N2 ra NH3: N2 + 3H2 ⇌ 2NH3, điều kiện phản ứng

Trả lời nhanh

N₂ ra NH₃ theo phản ứng tổng hợp amoniac: N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃. Điều kiện: nhiệt độ khoảng 450–500°C, áp suất 200–300 atm, xúc tác sắt (Fe) có thêm chất xúc tiến. Đây là phản ứng thuận nghịch và tỏa nhiệt (ΔH ≈ –92 kJ), được dùng để sản xuất amoniac trong công nghiệp.

Phương trình hóa học N₂ + H₂ → NH₃

N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ (to, p, xt: Fe)

Chất phản ứng: khí nitơ (N₂) và khí hiđro (H₂).
Sản phẩm: khí amoniac (NH₃), mùi khai, tan rất nhiều trong nước.
Điều kiện: 450–500°C, 200–300 atm, xúc tác Fe trộn thêm K₂O và Al₂O₃ làm chất xúc tiến.
Nhiệt phản ứng: ΔH₂₉₈ ≈ –92 kJ cho 1 mol N₂ phản ứng, tức phản ứng thuận tỏa nhiệt.

Cách cân bằng phương trình

Mỗi phân tử N₂ có 2 nguyên tử N, nên để tạo NH₃ cần hệ số 2 trước NH₃ để có 2 nguyên tử N ở vế phải.
Khi đó vế phải có 2 × 3 = 6 nguyên tử H, nên vế trái cần 6 nguyên tử H, tức 3 phân tử H₂.
Kiểm tra: N: 2 = 2; H: 6 = 6. Phương trình đã cân bằng.

Theo phương pháp thăng bằng electron: N₂ (số oxi hóa 0) nhận 6 electron thành N^–3 trong NH₃; mỗi H₂ nhường 2 electron thành H⁺¹. Bội chung nhỏ nhất là 6 nên cần 1 N₂ và 3 H₂. Vì vậy N₂ là chất oxi hóa, H₂ là chất khử.

Vì sao phải dùng nhiệt độ và áp suất như vậy?

Đây là phần hay bị hỏi nhất. Phản ứng đạt trạng thái cân bằng, nên ta vận dụng nguyên lí Le Chatelier để chọn điều kiện.

Yếu tố	Tác động đến cân bằng	Lựa chọn trong công nghiệp
Áp suất	Vế trái có 4 mol khí, vế phải có 2 mol khí. Tăng áp suất làm cân bằng chuyển sang phải, tạo nhiều NH₃ hơn	Dùng áp suất cao 200–300 atm
Nhiệt độ	Phản ứng thuận tỏa nhiệt nên hạ nhiệt độ có lợi cho hiệu suất, nhưng tốc độ phản ứng lại chậm	Chọn 450–500°C là mức dung hòa giữa tốc độ và hiệu suất
Xúc tác Fe	Làm tăng tốc độ đạt cân bằng, không làm chuyển dịch cân bằng	Fe xốp có chất xúc tiến
Lấy NH₃ ra	Giảm nồng độ sản phẩm, cân bằng chuyển sang phải	Làm lạnh để hóa lỏng NH₃, tách ra khỏi hỗn hợp

Vì mỗi lần qua tháp tổng hợp chỉ có khoảng một phần tư đến một phần ba lượng khí chuyển thành NH₃, nên hỗn hợp N₂ và H₂ chưa phản ứng được đưa quay lại tháp. Cách làm này gọi là tuần hoàn.

Nguồn nguyên liệu và ứng dụng

N₂ thu từ không khí (chiếm khoảng 78% thể tích), bằng cách hóa lỏng rồi chưng cất phân đoạn.
H₂ thường điều chế từ khí thiên nhiên hoặc nước (ví dụ CH₄ + H₂O → CO + 3H₂, to, xt).
NH₃ dùng sản xuất phân đạm (urea, amoni nitrat), axit nitric, chất làm lạnh và nhiều hóa chất khác.

Nhận biết khí NH₃ tạo thành

Khí có mùi khai đặc trưng.
Làm quỳ tím ẩm chuyển sang màu xanh, vì NH₃ tan trong nước tạo dung dịch có tính bazơ yếu.
Khi đưa đũa thủy tinh nhúng HCl đặc lại gần, xuất hiện khói trắng NH₄Cl.

Lỗi sai thường gặp

Viết mũi tên một chiều (→) thay cho dấu thuận nghịch (⇌). Phản ứng này không xảy ra hoàn toàn.
Cho rằng xúc tác làm tăng hiệu suất. Xúc tác chỉ rút ngắn thời gian đạt cân bằng.
Cho rằng cần hạ thấp nhiệt độ càng nhiều càng tốt. Nhiệt độ quá thấp khiến phản ứng quá chậm.

Bài tập vận dụng

Bài 1. Trộn 10 mol N₂ với 30 mol H₂, hiệu suất phản ứng 25%. Tính số mol NH₃ thu được. Giải: N₂ phản ứng: 10 × 25% = 2,5 mol, nên n(NH₃) = 2 × 2,5 = 5 mol.
Bài 2. Hỗn hợp ban đầu gồm 1 mol N₂ và 4 mol H₂. Sau phản ứng, tổng số mol khí còn 4,4 mol. Tính hiệu suất. Giải: gọi x là số mol N₂ phản ứng thì số mol khí giảm 2x. Ta có 5 – 2x = 4,4 nên x = 0,3. Vì H₂ dư (cần 3 mol), hiệu suất tính theo N₂ là 0,3/1 = 30%.
Bài 3. Khi tăng áp suất của hệ cân bằng N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃, cân bằng chuyển dịch theo chiều nào? Đáp án: chiều thuận, vì chiều thuận làm giảm số mol khí.

Câu hỏi thường gặp

Điều kiện để N2 phản ứng với H2 tạo NH3 là gì?

Nhiệt độ khoảng 450–500°C, áp suất 200–300 atm và có xúc tác sắt (Fe). Ở điều kiện thường, N2 rất trơn nên gần như không phản ứng với H2.

Vì sao phản ứng tổng hợp NH3 là phản ứng thuận nghịch?

Vì ở điều kiện phản ứng, NH3 tạo thành vẫn bị phân hủy ngược lại thành N2 và H2, hai chiều xảy ra đồng thời và đạt trạng thái cân bằng.

Tăng áp suất có lợi gì cho phản ứng N2 + 3H2 ⇌ 2NH3?

Phản ứng thuận làm giảm số mol khí (từ 4 xuống 2) nên tăng áp suất làm cân bằng chuyển sang phải, thu được nhiều NH3 hơn.

Phản ứng N2 và H2 tạo NH3 thuộc loại phản ứng gì?

Đây là phản ứng oxi hóa khử, phản ứng hóa hợp và thuận nghịch. N2 là chất oxi hóa, H2 là chất khử.