Bài học

Ôn tập N₂ – NH₃ – muối ammonium

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em hệ thống hoá được sơ đồ chuyển hoá $N_2 \to NH_3 \to$ muối ammonium $\to NH_3$ , giải một bài tập tổng hợp nhiều bước liên quan đến ba chất này, và tự đánh giá được mức độ nắm vững nửa đầu khoá học trước khi chuyển sang ôn tập $HNO_3$ .

Sau bài này, em hệ thống hoá được sơ đồ chuyển hoá $N_2 \to NH_3 \to$ muối ammonium $\to NH_3$, giải một bài tập tổng hợp nhiều bước liên quan đến ba chất này, và tự đánh giá được mức độ nắm vững nửa đầu khoá học trước khi chuyển sang ôn tập $HNO_3$.

Kiến thức nền cần nhớ

Bốn bài đầu khoá đã cho em lần lượt: cấu tạo và tính chất của $N_2$ (Bài 1.1), chu trình nitrogen (Bài 1.2), tính base và tính khử của $NH_3$ (Bài 2.1, 2.2), và tính chất của muối ammonium (Bài 3.1). Bài ôn tập này không dạy kiến thức mới, mà ghép các mảnh đó lại thành một sơ đồ chuyển hoá liền mạch — kĩ năng cần thiết cho dạng bài "hoàn thành chuỗi phản ứng" quen thuộc trong đề kiểm tra học kì, nơi một câu hỏi thường yêu cầu viết liên tiếp từ ba đến năm phương trình thay vì chỉ một phương trình đơn lẻ như các bài luyện tập trước đó.

Khởi động

Nếu được cho $N_2$ làm chất đầu và yêu cầu tạo ra khí $NH_3$ tinh khiết trở lại, sạch, không lẫn tạp chất — bằng cách đi vòng qua một muối ammonium trung gian — em có nối được đủ các phản ứng cần thiết theo đúng thứ tự không?

Kiến thức trọng tâm

Toàn bộ ba chương đầu của khoá học có thể tóm gọn trong một sơ đồ chuyển hoá khép kín:

$N_2 \xrightarrow{+H_2,\ xt\ Fe,\ t^\circ,\ p} NH_3 \xrightarrow{+HCl} NH_4Cl \xrightarrow{+NaOH,\ t^\circ} NH_3$

Mũi tên đầu tiên là phản ứng Haber–Bosch (Chương 2): $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$ , thuận nghịch, xúc tác Fe, nhiệt độ và áp suất cao. Mũi tên thứ hai là phản ứng acid–base (Chương 2): $NH_3 + HCl \to NH_4Cl$ , gần như hoàn toàn vì $HCl$ là acid mạnh. Mũi tên thứ ba là phản ứng nhận biết ion ammonium (Chương 3): $NH_4Cl + NaOH \xrightarrow{t^\circ} NaCl + NH_3\uparrow + H_2O$ — đưa $NH_3$ trở lại dạng khí ban đầu.

Ngoài nhánh này, $NH_3$ còn rẽ theo một hướng khác nếu gặp chất oxi hoá thay vì acid — phản ứng cháy có xúc tác Pt tạo $NO$ (bước mở đầu sang Chương 4), hoặc phản ứng khử oxide kim loại như $CuO$ (Chương 2). Khi giải một bài tập tổng hợp, việc đầu tiên là xác định: đề bài đang đi theo nhánh acid–base (tạo muối ammonium) hay nhánh oxi hoá–khử (tạo $NO$ , $N_2$ , hay khử kim loại)? Nhầm nhánh là nguyên nhân phổ biến nhất khiến bài toán chuỗi phản ứng bị sai ngay từ bước đầu.

Một cách khác để hệ thống hoá là liệt kê lại toàn bộ các dạng phản ứng đã gặp trong ba chương đầu theo đúng bản chất của chúng: phản ứng thuận nghịch, có điều kiện xúc tác và áp suất (Haber–Bosch, $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$ ); phản ứng acid–base, gần như hoàn toàn ( $NH_3$ với acid mạnh tạo muối ammonium); phản ứng trao đổi ion khi đun nóng (muối ammonium với base mạnh, giải phóng $NH_3$ ); phản ứng oxi hoá–khử của $NH_3$ với oxygen (hai hướng khác nhau tuỳ có hay không có xúc tác); và phản ứng oxi hoá–khử của $NH_3$ với oxide kim loại (khử $CuO$ ). Ghi nhớ được năm dạng này giúp em nhận diện nhanh một phản ứng lạ thuộc dạng nào chỉ bằng cách nhìn vào chất phản ứng, mà không cần nhớ máy móc từng phương trình cụ thể.

Toàn bộ ba chương đầu của khoá học có thể tóm gọn trong một sơ đồ chuyển hoá khép kín: $$N_2 \xrightarrow{+H_2,\ xt\ Fe,\ t^\circ,\ p} NH_3 \xrightarrow{+HCl} NH_4Cl \xrightarrow{+NaOH,\ t^\circ} NH_3$$ Mũi tên đầu tiên là phản ứng Haber–Bosch (Chương 2): $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$, thuận nghịch, xúc tác Fe, nhiệt độ và áp suất cao. Mũi tên thứ hai là phản ứng acid–base (Chương 2): $NH_3 + HCl \to NH_4Cl$, gần như hoàn toàn vì $HCl$ là acid mạnh. Mũi tên thứ ba là phản ứng nhận biết ion ammonium (Chương 3): $NH_4Cl + NaOH \xrightarrow{t^\circ} NaCl + NH_3\uparrow + H_2O$ — đưa $NH_3$ trở lại dạng khí ban đầu. Ngoài nhánh này, $NH_3$ còn rẽ theo một hướng khác nếu gặp chất oxi hoá thay vì acid — phản ứng cháy có xúc tác Pt tạo $NO$ (bước mở đầu sang Chương 4), hoặc phản ứng khử oxide kim loại như $CuO$ (Chương 2). Khi giải một bài tập tổng hợp, việc đầu tiên là xác định: đề bài đang đi theo nhánh acid–base (tạo muối ammonium) hay nhánh oxi hoá–khử (tạo $NO$, $N_2$, hay khử kim loại)? Nhầm nhánh là nguyên nhân phổ biến nhất khiến bài toán chuỗi phản ứng bị sai ngay từ bước đầu. Một cách khác để hệ thống hoá là liệt kê lại toàn bộ các dạng phản ứng đã gặp trong ba chương đầu theo đúng bản chất của chúng: **phản ứng thuận nghịch, có điều kiện xúc tác và áp suất** (Haber–Bosch, $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$); **phản ứng acid–base, gần như hoàn toàn** ($NH_3$ với acid mạnh tạo muối ammonium); **phản ứng trao đổi ion khi đun nóng** (muối ammonium với base mạnh, giải phóng $NH_3$); **phản ứng oxi hoá–khử của $NH_3$ với oxygen** (hai hướng khác nhau tuỳ có hay không có xúc tác); và **phản ứng oxi hoá–khử của $NH_3$ với oxide kim loại** (khử $CuO$). Ghi nhớ được năm dạng này giúp em nhận diện nhanh một phản ứng lạ thuộc dạng nào chỉ bằng cách nhìn vào chất phản ứng, mà không cần nhớ máy móc từng phương trình cụ thể.

Chuỗi này chỉ đúng cho nhánh acid–base của NH₃; nhánh oxi hoá–khử (tạo NO, N₂) đi theo hướng khác.

Ví dụ

Hoàn thành sơ đồ chuyển hoá và tính hiệu suất phản ứng Haber–Bosch

1
Cho 8,4 lít $N_2$ phản ứng với $H_2$ dư theo quy trình Haber–Bosch, thu được 10,0 lít $NH_3$ (các thể tích đo ở cùng điều kiện đkc). Tính hiệu suất phản ứng theo $N_2$ .
Cho 8,4 lít $N_2$ phản ứng với $H_2$ dư theo quy trình Haber–Bosch, thu được 10,0 lít $NH_3$ (các thể tích đo ở cùng điều kiện đkc). Tính hiệu suất phản ứng theo $N_2$.
2
$n(N_2) = \dfrac{8{,}4}{24{,}79} \approx 0{,}339$ mol.
$n(N_2) = \dfrac{8{,}4}{24{,}79} \approx 0{,}339$ mol.
3
Theo PTHH $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$ , nếu phản ứng hoàn toàn thì $n(NH_3)_{lý\ thuyết} = 2 \times 0{,}339 \approx 0{,}677$ mol, tương ứng $V_{lý\ thuyết} = 0{,}677 \times 24{,}79 \approx 16{,}8$ lít.
Theo PTHH $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$, nếu phản ứng hoàn toàn thì $n(NH_3)_{lý\ thuyết} = 2 \times 0{,}339 \approx 0{,}677$ mol, tương ứng $V_{lý\ thuyết} = 0{,}677 \times 24{,}79 \approx 16{,}8$ lít.
4
$H\% = \dfrac{V_{thực\ tế}}{V_{lý\ thuyết}} \times 100\% = \dfrac{10{,}0}{16{,}8} \times 100\% \approx 59{,}5\%$ .
$H\% = \dfrac{V_{thực\ tế}}{V_{lý\ thuyết}} \times 100\% = \dfrac{10{,}0}{16{,}8} \times 100\% \approx 59{,}5\%$.
5
Vậy hiệu suất phản ứng theo $N_2$ xấp xỉ 59,5% — con số này khớp với thực tế công nghiệp, vì phản ứng thuận nghịch không bao giờ đạt hiệu suất 100% dù đã tối ưu điều kiện theo Le Chatelier, nên khí chưa phản ứng luôn cần tuần hoàn lại.
Vậy hiệu suất phản ứng theo $N_2$ xấp xỉ 59,5% — con số này khớp với thực tế công nghiệp, vì phản ứng thuận nghịch không bao giờ đạt hiệu suất 100% dù đã tối ưu điều kiện theo Le Chatelier, nên khí chưa phản ứng luôn cần tuần hoàn lại.

Ví dụ

Bài tập chuỗi phản ứng tổng hợp N2 → NH3 → NH4NO3 → NH3

1
Hoàn thành sơ đồ chuyển hoá sau, ghi rõ điều kiện phản ứng: $N_2 \to NH_3 \to NH_4NO_3 \to NH_3$ .
Hoàn thành sơ đồ chuyển hoá sau, ghi rõ điều kiện phản ứng: $N_2 \to NH_3 \to NH_4NO_3 \to NH_3$.
2
$N_2 + 3H_2 \xrightarrow{xt\ Fe,\ t^\circ,\ p} 2NH_3$ (quy trình Haber–Bosch).
$N_2 + 3H_2 \xrightarrow{xt\ Fe,\ t^\circ,\ p} 2NH_3$ (quy trình Haber–Bosch).
3
$NH_3 + HNO_3 \to NH_4NO_3$ — phản ứng acid–base giữa base yếu $NH_3$ và acid mạnh $HNO_3$ , tạo muối ammonium nitrate.
$NH_3 + HNO_3 \to NH_4NO_3$ — phản ứng acid–base giữa base yếu $NH_3$ và acid mạnh $HNO_3$, tạo muối ammonium nitrate.
4
$NH_4NO_3 + NaOH \xrightarrow{t^\circ} NaNO_3 + NH_3\uparrow + H_2O$ — base mạnh đẩy $NH_4^+$ trở lại thành khí $NH_3$ .
$NH_4NO_3 + NaOH \xrightarrow{t^\circ} NaNO_3 + NH_3\uparrow + H_2O$ — base mạnh đẩy $NH_4^+$ trở lại thành khí $NH_3$.
5
Vậy chuỗi hoàn chỉnh gồm ba phản ứng: tổng hợp từ đơn chất (Haber–Bosch), trung hoà acid–base tạo muối, và tái tạo khí $NH_3$ bằng base mạnh — đúng ba dạng phản ứng trọng tâm của Chương 2 và Chương 3.
Vậy chuỗi hoàn chỉnh gồm ba phản ứng: tổng hợp từ đơn chất (Haber–Bosch), trung hoà acid–base tạo muối, và tái tạo khí $NH_3$ bằng base mạnh — đúng ba dạng phản ứng trọng tâm của Chương 2 và Chương 3.

Sai lầm thường gặp

Khi giải bài chuỗi phản ứng, nhiều em quên ghi điều kiện phản ứng (xúc tác, nhiệt độ, áp suất) dù đã viết đúng chất — đề thi luôn chấm điểm cả điều kiện, không chỉ chất phản ứng và sản phẩm. Một lỗi khác cũng thường gặp là nhầm lẫn giữa phản ứng một chiều và phản ứng thuận nghịch khi viết mũi tên: chỉ riêng $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$ trong toàn bộ chuỗi này là thuận nghịch, còn lại đều coi là phản ứng một chiều. Hãy tập thói quen: viết xong mỗi phương trình, tự hỏi "phản ứng này cần nhiệt độ, xúc tác, hay áp suất gì, và có phải phản ứng thuận nghịch không?" trước khi chuyển sang bước tiếp theo.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Chuỗi $N_2 \to NH_3 \to$ muối ammonium $\to NH_3$ khép kín qua ba dạng phản ứng: tổng hợp (Haber–Bosch), acid–base (tạo muối), và tái tạo khí bằng base mạnh. Ngoài nhánh này, $NH_3$ còn rẽ theo nhánh oxi hoá–khử khi gặp chất oxi hoá. Luôn ghi đủ điều kiện phản ứng khi trình bày chuỗi chuyển hoá.

Cầu nối

Bài ôn tập cuối cùng khép lại toàn bộ khoá học bằng cách ôn $HNO_3$ , muối nitrate, và giải một đề tổng hợp phối hợp toàn bộ kiến thức từ $N_2$ đến muối nitrate — đúng dạng đề kiểm tra học kì em sẽ gặp.

Bài ôn tập cuối cùng khép lại toàn bộ khoá học bằng cách ôn $HNO_3$, muối nitrate, và giải một đề tổng hợp phối hợp toàn bộ kiến thức từ $N_2$ đến muối nitrate — đúng dạng đề kiểm tra học kì em sẽ gặp.