Giải chi tiết Hóa học 11 Cánh diều mới bài 5: Một số hợp chất quan trọng của Nitrogen

MỞ ĐẦU

Trong các ao tù có thể tích tụ lượng đáng kể ion ammonium. Có thể nhận biết sự có mặt của ion ammonium trong các ao tù bằng những cách nào? Giải thích.

Hướng dẫn trả lời:

Đung nóng dung dịch nước ao trong kiềm, nếu sinh ra khí có mùi khai và xốc và làm quỳ tím ẩm hóa xanh => có ion ammonium trong ao.

I. AMMONIA

1. Cấu tạo phân tử và tính chất vật lí

2. Tính chất hóa học

Luyện tập 1: Cho thí nghiệm được thiết kế như hình dưới đây.

Trong thí nghiệm này, nước phenolphthalein sẽ bị hút lên bình chứa khí ammonia và phun thành những tia màu hồng. Hãy giải thích hiện tượng trên.

Hướng dẫn trả lời:

Khi tan trong nước, ammonia nhận H+ của nước tạo ion ammonium (NH4+), dung dịch có tính base yếu làm dung dịch phenolphtalein chuyển sang màu hồng.

Câu hỏi 1: Khi giấy quỳ tím ẩm tiếp xúc với khí ammonia thì hiện tượng gì sẽ xảy ra.

Hướng dẫn trả lời:

Khi giấy quỳ tím ẩm tiếp xúc với khí ammonia thì giấy quỳ tím ẩm hóa xanh.

Vì khi tan trong nước, ammonia nhận H+ của nước tạo ion ammonium (NH4+), dung dịch có tính base yếu, làm giấy quỳ tím hóa xanh.

Luyện tập 2: Ammonia thể hiện tính base, tính khử ở quá trình nào dưới đây? Giải thích.

(1) Cho ammonia phản ứng với nitric acid (HNO₃) để tạo phân bón ammonium nitrate (NH₄NO₃).

(2) Dùng ammonia tẩy rửa lớp copper(II) oxide phủ trên bề mặt kim loại đồng, tạo kim loại, nước và khí nitrogen.

Hướng dẫn trả lời:

(1) NH₃ + HNO₃ → NH₄NO₃ 

Ammonia thể hiện tính base, vì ammonia phản ứng với acid tạo muối.

(2) 2NH₃ + 3CuO → 3Cu + 2N₂↑ + 3H₂O

Amonia thể hiện tính khử, vì nguyên tử N trong phân tử ammonia có số oxi hóa -3 → có số oxi hóa 0 trong phân tử nitrogen.

3. Tổng hợp ammonia theo quá trình Haber

Câu hỏi 2: Khi làm lạnh hỗn hợp khí gồm ammonia, hydrogen và nitrogen thì ammonia sẽ hoá lỏng trước. Tính chất vật lí nào của các chất giúp giải thích hiện tượng trên?

Hướng dẫn trả lời:

Ammonia hóa lỏng ở nhiệt độ cao hơn hydrogen và nitrogen nên ammonia sẽ hóa lỏng trước.

Liên kết N-H là liên kết công hóa trị phân cực, còn liên kết giữa phân tử H₂ và N₂ là liên kết không phân cực bền vững hơn.

II. MUỐI AMMONIUM

Thực hành: Nhận biết ion ammonium

Chuẩn bị: Phân đạm ammonium chloride, dung dịch NaOH; ống nghiệm, đèn cồn, giấy quỳ.

Tiến hành: Cho vài hạt phân đạm với thành phần chính là ammonium chloride vào ống nghiệm chứa dung dịch NaOH. Hơ nhẹ ống nghiệm trên ngọn lửa đèn cồn. Cho mẩu giấy quỳ đã tẩm ướt bằng nước lên miệng ống nghiệm.

Yêu cầu: Quan sát hiện tượng, viết phương trình hoá học của phản ứng đã xảy ra.

Hướng dẫn trả lời:

Hiện tượng: Phân đạm tan trong ống nghiệm tạo khí có mùi khai, xốc và làm giấy quỳ tím ẩm hóa xanh.

PTHH: NH₄Cl + NaOH → NH₃ + H₂O + NaCl

Vận dụng 1: Để giảm sốt hoặc giảm đau, người ta có thể dùng túi chườm lạnh chứa hóa chất. Hãy tìm hiểu về loại túi chườm lạnh này. Từ đó:

a) Cho biết các chất thường được sử dụng trong túi chườm lạnh.

b) Giải thích nguyên nhân giúp túi chườm lạnh có nhiệt độ thấp.

Hướng dẫn trả lời:

a) Các chất thường sử dụng trong túi chườm lạnh: Ammonium hydrogen sulfate, Ammonium nitrate, nước.

b) Hòa tan muối ammonium trong nước gây ra phản ứng thu nhiệt vì các phân tử nước mất đi một phần nhiệt năng, dẫn đến nước mát hơn làm túi chườm lạnh có nhiệt độ thấp.

Câu hỏi 3: Lượng lớn ammonium nitrate và ammonium chloride được sử dụng làm phân bón. Dựa vào đặc điểm phản ứng nhiệt phân của hai muối này, hãy cho biết muối nào có nguy cơ cháy nổ cao hơn trong quá trình lưu trữ.

Hướng dẫn trả lời:

Phản ứng nhiệt phân muối ammonium:

Phản ứng nhiệt phân ammonium nitrate có enthalpy nhỏ hơn 0 => phản ứng tỏa nhiệt

Phản ứng nhiệt phân ammonium chloride có enthalpy lớn hơn 0 => phản ứng thu nhiệt

=> Muối ammonium nitrate có nguy cơ cháy nổ cao hơn trong quá trình lưu trữ.

III. ỨNG DỤNG CỦA AMMONIA VÀ MỘT SỐ MUỐI AMMONIUM

Luyện tập 3: Xác định tỉ lệ mol kết hợp giữa NH₃ và H₃PO₄ để tạo ra diammonium hydrogen phosphate (dùng làm phân bón phức hợp DAP). Viết phương trình hoá học của phản ứng.

Hướng dẫn trả lời:

Tỉ lệ mol giữa NH3 và H3PO4 là 2:1.

PTHH: 2NH₃ + H₃PO₄ → (NH₄)₂HPO₄

IV. NGUỒN GỐC MỘT SỐ OXIDE CỦA NITROGEN TRONG KHÔNG KHÍ - MƯA ACID

Luyện tập 4: Viết phương trình hoá học minh hoạ tác động của mưa acid đối với calcium carbonate trong núi đá vôi và với kim loại sắt có trong thép.

Hướng dẫn trả lời:

2HNO₃ + CaCO₃ → Ca(NO₃)₂ + CO₂ + H₂O

H₂SO₄ + CaCO₃ → CaSO₄ + CO₂ + H₂O

4HNO₃ + Fe →Fe(NO₃)₃ + NO + 2H₂O

H₂SO₄ + Fe → FeSO₄ + H₂

V. NITRIC ACID

Câu hỏi 4: Cho biết số oxi hoá của nitrogen trong mỗi phân tử và ion sau: NH₃, NH₄+, N₂, N₂O, NO, NO₂, HNO₂, HNO₃.

Hướng dẫn trả lời:

Câu hỏi 5: Công thức Lewis của HNO3 như dưới đây có phù hợp không?

Hướng dẫn trả lời:

Công thức Lewis của HNO3 không phù hợp. Vì N đang bị thừa octet

VI. HIỆN TƯỢNG PHÚ DƯỠNG 

Luyện tập 5: Khi khơi thông nguồn nước thì nguy cơ xảy ra hiện tượng phú dưỡng sẽ tăng hay giảm? Giải thích.

Hướng dẫn trả lời:

Khi khơi thông nguồn nước thì nguy cơ xảy ra hiện tượng phú dưỡng sẽ giảm.

Vì hiện tượng phú dưỡng là hiện tượng tích tụ lượng lớn dinh dưỡng trong nước làm các sinh vật trong nước phát triển mạnh, việc khơi thông nguồn nước tránh sự tích tụ các chất dư thừa này làm nguy cơ xảy ra hiện tượng phú dưỡng giảm.

Luyện tập 6: Dựa vào những dấu hiệu nào để dự đoán đã có hiện tượng phú dưỡng xảy ra trong một ao nước hay hồ nước?

Hướng dẫn trả lời:

Có thể quan sát được hiện tượng phú dưỡng thông qua sự xuất hiện dày đặc của tảo làm nước có màu xanh lục hoặc đỏ; xuất hiện nhiều sinh vật nổi…

Vận dụng 2: Nhiều loài thuỷ hải sản được nuôi trong hồ, ao, "vuông" (cách gọi của người miền Tây Nam bộ về khu vực ruộng được khoanh vùng, cải tạo để nuôi thủy hải sản),...

Để hạn chế nguy cơ xảy ra hiện tượng phú dưỡng trong hồ, ao, vuông,... người nuôi thuỷ hải sản nên làm gì? Giải thích.

Hướng dẫn trả lời:

Để hạn chế hiện tượng phú dưỡng, cần:

- Tạo điều kiện để nước trong kênh rạch, ao, hồ được lưu thông.

- Xử lí nước thải trước khi cho chảy vào kênh rạch, ao, hồ.

- Sử dụng phân bón đúng liều lượng, đúng cách, đúng thời điểm trong năm để hạn chế sự rửa trôi ion NO3−, PO43− từ nguồn phân bón dư thừa vào kênh rạch, ao, hồ.

Vận dụng 3: Hãy tìm hiểu tình trạng phú dưỡng tại địa phương em. Từ đó, đề xuất biện pháp hạn chế hiện tượng này.

Hướng dẫn trả lời:

HS tự tìm hiểu tình trạng phú dưỡng tại địa phương em bằng cách quan sát các nguồn nước như kênh rạch, hồ, ao, ... Nguồn nước có nguy cơ xảy ra hiện tượng phú dưỡng nếu có dấu hiệu sau: sự xuất hiện dày đặc của tảo làm nước có màu xanh lục hoặc đỏ; xuất hiện nhiều sinh vật nổi…

Để hạn chế hiện tượng phú dưỡng, cần:

- Tạo điều kiện để nước trong kênh rạch, ao, hồ được lưu thông.

- Xử lí nước thải trước khi cho chảy vào kênh rạch, ao, hồ.

- Sử dụng phân bón đúng liều lượng, đúng cách, đúng thời điểm trong năm để hạn chế sự rửa trôi ion NO3−, PO43− từ nguồn phân bón dư thừa vào kênh rạch, ao, hồ.

BÀI TẬP

Bài 1: Vì sao nói ammonia có vai trò rất quan trọng đối với nông nghiệp? Cho ví dụ minh hoạ.

Hướng dẫn trả lời:

Mỗi năm có khoảng hàng trăm triệu tấn ammonia được sản xuất trên toàn cầu. Trong đó, có khoảng 80% được sử dụng cho sản xuất phân đạm ammonium, urea ((NH₂)₂CO),... để cung cấp nguyên tố nitrogen cho đất và cây trồng.

=> Ammonia có vai trò rất quan trọng đối với nông nghiệp, đặc biệt trong việc sản xuất phân bón cho cây trồng.

Các phân đạm ammonium được tổng hợp bằng cách cho ammonia phản ứng với dung dịch acid tương ứng. 

Ví dụ: khi cho ammonia phản ứng với phosphoric acid theo tỉ lệ mol khác nhau thì thu được các hợp chất khác nhau, như NH₄H₂PO4 (NH₄)₂HPO₄ .... Mỗi hợp chất này sẽ cung cấp cho đất cả nguyên tố N và P (phosphorus) nên được gọi là phân bón phức hợp ammophos.

Bài 2: Biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng tổng hợp ammonia từ nitrogen và hydrogen có giá trị âm nhưng vì sao quá trình Haber lại chọn nhiệt độ phản ứng khá cao, vào khoảng 400 °C - 600 °C?

Hướng dẫn trả lời:

Bài 3: Ở 472 °C, hằng số cân bằng của phản ứng tổng hợp ammonia từ nitrogen và hydrogen theo quá trình Haber là KC = 0,105. Giả sử, kết quả phân tích cho thấy tại thời điểm cân bằng, nồng độ của nitrogen và hydrogen trong buồng phản ứng lần lượt là 0,0201 M và 0,0602 M.

a) Hãy tính nồng độ mol của ammonia có trong buồng phản ứng tại thời điểm cân bằng.

b) Làm thế nào để tách được ammonia ra khỏi hỗn hợp?

Hướng dẫn trả lời:

a) PTHH: N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)

Vậy nồng độ mol của ammonia có trong buồng phản ứng tại thời điểm cân bằng là 6,79.10^-4 M

b) Để tách được ammonia ra khỏi hỗn hợp cần dẫn hỗn hợp khí qua hệ thống làm lạnh vì nhiệt độ hóa lỏng của ammonia cao hơn hydrogen và nitrogen.

Bài 4: Quá trình đốt cháy nhiên liệu trong ô tô sinh ra nhiều khi như SO₂, CO, NO. Từ năm 1975, người ta thiết kế “bộ chuyển đổi xúc tác” trong hệ thống xả khí của ô tô (và cả trong máy phát điện) nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng:

2CO(g) + 2NO(g) → 2CO₂(g) + N₂(g)

a) Cho biết ý nghĩa của phản ứng trên đối với môi trường.

b) Trong phản ứng trên, chất nào là chất oxi hoá, chất nào là chất khử? Giải thích.

c) Giá trị enthalpy tạo thành chuẩn của CO(g), NO(g), CO₂(g) lần lượt là 110,5; 91,3; –393,5 (kJ mol⁻¹). Hãy tính biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng trên. Phản ứng trên có thuận lợi về mặt năng lượng không? Giải thích.

Hướng dẫn trả lời:

a) Phản ứng trên hạn chế sự phát thải khí NO_x ra môi trường, làm giảm hiện tượng mưa acid, sương mù quang hóa, hiệu ứng nhà kính, thủng tầng ozone... Đây là các hiện tượng làm ô nhiễm môi trường.

b) Chất oxi hóa: NO; Chất khử: CO

C⁺² → C⁺⁴ + 2e

N⁺² + 2e → C

c) enthalpy tạo thành chuẩn của N₂ là 946 kJ mol¹

= 2.(–393,5) + 946 - 2.110,5 - 2.93,1 = -248,2 kJ mol−1  < 0 => Phản ứng tỏa nhiệt, thuận lợi về mặt năng lượng.

Bài 5: Viết sơ đồ phản ứng gây ra mưa chứa nitric acid và sulfuric acid.

Hướng dẫn trả lời:

Bài 6: Hãy tìm hiểu, chỉ ra các hoạt động tạo thành các khí gây mưa acid tại địa phương em. Đề xuất một số biện pháp giảm thiểu sự tạo thành các khí đó.

Hướng dẫn trả lời:

Biện pháp nhằm cắt giảm các nguồn phát thải để hạn chế hượng tượng mưa acid: Giảm các hoạt động công nghiệp, nhiệt điện, giao thông, khai thác và chế biến dầu mỏ.