Giải chi tiết Hóa học 11 Kết nối mới 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?

Hướng dẫn trả lời:

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

1. Cấu tạo phân tử

Hoạt động nghiên cứu:

1. Viết cấu hình electron của các nguyên tử H (Z = 1) và N (Z = 7).

2. Trình bày các bước lập công thức Lewis của phân tử ammonia.

Hướng dẫn trả lời:

1. Cấu hình electron của H 1s1; cấu hình electron của N 1s22s22p3.

2. Các bước lập công thức Lewis của phân tử ammonia:

Bước 1. Tổng số electron hóa trị = 1.5 + 3.1 = 8 electron

Bước 2. Trong phân tử NH₃, nguyên tử N cần 3 electron để đạt octet, nguyên tử H cần 1 electron hóa trị để đạt octet. Vì vậy, N là nguyên tử trung tâm, còn các nguyên tử H được xếp xung quanh:

Bước 3. Nguyên tử H đã đạt octet.

Bước 4. Số electron hóa trị còn lại là: 8 – 2.3 = 2

⇒ Chuyển 2 electron còn lại vào nguyên tử N để đạt octet, thu được công thức Lewis của phân tử NH₃.

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.

Hướng dẫn trả lời:

- 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.

2. Tính chất vật lí

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

Hướng dẫn trả lời:

NH₃ và H₂O đều là những phân tử phân cực nên NH₃ tan tốt trong nước.

3. Tính chất hóa học

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

NH₃ + HCl → NH₄CI

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.

Hướng dẫn trả lời:

Câu hỏi 3: Trong hai phản ứng oxi hóa ammonia bằng oxygen ở trên, hãy:

a) Xác định các nguyên tử có sự thay đổi số oxi hóa.

b) Viết quá trình oxi hóa, quá trình khử.

Hướng dẫn trả lời:

Phản ứng: 

4NH₃ + 3O₂ → 2N₂ + 6H₂O (1)

4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O (2) 

a) Nguyên tử có sự thay đổi số oxi hóa là N và O.

b) Quá trình oxi hóa: 

(1) 

(2) 

Quá trình khử:

(1) 

(2) 

4. Ứng dụng

Hoạt động nghiên cứu: Sưu tầm một số hình ảnh đề báo cáo, thuyết trình về ứng dụng của ammonia trong thực tiễn. Sử dụng các tính chất vật Ií và hoá học để giải thích cơ sở khoa học của các ứng dụng này.

Hướng dẫn trả lời:

1. 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.

2. 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...

3. 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.

4. 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...

5. 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. 

6. 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.

5. Sản xuất

Hoạt động nghiên cứu: Vận dụng kiến thức về cân bằng hóa 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?

Hướng dẫn trả lời:

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

N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)     Δ= -91,8 kJ

1. 

Nếu tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm nhiệt độ, tức là theo chiều thu nhiệt. Mặt khác, ΔrHo < 0, chiều thuận là chiều toả nhiệt, vì vậy nếu tăng nhiệt độ cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch.

Nếu giảm nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm tăng nhiệt độ, tức là theo chiều tỏa nhiệt. Mặt khác, Δ < 0, chiều thuận là chiều tỏa nhiệt, vì vậy nếu giảm nhiệt độ cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận.

2. Khi giảm áp suất thì cân bằng chuyển dịch theo chiều làm tăng áp suất.

3. Vai trò chất xúc tác là làm tăng tốc độ phản ứng thuận và phản ứng nghịch với số lần bằng nhau.

II. MUỐI AMMONIUM

Hoạt động thực hành:

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 mẫu 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.

Hướng dẫn trả lời:

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 hóa trị, số oxi hóa của nguyên tử nitrogen.

b) Viết phương trình hóa học minh họa tính acid/base của ammonia và ammonium.

Hướng dẫn trả lời:

a) So sánh phân tử ammonia và ion ammonium

b) Phương trình hóa học

Ammonia

Tính khử: NH₃ + O₂ → 2N₂ + 6H₂O

Tính base: NH₃ + HCl → NH₄Cl

Ammonium

Tính acid: NH₄Cl + NaOH → NH₃ + NaCl + H₂O