Bài học

Ammonia: tính base, tính khử và cân bằng tổng hợp Haber định lượng

Em sẽ làm được gì?

Mục tiêu bài học: giải thích tính base và tính khử của $NH_3$ bằng cấu tạo phân tử, và giải được bài toán định lượng cân bằng tổng hợp Haber $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$ — tính hằng số cân bằng $K_c$ từ hiệu suất phản ứng, hoặc ngược lại.

**Mục tiêu bài học:** giải thích tính base và tính khử của $NH_3$ bằng cấu tạo phân tử, và giải được bài toán định lượng cân bằng tổng hợp Haber $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$ — tính hằng số cân bằng $K_c$ từ hiệu suất phản ứng, hoặc ngược lại.

Cần nhớ trước

Kiến thức cần có: cấu tạo phân tử $NH_3$ hình chóp, tính base yếu $NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-$ , phản ứng cháy xúc tác của $NH_3$ (Hóa 11 nền tảng). Kỹ thuật lập bảng ICE và giải phương trình cân bằng (Course 2 — Cân bằng hóa học nâng cao). Đây là bài bắc cầu cùng lớp: dùng kỹ thuật ICE đã học để định lượng chính quá trình Haber mà SGK chỉ mô tả định tính.

**Kiến thức cần có:** cấu tạo phân tử $NH_3$ hình chóp, tính base yếu $NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-$, phản ứng cháy xúc tác của $NH_3$ (Hóa 11 nền tảng). Kỹ thuật lập bảng ICE và giải phương trình cân bằng (Course 2 — Cân bằng hóa học nâng cao). Đây là bài **bắc cầu cùng lớp**: dùng kỹ thuật ICE đã học để định lượng chính quá trình Haber mà SGK chỉ mô tả định tính.

SGK nói tổng hợp Haber cần nhiệt độ 400 – 450°C, áp suất 200 – 300 atm, xúc tác bột Fe, và hiệu suất thực tế chỉ khoảng 15 – 25% mỗi lượt qua tháp phản ứng. Đề HSG không dừng ở việc nhắc lại các con số này — nó cho một bộ dữ liệu cụ thể (nồng độ đầu, hiệu suất, hoặc $K_c$ ) rồi bắt em tính ngược. Muốn làm được, em cần nối cân bằng Haber với kỹ thuật ICE đã luyện ở Course 2.

SGK nói tổng hợp Haber cần nhiệt độ 400 – 450°C, áp suất 200 – 300 atm, xúc tác bột Fe, và hiệu suất thực tế chỉ khoảng 15 – 25% mỗi lượt qua tháp phản ứng. Đề HSG không dừng ở việc nhắc lại các con số này — nó cho một bộ dữ liệu cụ thể (nồng độ đầu, hiệu suất, hoặc $K_c$) rồi bắt em tính ngược. Muốn làm được, em cần nối cân bằng Haber với kỹ thuật ICE đã luyện ở Course 2.

Vì sao NH₃ vừa là base vừa là chất khử

Nguyên tử N trong $NH_3$ còn một cặp electron chưa liên kết, nên $NH_3$ nhận proton dễ dàng, thể hiện tính base: $NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-$ Đồng thời N trong $NH_3$ có số oxi hóa $-3$ , mức thấp nhất có thể của nitrogen — nên $NH_3$ chỉ có thể bị oxi hóa, không thể bị khử thêm. Đó là lý do $NH_3$ luôn đóng vai trò chất khử trong mọi phản ứng oxi hóa – khử nó tham gia, kể cả phản ứng cháy có xúc tác mở đầu chuỗi sản xuất $HNO_3$ công nghiệp: $4NH_3 + 5O_2 \xrightarrow{xt, t^\circ} 4NO + 6H_2O$

Nguyên tử N trong $NH_3$ còn một cặp electron chưa liên kết, nên $NH_3$ nhận proton dễ dàng, thể hiện tính base: $$NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-$$ Đồng thời N trong $NH_3$ có số oxi hóa $-3$, mức thấp nhất có thể của nitrogen — nên $NH_3$ chỉ có thể bị oxi hóa, không thể bị khử thêm. Đó là lý do $NH_3$ luôn đóng vai trò chất khử trong mọi phản ứng oxi hóa – khử nó tham gia, kể cả phản ứng cháy có xúc tác mở đầu chuỗi sản xuất $HNO_3$ công nghiệp: $$4NH_3 + 5O_2 \xrightarrow{xt, t^\circ} 4NO + 6H_2O$$

Ví dụ

Ví dụ 1 — Xác định vai trò và cân bằng electron phản ứng cháy xúc tác

1
Cân bằng phản ứng $NH_3 + O_2 \xrightarrow{xt,t^\circ} NO + H_2O$ bằng phương pháp electron, chỉ rõ chất khử.
Cân bằng phản ứng $NH_3 + O_2 \xrightarrow{xt,t^\circ} NO + H_2O$ bằng phương pháp electron, chỉ rõ chất khử.
2
N trong $NH_3$ : $-3$ . N trong $NO$ : $+2$ . O trong $O_2$ : $0$ . O trong $H_2O$ và $NO$ : $-2$ .
N trong $NH_3$: $-3$. N trong $NO$: $+2$. O trong $O_2$: $0$. O trong $H_2O$ và $NO$: $-2$.
3
N nhường electron: $\overset{-3}{N} \rightarrow \overset{+2}{N} + 5e$ (mỗi N nhường 5e). O nhận electron: $\overset{0}{O_2} + 4e \rightarrow 2\overset{-2}{O}$ (mỗi $O_2$ nhận 4e). Bội số chung nhỏ nhất của 5 và 4 là 20, nên hệ số N là 4, hệ số $O_2$ là 5.
N nhường electron: $\overset{-3}{N} \rightarrow \overset{+2}{N} + 5e$ (mỗi N nhường 5e). O nhận electron: $\overset{0}{O_2} + 4e \rightarrow 2\overset{-2}{O}$ (mỗi $O_2$ nhận 4e). Bội số chung nhỏ nhất của 5 và 4 là 20, nên hệ số N là 4, hệ số $O_2$ là 5.
4
$4NH_3 + 5O_2 \xrightarrow{xt,t^\circ} 4NO + 6H_2O$ Kiểm tra: N $4=4$ ; H $12=12$ ; O $10=10$ (TMĐK cân bằng nguyên tử).
$$4NH_3 + 5O_2 \xrightarrow{xt,t^\circ} 4NO + 6H_2O$$ Kiểm tra: N $4=4$; H $12=12$; O $10=10$ (TMĐK cân bằng nguyên tử).
5
Vậy $NH_3$ là chất khử (N từ $-3$ lên $+2$ , nhường electron), $O_2$ là chất oxi hóa. Tổng electron trao đổi là 20 — con số này sẽ quay lại ở bài sau khi em lập cả chuỗi oxi hóa từ $NH_3$ đến $HNO_3$ .
Vậy $NH_3$ là chất khử (N từ $-3$ lên $+2$, nhường electron), $O_2$ là chất oxi hóa. Tổng electron trao đổi là 20 — con số này sẽ quay lại ở bài sau khi em lập cả chuỗi oxi hóa từ $NH_3$ đến $HNO_3$.

Cân bằng Haber — từ định tính sang định lượng

Phản ứng $N_2(k) + 3H_2(k) \rightleftharpoons 2NH_3(k)$ , $\Delta H < 0$ , là một cân bằng thuận nghịch thật sự — không phải phản ứng một chiều. SGK giải thích định tính bằng nguyên lý Le Chatelier: áp suất cao và nhiệt độ vừa phải (không quá thấp để tốc độ đủ nhanh, không quá cao để cân bằng không lệch ngược) cho hiệu suất tốt hơn. Đề HSG đòi hỏi thêm một bước: tính được $K_c$ từ dữ liệu hiệu suất, hoặc dùng $K_c$ đã biết để dự đoán hiệu suất — đúng kỹ thuật ICE table của Course 2, áp dụng cho một phản ứng có hệ số tỉ lượng khác 1.

Phản ứng $N_2(k) + 3H_2(k) \rightleftharpoons 2NH_3(k)$, $\Delta H < 0$, là một cân bằng thuận nghịch thật sự — không phải phản ứng một chiều. SGK giải thích định tính bằng nguyên lý Le Chatelier: áp suất cao và nhiệt độ vừa phải (không quá thấp để tốc độ đủ nhanh, không quá cao để cân bằng không lệch ngược) cho hiệu suất tốt hơn. Đề HSG đòi hỏi thêm một bước: tính được $K_c$ từ dữ liệu hiệu suất, hoặc dùng $K_c$ đã biết để dự đoán hiệu suất — đúng kỹ thuật ICE table của Course 2, áp dụng cho một phản ứng có hệ số tỉ lượng khác 1.

Ví dụ

Ví dụ 2 — Tính Kc từ hiệu suất phản ứng bằng bảng ICE

1
Trong một bình kín thể tích 2 lít ở nhiệt độ T, ban đầu có 1 mol $N_2$ và 3 mol $H_2$ . Ở trạng thái cân bằng, hiệu suất phản ứng tính theo $N_2$ là 20%. Tính $K_c$ của phản ứng $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$ ở nhiệt độ T.
Trong một bình kín thể tích 2 lít ở nhiệt độ T, ban đầu có 1 mol $N_2$ và 3 mol $H_2$. Ở trạng thái cân bằng, hiệu suất phản ứng tính theo $N_2$ là 20%. Tính $K_c$ của phản ứng $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$ ở nhiệt độ T.
2
$N_2$ phản ứng $= 1 \times 20\% = 0{,}2$ mol. Theo tỉ lệ $1:3:2$ , $H_2$ phản ứng $= 0{,}2 \times 3 = 0{,}6$ mol, $NH_3$ sinh ra $= 0{,}2 \times 2 = 0{,}4$ mol. Số mol lúc cân bằng: $N_2 = 1 - 0{,}2 = 0{,}8$ mol; $H_2 = 3 - 0{,}6 = 2{,}4$ mol; $NH_3 = 0{,}4$ mol.
$N_2$ phản ứng $= 1 \times 20\% = 0{,}2$ mol. Theo tỉ lệ $1:3:2$, $H_2$ phản ứng $= 0{,}2 \times 3 = 0{,}6$ mol, $NH_3$ sinh ra $= 0{,}2 \times 2 = 0{,}4$ mol. Số mol lúc cân bằng: $N_2 = 1 - 0{,}2 = 0{,}8$ mol; $H_2 = 3 - 0{,}6 = 2{,}4$ mol; $NH_3 = 0{,}4$ mol.
3
Chia cho $V = 2$ lít: $[N_2] = 0{,}4$ M; $[H_2] = 1{,}2$ M; $[NH_3] = 0{,}2$ M.
Chia cho $V = 2$ lít: $[N_2] = 0{,}4$ M; $[H_2] = 1{,}2$ M; $[NH_3] = 0{,}2$ M.
4
$K_c = \dfrac{[NH_3]^2}{[N_2][H_2]^3} = \dfrac{(0{,}2)^2}{0{,}4 \times (1{,}2)^3} = \dfrac{0{,}04}{0{,}6912}$
$$K_c = \dfrac{[NH_3]^2}{[N_2][H_2]^3} = \dfrac{(0{,}2)^2}{0{,}4 \times (1{,}2)^3} = \dfrac{0{,}04}{0{,}6912}$$
5
Vậy $K_c \approx 0{,}058$ (làm tròn đến hàng phần nghìn) ở nhiệt độ T. Giá trị $K_c$ nhỏ hơn 1 cho thấy ở nhiệt độ T này cân bằng không lệch mạnh về phía $NH_3$ — khớp với thực tế hiệu suất một lượt qua tháp chỉ khoảng 15 – 25%, đó là lý do công nghiệp phải tuần hoàn khí chưa phản ứng.
Vậy $K_c \approx 0{,}058$ (làm tròn đến hàng phần nghìn) ở nhiệt độ T. Giá trị $K_c$ nhỏ hơn 1 cho thấy ở nhiệt độ T này cân bằng không lệch mạnh về phía $NH_3$ — khớp với thực tế hiệu suất một lượt qua tháp chỉ khoảng 15 – 25%, đó là lý do công nghiệp phải tuần hoàn khí chưa phản ứng.

Thành phần cân bằng lấy trực tiếp từ Ví dụ 2. H₂ vẫn còn dư rất nhiều so với NH₃ tạo thành — đúng bản chất một cân bằng có hiệu suất thấp, không phải phản ứng hoàn toàn.

Vì sao học kỹ thuật này

Vì sao học kỹ thuật này: đề thi hay đánh tráo chiều bài toán — cho $K_c$ , hỏi hiệu suất, hoặc cho hiệu suất, hỏi $K_c$ . Cả hai đều dùng chung một bảng ICE, chỉ khác biến nào là ẩn số. Luôn viết đủ ba hàng Đầu – Biến đổi – Cân bằng trước khi thay vào biểu thức $K_c$ , đừng nhảy thẳng vào công thức.

**Vì sao học kỹ thuật này:** đề thi hay đánh tráo chiều bài toán — cho $K_c$, hỏi hiệu suất, hoặc cho hiệu suất, hỏi $K_c$. Cả hai đều dùng chung một bảng ICE, chỉ khác biến nào là ẩn số. Luôn viết đủ ba hàng Đầu – Biến đổi – Cân bằng trước khi thay vào biểu thức $K_c$, đừng nhảy thẳng vào công thức.

Luyện phản xạ

Ghi nhớ

Tóm tắt: $NH_3$ vừa là base yếu (nhờ cặp electron tự do trên N) vừa là chất khử duy nhất (vì N đã ở số oxi hóa thấp nhất $-3$ ). Cân bằng Haber $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$ định lượng bằng đúng kỹ thuật ICE của Course 2: lập bảng Đầu – Biến đổi – Cân bằng theo hiệu suất, đổi sang nồng độ, rồi thay vào $K_c = \dfrac{[NH_3]^2}{[N_2][H_2]^3}$ .

**Tóm tắt:** $NH_3$ vừa là base yếu (nhờ cặp electron tự do trên N) vừa là chất khử duy nhất (vì N đã ở số oxi hóa thấp nhất $-3$). Cân bằng Haber $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$ định lượng bằng đúng kỹ thuật ICE của Course 2: lập bảng Đầu – Biến đổi – Cân bằng theo hiệu suất, đổi sang nồng độ, rồi thay vào $K_c = \dfrac{[NH_3]^2}{[N_2][H_2]^3}$.

Bắc cầu sang bài sau: $NH_3$ tạo ra từ Haber phần lớn được trung hòa bằng acid để làm phân bón. Bài tiếp theo học các muối ammonium đó — tính chất, cách nhận biết, và một dạng bài toán hỗn hợp muối thường gặp trong đề HSG.

**Bắc cầu sang bài sau:** $NH_3$ tạo ra từ Haber phần lớn được trung hòa bằng acid để làm phân bón. Bài tiếp theo học các muối ammonium đó — tính chất, cách nhận biết, và một dạng bài toán hỗn hợp muối thường gặp trong đề HSG.