Bài học

Cấu tạo, tính chất vật lí và tính base của ammonia

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em mô tả được cấu tạo phân tử ammonia, giải thích được vì sao ammonia tan rất nhiều trong nước, viết được phương trình thể hiện tính base yếu của ammonia, và tính được pH của một dung dịch ammonia loãng dựa vào hằng số base $K_b$ .

Kiến thức nền cần nhớ

Ở Course 2, em đã học thuyết Brønsted–Lowry: base là chất nhận proton $H^+$ , và đã biết cách tính pH từ nồng độ $[H^+]$ hoặc $[OH^-]$ qua công thức $pH = -\log[H^+]$ . Bài này áp dụng lại chính khung lí thuyết đó cho ammonia — chất khí sinh ra trực tiếp từ phản ứng Haber–Bosch em vừa học ở Chương 1.

Ở Course 2, em đã học thuyết Brønsted–Lowry: base là chất nhận proton $H^+$, và đã biết cách tính pH từ nồng độ $[H^+]$ hoặc $[OH^-]$ qua công thức $pH = -\log[H^+]$. Bài này áp dụng lại chính khung lí thuyết đó cho ammonia — chất khí sinh ra trực tiếp từ phản ứng Haber–Bosch em vừa học ở Chương 1.

Khởi động

Nước tiểu để lâu, hay một số chất tẩy rửa gia dụng, có mùi khai đặc trưng — đó là mùi của khí ammonia thoát ra. Ammonia tan trong nước dễ đến mức một lít nước có thể hấp thụ tới vài trăm lít khí này. Vì sao ammonia lại "thích" nước đến vậy, và dung dịch tạo ra có tính chất gì?

Kiến thức trọng tâm

Tính base của ammonia: nhờ cặp electron riêng trên N, phân tử $NH_3$ nhận được một proton $H^+$ — đúng định nghĩa base theo thuyết Brønsted–Lowry đã học. Khi tan trong nước, ammonia nhận proton từ phân tử nước:

$NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-$

Đây là phản ứng thuận nghịch, chỉ một phần nhỏ phân tử $NH_3$ chuyển thành $NH_4^+$ — vì vậy ammonia là một base yếu, khác với các base mạnh như $NaOH$ phân li hoàn toàn. Mức độ base yếu này được đặc trưng bởi hằng số base $K_b$ , đóng vai trò tương tự hằng số cân bằng $K_c$ đã học: $K_b = \dfrac{[NH_4^+][OH^-]}{[NH_3]} \approx 1{,}8 \times 10^{-5}$ ở 25 °C. Vì là base, dung dịch ammonia làm quỳ tím hoá xanh, phenolphtalein không màu chuyển hồng, và phản ứng với acid tạo muối ammonium: $NH_3 + HCl \to NH_4Cl$ .

Ngoài vai trò làm nguyên liệu sản xuất phân đạm, tính chất vật lí và tính base của $NH_3$ còn được khai thác trong nhiều ứng dụng quen thuộc: dung dịch ammonia loãng là thành phần chính của nhiều chất tẩy rửa gia dụng nhờ tính base giúp hoà tan dầu mỡ và vết bẩn; ammonia lỏng còn được dùng làm chất làm lạnh (môi chất lạnh) trong các hệ thống kho lạnh công nghiệp quy mô lớn nhờ khả năng bay hơi thu nhiệt mạnh. Tuy nhiên, ammonia đậm đặc có tính ăn mòn và gây kích ứng mạnh đường hô hấp, nên trong công nghiệp luôn cần các biện pháp bảo hộ và thông gió nghiêm ngặt khi làm việc với khí này.

Phân tử ammonia $NH_3$ có nguyên tử N ở trung tâm, liên kết cộng hoá trị với 3 nguyên tử H, còn một cặp electron riêng chưa liên kết. Do lực đẩy giữa cặp electron riêng và ba cặp electron liên kết, phân tử có dạng hình chóp tam giác (tháp), không phẳng. Ammonia là phân tử **phân cực** vì độ âm điện của N lớn hơn H, cặp electron liên kết lệch về phía N — chính tính phân cực này, cùng khả năng tạo liên kết hydrogen với nước, giải thích vì sao ammonia tan rất nhiều trong nước: ở 20 °C, khoảng 700 lít khí $NH_3$ tan trong 1 lít nước (số liệu tham khảo, có thể thay đổi theo nguồn), tạo dung dịch gọi là ammonia hay nước amoniac. **Tính base của ammonia**: nhờ cặp electron riêng trên N, phân tử $NH_3$ nhận được một proton $H^+$ — đúng định nghĩa base theo thuyết Brønsted–Lowry đã học. Khi tan trong nước, ammonia nhận proton từ phân tử nước: $$NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-$$ Đây là phản ứng thuận nghịch, chỉ một phần nhỏ phân tử $NH_3$ chuyển thành $NH_4^+$ — vì vậy ammonia là một **base yếu**, khác với các base mạnh như $NaOH$ phân li hoàn toàn. Mức độ base yếu này được đặc trưng bởi hằng số base $K_b$, đóng vai trò tương tự hằng số cân bằng $K_c$ đã học: $K_b = \dfrac{[NH_4^+][OH^-]}{[NH_3]} \approx 1{,}8 \times 10^{-5}$ ở 25 °C. Vì là base, dung dịch ammonia làm quỳ tím hoá xanh, phenolphtalein không màu chuyển hồng, và phản ứng với acid tạo muối ammonium: $NH_3 + HCl \to NH_4Cl$. Ngoài vai trò làm nguyên liệu sản xuất phân đạm, tính chất vật lí và tính base của $NH_3$ còn được khai thác trong nhiều ứng dụng quen thuộc: dung dịch ammonia loãng là thành phần chính của nhiều chất tẩy rửa gia dụng nhờ tính base giúp hoà tan dầu mỡ và vết bẩn; ammonia lỏng còn được dùng làm chất làm lạnh (môi chất lạnh) trong các hệ thống kho lạnh công nghiệp quy mô lớn nhờ khả năng bay hơi thu nhiệt mạnh. Tuy nhiên, ammonia đậm đặc có tính ăn mòn và gây kích ứng mạnh đường hô hấp, nên trong công nghiệp luôn cần các biện pháp bảo hộ và thông gió nghiêm ngặt khi làm việc với khí này.

Ammonia tan trong nước nhiều gấp hàng trăm lần các khí thông thường như O₂, N₂, CO₂ — số liệu gần đúng, minh hoạ độ chênh lệch, không phải giá trị đo chính xác tuyệt đối.

Ví dụ

Viết phương trình thể hiện tính base của ammonia

1
Viết phương trình hoá học khi cho khí ammonia tác dụng với dung dịch hydrochloric acid, và khi ammonia tan trong nước. Nêu rõ vai trò base của $NH_3$ trong mỗi trường hợp.
Viết phương trình hoá học khi cho khí ammonia tác dụng với dung dịch hydrochloric acid, và khi ammonia tan trong nước. Nêu rõ vai trò base của $NH_3$ trong mỗi trường hợp.
2
Ammonia nhận proton $H^+$ từ $HCl$ , tạo muối ammonium chloride: $NH_3 + HCl \to NH_4Cl$ . Đây là phản ứng acid–base thông thường, xảy ra gần như hoàn toàn vì $HCl$ là acid mạnh.
Ammonia nhận proton $H^+$ từ $HCl$, tạo muối ammonium chloride: $NH_3 + HCl \to NH_4Cl$. Đây là phản ứng acid–base thông thường, xảy ra gần như hoàn toàn vì $HCl$ là acid mạnh.
3
Nước đóng vai trò acid rất yếu, cho $NH_3$ một phần nhỏ proton: $NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-$ . Vì đây là cân bằng thuận nghịch với $K_b$ nhỏ, chỉ một phần $NH_3$ chuyển hoá — khác hẳn phản ứng gần như hoàn toàn với $HCl$ .
Nước đóng vai trò acid rất yếu, cho $NH_3$ một phần nhỏ proton: $NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-$. Vì đây là cân bằng thuận nghịch với $K_b$ nhỏ, chỉ một phần $NH_3$ chuyển hoá — khác hẳn phản ứng gần như hoàn toàn với $HCl$.
4
Trong cả hai phản ứng, $NH_3$ đều nhận proton nên đều thể hiện tính base theo Brønsted–Lowry, nhưng mức độ phản ứng khác nhau vì $HCl$ là acid mạnh còn $H_2O$ là acid rất yếu.
Trong cả hai phản ứng, $NH_3$ đều nhận proton nên đều thể hiện tính base theo Brønsted–Lowry, nhưng mức độ phản ứng khác nhau vì $HCl$ là acid mạnh còn $H_2O$ là acid rất yếu.
5
Vậy $NH_3$ phản ứng gần như hoàn toàn với acid mạnh tạo muối ammonium, còn khi tan trong nước chỉ tạo một cân bằng base yếu $NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-$ .
Vậy $NH_3$ phản ứng gần như hoàn toàn với acid mạnh tạo muối ammonium, còn khi tan trong nước chỉ tạo một cân bằng base yếu $NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-$.

Ví dụ

Tính pH của dung dịch ammonia loãng dựa vào Kb

1
Tính pH của dung dịch $NH_3$ có nồng độ ban đầu 0,10 M, biết $K_b = 1{,}8 \times 10^{-5}$ ở 25 °C. Coi lượng $NH_3$ phản ứng là nhỏ so với nồng độ ban đầu.
Tính pH của dung dịch $NH_3$ có nồng độ ban đầu 0,10 M, biết $K_b = 1{,}8 \times 10^{-5}$ ở 25 °C. Coi lượng $NH_3$ phản ứng là nhỏ so với nồng độ ban đầu.
2
Gọi $x = [OH^-]$ tại cân bằng. Theo phương trình $NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-$ , ta có $[NH_4^+] = [OH^-] = x$ và $[NH_3] \approx 0{,}10 - x \approx 0{,}10$ (vì $K_b$ nhỏ nên $x \ll 0{,}10$ ). Suy ra $K_b = \dfrac{x^2}{0{,}10} = 1{,}8 \times 10^{-5}$ .
Gọi $x = [OH^-]$ tại cân bằng. Theo phương trình $NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-$, ta có $[NH_4^+] = [OH^-] = x$ và $[NH_3] \approx 0{,}10 - x \approx 0{,}10$ (vì $K_b$ nhỏ nên $x \ll 0{,}10$). Suy ra $K_b = \dfrac{x^2}{0{,}10} = 1{,}8 \times 10^{-5}$.
3
$x^2 = 1{,}8 \times 10^{-5} \times 0{,}10 = 1{,}8 \times 10^{-6}$ , suy ra $x = [OH^-] \approx 1{,}34 \times 10^{-3}$ M.
$x^2 = 1{,}8 \times 10^{-5} \times 0{,}10 = 1{,}8 \times 10^{-6}$, suy ra $x = [OH^-] \approx 1{,}34 \times 10^{-3}$ M.
4
$pOH = -\log(1{,}34 \times 10^{-3}) \approx 2{,}87$ . Theo Course 2, $pH + pOH = 14$ ở 25 °C, nên $pH = 14 - 2{,}87 = 11{,}13$ .
$pOH = -\log(1{,}34 \times 10^{-3}) \approx 2{,}87$. Theo Course 2, $pH + pOH = 14$ ở 25 °C, nên $pH = 14 - 2{,}87 = 11{,}13$.
5
Giá trị $x \approx 1{,}34 \times 10^{-3}$ nhỏ hơn nhiều so với $0{,}10$ (khoảng 1,3%), xác nhận giả thiết gần đúng ban đầu là hợp lí. Vậy pH của dung dịch $NH_3$ 0,10 M xấp xỉ 11,13 — phù hợp với một base yếu, pH lớn hơn 7 nhưng không cao như base mạnh cùng nồng độ (base mạnh 0,10 M cho pH = 13).
Giá trị $x \approx 1{,}34 \times 10^{-3}$ nhỏ hơn nhiều so với $0{,}10$ (khoảng 1,3%), xác nhận giả thiết gần đúng ban đầu là hợp lí. Vậy pH của dung dịch $NH_3$ 0,10 M xấp xỉ 11,13 — phù hợp với một base yếu, pH lớn hơn 7 nhưng không cao như base mạnh cùng nồng độ (base mạnh 0,10 M cho pH = 13).

Sai lầm thường gặp

Nhiều em coi ammonia là base mạnh và tính pH giống hệt $NaOH$ (coi $[OH^-]$ = nồng độ ban đầu), dẫn đến kết quả pH quá cao so với thực tế. Hãy nhớ: $NH_3$ là base yếu, chỉ phân li một phần theo cân bằng có $K_b$ , nên phải giải phương trình bậc hai (hoặc phép gần đúng) chứ không được lấy thẳng nồng độ ban đầu làm $[OH^-]$ .

Nhiều em coi ammonia là base mạnh và tính pH giống hệt $NaOH$ (coi $[OH^-]$ = nồng độ ban đầu), dẫn đến kết quả pH quá cao so với thực tế. Hãy nhớ: $NH_3$ là base yếu, chỉ phân li một phần theo cân bằng có $K_b$, nên phải giải phương trình bậc hai (hoặc phép gần đúng) chứ không được lấy thẳng nồng độ ban đầu làm $[OH^-]$.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

$NH_3$ có cấu tạo hình chóp tam giác, phân cực, tan rất nhiều trong nước nhờ liên kết hydrogen. Nhờ cặp electron riêng trên N, $NH_3$ là một base yếu: phản ứng gần như hoàn toàn với acid mạnh tạo muối ammonium, nhưng chỉ tạo cân bằng $NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-$ với $K_b$ nhỏ khi tan trong nước — tính pH của dung dịch $NH_3$ theo đúng cách tính base yếu đã học ở Course 2.

$NH_3$ có cấu tạo hình chóp tam giác, phân cực, tan rất nhiều trong nước nhờ liên kết hydrogen. Nhờ cặp electron riêng trên N, $NH_3$ là một **base yếu**: phản ứng gần như hoàn toàn với acid mạnh tạo muối ammonium, nhưng chỉ tạo cân bằng $NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-$ với $K_b$ nhỏ khi tan trong nước — tính pH của dung dịch $NH_3$ theo đúng cách tính base yếu đã học ở Course 2.

Cầu nối

Bài tiếp theo khám phá mặt còn lại của ammonia: tính khử. Cùng một phân tử $NH_3$ , khi gặp chất oxi hoá như oxygen, lại đóng vai trò hoàn toàn khác — và chính phản ứng đó là bước đầu tiên trong quy trình sản xuất nitric acid công nghiệp.

Bài tiếp theo khám phá mặt còn lại của ammonia: tính khử. Cùng một phân tử $NH_3$, khi gặp chất oxi hoá như oxygen, lại đóng vai trò hoàn toàn khác — và chính phản ứng đó là bước đầu tiên trong quy trình sản xuất nitric acid công nghiệp.