X là hỗn hợp khí H₂ và N₂ có tỉ khối đối với oxi bằng 0,225. Dẫn X vào bình có xúc tác bột sắt, đun nóng thì thu được hỗn hợp khí Y có tỷ khối đối với oxi bằng 0,25. Tính hiệu suất tổng hợp NH₃

A. AMONIAC

I. Cấu tạo phân tử

Hình 1: Sơ đồ cấu tạo và mô hình cấu tạo của phân tử N$H_3$.

- Trong phân tử N$H_3$, N liên kết với ba nguyên tử hiđro bằng ba liên kết cộng hóa trị có cực.

- Những đôi electron dùng chung bị lệch về phía nguyên tử N có độ âm điện lớn hơn.

- Phân tử N$H_3$ có cấu tạo hình chóp với nguyên tử nitơ ở đỉnh, đáy là một tam giác mà đỉnh là ba nguyên tử H.

- Nitơ còn một cặp electron hóa trị là nguyên nhân gây ra tính bazơ của N$H_3$.

II. Tính chất vật lý

- Amoniac (N$H_3$) là chất khí không màu, có mùi khai và xốc, nhẹ hơn không khí, tan rất nhiều trong nước.

- Ở điều kiện thường, 1 lít nước có hòa tan 800 lít amoniac.

Hình 2: Sự hòa tan của amoniac trong nước

- Hòa tan N$H_3$ vào nước thu được dung dịch gọi là dung dịch amoniac. Dung dịch amoniac đậm đặc thường dùng trong phòng thí nghiệm có nồng độ 25% (D = 0,91g/cm3).

III. Tính chất hóa học

1. Tính bazơ yếu

a) Tác dụng với nước

N$H_3$ + $H_2$O ⇄$N{H}_4^{+} +O{H}^{-}$

⇒ Dung dịch N$H_3$ là một dung dịch bazơ yếu.

⇒ Có thể dùng quỳ tím ẩm để nhận biết khí amoniac, quỳ tím ẩm sẽ chuyển thành màu xanh.

b) Tác dụng với dung dịch muối

- Dung dịch amoniac có thể tác dụng với dung dịch muối của nhiều kim loại, tạo thành kết tủa hiđroxit của các kim loại đó.

AlC$l_3$ + 3N$H_3$ + 3$H_2$O → Al(OH)3↓ + 3N$H_4$Cl

A$l_3$+ + 3N$H_3$ + 3$H_2$O → Al(OH)3↓ + 3$N{H}_4^{+}$

c) Tác dụng với axit → muối amoni:

N$H_3$ + HCl → N$H_4$Cl (amoni clorua)

2N$H_3$ + $H_2$S$O_4$ → (N$H_4$)2S$O_4$ (amoni sunfat)

2. Tính khử

- Amoniac có tính khử: phản ứng được với oxi, clo và khử một số oxit kim loại.

a) Tác dụng với oxi

N$H_3$ cháy trong khí oxi cho ngọn lửa màu vàng, tạo ra khí nitơ và hơi nước.

          4N$H_3$ + 3$O_2$$\stackrel{t^o}{\to }$  2$N_2$ + 6$H_2$O

          4N$H_3$ + 5$O_2$ $\underset{Pt}{\overset{850-900{}^{o}C}{\to }}$ 4NO + 6$H_2$O

Hình 3: Khí amoniac cháy trong oxi

b) Tác dụng với clo

- Clo oxi hóa mạnh amoniac tạo ra nitơ và hiđro clorua:

2N$H_3$ + 3C$l_2$ → $N_2$ + 6HCl

- N$H_3$ kết hợp ngay với HCl vừa sinh ra tạo “khói trắng” N$H_4$Cl.

         N$H_3$ + HCl → N$H_4$Cl

IV. Ứng dụng

- Sản xuất axit nitric, các loại phân đạm như urê (N$H_2$)2CO; N$H_4$N$O_3$; (N$H_4$)2S$O_4$; …

Hình 4: Một số loại đạm

- Điều chế hiđrazin ($N_2$$H_4$) làm nhiên liệu cho tên lửa.

- Amoni lỏng dùng làm chất gây lạnh trong thiết bị lạnh.

V. Điều chế

1. Trong phòng thí nghiệm

- Điều chế bằng cách đun nóng muối amoni (ví dụ N$H_4$Cl) với Ca(OH)2.

Phương trình hóa học:

         2N$H_4$Cl + Ca(OH)2 $\stackrel{t^o}{\to }$CaC$l_2$ + 2N$H_3$↑ + 2$H_2$O

Hình 4: Điều chế khí amoniac trong phòng thí nghiệm

Lưu ý:

- Để làm khô khí, người ta cho khí amoniac vừa tạo thành có lẫn hơi nước đi qua bình đựng vôi sống (CaO).

- Khi muốn điều chế nhanh 1 lượng nhỏ khí N$H_3$, người ta thường đun nóng dung dịch amoniac đậm đặc.

2. Trong công nghiệp

- Tổng hợp từ nitơ và hiđro, theo phản ứng:

         $N_2$ + 3$H_2$ $\stackrel{t^o,p,xt}{\rightleftarrows }$ 2N$H_3$          $\Delta H<0$        

- Điều kiện áp dụng:

+ Nhiệt độ: 450 – 500$°$C.

+ Áp suất cao từ 200 – 300 atm.

+ Chất xúc tác: sắt kim loại được trộn thêm A$l_2$$O_3$, $K_2$O, ...

- Làm lạnh hỗn hợp khí bay ra, N$H_3$ hóa lỏng được tách riêng.

B. MUỐI AMONI

- Là tinh thể ion gồm cation  $N{H}_4^{+}$ và anion gốc axit.

Thí dụ: N$H_4$Cl (amoni clorua), N$H_4$N$O_3$ (amoni nitrat).

I. Tính chất vật lý

- Tất cả các muối amoni đều tan nhiều trong nước.

- Khi tan trong nước, điện li hoàn toàn thành các ion.

N$H_4$Cl → $N{H}_4^{+}$ + Cl-

1. Tác dụng với dung dịch kiềm

- Dung dịch đậm đặc của muối amoni phản ứng với dung dịch kiềm khi đun nóng sinh ra khí amoniac.

Thí dụ:

         N$H_4$Cl + NaOH $\stackrel{t^o}{\to }$ N$H_3$↑ + NaCl + $H_2$O

Phương trình ion rút gọn là:

      $N{H}_4^{+}$   + $O{H}^{-}$ → N$H_3$↑ + $H_2$O

→ Phản ứng này để nhận biết ion amoni và điều chế amoniac trong phòng thí nghiệm.

2. Phản ứng nhiệt phân

Các muối amoni dễ bị phân hủy bởi nhiệt.

- Muối amoni chứa gốc của axit không có tính oxi hóa khi nung nóng bị phân hủy thành NH3.

Thí dụ:

         N$H_4$Cl (r) $\stackrel{t^o}{\to }$ N$H_3$↑ + HCl↑

Hình 5: Sự phân hủy của N$H_4$Cl

- Các muối amoni cacbonat và amoni hiđrocacbonat bị phân hủy dần dần ngay ở nhiệt độ thường, khi đun nóng thì phản ứng xảy ra nhanh hơn.

Lưu ý: N$H_4$HC$O_3$ (bột nở) được dùng làm xốp bánh.

- Muối amoni chứa gốc của axit có tính oxi hóa như axit nitrơ, axit nitric khi bị nhiệt phân cho ra $N_2$, $N_2$O.

Thí dụ:

⇒ Những phản ứng này được sử dụng để điều chế các khí $N_2$ và $N_2$O trong phòng thí nghiệm.