CHƯƠNG 1.1 Tổng quan về NH3[1],[2] Amoniae là một hợp chất của nitơ và hydro với công thức NH3, có tên quốc tế (theo IUPAC) là “Azane”, “Amoniac”, “Hydrogen nitride” và một số tên khác. Amoniac không màu, dạng khí có mùi cay nồng đặc trưng. Nó nhẹ hơn không khí, mật độ của nó là 0,589 lần so với không khí. Nó có thể dễ dàng hóa lỏng do sự liên kết mạnh mẽ giữa các phân tử hydro, nó có nhiệt độ sôi là 33,34°C và nhiệt độ nóng chảy là –77,7°C.
Là phân tử có cực, amoniac là một chất khí khá nhẹ (d=0,596g/cm3), tan nhiều trong nước, 1 lít nước ở 0°C hòa tan được 12007 khí NH3, ở 20°C là 7007 khí NH3. Hiện tượng tan nhiều của NH3 ở trong nước được giải thích bằng sự liên kết hydro giữa phân tử NH3 và phân tử H2O.1 Cấu tạo phân tử của amonia [1] Amoniac đóng góp đáng kể vào dinh dưỡng nhu cầu của các sinh vật trên mặt đất bằng cách phục vụ như là một tiền thân của thực phẩm và phân bón. Amoniac trực tiếp hay gián tiếp cũng là một khối xây dựng để tổng hợp nhiều dược phẩm. Amoniac được sử dụng trong thương mại thường được gọi là khan amoniac.
Thuật ngữ này nhấn mạnh đến sự vắng mặt của nước trong vật liệu. Bởi vì NH3, sôi ở -33,34°C (–28,012°F), chất lỏng phải được lưu trữ dưới áp lực cao hoặc ở nhiệt độ thấp.2 Các thuộc tính hóa lý của NH3[1],[2] ❖ Tính chất vật lý Amonia là chất khí không màu, có mùi hắc đặc trưng. Nó nhẹ hơn không khí, mật độ của nó gấp 0,589 lần không khí. Nó dễ dàng hóa lỏng do có liên kết hydro mạnh giữa các phân tử; chất lỏng sôi ở −33,3 °C (−27,94 °F), và đóng băng thành tinh thể trắng [3] ở −77,7 °C (−107,86 °F).
SVTH: Ngô Thị Khánh Ly-20211878 15 Đồ án tốt nghiệp 2024.TS Vũ Hồng Thái Amonia có thể được khử mùi thuận tiện bằng cách cho nó phản ứng với natri bicacbonat hoặc axit axetic. Cả hai phản ứng này đều tạo thành muối amoni không mùi. Amonia dạng lỏng có khả năng ion hóa mạnh do có chỉ số ε cao là 22. Amonia lỏng có sự thay đổi entanpi của quá trình hóa hơi tiêu chuẩn rất cao (23,35 kJ/mol, cf.
nước 40,65 kJ/mol, methan 8,19 kJ/mol, photphin 14,6 kJ/mol) và do đó có thể được sử dụng trong phòng thí nghiệm trong các bình không cách nhiệt mà không cần làm lạnh thêm. Xem amonia lỏng như một dung môi. Amonia dễ dàng hòa tan trong nước. Trong dung dịch nước, nó có thể được loại bỏ bằng cách đun sôi.
Dung dịch nước của amonia có tính base. Nồng độ tối đa của amonia trong nước (dung dịch bão hòa) có khối lượng riêng là 0,880 g/cm³ và thường được gọi là '880 amonia'. Amonia không cháy ngay hoặc có khả năng duy trì sự cháy, ngoại trừ trong điều kiện hỗn hợp nhiên liệu-không khí hẹp có 15÷25% không khí. Khi trộn với oxy, nó cháy với ngọn lửa màu vàng lục nhạt.
Sự bốc cháy xảy ra khi clo được truyền vào amonia, tạo thành nitơ và hydro chloride; nếu clo dư thì nitơ trichloride (NCl3) rất dễ nổ cũng được tạo thành. Ở nhiệt độ cao và có mặt chất xúc tác thích hợp, amonia bị phân hủy thành các nguyên tố cấu thành của nó. Sự phân hủy amonia là một quá trình thu nhiệt nhẹ cần 5,5 kcal/mol amonia, và tạo ra khí hydro và nitơ. Amonia cũng có thể được sử dụng như một nguồn hydro cho pin nhiên liệu axit nếu amonia chưa phản ứng có thể được loại bỏ.
Các chất xúc tác ruthenium và platinum được cho là hoạt động tích cực nhất, trong khi các chất xúc tác Ni được hỗ trợ thì hoạt động kém hơn. Một trong những tính chất đặc trưng nhất của amonia là tính base. Amonia được coi là một base yếu. Nó kết hợp với axit để tạo thành muối; do đó với axit clohydric nó tạo thành amoni chloride (sal amonia); với axit nitric tạo thành amoni nitrat, v.
Amonia khô hoàn toàn sẽ không kết hợp với hydro chloride khô hoàn toàn; độ ẩm là cần thiết để thực hiện phản ứng.[3],[4] Như một thí nghiệm mô tả, các chai amonia và axit clohydric đậm đặc đã mở nắp tạo ra các "đám mây" amoni chloride, dường như xuất hiện từ "không có gì" khi muối hình thành nơi hai đám mây phân tử khuếch tán gặp nhau, ở đâu đó giữa hai chai. NH3 + HCl → NH4Cl (1.1) 16 SVTH: Ngô Thị Khánh Ly-20211878 Đồ án tốt nghiệp 2024.TS Vũ Hồng Thái Các muối được tạo ra do tác dụng của amonia với axit được gọi là muối amoni và tất cả đều chứa ion amoni (NH4+). Mặc dù amonia được biết đến là một base yếu, nó cũng có thể hoạt động như một axit cực kỳ yếu. Nó là một chất proton và có khả năng hình thành amit (có chứa ion NH2−).
Ví dụ, lithi hòa tan trong amonia lỏng để tạo ra dung dịch lithi amit: 2Li + 2NH3 → 2LiNH2 + H2 (1.2) ❖ Tính chất hoá học Trong amonia, nitơ có số oxy hóa thấp nhất nên amonia có tính khử. Ví dụ như trong phản ứng hóa học: 2NH3 + 3Cl2 → N2 + 6HCl (1.3) Nguyên tử kim loại loại kiềm hoặc nhôm: 350 oC 2NH3 + 2Na 2NaNH2 + H2 (1.4) Tác dụng với dung dịch muối: (1.5) Tính base yếu • Tan trong nước Theo thuyết Bronsted-Lowry, NH3 khi tan trong nước, một phần nhỏ các phân tử amonia kết hợp với ion H+ của nước tạo thành cation amoni NH4+ và giải phóng anion OH-, lúc này nước sẽ đóng vai trò là axit.6) Ion OH- làm cho dung dịch có tính base, tuy nhiên so với dung dịch kiềm mạnh (thí dụ xút, potat, nước vôi trong.) cùng nồng độ thì nồng độ anion OH- do amonia tạo thành nhỏ hơn nhiều. Do có tính base nên dung dịch amonia làm cho quỳ tím hóa xanh còn dung dịch phenolphtalein từ không màu chuyển thành hồng. Do đó để phát hiện amonia, người ta dùng quỳ tím ẩm để nhận ra khí này.
• Tác dụng với axit Sự tạo thành "khói" amoni chloride SVTH: Ngô Thị Khánh Ly-20211878 17 Đồ án tốt nghiệp 2024.TS Vũ Hồng Thái Amonia (ở dạng khí cũng như dung dịch) dễ dàng trung hòa axit tạo thành muối amoni.7) Khi đặt hai bình mở nút đựng dung dịch HCl đặc và dung dịch NH3 ở gần nhau thì thấy có "khói" màu trắng tạo nên. Do HCl và NH3 là những hợp chất dễ bay hơi nên chúng đã hóa hợp với nhau tạo thành tinh thể muối amoni chloride, chính tinh thể này đã tạo nên hiện tượng "khói".8) Phản ứng này được dùng để nhận biết khí amonia. • Tác dụng với dung dịch muối Dung dịch amonia có khả năng tạo kết tủa nhiều hydroxide kim loại khi tác dụng Hình 1.2 Sục khí amonia vào dung dịch đồng (II) sunfat tạo kết tủa xanh lam và dung dịch amoni sunfat [1] Thí dụ trong hình 1.2, dung dịch amonia đã phản ứng với dung dịch đồng(II) sunfat tạo kết tủa xanh lam: (1.9) • Khả năng tạo phức Dung dịch amonia có khả năng tạo phức với rất nhiều hợp chất khó tan của kim loại như Cu, Ag, Ni, Pb, Zn,. Vì các cation này có orbital trống nên có thể tiếp nhận cặp electron chưa liên kết trong nguyên tử N của NH3.
18 SVTH: Ngô Thị Khánh Ly-20211878 Đồ án tốt nghiệp 2024.TS Vũ Hồng Thái (1.3 Vai trò của Khí công nghiệp và NH3 trong công nghiệp và đời sống[2],[5],[6],[7],[15] Khí công nghiệp bao gồm các sản phẩm: Oxy, nitơ, Hyđrô, Argon, Heli, CO2, C2H2. và có phạm vi ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp nặng, công nghiệp nhẹ, nông nghiệp, xây dựng cơ bản, hầm mỏ, hàng không, hàng hải, chế biến bảo quản rau quả, thực phẩm, chế biến dược phẩm, y tế, công nghiệp hoá dầu, luyện kim, gia công kim loại, hàn cắt, công nghiệp hoá chất, xử lý môi trường, xử lý nước.Trên thế giới, ngành khí công nghiệp được phát triển mạnh mẽ cùng với sự phát triển của các ngành công nghiệp cơ bản, công nghiệp kỹ thuật cao.Vì vậy, khí công nghiệp được coi là “gạo” của công nghiệp. Tốc độ tăng trưởng bình quân của ngành khí công nghiệp được tổng kết qua nhiều nước trên thế giới luôn gấp 2 lần tốc độ tăng trưởng GDP. Đối với các nước đang phát triển như Việt nam thì tăng trưởng của ngành khí công nghiệp bình quân trong hơn 20 năm qua là hơn 20%/năm.
NH3 được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực trong công nghiệp và đời sống. Một số ứng dụng tiêu biểu của NH3 có thể kể đến. Ứng dụng trong công nghệ hoá chất • Khoảng 80% lượng NH₃ sản xuất toàn cầu được sử dụng làm nguyên liệu cho ngành công nghiệp phân bón, đặc biệt là trong tổng hợp urê (CO(NH₂)₂), amoni nitrat (NH₄NO₃) và các muối amoni photphat (DAP, MAP). • NH₃ còn là tiền chất quan trọng trong sản xuất axit nitric (HNO₃) thông qua phản ứng oxy hóa với xúc tác platin-rhodi.
• Tổng hợp amin hữu cơ, hydrazin, nhựa tổng hợp, thuốc nhuộm và các chất hoạt động bề mặt. Ứng dụng trong nông nghiệp • NH₃ được xem là một trong những nguồn cung cấp nitơ hiệu quả nhất cho cây trồng. Amoniac lỏng có thể được bơm trực tiếp vào đất, hoặc sử dụng gián tiếp thông qua các hợp chất chứa NH₄⁺. SVTH: Ngô Thị Khánh Ly-20211878 19 Đồ án tốt nghiệp 2024.TS Vũ Hồng Thái • Amoniac còn được sử dụng để điều chỉnh độ pH đất, cải thiện hiệu quả hấp thu dinh dưỡng của cây trồng.
• Trong nuôi trồng thủy sản, NH₃ đóng vai trò kép: vừa là sản phẩm trao đổi chất của sinh vật, vừa là tác nhân gây độc nếu tích tụ. Ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm và đồ uống • Với mã chất làm lạnh R-717, NH₃ có hiệu suất nhiệt cao và chi phí vận hành thấp, được sử dụng phổ biến trong các hệ thống lạnh công nghiệp như kho lạnh, nhà máy sữa và dây chuyền chế biến thịt. • NH₃ còn được sử dụng để tạo môi trường khử khuẩn trong các dây chuyền đóng gói hoặc xử lý bề mặt thực phẩm, nhờ khả năng ức chế vi sinh vật ở nồng độ thấp. Ứng dụng trong luyện kim và kỹ thuật vật liệu • NH₃ được sử dụng như một khí khử trong các quy trình xử lý nhiệt, chẳng hạn như tôi thép trong môi trường giàu hydro.
Khi được phân hủy ở nhiệt độ cao, NH₃ tạo ra hỗn hợp H₂ và N₂, cung cấp môi trường không oxy giúp ngăn chặn quá trình oxy hóa bề mặt kim loại. • Ứng dụng này đặc biệt quan trọng trong sản xuất thép không gỉ và luyện kim bột, nơi yêu cầu bề mặt kim loại phải đạt độ sạch cao và tính chất cơ học ổn định. Ứng dụng trong y tế và công nghiệp dược phẩm • Dung dịch NH₃ pha loãng được sử dụng như một tác nhân tẩy rửa, sát khuẩn nhẹ trong các phòng thí nghiệm và cơ sở y tế.