Bài học

Tính khử của ammonia và tổng hợp công nghiệp

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em giải thích được vì sao ammonia có tính khử, viết và cân bằng được phản ứng cháy của ammonia trong hai trường hợp có và không có xúc tác, và mô tả được đầy đủ điều kiện của quy trình Haber–Bosch sản xuất ammonia trong công nghiệp.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước đã xác định số oxi hoá của N trong $NH_3$ là −3, mức thấp nhất trong các hợp chất thường gặp của nitrogen (so với 0 trong $N_2$ , +2 trong $NO$ , +5 trong $HNO_3$ ). Ở lớp 10, em đã học chất khử là chất nhường electron, số oxi hoá tăng sau phản ứng — bài này áp dụng đúng nguyên tắc đó cho $NH_3$ .

Bài trước đã xác định số oxi hoá của N trong $NH_3$ là −3, mức thấp nhất trong các hợp chất thường gặp của nitrogen (so với 0 trong $N_2$, +2 trong $NO$, +5 trong $HNO_3$). Ở lớp 10, em đã học chất khử là chất nhường electron, số oxi hoá tăng sau phản ứng — bài này áp dụng đúng nguyên tắc đó cho $NH_3$.

Khởi động

$N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$ tạo ra ammonia từ hai chất khí trơ tương đối. Nhưng nếu đốt cháy chính ammonia đó trong oxygen, chuyện gì xảy ra? Và tại sao trong nhà máy sản xuất nitric acid, người ta lại cố tình đốt cháy ammonia — thứ vừa tốn công tổng hợp — ngay sau khi vừa làm ra nó?

Kiến thức trọng tâm

Vì số oxi hoá của N trong $NH_3$ đang ở mức −3 — mức thấp nhất có thể — nên $NH_3$ chỉ có thể nhường electron, tức chỉ thể hiện tính khử khi gặp chất oxi hoá, không thể oxi hoá được ai nữa. Tính khử của $NH_3$ thể hiện rõ nhất qua phản ứng cháy với oxygen, và sản phẩm phụ thuộc mạnh vào việc có xúc tác hay không.

Không có xúc tác: ammonia cháy trong oxygen (hoặc không khí) cho ngọn lửa và sinh ra khí nitrogen, N trở về số oxi hoá 0.

$4NH_3 + 3O_2 \to 2N_2 + 6H_2O$

Có xúc tác platinum (Pt), nhiệt độ khoảng 850–900 °C: cùng là ammonia cháy trong oxygen, nhưng xúc tác làm thay đổi hẳn hướng phản ứng — N chỉ bị oxi hoá lên +2 thay vì lên tận 0... khoan, cần nói chính xác: N từ −3 tăng lên +2 trong $NO$ , không dừng ở mức trung gian mà đi hẳn theo một con đường khác với phản ứng không xúc tác.

$4NH_3 + 5O_2 \xrightarrow{\text{xt } Pt,\ t^\circ} 4NO + 6H_2O$

Phản ứng có xúc tác này là bước đầu tiên của quy trình sản xuất nitric acid trong công nghiệp mà em sẽ học ở chương sau — khí $NO$ sinh ra tiếp tục bị oxi hoá thành $NO_2$ rồi hấp thụ vào nước tạo $HNO_3$ . Ammonia còn khử được oxide của một số kim loại kém hoạt động khi đun nóng, ví dụ khử copper(II) oxide thành đồng kim loại:

$2NH_3 + 3CuO \xrightarrow{t^\circ} N_2 + 3Cu + 3H_2O$

Ở đây N từ −3 tăng lên 0 (tạo $N_2$ ), còn $Cu^{2+}$ trong $CuO$ giảm xuống $Cu^0$ — đúng cơ chế nhường–nhận electron của một phản ứng oxi hoá–khử.

Tổng hợp ammonia trong công nghiệp (quy trình Haber–Bosch) đầy đủ gồm: khí $N_2$ (tách từ không khí) và $H_2$ (từ khí thiên nhiên hoặc điện phân nước) được nén ở áp suất 150–300 bar, đưa qua lớp xúc tác iron (Fe) ở nhiệt độ 400–450 °C. Vì đây là phản ứng thuận nghịch và toả nhiệt, theo nguyên lí Le Chatelier đã học ở Course 1, áp suất cao và nhiệt độ vừa phải (không quá cao) được chọn để cân bằng dịch chuyển thuận, tăng hiệu suất tạo $NH_3$ ; nhiệt độ không thể hạ quá thấp vì khi đó tốc độ phản ứng lại quá chậm — đây là bài toán cân bằng giữa hiệu suất cân bằng và tốc độ phản ứng. $NH_3$ sinh ra được hoá lỏng và tách ra, còn $N_2$ , $H_2$ chưa phản ứng được đưa tuần hoàn trở lại tháp phản ứng.

Vì số oxi hoá của N trong $NH_3$ đang ở mức −3 — mức thấp nhất có thể — nên $NH_3$ chỉ có thể nhường electron, tức chỉ thể hiện **tính khử** khi gặp chất oxi hoá, không thể oxi hoá được ai nữa. Tính khử của $NH_3$ thể hiện rõ nhất qua phản ứng cháy với oxygen, và sản phẩm phụ thuộc mạnh vào việc có xúc tác hay không. **Không có xúc tác**: ammonia cháy trong oxygen (hoặc không khí) cho ngọn lửa và sinh ra khí nitrogen, N trở về số oxi hoá 0. $$4NH_3 + 3O_2 \to 2N_2 + 6H_2O$$ **Có xúc tác platinum (Pt), nhiệt độ khoảng 850–900 °C**: cùng là ammonia cháy trong oxygen, nhưng xúc tác làm thay đổi hẳn hướng phản ứng — N chỉ bị oxi hoá lên +2 thay vì lên tận 0... khoan, cần nói chính xác: N từ −3 tăng lên +2 trong $NO$, không dừng ở mức trung gian mà đi hẳn theo một con đường khác với phản ứng không xúc tác. $$4NH_3 + 5O_2 \xrightarrow{\text{xt } Pt,\ t^\circ} 4NO + 6H_2O$$ Phản ứng có xúc tác này là **bước đầu tiên** của quy trình sản xuất nitric acid trong công nghiệp mà em sẽ học ở chương sau — khí $NO$ sinh ra tiếp tục bị oxi hoá thành $NO_2$ rồi hấp thụ vào nước tạo $HNO_3$. Ammonia còn khử được oxide của một số kim loại kém hoạt động khi đun nóng, ví dụ khử copper(II) oxide thành đồng kim loại: $$2NH_3 + 3CuO \xrightarrow{t^\circ} N_2 + 3Cu + 3H_2O$$ Ở đây N từ −3 tăng lên 0 (tạo $N_2$), còn $Cu^{2+}$ trong $CuO$ giảm xuống $Cu^0$ — đúng cơ chế nhường–nhận electron của một phản ứng oxi hoá–khử. **Tổng hợp ammonia trong công nghiệp (quy trình Haber–Bosch)** đầy đủ gồm: khí $N_2$ (tách từ không khí) và $H_2$ (từ khí thiên nhiên hoặc điện phân nước) được nén ở áp suất 150–300 bar, đưa qua lớp xúc tác iron (Fe) ở nhiệt độ 400–450 °C. Vì đây là phản ứng thuận nghịch và toả nhiệt, theo nguyên lí Le Chatelier đã học ở Course 1, áp suất cao và nhiệt độ vừa phải (không quá cao) được chọn để cân bằng dịch chuyển thuận, tăng hiệu suất tạo $NH_3$; nhiệt độ không thể hạ quá thấp vì khi đó tốc độ phản ứng lại quá chậm — đây là bài toán cân bằng giữa hiệu suất cân bằng và tốc độ phản ứng. $NH_3$ sinh ra được hoá lỏng và tách ra, còn $N_2$, $H_2$ chưa phản ứng được đưa tuần hoàn trở lại tháp phản ứng.

Quy trình Haber–Bosch khai thác đúng nguyên lí Le Chatelier đã học ở Course 1 để tối ưu hiệu suất.

Ví dụ

So sánh sản phẩm cháy của ammonia có và không có xúc tác

1
Viết và cân bằng phương trình đốt cháy ammonia trong oxygen dư khi (a) không có xúc tác, (b) có xúc tác Pt, nhiệt độ cao. Xác định số oxi hoá của N trong từng sản phẩm.
2
Sản phẩm là $N_2$ và $H_2O$ : $4NH_3 + 3O_2 \to 2N_2 + 6H_2O$ . Kiểm tra: 4 N, 12 H, 6 O ở vế trái khớp với 4 N (2×2), 12 H (6×2), 6 O (6×1) ở vế phải. Số oxi hoá N: từ −3 tăng lên 0.
Sản phẩm là $N_2$ và $H_2O$: $4NH_3 + 3O_2 \to 2N_2 + 6H_2O$. Kiểm tra: 4 N, 12 H, 6 O ở vế trái khớp với 4 N (2×2), 12 H (6×2), 6 O (6×1) ở vế phải. Số oxi hoá N: từ −3 tăng lên 0.
3
Sản phẩm là $NO$ và $H_2O$ : $4NH_3 + 5O_2 \xrightarrow{xt\ Pt,\ t^\circ} 4NO + 6H_2O$ . Kiểm tra: 4 N, 12 H, 10 O vế trái khớp 4 N, 4 O (từ NO) + 6 O (từ H₂O) = 10 O vế phải. Số oxi hoá N: từ −3 tăng lên +2.
Sản phẩm là $NO$ và $H_2O$: $4NH_3 + 5O_2 \xrightarrow{xt\ Pt,\ t^\circ} 4NO + 6H_2O$. Kiểm tra: 4 N, 12 H, 10 O vế trái khớp 4 N, 4 O (từ NO) + 6 O (từ H₂O) = 10 O vế phải. Số oxi hoá N: từ −3 tăng lên +2.
4
Xúc tác Pt không làm thay đổi bản chất tính khử của $NH_3$ , nhưng đổi hẳn con đường phản ứng — N bị oxi hoá dừng lại ở mức +2 (NO) thay vì đi hết lên 0 ( $N_2$ ) như phản ứng thường.
Xúc tác Pt không làm thay đổi bản chất tính khử của $NH_3$, nhưng đổi hẳn con đường phản ứng — N bị oxi hoá dừng lại ở mức +2 (NO) thay vì đi hết lên 0 ($N_2$) như phản ứng thường.
5
Vậy cùng là ammonia cháy trong oxygen, không xúc tác cho $N_2$ (N: −3 → 0), có xúc tác Pt cho $NO$ (N: −3 → +2) — đây chính là lí do phản ứng có xúc tác được chọn làm bước đầu sản xuất nitric acid.
Vậy cùng là ammonia cháy trong oxygen, không xúc tác cho $N_2$ (N: −3 → 0), có xúc tác Pt cho $NO$ (N: −3 → +2) — đây chính là lí do phản ứng có xúc tác được chọn làm bước đầu sản xuất nitric acid.

Ví dụ

Tính khối lượng đồng tạo thành khi NH3 khử CuO

1
Dẫn 3,36 lít khí $NH_3$ (đkc) qua ống đựng $CuO$ dư, nung nóng đến phản ứng hoàn toàn theo phương trình $2NH_3 + 3CuO \xrightarrow{t^\circ} N_2 + 3Cu + 3H_2O$ . Tính khối lượng $Cu$ thu được.
Dẫn 3,36 lít khí $NH_3$ (đkc) qua ống đựng $CuO$ dư, nung nóng đến phản ứng hoàn toàn theo phương trình $2NH_3 + 3CuO \xrightarrow{t^\circ} N_2 + 3Cu + 3H_2O$. Tính khối lượng $Cu$ thu được.
2
$n(NH_3) = \dfrac{3{,}36}{24{,}79} \approx 0{,}1356$ mol.
$n(NH_3) = \dfrac{3{,}36}{24{,}79} \approx 0{,}1356$ mol.
3
Theo phương trình, tỉ lệ mol $NH_3 : Cu = 2 : 3$ . Suy ra $n(Cu) = \dfrac{3}{2} \times 0{,}1356 \approx 0{,}2033$ mol.
Theo phương trình, tỉ lệ mol $NH_3 : Cu = 2 : 3$. Suy ra $n(Cu) = \dfrac{3}{2} \times 0{,}1356 \approx 0{,}2033$ mol.
4
$m(Cu) = n \times M = 0{,}2033 \times 64 \approx 13{,}01$ g.
$m(Cu) = n \times M = 0{,}2033 \times 64 \approx 13{,}01$ g.
5
Vậy khối lượng đồng thu được xấp xỉ 13,0 gam — đây chính là phản ứng $NH_3$ thể hiện tính khử, khử $Cu^{2+}$ trong $CuO$ về $Cu^0$ .
Vậy khối lượng đồng thu được xấp xỉ 13,0 gam — đây chính là phản ứng $NH_3$ thể hiện tính khử, khử $Cu^{2+}$ trong $CuO$ về $Cu^0$.

Sai lầm thường gặp

Nhiều em nhớ nhầm hoặc gộp chung hai phương trình cháy của ammonia, viết sản phẩm $N_2$ cho trường hợp có xúc tác hoặc ngược lại. Hãy nhớ chắc: KHÔNG xúc tác → $N_2$ (N: −3→0); CÓ xúc tác Pt, nhiệt độ cao → $NO$ (N: −3→+2). Đề thi thường kiểm tra đúng sự phân biệt này vì nó gắn trực tiếp với quy trình sản xuất $HNO_3$ .

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

$NH_3$ chỉ có tính khử vì N đã ở số oxi hoá thấp nhất (−3). Cháy không xúc tác cho $N_2$ ; cháy có xúc tác Pt, nhiệt độ cao cho $NO$ — bước đầu sản xuất $HNO_3$ . Ammonia còn khử được oxide kim loại kém hoạt động như $CuO$ . Quy trình Haber–Bosch dùng xúc tác Fe, nhiệt độ 400–450 °C, áp suất 150–300 bar, khai thác nguyên lí Le Chatelier để tối ưu hiệu suất.

$NH_3$ chỉ có tính khử vì N đã ở số oxi hoá thấp nhất (−3). Cháy không xúc tác cho $N_2$; cháy có xúc tác Pt, nhiệt độ cao cho $NO$ — bước đầu sản xuất $HNO_3$. Ammonia còn khử được oxide kim loại kém hoạt động như $CuO$. Quy trình Haber–Bosch dùng xúc tác Fe, nhiệt độ 400–450 °C, áp suất 150–300 bar, khai thác nguyên lí Le Chatelier để tối ưu hiệu suất.

Cầu nối

Bài tiếp theo học về muối ammonium — sản phẩm của phản ứng $NH_3$ với acid mà em đã viết ở bài trước — và cách những muối này vừa làm phân bón, vừa giúp nhận biết sự có mặt của ion ammonium trong phòng thí nghiệm.