Bài 4. Nitrogen
Tìm hiểu về cấu tạo, tính chất vật lý, hóa học của nitrogen và ứng dụng trong đời sống.
Lý thuyết Nitrogen
1. Vị trí và cấu tạo nguyên tử nitrogen
a) Vị trí trong bảng tuần hoàn
- Ô số 7, chu kì 2, nhóm VA
- Cấu hình electron: 1s² 2s² 2p³
- Lớp ngoài cùng có 5 electron
b) Cấu tạo phân tử N₂
Công thức cấu tạo: N≡N
Đặc điểm:
- Liên kết ba rất bền (năng lượng liên kết lớn: 946 kJ/mol)
- Độ dài liên kết: 0.110 nm
- Phân tử không phân cực
c) Số oxi hóa của nitrogen
Nitrogen có nhiều số oxi hóa từ -3 đến +5:
| Số oxi hóa | Hợp chất |
|---|---|
| -3 | NH₃, NH₄⁺ |
| 0 | N₂ |
| +1 | N₂O |
| +2 | NO |
| +3 | N₂O₃, HNO₂ |
| +4 | NO₂, N₂O₄ |
| +5 | N₂O₅, HNO₃ |
2. Tính chất vật lý của nitrogen
Các tính chất vật lý
- Trạng thái: Khí không màu, không mùi, không vị
- Nhiệt độ sôi: -196°C
- Nhiệt độ nóng chảy: -210°C
- Khối lượng riêng: Nhẹ hơn không khí (d = 0.967)
- Độ tan: Tan rất ít trong nước
- Tính trơ: Ở nhiệt độ thường, N₂ rất trơ do liên kết ba bền vững
Thành phần trong không khí
- Chiếm 78% thể tích không khí
- Là thành phần chính của khí quyển
- Nguồn nguyên liệu sản xuất NH₃, HNO₃
3. Tính chất hóa học của nitrogen
a) Tính oxi hóa
1. Phản ứng với hydrogen (tổng hợp NH₃):
N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ ΔH < 0
Điều kiện: t° = 450-500°C, P = 200-300 atm, xúc tác Fe
2. Phản ứng với kim loại:
3Mg + N₂ → Mg₃N₂ (magnesium nitride)
6Li + N₂ → 2Li₃N (lithium nitride)
Điều kiện: Nhiệt độ cao
b) Tính khử
Phản ứng với oxygen:
N₂ + O₂ ⇌ 2NO ΔH > 0
Điều kiện: t° rất cao (3000°C) hoặc tia lửa điện
Ý nghĩa:
- Xảy ra trong động cơ đốt trong
- Trong sấm sét tự nhiên
- Tạo NO gây ô nhiễm không khí
c) Tính trơ
Ở nhiệt độ thường, N₂ rất trơ:
- Không phản ứng với hầu hết các chất
- Do liên kết N≡N rất bền
- Dùng làm khí bảo vệ trong công nghiệp
4. Điều chế và ứng dụng nitrogen
a) Điều chế nitrogen
1. Trong phòng thí nghiệm:
Nhiệt phân muối ammonium nitrite:
NH₄NO₂ → N₂ + 2H₂O
Điều kiện: Đun nóng nhẹ
2. Trong công nghiệp:
Chưng cất phân đoạn không khí lỏng:
- Làm lạnh không khí đến -196°C
- N₂ bay hơi trước (nhiệt độ sôi thấp hơn O₂)
- Thu được N₂ tinh khiết 99%
b) Ứng dụng của nitrogen
1. Trong công nghiệp:
- Sản xuất NH₃: Nguyên liệu chính cho phân bón, axit nitric
- Khí bảo vệ: Trong hàn, cắt kim loại; Bảo quản thực phẩm
- Làm lạnh: N₂ lỏng (-196°C) dùng bảo quản mẫu sinh học
2. Trong y học:
- Bảo quản máu, tế bào, mô
- Phẫu thuật cắt bỏ u (cryosurgery)
- Điều trị bệnh da liễu
3. Trong nông nghiệp:
- Nguyên liệu sản xuất phân đạm (NH₃, (NH₄)₂SO₄, NH₄NO₃)
- Vi sinh vật cố định N₂ trong đất
4. Trong đời sống:
- Bơm lốp xe (thay không khí)
- Bảo quản thực phẩm đóng gói
- Dập tắt cháy (khí trơ)
c) Chu trình nitrogen trong tự nhiên
Các giai đoạn:
- Cố định N₂: Vi khuẩn chuyển N₂ → NH₃ → NO₃⁻
- Hấp thụ: Cây trồng hấp thụ NO₃⁻, NH₄⁺
- Phân hủy: Vi khuẩn phân hủy chất hữu cơ → NH₃
- Nitrate hóa: NH₃ → NO₂⁻ → NO₃⁻
- Khử nitrate: NO₃⁻ → N₂ (trả về khí quyển)
Các dạng bài tập
Dạng 1: Dạng 1: Tính chất hóa học của nitrogen
Phương pháp giải:
Phương pháp:
- Xác định vai trò của N₂ (oxi hóa hay khử)
- Viết phương trình phản ứng
- Tính toán theo phương trình
Ví dụ:
a) Phương trình:
3Mg + N₂ → Mg₃N₂
b) Tính khối lượng Mg₃N₂:
Bước 1: Tính số mol N₂
n(N₂) = 5.6 / 22.4 = 0.25 mol
Bước 2: Tính số mol Mg₃N₂
Theo phương trình: n(Mg₃N₂) = n(N₂) = 0.25 mol
Bước 3: Tính khối lượng Mg₃N₂
M(Mg₃N₂) = 24×3 + 14×2 = 72 + 28 = 100 g/mol
m(Mg₃N₂) = 0.25 × 100 = 25 g
c) Tính khối lượng Mg:
Theo phương trình: n(Mg) = 3 × n(N₂) = 3 × 0.25 = 0.75 mol
m(Mg) = 0.75 × 24 = 18 g
Đáp án: a) 3Mg + N₂ → Mg₃N₂; b) 25 g; c) 18 g
Dạng 2: Dạng 2: Tổng hợp ammonia
Phương pháp giải:
Phương pháp:
- Viết phương trình: N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃
- Tính theo tỉ lệ mol: 1 : 3 : 2
- Tính hiệu suất nếu có
Ví dụ:
a) Xác định chất dư:
Bước 1: Tính số mol
n(N₂) = 28 / 28 = 1 mol
n(H₂) = 9 / 2 = 4.5 mol
Bước 2: Xét tỉ lệ
Phương trình: N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃
Tỉ lệ: 1 : 3
n(H₂) cần = 3 × n(N₂) = 3 × 1 = 3 mol
n(H₂) có = 4.5 mol > 3 mol
→ H₂ dư
Bước 3: Tính lượng dư
n(H₂) dư = 4.5 - 3 = 1.5 mol
m(H₂) dư = 1.5 × 2 = 3 g
b) Tính thể tích NH₃:
Bước 1: Tính theo lý thuyết
N₂ hết, tính theo N₂:
n(NH₃) lý thuyết = 2 × n(N₂) = 2 × 1 = 2 mol
V(NH₃) lý thuyết = 2 × 22.4 = 44.8 lít
Bước 2: Tính theo hiệu suất
V(NH₃) thực tế = 44.8 × 80% = 35.84 lít
Đáp án: a) H₂ dư 3 g; b) 35.84 lít
Dạng 3: Dạng 3: Bài toán thực tế về nitrogen
Phương pháp giải:
Phương pháp:
- Phân tích tình huống thực tế
- Áp dụng kiến thức về N₂
- Tính toán và đề xuất giải pháp
Ví dụ:
a) Tính thể tích N₂:
Bước 1: Tính số mol NH₃
m(NH₃) = 1000 tấn = 10⁶ kg = 10⁹ g
M(NH₃) = 17 g/mol
n(NH₃) = 10⁹ / 17 ≈ 5.88×10⁷ mol
Bước 2: Tính số mol N₂
Phương trình: N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃
n(N₂) = n(NH₃) / 2 = 5.88×10⁷ / 2 = 2.94×10⁷ mol
Bước 3: Tính thể tích N₂
V(N₂) = 2.94×10⁷ × 22.4 ≈ 6.59×10⁸ lít
= 659000 m³
b) Tính thể tích không khí:
Không khí chứa 78% N₂ theo thể tích
V(không khí) = V(N₂) / 0.78
= 659000 / 0.78 ≈ 845000 m³
c) Giải thích điều kiện sản xuất:
1. Nhiệt độ cao (450-500°C):
Lý do:
- Liên kết N≡N rất bền, cần năng lượng lớn để phá vỡ
- Tăng tốc độ phản ứng
- Giúp phản ứng xảy ra nhanh hơn
Tại sao không quá cao?
- Phản ứng tỏa nhiệt (ΔH < 0)
- T quá cao → Cân bằng chuyển nghịch → Giảm hiệu suất NH₃
- 450-500°C là nhiệt độ tối ưu (cân bằng giữa tốc độ và hiệu suất)
2. Áp suất cao (200-300 atm):
Lý do:
- Phản ứng: 1 mol N₂ + 3 mol H₂ → 2 mol NH₃
- Trái: 4 mol khí; Phải: 2 mol khí
- Tăng P → Cân bằng chuyển theo chiều giảm số mol (sang phải)
- → Tăng hiệu suất NH₃
Tại sao không quá cao?
- Chi phí thiết bị chịu áp lực cao rất đắt
- Nguy hiểm, khó vận hành
- 200-300 atm là áp suất tối ưu về kinh tế
3. Xúc tác Fe (sắt):
Lý do:
- Tăng tốc độ phản ứng cả hai chiều
- Giúp đạt cân bằng nhanh hơn
- Giảm năng lượng hoạt hóa
Lưu ý:
- Xúc tác không làm chuyển dịch cân bằng
- Không làm thay đổi hiệu suất
- Chỉ giúp đạt cân bằng nhanh hơn
4. Biện pháp khác:
- Loại NH₃ liên tục: Làm lạnh hỗn hợp → NH₃ hóa lỏng, tách ra → Cân bằng chuyển thuận → Tăng hiệu suất tổng thể
- Tuần hoàn N₂, H₂: Khí chưa phản ứng quay lại lò phản ứng → Tiết kiệm nguyên liệu
Kết luận:
- Cần 659000 m³ N₂ và 845000 m³ không khí mỗi ngày
- Điều kiện tối ưu: T = 450-500°C, P = 200-300 atm, xúc tác Fe
- Cân bằng giữa tốc độ, hiệu suất và chi phí kinh tế