Amoniac là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu về Amoniac

Amoniac, còn gọi là ammonia, là một hợp chất hóa học có công thức $\mathrm{NH_3}$. Đây là một phân tử nhỏ, bao gồm một nguyên tử nitơ và ba nguyên tử hydro, tạo thành một chất khí không màu, nhẹ hơn không khí và có mùi khai rất đặc trưng. Mùi của amoniac dễ nhận biết, thường liên tưởng đến mùi của nước tiểu hoặc chất tẩy rửa mạnh.

Trong điều kiện bình thường, amoniac tồn tại dưới dạng khí. Tuy nhiên, khi được làm lạnh hoặc nén, nó dễ dàng hóa lỏng, điều này giúp việc lưu trữ và vận chuyển thuận tiện hơn trong công nghiệp. Amoniac tan rất tốt trong nước, và khi hòa tan, nó tạo thành dung dịch có tính kiềm nhẹ được gọi là dung dịch amoniac – một chất thường dùng trong tẩy rửa và xử lý nước.

Về mặt lịch sử, amoniac đã được loài người biết đến từ thời cổ đại, xuất hiện trong các quá trình phân hủy sinh học của chất hữu cơ giàu nitơ. Ngày nay, nó là một trong những hóa chất vô cơ được sản xuất với khối lượng lớn nhất trên toàn cầu do tầm quan trọng của nó trong ngành nông nghiệp và công nghiệp hóa chất.

Cấu trúc phân tử và tính chất vật lý

Phân tử amoniac có hình học phân tử kiểu chóp tam giác (trigonal pyramidal), với nguyên tử nitơ ở đỉnh và ba nguyên tử hydro tạo thành đáy. Góc liên kết H–N–H là khoảng $107.8^\circ$, nhỏ hơn góc $109.5^\circ$ của cấu trúc tứ diện lý tưởng do ảnh hưởng của cặp electron tự do trên nguyên tử nitơ, gây đẩy các liên kết xuống dưới.

Đặc điểm cấu trúc này tạo ra một lưỡng cực điện mạnh, khiến amoniac có khả năng hình thành liên kết hydro, làm cho nó tan rất tốt trong nước và có nhiệt độ sôi tương đối cao đối với một phân tử nhỏ như vậy. Các tính chất vật lý chính của amoniac được trình bày trong bảng dưới đây:

Tính chất	Giá trị
Công thức hóa học	$\mathrm{NH_3}$
Khối lượng mol	17.03 g/mol
Điểm sôi	-33.34°C
Điểm nóng chảy	-77.73°C
Tỉ trọng (so với không khí)	~0.59
Độ tan trong nước (20°C)	~482 g/L

Do có khối lượng riêng nhỏ hơn không khí, amoniac có xu hướng bay lên cao khi rò rỉ ra môi trường, tuy nhiên vẫn có thể tích tụ ở khu vực kín hoặc không thông thoáng, gây nguy hiểm cho sức khỏe và an toàn nếu không kiểm soát tốt.

Tính chất hóa học

Amoniac là một bazơ yếu trong nước, phản ứng với ion hydro (proton) để tạo thành ion amoni $\mathrm{NH_4^+}$. Phản ứng này là cơ sở cho khả năng điều chỉnh pH trong dung dịch và tạo ra nhiều muối amoni khác nhau khi phản ứng với axit:

$\mathrm{NH_3 + H^+ \rightarrow NH_4^+}$

Phản ứng này giúp amoniac trở thành một chất trung gian quan trọng trong hóa học axit-bazơ. Ngoài ra, ở nhiệt độ cao và trong môi trường thích hợp, amoniac có thể tham gia nhiều phản ứng hóa học khác, ví dụ:

• Phản ứng với oxi (phản ứng cháy) tạo ra nitơ và nước:
• $\mathrm{4NH_3 + 3O_2 \rightarrow 2N_2 + 6H_2O}$
• Phản ứng với axit nitric để tạo ra amoni nitrat:
• $\mathrm{NH_3 + HNO_3 \rightarrow NH_4NO_3}$

Amoniac cũng có khả năng tạo phức với các ion kim loại chuyển tiếp như bạc, đồng, niken,… Thí nghiệm kinh điển là sự tạo thành dung dịch phức $\mathrm{[Ag(NH_3)_2]^+}$ màu trong suốt khi thêm amoniac vào dung dịch bạc nitrat. Đây là nguyên lý cơ bản trong phản ứng tráng bạc trong hóa học hữu cơ.

Ứng dụng trong công nghiệp

Amoniac là một trong những hóa chất công nghiệp có ứng dụng rộng rãi nhất. Gần 80% lượng amoniac được sản xuất hàng năm được dùng trong sản xuất phân bón, nhưng ngoài ra, nó còn có vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp khác. Một số ứng dụng nổi bật gồm:

• Sản xuất ure, amoni nitrat, amoni photphat cho ngành phân bón
• Nguyên liệu đầu vào trong tổng hợp axit nitric, hydrazin, nhựa tổng hợp
• Chất làm lạnh trong hệ thống làm lạnh công nghiệp nhờ khả năng bay hơi tốt
• Thành phần trong dung dịch tẩy rửa mạnh do tính kiềm và khả năng làm sạch dầu mỡ
• Xử lý khí thải bằng công nghệ SCR (Selective Catalytic Reduction) để giảm $\mathrm{NO_x}$ trong khí thải động cơ

Ứng dụng xử lý nước thải là một lĩnh vực quan trọng, đặc biệt trong các nhà máy xử lý nước sinh hoạt và nước thải công nghiệp. Amoniac đóng vai trò là tác nhân trung hòa, điều chỉnh pH và hỗ trợ quá trình phân hủy sinh học các chất ô nhiễm. Tài liệu kỹ thuật về vai trò này được công bố bởi EPA – Ammonia Factsheet.

Nhờ khả năng phản ứng đa dạng và chi phí sản xuất tương đối thấp, amoniac còn được sử dụng làm nguyên liệu trung gian trong nhiều quy trình tổng hợp hóa học quy mô lớn.

Vai trò trong nông nghiệp

Nông nghiệp là lĩnh vực tiêu thụ amoniac lớn nhất toàn cầu. Ước tính có khoảng 80% tổng lượng amoniac sản xuất mỗi năm được dùng để sản xuất phân bón chứa nitơ. Nitơ là nguyên tố thiết yếu cho sự sinh trưởng của cây trồng, đóng vai trò chính trong quá trình hình thành protein và axit nucleic.

Các hợp chất phân bón từ amoniac thường gặp bao gồm:

• Ure: $\mathrm{CO(NH_2)_2}$
• Amoni nitrat: $\mathrm{NH_4NO_3}$
• Amoni photphat: $\mathrm{(NH_4)_3PO_4}$

Các hợp chất này dễ dàng hòa tan trong nước, giúp cây trồng hấp thụ nhanh chóng. Ngoài ra, việc sử dụng trực tiếp amoniac dạng lỏng (anhydrous ammonia) để bón vào đất cũng được áp dụng trong canh tác nông nghiệp quy mô lớn tại một số quốc gia, đặc biệt ở Bắc Mỹ. Hình thức này yêu cầu thiết bị chuyên dụng để đảm bảo an toàn trong quá trình bón phân.

Việc sử dụng hợp lý amoniac trong nông nghiệp có thể cải thiện năng suất cây trồng đáng kể. Tuy nhiên, sử dụng quá mức hoặc không đúng kỹ thuật có thể dẫn đến hiện tượng phú dưỡng nguồn nước, rò rỉ khí $\mathrm{NH_3}$ vào không khí và ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường.

Sản xuất amoniac (Quá trình Haber-Bosch)

Quá trình Haber-Bosch là phương pháp công nghiệp chính để sản xuất amoniac từ nitơ trong không khí và hydro (thường từ khí tự nhiên hoặc khí nước). Phản ứng xảy ra dưới áp suất và nhiệt độ cao với sự hiện diện của xúc tác sắt:

$\mathrm{N_2 (g) + 3H_2 (g) \leftrightarrow 2NH_3 (g) \quad (\Delta H = -92.4\,kJ/mol)}$

Điều kiện phản ứng tiêu biểu:

• Nhiệt độ: 400–500°C
• Áp suất: 150–250 atm
• Xúc tác: sắt được kích hoạt bằng oxit kali và oxit nhôm

Do phản ứng thuận tạo amoniac là tỏa nhiệt, nên việc tăng nhiệt độ sẽ làm giảm hiệu suất cân bằng, trong khi lại cần nhiệt độ cao để phản ứng xảy ra nhanh. Đây là ví dụ kinh điển về việc cân bằng giữa động học và nhiệt động học trong thiết kế quá trình công nghiệp.

Phát minh ra quá trình Haber-Bosch vào đầu thế kỷ 20 đã tạo ra cuộc cách mạng trong sản xuất lương thực. Trước đó, nitơ trong phân bón chủ yếu đến từ nguồn tự nhiên như phân chim biển (guano) và muối nitrat. Quá trình này đã làm gián đoạn chu trình nitơ tự nhiên và góp phần đáng kể vào tăng trưởng dân số toàn cầu nhờ sản lượng nông nghiệp tăng cao.

Tác động môi trường và sức khỏe

Amoniac là một chất độc nếu tiếp xúc với nồng độ cao, đặc biệt qua đường hô hấp. Ở nồng độ trên 50 ppm, amoniac bắt đầu gây kích ứng mắt, mũi và họng. Khi nồng độ đạt 300 ppm trở lên, có thể gây bỏng đường hô hấp và tổn thương phổi nghiêm trọng. Ở mức >5000 ppm, amoniac có thể gây tử vong nếu không có biện pháp can thiệp khẩn cấp.

Bảng dưới đây tóm tắt ảnh hưởng sức khỏe của amoniac theo nồng độ trong không khí (ppm):

Nồng độ	Ảnh hưởng sức khỏe
5–25 ppm	Ngưỡng có thể ngửi thấy, kích ứng nhẹ
50–100 ppm	Kích ứng mắt, mũi, ho
300 ppm	Gây bỏng đường hô hấp
>5000 ppm	Gây ngạt, nguy cơ tử vong cao

Về mặt môi trường, amoniac phát thải từ phân bón, nước thải hoặc quá trình công nghiệp có thể gây hại cho hệ sinh thái nước ngọt, đặc biệt đối với cá và sinh vật phù du. Các ion $\mathrm{NH_4^+}$ và $\mathrm{NH_3}$ khi tích tụ gây tăng nồng độ nitơ trong nguồn nước, dẫn đến hiện tượng phú dưỡng, làm tảo phát triển quá mức, cạn kiệt oxy và chết cá hàng loạt.

Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) đã ban hành nhiều hướng dẫn kiểm soát nồng độ amoniac trong nước thải và khí thải công nghiệp. Tham khảo chi tiết tại EPA – Ammonia Pollution.

Amoniac trong công nghệ năng lượng

Amoniac đang được nghiên cứu như một nguồn năng lượng thay thế tiềm năng trong bối cảnh thế giới cần giảm phát thải carbon. Với đặc tính không chứa carbon, đốt cháy amoniac không tạo ra khí CO₂ – một lợi thế lớn so với các nhiên liệu hóa thạch truyền thống.

Amoniac có thể được sử dụng theo ba cách chính trong lĩnh vực năng lượng:

1. Làm nhiên liệu trực tiếp cho động cơ nhiệt hoặc tua-bin
2. Làm chất mang hydro – dễ lưu trữ và vận chuyển hơn so với hydro khí
3. Làm nhiên liệu cho pin nhiên liệu (fuel cell) sau khi tái tạo hydro từ amoniac

Các quốc gia như Nhật Bản, Hàn Quốc, và Úc đang đầu tư mạnh vào công nghệ "nhiên liệu amoniac xanh" được sản xuất từ hydro xanh và nitơ từ không khí. Việc này giúp hướng tới mục tiêu khử carbon toàn phần trong ngành vận tải biển và công nghiệp nặng.

Báo cáo của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ năm 2023 đã khẳng định tiềm năng sử dụng amoniac như một nhiên liệu không phát thải. Xem thêm tại DOE – Ammonia as a Fuel.

Quản lý và lưu trữ an toàn

Do tính độc và dễ bay hơi, việc lưu trữ và vận chuyển amoniac đòi hỏi tiêu chuẩn an toàn nghiêm ngặt. Amoniac thường được lưu trữ ở dạng lỏng, trong các bình chứa chịu áp hoặc được làm lạnh dưới nhiệt độ -33°C. Các kho chứa cần được trang bị:

• Hệ thống phát hiện rò rỉ khí
• Thông gió tốt
• Thiết bị bảo hộ cá nhân như mặt nạ phòng độc, găng tay hóa chất

Các tiêu chuẩn lưu trữ và xử lý amoniac được quy định bởi OSHA (Occupational Safety and Health Administration) và NFPA (National Fire Protection Association). Người lao động cần được đào tạo bài bản và kiểm tra sức khỏe định kỳ khi làm việc với amoniac.

Tài liệu tham khảo

1. U.S. Environmental Protection Agency. (2021). Ammonia Pollution Factsheet.
2. Britannica. Haber-Bosch Process. https://www.britannica.com/science/Haber-Bosch-process
3. U.S. Department of Energy. (2023). Ammonia as a Fuel.
4. Occupational Safety and Health Administration (OSHA). (2022). Ammonia Safety Guidelines.
5. Royal Society of Chemistry. (n.d.). Ammonia - Compound Summary. https://www.rsc.org/periodic-table/compound/184