Bài 5: Ammonia - Muối ammonium

I. Ammonia

1. Cấu tạo phân tử

Phân tử ammonia được tạo bởi một nguyên tử nitrogen liên kết với ba nguyên tử hydrogen và có dạng hình học là chóp tam giác.

Đặc điểm cấu tạo:

- Nguyên tử N còn một electron chưa tham gia liên kết trên nguyên tử N có vùng có mật độ điện tích âm.

- Liên kết N – H phân cực, electron dùng chung lệch về phía nguyên tử N nguyên tử H mang một phần điện tích dương.

- Liên kết N – H tương đối bền, E_b = 386 kJ/mol.

2. Tính chất vật lí

- Ammonia tồn tại trong cả môi trường đất, nước, không khí. Trong cơ thể người, ammonia được tạo ra từ quá trình chuyển hóa thức ăn chứa protein.

- Ở điều kiện thường, ammonia tồn tại dưới dạng thể khí, không màu, mùi khai và xốc.

- Ammonia nhẹ hơn không khí.

- Ammonia tan nhiều trong nước, ở điều kiện thường, 1 lít nước hoàn tan được 700 lít khí ammonia (do ammonia tạo được liên kết hydrogen với nước).

- Ammonia dễ hóa lỏng (hóa lỏng ở -33,3^oC) và dễ hóa rắn (hóa rắn ở -77,7^oC).

3. Tính chất hóa học

a) Tính base

Trong dung dịch, một phần số phân tử ammonium nhận proton của nước, tạo thành ion ammonium NH₄⁺

NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH^-

Dung dịch ammonia có môi trường base yếu, làm quỳ tím chuyển màu xanh, phenolphtalein chuyển màu hồng.

Ở thể khí, ammonia cũng có khả năng nhận proton, thể hiện tính chất của một base Bronsted – Lowry.

Ví dụ:

NH₃ (g) + HCl (g) → NH₄Cl (s)

b) Tính khử

- Khi đốt cháy trong khí O₂, NH₃ cháy với ngọn lửa màu vàng.

4NH₃ + 3O₂ \(\overset{t^{o}}{\rightarrow}\) 2N₂ + 6H₂O

- Trong công nghiệp, phản ứng giữa NH₃ và O₂ được thực hiện ở nhiệt độ cao (800 – 900oC) với xúc tác Pt.

4NH₃ + 5O₂ \(\overset{t^{o},\ Pt}{\rightarrow}\) 4NO + 6H₂O

Đây là giai đoạn trung gian quan trọng trong quá trình sản xuất nitric acid theo phương pháp Ostwald.

4. Ứng dụng

5. Sản xuất

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

II. Muối ammonium

1. Tính tan, sự điện li

Hầu hết các muối ammonium đều dễ tan trong nước và phân li hoàn toàn ra ion.

Ví dụ: NH₄Cl → NH₄⁺ + Cl^-

Một số muối ammonium phổ biến: NH₄Cl, NH₄ClO₄, NH₄NO₃, (NH₄)₂SO₄, NH₄H₂PO₄, (NH₄)₂HPO₄, NH₄HCO₃, (NH₄)₂Cr₂O₇.

2. Tác dụng với kiềm – Nhận biết ion ammonium

Khi đun nóng hỗn hợp muối ammonium với dung dịch kiềm, sinh ra khí ammonia có mùi khai.

Để nhận biết ion ammonium trong phân đạm ammonium chloride , người ta làm thí nghiệm đối chứng với phân đạm potassium nitrate. Cách tiến hành như sau:

- Bước 1: Cho khoảng 1g phân bón KNO₃ vào ống nghiệm (1) và khoảng 1g phân bón NH₄Cl vào ống nghiệm (2).

- Bước 2: Thêm vào mỗi ống nghiệm 3mL nước cất, lắc đều cho tan hết.

- Bước 3: Nhỏ 1 mL dung dịch NaOH 20% vào mỗi ống nghiệm, đun nóng nhẹ trên đèn cồn.

- Bước 4: Đưa hai mẫu giấy pH đã tẩm ướt vào mỗi ống nghiệm.

Hiện tượng quan sát được: giấy pH đưa vào ống nghiệm (1) không đổi màu, giấy pH đưa vào ống (2) chuyển sang màu xanh.

Giải thích: Vì ở ống nghiệm hai xảy ra phản ứng giữa NH₄⁺ và OH^- sinh ra khí ammonia NH₃, làm xanh giấy pH ẩm.

⇒ Dấu hiệu nhận biết ion ammonium: Khi đun nóng hỗn hợp muối ammonium với dung dịch kiềm sinh ra khí ammonia có mùi khai, làm xanh giấy pH ẩm.

3. Tính chất kém bền nhiệt

Các muối ammonium đều kém bền nhiệt và dễ bị phân hủy khi nung nóng.

Ví dụ:

NH₄Cl \(\overset{t^{o}}{\rightarrow}\) NH₃ + HCl

NH₄HCO₃ \(\overset{t^{o}}{\rightarrow}\) NH₃ + CO₂ + H₂O

NH₄NO₃ \(\overset{t^{o}}{\rightarrow}\) N₂O + H₂O

4. Ứng dụng

1. Phân tử ammonia có dạng chóp tam giác, phân tử chứa ba liên kết N – H phân cực và một cặp electron không liên kết trên nguyên tử nitrogen.

2. Các phân tử ammonia tạo được liên kết hydrogen với nhau và với nước. Ammonium dễ hóa lỏng và dễ tan trong nước.

3. Tính base và tính khử của ammonia được ứng dụng trong sản xuất phân bón, nitric acid.

4. Muối ammonia dễ tan, kém bền nhiệt, tác dụng với base, được dùng chủ yếu làm phân bón.