NH4NO3 (s)  → N2O(g) + H2O(g)              Mình hỏi với ạ, tại sao lại nhiệt phâ…

Chào em, đây là một câu hỏi rất hay và thường gây nhầm lẫn cho nhiều bạn học sinh khi tìm hiểu về phản ứng nhiệt phân của các hợp chất amoni. Cô sẽ giải thích cặn kẽ từng bước một để em hiểu rõ nhé!

Bước 1: Nắm vững quy tắc nhiệt phân chung của muối amoni

Thông thường, các muối amoni khi nhiệt phân sẽ tạo ra amoniac (${\mathrm{NH}}_3$) và axit tương ứng. Đây là trường hợp của các muối amoni mà anion không có tính oxi hóa mạnh. Ví dụ:

• Muối amoni clorua (${\mathrm{NH}}_4\mathrm{Cl}$) khi nhiệt phân: ${\mathrm{NH}}_4\mathrm{Cl}\stackrel{t^0}{\to }{\mathrm{NH}}_3 \left(g\right)+\mathrm{HCl} \left(g\right)$
• Muối amoni cacbonat (${\left({\mathrm{NH}}_4\right)}_2{\mathrm{CO}}_3$) khi nhiệt phân: ${\left({\mathrm{NH}}_4\right)}_2{\mathrm{CO}}_3\stackrel{t^0}{\to }2{\mathrm{NH}}_3 \left(g\right)+{\mathrm{CO}}_2 \left(g\right)+H_{2}O \left(g\right)$

Lý do áp dụng phương pháp này là để phân biệt các trường hợp đặc biệt của muối amoni, trong đó có amoni nitrat.

Bước 2: Xác định số oxi hóa của nguyên tố Nitơ trong các chất

Để hiểu tại sao ${\mathrm{NH}}_4{\mathrm{NO}}_3$ lại tạo ra $N_{2}O$, chúng ta cần xét số oxi hóa của nguyên tố Nitơ trong từng chất:

• Trong hợp chất ${\mathrm{NH}}_4{\mathrm{NO}}_3$, đây là một muối tạo bởi ion amoni (${\mathrm{NH}}_4^{+}$) và ion nitrat (${\mathrm{NO}}_3^{–}$).
  • Trong ion ${\mathrm{NH}}_4^{+}$: Số oxi hóa của H là $+1$. Để tổng số oxi hóa bằng điện tích ion là $+1$, số oxi hóa của N là $x$ được tính như sau: $x+4\times (+1)=+1\Rightarrow x=–3$. Vậy N trong ${\mathrm{NH}}_4^{+}$ có số oxi hóa là $–3$.
  • Trong ion ${\mathrm{NO}}_3^{–}$: Số oxi hóa của O là $–2$. Để tổng số oxi hóa bằng điện tích ion là $–1$, số oxi hóa của N là $y$ được tính như sau: $y+3\times (–2)=–1\Rightarrow y=+5$. Vậy N trong ${\mathrm{NO}}_3^{–}$ có số oxi hóa là $+5$.
• Trong sản phẩm $N_{2}O$: Số oxi hóa của O là $–2$. Để tổng số oxi hóa bằng 0, số oxi hóa của N là $z$ được tính như sau: $2z+(–2)=0\Rightarrow z=+1$. Vậy N trong $N_{2}O$ có số oxi hóa là $+1$.
• Trong sản phẩm ${\mathrm{NH}}_3$ (nếu có): Số oxi hóa của H là $+1$. Để tổng số oxi hóa bằng 0, số oxi hóa của N là $w$ được tính như sau: $w+3\times (+1)=0\Rightarrow w=–3$. Vậy N trong ${\mathrm{NH}}_3$ có số oxi hóa là $–3$.

Lý do áp dụng phương pháp này là để nhận biết bản chất của phản ứng (có phải là phản ứng oxi hóa-khử hay không) và xác định vai trò của các chất tham gia.

Bước 3: Giải thích bản chất phản ứng nhiệt phân ${\mathrm{NH}}_4{\mathrm{NO}}_3$

• Như em đã thấy ở Bước 2, trong cùng một phân tử ${\mathrm{NH}}_4{\mathrm{NO}}_3$, chúng ta có hai nguyên tử Nitơ với số oxi hóa khác nhau: một Nitơ ở mức thấp nhất ($–3$ trong ${\mathrm{NH}}_4^{+}$) và một Nitơ ở mức cao nhất ($+5$ trong ${\mathrm{NO}}_3^{–}$).
• Ion ${\mathrm{NH}}_4^{+}$ chứa N có số oxi hóa thấp ($–3$) nên nó có khả năng bị oxi hóa (thể hiện tính khử).
• Ion ${\mathrm{NO}}_3^{–}$ chứa N có số oxi hóa cao ($+5$) nên nó có khả năng bị khử (thể hiện tính oxi hóa).
• Khi đun nóng ${\mathrm{NH}}_4{\mathrm{NO}}_3$, một phản ứng oxi hóa-khử nội phân tử (hay còn gọi là tự oxi hóa-khử) xảy ra. Nitơ ($–3$) bị oxi hóa, và Nitơ ($+5$) bị khử. Cả hai sẽ chuyển về một số oxi hóa trung gian ổn định hơn là $+1$ trong phân tử đinitơ monoxit ($N_{2}O$).
• Do đó, sản phẩm của phản ứng nhiệt phân ${\mathrm{NH}}_4{\mathrm{NO}}_3$ chính là $N_{2}O$ (khí cười) và hơi nước ($H_{2}O$):
  ${\mathrm{NH}}_4{\mathrm{NO}}_3 \left(s\right)\stackrel{t^0}{\to }{N}_{2}O \left(g\right)+2H_{2}O \left(g\right)$
• Cụ thể sự thay đổi số oxi hóa:
  $N^{–3} \to N^{+1} \left(\text{bị oxi hóa, nhường 4 electron}\right)$
  $N^{+5} \to N^{+1} \left(\text{bị khử, nhận 4 electron}\right)$

Bước 4: Giải thích tại sao không phải là ${\mathrm{NH}}_3$

• Phản ứng tạo thành ${\mathrm{NH}}_3$ sẽ là một phản ứng phân hủy đơn thuần, không phải là phản ứng oxi hóa-khử nội phân tử. Điều này xảy ra khi anion (gốc axit) không có tính oxi hóa hoặc tính oxi hóa rất yếu.
• Trong ${\mathrm{NH}}_4{\mathrm{NO}}_3$, ion nitrat ${\mathrm{NO}}_3^{–}$ là một anion có tính oxi hóa mạnh (vì N có số oxi hóa $+5$). Do đó, nó sẽ phản ứng với phần tử có tính khử (N trong ${\mathrm{NH}}_4^{+}$) ngay trong cùng một phân tử khi có điều kiện nhiệt độ.
• Nếu sản phẩm là ${\mathrm{NH}}_3$, thì ion ${\mathrm{NO}}_3^{–}$ sẽ không tham gia vào quá trình oxi hóa-khử với ${\mathrm{NH}}_4^{+}$. Thay vào đó, nó sẽ phải tạo ra một sản phẩm khác của axit nitric hoặc tự phân hủy, điều này không được ưu tiên bằng phản ứng oxi hóa-khử nội phân tử để tạo ra $N_{2}O$ – một sản phẩm trung gian ổn định và phổ biến của nitơ.

Tóm lại:
Nhiệt phân ${\mathrm{NH}}_4{\mathrm{NO}}_3$ tạo ra $N_{2}O$ và $H_{2}O$ là do bản chất của phản ứng oxi hóa-khử nội phân tử. Trong muối này, có cả Nitơ ở số oxi hóa thấp ($–3$ trong ${\mathrm{NH}}_4^{+}$) đóng vai trò chất khử và Nitơ ở số oxi hóa cao ($+5$ trong ${\mathrm{NO}}_3^{–}$) đóng vai trò chất oxi hóa. Hai phần này tương tác với nhau khi đun nóng để tạo thành sản phẩm trung gian là $N_{2}O$ (với N có số oxi hóa $+1$) và nước, thay vì chỉ đơn thuần tạo ra ${\mathrm{NH}}_3$ như các muối amoni có anion không có tính oxi hóa.

Hy vọng phần giải thích này giúp em hiểu rõ hơn về vấn đề này nhé!