Bài 11. Amoniac và muối amoni

I - CẤU TẠO PHÂN TỬ

Do có ba eletron độc thân, nên nguyên tử nitơ trong phân tử amoniac tạo thành ba liên kết cộng hóa trị với ba nguyên tử hiđro.

Phân tử NH₃ có cấu tạo hình chóp, với nguyên tử nitơ ở đỉnh, đáy là một tam giác mà đỉnh là ba nguyên tử hiđro (hình 2.2).

Ba liên kết N−H đều là liên kết có cực, các cặp electron chung đều lệch về phía nguyên tử nitơ. Do đó, NH₃ là phân tử có cực: ở N có dư điện tích âm, ở các nguyên tử H có dư điện tích dương.

II- TÍNH CHẤT VẬT LÍ

* Amoniac là chất khí không màu, mùi khai và sốc, nhẹ hơn không khí nên có thể thu khí NH3 bằng cách đẩy không khí (úp ngược bình).

* Khí NH₃ tan rất nhiều trong nước: 1 lít nước ở 20^oC hòa tan được khoảng 800 lít khí NH₃.

Thí nghiệm ở hình 2.3 chứng minh tính tan nhiều của NH₃ trong nước. Do tan nhiều trong nước, áp suất của khí NH₃ trong bình giảm đột ngột, nước trong cốc bị hút vào bình qua ống thủy tinh vuốt nhọn, phun thành các tia nước có màu hồng.

* Amoniac tan trong nước tạo thành dung dịch amoniac. Dung dịch amoniac đậm đặc thường có nồng độ 25%(D=0,91g/cm³).

III- TÍNH CHẤT HÓA HỌC

1. Tính bazơ yếu

a) Tác dụng với nước

Khi tan trong nước, một phần nhỏ các phân tử amoniac kết hợp với ion H+ của nước, tạo thành ion amoniac (NH+4) và ion hiđroxit (OH−):

NH₃+H₂O⇌NH⁺₄+OH⁻

Ion OH− làm cho dung dịch có tính bazơ, tuy nhiên so với dung dịch kềm mạnh (thí dụ NaOH) cùng nồng độ, thì nồng độ ion OH− do NH₃ tạo thành nhỏ hơn nhiều.

Trong dung dịch, amoniac là một bazơ yếu: ở 25^oC, hằng số phân li bazơ Kb=1,8.10⁻⁵. Dung dịch amoniac làm cho phenolphtalein từ không màu chuyển sang màu hồng, quỳ tím chuyển sang màu xanh. Lợi dụng tính chất này người ta dùng giấy quỳ tím ẩm để nhận ra khí amoniac.

b) Tác dụng với axit

Amoniac (dạng khí cũng như dung dịch) kết hợp dễ dàng với axit tạo thành muối amoni.

Thí dụ:                          2NH₃+H₂SO₄→(NH₄)₂SO₄

                                                  NH₃+H⁺→NH4⁺

Khi đặt  hai bình mở nút đựng dung dịch HCl đặc và NH₃ đặc gần nhau thì thấy có "khói" màu trắng tạo thành. "Khói" là những hạt nhỏ li ti của tinh thể muối amoni clorua (NH₄Cl). Muối này được tạo thành do khí amoniac và khí hiđro clorua hóa hợp với nhau:

NH₃(k)+HCl(k)→NH₄Cl(r)

Phản ứng này cũng được sử dụng để nhận ra khí amoniac.

c) Tác dụng với dung dịch muối

Dung dịch amoniac có khả năng làm kết tủa nhiều hiđroxit kim loại khi tác dụng với dung dịch muối của chúng.

Thí dụ:

Al³⁺+3NH₃+3H₂O→Al(OH)₃↓+3NH⁺₄

2. Khả năng tạo phức

Dung dịch amoniac có khả năng hòa tan hiđroxit hay muối ít tan của một số  kim loại, tạo thành các dung dịch phức chất.

Thí dụ:           

Cu(OH)₂+4NH₃→[Cu(NH₃)₄](OH)₂

Cu(OH₎₂+4NH₃→[Cu(NH₃)₄]₂++2OH⁻

AgCl+2NH₃→[Ag(NH₃)₂]Cl

AgCl+2NH₃→[Ag(NH₃)₂]⁺+Cl⁻

Sự tạo thành các ion phức [Cu(NH₃)₄]²⁺,[Ag(NH₃)₂]⁺,... xảy ra do các phân tử amoniac kết hợp với các ion Cu²⁺,Ag⁺,... bằng các liên kết cho - nhận giữa cặp electron chưa sử dụng của nguyên tử nitơ với obitan trống của ion kim loại.

3. Tính khử

a) Tác dụng với oxi

Khi đốt trong khí oxi, amoniac cháy với ngọn lửa màu vàng, tạo ra khí nitơ và hơi nước.

4NH₃+3O₂→t^o 2N₂+6H₂O

Khi đốt amoniac trong oxi không khí có mặt chất xúc tác thì tạo ra khí NO và nước:

4NH₃+5O₂→xt t^o 4NO+6H₂O

b) Tác dụng với clo

Dẫn khí NH3 vào bình chứa khí clo, NH3 tự bốc cháy tạo ra ngọn lửa có "khói" trắng.

2NH₃+3Cl₂−→xt t^o N₂+6HCl

"Khói" trắng là những hạt NH₄Cl sinh ra do khí HCl vừa tạo thành hóa hợp với NH₃.

c) Tác dụng với oxit kim loại

Khi đun nóng, NH₃ có thể khử một số oxit kim loại thành kim loại , chẳng hạn NH₃ khử CuO màu đen tạo ra Cu màu đỏ, nước và khí N₂.

2NH₃+3CuO→t^o 3Cu+N₂+3H₂O

IV - ỨNG DỤNG

Amoniac được sử dụng để sản xuất axit nitric; các loại phân đạm urê (NH₂)₂CO,NH₄NO₃,(NH₄)₂SO₄,...; điều chế hiđrazin (N₂H₄) làm nhiên liệu cho tên lửa. Amoniac lỏng được dùng làm chất gây lạnh trong máy lạnh.

V- ĐIỀU CHẾ

1. Trong phòng thí nghiệm

Khí amoniac được điều chế bằng cách cho muối amoni tác dụng với chất kiềm khi đun nóng nhẹ.

Thí dụ:

2NH₄Cl+Ca(OH)₂→t^o 2NH₃+CaCl₂+2H₂O

Muốn điều chế nhanh một lượng nhỏ khí amoniac, người ta thường đun nóng dung dịch amoniac đậm đặc. Để làm khô khí, cho khí NH3 vừa được tạo thành có lẫn hơi nước đi qua bình đựng vôi sống (CaO).

2. Trong công nghiệp

Amoniac được tổng hợp từ khí nitơ và khí hiđro theo phản ứng:

N₂(k)+3H₂(k)⇌2NH₃(k);ΔH=−92kJ

Đây là phản ứng thuận nghịch và tỏa nhiệt. Theo nguyên lí chuyển dịch cân bằng Lơ Sa- tơ- li-ê, muốn cho cân bằng chuyển dịch về phía tạo thành amoniac cần phải hạ nhiệt độ và tăng áp suất. Tuy nhiên, nếu nhiệt độ thấp quá thì phản ứng xảy ra rất chậm và nếu áp suất cao quá thì đòi hỏi thiết bị cồng kềnh và phức tạp. Trên thực tế, người ta thường thực hiện phản ứng ở nhiệt độ khoảng 450−500^oC, áp suất khoảng 200−300atm và dùng chất xúc tác là sắt kim loại được trộn thêm Al₂O₃,K2O,... để làm cho cân bằng nhanh chóng được thiết lập. Ở các điều kiện như trên, hiệu suất chuyển hóa thành NH3 cũng chỉ đạt tới 20−25%.

Hỗn hợp khí N₂ và H₂ (tỉ lệ mol 1:3) được nén ở áp suất cao và đưa vào tháp tổng hợp. Trong tháp này, amoniac được tạo thành ở các điều kiện nhiệt độ, áp suất và chất xúc tác thích hợp đã nêu ở trên. Hỗn hợp khí đi ra từ tháp tổng hợp (gồm có N₂,H₂ và NH₃) được dẫn đến tháp làm lạnh.

Ở đây, khí amoniac hóa lỏng và được tách riêng ra, còn hỗn hợp khí N₂ và H₂ chưa phản ứng được đưa trở lại tháp tổng hợp.

B. MUỐI AMONI

I- TÍNH CHẤT VẬT LÍ

Muối amoni là những tinh thể ion, gồm cation amoni (NH₄⁺) và amoni gốc axit. Tất cả các muối amoni đều dễ tan trong nước và khi tan điện li hoàn toàn thành các ion. Ion NH₄⁺ không có màu.

II- TÍNH CHẤT HÓA HỌC

1. Tác dụng với dung dịch kiềm

Dung dịch đậm đặc của muối amoni tác dụng với dung dịch kiềm khi đun nóng sẽ cho khí NH3 bay ra.

Thí dụ:

(NH₄)₂SO₄+2NaOH→t_o 2NH₃↑+Na₂SO₄+2H₂O

NH⁺₄+OH⁻→NH₃↑+H₂O

Ion NH⁺₄ nhường H+ cho ion OH−, vậy trong dung dịch ion NH⁺₄ là một axit.

Phản ứng này được sử dụng để nhận biết ion NH₄⁺

Ngoài ta, muối amoni còn có thể tham gia phản ứng trao đổi với dung dịch các muối khác.

2. Phản ứng nhiệt phân

Khi đun nóng, các muối amoni dễ bị nhiệt phân hủy, tạo ra các sản phẩm khác nhau. Sản phẩm của sự phân hủy được quyết định chủ yếu bởi bản chất của axit tạo nên muối.

Muối amoni chứa gốc axit không có tính oxi hóa khi đun nóng bị phân hủy thành amoniac.

Thí dụ:

Tinh thể NH₄Cl được đun nóng trong ống nghiệm sẽ phân hủy thành khí NH₃ và khí HCl:

NH₄Cl(r)→t^o NH₃(k)+HCl(k)

Khi bay lên miệng ống nghiệm gặp nhiệt độ thấp hơn, hai khí này hóa hợp với nhau tạo lại tinh thể NH4Cl màu trắng bám lên thành ống.

Các muối amoni cacbonat và amoni hiđrocacbonat bị phân hủy chậm ngay ở nhiệt độ thường, giải phóng khí NH₃ và khí CO₂

Thí dụ: 

(NH₄)₂CO₃→NH₃+NH₄HCO₃

NH₄HCO₃→NH₃+CO₂+H₂O

Trong thực tế người ta thường dùng muối NH₄HCO₃ để làm xốp bánh.

* Muối amoni chứa gốc của axit có tính hóa như axit nitrơ, axit nitric khi bị nhiệt phân cho ra N2,N2O (đinitơ oxit) và nước.

Thí dụ:                            NH₄NO₂→t^o N₂+2H₂O

                                       NH₄NO₃→t^o N₂O+2H₂O

Những phản ứng này được sử dụng để điều chế các khí N2 và N2O trong phóng thí nghiệm.