Trong khi các sinh vật đã biết cách cố định nitơ (nitrogen) từ không khí để tạo ra các hợp chất chứa nitơ từ hàng trăm triệu năm nay, thì con người chỉ mới biết cách điều chế amonia (NH₃) khoảng 100 năm trở lại đây.Amonia được điều chế từ nitơ (N₂) và hydro (H₂). Tuy nhiên, do phân tử N₂ rất bền vững nên quá trình điều chế amonia cần phải có chất xúc tác và được thực hiện trong điều kiện thích hợp. Đầu thế kỷ XX, Haber và Bosch đã đề xuất phương pháp điều chế amonia ở nhiệt độ cao và áp suất cao. Phương pháp này vẫn được sử dụng rộng rãi cho đến ngày nay. Nhờ công trình đó, Haber và Bosch đã được trao giải Nobel Hóa học
1. Viết phương trình hóa học điều chế amonia theo phương pháp Haber-Bosch.
2. Chất xúc tác sử dụng trong phản ứng điều chế amonia là Fe (sắt) và Ru (ruthenium).
Phản ứng xúc tác chỉ xảy ra trên bề mặt của kim loại, do đó diện tích bề mặt có ảnh hưởng lớn đến tốc độ phản ứng.
Hãy tính số mol nitrogen bị hấp phụ trên 1 kg xúc tác Fe, biết rằng:
- Xúc tác gồm các hạt hình lập phương có thể tích 1 µm³
- Tất cả 6 mặt của hạt xúc tác đều có khả năng hấp phụ nitrogen như nhau
- Khối lượng riêng của Fe là 7,86 g/cm³
- Diện tích bề mặt bị chiếm bởi một phân tử nitrogen là 0,16 nm²
Cho:
- 1 µm = 10⁻⁶ m
- 1 nm = 10⁻⁹ m
3. Người ta còn sử dụng một chất xúc tác đồng thể có khối lượng mol là 500 g/mol.
Giả sử rằng mỗi phân tử xúc tác có khả năng liên kết với 1 phân tử nitrogen, hãy tính số mol nitrogen có thể liên kết với 1 kg chất xúc tác này.
So sánh kết quả này với kết quả ở câu (2).
4. Trong khi amonia được điều chế trong công nghiệp ở nhiệt độ và áp suất cao, thì trong tự nhiên, amonia được tạo ra ở áp suất khí quyển nhờ enzyme nitrogenaza (nitrogenase) – là các protein có chứa Fe hoặc Mo.Tính năng lượng cần thiết để điều chế 1 mol amonia với xúc tác là nitrogenaza.
Phản ứng điều chế amonia nhờ nitrogenaza như sau:
N₂ (g) + 8 H⁺ + 8 e⁻ + 16 ATP → 2 NH₃ (g) + H₂ (g) + 16 ADP + 16 Pi
Biết:
- Mỗi mol ATP khi bị phân hủy thành ADP và phosphate (Pi) sẽ cung cấp 30,5 kJ năng lượng.