Bài 8: Amoniac và muối amoni

1.1. Cấu tạo phân tử

Hình 1: Sơ đồ cấu tạo của phân tử NH₃

- Nguyên tử N liên kết với 3 nguyên tử H bằng 3 liên kết cộng hóa trị có cực.

- Nguyên tử N còn có 1 cặp e hoá trị.

- Nguyên tử N có số oxi hóa thấp nhất -3

- Phân tử có cấu tạo không đối xứng nên phân tử NH₃ phân cực.

1.2. Tính chất vật lý

- Là chất khí không màu, mùi khai, xốc, nhẹ hơn không khí

- Tan nhiều trong nước, tạo thành dd có tính kiềm  

Video 1: Sự hòa tan của Amoniac trong nước

- Khí NH₃ tan nhiều trong nước làm giảm P trong bình và nước bị hút vào bình. Phenolphtalein chuyển thành màu hồng ⇒ NH₃ có tính bazơ.

- Dung dịch NH₃ đậm đặc trong phòng thí nghiệm có nồng độ 25% (N = 0,91g/cm³).

1.3. Tính chất hóa học

Tính bazơ yếu

Tác dụng với nước

- Khi hoà tan khí NH₃ vào nước, 1 phần các phân tử NH₃ phản ứng tạo thành dd bazơ ⇒ dd NH₃ là bazơ yếu:

NH₃ + H₂O ⇔ NH₄⁺+ OH^-

- Làm quỳ tím chuyển sang màu xanh

Tác dụng với dung dịch bazơ

- Dung dịch NH₃  có khả năng làm kết tủa nhiều hidroxít kim loại

AlCl₃ + 3NH₃ + 3 H₂O → Al(OH)₃  +  3 NH₄Cl

Al³⁺+3NH₃+3H₂O → Al(OH)₃  + 3NH₄⁺

Tác dụng với axít

2NH₃ +  H₂SO₄ → (NH₄)₂SO₄

NH_{3 (k)}         +  HCl _(k)      → NH₄Cl

(không màu)  (ko màu)        (khói trắng)

Video 2: Amoniac tác dụng với axit clohidric

Tính khử

Trong phân tử NH₃, N có số oxi hóa là -3. Nitơ có các số oxi hóa là -3,0,+1,+2,+3,+4,+5. Như vậy trong các phản ứng hóa học khi có sự thay đổi số oxi hóa, số oxi hóa của N trong NH₃ chỉ có thể tăng lên

→ thể hiện tính khử.

Tác dụng với oxi

Video 3: Thí nghiệm giữa NH₃ và Oxi

NH₃ được tạo ra từ phản ứng của NH₄Cl và CaO

Khí O₂ được tạo ra từ phản ứng của KClO₃ và MnO₂

- Hiện tượng: Que đóm đang cháy bỗng vụt tắt

- Giải thích: Khí N₂ không duy trì sự cháy 4 NH₃ + 3O₂ → 2N₂ + 6 H₂O 

Tác dụng với Clo

2NH₃ + 3Cl₂ → N₂ + 6 HCl

Nếu NH₃ dư : NH₃ + HCl →  NH₄Cl (khói trắng)

* Kết luận: Amoniac có các tính chất hoá học cơ bản: tính bazơ yếu và tính khử     

1.4. Ứng dụng

- Sản xuất HNO₃

- Sản xuất phân đạm và dd NH₃ có thể sử dụng trực tiếp làm phân bón

- Điều chế N₂H₄ làm nhiên liệu cho tên lửa

- NH₃ lỏng dùng làm chất làm lạnh cho thiết bị lạnh

- Sử dụng trong công nghiệp đông lạnh (sản xuất nước đá, bảo quản nông phẩm...)

- Sử dụng trong công nghiệp môi trường (loại bỏ một số khí gây ô nhiễm như SO₂...)

1.5. Điều chế

Trong phòng thí nghiệm

- Đun nóng muối amoni với Ca(OH)₂ hay dd kiềm:

2NH₄Cl + Ca(OH)₂ → CaCl₂+2NH₃ +2H₂O

- Để làm khô khí, ta cho khí NH₃ có lẫn hơi nước qua bình vôi sống CaO.

- Điều chế nhanh 1 lượng nhỏ khí NH₃, ta đun nóng dung dịch NH₃ đậm đặc.

Trong công nghiệp

N₂ + 3H₂ ⇔ 2NH₃  (đk: 450 - 500^oC), Fe, 200-300 atm)     

- Nhiệt độ: 450 – 500^OC

- Áp suất: 200- 300 atm

- Chất xúc tác: Fe/Al₂O₃, K₂O

Muối amoni là chất tinh thể ion gồm cation amoni NH₄⁺ và anion gốc axít. Ví dụ: NH₄Cl, (NH₄)₂SO₄ , (NH₄)₂CO₃

2.1.Tính chất vật lý

- Tinh thể

- Đều tan trong nước

- Ion NH₄⁺ không màu

2.2.Tính chất hoá học

Tác dụng với bazơ kiềm

(NH₄)₂SO₄ + 2NaOH  → Na₂SO₄ + 2NH₃ + 2H₂O.

Phương trình ion thu gọn: NH₄⁺ + OH^- → NH₃  + H₂O

→ Điều chế NH₃ trong Phòng thí nghiệm và nhận biết muối amoni.

Phản ứng nhiệt phân

- Muối amoni tạo bởi axít không có tính oxi hoá: (HCl,H₂CO₃) → NH₃

NH₄Cl (r) → NH_{3 (k)} + HCl _(k).

(NH₄)₂CO₃ (r) →  NH₃ (k) + NH₄HCO₃(r).

NH₄HCO₃(r) →  NH₃(k) + CO₂(k) + H₂O 

(NH₄)₂CO₃; NH₄HCO₃ ở nhiệt độ thường cũng tự phân huỷ; ở nhiệt độ cao phản ứng xảy ra nhanh hơn; Dùng NH₄HCO₃ trong bột nở.

- Muối amoni tạo bởi axít có tính oxi hoá:

(HNO₂, HNO₃) → N₂ , N₂O

NH₄NO₂ →  N₂ + 2H₂O

NH₄NO₃ →  N₂O + 2H₂O

Bài 1:

Để nhận biết các dung dịch: NH₄NO₃, (NH₄)₂SO₄, K₂SO₄ đựng trong các lọ mất nhãn ta dùng:

Hướng dẫn:

- Bước 1: Trích dẫn 3 mẫu thử

- Bước 2: Bari tan trong nước tạo dung dịch Ba(OH)₂

+ NH₄NO₃: có khí mùi khai: Ba(OH)₂ + 2NH₄NO₃ → Ba(NO₃)₂ + 2NH₃ + 2H₂O

+ (NH₄₎₂SO₄: khí mùi khai và kết tủa trắng: Ba(OH)₂ + (NH₄)₂SO₄ → BaSO₄ + 2NH₃ + 2H₂O

+ K₂SO₄: kết tủa trắng: Ba(OH)₂ + K₂SO₄ → BaSO₄ + 2KOH

Bài 2:

Hỗn hợp X gồm N₂ và H₂ có tỉ khối so với He bằng 1,8. Đun nóng X một thời gian trong bình kín (có bột Fe làm xúc tác) thu được hỗn hợp Y có tỉ khối so với He bằng 2. Hiệu suất của phản ứng tổng hợp NH₃ là:

Hướng dẫn:

M_X = 7,2. Áp dụng quy tắc đường chéo ta có: 

\(n_{H_2}:n_{N_2}=4:1\)

⇒ Giả sử ban đầu có 4 mol H₂ và 1 mol N₂ trong X

N₂ + 3H₂ ⇔ 2NH₃

 x  →  x  →   2x

⇒ sau phản ứng: nY = 2x + (1 - x) + (4 - 3x) = 5 - 2x mol

Bảo toàn khối lượng: m_X = m_Y

⇒ 5.7,2 = (5 - 2x).2.4

⇒ x = 0,25 mol

⇒ H% (tính theo N₂) = 25%

Bài 3:

Cho các phản ứng sau:

4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O (1)

NH₃ + H₂SO₄ → NH₄HSO₄ (2)

2NH₃ + 3CuO → 3Cu + N₂ + 3H₂O (3)

8NH₃ + 3Cl₂ → N₂ + 6NH₄Cl (4)

NH₃ + H₂S → NH₄HS (5)

2NH₃ + 3O₂ → 2N₂+ 6H₂O (6)

NH₃ + HCl → NH₄Cl (7)

Số phản ứng trong đó NH₃ không đóng vai trò là chất khử là:

Hướng dẫn:

Các phản ứng mà có sự tăng số oxi hóa của N ⇒ NH₃ thể hiện tính khử. Các phản ứng không có hiện tượng trên là: 2, 5, 7.

1.1. Cấu tạo phân tử

Hình 1: Sơ đồ cấu tạo của phân tử NH₃

- Nguyên tử N liên kết với 3 nguyên tử H bằng 3 liên kết cộng hóa trị có cực.

- Nguyên tử N còn có 1 cặp e hoá trị.

- Nguyên tử N có số oxi hóa thấp nhất -3

- Phân tử có cấu tạo không đối xứng nên phân tử NH₃ phân cực.

1.2. Tính chất vật lý

- Là chất khí không màu, mùi khai, xốc, nhẹ hơn không khí

- Tan nhiều trong nước, tạo thành dd có tính kiềm  

Video 1: Sự hòa tan của Amoniac trong nước

- Khí NH₃ tan nhiều trong nước làm giảm P trong bình và nước bị hút vào bình. Phenolphtalein chuyển thành màu hồng ⇒ NH₃ có tính bazơ.

- Dung dịch NH₃ đậm đặc trong phòng thí nghiệm có nồng độ 25% (N = 0,91g/cm³).

1.3. Tính chất hóa học

Tính bazơ yếu

Tác dụng với nước

- Khi hoà tan khí NH₃ vào nước, 1 phần các phân tử NH₃ phản ứng tạo thành dd bazơ ⇒ dd NH₃ là bazơ yếu:

NH₃ + H₂O ⇔ NH₄⁺+ OH^-

- Làm quỳ tím chuyển sang màu xanh

Tác dụng với dung dịch bazơ

- Dung dịch NH₃  có khả năng làm kết tủa nhiều hidroxít kim loại

AlCl₃ + 3NH₃ + 3 H₂O → Al(OH)₃  +  3 NH₄Cl

Al³⁺+3NH₃+3H₂O → Al(OH)₃  + 3NH₄⁺

Tác dụng với axít

2NH₃ +  H₂SO₄ → (NH₄)₂SO₄

NH_{3 (k)}         +  HCl _(k)      → NH₄Cl

(không màu)  (ko màu)        (khói trắng)

Video 2: Amoniac tác dụng với axit clohidric

Tính khử

Trong phân tử NH₃, N có số oxi hóa là -3. Nitơ có các số oxi hóa là -3,0,+1,+2,+3,+4,+5. Như vậy trong các phản ứng hóa học khi có sự thay đổi số oxi hóa, số oxi hóa của N trong NH₃ chỉ có thể tăng lên

→ thể hiện tính khử.

Tác dụng với oxi

Video 3: Thí nghiệm giữa NH₃ và Oxi

NH₃ được tạo ra từ phản ứng của NH₄Cl và CaO

Khí O₂ được tạo ra từ phản ứng của KClO₃ và MnO₂

- Hiện tượng: Que đóm đang cháy bỗng vụt tắt

- Giải thích: Khí N₂ không duy trì sự cháy 4 NH₃ + 3O₂ → 2N₂ + 6 H₂O 

Tác dụng với Clo

2NH₃ + 3Cl₂ → N₂ + 6 HCl

Nếu NH₃ dư : NH₃ + HCl →  NH₄Cl (khói trắng)

* Kết luận: Amoniac có các tính chất hoá học cơ bản: tính bazơ yếu và tính khử     

1.4. Ứng dụng

- Sản xuất HNO₃

- Sản xuất phân đạm và dd NH₃ có thể sử dụng trực tiếp làm phân bón

- Điều chế N₂H₄ làm nhiên liệu cho tên lửa

- NH₃ lỏng dùng làm chất làm lạnh cho thiết bị lạnh

- Sử dụng trong công nghiệp đông lạnh (sản xuất nước đá, bảo quản nông phẩm...)

- Sử dụng trong công nghiệp môi trường (loại bỏ một số khí gây ô nhiễm như SO₂...)

1.5. Điều chế

Trong phòng thí nghiệm

- Đun nóng muối amoni với Ca(OH)₂ hay dd kiềm:

2NH₄Cl + Ca(OH)₂ → CaCl₂+2NH₃ +2H₂O

- Để làm khô khí, ta cho khí NH₃ có lẫn hơi nước qua bình vôi sống CaO.

- Điều chế nhanh 1 lượng nhỏ khí NH₃, ta đun nóng dung dịch NH₃ đậm đặc.

Trong công nghiệp

N₂ + 3H₂ ⇔ 2NH₃  (đk: 450 - 500^oC), Fe, 200-300 atm)     

- Nhiệt độ: 450 – 500^OC

- Áp suất: 200- 300 atm

- Chất xúc tác: Fe/Al₂O₃, K₂O

Muối amoni là chất tinh thể ion gồm cation amoni NH₄⁺ và anion gốc axít. Ví dụ: NH₄Cl, (NH₄)₂SO₄ , (NH₄)₂CO₃

2.1.Tính chất vật lý

- Tinh thể

- Đều tan trong nước

- Ion NH₄⁺ không màu

2.2.Tính chất hoá học

Tác dụng với bazơ kiềm

(NH₄)₂SO₄ + 2NaOH  → Na₂SO₄ + 2NH₃ + 2H₂O.

Phương trình ion thu gọn: NH₄⁺ + OH^- → NH₃  + H₂O

→ Điều chế NH₃ trong Phòng thí nghiệm và nhận biết muối amoni.

Phản ứng nhiệt phân

- Muối amoni tạo bởi axít không có tính oxi hoá: (HCl,H₂CO₃) → NH₃

NH₄Cl (r) → NH_{3 (k)} + HCl _(k).

(NH₄)₂CO₃ (r) →  NH₃ (k) + NH₄HCO₃(r).

NH₄HCO₃(r) →  NH₃(k) + CO₂(k) + H₂O 

(NH₄)₂CO₃; NH₄HCO₃ ở nhiệt độ thường cũng tự phân huỷ; ở nhiệt độ cao phản ứng xảy ra nhanh hơn; Dùng NH₄HCO₃ trong bột nở.

- Muối amoni tạo bởi axít có tính oxi hoá:

(HNO₂, HNO₃) → N₂ , N₂O

NH₄NO₂ →  N₂ + 2H₂O

NH₄NO₃ →  N₂O + 2H₂O

Bài 1:

Để nhận biết các dung dịch: NH₄NO₃, (NH₄)₂SO₄, K₂SO₄ đựng trong các lọ mất nhãn ta dùng:

Hướng dẫn:

- Bước 1: Trích dẫn 3 mẫu thử

- Bước 2: Bari tan trong nước tạo dung dịch Ba(OH)₂

+ NH₄NO₃: có khí mùi khai: Ba(OH)₂ + 2NH₄NO₃ → Ba(NO₃)₂ + 2NH₃ + 2H₂O

+ (NH₄₎₂SO₄: khí mùi khai và kết tủa trắng: Ba(OH)₂ + (NH₄)₂SO₄ → BaSO₄ + 2NH₃ + 2H₂O

+ K₂SO₄: kết tủa trắng: Ba(OH)₂ + K₂SO₄ → BaSO₄ + 2KOH

Bài 2:

Hỗn hợp X gồm N₂ và H₂ có tỉ khối so với He bằng 1,8. Đun nóng X một thời gian trong bình kín (có bột Fe làm xúc tác) thu được hỗn hợp Y có tỉ khối so với He bằng 2. Hiệu suất của phản ứng tổng hợp NH₃ là:

Hướng dẫn:

M_X = 7,2. Áp dụng quy tắc đường chéo ta có: 

\(n_{H_2}:n_{N_2}=4:1\)

⇒ Giả sử ban đầu có 4 mol H₂ và 1 mol N₂ trong X

N₂ + 3H₂ ⇔ 2NH₃

 x  →  x  →   2x

⇒ sau phản ứng: nY = 2x + (1 - x) + (4 - 3x) = 5 - 2x mol

Bảo toàn khối lượng: m_X = m_Y

⇒ 5.7,2 = (5 - 2x).2.4

⇒ x = 0,25 mol

⇒ H% (tính theo N₂) = 25%

Bài 3:

Cho các phản ứng sau:

4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O (1)

NH₃ + H₂SO₄ → NH₄HSO₄ (2)

2NH₃ + 3CuO → 3Cu + N₂ + 3H₂O (3)

8NH₃ + 3Cl₂ → N₂ + 6NH₄Cl (4)

NH₃ + H₂S → NH₄HS (5)

2NH₃ + 3O₂ → 2N₂+ 6H₂O (6)

NH₃ + HCl → NH₄Cl (7)

Số phản ứng trong đó NH₃ không đóng vai trò là chất khử là:

Hướng dẫn:

Các phản ứng mà có sự tăng số oxi hóa của N ⇒ NH₃ thể hiện tính khử. Các phản ứng không có hiện tượng trên là: 2, 5, 7.