Bài 5: Một số hợp chất quan trọng của nitrogen

I. Ammonia

1. Cấu tạo phân tử và tính chất vật lí

Phân tử NH₃ có dạng chóp tam giác, các liên kết N – H là liên kết cộng hóa trị phân cực nên các phân tử ammonia dễ tạo liên kết hydrogen với nhau và với phân tử nước, do đó ammonia tan nhiều trong nước. Ở 20^oC, 1 bar, 1 lít nước có thể hòa tan 700 lít khí ammonia.

Ở điều kiện thường, ammonia là chất khí không màu, có mùi khai, xốc và độc.

2. Tính chất hóa học

a) Tính base

Cặp electron hóa trị riêng trên nguyên tử nitrogen là nguyên nhan gây nên tính base của ammonia. Khi tan trong nước, ammonia nhận H⁺ của nước, tạo thành ion ammonium (NH₄⁺), dung dịch có tính base yếu, làm giấy quỳ tính hóa xanh.

NH₃ (aq) + H₂O (l) \(\rightleftharpoons\) NH₄⁺ (aq) + OH^- (aq)

- Khí ammonia hoặc dung dịch ammonia phản ứng với các acid tạo muối ammonium. Ví dụ:

NH₃ + HCl \(\rightarrow\) NH₄Cl

Sự hình thành ion ammonium ở các phản ứng trên là do sự tạo thành liên kết cho – nhận giữa nguyên tử nitrogen của phân tử NH₃ với H⁺ của acid.

NH₃ + H⁺ \(\rightarrow\) NH₄⁺

Vì vậy, ammonia là một base theo thuyết Bronsted – Lowry.

- Dung dịch ammonia có thể tác dụng với dung dịch muối của một số kim loại để tạo các hydroxide của kim loại đó, như:

MgCl₂ (aq) + 2NH₃ (aq) + 2H₂O (l) \(\rightarrow\) Mg(OH)₂ (s) + 2NH₄Cl (aq)

b) Tính khử

Nguyên tử N trong phân tử NH₃ có số oxi hóa – 3, là số oxi hóa thấp nhất của nguyên tố nitrogen trong các hợp chất. Vì vậy, ammonia thể hiện tính khử khi phản ứng với một số chất có tính oxi hóa. Chẳng hạn, khi đun nóng hỗn hợp ammonia và oxygen trong bình kín, tùy theo điều kiện về nhiệt độ, xúc tác sẽ tạo ra các sản phẩm khác nhau.

Ví dụ:

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

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

Phản ứng thứ hai ở trên được sử dụng trong quy trình sản xuất nitric acid từ ammonia trong công nghiệp.

3. Tổng hợp ammonia theo quá trình Haber

Trong công nghiệp, ammonia được tổng hợp theo quá trình Haber (còn được gọi là quá trình Haber – Bosch) ở nhiệt độ 400 – 600^oC, 200 bar, xúc tác bột sắt theo phương trình hóa học sau:

Tại thời điểm cân bằng, nồng độ ammonia, nitrogen và hydrogen trong buồng phản ứng là không đổi. Khi đó, hỗn hợp khí này được dẫn qua hệ thống làm lạnh để hóa lỏng ammonia. Ammonia lỏng sẽ được tác ra. Hỗn hợp khí hydrogen và nitrogen được tái sử dụng bằng cách đưa trở lại buồng phản ứng để tiếp tục lặp lại quá trình phản ứng tổng hợp ammonia.

Để cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận, tạo thành ammonia, cần chọn các điều kiện thích hợp về áp suất, nhiệt độ, dựa theo nguyên lí chuyển dịch Le Chatelier.

+ Về áp suất: người ta đã tăng áp suất của hệ phản ứng trong buồng tổng hợp lên đến gần 200 bar. Đó là do khi tăng áp suất, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm áp suất của hệ tức chiều giảm số mol khí, hay chiều tạo ammonia (chiều thuận).

+ Về nhiệt độ: vì phản ứng thuận tỏa nhiệt nên cần phải giảm nhiệt độ để cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận, tạo ammonia. 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 – 600^oC.

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

II. Muối ammonium

- Muối ammonium là các hợp chất có chứa ion ammonium (NH₄⁺). Các muối ammonium thường được sử dụng là NH₄Cl, NH₄NO₃, (NH₄)₂CO₃, (NH₄)₂SO₄,...

- Hầu hết các muối ammonium tan tốt và điện li hoàn toàn trong nước. Ví dụ:

NH₄NO₃ \(\rightarrow\) NH₄⁺ (aq) + NO₃^- (aq)

- Khi đun nóng hỗn hợp muối ammonium và kiềm ở dạng rắn hoặc dung dịch đều sinh ra khí ammonia có mùi khai và xốc. Ví dụ:

2NH₄Cl (s) + Ca(OH)₂ (s) \(\overset{t{^\circ}}{\rightarrow}\) 2NH₃ (g) + 2H₂O (g) + CaCl₂ (s)

Nhờ loại phản ứng này, người ta nhận biết được muối ammonium.

- Các muối ammonium kém bền với nhiệt nên dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao. Các muối ammoium khác nhau phân hủy tạo ra các sản phẩm chứa nitrogen khác nhau.

Ví dụ:

NH₄NO₃ \(\overset{t{^\circ}}{\rightarrow}\) N₂O + 2H₂O

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

Các phản ứng phân hủy muối ammonium đều làm tăng áp suất khí, nên có nguy cơ gây nổ. Vì vậy, việc lưu trữ các phân bón có thành phần chính là muối ammonium thường được khuyến cáo cần tránh xa các nguồn nhiệt để hạn chế nguy cơ gây cháy nổ.

III. Ứng dụng của ammonia và một số muối ammonium

- Sản xuất phân đạm ammonnium, urea,... cung cấp nguyên tố nitrogen cho đất trồng bằng cách cho ammonia phản ứng với dung dịch acid tương ứng,

Ví dụ: sản xuất phân bón có thành phần chính là ammonium sulfate

2NH₃ + H₂SO₄ \(\rightarrow\) (NH₄)₂SO₄

- Sản xuất phân bón phức hợp ammophos cung cấp cho đất cả nguyên tố N và P bằng cách cho ammonia phản ứng với phosphoric acid theo tỉ lệ mol khác nhau, thu được các hợp chất khác nhau như NH₄H₂PO₄, (NH₄)₂HPO₄,...

- Sản xuất nitric acid, một số chất gây nổ sử dụng trong khai thác quặng mỏ như ammonium nitrate,...

- Ammonia lỏng làm chất làm lạnh trong một số hệ thống làm lạnh công nghiệp.

- Ammonia lỏng dùng làm dung môi.

- Ammonium chloride làm chất điện li trong pin hoặc làm sạch các oxide trên bề mặt kim loại trước khi hàn.

IV. Nguồn gốc một số oxide của nitrogen trong không khí – mưa acid

1. Nguồn gốc một số oxide của nitrogen

Bầu khí quyển xung quanh ta có các oxide của nitrogen như NO, NO₂,... kí hiệu chung là NO_x. Chúng được tạo thành từ quá trình tự nhiên hoặc từ các hoạt động của con người.

- Quá trình tự nhiên: sự tạo thành NO trong khí quyển khi có sấm sét.

- Hoạt động của con người:

+ Đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch.

+ Quá trình sản xuất và sử dụng nitric acid.

2. Mưa acid

- Nguyên nhân hình thành: sự có mặt của NO, NO₂, SO₂ trong khí quyển dẫn tới việc tạo ra nitric acid và sulfuric acid hòa tan trong nước mưa.

2SO₂ + O₂ + 2H₂O \(\overset{xt}{\rightarrow}\) 2H₂SO₄

4NO₂ + O₂ + 2H₂O \(\overset{xt}{\rightarrow}\) 4HNO₃

- Ảnh hưởng:

+ Làm giảm pH của đất và nước, ảnh hưởng tiêu cực đến cây trồng, thủy sản,...

+ Ăn mòn các kết cấu kim loại, biến đổi thành phần vật liệu của các công trình.

V. Nitric acid

- Nitric acid có cấu tạo như sau:

- Nitric acid là chất lỏng không màu, có tính acid mạnh và tính oxi hóa mạnh.

- Mỗi năm có khoảng hàng chục triệu tấn nitric acid được sản xuất trên toàn cầu. Trong đó, khoảng 80% được dùng cho sản xuất phân đạm ammonium nitrate theo phương trình hóa học:

NH₃ + HNO₃ \(\rightarrow\) NH₄NO₃

- Khoảng 10% lượng nitric acid trên toàn cầu được dùng để oxi hóa các chất hữu cơ trong quá trình sản xuất adipic acid, nitrobenzene và thuốc nổ.

- Dựa vào tính oxi hóa mạnh, nitric acid còn được dùng trong ngành công nghiệp luyện kim, trong các quy trình phân tích mẫu,...

VI. Hiện tượng phú dưỡng

- Nguyên nhân: sự dư thừa dinh dưỡng ⇒ cung cấp nguồn thức ăn dồi dào cho sinh vật phù du phát triển rất mạnh.

- Khi hàm lượng nitrogen trong nước đạt 300 μg/L và hàm lượng phosphorus đạt 20 μg/L ⇒ hiện tượng phú dưỡng hóa.

- Nguồn dư thừa dinh dưỡng:

+ Nước thải (nông nghiệp, công nghiệp, sinh hoạt) được đưa đến ao, hồ qua cống dẫn nước hoặc chảy tràn trên mặt đất khi mưa lũ.

+ Dư thừa thức ăn chăn nuôi ở đầm nuôi trồng thủy sản.

- Tác hại

+ Cản trở sự hấp thụ ánh sáng mặt trời vào nước ⇒ giảm sự quang hợp của thực vật thủy sinh

+ Rong, tảo biển phát triển mạnh ⇒ thiếu nguồn oxygen trầm trọng cho các loài khác (đặc biệt là tôm, cá) ⇒ gây mất cân bằng sinh thái.

+ Gây ô nhiễm môi trường nước, không khí, tạo bùn lắng xuống lòng ao, hồ.

- 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^-, PO₄^3- từ nguồn phân bón dư thừa vào kênh rạch, ao, hồ.

1. Ammonia tan tốt trong nước, có tính khử và tính base, được dùng làm chất làm lạnh, sản xuất phân bón.

2. Muối ammonium tan tốt và điện li trong nước, phân hủy ở nhiệt độ cao, được ứng dụng để sản xuất phân đạm ammonium.

3. Do tác động của tự nhiên và con người nên trong không khí có NO, NO₂, SO₂. Các oxide này gây mưa acid.

4. Ứng dụng quan trọng của nitric caid là dùng để sản xuất phân đạm ammonium nitrate và làm tác nhân oxi hóa trong một số ứng dụng thực tiễn.

5. Việc sử dụng phân bón dư thừa là một trong các ngueyen nhân gây nên hiện tượng phú dưỡng đối với vùng nước tù đọng, gây ảnh hưởng tiêu cực tới môi trường và hệ sinh thái. Để tránh hiện tượng này nên xử lí chất thải trước khi cho ra môi trường, khơi thông dòng chảy, tăng cường cung cấp không khí cho nước,...