Bài 4: Nitrogen

- Phản ứng giữa nitrogen và hydrogen cần được thực hiện ở nhiệt độ cao do liên kết ba giữa 2 nguyên tử N trong phân tử nitrogen có năng lượng liên kết rất lớn (945 kJ/ mol) nên khó bị phá vỡ.

- Phương trình hoá học:

Số oxi hoá của nitrogen giảm từ 0 xuống -3 nên trong phản ứng này đơn chất nitrogen đóng vai trò là chất oxi hoá.

- Ứng dụng thực tiễn của khí nitrogen (\(N_2\)): Người ta thường dùng khí nitrogen để thay thế hoàn toàn hoặc một phần không khí trong rất nhiều trường hợp khác nhau để giảm nguy cơ cháy, nổ, giảm quá trình oxi hoá do oxygen trong không khí gây nên. Trong lĩnh vực hoá học, khi cần nghiên cứu sự biến đổi chất ở môi trường trơ thì cần đẩy không khí ra và thay vào đó là nitrogen hoặc các khí trơ khác.

- Ứng dụng thực tiễn của diêm tiêu Chile (\(NaNO_3\), sodium nitrate): Sản xuất phân bón; sản xuất thuốc nổ; sản xuất dược phẩm; sản xuất kính; bảo quản thịt …

Khi tham gia phản ứng oxi hoá – khử, số oxi hoá của nitrogen có thể giảm hoặc tăng, do đó \(N_2\) thể hiện tính oxi hoá hoặc tính khử. Một số quá trình minh hoạ:

Quá trình oxi hoá:

Quá trình khử:

- Công thức electron của phân tử nitrogen:

- Công thức Lewis của phân tử nitrogen:

- Công thức cấu tạo của phân tử nitrogen:

Phân tử nitrogen gồm hai nguyên tử, liên kết với nhau bằng liên kết ba (1 liên kết σ và 2 liên kết π) nên phân tử \(N_2\) có năng lượng liên kết lớn.

Dự đoán: Ở nhiệt độ và áp suất thường, nitrogen khó tham gia phản ứng hoá học.

Tương tác vander Waals phụ thuộc vào hai yếu tố chính là số lượng eletron và điểm tiếp xúc giữa các phân tử suy ra giữa các phân tử nitrogen tồn tại tương tác van der Waals nhưng rất yếu. Do đó đơn chất \(N_2\) khó hoá lỏng và ít tan trong nước.

Phương trình hoá học:

Số oxi hoá của nitrogen giảm từ 0 xuống -3 nên trong phản ứng này đơn chất nitrogen đóng vai trò là chất oxi hoá.

a)

b) Phản ứng này xảy ra ở nhiệt độ cao trên 3000\(^{\circ}\)C hoặc có tia lửa điện, nhưng hiệu suất tạo ra NO rất thấp, do đó thực tế không sử dụng phản ứng này để tạo ra NO.

- Quá trình tạo và cung cấp đạm nitrate cho đất từ nước mưa được biểu diễn theo sơ đồ:
\(\mathrm{N}_2 \stackrel{+\mathrm{O}_2}{\longrightarrow} \mathrm{NO} \stackrel{+\mathrm{O}_2}{\longrightarrow} \mathrm{NO}_2 \stackrel{+\mathrm{O}_2+\mathrm{H}_2 \mathrm{O}}{\longrightarrow} \mathrm{HNO}_3 \rightarrow \mathrm{H}^{+}+\mathrm{NO}_3^{-}\)
Các phương trình hoá học minh hoạ cho sơ đồ:
\(\begin{aligned}& \mathrm{N}_2(\mathrm{~g})+\mathrm{O}_2(\mathrm{~g}) \stackrel{\mathrm{t}^{\circ}}{\rightleftharpoons} 2 \mathrm{NO}(\mathrm{g}) \\& 2 \mathrm{NO}(\mathrm{g})+\mathrm{O}_2(\mathrm{~g}) \rightarrow 2 \mathrm{NO}_2(\mathrm{~g}) \\& 4 \mathrm{NO}_2(\mathrm{~g})+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}(\mathrm{l})+\mathrm{O}_2(\mathrm{~g}) \rightarrow 4 \mathrm{HNO}_3(\mathrm{aq}) \\& \mathrm{HNO}_3 \rightarrow \mathrm{H}^{+}+\mathrm{NO}_3^{-}\end{aligned}\)

Một số hình ảnh về ứng dụng của nitrogen trong thực tiễn:

a) Nitrogen hoá lỏng ở nhiệt độ thấp, -196 \(^{\circ}\)C. Vì vậy, nitrogen lỏng được dùng để bảo quản mẫu vật phẩm trong y học.

b) Vì tính chất kém hoạt động hoá học (tính trơ) nên nitrogen không oxi hoá các chất khác ở nhiệt độ thường. Do đó, khí nitrogen được dùng để làm căng vỏ bao bì thực phẩm mà không phải là không khí.

- Quá trình tạo và cung cấp đạm nitrate cho đất từ nước mưa được biểu diễn theo sơ đồ:
\(\mathrm{N}_2 \stackrel{+\mathrm{O}_2}{\longrightarrow} \mathrm{NO} \stackrel{+\mathrm{O}_2}{\longrightarrow} \mathrm{NO}_2 \stackrel{+\mathrm{O}_2+\mathrm{H}_2 \mathrm{O}}{\longrightarrow} \mathrm{HNO}_3 \rightarrow \mathrm{H}^{+}+\mathrm{NO}_3^{-}\)
Các phương trình hoá học minh hoạ cho sơ đồ:
\(\begin{aligned}& \mathrm{N}_2(\mathrm{~g})+\mathrm{O}_2(\mathrm{~g}) \stackrel{\mathrm{t}^{\circ}}{\rightleftharpoons} 2 \mathrm{NO}(\mathrm{g}) \\& 2 \mathrm{NO}(\mathrm{g})+\mathrm{O}_2(\mathrm{~g}) \rightarrow 2 \mathrm{NO}_2(\mathrm{~g}) \\& 4 \mathrm{NO}_2(\mathrm{~g})+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}(\mathrm{l})+\mathrm{O}_2(\mathrm{~g}) \rightarrow 4 \mathrm{HNO}_3(\mathrm{aq}) \\& \mathrm{HNO}_3 \rightarrow \mathrm{H}^{+}+\mathrm{NO}_3^{-}\end{aligned}\)
- Các ứng dụng của đơn chất nitrogen ở thể khí và thể lỏng trong bão quản thực phẩm, dược phẩm, mẫu vật phẩm y tế được dựa vào các tính chất: khí nitrogen kém hoạt động ở nhiệt độ thường và nitrogen hoá lởng ở nhiệt độ thấp, \(-196^{\circ} \mathrm{C}\).