdot H - N \cdot \cdot \cdot H - N \cdot \cdot \cdot

2. Tính chất vật lí

Ammonia tồn tại ở cả trong môi trường đất, nước, không khí. Trong cơ thể người, ammonia được tạo ra trong quá trình chuyển hoá thức ăn chứa protein.

Ở điều kiện thường, ammonia tồn tại ở thể khí, không màu, nhẹ hơn không khí, mùi khai và xốc. Ammonia tan nhiều trong nước. Ở điều kiện thường, $1$ lít nước hoà tan được khoảng $700$ lít khí ammonia. Ammonia dễ hoá lỏng (hoá lỏng ở $- 33, 3^{\circ} C)$ và dễ hoá rắn (hoá rắn ở $- 77, 7^{\circ} C$ ).

2

2. Hãy giải thích tại sao ammonia tan tốt trong nước.

3. Tính chất hoá học

a) Tính base

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

$N H_{3} + H C l \overset{}{\to} N H_{4} C l$
$N H_{3} + H N O_{3} \overset{}{\to} N H_{4} N O_{3}$
$2 N H_{3} + H_{2} S O_{4} \overset{}{\to} (N H_{4})_{2} S O_{4}$

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

Trong dung dịch, một phần số phân tử ammonia nhận proton của nước, tạo thành ion ammonium ( $N H_{4}^{+}$ ):

$N H_{3} + H_{2} O \overset{}{⇌} N H_{4}^{+} + O H^{-}$

Dung dịch ammonia có môi trường base yếu, làm quỳ tím chuyển màu xanh, phenolphthalein chuyển màu hồng.

Ở thể khí, ammonia cũng có khả năng nhận proton, thể hiện tính chất của một base Brønsted-Lowry.

Ví dụ

$N H_{3} (g) + H C l (g) \overset{}{\to} N H_{4} C l (s)$

EM CÓ BIẾT

Ammophos là một loại phân bón phức hợp, cung cấp đồng thời hai nguyên tố nitrogen và phosphorus cho cây trồng. Thành phần chính của ammophos là sản phẩm của các phản ứng:
$N H_{3} + H_{3} P O_{4} \overset{}{\to} N H_{4} H_{2} P O_{4}$
$2 N H_{3} + H_{3} P O_{4} \overset{}{\to} (N H_{4})_{2} H P O_{4}$

b) Tính khử

Trong phân tử ammonia, nguyên tử nitrogen có số oxi hoá $- 3$ (số oxi hoá thấp nhất của nitrogen) nên ammonia thể hiện tính khử.

Khi đốt cháy trong oxygen, ammonia cháy với ngọn lửa màu vàng.

$4 N H_{3} + 3 O_{2} \overset{}{\to} 2 N_{2} + 6 H_{2} O$

Trong công nghiệp, phản ứng giữa ammonia và oxygen được thực hiện ở nhiệt độ $800^{\circ} C - 900^{\circ} C$ với xúc tác $P t$ .

$4 N H_{3} + 5 O_{2} \overset{t^{0}, P t}{\to} 4 N O + 6 H_{2} O$

Phản ứng trên là giai đoạn trung gian quan trọng trong quá trình sản xuất nitric acid theo phương pháp Ostwald (Ót-xvan).

EM CÓ BIẾT

Ammonia tự bốc cháy ở nhiệt độ $651^{\circ} C$ khi có sắt xúc tác và ở $850^{\circ} C$ khi không có xúc tác. Ammonia có thể tạo hỗn hợp nổ với không khí khi nồng độ ammonia trong hỗn hợp từ $16 %$ đến $25 %$ thể tích.

3

3. Trong hai phản ứng oxi hoá 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.

4. Ứng dụng

Diagram showing 'Một số ứng dụng của ammonia' in the center, with branches to 'Tác nhân làm lạnh', 'Dung môi', 'Sản xuất nitric acid', 'Sản xuất phân đạm'.

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.

5. Sản xuất

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 $F e$ .

$N_{2} (g) + 3 H_{2} (g) \overset{}{⇌} t^{0}, p, x t 2 N H_{3} (g)$
$Δ_{r} H^{o} = - 91, 8 kJ$

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?

Muối ammonium

1. Tính tan, sự điện li

Một số muối ammonium phổ biến:
$N H_{4} C l$ , $N H_{4} C l O_{4}$ , $N H_{4} N O_{3}$ , $(N H_{4})_{2} S O_{4}$ , $N H_{4} H_{2} P O_{4}$ , $(N H_{4})_{2} H P O_{4}$ , $N H_{4} H C O_{3}$ , $(N H_{4})_{2} C r_{2} O_{7}$ .

Hầu hết các muối ammonium đều dễ tan trong nước và phân li hoàn toàn ra ion.

Ví dụ

$N H_{4} C l \overset{}{\to} N H_{4}^{+} + C l^{-}$

Hình 5.3. Tetrahedral shape of ammonium ion (

N H_{4}^{+}

) with N at the center and four H atoms.

2. Tác dụng với kiềm – Nhận biết ion ammonium

Khi đun nóng hỗn hợp muối ammonium với dung dịch kiềm, sinh ra khí ammonia có mùi khai.

Ví dụ

$(N H_{4})_{2} S O_{4} + 2 N a O H \overset{}{\to} N a_{2} S O_{4} + 2 N H_{3} + 2 H_{2} O$

Phương trình ion rút gọn: $N H_{4}^{+} + O H^{-} \overset{}{\to} N H_{3} + H_{2} O$

Thí nghiệm

Nhận biết ion ammonium trong phân đạm
Chuẩn bị: phân bón potassium nitrate và phân bón ammonium chloride dạng rắn, dung dịch $N a O H$ $20 %$ , giấy $p H$ ; 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 $N a O H$ $20 %$ vào mỗi ống nghiệm, đun nóng nhẹ trên đèn cồn.
Đưa hai mẫu giấy $p H$ 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.

3. Tính chất kém bền nhiệt

Các muối ammonium đều kém bền nhiệt và dễ bị phân huỷ khi nung nóng.

Ví dụ

$N H_{4} C l \overset{t^{0}}{\to} N H_{3} + H C l$
$N H_{4} H C O_{3} \overset{}{\to} N H_{3} + C O_{2} + H_{2} O$
$N H_{4} N O_{3} \overset{}{\to} N_{2} O + 2 H_{2} O$

EM CÓ BIẾT

Ammonium nitrate vừa là phân bón nhưng đồng thời cũng là chất nổ do phản ứng:
$2 N H_{4} N O_{3} \overset{t^{0}}{\to} 2 N_{2} + O_{2} + 4 H_{2} O$
Phản ứng trên là nguyên nhân vụ nổ kinh hoàng tại nhà kho chứa khoảng $2700$ tấn ammonium nitrate ở cảng Beirut (Lebanon) vào tháng $8$ năm $2020$ . Do vậy, quá trình bảo quản, sử dụng chúng phải tuân theo nguyên tắc phòng và chống cháy, nổ.

4. Ứng dụng

Diagram showing 'Một số ứng dụng của muối ammonium' in the center, with branches to 'Thuốc long đờm', 'Phân bón hoá học', 'Chất phụ gia thực phẩm', 'Chất đánh sạch bề mặt kim loại', 'Thuốc bổ sung chất điện giải'.

4

a) So sánh phân tử ammonia và ion ammonium về dạng hình học, số liên kết cộng hoá trị, số oxi hoá của nguyên tử nitrogen.
b) Viết phương trình hoá học minh hoạ tính acid/base của ammonia và ammonium.

EM ĐÃ HỌC

Phân tử ammonia có dạng chóp tam giác, phân tử chứa ba liên kết $N - H$ phân cực và một cặp electron không liên kết trên nguyên tử nitrogen.
Các phân tử ammonia tạo được liên kết hydrogen với nhau và với nước. Ammonia dễ hoá lỏng và dễ tan trong nước.
Tính base và tính khử của ammonia được ứng dụng trong sản xuất phân bón, nitric acid,...
Muối ammonium dễ tan, kém bền nhiệt, tác dụng với base, được dùng chủ yếu làm phân bón.

EM CÓ THỂ

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.

Xem bản PDF nguyên trang sách: Hóa học 11 – Kết nối tri thức với cuộc sống (trang 33–37).