Bài học

Đơn chất nitrogen, ammonia và muối ammonium

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em giải thích được vì sao đơn chất nitrogen trơ ở điều kiện thường nhưng phản ứng được ở nhiệt độ cao, viết đúng các phản ứng đặc trưng của ammonia (base yếu, chất khử), và nhận biết được muối ammonium qua phản ứng với base mạnh khi đun nóng.

Kiến thức nền cần nhớ

Chương này dùng lại đúng khung lý thuyết acid–base Brønsted–Lowry vừa ôn ở Chương 1: $NH_3$ là một base yếu vì nhận proton của nước. Em cũng cần nhớ khái niệm chất khử/chất oxi hóa từ chương trình lớp 10 để hiểu vì sao $NH_3$ và một số hợp chất nitrogen khác có thể đóng vai trò chất khử trong phản ứng với chất oxi hóa mạnh.

Khởi động

Khí quyển Trái Đất chứa tới 78% nitrogen theo thể tích, nhưng thực vật không thể hấp thụ trực tiếp khí $N_2$ — chúng cần nitrogen ở dạng hợp chất trong phân bón. Vì sao một phân tử phổ biến đến vậy lại trơ với hầu hết phản ứng ở điều kiện thường?

Kiến thức trọng tâm

Đơn chất nitrogen ( $N_2$ ) có liên kết ba $N \equiv N$ rất bền, năng lượng liên kết lớn, nên ở điều kiện thường $N_2$ gần như trơ, không phản ứng với hầu hết chất khác. Chỉ ở nhiệt độ rất cao (tia sét, buồng đốt động cơ, hoặc có xúc tác và áp suất cao trong công nghiệp), liên kết ba mới bị phá vỡ và $N_2$ mới phản ứng được, ví dụ $N_2 + O_2 \xrightarrow{t^\circ \text{ rất cao}} 2NO$ (hình thành tự nhiên khi có sét đánh) hoặc $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$ (tổng hợp công nghiệp, xúc tác Fe, đã ôn ở Chương 1).

Ammonia ( $NH_3$ ) có cấu trúc hình chóp, phân tử phân cực, tan rất nhiều trong nước. Trong nước, $NH_3$ là một base yếu: $NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-$ — chính phản ứng đã dùng làm ví dụ Brønsted–Lowry ở Chương 1. $NH_3$ còn phản ứng trực tiếp với acid tạo muối ammonium: $NH_3 + HCl \to NH_4Cl$ . Ngoài vai trò base, $NH_3$ còn là chất khử: cháy trong oxygen không xúc tác cho ra khí $N_2$ ( $4NH_3 + 3O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2N_2 + 6H_2O$ ), nhưng khi có xúc tác Pt (giai đoạn đầu của quy trình sản xuất $HNO_3$ công nghiệp) lại cho ra khí NO thay vì $N_2$ : $4NH_3 + 5O_2 \xrightarrow[t^\circ]{xt} 4NO + 6H_2O$ . Xúc tác ở đây không chỉ tăng tốc độ mà còn quyết định sản phẩm chính, khác hẳn vai trò trung tính của xúc tác trong bài toán cân bằng thông thường ở Chương 1.

Muối ammonium (như $NH_4Cl$ , $(NH_4)_2SO_4$ , $NH_4NO_3$ ) đều tan tốt trong nước, thường được dùng làm phân bón đạm. Đun nóng muối ammonium với dung dịch base mạnh giải phóng khí $NH_3$ có mùi khai đặc trưng và làm quỳ tím ẩm hóa xanh — đây là phép thử nhận biết ion ammonium: $NH_4Cl + NaOH \xrightarrow{t^\circ} NaCl + NH_3\uparrow + H_2O$ . Muối ammonium cũng dễ bị phân hủy nhiệt: $NH_4NO_3 \xrightarrow{t^\circ} N_2O + 2H_2O$ .

Một điểm đáng chú ý về tính chất vật lí của $NH_3$ : dù là chất khí ở điều kiện thường, $NH_3$ có nhiệt độ sôi ( $-33\,°C$ ) cao bất thường so với các khí có khối lượng phân tử tương đương — nguyên nhân là phân tử $NH_3$ phân cực mạnh và có thể tạo liên kết hydrogen giữa các phân tử với nhau (tương tự nước). Nhờ vậy $NH_3$ dễ hóa lỏng dưới áp suất vừa phải ở nhiệt độ thường, được dùng làm chất làm lạnh trong nhiều hệ thống kho lạnh công nghiệp — quá trình $NH_3$ lỏng bay hơi thu nhiệt mạnh giúp hạ nhiệt độ môi trường xung quanh. Đây cũng chính là lý do bình chứa $NH_3$ công nghiệp luôn phải chịu áp suất và được kiểm soát an toàn nghiêm ngặt, vì khí $NH_3$ thoát ra ở nồng độ cao gây kích ứng đường hô hấp mạnh.

**Đơn chất nitrogen** ($N_2$) có liên kết ba $N \equiv N$ rất bền, năng lượng liên kết lớn, nên ở điều kiện thường $N_2$ gần như trơ, không phản ứng với hầu hết chất khác. Chỉ ở nhiệt độ rất cao (tia sét, buồng đốt động cơ, hoặc có xúc tác và áp suất cao trong công nghiệp), liên kết ba mới bị phá vỡ và $N_2$ mới phản ứng được, ví dụ $N_2 + O_2 \xrightarrow{t^\circ \text{ rất cao}} 2NO$ (hình thành tự nhiên khi có sét đánh) hoặc $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$ (tổng hợp công nghiệp, xúc tác Fe, đã ôn ở Chương 1). **Ammonia** ($NH_3$) có cấu trúc hình chóp, phân tử phân cực, tan rất nhiều trong nước. Trong nước, $NH_3$ là một base yếu: $NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-$ — chính phản ứng đã dùng làm ví dụ Brønsted–Lowry ở Chương 1. $NH_3$ còn phản ứng trực tiếp với acid tạo muối ammonium: $NH_3 + HCl \to NH_4Cl$. Ngoài vai trò base, $NH_3$ còn là chất khử: cháy trong oxygen không xúc tác cho ra khí $N_2$ ($4NH_3 + 3O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2N_2 + 6H_2O$), nhưng khi có xúc tác Pt (giai đoạn đầu của quy trình sản xuất $HNO_3$ công nghiệp) lại cho ra khí NO thay vì $N_2$: $4NH_3 + 5O_2 \xrightarrow[t^\circ]{xt} 4NO + 6H_2O$. Xúc tác ở đây không chỉ tăng tốc độ mà còn quyết định sản phẩm chính, khác hẳn vai trò trung tính của xúc tác trong bài toán cân bằng thông thường ở Chương 1. **Muối ammonium** (như $NH_4Cl$, $(NH_4)_2SO_4$, $NH_4NO_3$) đều tan tốt trong nước, thường được dùng làm phân bón đạm. Đun nóng muối ammonium với dung dịch base mạnh giải phóng khí $NH_3$ có mùi khai đặc trưng và làm quỳ tím ẩm hóa xanh — đây là phép thử nhận biết ion ammonium: $NH_4Cl + NaOH \xrightarrow{t^\circ} NaCl + NH_3\uparrow + H_2O$. Muối ammonium cũng dễ bị phân hủy nhiệt: $NH_4NO_3 \xrightarrow{t^\circ} N_2O + 2H_2O$. Một điểm đáng chú ý về tính chất vật lí của $NH_3$: dù là chất khí ở điều kiện thường, $NH_3$ có nhiệt độ sôi ($-33\,°C$) cao bất thường so với các khí có khối lượng phân tử tương đương — nguyên nhân là phân tử $NH_3$ phân cực mạnh và có thể tạo liên kết hydrogen giữa các phân tử với nhau (tương tự nước). Nhờ vậy $NH_3$ dễ hóa lỏng dưới áp suất vừa phải ở nhiệt độ thường, được dùng làm chất làm lạnh trong nhiều hệ thống kho lạnh công nghiệp — quá trình $NH_3$ lỏng bay hơi thu nhiệt mạnh giúp hạ nhiệt độ môi trường xung quanh. Đây cũng chính là lý do bình chứa $NH_3$ công nghiệp luôn phải chịu áp suất và được kiểm soát an toàn nghiêm ngặt, vì khí $NH_3$ thoát ra ở nồng độ cao gây kích ứng đường hô hấp mạnh.

Ví dụ

Viết phương trình phản ứng của

NH_3

Viết phương trình phản ứng của $NH_3$

1
Dự đoán sản phẩm và viết phương trình cho: (a) $NH_3$ tác dụng dung dịch $HCl$ ; (b) $NH_3$ cháy trong oxygen dư khi KHÔNG có xúc tác; (c) $NH_3$ tác dụng oxygen khi CÓ xúc tác Pt.
Dự đoán sản phẩm và viết phương trình cho: (a) $NH_3$ tác dụng dung dịch $HCl$; (b) $NH_3$ cháy trong oxygen dư khi KHÔNG có xúc tác; (c) $NH_3$ tác dụng oxygen khi CÓ xúc tác Pt.
2
$NH_3$ là base, phản ứng trực tiếp với acid tạo muối: $NH_3 + HCl \to NH_4Cl$ .
$NH_3$ là base, phản ứng trực tiếp với acid tạo muối: $NH_3 + HCl \to NH_4Cl$.
3
Không xúc tác, $NH_3$ cháy tạo khí $N_2$ (sản phẩm bền, ứng với vai trò chất khử thông thường): $4NH_3 + 3O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2N_2 + 6H_2O$ .
Không xúc tác, $NH_3$ cháy tạo khí $N_2$ (sản phẩm bền, ứng với vai trò chất khử thông thường): $4NH_3 + 3O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2N_2 + 6H_2O$.
4
Có xúc tác Pt, sản phẩm oxi hóa của nitrogen dừng ở mức thấp hơn — tạo khí $NO$ : $4NH_3 + 5O_2 \xrightarrow[t^\circ]{Pt} 4NO + 6H_2O$ .
Có xúc tác Pt, sản phẩm oxi hóa của nitrogen dừng ở mức thấp hơn — tạo khí $NO$: $4NH_3 + 5O_2 \xrightarrow[t^\circ]{Pt} 4NO + 6H_2O$.
5
Cùng một chất khử $NH_3$ và cùng chất oxi hóa $O_2$ , nhưng có xúc tác hay không quyết định sản phẩm cuối cùng khác nhau — đây là điểm khác biệt quan trọng với vai trò xúc tác trung tính đã học ở bài cân bằng.
Cùng một chất khử $NH_3$ và cùng chất oxi hóa $O_2$, nhưng có xúc tác hay không quyết định sản phẩm cuối cùng khác nhau — đây là điểm khác biệt quan trọng với vai trò xúc tác trung tính đã học ở bài cân bằng.

Ví dụ

Nhận biết và tính toán muối ammonium — dạng thi

1
Đun nóng 5,35 gam muối $NH_4Cl$ với dung dịch $NaOH$ dư. Tính thể tích khí $NH_3$ thu được (đkc: $25\,°C$ , 1 bar, $V_m = 24{,}79$ lít/mol), và nêu cách nhận biết khí đó bằng thí nghiệm đơn giản.
Đun nóng 5,35 gam muối $NH_4Cl$ với dung dịch $NaOH$ dư. Tính thể tích khí $NH_3$ thu được (đkc: $25\,°C$, 1 bar, $V_m = 24{,}79$ lít/mol), và nêu cách nhận biết khí đó bằng thí nghiệm đơn giản.
2
$M(NH_4Cl) = 14 + 4 + 35{,}5 = 53{,}5$ g/mol. $n(NH_4Cl) = \dfrac{5{,}35}{53{,}5} = 0{,}1$ mol.
$M(NH_4Cl) = 14 + 4 + 35{,}5 = 53{,}5$ g/mol. $n(NH_4Cl) = \dfrac{5{,}35}{53{,}5} = 0{,}1$ mol.
3
$NH_4Cl + NaOH \xrightarrow{t^\circ} NaCl + NH_3\uparrow + H_2O$ . Vì NaOH dư nên $NH_4Cl$ phản ứng hết; theo tỉ lệ 1:1, $n(NH_3) = n(NH_4Cl) = 0{,}1$ mol.
$NH_4Cl + NaOH \xrightarrow{t^\circ} NaCl + NH_3\uparrow + H_2O$. Vì NaOH dư nên $NH_4Cl$ phản ứng hết; theo tỉ lệ 1:1, $n(NH_3) = n(NH_4Cl) = 0{,}1$ mol.
4
$V(NH_3) = n \times V_m = 0{,}1 \times 24{,}79 = 2{,}479$ lít.
$V(NH_3) = n \times V_m = 0{,}1 \times 24{,}79 = 2{,}479$ lít.
5
Vậy $V(NH_3) \approx 2{,}48$ lít (đkc). Có thể nhận biết khí này bằng mùi khai đặc trưng hoặc đưa mẩu quỳ tím ẩm lại gần miệng ống nghiệm — quỳ tím ẩm chuyển sang màu xanh do $NH_3$ tan trong nước tạo dung dịch base.
Vậy $V(NH_3) \approx 2{,}48$ lít (đkc). Có thể nhận biết khí này bằng mùi khai đặc trưng hoặc đưa mẩu quỳ tím ẩm lại gần miệng ống nghiệm — quỳ tím ẩm chuyển sang màu xanh do $NH_3$ tan trong nước tạo dung dịch base.

Sai lầm thường gặp

Học sinh dễ viết nhầm sản phẩm cháy của $NH_3$ trong mọi trường hợp đều là $N_2$ , quên rằng có xúc tác Pt sản phẩm là $NO$ (bước đầu của quy trình sản xuất $HNO_3$ ). Luôn đọc kỹ đề bài có nêu điều kiện xúc tác hay không trước khi viết phương trình.

Học sinh dễ viết nhầm sản phẩm cháy của $NH_3$ trong mọi trường hợp đều là $N_2$, quên rằng có xúc tác Pt sản phẩm là $NO$ (bước đầu của quy trình sản xuất $HNO_3$). Luôn đọc kỹ đề bài có nêu điều kiện xúc tác hay không trước khi viết phương trình.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

$N_2$ trơ do liên kết ba bền. $NH_3$ : base yếu ( $+H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-$ ), phản ứng acid ( $+HCl \to NH_4Cl$ ), chất khử (cháy không xúc tác $\to N_2$ ; có xúc tác Pt $\to NO$ ). $NH_3$ có liên kết hydrogen nên sôi ở nhiệt độ khá cao so với khối lượng phân tử, dễ hóa lỏng để làm chất làm lạnh công nghiệp. Muối ammonium tan tốt, nhận biết bằng $NaOH$ đun nóng (mùi khai, quỳ ẩm hóa xanh).

$N_2$ trơ do liên kết ba bền. $NH_3$: base yếu ($+H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-$), phản ứng acid ($+HCl \to NH_4Cl$), chất khử (cháy không xúc tác $\to N_2$; có xúc tác Pt $\to NO$). $NH_3$ có liên kết hydrogen nên sôi ở nhiệt độ khá cao so với khối lượng phân tử, dễ hóa lỏng để làm chất làm lạnh công nghiệp. Muối ammonium tan tốt, nhận biết bằng $NaOH$ đun nóng (mùi khai, quỳ ẩm hóa xanh).

Bài tiếp theo ôn tập nitric acid — sản phẩm cuối của chuỗi oxi hóa nitrogen vừa bắt đầu ở bài này — và các muối nitrate cùng vấn đề môi trường liên quan.