Giải Hóa 11 Kết nối tri thức Bài 5: Ammonia. Muối ammonium

Mở đầu: 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?

Lời giải:

- Từ ammonia, thông qua phản ứng với acid có thể sản xuất phân đạm chứa ion ammonium. Ammonia đóng vai trò là chất base.

I. Ammonia

Hoạt động nghiên cứu 1: Viết cấu hình electron của các nguyên tử H (Z = 1) và N (Z = 7).

Lời giải:

- Cấu hình electron nguyên tử H (Z = 1): 1s1.

- Cấu hình electron nguyên tử N (Z = 7): 1s2 2s2 2p3.

Hoạt động nghiên cứu 2: Trình bày các bước lập công thức Lewis của phân tử ammonia.

Lời giải:

Bước 1: Viết công thức electron:

Bước 2: Từ công thức electron, thay 1 cặp electron dùng chung bằng 1 gạch nối giữa hai nguyên tử ta được công thức Lewis:       

Câu hỏi 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.

Lời giải:

- Nguyên tử nitogen 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 từ nitrogen làm cho nguyên tử hydrogen mang một phần điện tích dương.

- Vùng điện tích âm trên nguyên tử nitrogen của phân tử ammonia này liên kết với phần điện tích dương của nguyên tử hydrogen của phân tử ammonia khác sẽ tạo liên kết N-H tương đối bền với năng lượng liên kết là 386 kJ/mol.

Câu hỏi 2: Hãy giải thích tại sao ammonia tan tốt trong nước

Lời giải:

Vì tạo được liên kết hydrogen với nước nên ammonia tan nhiều trong nước.

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

NH3 + HCl → NH4Cl

NH3 + HNO3 → NH4NO3

2NH3 + H2SO4 → (NH4)2SO4

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

Lời giải:

Câu hỏi 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.

Lời giải:

a) Các nguyên tử có sự thay đổi số oxi hoá trong 2 phản ứng là nitrogen và oxygen.

b) 

4NH3 + 3O2   2N2 + 6H2O

Quá trình oxi hoá:

Quá trình khử:

4NH3 + 5O2  4NO + 6H2O

Quá trình oxi hoá:

Quá trình khử:

Hoạt động nghiên cứu: 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

Lời giải:

- Phân bón

+ Trên thực tế có đến khoảng 83% ammonia lỏng được dùng làm phân bón vì trong tất cả các hợp chất Nitrogen đều có nguồn gốc từ NH3, rất cần thiết cho sự phát triển của cây trồng. 

+ Năm 2004, của ammonia được sử dụng như phân bón hoặc như là các muối của nó hoặc là giải pháp. Khi áp dụng cho đất, giúp cung cấp năng suất gia tăng của các loại cây trồng như ngô và lúa mì.

+ Tiêu thụ nhiều hơn 1% của tất cả các năng lượng nhân tạo, sản xuất ammonia là một thành phần quan trọng của ngân sách năng lượng thế giới.

- Dùng làm thuốc tẩy

+ Ammonia được dùng trong hộ gia đình là dung dịch NH3 trong nước được sử dụng làm chất tẩy rửa cho nhiều bề mặt. Ammonia lỏng tạo ra ánh sáng rực rỡ. Trong đó, ammonia được dùng để làm sạch thủy tinh, đồ sứ và thép không gỉ, hay được sử dụng để làm sạch lò nướng và ngâm đồ để làm sạch bụi bặm...

- Trong ngành dệt may

+ Ammonia lỏng được sử dụng để điều trị nguyên liệu bông, cung cấp cho một tài sản kiềm bóng sử dụng chất kiềm. Đặc biệt, nó được sử dụng để rửa tiền len.

- Xử lý môi trường khí thải 

+ Ammonia lỏng được sử dụng trong xử lý môi trường nhằm loại bỏ các chất như Nox, Sox trong các khí thải khí đốt các nguyên liệu hóa thạch như than, đá...

- Là chất chống khuẩn trong thực phẩm

+ Ammonia là một chất khử mạnh, ammonia khan hiện được sử dụng với mục đích thương mại để giảm hoặc loại bỏ nhiễm khuẩn của thịt bò. 

- Trong công nghiệp chế biến gỗ

+ Ammonia lỏng được sử dụng trong chế biến gỗ, làm cho màu sắc đậm hơn bởi khí ammonia phản ứng với tannin tự nhiên trong gỗ và làm thay đổi màu sắc đẹp hơn.

Hoạt động nghiên cứu: 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?

Lời giải:

Trong công nghiệp, quá trình sản xuất ammonia thường được thực hiện ở nhiệt độ 400 oC – 450 oC,áp suất 150 – 200 bar, xúc tác Fe.

1) Vì DrHo = -91,8 kJ < 0 nên phản ứng thuận toả nhiệt. Vậy:

+ Nếu tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch (tức chiều phản ứng thu nhiệt) làm giảm hiệu suất phản ứng.

+ Nếu giảm nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận (tức chiều phản ứng toả nhiệt) làm tăng hiệu suất phản ứng.

Tuy nhiên, khi thực hiện phản ứng ở nhiệt độ quá thấp thì tốc độ của phản ứng nhỏ, phản ứng diễn ra chậm. Thực tế, người ta đã chọn nhiệt độ phù hợp, khoảng 400 oC - 450 oC.

2. Khi giảm áp suất, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm tăng áp suất của hệ - tức chiều làm tăng số mol khí, hay chiều nghịch.

Quá trình sản xuất NH3 được thực hiện ở áp suất 150 – 200 bar mà không thực hiện ở áp suất cao hơn. Điều này được giải thích như sau: Khi thực hiện ở áp suất cao sẽ thu
được nồng độ NH3 tại thời điểm cân bằng lớn, tuy nhiên khi tăng áp suất thì
sự tăng nồng độ NH3 không tăng nhanh chỉ tăng chậm. Ngoài ra, khi tăng áp suất thì
tiêu tốn năng lượng và yêu cầu thiết bị phải chịu được áp suất cao, do đó phải
tính toán chính xác khi tăng áp suất để mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất. Thực tế chứng minh quá trình sản xuất NH3 được thực hiện ở áp suất 150 – 200 bar đem lại hiệu quả cao nhất.

3. Việc sử dụng chất xúc tác là bột sắt có tác dụng làm cho phản ứng nhanh đạt tới trạng thái cân bằng.

II. Muối ammonium

Hoạt động thí nghiệm: Nhận biết ion ammonium trong phân đạm

Chuẩn bị: phân bón potassium nitrate và phân bón ammonium chloride dạng rắn, dung dịch NaOH 20%, giấy pH; 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 NaOH 20% vào mỗi ống nghiệm, đun nóng nhẹ trên đèn cồn.

– Đưa hai mẩu giấy pH 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.

Lời giải:

Ống nghiệm (1) KNO3 + NaOH, giấy pH chuyển sang màu xanh

Ống nghiệm (2) NH4Cl + NaOH, giấy pH không đổi màu và có khí mùi khai bay ra.

Dấu hiệu nhận biết ion ammonium là có khí mùi khai.

NH4Cl + NaOH → NH3 + NaCl + H2O

Câu hỏi 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.

Lời giải:

a)