Ammonia là gì? Cấu tạo, tính chất, ứng dụng và bài tập Hóa 11

Ammonia là hợp chất của hydrogen và nitrogen có công thức \(NH_3\), giữ vai trò quan trọng trong sản xuất phân bón, nitric Trong chương trình Hóa học 11, ammonia là hợp chất của nitrogen và hydrogen có công thức \(NH_3\), đồng thời là nội dung quan trọng để học sinh hiểu mối liên hệ giữa cấu tạo phân tử ammonia, dạng hình học, độ phân cực và tính chất của ammonia.

Bài viết làm rõ ammonia là gì, tính chất vật lí, khả năng tan nhiều trong nước, tính base yếu, tính khử, các phản ứng đặc trưng, phản ứng tổng hợp ammonia, ứng dụng và các dạng bài tập ammonia lớp 11 thường gặp.

Ammonia là gì?

Ammonia có công thức hóa học \(NH_3\).

Cấu tạo và dạng hình học của phân tử ammonia:

Mỗi phân tử gồm một nguyên tử nitrogen liên kết cộng hóa trị với ba nguyên tử hydrogen. Sau khi tạo ba liên kết N–H, nguyên tử nitrogen vẫn còn một cặp electron không liên kết [1].

Phân tử \(NH_3\) có dạng hình chóp tam giác. Liên kết N–H là liên kết cộng hóa trị phân cực vì cặp electron dùng chung lệch về phía nitrogen, do nitrogen có độ âm điện lớn hơn so với hydrogen [2]. Cùng với đó liên kết N–H tương đối bền, với năng lượng liên kết là 386 kJ/mol. [1],

Cặp electron không liên kết trên nitrogen là đặc điểm quan trọng giúp giải thích khả năng nhận proton H+ và tính base của ammonia.

Tính chất vật lý của ammonia

Ở điều kiện thường, ammonia là chất khí không màu, có mùi khai và xốc, nhẹ hơn không khí. Khối lượng mol của \(NH_3\) là 17 g/mol, nhỏ hơn khối lượng mol trung bình của không khí là 29 g/mol [1]

Ammonia tan rất nhiều trong nước. Do liên kết N–H phân cực, \(NH_3\) là phân tử phân cực và có thể tạo liên kết hydrogen với các phân tử nước; đây là cơ sở quan trọng giải thích độ tan lớn của ammonia [1].

\(NH_3\) + \(H_2O\) ⇌ \(NH_4^+\)+ \(OH^{-}\)

Vì ammonia tan mạnh trong nước nên không thể thu khí này bằng phương pháp đẩy nước. Trong phòng thí nghiệm, \(NH_3\) được thu bằng phương pháp đẩy không khí, dựa vào việc khí ammonia nhẹ hơn không khí và sử dụng dụng cụ khô .

Ammonia tan nhiều trong nước do phân tử \(NH_3\) phân cực, có khả năng tạo liên kết hydrogen với nước và một phần \(NH_3\) phản ứng với \(H_2O\) tạo \(NH_4^{+}\) và \(OH^-\).

Ammonia tồn tại ở trạng thái khí ở nhiệt độ phòng vì nhiệt độ sôi của \(NH_3\) thấp hơn nhiều so với nhiệt độ phòng.

Tính chất hóa học của ammonia

Hai tính chất hóa học trọng tâm của ammonia trong chương trình Hóa học 11 là tính base và tính khử.

Tính base của ammonia

Một phần \(NH_3\) phản ứng thuận nghịch với nước theo cân bằng:

\(NH_3\) + \(H_2O\) ⇌ \(NH_4^+\)+ \(OH^{-}\)

Dung dịch ammonia trong nước chứa chủ yếu \(NH_3\), \(H_2O\) và một lượng nhỏ các ion \(NH_4^{+}\), \(OH^{-}\).

Trong dung dịch, ammonia thể hiện tính base yếu do chỉ một phần \(NH_3\) nhận proton từ nước, tạo \(NH_4^{+}\) và \(OH^{-}\). Ion OH− tạo thành làm dung dịch ammonia có môi trường base yếu và làm quỳ tím chuyển sang màu xanh. Theo thuyết Bronsted – Lowry, NH3 là base vì có khả năng nhận proton \(H^{+}\) [1].

Ammonia cũng phản ứng với acid để tạo muối ammonium. Ví dụ:

\(NH_3\) + \(HCl\) \(\rightarrow NH_4^{}Cl\)

Trong phản ứng trên, \(NH_3\) nhận proton từ HCl để tạo \(NH_4^+\), qua đó thể hiện trực tiếp tính base.

Tính khử của ammonia

Trong \(NH_3\), nitrogen có số oxi hóa −3, là số oxi hóa thấp nhất của nitrogen trong các hợp chất được xét ở chương trình phổ thông. Vì vậy, ammonia thể hiện tính khử khi nitrogen bị oxi hóa lên số oxi hóa cao hơn [1].

Khi đốt ammonia trong oxygen:

\[4NH_3+3O_2\rightarrow2N_2+6H_2O\]

Khi có xúc tác Pt ở nhiệt độ thích hợp:

\[4NH_3+5O_2\rightarrow4NO+6H_2O\]

NO tạo thành có thể tiếp tục bị oxi hóa thành NO2. Người học có thể liên hệ nội dung này với bài Nitrogen oxide và các hợp chất của nitrogen với oxygen trong Hóa 11 để nối mạch kiến thức giữa \(NH_3\), \(NO\), \(NO_2\) và nitric acid.

Phản ứng tổng hợp ammonia trong công nghiệp

Trong công nghiệp, ammonia được tổng hợp từ nitrogen và hydrogen theo phản ứng thuận nghịch:

\(N_2\left(g\right)+3H_2\left(g\right)\) ⇌ \(2NH_3\)

Theo nội dung Kết nối tri thức, quá trình sản xuất ammonia thường được tiến hành ở khoảng 400–450°C, áp suất 150–200 bar và xúc tác Fe [1].

Phản ứng thuận là phản ứng tỏa nhiệt \(\left(\Delta_{r}H_{o}<0\right)\) và tổng số mol khí giảm từ 4 mol ở phía chất phản ứng xuống 2 mol ở phía sản phẩm.

Theo nguyên lí Le Chatelier, giảm nhiệt độ làm cân bằng chuyển dịch theo chiều tỏa nhiệt, còn tăng áp suất làm cân bằng chuyển dịch về phía có số mol khí nhỏ hơn. Cả hai thay đổi đều thuận lợi cho chiều tạo \(NH_3\).

Tuy nhiên, nếu nhiệt độ quá thấp thì tốc độ phản ứng giảm. Vì vậy, trong thực tế phải lựa chọn nhiệt độ thích hợp để dung hòa giữa tốc độ phản ứng và hiệu suất cân bằng.

Điểm chung cần ghi nhớ là: nhiệt độ thích hợp, áp suất cao và xúc tác Fe. Chất xúc tác giúp hệ đạt cân bằng nhanh hơn nhưng không làm chuyển dịch vị trí cân bằng.

Phần này liên hệ trực tiếp với bài Phản ứng thuận nghịch, trạng thái cân bằng và nguyên lí Le Chatelier.

Ứng dụng của ammonia trong đời sống và sản xuất

Một ứng dụng quan trọng của ammonia là làm nguyên liệu sản xuất phân đạm. Từ \(NH_3\) có thể sản xuất các muối ammonium và urea, qua đó cung cấp nguyên tố nitrogen cần thiết cho cây trồng .

Ammonia còn là nguyên liệu quan trọng trong sản xuất nitric acid. Từ nitric acid và các hợp chất ammonium có thể tiếp tục sản xuất nhiều hóa chất khác. Ammonium nitrate là một hợp chất có ứng dụng trong phân bón và một số vật liệu sử dụng trong khai thác quặng mỏ.

Ngoài ra, ammonia lỏng được dùng làm chất làm lạnh trong một số hệ thống làm lạnh công nghiệp. Đây là một trong những ứng dụng thực tế của ammonia được đề cập trong nội dung Hóa học 11 .

Bài tập ammonia lớp 11 có lời giải

Câu 1. Cấu tạo ammonia

Phát biểu nào sau đây đúng về phân tử \(NH_3\)?

A. Phân tử có dạng tam giác phẳng và nitrogen không còn cặp electron riêng.
B. Phân tử có dạng chóp tam giác và nitrogen còn một cặp electron không liên kết.
C. Phân tử có dạng đường thẳng.
D. Phân tử có dạng tứ diện đều.

Phân tích đề bài: Dữ kiện là công thức \(NH_3\); thông tin cần tìm là dạng hình học và sự có mặt của cặp electron không liên kết trên nitrogen.

Kiến thức cần dùng: Nitrogen tạo ba liên kết N–H và còn một cặp electron không liên kết. Phân tử \(NH_3\) có dạng chóp tam giác.

Lời giải: Chọn B. Phân tử có dạng chóp tam giác và nitrogen còn một cặp electron không liên kết.

Câu 2. Tính chất vật lý của ammonia

Vì sao không thu khí ammonia bằng phương pháp đẩy nước?

A. \(NH_3\) nặng hơn nước.
B. \(NH_3\) phản ứng mãnh liệt với nước.
C. \(NH_3\) tan rất nhiều trong nước.
D. \(NH_3\) không tan trong nước.

Phân tích đề bài: Câu hỏi yêu cầu liên hệ tính tan của khí với phương pháp thu khí.

Kiến thức cần dùng: Một chất khí tan nhiều trong nước không thích hợp để thu bằng phương pháp đẩy nước.

Lời giải: Chọn C. Ammonia tan rất nhiều trong nước nên nếu dẫn NH3 vào nước, lượng lớn khí sẽ bị hòa tan thay vì được thu lại.

Câu 3. Tính base của ammonia và ứng dụng sản xuất

Một nhà máy sản xuất phân ammophos từ ammonia và phosphoric acid. Hai sản phẩm tạo thành là \(NH_4H_2PO_4\)​ và \(\left(NH_4\right)_2HPO_4\)​ với tỉ lệ mol 1 : 1. Cho ammonia phản ứng vừa đủ với dung dịch chứa 5,88 tấn \(H_3PO_4\)​.

a) Viết các phương trình hóa học xảy ra.
b) Tính thể tích ammonia cần dùng ở điều kiện chuẩn và khối lượng phân ammophos thu được.

Dạng bài: Bài toán tính theo phương trình hóa học có hai phản ứng xảy ra đồng thời, kết hợp tỉ lệ mol sản phẩm và định luật bảo toàn khối lượng.

Dữ kiện:

• \(m_{H_3PO_4}=5{,}88\ \text{tấn}\)

• \(n_{NH_4H_2PO_4}:n_{(NH_4)_2HPO_4}=1:1\)

• \(V_{m}=24{,}79\ \text{L/mol}\)

Thông tin cần tìm:

• Thể tích \(NH_3\) cần dùng.

• Khối lượng ammophos thu được.

Kiến thức cần dùng: Ammonia có tính base, phản ứng với phosphoric acid tạo các muối ammonium. Mỗi mol \(NH_4H_2PO_4\) cần 1 mol \(NH_3\), còn mỗi mol \(\left(NH_4\right)_2HPO_4\)​ cần 2 mol \(NH_3\).

Lời giải:

Các phương trình hóa học:

\[\begin{aligned}NH_3+H_3PO_4 & \rightarrow NH_4H_2PO_4\\\end{aligned}\]

\[\begin{aligned}2NH_3+H_3PO_4\rightarrow(NH_4)_2HPO_4\end{aligned}\]

Số mol phosphoric acid:

\[n_{H_3PO_4}=\frac{5{,}88\times10^6}{98}=6{,}0\times10^4\ \text{mol}\]

Do hai muối \(NH_4H_2PO_4\) và \(\left(NH_4\right)_2HPO_4\)​ được tạo thành theo tỉ lệ mol 1 : 1, mà trong cả hai phản ứng, 1 mol muối đều ứng với 1 mol \(H_3PO_4\), nên lượng H3​PO4​ tham gia hai phản ứng bằng nhau:

\[n_{H_3PO_4(1)}=n_{H_3PO_4(2)}=\frac{6{,}0\times10^4}{2}=3{,}0\times10^4\ \text{mol}\]

Theo (1) và (2):

\[\begin{aligned} n_{NH_3(1)}&=3{,}0\times10^4\ \text{mol}\\ n_{NH_3(2)}&=2\times3{,}0\times10^4=6{,}0\times10^4\ \text{mol} \end{aligned}\]

Tổng số mol ammonia cần dùng:

\[n_{NH_3}=3{,}0\times10^4+6{,}0\times10^4=9{,}0\times10^4\ \text{mol}\]

Thể tích ammonia ở điều kiện chuẩn:

\[V_{NH_3}=9{,}0\times10^4\times24{,}79=2\,231\,100\ \text{L}=2231{,}1\ \text{m}^3\]

Khối lượng ammonia đã phản ứng:

\[m_{NH_3}=9{,}0\times10^4\times17=1{,}53\ \text{tấn}\]

Hai phản ứng đều chỉ tạo muối, không tạo sản phẩm phụ. Theo định luật bảo toàn khối lượng:

\[m_{\text{ammophos}}=5{,}88+1{,}53=7{,}41\ \text{tấn}\]

Kết quả:

\[{V_{NH_3}=2231{,}1\ \text{m}^3;m_{\text{ammophos}}=7{,}41\ \text{tấn}}\]

Câu 4. Phân tích về tổng hợp ammonia

Xét cân bằng:

\(N_2\left(g\right)+3H_2\left(g\right)\) ⇌ \(2NH_3\)

Biết phản ứng thuận tỏa nhiệt. Tăng áp suất và giảm nhiệt độ ảnh hưởng như thế nào đến lượng NH3 ở trạng thái cân bằng?

Phân tích đề bài: Đây là dạng bài vận dụng nguyên lí Le Chatelier. Cần xét riêng ảnh hưởng của áp suất và nhiệt độ.

Kiến thức cần dùng: Tăng áp suất làm cân bằng chuyển về phía có ít mol khí hơn; giảm nhiệt độ làm cân bằng chuyển theo chiều tỏa nhiệt.

Lời giải: Vế trái có tổng cộng 4 mol khí, trong khi vế phải có 2 mol khí. Vì vậy, tăng áp suất làm cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận, tạo thêm \(NH_3\).

Phản ứng thuận tỏa nhiệt nên giảm nhiệt độ cũng làm cân bằng chuyển dịch theo chiều tạo \(NH_3\). Tuy nhiên, trong thực tế không thể hạ nhiệt độ quá thấp vì tốc độ phản ứng sẽ giảm. Vì vậy, trong công nghiệp người ta lựa chọn nhiệt độ thích hợp để cân bằng giữa tốc độ phản ứng và hiệu suất tạo ammonia; \(N_2\) và \(H_2\) chưa phản ứng được tuần hoàn trở lại hệ thống.

Ammonia có công thức \(NH_3\), cấu tạo chóp tam giác, phân tử phân cực và tan rất nhiều trong nước. Hai tính chất hóa học quan trọng của ammonia là tính base yếu do khả năng nhận proton và tính khử do nitrogen có số oxi hóa −3.

Trong công nghiệp, ammonia được tổng hợp từ \(N_2\) và \(H_2\) bằng phản ứng thuận nghịch ở nhiệt độ, áp suất và xúc tác phù hợp. Chất này được sử dụng nhiều trong sản xuất phân đạm, nitric acid và làm chất làm lạnh.

Để học chắc ammonia, học sinh nên kết hợp ghi nhớ cấu tạo với giải thích tính chất, đồng thời luyện các dạng bài acid – base, oxi hóa – khử và chuyển dịch cân bằng. Người học có thể tiếp tục hệ thống kiến thức tại chuyên mục Hóa học 11 của ZIM Academy.