Một số hợp chất quan trọng của nitrogen SVIP

I. AMMONIA

1. Cấu tạo phân tử và tính chất vật lí

- Phân tử ammonia có cấu trúc chóp tam giác, gồm ba liên kết cộng hóa trị phân cực N-H và một cặp electron không liên kết trên nguyên tử nitrogen.

- Ammonia là khí không màu, mùi khai, nhẹ hơn không khí và dễ tan trong nước nhờ liên kết hydrogen.

2. Tính chất hóa học

a. Tính base

Ammonia (NH₃) là một base yếu do có cặp electron tự do trên nguyên tử nitrogen.

\(NH_3+H_2O\rightleftharpoons NH_4^{+}+OH^{-}\)

- Cả khí NH₃ hay dung dịch ammonia đều hoạt động như một base theo thuyết Brønsted - Lowry.

- NH₃ phản ứng với acid tạo muối ammonium:

\(NH_3\left(g\right)+HCl\left(g\right)\rarr NH_4Cl\left(s\right)\)

- Dung dịch NH₃ phản ứng với muối của một số kim loại tạo thành hydroxide kết tủa:

\(MgCl_2\left(aq\right)+2NH_3\left(aq\right)+2H_2O\rarr Mg\left(OH\right)_2\left(s\right)+2NH_4Cl\left(aq\right)\)

b. Tính khử

Nguyên tử nitrogen trong ammonia có số oxi hóa –3 nên hợp chất này thể hiện tính khử.

- Ammonia có thể tác dụng với khí oxygen:

\(4NH_3+3O_2\overset{t^{o}}{\rarr}2N_2+6H_2O\)

- Trong công nghiệp, ammonia phản ứng với oxygen ở 800 - 900 ^oC khi có xúc tác platinum. Đây là bước quan trọng trong sản xuất nitric acid.

\(4NH_3+5O_2\overset{Pt,t^{o}}{\rarr}4NO+6H_2O\)

3. Tổng hợp ammonia theo quá trình Haber

Ammonia được tổng hợp công nghiệp theo quá trình Haber - Bosch ở 400 - 600 ^oC, 200 bar, xúc tác bột sắt.

\(N_2\left(g\right)+3H_2\left(g\right)\overset{t^{o},p,xt}{\rightleftharpoons}2NH_3\left(g\right)\) \(\Delta_{r}H^{o}=-91,8\) \(kJ\)

Trong quá trình Haber – Bosch, hỗn hợp nitrogen và hydrogen được nén áp suất cao, đun nóng và cho qua xúc tác sắt. Ammonia sinh ra được ngưng tụ bằng làm lạnh để tách khỏi hỗn hợp, phần khí chưa phản ứng được tuần hoàn trở lại buồng phản ứng.

Sơ đồ của quá trình Haber

Biện pháp tăng hiệu suất của quá trình Haber – Bosch:

- Tăng áp suất giúp cân bằng chuyển dịch theo chiều tạo thành ammonia.

- Chọn nhiệt độ khoảng 400 - 600 ^oC để đảm bảo vừa tạo được nhiều NH₃, vừa có tốc độ phản ứng đủ nhanh.

- Dùng xúc tác bột sắt để phản ứng nhanh đạt trạng thái cân bằng.

II. MUỐI AMMONIUM

Hầu hết muối ammonium tan tốt trong nước và phân li hoàn toàn tạo thành ion.

Các muối ammonium thường gặp: NH₄Cl, NH₄NO₃, NH₄ClO₄, NH₄HCO₃, (NH₄)₂SO₄, NH₄H₂PO₄, (NH₄)₂HPO₄, (NH₄)₂Cr₂O₇.

Ví dụ:

\(NH_4Cl\rarr NH_4^{+}+Cl^{-}\)

Muối ammonia phản ứng với kiềm khi đun nóng tạo khí NH₃ có mùi khai đặc trưng. Đây là dấu hiệu nhận biết ion NH₄⁺.

Ví dụ: Phản ứng giữa ammonium sulfate với sodium hydroxide:

\(\left(NH_4\right)_2SO_4+2NaOH\overset{t^{o}}{\rarr}Na_2SO_4+2NH_3+2H_2O\)

⚡ THÍ NGHIỆM (Nhận biết ion ammonium)

- Cho vài hạt phân đạm (chứa ammonium chloride) vào ống nghiệm có sẵn dung dịch NaOH.

- Hơ nhẹ ống nghiệm trên ngọn lửa đèn cồn và đưa mẩu giấy quỳ ẩm lên miệng ống nghiệm.

Khi bị nung nóng, muối ammonium dễ dàng phân hủy do kém bền nhiệt.

Ví dụ:

\(NH_4Cl\overset{t^{o}}{\rarr}NH_3+HCl\) \(\Delta_{r}H^{o}=176\) \(kJ\)

\(NH_4NO_3\overset{t^{o}}{\rightleftharpoons}N_2O+2H_2O\) \(\Delta_{r}H^{o}=-36\) \(kJ\)

Muối ammonium dễ phân hủy nên tiềm ẩn nguy cơ nổ, nên cần bảo quản tránh nhiệt độ cao.

III. ỨNG DỤNG CỦA AMMONIA VÀ MỘT SỐ MUỐI AMMONIUM

- Muối ammonium được dùng làm phân bón hóa học nhờ khả năng cung cấp nitrogen cho cây trồng.

Phân đạm

Ví dụ: Sản xuất các loại phân đạm ammonium sulfate

\(2NH_3\left(aq\right)+H_2SO_4\left(aq\right)\rarr\left(NH_4\right)_2SO_4\left(aq\right)\)

Ví dụ: Sản xuất phân bón phức hợp ammophos, cung cấp cả N và P cho cây trồng.

\(2NH_3\left(aq\right)+H_3PO_4\left(aq\right)\rarr\left(NH_4\right)_2HPO_4\left(aq\right)\)

- Ammonia là nguyên liệu quan trọng trong sản xuất nitric acid và các chất nổ.

- Ammonia lỏng được sử dụng làm chất làm lạnh trong các hệ thống làm lạnh công nghiệp.

- Ammonia lỏng được dùng làm dung môi.

- Ammonium chloride được dùng làm chất điện li trong pin khô và làm sạch lớp oxide trên 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

Oxide của nitrogen (NO_x) chủ yếu phát sinh từ quá trình đốt cháy nhiên liệu trong phương tiện giao thông và công nghiệp.

- Nguồn gốc tự nhiên: Núi lửa phun trào, cháy rừng, mưa dông kèm theo sấm sét, sự phân hủy của các hợp chất hữu cơ.

- Nguồn gốc nhân tạo: Hoạt động giao thông vận tải, sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, nhà máy nhiệt điện,...

2. Mưa acid

Mưa acid là mưa có pH thấp do khí SO₂ và NO_x gây ra, làm hư hại công trình, thay đổi môi trường đất và hệ sinh thái.

- Tác nhân: Khí SO₂ và NO_x.

- Quá trình hình thành sulfuric acid:

+ SO₂ bị oxi hóa thành SO₃ nhờ O₂ và chất xúc tác (NO hoặc NO₂):

\(SO_2\left(g\right)+\frac12O_2\left(g\right)\overset{NO/NO_2}{\rarr}SO_3\left(g\right)\)

+ SO₃ phản ứng với nước tạo thành H₂SO₄:

\(SO_3\left(g\right)+H_2O\left(l\right)\rarr H_2SO_4\left(aq\right)\)

- Hậu quả: Gây ảnh hưởng xấu đến sinh vật, con người, làm ăn mòn công trình xây dựng, ô nhiễm môi trường đất và nước.

V. NITRIC ACID

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

- Công thức của nitric acid:

- Nitric acid là nguyên liệu quan trọng để sản xuất phân bón ammonium nitrate trong công nghiệp.

Ví dụ:

\(NH_3\left(aq\right)+HNO_3\left(aq\right)\rarr NH_4NO_3\left(aq\right)\)

- HNO₃ đậm đặc được dùng làm thuốc nổ (TNT, nitroglycerin,...) nhờ tính oxi hóa mạnh.

- HNO₃ có tính oxi hóa mạnh nên được ứng dụng trong ngành công nghiệp luyện kim, phân tích mẫu,...

VI. HIỆN TƯỢNG PHÚ DƯỠNG

Phú dưỡng hình thành do sự tích tụ dư thừa các chất dinh dưỡng trong nước ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ sinh thái.

- Nguyên nhân: Tích tụ chất dinh dưỡng (nitrogen, phosphorus) từ nước thải nông nghiệp, công nghiệp, sinh hoạt,... và thức ăn thừa trong nuôi trồng thủy sản.

- Quá trình hình thành: Chất dinh dưỡng tích tụ trong ao hồ tạo điều kiện cho tảo phát triển nhanh gây thiếu oxygen do:

+ Lượng lớn vi khuẩn tiêu thụ oxygen hòa tan.

+ Tảo ngăn cản ảnh sáng và không khí chứa oxygen khuếch tán vào nước.

+ Quá trình phân hủy tảo chết tiêu tốn oxygen.

- Hệ quả: Sinh vật thủy sinh chết, đồng thời làm ô nhiễm nước và hình thành bùn lắng.

- Biện pháp hạn chế hiện tượng phú dưỡng:

+ Giữ cho nước lưu thông.

+ Xử lí nước thải trước khi xả thải ra môi trường.

+ Bón phân đúng cách, đúng lượng, đúng lúc để hạn chế ion NO₃^-, PO₄^3- rửa trôi vào nước.