Câu hỏi mở đầu trang 33

Đề bài: 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?

Lời giải:

• Phản ứng sản xuất phân đạm chứa ion ammonium: cho ammonia tác dụng với các acid để tạo muối ammonium (là thành phần của phân đạm), ví dụ:

$$\text{NH}_3 + \text{HNO}_3 \longrightarrow \text{NH}_4\text{NO}_3$$

$$2\text{NH}_3 + \text{H}_2\text{SO}_4 \longrightarrow (\text{NH}_4)_2\text{SO}_4$$

• Vai trò của $\text{NH}_3$: $\text{NH}_3$ nhận $\text{H}^+$ từ acid → $\text{NH}_3$ là base (theo thuyết Brønsted – Lowry).

I. Ammonia

1. Cấu tạo phân tử

Hoạt động trang 33

Đề bài:

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.

Lời giải:

1. Cấu hình electron:

• H (Z = 1): $1s^1$ → có 1 electron ở lớp ngoài cùng.
• N (Z = 7): $1s^2 2s^2 2p^3$ → có 5 electron ở lớp ngoài cùng.

2. Các bước lập công thức Lewis của $\text{NH}_3$:

Bước 1: Tính tổng số electron hoá trị:

• N: 5 electron.
• 3 nguyên tử H: $3 \times 1 = 3$ electron.
• Tổng: $5 + 3 = 8$ electron.

Bước 2: Vẽ khung phân tử — N ở giữa, 3 H xung quanh. Mỗi liên kết N–H dùng 1 cặp electron (2 e) → 3 liên kết N–H dùng $3 \times 2 = 6$ electron.

Bước 3: Hoàn thiện octet cho N. Còn lại $8 – 6 = 2$ electron → đặt thành 1 cặp electron tự do trên N.

→ Mỗi nguyên tử H có 2 electron (đã đủ), nguyên tử N có 8 electron (đủ octet).

Câu 1 trang 34

Đề bài: 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 (Hình 5.2).

Lời giải:

Phân tử $\text{NH}_3$ có những đặc điểm sau:

• Liên kết N–H phân cực mạnh: do N có độ âm điện lớn (3,04) hơn H nên cặp electron dùng chung bị lệch về phía N → nguyên tử H mang một phần điện tích dương ($\delta^+$), nguyên tử N mang một phần điện tích âm ($\delta^-$).
• Trên nguyên tử N còn một cặp electron tự do.

→ Giữa các phân tử $\text{NH}_3$, nguyên tử $\text{H}$ ($\delta^+$) của phân tử này bị hút bởi cặp electron tự do trên nguyên tử N ($\delta^-$) của phân tử khác, tạo nên liên kết hydrogen mạnh giữa các phân tử $\text{NH}_3$.

2. Tính chất vật lí

Câu 2 trang 34

Đề bài: Hãy giải thích tại sao ammonia tan tốt trong nước.

Lời giải:

Ammonia tan tốt trong nước vì:

• $\text{NH}_3$ là phân tử phân cực (do liên kết N–H phân cực), nước cũng là dung môi phân cực → theo quy tắc “chất tương tự tan trong chất tương tự”, $\text{NH}_3$ tan tốt trong nước.
• Phân tử $\text{NH}_3$ có thể tạo liên kết hydrogen với phân tử $\text{H}_2\text{O}$ (qua cặp electron tự do trên N và nguyên tử H phân cực) → làm tăng thêm lực hút giữa $\text{NH}_3$ và nước.

3. Tính chất hoá học

Hoạt động trang 34 – Tính base

Đề bài: Trong công nghiệp, phản ứng giữa ammonia với acid được dùng để sản xuất phân bón:

$$\text{NH}_3 + \text{HCl} \longrightarrow \text{NH}_4\text{Cl}$$

$$\text{NH}_3 + \text{HNO}_3 \longrightarrow \text{NH}_4\text{NO}_3$$

$$2\text{NH}_3 + \text{H}_2\text{SO}_4 \longrightarrow (\text{NH}_4)_2\text{SO}_4$$

Xác định chất cho, chất nhận proton trong mỗi phản ứng trên. Dùng mũi tên để biểu diễn sự cho, nhận đó.

Lời giải:

Theo thuyết Brønsted – Lowry: acid là chất cho $\text{H}^+$, base là chất nhận $\text{H}^+$.

Trong cả 3 phản ứng:

• Chất cho $\text{H}^+$ (acid): HCl, $\text{HNO}_3$, $\text{H}_2\text{SO}_4$.
• Chất nhận $\text{H}^+$ (base): $\text{NH}_3$.

Biểu diễn (mũi tên cong từ chất cho sang chất nhận $\text{H}^+$):

$$\overset{\text{acid}}{\text{HCl}} \xrightarrow{H^+} \overset{\text{base}}{\text{NH}_3} \longrightarrow \text{NH}_4\text{Cl}$$

$$\overset{\text{acid}}{\text{HNO}_3} \xrightarrow{H^+} \overset{\text{base}}{\text{NH}_3} \longrightarrow \text{NH}_4\text{NO}_3$$

$$\overset{\text{acid}}{\text{H}_2\text{SO}_4} \xrightarrow{2H^+} 2\overset{\text{base}}{\text{NH}_3} \longrightarrow (\text{NH}_4)_2\text{SO}_4$$

→ Trong các phản ứng, $\text{NH}_3$ đóng vai trò là base.

Câu 3 trang 35 – Tính khử

Đề bài: Trong hai phản ứng oxi hoá ammonia bằng oxygen ở trên, hãy:

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

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

Lời giải:

Phản ứng 1: $4\text{NH}_3 + 3\text{O}_2 \xrightarrow{t^o} 2\text{N}_2 + 6\text{H}_2\text{O}$

Xác định số oxi hoá:

$$4\overset{-3}{\text{N}}\text{H}_3 + 3\overset{0}{\text{O}}_2 \xrightarrow{t^o} 2\overset{0}{\text{N}}_2 + 6\text{H}_2\overset{-2}{\text{O}}$$

a) Nguyên tử có sự thay đổi số oxi hoá:

• N: $-3 \longrightarrow 0$ (tăng 3) → N là chất khử.
• O: $0 \longrightarrow -2$ (giảm 2) → O là chất oxi hoá.

b) Quá trình oxi hoá, quá trình khử:

• Quá trình oxi hoá: $2\overset{-3}{\text{N}} \longrightarrow \overset{0}{\text{N}}_2 + 6e$
• Quá trình khử: $\overset{0}{\text{O}}_2 + 4e \longrightarrow 2\overset{-2}{\text{O}}$

Phản ứng 2: $4\text{NH}_3 + 5\text{O}_2 \xrightarrow{Pt, t^o} 4\text{NO} + 6\text{H}_2\text{O}$

Xác định số oxi hoá:

$$4\overset{-3}{\text{N}}\text{H}_3 + 5\overset{0}{\text{O}}_2 \xrightarrow{Pt, t^o} 4\overset{+2}{\text{N}}\overset{-2}{\text{O}} + 6\text{H}_2\overset{-2}{\text{O}}$$

a) Nguyên tử có sự thay đổi số oxi hoá:

• N: $-3 \longrightarrow +2$ (tăng 5) → N là chất khử.
• O: $0 \longrightarrow -2$ (giảm 2) → O là chất oxi hoá.

b) Quá trình oxi hoá, quá trình khử:

• Quá trình oxi hoá: $\overset{-3}{\text{N}} \longrightarrow \overset{+2}{\text{N}} + 5e$
• Quá trình khử: $\overset{0}{\text{O}}_2 + 4e \longrightarrow 2\overset{-2}{\text{O}}$

→ Trong cả hai phản ứng, $\text{NH}_3$ đều thể hiện tính khử (N có số oxi hoá –3 thấp nhất nên chỉ có thể tăng).

4. Ứng dụng

Hoạt động trang 35

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

Lời giải (gợi ý nội dung báo cáo):

5. Sản xuất

Hoạt động trang 35

Đề bài: Quá trình sản xuất ammonia thường thực hiện ở nhiệt độ 400 – 450 °C, áp suất 150 – 200 bar, xúc tác Fe.

$$\text{N}_2(g) + 3\text{H}_2(g) \overset{t^o, p, xt}{\rightleftharpoons} 2\text{NH}_3(g) \qquad \Delta_r H^o = -91{,}8 \text{ kJ}$$

Vận dụng kiến thức về cân bằng hoá học, tốc độ phản ứng, biến thiên enthalpy để giải thích các điều kiện:

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?

Lời giải:

1. Ảnh hưởng của nhiệt độ:

Phản ứng có $\Delta_r H^o = -91{,}8$ kJ $< 0$ → chiều thuận toả nhiệt.

• Tăng nhiệt độ: cân bằng chuyển dịch theo chiều thu nhiệt (chiều nghịch) → giảm hiệu suất tạo $\text{NH}_3$. Tuy nhiên, tốc độ phản ứng tăng.
• Giảm nhiệt độ: cân bằng chuyển dịch theo chiều toả nhiệt (chiều thuận) → tăng hiệu suất tạo $\text{NH}_3$. Tuy nhiên, tốc độ phản ứng giảm, phản ứng xảy ra quá chậm.

→ Chọn nhiệt độ thích hợp 400 – 450 °C để cân bằng giữa hiệu suất và tốc độ phản ứng.

2. Ảnh hưởng của áp suất:

Đếm số mol khí: vế trái 4 mol ($1 \text{ N}_2 + 3 \text{ H}_2$), vế phải 2 mol ($2 \text{ NH}_3$).

• Giảm áp suất: cân bằng chuyển dịch về phía nhiều mol khí hơn (vế trái) → chiều nghịch → giảm $\text{NH}_3$.
• Không thực hiện ở áp suất cao hơn vì: áp suất quá cao đòi hỏi thiết bị chịu áp lực rất lớn (đắt tiền), tiêu tốn nhiều năng lượng để nén khí → không hiệu quả về kinh tế.

→ Chọn áp suất 150 – 200 bar là tối ưu giữa hiệu suất và chi phí.

3. Vai trò của chất xúc tác Fe:

• Tăng tốc độ phản ứng (cả phản ứng thuận và phản ứng nghịch) → phản ứng nhanh đạt trạng thái cân bằng.
• Không làm chuyển dịch cân bằng, không thay đổi hiệu suất (giá trị $K_C$ không đổi).

II. Muối ammonium

2. Tác dụng với kiềm – Nhận biết ion ammonium

Thí nghiệm trang 36 – Nhận biết ion ammonium trong phân đạm

Đề bài: Cho khoảng 1 g phân $\text{KNO}_3$ vào ống nghiệm (1), 1 g phân $\text{NH}_4\text{Cl}$ vào ống nghiệm (2). Thêm 3 mL nước cất, lắc đều. Nhỏ 1 mL NaOH 20% vào mỗi ống, đun nóng. Đưa giấy pH đã tẩm ướt vào miệng mỗi ống nghiệm. Dựa vào dấu hiệu nào để nhận biết ion ammonium? Giải thích bằng phương trình hoá học.

Lời giải:

Hiện tượng dự đoán:

• Ống (1) chứa $\text{KNO}_3$: không có hiện tượng (giấy pH không đổi màu).
• Ống (2) chứa $\text{NH}_4\text{Cl}$: có khí mùi khai bay ra, làm giấy pH đã tẩm ướt chuyển sang màu xanh.

Dấu hiệu nhận biết ion ammonium:

Khi đun nóng với dung dịch kiềm, ion $\text{NH}_4^+$ phản ứng tạo khí $\text{NH}_3$ có mùi khai và làm giấy pH ẩm chuyển xanh (do $\text{NH}_3$ có tính base).

Phương trình hoá học:

$$\text{NH}_4\text{Cl} + \text{NaOH} \xrightarrow{t^o} \text{NaCl} + \text{NH}_3\uparrow + \text{H}_2\text{O}$$

Phương trình ion rút gọn:

$$\text{NH}_4^+ + \text{OH}^- \xrightarrow{t^o} \text{NH}_3\uparrow + \text{H}_2\text{O}$$

4. Ứng dụng

Câu 4 trang 37

Đề bài:

a) So sánh phân tử ammonia và ion ammonium về dạng hình học, số liên kết cộng hoá trị, số oxi hoá của nguyên tử nitrogen.

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

Lời giải:

a) So sánh $\text{NH}_3$ và $\text{NH}_4^+$:

Lưu ý: Trong $\text{NH}_4^+$, cặp electron tự do trên N của $\text{NH}_3$ đã được dùng làm liên kết cho – nhận với $\text{H}^+$ → tạo thêm 1 liên kết N–H thứ tư.

b) Phương trình hoá học minh hoạ:

• $\text{NH}_3$ thể hiện tính base (nhận $\text{H}^+$):

$$\text{NH}_3 + \text{HCl} \longrightarrow \text{NH}_4\text{Cl}$$

Hoặc trong dung dịch nước:

$$\text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{NH}_4^+ + \text{OH}^-$$

• $\text{NH}_4^+$ thể hiện tính acid (cho $\text{H}^+$):

$$\text{NH}_4^+ + \text{OH}^- \xrightarrow{t^o} \text{NH}_3\uparrow + \text{H}_2\text{O}$$

Em có thể

Vận dụng kiến thức về cân bằng hoá học, tốc độ phản ứng, enthalpy cho phản ứng tổng hợp ammonia trong quá trình Haber – Bosch

Lời giải:

Phản ứng: $\text{N}_2(g) + 3\text{H}_2(g) \rightleftharpoons 2\text{NH}_3(g)$, $\Delta_r H^o = -91{,}8$ kJ (toả nhiệt).

Điều kiện sản xuất thực tế: 400 – 450 °C, 150 – 200 bar, xúc tác Fe.

Giải thích:

• Nhiệt độ 400 – 450 °C: giảm nhiệt độ sẽ tăng hiệu suất (vì cân bằng chuyển sang chiều toả nhiệt = thuận) nhưng tốc độ phản ứng quá chậm; tăng nhiệt độ làm tốc độ nhanh nhưng giảm hiệu suất. Vì vậy chọn nhiệt độ trung bình để dung hoà giữa hiệu suất và tốc độ.
• Áp suất 150 – 200 bar: tăng áp suất giúp cân bằng chuyển dịch về phía ít mol khí hơn (chiều thuận → tăng $\text{NH}_3$). Tuy nhiên áp suất quá cao thì chi phí thiết bị và năng lượng nén khí tăng → chọn áp suất vừa phải.
• Xúc tác Fe: tăng tốc độ phản ứng, giúp đạt cân bằng nhanh, nhưng không làm chuyển dịch cân bằng.

Nhận biết ion ammonium trong phân đạm

Lời giải:

Cách nhận biết:

• Cho phân đạm hoà tan trong nước, thêm dung dịch kiềm (ví dụ NaOH), đun nóng nhẹ.
• Đưa giấy pH (hoặc giấy quỳ) đã tẩm ướt vào miệng ống nghiệm.

Dấu hiệu:

• Có khí mùi khai ($\text{NH}_3$) thoát ra.
• Giấy pH/quỳ ẩm chuyển sang màu xanh (do $\text{NH}_3$ có tính base).

Phương trình hoá học (dạng ion rút gọn):

$$\text{NH}_4^+ + \text{OH}^- \xrightarrow{t^o} \text{NH}_3\uparrow + \text{H}_2\text{O}$$

ThS. Lê Thị Mai Nhi

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Hoá Học THPT

Trình độ: Thạc sĩ Hóa học, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 10+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Chuyên Nguyễn Huệ