NH3 + O2 | Phương trình có và không có xúc tác

Phản ứng NH3 + O2 là phản ứng oxi hóa – khử, trong đó ammonia (NH₃) thể hiện tính khử khi tác dụng với oxygen (O₂). Vậy NH3 + O2 ra gì? Tùy thuộc vào điều kiện nhiệt độ và chất xúc tác, phản ứng có thể tạo nitrogen (N₂) hoặc nitrogen monoxide (NO) cùng với nước (H₂O).

Bài viết dưới đây trình bày phương trình NH3 + O2 có và không có xúc tác Pt, điều kiện phản ứng, cách cân bằng phương trình hóa học và các bài tập vận dụng liên quan.

NH3 + O2 ra gì? Phương trình và điều kiện phản ứng

Khi ammonia (NH₃) tác dụng với oxygen (O₂), sản phẩm phụ thuộc vào điều kiện phản ứng, đặc biệt là nhiệt độ và chất xúc tác. Theo nội dung Bài 5: Ammonia – Muối ammonium, Hóa học 11 Kết nối tri thức, cần phân biệt hai trường hợp: đốt cháy tạo N₂ và oxi hóa có xúc tác Pt tạo NO. [1]

NH3 + O2 không có xúc tác Pt (đốt cháy):

\[4NH_3+3O_2\xrightarrow{t^\circ}2N_2+6H_2O\]

NH3 + O2 có xúc tác Pt ở 800–900°C:

\[4NH_3+5O_2\xrightarrow[800-900^\circ\mathrm{C}]{\mathrm{Pt}}4NO+6H_2O\]

Như vậy, nếu đề hỏi “NH3 + O2 ra gì?”, cần kiểm tra điều kiện trước khi xác định sản phẩm. Cả hai trường hợp đều tạo H₂O nhưng sản phẩm chứa nitrogen khác nhau.

Lưu ý: Bảng trên trình bày hai phản ứng tiêu biểu trong chương trình phổ thông. Trong thực tế công nghiệp, phản ứng có xúc tác tạo NO là phản ứng mong muốn; vẫn có thể hình thành sản phẩm phụ như N₂ hoặc N₂O tùy điều kiện vận hành. [2]

Phương trình NH3 + O2 tạo N2 và H2O khi không có xúc tác

Điều kiện và hiện tượng phản ứng

Khi đốt cháy ammonia trong oxygen và không sử dụng xúc tác Pt, NH₃ cháy với ngọn lửa màu vàng, tạo nitrogen (N₂) và hơi nước (H₂O) theo phương trình:

\[4NH_3+3O_2\xrightarrow{t^\circ}2N_2+6H_2O\]

Đây là phản ứng oxi hóa – khử: NH₃ đóng vai trò chất khử, O₂ đóng vai trò chất oxi hóa.

Cách cân bằng NH3 + O2 → N2 + H2O bằng electron

Bước 1: Xác định số oxi hóa. Nitrogen trong NH₃ chuyển từ −3 lên 0 trong N₂, mỗi nguyên tử N nhường 3 electron. Oxygen trong O₂ chuyển từ 0 xuống −2 trong H₂O; mỗi phân tử O₂ nhận 4 electron.

Bước 2: Quy đồng electron. Bốn nguyên tử N nhường 12 electron, ba phân tử O₂ nhận 12 electron:

\[4\times3=3\times4=12\]

Bước 3: Đặt hệ số và kiểm tra. Đặt 4 trước NH₃ và 3 trước O₂; cân bằng N, H, O để thu được:

\[4NH_3+3O_2\xrightarrow{t^\circ}2N_2+6H_2O\]

Vì nitrogen tăng số oxi hóa, NH₃ bị oxi hóa và là chất khử; O₂ bị khử và là chất oxi hóa.

Phương trình NH3 + O2 có xúc tác Pt tạo NO

Điều kiện nhiệt độ và phương trình phản ứng

Trong công nghiệp, ammonia bị oxi hóa bởi oxygen ở khoảng 800–900°C với xúc tác platinum (Pt); sản phẩm chứa nitrogen mong muốn là nitrogen monoxide (NO): [2]

\[4NH_3+5O_2\xrightarrow[800-900^\circ\mathrm{C}]{\mathrm{Pt}}4NO+6H_2O\]

Phản ứng NH3 + O2 có xúc tác Pt là giai đoạn đầu của phương pháp Ostwald trong sản xuất nitric acid (HNO₃). Không nên nhầm NO được tạo ra trực tiếp với NO₂, vì NO₂ chủ yếu hình thành ở giai đoạn oxi hóa NO tiếp theo.

Cách cân bằng NH3 + O2 → NO + H2O

Bước 1: Nitrogen tăng số oxi hóa từ −3 trong NH₃ lên +2 trong NO; mỗi N nhường 5 electron. Oxygen từ 0 trong O₂ xuống −2 trong NO và H₂O; mỗi O₂ nhận 4 electron.

Bước 2: Quy đồng electron: 4 nguyên tử N nhường 20 electron và 5 phân tử O₂ nhận 20 electron.

\[4\times5=5\times4=20\]

Bước 3: Điền hệ số và kiểm tra số nguyên tử N, H, O ở hai vế:

\[4NH_3+5O_2\xrightarrow[800-900^\circ\mathrm{C}]{\mathrm{Pt}}4NO+6H_2O\]

Ứng dụng trong sản xuất nitric acid theo phương pháp Ostwald

NO hình thành sau phản ứng với xúc tác Pt tiếp tục bị oxi hóa thành NO₂. Tính chất của những hợp chất này được giải thích trong bài nitrogen oxide:

\[2NO+O_2\rightarrow2NO_2\]

NO₂ sau đó được hấp thụ vào nước trong điều kiện công nghệ thích hợp, đồng thời tái oxi hóa NO để thu nitric acid. Một phương trình tổng quát cho giai đoạn hấp thụ có oxygen là:

\[4NO_2+O_2+2H_2O\rightarrow4HNO_3\]

Có thể khái quát chuỗi chuyển hóa: \(NH_3\rightarrow NO\rightarrow NO_2\rightarrow HNO_3\). Điều kiện từng giai đoạn khác nhau, nên chuỗi này không phải một phương trình phản ứng duy nhất. [2]

Vì sao NH3 thể hiện tính khử khi tác dụng với O2?

Trong phân tử NH₃, nitrogen có số oxi hóa −3. Khi tác dụng với O₂, nitrogen tăng số oxi hóa và nhường electron; vì vậy NH₃ thể hiện tính khử, còn O₂ đóng vai trò chất oxi hóa.

Phân biệt với tính base: NH₃ thể hiện tính base khi nhận proton, chẳng hạn \(NH_3+HCl\rightarrow NH_4Cl\). Phản ứng này không làm thay đổi số oxi hóa của nitrogen; khác với phản ứng NH₃ + O₂ là phản ứng oxi hóa – khử. Có thể tham khảo bài tính chất hóa học của ammonia để củng cố sự khác biệt.

Bài tập NH3 + O2 có đáp án và lời giải

Để xác định sản phẩm và cân bằng phương trình NH3 + O2, học sinh cần đọc kỹ điều kiện “đốt cháy”, “xúc tác Pt” và “800–900°C”, sau đó xác định sự thay đổi số oxi hóa của nitrogen, oxygen.

Xác định sản phẩm NH3 + O2 theo điều kiện phản ứng

Câu 1. Khi đốt cháy ammonia trong oxygen, không có xúc tác Pt, sản phẩm tạo thành là:

A. N₂ và H₂O
B. NO và H₂O
C. NO₂ và H₂O
D. N₂O và H₂O

Đáp án: A. N₂ và H₂O

Phân tích đề bài:

• Chất tham gia: NH₃ và O₂.

• Điều kiện được cho là đốt cháy NH₃, không đề cập xúc tác Pt.

• Với điều kiện này, NH₃ bị oxi hóa tạo N₂ và H₂O.

  Do đó, chọn phương trình:

\[4NH_3+3O_2\xrightarrow{t^\circ}2N_2+6H_2O\]

Kết luận: Chọn A.

Không nên mặc định NH₃ + O₂ luôn tạo NO. Cần đọc kỹ điều kiện phản ứng.

Câu 2. Cho ammonia phản ứng với oxygen ở nhiệt độ 800–900°C, có xúc tác Pt. Phương trình nào sau đây đúng?

A. \(4NH_3+3O_2\rightarrow2N_2+6H_2O\)

B. \(4NH_3+5O_2\rightarrow4NO+6H_2O\)

C. \(4NH_3+7O_2\rightarrow4NO_2+6H_2O\)

D. \(2NH_3+3O_2\rightarrow N_2+6H_2O\)

Đáp án: B

Phân tích đề bài:

• Đề cho NH₃ + O₂.

• Điều kiện đặc biệt: Pt, 800–900°C.

• Đây là điều kiện oxi hóa NH₃ thành NO, phản ứng đầu tiên của quá trình Ostwald.

• Vì vậy, cần tìm phương trình có NO là sản phẩm chứa nitrogen.

\[4NH_3+5O_2\xrightarrow[\ 800-900^\circ C\ ]{Pt}4NO+6H_2O\]

Kết luận: Chọn B.

Cân bằng phương trình và xác định chất khử, chất oxi hóa

Câu 3. Cân bằng phương trình sau bằng phương pháp thăng bằng electron và xác định chất khử, chất oxi hóa:

\(NH_3+O_2\rightarrow NO+H_2O\)

Phân tích đề bài:

Đề yêu cầu thực hiện hai nhiệm vụ:

1. Cân bằng phương trình bằng phương pháp electron.

2. Xác định chất khử và chất oxi hóa.

Trước tiên, xác định số oxi hóa của các nguyên tố thay đổi.

Bước 1: Xác định số oxi hóa

Trong NH₃: \(N+3(+1)=0\)⇒\(N=-3\)

Trong NO: \(x + (-2) = 0 \Rightarrow x = +2\)

Vậy: \(N^{-3}\rightarrow N^{+2}\)

Nitrogen nhường 5e, tức là bị oxi hóa.

Oxygen trong O₂ có số oxi hóa 0 và chuyển thành −2: \(O^0\rightarrow O^{-2}\)

Oxygen nhận electron, tức là bị khử.

Bước 2: Cân bằng electron

N nhường 5e: \(N^{-3}\rightarrow N^{+2}+5e\)

O nhận 2e: \(O^0+2e\rightarrow O^{-2}\)

Quy đồng electron:

\(4N^{-3}\rightarrow4N^{+2}+20e\)

\(10O^0+20e\rightarrow10O^{-2}\)

Từ đó xác định hệ số NH₃ và O₂:

\(4NH_3+5O_2\rightarrow4NO+6H_2O\)

Bước 3: Xác định vai trò

• N trong NH₃: \(-3\rightarrow+2\), bị oxi hóa → NH₃ là chất khử.

• O trong O₂: \(0\rightarrow-2\), bị khử → O₂ là chất oxi hóa.

Đáp án:

\[\boxed{4NH_3+5O_2\rightarrow4NO+6H_2O}\]

NH₃: chất khử; O₂: chất oxi hóa

Câu 4. Cân bằng phương trình đốt cháy ammonia sau và xác định chất khử, chất oxi hóa: \[NH_3+O_2\rightarrow N_2+H_2O\]

Phân tích đề bài:

• Đề cho sản phẩm là N₂, do đó nitrogen chuyển từ −3 trong NH₃ về 0 trong N₂.

• Oxygen chuyển từ 0 trong O₂ xuống −2 trong H₂O.

• Đây là phản ứng oxi hóa – khử.

Bước 1: Xác định sự thay đổi số oxi hóa

\(N^{-3}\rightarrow N^0\)

Mỗi N nhường 3e.

Trong \(N_2\), có 2 nguyên tử N nên: \(2N^{-3}\rightarrow N_2^0+6e\)

Oxygen: \(O_2^0+4e\rightarrow2O^{-2}\)

Quy đồng electron:

\(4N^{-3}\rightarrow2N_2+12e\)

\(3O_2+12e\rightarrow6O^{-2}\)

Suy ra: \(4NH_3+3O_2\rightarrow2N_2+6H_2O\)

Bước 2: Xác định chất khử và chất oxi hóa

• NH₃ bị oxi hóa → chất khử.

• O₂ bị khử → chất oxi hóa.

Đáp án:

\(4NH_3+3O_2\rightarrow2N_2+6H_2O\)

NH₃ là chất khử, O₂ là chất oxi hóa.

Trắc nghiệm vận dụng phản ứng NH3 + O2

Câu 5. Khi cho NH₃ tác dụng với O₂ ở 800–900°C, có xúc tác Pt, NH₃ đóng vai trò gì?

A. Chất oxi hóa vì nitrogen nhận electron.
B. Chất khử vì nitrogen nhường electron.
C. Chất oxi hóa vì hydrogen bị oxi hóa.
D. Chất xúc tác vì NH₃ tham gia phản ứng.

Đáp án: B

Phân tích đề bài:

Điều kiện Pt, 800–900°C cho biết sản phẩm chính chứa nitrogen là NO:

\(NH_3\rightarrow NO\)

Số oxi hóa của N: \(-3\rightarrow+2\)

N tăng số oxi hóa nên nhường electron và bị oxi hóa.

Chất bị oxi hóa là chất khử.

→ NH₃ là chất khử.

Câu 6. Cho phản ứng:

\[4NH_3+5O_2\xrightarrow{Pt,\ 800-900^{\circ}C}4NO+6H_2O\]

Nhận định nào sau đây đúng?

A. N trong NH₃ bị khử từ -3 xuống +2.
B. O₂ bị oxi hóa từ 0 xuống -2.
C. NH₃ là chất khử, O₂ là chất oxi hóa.
D. NH₃ và O₂ đều là chất oxi hóa.

Đáp án: C

Phân tích đề bài:

Xét sự thay đổi số oxi hóa:

\(N^{-3}\rightarrow N^{+2}\) → N bị oxi hóa → NH₃ là chất khử.

\(O^0\rightarrow O^{-2}\) → O bị khử → O₂ là chất oxi hóa.

→ C đúng.

Câu 7. Phát biểu nào sau đây sai?

A. NH₃ có tính khử.
B. Trong NH₃, nitrogen có số oxi hóa −3.
C. Khi tác dụng với O₂ có xúc tác Pt ở 800–900°C, NH₃ tạo NO.
D. Trong phản ứng tạo NO, NH₃ nhận electron từ O₂.

Đáp án: D

Phân tích đề bài:

Xét quá trình:

\(N^{-3}\rightarrow N^{+2}\)

N tăng số oxi hóa nên nhường electron, không phải nhận electron.

Vì vậy, NH₃ là chất khử.

→ Phát biểu D sai.

Câu 8. Có hai phản ứng:

(1)\(\quad4NH_3+3O_2\rightarrow2N_2+6H_2O\)

(2)

\[\quad4NH_3+5O_2\xrightarrow{Pt,\ 800-900^\circ C}4NO+6H_2O\]

Điểm khác biệt quan trọng giữa hai phản ứng trên là gì?

A. NH₃ chỉ thể hiện tính khử ở phản ứng (2).
B. O₂ chỉ đóng vai trò chất oxi hóa ở phản ứng (1).
C. Sản phẩm chứa nitrogen phụ thuộc vào điều kiện phản ứng.
D. NH₃ là chất oxi hóa ở phản ứng (1) và chất khử ở phản ứng (2).

Đáp án: C

Phân tích đề bài:

Cả hai phản ứng đều có NH₃ và O₂, đồng thời NH₃ đều bị oxi hóa nên đều thể hiện tính khử.

Điểm khác biệt nằm ở điều kiện và sản phẩm:

• Đốt cháy NH₃ → tạo N₂.

• Có Pt, 800–900°C → tạo NO.

→ Điều kiện phản ứng quyết định sản phẩm nitrogen.

Kết luận: C đúng.

Bài tập tính số mol theo phương trình NH3 + O2

Câu 9. Cho 0,40 mol NH₃ phản ứng hoàn toàn với O₂ dư ở 800–900°C, có xúc tác Pt. Giả sử phản ứng tạo NO đạt hiệu suất 100%. Tính số mol NO và O₂ đã tham gia.

Phân tích đề bài: Phản ứng có xúc tác Pt nên sử dụng phương trình tạo NO.

\[4NH_3+5O_2\xrightarrow[800-900^\circ\mathrm{C}]{\mathrm{Pt}}4NO+6H_2O\]

Lời giải: Theo tỉ lệ hệ số 4 NH₃ : 4 NO : 5 O₂, số mol NO bằng số mol NH₃ phản ứng, còn số mol O₂ bằng \(\frac{5}{4}\) lần số mol NH₃:

\[n_{NO}=0{,}40\ \mathrm{mol}\]

\[n_{O_2}=\frac{5}{4}\times0{,}40=0{,}50\ \mathrm{mol}\]

Đáp số: 0,40 mol NO và 0,50 mol O₂.

Phản ứng giữa NH₃ và O₂ tạo sản phẩm khác nhau tùy điều kiện.

Khi đốt cháy NH₃, không có xúc tác Pt, phản ứng tạo N₂ và H₂O:
\(4NH_3+3O_2\rightarrow2N_2+6H_2O\)

Khi có xúc tác Pt ở 800–900°C, NH₃ bị oxi hóa thành NO:
\(4NH_3+5O_2\rightarrow4NO+6H_2O\)

Phản ứng NH3 + O2 thể hiện tính khử của ammonia, trong đó nitrogen bị oxi hóa và sản phẩm phụ thuộc vào điều kiện phản ứng. Khi không có xúc tác, NH₃ phản ứng với O₂ tạo N₂ và H₂O; khi có xúc tác Pt ở nhiệt độ thích hợp, sản phẩm thu được là NO và H₂O. Để viết và cân bằng phương trình NH3 + O2 chính xác, học sinh cần nắm vững sự thay đổi số oxi hóa, phương pháp thăng bằng electron và điều kiện tạo từng sản phẩm. Học sinh có thể củng cố kiến thức thông qua các bài tập vận dụng trong chuyên đề Hóa học 11 tại ZIM Academy.