Do có ba eletron độc thân, nên nguyên tử nitơ trong phân tử amoniac tạo thành ba liên kết cộng hóa trị với ba nguyên tử hiđro.
Phân tử $NH_3$ có cấu tạo hình chóp, với nguyên tử nitơ ở đỉnh, đáy là một tam giác mà đỉnh là ba nguyên tử hiđro (hình 2.2). Ba liên kết $N-H$ đều là liên kết có cực, các cặp electron chung đều lệch về phía nguyên tử nitơ. Do đó, $NH_3$ là phân tử có cực: ở $N$ có dư điện tích âm, ở các nguyên tử $H$ có dư điện tích dương.
II- TÍNH CHẤT VẬT LÍ* Amoniac là chất khí không màu, mùi khai và sốc, nhẹ hơn không khí nên có thể thu khí $NH_3$ bằng cách đẩy không khí (úp ngược bình).
* Khí $NH_3$ tan rất nhiều trong nước: $1$ lít nước ở $20^0C$ hòa tan được khoảng $800$ lít khí $NH_3$.
Thí nghiệm ở hình $2.3$ chứng minh tính tan nhiều của $NH_3$ trong nước. Do tan nhiều trong nước, áp suất của khí $NH_3$ trong bình giảm đột ngột, nước trong cốc bị hút vào bình qua ống thủy tinh vuốt nhọn, phun thành các tia nước có màu hồng.
* Amoniac tan trong nước tạo thành dung dịch amoniac. Dung dịch amoniac đậm đặc thường có nồng độ $25\% (D=0,91 g/cm^3)$.
III- TÍNH CHẤT HÓA HỌC$1.$ Tính bazơ yếu
a) Tác dụng với nước
Khi tan trong nước, một phần nhỏ các phân tử amoniac kết hợp với ion $H^+$ của nước, tạo thành ion amoniac ($NH_4^+$) và ion hiđroxit ($OH^-$):
$$NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-$$
Ion $OH^-$ làm cho dung dịch có tính bazơ, tuy nhiên so với dung dịch kềm mạnh (thí dụ $NaOH$) cùng nồng độ, thì nồng độ ion $OH^-$ do $NH_3$ tạo thành nhỏ hơn nhiều.
Trong dung dịch, amoniac là một bazơ yếu: ở $25^0C$, hằng số phân li bazơ $K_b=1,8 .10^{-5}$. Dung dịch amoniac làm cho phenolphtalein từ không màu chuyển sang màu hồng, quỳ tím chuyển sang màu xanh. Lợi dụng tính chất này người ta dùng giấy quỳ tím ẩm để nhận ra khí amoniac.
b) Tác dụng với axit
Amoniac (dạng khí cũng như dung dịch) kết hợp dễ dàng với axit tạo thành muối amoni.
Thí dụ: $2NH_3 + H_2SO_4 \xrightarrow[{}]{{}} (NH_4)_2SO_4$
$NH_3+H^+ \xrightarrow[{}]{{}} NH_4^+$
Khi đặt hai bình mở nút đựng dung dịch $HCl$ đặc và $NH_3$ đặc gần nhau thì thấy có "khói" màu trắng tạo thành (hình $2.4$). "Khói" là những hạt nhỏ li ti của tinh thể muối amoni clorua ($NH_4Cl$). Muối này được tạo thành do khí amoniac và khí hiđro clorua hóa hợp với nhau:
$$NH_3 (k)+HCl(k)\xrightarrow[{}]{{}} NH_4Cl(r)$$
Phản ứng này cũng được sử dụng để nhận ra khí amoniac.
c) Tác dụng với dung dịch muối
Dung dịch amoniac có khả năng làm kết tủa nhiều hiđroxit kim loại khi tác dụng với dung dịch muối của chúng.
Thí dụ: $$Al^ { 3+}+3NH_3+3H_2O\xrightarrow[{}]{{}} Al(OH)_3 \downarrow +3NH_4^+$$
$2$. Khả năng tạo phức
Dung dịch amoniac có khả năng hòa tan hiđroxit hay muối ít tan của một số kim loại, tạo thành các dung dịch phức chất.
Thí dụ: $$Cu(OH)_2+4NH_3 \xrightarrow[{}]{{}} [ Cu(NH_3)_4](OH)_2$$
$Cu(OH)_2+4NH_3 \xrightarrow[{}]{{}} [Cu(NH_3)_4]^{2+}+2 OH^-$
(xanh thẫm)
$$AgCl+2NH_3\xrightarrow[{}]{{}} [Ag(NH_3)_2]Cl$$
$$AgCl+2NH_3\xrightarrow[{}]{{}} [Ag(NH_3)_2]^+ + Cl^-$$
Sự tạo thành các ion phức $[Cu(NH_3)_4]^ {2+}, [Ag(NH_3)_2]^+,...$ xảy ra do các phân tử amoniac kết hợp với các ion $Cu^{2+}, Ag^+,...$ bằng các liên kết cho - nhận giữa cặp electron chưa sử dụng của nguyên tử nitơ với obitan trống của ion kim loại.
$3$. Tính khử
a) Tác dụng với oxi
Khi đốt trong khí oxi, amoniac cháy với ngọn lửa màu vàng, tạo ra khí nitơ và hơi nước.
$$4\mathop{N}\limits^{-3}H_3 + 3O_2 \xrightarrow[{}]{{t^0}} 2\mathop{N_2}\limits^{0}+ 6H_2O $$
Khi đốt amoniac trong oxi không khí có mặt chất xúc tác thì tạo ra khí $NO$ và nước:
$$4\mathop{N}\limits^{-3}H_3 + 5O_2 \xrightarrow[{xt}]{{t^0}} 4\mathop{NO}\limits^{+2} + 6H_2O $$
b) Tác dụng với clo
Dẫn khí $NH_3$ vào bình chứa khí clo, $NH_3$ tự bốc cháy tạo ra ngọn lửa có "khói" trắng.
$$2\mathop{N}\limits^{-3}H_3 + 3Cl_2 \xrightarrow[{xt}]{{t^0}} \mathop{N_2}\limits^{0} + 6HCl $$
"Khói" trắng là những hạt $NH_4Cl$ sinh ra do khí $HCl$ vừa tạo thành hóa hợp với $NH_3$.
c) Tác dụng với oxit kim loại
Khi đun nóng, $NH_3$ có thể khử một số oxit kim loại thành kim loại , chẳng hạn $NH_3$ khử $CuO$ màu đen tạo ra $Cu$ màu đỏ, nước và khí $N_2$.
$$2\mathop{N}\limits^{-3} H_3 +3CuO \xrightarrow[{}]{{t^0}} 3Cu + \mathop{N_2}\limits^{0} + 3H_2O $$
IV - ỨNG DỤNGAmoniac được sử dụng để sản xuất axit nitric; các loại phân đạm urê $(NH_2)_2CO, NH_4NO_3, (NH_4)_2SO_4,...$; điều chế hiđrazin ($N_2H_4$) làm nhiên liệu cho tên lửa. Amoniac lỏng được dùng làm chất gây lạnh trong máy lạnh.
V- ĐIỀU CHẾ$1$. Trong phòng thí nghiệm
Khí amoniac được điều chế bằng cách cho muối amoni tác dụng với chất kiềm khi đun nóng nhẹ.
Thí dụ:
$$2NH_4Cl + Ca(OH)_2 \xrightarrow[{}]{{t^0}} 2NH_3 + CaCl_2 +2H_2O$$
Muốn điều chế nhanh một lượng nhỏ khí amoniac, người ta thường đun nóng dung dịch amoniac đậm đặc. Để làm khô khí, cho khí $NH_3$ vừa được tạo thành có lẫn hơi nước đi qua bình đựng vôi sống ($CaO$).
$2$. Trong công nghiệp
Amoniac được tổng hợp từ khí nitơ và khí hiđro theo phản ứng:
$$N_2 (k) + 3H_2 (k)\rightleftharpoons 2NH_3 (k); \Delta H=-92 kJ$$
Đây là phản ứng thuận nghịch và tỏa nhiệt. Theo nguyên lí chuyển dịch cân bằng Lơ Sa- tơ- li-ê, muốn cho cân bằng chuyển dịch về phía tạo thành amoniac cần phải hạ nhiệt độ và tăng áp suất. Tuy nhiên, nếu nhiệt độ thấp quá thì phản ứng xảy ra rất chậm và nếu áp suất cao quá thì đòi hỏi thiết bị cồng kềnh và phức tạp. Trên thực tế, người ta thường thực hiện phản ứng ở nhiệt độ khoảng $450 - 500^0C$, áp suất khoảng $200 - 300 atm$ và dùng chất xúc tác là sắt kim loại được trộn thêm $Al_2O_3, K_2O,...$ để làm cho cân bằng nhanh chóng được thiết lập. Ở các điều kiện như trên, hiệu suất chuyển hóa thành $NH_3$ cũng chỉ đạt tới $20 - 25\%$.
Hỗn hợp khí $N_2$ và $H_2$ (tỉ lệ mol $1:3$) được nén ở áp suất cao và đưa vào tháp tổng hợp. Trong tháp này, amoniac được tạo thành ở các điều kiện nhiệt độ, áp suất và chất xúc tác thích hợp đã nêu ở trên. Hỗn hợp khí đi ra từ tháp tổng hợp (gồm có $N_2, H_2$ và $NH_3$) được dẫn đến tháp làm lạnh.
Ở đây, khí amoniac hóa lỏng và được tách riêng ra, còn hỗn hợp khí $N_2$ và $H_2$ chưa phản ứng được đưa trở lại tháp tổng hợp.
B. MUỐI AMONII- TÍNH CHẤT VẬT LÍ
Muối amoni là những tinh thể ion, gồm cation amoni ($NH_4^+$) và amoni gốc axit. Tất cả các muối amoni đều dễ tan trong nước và khi tan điện li hoàn toàn thành các ion. Ion $NH_4^+$ không có màu.
II- TÍNH CHẤT HÓA HỌC$1$. Tác dụng với dung dịch kiềm
Dung dịch đậm đặc của muối amoni tác dụng với dung dịch kiềm khi đun nóng sẽ cho khí $NH_3$ bay ra.
Thí dụ:
$$(NH_4)_2SO_4 + 2NaOH\xrightarrow[{}]{{t^0}}2NH_3 \uparrow + Na_2SO_4 + 2H_2O $$
$$NH_4^++OH^- \xrightarrow[{}]{{}} NH_3 \uparrow +H_2O$$
Ion $NH_4^+$ nhường $H^+$ cho ion $OH^-$, vậy trong dung dịch ion $NH_4^+$ là một axit.
Phản ứng này được sử dụng để nhận biết ion $NH_4^+$
Ngoài ta, muối amoni còn có thể tham gia phản ứng trao đổi với dung dịch các muối khác.
$2$. Phản ứng nhiệt phân
Khi đun nóng, các muối amoni dễ bị nhiệt phân hủy, tạo ra các sản phẩm khác nhau. Sản phẩm của sự phân hủy được quyết định chủ yếu bởi bản chất của axit tạo nên muối.
Muối amoni chứa gốc axit không có tính oxi hóa khi đun nóng bị phân hủy thành amoniac.
Thí dụ:
Tinh thể $NH_4Cl$ được đun nóng trong ống nghiệm sẽ phân hủy thành khí $NH_3$ và khí $HCl$:
$$NH_4Cl (r) \xrightarrow[{}]{{t^0}} NH_3(k)+HCl(k) $$
Khi bay lên miệng ống nghiệm gặp nhiệt độ thấp hơn, hai khí này hóa hợp với nhau tạo lại tinh thể $NH_4Cl$ màu trắng bám lên thành ống.
Các muối amoni cacbonat và amoni hiđrocacbonat bị phân hủy chậm ngay ở nhiệt độ thường, giải phóng khí $NH_3$ và khí $CO_2$
Thí dụ: $$(NH_4)_2CO_3 \xrightarrow[{}]{{}} NH_3 + NH_4HCO_3$$
$$NH_4HCO_3 \xrightarrow[{}]{{}} NH_3 + CO_2 +H_2O$$
Trong thực tế người ta thường dùng muối $NH_4HCO_3$ để làm xốp bánh.
* Muối amoni chứa gốc của axit có tính hóa như axit nitrơ, axit nitric khi bị nhiệt phân cho ra $N_2, N_2O$ (đinitơ oxit) và nước.
Thí dụ: $NH_4NO_2 \xrightarrow[{}]{{t^0}} N_2 + 2H_2O $
$NH_4NO_3 \xrightarrow[{}]{{t^0}} N_2O + 2H_2O $
Những phản ứng này được sử dụng để điều chế các khí $N_2$ và $N_2O$ trong phóng thí nghiệm.